Wpływ wybranych czynników na powierzchniowo wzmocnione widma ramanowskie modelowych nici DNA

Kwas deoksyrybonukleinowy (DNA – ang. deoxyribonucleic acid) jest nośnikiem informacji genetycznej wszystkich organizmów żywych. Nawet niewielka mutacja w jego strukturze może prowadzić do wystąpienia poważnej choroby. Szybkie, czułe i precyzyjne metody do wykrywania mutacji określonych fragmentów DNA są celem badawczym wielu naukowców. Ze względu na bardzo wysoką czułość pomiaru, m.in. możliwość uzyskania w określonych warunkach dobrej jakości widma nawet pojedynczych molekuł, powierzchniowo-wzmocnione rozpraszanie ramanowskie (SERS – akronim od ang. surface-enhanced Raman scattering) wykorzystywane jest do detekcji bioanalitów, w tym DNA. Istotą pomiaru SERS jest umieszczenie badanej substancji na powierzchni nanostruktur metali plazmonicznych (najczęściej złota bądź srebra), co umożliwia uzyskanie bardzo silnego sygnału analitycznego. Detekcję DNA za pomocą spektroskopii SERS przeprowadza się najczęściej z wykorzystaniem tzw. reporterów ramanowskich, które generują znacznie silniejsze sygnały SERS niż samo DNA. Znacznik ramanowski może być zarówno przyłączony do fragmentu nici DNA, jak i osadzony na powierzchni metalu. Sama detekcja jest możliwa dzięki skonstruowaniu układu opartego na hybrydyzacji DNA, zawierającego przynajmniej dwie nici DNA, z których przynajmniej jedna musi być przyłączona do powierzchni metalu plazmonicznego. Znając sekwencję poszukiwanego fragmentu DNA, można zaprojektować sensor SERS do detekcji DNA w taki sposób, aby rejestrowane widmo SERS dostarczało informacji o obecności bądź braku poszukiwanego fragmentu łańcucha DNA w badanej próbce. Głównym celem niniejszej pracy doktorskiej było określenie wpływu wybranych czynników na powierzchniowo wzmocnione widma ramanowskie modelowych fragmentów DNA, prowadzące przede wszystkim do optymalizacji warunków przygotowania warstw z jednoniciowego DNA (ang. single stranded DNA, ssDNA) na różnego rodzaju podłożach plazmonicznych, tak aby otrzymać maksymalną czułość i powtarzalność pomiarów SERS. W pracy wykonano szereg eksperymentów, w których modelowe fragmenty ssDNA z przyłączonym ugrupowaniem alkanotiolowym lub/i reporterem ramanowskim były osadzane na powierzchni nanocząstek oraz makroskopowych nanostruktur złota oraz srebra.

Deoxyribonucleic acid (DNA) carries the genetic information of all living organisms. Even a small mutation in its structure can lead to the development of a serious disease. Fast, sensitive, and precise methods for detecting mutations of specific DNA fragments are currently extensively studied. Due to the extremely high sensitivity and the ability of recording a good quality spectrum of even a single molecule, surface enhanced Raman scattering (SERS) is used to detect many bioanalytes, including DNA. The essence of the SERS measurement is the placement of the analyzed substance on the surface of plasmonic metal nanostructures (most often gold or silver), which allows obtaining a strong analytical signal. Typically, DNA detection is performed using the so-called Raman reporters, which generate much stronger SERS signals than DNA itself. The Raman reporter can be both attached to the DNA strand fragment or deposited on the metal surface. The detection itself is possible thanks to the construction of a sensor based on DNA hybridization, containing of at least two strands, at least one of which must be attached to the plasmonic metal surface. Knowing the sequence of the searched DNA fragment, the sensor can be designed in such a way that the SERS spectrum provides information about its presence or absence in the tested sample. The main goal of this dissertation was to investigate the influence of selected factors on the surface enhanced Raman spectra of model nucleic acid fragments, leading primarily to the optimization of single-stranded DNA (ssDNA) layer preparation conditions on several types of plasmonic substrates, so as to obtain the maximum sensitivity and repeatability of SERS measurements. The work involved a series of experiments in which model ssDNA fragments (with an attached alkanethiol moiety and/or Raman reporter) were deposited on the surface of nanoparticles and macroscopic nanostructures of gold and silver.