Recenzja rozprawy doktorskiej pani magister Marty Marii Siek

Recenzja rozprawy doktorskiej pani magister Marty Marii Siek

dr hab. Barbara Pałys, prof. U.W
Warszawa, 14-11-2015
Pracownia Elektrochemii
Zakład Chemii Fizycznej
Recenzja rozprawy doktorskiej pani magister Marty Marii Siek zatytułowanej
Electrochemical preparation of Ag- and Au- based plasmonic platforms
Praca doktorska została wykonana pod kierunkiem dr hab. inż. Joanny NiedziółkiJönsson w Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Zakładzie Procesów
Elektrodowych.
Jednym z głównych zamierzeń pracy doktorskiej było opracowanie nanostrukturalnych
podłoży
ze
złota
lub
srebra
zdolnych
do
wzmocnienia
sygnału
ramanowskiego
zaadsorbowanych cząsteczek lub wykazujących czułość na zmiany właściwości dielektrycznych
otoczenia. Podłoża tego rodzaju mogą znaleźć różnorodne zastosowania analityczne oparte na
metodach wzmocnionej powierzchniowo spektroskopii Ramana (SERS) lub rezonansie
zlokalizowanych plazmonów powierzchniowych (LSPR). Od czasów pracy Fleischmanna i
współpracowników z 1974 roku zjawisko powierzchniowego wzmocnienia widma Ramana
cieszy się niesłabnącym zainteresowaniem. Dotychczas ukazało się ponad trzynaście tysięcy
prac
(według
optymalizacji
bazy
Scopus)
warunków
poświęconych
wzmocnienia
widma
teoretycznym
oraz
licznym
modelom
zjawiska
zastosowaniom
SERS,
SERS
–
obejmujących między innymi wykrywanie pojedynczych cząsteczek za pomocą połączenia
SERS z mikroskopią sił atomowych (TERS). Mimo tak obszernego materiału badawczego
odtwarzalne wartości wzmocnienia SERS stanowią ciągle poważną trudność ograniczająca
zastosowania analityczne.
Przesunięcie maksimum pasma plazmonowego w wyniku adsorpcji związków na
powierzchni nanostruktur, czyli LSPR jako technika analityczna jest młodsze niż SERS. Do
zalet LSPR należy szybkość pomiaru i względnie niższe wymagania sprzętowe w porównaniu
do pomiaru widm Ramana. Dzięki tym zaletom LSPR znajduje coraz więcej zastosowań – na
przykład w biosensorach lub badaniach kinetyki reakcji katalitycznych.
Przygotowanie nanostrukturalnych powierzchni złota lub srebra o dobrze zdefiniowanej
- jednorodnej strukturze, które wykazują wysokie wartości wzmocnienia widma SERS lub
mogą służyć jako podłoża do LSPR, stanowi duże wyzwanie. Wyzwanie to podjęła Pani Marta
Maria Siek w ramach swojej pracy doktorskiej. Jako metodę osadzania nanostruktur wybrała
1
elektrochemiczną redukcję jonów srebra lub czterochloranu złota w roztworach zawierających
dodatkowo
związki
o
właściwościach
redukujących.
Podłoża
o
zoptymalizowanych
właściwościach zastosowała do wykrywania związków zawierających cholinę w próbkach krwi
ludzkiej – za pomocą SERS. Przydatność otrzymanych podłoży do badań LSPR sprawdziła na
przykładzie wiązania cukrów przez lektyny. Przeprowadziła także badania różnic we
właściwościach dielektrycznych bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych, różnicowania
żywotności bakterii oraz próby wykrycia bakteriofagów za pomocą LSPR.
Rozprawa została napisana w języku angielskim. Pod względem stylistycznym i
gramatycznym jest bardzo dobrze napisana – w sposób odpowiedni dla publikacji naukowych.
Można znaleźć jedynie drobne niezręczności w doborze słów, na przykład na stronie 21
autorka pisze o „slower” i „faster frequency”, kiedy zwykle używa się w takim wypadku
określenia „lower” i „higher frequency”; lub na stronie 77 zamiast „intended UV-Vis spectrum”
można było użyć „expected UV-Vis spectrum”, czy na stronie 101 zamiast „native AgCitNPs”
lepiej byłoby napisać „blank” lub „bare AgCitNPs”.
