Tek bir elektrot üzerinde olağanüstü hassasiyetle birden fazla reaksiyonun ölçülmesi

Tek bir elektrot üzerindeki reaksiyon, bilim adamlarına kimyasal yapı ve ilgili analitlerin sayısı hakkında dikkate değer miktarda bilgi verebilir. Zorluk, aynı elektrot üzerindeki birçok reaksiyonu ayırt etmek istediklerinde ortaya çıkar. On yılı aşkın süredir bu sınırlamanın üstesinden gelmeye çalıştıktan sonra, Ravi Saraf ve Nebraska Mühendisliği yüksek lisans öğrencileri, olağanüstü hassasiyetten ödün vermeden aynı elektrot üzerindeki birçok reaksiyonu ölçmenin bir yolunu gösterdiler.

Saraf, bu ilerlemenin kanser gibi hastalıkların daha erken teşhis edilmesine ve yüksek enerjili radyasyona maruz kalmadan kaynaklanan yaralanmaların daha iyi değerlendirilmesine yol açabileceğini söyledi.

Saraf, Lowell E. ve Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Seçkin Profesörü Betty Anderson, “Bu kesinlikle yaptığım en heyecan verici şeylerden biri” dedi.

İki çalışmada, Saraf ve yüksek lisans öğrencileri Linh Hua, Md Tawfiq Anik ve Joydip Dey, her biri yaklaşık 600 molekül içeren sadece zeptomolleri içeren reaksiyonları tespit edebilen ve aynı elektrot üzerinde farklı yerleri araştırabilen bir optik-elektrokimyasal tekniği tanımlıyor.

Sonuçlar, teknolojiyi, cihazın değil, reaksiyona dahil olan elektronların sayılmasındaki istatistiksel hatanın dayattığı temel kuantum mekaniksel limite yaklaştırıyor.

Işık reaksiyonları elektriksel arka plandan ayırır

Elektrokimyasal sensörler her yerdedir; şeker ölçüm cihazı belki de en tanıdık örnektir. Ancak geleneksel sensörler, bir elektrotun yüzeyinde üretilen toplam elektrik akımını ölçerek, aynı anda meydana gelen birden fazla reaksiyonun ayırt edilmesini zorlaştırır.

Saraf’ın ekibi farklı bir yaklaşım benimsedi.

Laboratuarda üretilen cihazlar, Elektrikli Çift Katmanlı Tarama Elektrometresi (SEED), tek bir elektrot üzerindeki birden fazla reaksiyonu ölçmek için ışık kullanıyor.

Araştırmacılar metilen mavisi moleküllerini altın bir elektrot üzerindeki DNA’ya bağladılar. Moleküller indirgeme ve oksidasyon reaksiyonlarına girdikçe renkli ve renksiz durumlar arasında geçiş yaptılar. SEED bu değişiklikleri optik olarak ölçtü.

Bu uzun süredir devam eden bir engeli ortadan kaldırıyor. Bir elektrokimyasal reaksiyonun hızının arttırılması, sinyali artırır ancak aynı zamanda onu bastırabilecek kapasitif arka planı da artırır. SEED, elektriksel arka plan yerine optik bir değişimi ölçtüğü için Saraf, “Bu cihazın buna karşı bir nevi kör olduğunu” söyledi.

Bu, ekibin daha yüksek hızlarda çalışmasına ve olağanüstü hassasiyet elde etmesine olanak sağladı.

Elektron sayma sınırına ulaşmak

Yayınlanan bir çalışmada ACS Ölçüm Bilimi AuSaraf’ın ekibi, yaklaşık sekiz zeptomolün (kabaca 4.800 molekül) redoks reaksiyonlarını tespit ettiğini ve Saraf’ın “kuantum mekanik duvarı” dediği şeye etkili bir şekilde ulaştığını bildirdi.

Bu ölçekte, elektron sayımıyla ilgili kaçınılmaz istatistiksel dalgalanmalar önemli hale gelir. Araştırmacılar ayrıca lazeri elektrot boyunca hareket ettirerek tek tek noktaları inceleyebilir, böylece küçük bir numune kullanılarak aynı koşullar altında tek bir çip üzerinde birçok analitin kantitatif tespitine olanak sağlanabilir.

Saraf, “Bu olağanüstü bir sonuçtu” dedi.

İkinci makalesi yayınlandı ACS Sensörleriaraştırmacıların “reaktivite amplifikasyonu” adını verdikleri şeyi gösterdi. Sistem, yaklaşık 20 mikrometre genişliğindeki bir noktada 250 zeptomole hedef molekülün (yaklaşık 150.000 molekül) miktarını belirledi. Hedef moleküllerin yaklaşık %2’lik bağlanması, SEED sinyalinde %27’lik bir değişiklik yarattı.

Hastalık tespitinden malzeme testlerine kadar

Bu yetenekler sonuçta laboratuvarın çok ötesinde önemli olabilir.

Saraf’ın takip ettiği uygulamalardan biri, kandaki konsantrasyonları hastalıkla değişebilen düzenleyici moleküller olan mikroRNA’ları içeriyor. Son derece düşük konsantrasyonlarda birden fazla mikroRNA’nın tespit edilmesi, hastalığın erken tespitine veya radyasyona maruz kalmanın değerlendirilmesine yardımcı olabilir.

Saraf, teknolojiyi öncelikle bir klinik veya laboratuvar aracı olarak tasavvur ediyor ve sürekli gelişmeyi, onu daha küçük ve gerçek dünyada kullanım için pratik hale getirmeyi hedefliyor.

Erişimi tıbbın ötesine uzanabilir. Aynı koşullar altında aynı çip üzerinde çok sayıda elektrokimyasal reaksiyonun test edilmesi, araştırmacıların katalizörleri, korozyona dayanıklı malzemeleri ve diğer kimyasal sistemleri hızlı bir şekilde karşılaştırmasına olanak sağlayabilir.

Saraf, “Aynı koşullar altında, aynı kapta, aynı çip üzerinde yüzlerce reaksiyon gerçekleştirebiliriz” dedi.

Dışarıdan birinin optik yaklaşımı

Saraf için bu başarı özellikle tatmin edici çünkü iş onun uzmanlığı dışında başlamıştı. O bir elektrokimyacı değildi ve bu alanı sıfırdan kendi kendine öğretmeye başladı.

Saraf, geleneksel elektrokimyasal yöntemlerle başlamak yerine, soruna zaten anladığı bir şey aracılığıyla yaklaştı: optik. Bir elektrokimyasal reaksiyon bir molekülün elektrik yükünü değiştirirse, bu değişikliğin yalnızca elektrik akımına güvenmek yerine ışıkla tespit edilebileceğini düşündü.

Saraf, “Elektrokimyasal reaksiyonu ölçmek için optik kullanma fikri onlarca yıllıktır” dedi. “İnovasyonumuz, reaksiyonu çok hızlı bir şekilde ölçmemize ve daha önce hiç gitmediğimiz kadar ileri gitmemize olanak tanıyan basit bir yöntemdi.”