Optimization of measurements of a biomaterial with the use of metallic substrates and Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)

Celem pracy jest zastosowanie nowych nanostruktur srebra i złota jako potencjalnych podłoży SERS do analizy biomateriałów takich jak osocze i komórki. Testowano dwa rodzaje nanostruktur o kształcie plastra miodu spreparowanych na matrycy glinu oraz nanokulek osadzonych na matrycy tlenku tytanu domieszkowanych dodatkowo grafenem. Opierając się na określonych już właściwości SERS nanostruktur srebra o kształcie plastra miodu zastosowano je do analizy osocza ludzkiego odnosząc otrzymane wyniki do widma SERS osocza zarejestrowanych przy użyciu najczęściej stosowanych w spektroskopii SERS nanokoloidalnych cząstek Ag. Poprzez porównanie widm i czynnika wzmocnienia rozpraszania ramanowskiego wykazano iż wybrane nanostruktury srebra wykazują większe wzmocnienie pasm osocza niż zol Ag. Opisano również rodzaj informacji chemicznej jaką można uzyskać z widma SERS osocza wskazując, iż obserwuje się głównie pasma β-karotenu, białek, kwasów nukleinowych i cytozyny. Analogiczne nanostruktury pokryte warstwą złota wykorzystano do określenia ich zdolności wzmocnienia sygnału ramanowskiego komórek śródbłonka. W tym przypadku nie zaobserwowano sygnału SERS komórek, prawdopodobnie ze względu na słabą zdolność rozpraszania promieniowania elektromagnetycznego przez tak spreparowane stałe podłoże. Trzecim aspektem pracy było określenie właściwości SERS pod kątem wzmocnienia powierzchniowego ośmiu nowo spreparowanych podłoży na bazie srebra, których struktura oparta była na modyfikacji matrycy tlenku tytanu. Jako substancji adsorbującej użyto heterocyklicznego związku o nazwie zwyczajowej rodanina. Wykazano poprzez analizę wyników obrazowania ramanowskiego, iż wszystkie z badanych nanostruktur wykazują efekt wzmocnienia powierzchniowego rozpraszania ramanowskiego aczkolwiek z różnym czynnikiem wzmocnienia zależnym od rozmiaru nanocząstek srebra i obecności grafenu oraz że profil SERS rodaniny jest zgodny z tym co otrzymano dla koloidalnego roztworu srebra. Badania te wskazały na wysoki potencjał analizowanych nanostruktur srebra jako efektywnych podłoży SERS.The aim of the work is the use of new silver and gold nanostructures as potential substrates for SERS analysis of biomaterials such as blood plasma and cells. Two types of nanostructures were tested with shape of honeycombs crafted on a matrix of aluminum and nanospheres templated on titanium oxide doped with graphene. Based on the SERS characteristics already defined for silver honeycomb nanostructures, firstly they were employed in the analysis of human plasma. Obtained results were compared with reference data achieved for plasma SERS spectra recorded by using of the most common SERS substrates - nanocolloidal Ag particles. The comparison of the collected SERS spectra and the enhancement factor of Raman scattering indicated that the selected silver nanostructures provide higher signal enhancement than Ag sol. Chemical information, which can be gathered from SERS spectrum of plasma includes β-carotene, proteins, nucleic acids and cytosine. Analogous nanostructures coated with a gold layer was used to determine their ability to amplify the Raman signal of endothelial cells. In this case, no SERS signal was observed, probably due to low scattering factor of electromagnetic radiation of such nanostructured solid substrates. The third aspect of the work was to determine the SERS properties of the eight newly-designed silver substrates based on modification of titanium oxide template. As an adsorbent a heterocyclic compound rhodanine was used. An analysis of the results obtained from Raman imaging demonstrated that all of the tested nanostructures exhibit surface enhancement of Raman scattering but with a different enhancement factor that dependents on the size of Ag nanoparticles and the presence of graphene. In addition, observed SERS profile rhodanine is consistent with that obtained from the interactions with colloidal silver solution. These studies showed the high potential of the analyzed silver nanostructures as effective SERS substrates

The test environment-friendly nanocomposites for use on the packaging.

