ĪSUMĀ
- Inovatīva sensoru tehnoloģija. Latvijas Universitātes zinātnieki izstrādāja jaunus sensoru substrātus, kas, izmantojot lokalizēto virsmas plazmonu rezonansi (LSPR), spēj noteikt vielu klātbūtni, mainot gaismas izkliedes īpašības.
- Mērījumi iespējami pat ar viedtālruni. Pateicoties nanodaļiņu unikālajai sakārtošanai, mērījumus var veikt ne tikai ar dārgiem spektrometriem, bet arī izmantojot parastu kameru, kas ievērojami samazina tehnoloģijas izmaksas.
- Potenciāls medicīnā un vides monitoringā. Izstrādātie sensori spēj noteikt Vaskulārā Endotēlija Augšanas Faktoru (VEGF), kas ir svarīgs indikators dažādām slimībām, tostarp vēzim un sirds un asinsvadu saslimšanām. Tie var tikt izmantoti arī ūdens un gaisa kvalitātes kontrolē.
- Jauna metode precīzai nanodaļiņu izvietošanai. Pētnieki izstrādāja porainā anodētā alumīnija oksīda (PAAO) substrātus, kas ļauj zelta nanodaļiņas sakārtot blīvā, bet nesalipušā veidā, uzlabojot sensoru jutību un uzticamību.
- Ietekme uz zinātni un industriju. Šis pētījums rada pamatu jaunām tehnoloģijām dažādās nozarēs – diagnostikā, rūpniecībā un vides zinātnē, vienlaikus veicinot starptautisku sadarbību un zināšanu pārnesi.
Mūsdienās šķiet, ka tehnoloģijas var izmērīt visu, nepieciešama tikai atbilstoša mērierīce. Kā izmērīt un vispār saredzēt tādu sīku lietu kā nanostruktūras – noteiktas formas objektus, kas ir lielāki par molekulām, bet mazāki par mikroskopiskām detaļām? Pastāv uzskats, ka nanostruktūras ir tik sīkas, ka tās nav iespējams novērot pat ar mikroskopu. Taču tas nav gluži precīzi – piemēram, zelta nanodaļiņas var spēcīgi mijiedarboties ar gaismu, radot efektu, kas mikroskopā izskatās kā spoži, mirdzoši punkti, līdzīgi zvaigznēm teleskopā. Šo gaismu jau var uztvert ar salīdzinoši vienkāršām fotokamerām. Daļiņu mirdzēšanu izraisa lādiņa blīvuma viļņi, kas darbojas līdzīgi kā skaņas viļņi, spēlējot kādu pūšamo mūzikas instrumentu. Skaņa mainās atkarībā ne tikai no instrumenta formas un izmēriem, bet arī no vides, kas atrodas tā tuvumā. Pamēģiniet spēlēt trompeti ūdenī!
Šo unikālo gaismas fenomenu sauc par lokalizēto virsmas plazmonu rezonansi (LSPR), kas ir lādiņa blīvuma svārstības, brīvo elektronu oscilācijas metāla nanostruktūrās. LSPR rezonanse ir cieši saistīta ar nanostruktūras izmēriem un formu, kā arī mijiedarbības ar vidi un citām nanostruktūrām, kas nosaka gaismas izkliedēšanas īpašības.
Latvijas Universitātes zinātnieki Latvijas Zinātnes padomes administrētā fundamentālo un lietišķo pētījumu programmas projekta “Nanostrukturēti vairākslāņu hibrīdie pārklājumi interferometrisko un optoelektronisko sensoru veidošanai” ietvaros izstrādāja sensoru substrātus, kas veidoti no milzīga daudzuma zelta nanodaļiņu, kas savstarpēji mijiedarbojoties, pastiprina LSPR efektu un maina krāsu vides ietekmē, tādējādi signalizējot par kādas vielas klātesamību.
Kā izmērīt nanodaļiņu “vizuļošanu”?
Līdz šim šos gaismas viļņus jau varēja izmērīt ar spektometru, tomēr šāda mērījuma iekārtu izmaksas ir ļoti lielas, turklāt, līdz šim bija grūti zelta nanodaļiņas izvietot tādā formā un sakārtojumā, kas nodrošinātu nepieciešamo mērījumu precizitāti. Latvijas Universitātes pētnieku izstrādātā metode ļāva izkārtot zelta nanodaļiņas augstā blīvumā, vienlaikus nepieļaujot to salipšanu, kas sabojātu LSPR īpašības.
