Zaměření týmu

Cílem výzkumného týmu je vytvořit rozsáhlou bázi poznatků v oblasti fyziky, chemie a biologie, které umožní vyvinout nové biosenzorové technologie využitelné pro studium a kvantifikaci chemických a biologických látek. Tento multidisciplinární výzkum zahrnuje široké spektrum aktivit - od výzkumu fotonických a plasmonických (nano)struktur a funkčních biomolekulárních souborů, přes vývoj optických měřících metod a systémů, až po jejich využití pro studium biomolekulárních interakcí a detekci chemických a biologických látek v oblastech jako jsou lékařská diagnostika, kontrola jakosti potravin nebo monitorování životního prostředí.

Relevantní publikace:

1. J. Homola: Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species, Chemical Reviews, 108, 462-493 (2008). link
2. J. Homola (editor): Surface plasmon resonance based sensors, Springer, 2006. link

Povrchové plasmony a plasmonické jevy na fotonických (nano)strukturách

Věnujeme se teoretickému a experimentálnímu výzkumu jevů na fotonických (nano)strukturách. Studujeme zejména (nano)struktury s různými typy povrchových plasmonů a to především z hlediska jejich potenciálního uplatnění v optických biosenzorech založených na rezonanci povrchových plazmonů (SPR) a povrchem zesíleném Ramanově rozptylu (SERS).

Relevantní publikace:

1. M. Vala, J. Homola: Multiple beam interference lithography: A tool for rapid fabrication of plasmonic arrays of arbitrary shaped nanomotifs, Optics Express, 24, 15656-15665 (2016).
2. B. Špačková, P. Lebrušková, H. Šípová, P. Kwiecien, I. Richter, J. Homola: Ambiguous refractive index sensitivity of Fano resonance on an array of gold nanoparticles, Plasmonics, 9: 729 (2014) link
3. B. Špačková and J. Homola: Sensing properties of lattice resonances of 2D metal nanoparticle arrays: An analytical model, Optics Express 21(22), 27490 - 27502 (2013) link
4. M. Piliarik, H. Šípová, P. Kvasnička, N. Galler, J. R. Krenn, J. Homola: High-resolution biosensor based on localized surface plasmons, Optics Express, 20, 672–680 (2012). link
5. M. Piliarik, P. Kvasnička, N. Galler, J. R. Krenn, J. Homola: Local refractive index sensitivity of plasmonic nanoparticles, Optics Express, 19, 9213–9220 (2011). link

Funkční biomolekulární soubory

Vyvíjíme biomolekulární soubory schopné rozpoznávat různé chemické a biologické látky (analyty), zkoumáme způsoby jejich propojení s připravovanými fotonickými (nano)strukturami a optimalizujeme vlastnosti takto biologicky funkcionalizovaných (nano)struktur z hlediska jejich interakcí s biologickým prostředím.

Relevantní publikace:

1. H. Vaisocherová, E. Brynda, J. Homola: Functionalizable Low-fouling coatings for label-free biosensing in complex biological media: advances and applications, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 407, 3927-3953 (2015). 
2. H. Vaisocherová, V. Ševců, P. Adam, B. Špačková, A. S. Pereira, C. Rodriguez-Emmenegger, T. Riedel, E. Brynda, J. Homola: Functionalized ultra-low fouling carboxy- and hydroxy-functional surface platforms and their fouling resistance from undiluted biological media and biorecognition capability, Biosensors and Bioelectronics, 51, 150–157 (2014). link
3. M. Piliarik, M. Bocková, J. Homola: Surface plasmon resonance biosensor for parallelized detection of protein biomarkers in diluted blood plasma, Biosensors and Bioelectronics, 26, 1656-1661 (2010). link

Optické měřící metody a systémy

Studujeme optické měřící metody (principy, implementace, metody zpracování dat) s cílem vyvinout optické systémy pro biosenzory s vysokou citlivostí. Zabýváme se výzkumem a vývojem kompaktních systémů.

Relevantní publikace:

1. M. Vala, K. Chadt, M. Piliarik, J. Homola: High-performance compact SPR sensor for multi-analyte sensing, Sensors and Actuators B, 148, 544-549 (2010). link
2. T. Špringer, M. Piliarik, J. Homola: Surface plasmon resonance sensor with dispersionless microfluidics for direct detection of nucleic acids at the low femtomole level, Sensors and Actuators B, 145, 588-591 (2010). link
3. M. Piliarik; M. Vala; I. Tichý; J. Homola: Compact and low-cost biosensor based on novel approach to spectroscopy of surface plasmons, Biosensors & Bioelectronics, 24 3430–3435 (2009). link
4. M. Piliarik, L. Párová, J. Homola: High-throughput SPR sensor for food safety, Biosensors & Bioelectronics, 24, 1399-1404 (2009). link

Mikrofluidika a transport analytu

Zkoumáme vylepšení citlivosti optických biosenzorů mikrofludickými metodami. Pracujeme na mikrofluidických systémech s optimalizovanými vlastnostmi pro transport analytu (detekované látky). Zabýváme se vzájemnými vztahy mezi geometrickými parametry průtočné komory, prouděním a difuzí kapalného vzorku a  chemickými reakcemi u povrchu senzoru.