Całość rozprawy została podzielona na sześć rozdziałów zawierających kolejno:
przegląd literatury i sformułowanie celu badań (rozdział 1), opis metod badawczych i procedur
eksperymentalnych (rozdział 2), opis wyników eksperymentalnych (rozdziały 3, 4 i 5) oraz
podsumowanie i wnioski (rozdział 6). Podział pracy jest to typowy dla opracowań naukowych
w naukach eksperymentalnych.
Zdarzają się drobne pomyłki edytorskie. Na przykład w spisie treści i dalej w numeracji
podrozdziałów jest pomyłka w numeracji podrozdziałów w rozdziale 5 – numery podrozdziałów
zaczynają się od 4, a nie od 5.
Pierwszy rozdział zawiera przegląd literatury, łącznie z tłem historycznym, na temat
elektroosadzania metali, wpływu parametrów fizykochemicznych na morfologię osadzanych
warstw oraz metod otrzymywania roztworów koloidalnych nanocząstek złota i srebra.
Następnie autorka przechodzi do właściwości optycznych nanostruktur metali, uwzględniając
wpływ rozmiaru i kształtu nanostruktur na ich właściwości. Opisuje także możliwości
zastosowania nanostruktur jako podłoży dla LSPR i SERS w stopniu odpowiednim dla
wyjaśnienia celu pracy. Sformułowanie celów badawczych kończy część literaturową. Przegląd
literatury jest w mojej ocenie wyczerpujący i przedstawiony spójnie. Autorka cytuje 166 prac
w części literaturowej. Mam jedynie wątpliwości co do podrozdziału 1.4.2 „Surface Enhanced
Raman Spectroscopy”, który zaczyna się od kwantowego modelu zjawiska Ramana. Natomiast
model klasyczny tego zjawiska jest opisany w rozdziale opisującym metody i procedury
eksperymentalne – w punkcie 2.1.4 również zatytułowanym „Surface Enhanced Raman
Spectroscopy”. Połączenie tych dwóch opisów w jednym podrozdziale byłoby moim zdaniem
2
bardziej logiczne. Poza punktem 2.1.4 część „Methods and Materials” jest napisana bez
zarzutu. Autorka opisuje zwięźle stosowane metody badawcze oraz procedury pomiarowe.
Na część eksperymentalną pracy składa się elektroosadzanie nanostruktur srebrowych
(rozdział
3),
elektroosadzanie
nanostruktur
złotych
(rozdział
4)
oraz
proponowane
zastosowania otrzymanych nanostruktur (rozdział 5).
Otrzymywanie podłoży srebrowych autorka rozpoczyna od optymalizacji zakresu
potencjałów redukcji srebra dla wybranego stężenia AgNO3 i cytrynianu sodu. Optymalizowała
zakres potencjału, szybkość przemiatania i ilość skanów. W punkcie 3.1.1 autorka wykazuje,
że najbardziej równomierne pokrycie powierzchni otrzymuje się, jeśli potencjał sięga do
obszaru redukcji tlenu (-0.8 V względem Ag). Pik przy około -0.7 V względem Ag pochodzi od
redukcji tlenu, co zostało potwierdzone przez prowadzenie woltamperometrii w natlenionym i
odtlenionym roztworze (Rysunek 19). Autorka wyjaśnia, że poszerzenie zakresu potencjału
ma wpływ na osadzanie nanostruktur, bo wydłuża się czas wzrostu nanostruktur. Brakuje
natomiast komentarza, czy zdaniem autorki sama obecność tlenu w roztworze wpływa na
proces.
Autorka badała także wpływ innych czynników, między innymi wpływ stężenia
cytrynianu sodu na morfologię elektro-osadzanych nanostruktur srebra, podjęła także próby
zastąpienia cytrynianu sodu innymi związkami o właściwościach redukujących – kwasem
askorbinowym, mrówkowym lub glukozą. Jednak jedynie w obecności glukozy otrzymano
zadowalające wyniki osadzania nanostruktur. Podrozdział 3.1.2.1. przedstawia proponowany
mechanizm redukcji jonów srebra w obecności glukozy. Brakuje nieco dyskusji różnic w
mechanizmie redukcji jonów srebra w obecności badanych w pracy związków, chociaż
wyjaśnienie tego wpływu wymaga prawdopodobnie szerszych badań. Jednak interesujący
byłby komentarz, czy zdaniem autorki większe znaczenie ma potencjał redoks badanych
związków, czy ich zdolność do kompleksowania jonów srebra.