Pētnieki sāka ar automatizētas tehnoloģijas izveidi, lai radītu porainā anodētā alumīnija oksīda (PAAO) pārklājumus un uz tiem vienmērīgi uzklātu nanodaļiņas. Iegūtā alumīnija-PAAO-zelta vairākslāņu “sviestmaizes” struktūra kalpoja kā sensoru aktīvā virsma. Katrs solis tika rūpīgi pārbaudīts, lai nodrošinātu, ka sensori ir precīzi un uzticami. Tika izstrādāti vairāki sensora prototipi, kurus testēja laboratorijā.
Lai optimizētu sensoru jutību, pētnieki mainīja dažādus parametrus, piemēram, nanodaļiņu izmēru un izvietojumu. Tas palīdzēja tiktāl uzlabot signāla stiprumu, ka krāsu izmaiņas varēja novērot pat ar neapbruņotu aci.
Attēls ar zelta nanodaļiņām uz porainā anodētā alumīnija oksīda virsmas, kas iegūts ar skenējošā elektronu mikroskopa (SEM) palīdzību, parāda nanostruktūru precīzo izvietojumu un augsto blīvumu. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05305
Rezultātā zinātnieki pierādīja, ka sensori var reaģēt uz ļoti nelielām vielu izmaiņām apkārtējā vidē. Piemēram, viņi spēja noteikt Vaskulārā Endotēlija Augšanas Faktoru (VEGF) ļoti mazās koncentrācijās, kas ir būtiski medicīniskai diagnostikai. VEGF ir proteīns, kas organismā veicina jaunu asinsvadu veidošanos un spēlē nozīmīgu lomu normālos fizioloģiskos procesos, piemēram, embrionālās attīstības laikā, brūču dzīšanā un muskuļu augšanas vai reģenerācijas procesā. Vienlaikus VEGF proteīnu pārprodukcija vai nepietiekamība var norādīt uz dažādām slimībām, tostarp vēzi, acu slimībām vai sirds un asinsvadu saslimšanām. Izstrādātie sensori ir īsta inovācija, tā potenciāli var būtiski ietaupīt dažādu nozaru resursus un uzlabot darba procesus, kas saistīti ar vielu kontroli diagnostikā vai vides monitoringā.
Kāpēc šādu sensoru izstrāde ir būtiska?
Tas ir tikai viens solis tuvāk, lai šādi sensori spētu atklāt dažādu vielu klātesamību dabīgā vidē. Šādus sensorus iespējams varēs izmantot medicīnā, lai ātrāk atklātu slimības. Vēl tos varēs izmantot, lai pārbaudītu ūdens un gaisa tīrību. Arī rūpniecībā šie sensori varēs palīdzēt kontrolēt ražošanas procesus, piemēram, pārtikas produktu ražotnēs vai uzglabāšanā.
Viens no lielākajiem izaicinājumiem bija sistēmas integrācija mērījumiem šķidrumos. Tas nepieciešams sensoru pielietošanai tādu vielu detektēšanai, kas būtu noderīgi, piemēram, medicīniskajā diagnostikā. Lai iegūtu statistiski nozīmīgas datus sensoru prototipu testēšanai, bija nepieciešamas daudzas jo daudzas eksperimentu nedēļas. Ne visi testi beidzās sekmīgi un, lai iegūtu pārliecinošus mērījumus, nereti nācās atkārtot tos. Svarīgi piebilst, ka izstrādātie sensori ir gana jutīgi, lai atpazītu nelielu daudzumu vielas klātesamību.
Zinātnieku redzeslokā nanodaļiņu izkliedētā gaisma bija nonākusi jau iepriekš un LSPR efekta sensoru darbības princips ir labi zināms. Sākotnēji nanodaļiņu veidošanai tika lietoti masku litogrāfijas paņēmieni (trafarets, caur kuru uz virsmas uzklāj zelta slāni ar pareizo struktūru un rakstu), taču šis process izrādījās laikietilpīgs, sarežģīts un grūti atkārtojams. Eksperimenti ar kapilāro spēku vadītu nanodaļiņu nogulsnēšanu uz porainā anodētā alumīnija oksīda virsmas piedāvāja alternatīvu pieeju, kas nodrošināja vienkāršāku un efektīvāku substrātu izveidi. Šī metode, kas līdzīga golfa bumbiņām bedrītēs, ar to atšķirību, ka katrā bedrītē (porā) pietiek vietas tikai vienai bumbiņai, ne tikai ļāva izvairīties no sarežģītās litogrāfijas, bet arī pavēra ceļu praktisku LSPR efekta sensoru izstrādei, piedāvājot ekonomiski izdevīgu un tehnoloģiski pielāgojamu risinājumu.
