Открытие 1920-х годов помогает современной медицине — этому, в частности, был посвящен доклад академика Лагарькова «Гигантское комбинационное рассеяние: применение в химии, биологии и медицине»

Мало известно научных открытий, которые рано или поздно не пригодились для чего-то непредусмотренного. Такова судьба и эффекта Рамана, известного также как комбинационное рассеяние света. Открыт он был почти сотню лет назад как метод анализа молекул. Но в последнее десятилетие его все чаще применяют в медицине, например, для определения разных форм рака по простому анализу крови. Этому явлению и было посвящено сообщение академика Андрея Николаевича Лагарькова — директора Института теоретической и прикладной электродинамики РАН — на тему «Гигантское комбинационное рассеяние: применение в химии, биологии и медицине».

Комбинационным рассеянием света называют эффект рассеяния света в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся заметным изменением его частоты. При этом явлении в спектре рассеянного излучения наблюдаются спектральные линии, отсутствующие в линейчатом спектре первичного (возбуждающего) света. Число и расположение появляющихся линий определяется молекулярным строением вещества.

Комбинационное рассеяние света называют еще эффектом Рамана – в честь индийского физика, обнаружившего этот эффект в Университете Калькутты в 1921 году и получившего за это открытие Нобелевскую премию по физике 1930 года.

История авторства открытия драматична. Первооткрывателями и первоописателями эффекта являются российские физики Леонид Мандельштам и Григорий Ландсберг, развернувшие в Московском государственном университете экспериментальное изучение молекулярного рассеяния света в кристаллах с 1918 года. Индийские ученые работали параллельно и независимо. Объективно линии спектра нового излучения были в первый раз обнаружены индийцами 28 февраля 1928 года — на неделю позже, чем Ландсбергом и Мандельштамом в МГУ. С другой стороны, индийские физики успели опубликовать 16 работ по поведению света в жидкостях и парах на момент выхода публикации Ландсберга и Мандельштама по комбинационному рассеянию света в кристаллах. Несмотря на то, что советские физики проводили свои исследования по рассеянию света с 1918 г абсолютно независимо от Рамана, Нобелевская премия по физике 1930 года была присуждена лишь Раману. В англоязычной литературе рассматриваемый феномен носит название «эффект Рамана» (Raman effect) или «рамановское рассеяние» (Raman scattering).

Этот эффект лег в основу исследовательского метода спектроскопии комбинационного рассеяния света (или рамановской спектроскопии) — эффективного метода химического анализа, изучения состава и строения вещества. Квант света определенной частоты падает на молекулу и рассеивается. Он может рассеиваться как с уменьшением, так и с увеличением частоты. Если с уменьшением – то это рассеяние Стокса, если с увеличением — антистокса. Рамановский эффект — это примерно то же, что отпечатки пальцев у человека — они неповторимы для каждого вещества. Именно это сделало этот эффект мощным инструментом исследования молекул.

Однако сечение рамановского рассеяния на много порядков величины меньше сечения флюоресценции, что требовало для проведения подобных экспериментов особого искусства. Это затрудняло работу с методом, и именно потому он мало использовался в медицине и в биологии. Открытое в 1974 году явление гигантского комбинационного рассеяния позволило преодолеть это обстоятельство.

Смысл этого открытия заключается в том, что если молекула помещается на некую шероховатую поверхность благородного металла (эффект был открыт на поверхности серебряного электрода), на поверхности происходит возбуждение так называемых плазмонных резонансов, которые, в свою очередь, взаимодействуя с рамановским излучением молекулы, дают многократный эффект усиления. В англоязычной литературе гигантское комбинационное рассеяние имеет аббревиатуру SЕRS (усиленное поверхностью рамановское рассеяние).

Таким образом, этот метод представляет собой поверхностную спектроскопию молекул. Необходимо быть уверенным в том, что молекула может прикрепиться к поверхности подложки, поэтому перенос молекул из объема к поверхности — специальная проблема химии и биохимии. Сигнал усиливается плазмонным резонансом, что обеспечивается особыми плазмонными наноструктурами. И физика наночастиц играет для этого эффекта решающую роль, и соответствующие подложки формируются либо нанолитографией, либо возникают вследствие самоорганизации. Техника рамановской спектроскопии во всем ее многообразии является основой эксперимента.

Предметом многолетних исследований являются способы усиления сигнала с различных поверхностей из благородных металлов, с использованием как формы самой поверхности, так и нанесения на нее усиливающих сигнал наночастиц и их агломератов. Работа проводилась совместно с исследователями из США, и через короткое время новые методы точного анализа с использованием эффекта SЕRS были запатентованы. Метод был в частности, использован для того, чтобы отличить естественный инсулин человека от синтетического. Как оказалось, эти два вещества различались только положением двух аминогрупп, и это оказалось возможным определить.

Начиная с 2010 года началось интенсивное исследование возможностей приложения метода SЕRS в медицине. В частности, в Японии начались работы по определению разных форм рака у человека по простому анализу крови. Сыворотка крови анализируется на специальных приборах с помощью особых серебряных подложек. Утверждается, что при исследовании рака желудка они смогли по простому анализу крови определить у больных степень злокачественности опухоли. Аналогично исследовали пациентов с раком почки, анализируя межклеточную жидкость из тканей органа.

Обращает на себя внимание то, что большинство этих работ сосредоточены сейчас на Азиатском континенте — в Китае, Японии и Сингапуре. Немало их также и в Канаде. Все эти исследования направлены на создание надежной методики определения разных типов рака с помощью эффекта SЕRS.

Существует уже опыт проведения экспериментов in vivo. Для них были созданы специальные наноструктуры — золотые мелкодисперсные частицы размером порядка 50 ангстрем, вокруг которых наносилась оболочка, обладающая чувствительностью к инфракрасному излучению лазера, наносился специальный краситель, дополнительно создавались еще ряд оболочек, и эти нанокомплексы впрыскивалось в кровеносную систему мыши. Они распределялись по здоровым тканям и раковым клеткам, попадали в печень. Через кожу в инфракрасном спектре по этим микродатчикам можно было наблюдать развитие опухоли.

Однако эта диагностика в полном объеме пока так и не создана и не запатентована. На мировом рынке появились тем временем особые SЕRS-подложки. В России создано также очень успешное предприятие в Институте физики твердого тела, выпускающее такие подложки и диагностическую раман-аппаратуру.

«Наши исследования показывают, что мощные резонансы можно создать не только в наноструктурах из благородных металлов, но и в диэлектриках. Вероятно, мы сделали это первыми в мире, — подчеркнул академик А.Н.Лагарьков. — Есть опыт по созданию подложки на основе двуокиси церия. Комбинируя эту структуру с золотыми частицами, можно достигнуть усиления на много порядков. И это — лишь часть наших разработок».

В содокладе к основному сообщению директор Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН доктор химических наук И.Н.Курочкин рассказал, что созданные в России методы позволяют проводить определение активности ферментов и их ингибиторов. Наноструктурированные подложки на основе серебра открывают возможность определения и идентификации вирусных и бактериальных частиц вплоть до специфической регистрации отдельных микробиологических объектов. Полученные результаты показывают целесообразность применения SЕRS -методов для регистрации широкого спектра белков-маркеров различных патологических состояний, мониторинга уровня экологических загрязнений и качества продуктов питания.