Nanotechnologia i SERS w detekcji antybiotyków – przełomowe badania

Jakie korzyści przynosi połączenie nanotechnologii z SERS?

Badanie metodologiczne analizujące interakcje między sulfametoksazolem (SMZ) a nanocząsteczkami złota z wykorzystaniem spektroskopii Ramana wzmacnianej powierzchniowo (SERS) wykazało potencjał tej technologii w detekcji niskich stężeń antybiotyków. Naukowcy połączyli metody eksperymentalne z obliczeniami kwantowo-chemicznymi, aby szczegółowo wyjaśnić mechanizmy adsorpcji leku na powierzchniach nanometrycznych oraz zoptymalizować parametry detekcji.

W badaniu wykorzystano złote nanogwiazdy (AuNSs) o średniej wielkości 190 ± 5 nm, syntetyzowane metodą redukcji z zastosowaniem etapów pośrednich. Charakterystyka morfologiczna i strukturalna została przeprowadzona przy użyciu mikroskopii elektronowej (SEM, TEM), dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz spektroskopii UV-vis. Struktury te posłużyły jako podłoże do analizy SERS sulfametoksazolu w różnych stężeniach i warunkach pH.

Czy odkryto nowe mechanizmy w działaniu SMZ?

Sulfametoksazol jest antybiotykiem sulfonamidowym skutecznym zarówno wobec bakterii Gram-dodatnich jak i Gram-ujemnych. Jego działanie polega na konkurencji z kwasem p-aminobenzoesowym, naturalnym substratem dla enzymu reduktazy dihydropteroinowej bakterii. SMZ zazwyczaj występuje w preparatach wieloskładnikowych w połączeniu z trimetoprimem, dostępnych w formie doustnej i dożylnej. Cząsteczka SMZ zawiera dwie jonizujące grupy funkcyjne: aminową (pK_a1 = 1,6) i amidową (pK_a2 = 5,7), co sprawia, że w zależności od pH środowiska może występować w trzech formach: kationowej, neutralnej (lub zwitterjonowej) i anionowej.

Eksperymenty wykazały, że sygnał Ramana dla SMZ na podłożu z nanogwiazd złota jest około pięciokrotnie silniejszy niż dla czystego SMZ w stanie stałym. Zidentyfikowano cztery charakterystyczne pasma wibracyjne o wysokiej intensywności: 1592 cm⁻¹ (rozciąganie wiązania CC w pierścieniu fenylowym), 1443 cm⁻¹ (rozciąganie wiązania CC w sulfametoksazolu), 1139 cm⁻¹ (symetryczne rozciąganie SO₂) oraz 1073 cm⁻¹ (deformacja pierścienia fenylowego). Badania wykazały również, że pH 4 zapewnia najwyższą intensywność sygnału SERS dla SMZ, co przypisano optymalnym stanom jonowym analitu na powierzchni nanocząstek.

Analiza czułości metody wykazała liniową zależność między intensywnością charakterystycznego piku przy 1592 cm⁻¹ a stężeniem SMZ w zakresie 0,1-50 mg/L, z wysokim współczynnikiem korelacji R² = 0,9916. Limit detekcji (LOD) określono na poziomie 0,06 mg/L, a limit kwantyfikacji (LOQ) na 0,21 mg/L, co świadczy o wysokiej czułości metody, umożliwiającej wykrywanie SMZ w stężeniach znacznie poniżej maksymalnych limitów pozostałości (MRL) ustalonych przez agencje regulacyjne (100 μg/kg dla mleka).

Jak obliczenia kwantowo-chemiczne wspierają interpretację wyników eksperymentalnych?