Izveidotie sensoru substrāti izkliedēja gaismu ar tādu intensitāti, ka detektēšanu iespējams veikt pat ar viedtālruņa fotokameru. Turklāt, īpaši pielāgojot PAAO (porainā anodētā alumīnija oksīda) slāņa biezumu, sensoru darbībai vairs nav nepieciešams spektrometrs. Universitātes pētnieku komanda šo sensoru tehnoloģiju patentēja.
Tikai komanda var radīt inovācijas, kas uzlabos pasauli!
Projektā piedalījās iespaidīga zinātnieku un studentu komanda no fizikas, ķīmijas un bioloģijas nozarēm. Šī sadarbība veicināja zināšanu pārnesi starp pieredzējušajiem zinātniekiem un jaunajiem pētniekiem, kas projekta ietvaros arī izstrādāja savus bakalaura un maģistra darbus. Īpaši veiksmīga izrādījās informācijas tehnoloģiju studentu iesaiste, kas izstrādāja eksperimentu automatizācijas risinājumus.
Īstermiņā lielākie ieguvēji no projekta realizācijas bija studējošie, kuri varēja apvienot mācības ar darbu profesijā, turklāt, tas atbilstu viņu izvēlētajai zinātnes nozarei. Iegūtā praktiskā pieredze ir būtiski sekmējusi viņu karjeras attīstību – visi studenti vai nu turpina mācības nākamajā izglītības līmenī, vai arī veiksmīgi strādā komerciālos uzņēmumos.
Projekts ir devis nozīmīgu ieguldījumu zinātnes attīstībā un zināšanu pārnesei, piedāvājot jaunas tehnoloģijas un paaugstinot iesaistīto pētnieku kompetenci. Zinātniskās publikācijas un prezentācijas starptautiskajās konferencēs nodrošina šo zināšanu pieejamību globālajai zinātnes kopienai. Ilgtermiņā projekta rezultāti ir jāskata plašākā kontekstā ar zināšanu un tehnoloģiju attīstību.
Kur nākotnē varētu izmantot šādu tehnoloģiju?
Projekts sniedz ieguldījumu, piemēram, jaunu diagnostikas metožu izstrādē medicīnā. Izstrādātās tehnoloģijas var pielāgot arī citiem mērķiem, piemēram, vides piesārņojuma uzraudzībai, tādējādi paplašinot to praktisko pielietojumu spektru.
- Medicīna: Šādus sensorus potenciāli varēs izmantot diagnostikai. Piemēram, vēža vai sirds un asinsvadu slimību noteikšanai.
- Vide: Sensorus varēs izmantot, lai konstatētu piesārņojumu ūdenī vai gaisā.
- Rūpniecība: Sensorus var izmantot, lai kontrolētu ražošanas procesus un pārliecinātos, ka saražotā produkcija ir atbilstoša norādēm.
Turklāt projekta laikā gūtie rezultāti un izveidotās sadarbības ar starptautiskiem partneriem no Lietuvas, Polijas un Francijas veido pamatu turpmākiem kopīgiem pētniecības projektiem, stiprinot zinātnisko sadarbību un inovāciju attīstību starptautiskā mērogā.
Nanodaļiņu tehnoloģija piedāvā ne tikai praktiskus risinājumus, bet arī iedvesmo uz lielāku izpratni par pasauli, kas ir visapkārt. Zinātnieku darbs ir radošs, jo ik dienu tiek meklēti nestandarta, neierasti risinājumi, kas attīstīs kādu no citām dzīves nozarēm – medicīnu, vides aizsardzību vai biznesu. Sensoru substrātu izstrāde ir sākuma posms, tālāk plānots liels darbs ar virsmas funkcionalizēšanu specifiski detektējamo vielu klāsta paplašināšanai.
Projekts “Nanostrukturēti vairākslāņu hibrīdie pārklājumi interferometrisko un optoelektronisko sensoru veidošanai” (lzp-2020/1-0200) tiek īstenots Fundamentālo un lietišķo pētījumu (FLPP) programmā. Finansē Latvijas Zinātnes padome.