Należy podkreślić, że badania przedstawione w rozdziale trzecim zostały bardzo dobrze
zaplanowane. Kompleksowo pokazują wpływ różnych czynników na elektro-osadzanie
nanostruktur srebra na elektrodach ITO. Podobnie wysoko oceniam kolejny rozdział
poświęcony elektro-osadzaniu nanostruktur złota. Plan badań nad elektro-osadzaniem
nanostruktur złota był podobny jak dla srebra.
W
kolejnej
części
pracy
autorka
przedstawiła
bardzo
interesujące
propozycje
zastosowania zoptymalizowanych podłoży srebrnych i złotych. Pierwszym z nich było
zastosowanie obu rodzajów podłoża do wykrywania neurotransmiterów. Przed badaniami
samych neurotransmiterów przedstawiono wyniki testów wzmocnienia SERS dla podłoża z
nanostruktur srebra otrzymywanych w środowisku cytrynianiu sodu (AgCitNPs) w porównaniu
do komercyjnego podłoża KlariteTM stosując p-aminotiofenol jako wzorzec. Podłoże AgCitNPs
3
okazało się znacznie lepsze zarówno pod względem wzmocnienia widma, jak stabilności
sygnału. Optymalizacja nanostruktur pod względem wartości wzmocnienia SERS zakończyła
się zatem bezsprzecznym sukcesem. Również próby jednorodności podłoża zilustrowane na
rysunku 52 wypadły znakomicie. Dodatkowym powodem uznania jest to, że nanostruktury
srebra mogą być nietrwałe, ze względu na możliwe procesy fotochemiczne, a podłoża
przedstawione w pracy są trwałe przez co najmniej trzy miesiące.
Rysunek 54 pokazuje, że podłoża AgCitNPs można zastosować do wykrywania
dopaminy, acetylocholiny i epinefryny w stężeniach fizjologicznych, co uważam za kolejny
sukces autorki pracy.
Autorka omawia następnie możliwość zastosowania podłoża złożonego z nanostruktur
złota (AuCitNPs) do ilościowego oznaczania choliny w próbkach krwi ludzkiej. Wyniki są
obiecujące, jednak oznaczenie choliny utrudniają sygnały od innych składników krwi.
W poprzednim podrozdziale autorka pokazała dobrej jakości widma acetylocholiny na podłożu
srebrowym. Mam wątpliwości, czy zamiana nanocząstek srebra na nanocząstki złota była
szczęśliwym pomysłem, ponieważ aminy, do których należy cholina zwykle dobrze adsorbują
się na powierzchni srebra. Możliwe, że względu na silne oddziaływanie z nanocząstkami srebra
widmo choliny byłoby wzmocnione, co ułatwiłoby wykrywanie choliny w obecności innych
związków. Pewne wątpliwości budzi także krzywa kalibracyjna przedstawiona na rysunku 57.
Autorka dowodzi, że intensywność pasma choliny przy 715 cm-1 zmienia się liniowo ze
stężeniem choliny, ale zależność składa się jedynie z trzech punktów, z czego dwa leżą bardzo
blisko siebie. W takich warunkach zawsze daje się poprowadzić linię prostą. Mimo tych
wątpliwości uważam, że pomysł zastosowania SERS i podłoży przygotowanych przez autorkę
pracy do wykrywania neurotransmiterów jest bardzo dobry, wymaga jedynie dopracowania
szczegółów.
Ciekawym
przykładem
zastosowania
LSPR
nanostruktur
srebra
jest
badanie
odziaływania pomiędzy cukrami i lektynami przedstawione w rozdziale 5. Nanostruktury były
modyfikowane
warstwami
tlenku
grafenu
lub
grafenu,
następnie
adsorbowano
na
zmodyfikowanych powierzchniach cukry i w kolejnym etapie lektyny. Po każdej modyfikacji
rejestrowano widma UV/VIS. Autorka wykazała, że sam tlenek grafenu (bez zaadsorbowanego
cukru) oddziałuje z lektynami, co utrudnia interpretację wyników. Modyfikacja nanostruktur
zredukowanym tlenkiem grafenu daje lepsze rezultaty. Zastanawiające jest, czy lektyny
adsorbują się na niemodyfikowanych nanostrukturach srebra. Oddziaływanie nanostruktur
srebra z lektynami jest prawdopodobne, ponieważ modelowe białko – BSA adsorbuje się na
nanostrukturach, co autorka sama opisuje w podrozdziale 5.2.1. Dlatego przedstawienie
próby z lektynami na niemodyfikowanym podłożu byłoby interesujące.