Równolegle przeprowadzone obliczenia kwantowo-chemiczne wykazały, że SMZ, zarówno w formie neutralnej jak i zjonizowanej (anionowej), wiąże się z powierzchnią złota głównie przez atom azotu w pierścieniu metyloizoksazolu. Forma anionowa SMZ⁻ wykazuje silniejsze powinowactwo do złota, z energiami wiązania w zakresie od -18 do -25 kcal/mol, w porównaniu do -13 do -17 kcal/mol dla formy neutralnej w środowisku wodnym. Obliczenia wykazały również, że adsorpcja SMZ na klastrach złota prowadzi do znacznego zmniejszenia przerwy energetycznej HOMO-LUMO, co bezpośrednio wpływa na właściwości elektronowe kompleksu i przyczynia się do wzmocnienia sygnału SERS.

W badaniu wykorzystano dwa modele klastrów złota: Au₆ i Au₂₀, przy czym ten drugi wykazał silniejsze oddziaływanie z cząsteczkami SMZ. Wartości energii wiązania (E_b) dla kompleksów Au₆·SMZ wynosiły od -13 do -10 kcal/mol, podczas gdy dla kompleksów Au₂₀·SMZ wartości te były bardziej ujemne: od -17 do -14 kcal/mol. Analiza orbitali granicznych wykazała, że oddziaływanie między SMZ a klastrami złota zachodzi głównie poprzez transfer elektronów z SMZ (donor) do klastrów złota (akceptor).

Badanie wykazało również, że efekt wzmocnienia SERS można wyjaśnić dwoma mechanizmami: wzmocnieniem elektromagnetycznym i chemicznym. Wzmocnienie elektromagnetyczne wynika z wzbudzenia zlokalizowanych plazmonów powierzchniowych, generujących silne pole magnetyczne, podczas gdy wzmocnienie chemiczne związane jest z transferem ładunku między zaadsorbowanymi cząsteczkami analitu a powierzchnią metalu. Symulowane widma SERS dla SMZ zaadsorbowanego na klastrach złota wykazały silne wzmocnienie drgań w regionie 1400-1500 cm⁻¹, co odpowiada eksperymentalnie obserwowanemu sygnałowi przy 1443 cm⁻¹.

Jakie praktyczne zastosowania ma metoda SERS?

Wyniki badań mają istotne znaczenie dla rozwoju czułych metod detekcji antybiotyków w różnych matrycach, w tym w próbkach biologicznych i środowiskowych. Metoda SERS z wykorzystaniem nanogwiazd złota umożliwia wykrywanie sulfametoksazolu na poziomie znacznie poniżej ustalonych limitów regulacyjnych, co może znaleźć zastosowanie w monitorowaniu pozostałości antybiotyków w żywności pochodzenia zwierzęcego, kontroli jakości preparatów farmaceutycznych oraz potencjalnie w diagnostyce medycznej.

Badanie to stanowi ważny krok w kierunku lepszego zrozumienia mechanizmów wzmocnienia sygnału SERS oraz optymalizacji parametrów detekcji dla związków farmaceutycznych. Połączenie metod eksperymentalnych z zaawansowanymi obliczeniami teoretycznymi pozwala na racjonalne projektowanie czułych platform diagnostycznych wykorzystujących technologię SERS w zastosowaniach medycznych i farmaceutycznych.

Podsumowanie

Badanie wykorzystujące spektroskopię Ramana wzmacnianą powierzchniowo (SERS) w połączeniu z nanocząsteczkami złota wykazało skuteczność w wykrywaniu niskich stężeń sulfametoksazolu (SMZ). W eksperymentach wykorzystano złote nanogwiazdy o wielkości 190 nm, które znacząco wzmacniały sygnał Ramana dla SMZ. Najwyższą intensywność sygnału SERS osiągnięto przy pH 4, a limit detekcji ustalono na poziomie 0,06 mg/L. Obliczenia kwantowo-chemiczne potwierdziły, że SMZ wiąże się z powierzchnią złota głównie przez atom azotu, przy czym forma anionowa wykazuje silniejsze powinowactwo. Metoda ta ma potencjalne zastosowanie w monitorowaniu pozostałości antybiotyków w żywności, kontroli jakości leków oraz diagnostyce medycznej.