W pracy pokazano możliwości zastosowania spektroskopii ramanowskiej jako metody badawczej w analizie właściwości nanokompozytowych folii polimerowych jako nowa grupa materiałów na opakowania. Analizowano dwie folie z polikaprolaktonu (PCL), różniące się właściwościami mechanicznymi, odlewanymi z dwóch polimerów, o różnych masach cząsteczkowych. Te dwa polimery stanowiły matrycę do wytworzenia nanokompozytów. Wypełniaczem modyfikującym i różnicującym dwie folie S i N były cząstki montmorylonitu (MMT), dodawane w różnych procentach wagowych (0,5%; 2%). Zbadano 6 różnych folii, każdą z dwóch różnych stron. Nanokompozyty otrzymano na bazie odlewu metodą rozpuszczalnikową w roztworze. Wykazano, że na podstawie analiz techniką spektroskopii ramanowskiej można uzyskać informacje określające zależności struktury-właściwości materiału na bazie intensywności, powierzchni, krystaliczności, amorficzności, oraz różnicy drgań w polimerach. Do analizy użyto oprogramowania WiRE v 2.0. Dzięki tym badaniom pokazano zalety nanokompozytu polimerowego z montmorylonitem, jako nowatorskiego nanokompozytu biodegradowalnego w zastosowaniu dla przemysłu opakowań. Analiza badań wykazała również, że folia S jest lepszą folią dla proponowanych zastosowań.The applicability of the Raman spectroscopy method as a test method for a new group of polymer nanocomposites packaging foil materials is shown. Two different polycaprolactone (PCL) films were analyzed, differing with mechanical properties with different molecular weights. These two polymers were the matrix to form nanocomposites. The filler modifying and differentiating two foils S and N were montmorillonite (MMT) particles added in a different molecular weight (0.5%, 2%). Six different foils on the two sides of the films were analyzed. Nanocomposites were obtained by solvent casting method. It was demonstrated that on the basis of Raman spectroscopy analysis, the structure-based material properties calculated as the intensity ratio, crystallinity, amorphous content, and the difference in polymers matrix vibrations were described. The WiRE v 2.0 soft fare was used for the analysis.Thanks to this research it was shown advantages and characteristics of the polymer nanocomposites with montmorillonite as modern biodegradable nanocomposites for packaging industry. The analysis tests also showed that foil S is better use of packaging

Raman spectroscopy and the material study of nanocomposite membranes from poly(ε-caprolactone) with biocompatibility testing in osteoblast-like cells

Modern medical treatment can be improved by nanotechnology methods for preparing nanocomposites with novel physical, chemical and biological properties. The materials studied and analysed as membranes were produced from poly(ε-caprolactone) (PCL), which contained identical amounts of nano-additives, either montmorillonite (MMT) or functionalized multi-walled carbon nanotubes (MWCNT-f), while the reference membranes were obtained from unmodified PCL. In addition to the conventional methods used in the study of materials for medical purposes such as DSC, contact angle measurements, surface topography, Raman spectroscopy was also applied. Raman microspectroscopy can decode the phenomenon that occurs in the polymer in contact with the nanoparticles. Besides identifying the vibrations of certain functional groups, the calculation of crystallinity parameters is also possible, by which the most intense interactions within the nanocomposites can be analysed. The Raman studies indicate that each of the nano-additives reacts differently with the polymer matrix, which results in material properties that influence its biological properties. MWCNT-f interacts preferentially with the oxygen-containing groups, and particularly with the backbone regions in the vicinity of the single CO bond. The human osteoblast-like MG-63 cells, cultured on the PCL/MWCNT-f membrane for three days, show almost 100% viability