4
Kolejne pytanie dotyczy rysunku 63 A, który przedstawia widma Ramana warstw
tlenku grafenu na nanostrukturach srebra. Autorka nie podaje w tekście przypisania pasm, ani
odsyłaczy do prac o widmach Ramana materiałów węglowych. Można było sięgnąć np. do
pracy S.D.M. Brown et al., Phys. Rev. B, 64, 2001, 073403. Widma przedstawione na rysunku
63 A pokazują bardzo silne tak zwane pasmo D, świadczące o obecności licznych defektów w
płaszczyznach grafenowych. Czy w widmach zredukowanego tlenku grafenu jest ono równie
intensywne?
Kolejnym
przykładem
zastosowania
nanostruktur
srebra
zaprezentowanym
w
rozprawie jest badanie właściwości dielektrycznych bakterii za pomocą LSPR. W literaturze
można znaleźć jedynie nieliczne prace poświęcone różnicowaniu bakterii za pomocą LPSR.
Wykorzystują one głównie nanocząstki modyfikowane przeciwciałami lub aptamerami. Z tego
względu badania doktorantki są bardzo nowatorskie. Jej wyniki pokazują, że LSPR można
zastosować do różnicowania bakterii ze względu na rozmiar komórki, charakter Gram + lub
Gram - oraz żywotność. Jak pisze doktorantka tego rodzaju różnicowanie nadaje się do
porównań jakościowych, mimo to wyniki oceniam jako obiecujące. Stanowią one materiał do
bardzo dobrej publikacji naukowej.
Przykłady zastosowań podłoży z nanostruktur srebra kończy wykrywanie bakteriofagów
T7 na podstawie przesunięcia LSPR dla nanostruktur modyfikowanych warstwą złożoną z SiO2,
silanu i przeciwciała po przyłączeniu bakteriofaga. Przykład jest interesujący i stanowi dobry
punkt wyjścia dla dalszych badań.
Podsumowując do mocnych stron recenzowanej pracy należą:
– kompleksowe badania elektroosadzania nanostruktur srebra i nanostruktur złota na podłożu
ITO;
- rzetelny opis czynników wpływających na elektroosadzanie;
- otrzymanie wysokiej jakości podłoży dla SERS i LSPR chrakteryzujących się wartościami
wzmocnienia znacznie lepszymi od komercyjnie dostępnych podłoży oraz bardzo dobrą
stabilnością
i
odtwarzalnością
wyników.
Sposoby
otrzymywania
podłoży
zostały
opatentowane;
–
bardzo
ciekawe
propozycje
zastosowań
podłoży
wykorzystujące
SERS
(oznaczanie
neurotransmiterów) oraz LSPR (badania odziaływań cukrów z lektynami, badania bakterii i
bakteriofagów).
W chwili przedstawienia rozprawy do recenzji część wyników została opublikowana w
Electrochimica Acta w 2013 roku. Doktorantka jest także współautorką dwóch patentów.
Prawdopodobnie pozostała część pracy zostanie również opublikowana.
Do słabszych stron rozprawy należą drobne niedociągnięcia w dyskusji wymienione
wcześniej w tekście recenzji.
5
Wyniki niemal wszystkich prac badawczych rodzą kolejne pytania, dlatego moje uwagi
dotyczące niektórych eksperymentów wynikają z zaciekawienia przedstawionymi wynikami
badań. Przyznaję, że tematyka badań jest nowatorska w wielu częściach pracy, co mogło
skłonić autorkę do ostrożności w dyskusji wyników. Tematyka rozprawy z pewnością zasługuje
na kontynuację. Pani Marta Siek wykazała się zdolnością do planowania eksperymentów,
pracowitością i umiejętnością krytycznej analizy wyników, co predysponuje ją z pewnością do
uzyskania stopnia doktora i dalszego rozwoju naukowego.
Recenzowana praca całkowicie spełnia wymagania odnośnie prac doktorskich, które są
określone w art. 13 Ustawy z dnia 14 marca 2003 roku o stopniach naukowych i tytule
naukowym (Dz. U. Nr 65/2003 poz. 595) i wnoszę o dopuszczenie mgr Marty Marii Siek do
dalszych etapów przewodu doktorskiego.
Warszawa, 14 listopada 2015
Barbara Pałys
6