Химики-аналитики зачастую применяют поверхностно усиленное рамановское рассеяние для определения ряда веществ в низких концентрациях – эти вещества могут быть токсинами в питьевой воде или метаболитами наркотиков в крови. Несмотря на эффективность, методика отличается большой стоимостью. Исследователям из Кембриджа удалось разработать более дешевое поверхностно усиленное рамановское рассеяние используя наночастицы золота и молекулы бочкообразной формы.

Метод поверхностно усиленного рамановского рассеяние основан на том, что отдельные молекулы улавливают между поверхностями металла. Химики называют такие щели «горячими точками» поскольку электронные свойства поверхности металла усиливают характеристичные сигналы в спектре комбинационного рассеивания. Обычно исследователи для проведения поверхностно усиленного рамановского рассеяния специально создают на поверхности золота такие «горячие точки», но такие поверхности золота с нанорельефом достаточно дороги, поэтому некоторые исследователи уже заменили такие поверхности на суспензии из наночастиц золота.

Эти более дешевые эксперименты основаны на том, что молекулы попадают в зазоры между коллоидными частицами золота.

Рис. 1. Исследователи измерили концентрации
антрацена с помощью спектроскопии поверхностно
усиленного рамановского рассеяния. Для этого они
смешали антрацен с суспензией из наночастиц золота.
Затем они ввели в систему две молекулы – кукурбитурил
и метилвиоологен. Молекулы-бочки кукурбитурила могут
соединять две наночастицы таким образом, что между
ними остается зазор, который выполняет функцию
«горячей точки» для рамановской спектроскопии. (Рисунок
из Nano Lett., DOI: 10.1021/nl303345z).

Однако спектроскопия поверхностно усиленного рамановского рассеяния с применением наночастиц не так эффективна как спектроскопия на структурированной поверхности. Дело в том, что степень усиления сигнала зависит от величины зазора, а расстояние между наночастицами в суспензии не так просто контролировать, из-за отсутствия этого контроля страдает точность определения концентраций интересующих веществ.

Для увеличения надежности методов, основанных на применении наночастиц, исследовател из группы Орена Шермана (Oren A. Scherman) нашли способ удерживать наночастицы друг около друга на фиксированном расстоянии. Способ основан на применении кукурбитурилов, обод которых может связываться с наночастицами, удерживая их на расстоянии 0,9 нм друг от друга.

Ранее другие группы уже пытались использовать для удерживания на расстоянии ДНК или циклодекстрины, однако эти молекулы отличаются высокой конформационной подвижностью, которая также не позволяет удерживать наночастицы золота на фиксированном расстоянии, или же заполняют пространство между отдельными наночастичками золота, не позволяя втиснуться в этот промежуток молекуле аналита, кукурбитурилы же обладают одновременно и жесткостью и полостью, позволяющей аналиту занять место в «горячей точке».