Míchání kapaliny v průtočné komoře je užitečné pro senzory, kde jsou množství a transport molekul omezené; míchání zvyšuje počet záchycených molekul.

5-kanálová průtočná komora s míchacími zónami. 

Odezva SPR senzoru při detekci of ssDNA je při použití míchacích zón zvýšena o 70% ve srovnání se senzorem bez míchacích zón (vlevo). Zlepšení odezvy závisí na Pécletově čísle. Experimentálně získané hodnoty odezvy souhlasí s namodelovanými (vpravo).

Transport analytu k poli nanočástic s lokalizovanými povrchovými plazmony. Geometrické parametry struktur podstatně ovlivňují transportní vlastnosti. 

Relevantní publikace:

1. Lynn, N. S.; Bocková, M.; Adam, P.; Homola, J. Biosensor Enhancement Using Grooved Micromixers: Part II, Experimental Studies. Analytical Chemistry 2015, 87, 5524-5530.
2. Lynn, N. S.; Homola, J. Biosensor Enhancement Using Grooved Micromixers: Part I, Numerical Studies. Analytical Chemistry 2015, 87, 5516-5523.
3. Lynn, N. S.; Martinez-Lopez, J. I.; Bocková, M.; Adam, P.; Coello, V.; Siller, H. R.; Homola, J. Biosensing enhancement using passive mixing structures for microarray-based sensors. Biosensors & Bioelectronics 2014, 54, 506-514.
4. Lynn, N. S.; Šípová, H.; Adam, P.; Homola, J. Enhancement of affinity-based biosensors: effect of sensing chamber geometry on sensitivity. Lab on a Chip 2013, 13, 1413-1421.
5. Špringer, T.; Piliarik, M.; Homola, J. Surface plasmon resonance sensor with dispersionless microfluidics for direct detection of nucleic acids at the low femtomole level. Sensor Actuat B-Chem 2010, 145, 588-591.

Optické biosenzory pro studium biomolekul a biomolekulárních interakcí

Zaměřujeme se na aplikace optických biosenzorů pro studium biomolekul a jejich interakcí, například interakcí nukleových kyselin, interakcí protein-protein, či studium aktivity enzymů. Tato činnost zahrnuje zejména vývoj pokročilých experimentálních formátů a nástrojů pro analýzu dat.

Relevantní publikace:

1. H. Šípová, T. Špringer, D. Rejman, O. Šimák, M. Petrová, P. Novák, Š. Rosenbergová et al.: 5′-O-Methylphosphonate nucleic acids-new modified DNAs that increase the Escherichia coli RNase H cleavage rate of hybrid duplexes, Nucleic acids research (2014): Available online. link
2. M. Vala, R. Robelek, M. Bocková, J. Wegener, J. Homola: Real-time label-free monitoring of the cellular response to osmotic stress using conventional and long-range surface plasmons, Biosensors and Bioelectronics, 40, 417-421 (2013). link
3. T. Špringer, H. Šípová, H. Vaisocherová, J. Štepánek, J. Homola: Shielding effect of monovalent and divalent cations on solid-phase DNA hybridization: surface plasmon resonance study, Nucleic Acids Research, 38 , 7343-7351 (2010). link
4. H. Šípová, H. Vaisocherová, J. Štěpánek, and J. Homola: A dual surface plasmon resonance assay for the determination of ribonuclease H activity, Biosensors & Bioelectronics, 26, 1605-11 (2010). link

Optické biosenzory pro detekci chemických a biologických látek

Vyvíjíme nové biosenzory pro rychlou a citlivou detekci chemických a biologických látek v řadě společensky významných oblastí jako jsou lékařská diagnostika (biomarkery onemocnění), monitorování životního prostředí (polutanty a kontaminanty) a kontrola jakosti potravin (patogenní bakterie a toxiny).

Relevantní publikace:

1. H. Vaisocherová-Lísalová, I. Víšová, M. L. Ermini, T. Špringer, X. Song, J. Mrázek, J. Lamačová, N. S. Lynn Jr., P. Šedivák, and J. Homola: Low-fouling surface plasmon resonance biosensor for multi-step detection of foodborne bacterial pathogens in complex food samples, Biosensors and Bioelectronics, 80, 84–90 (2016).
2. T. Špringer, M. Bocková, J. Homola: Label-free biosensing in complex media: a referencing approach, Analytical Chemistry, 85, 5637–5640, (2013). link
3. T. Špringer, J. Homola: Biofunctionalized gold nanoparticles for SPR-biosensor-based detection of CEA in blood plasma, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 404, 2869-2875 (2012). link
4. H. Šípová, S. Zhang, A.M. Dudley, D. Galas, K. Wang, J. Homola: Surface plasmon resonance biosensor for rapid label-free detection of microribonucleic acid at subfemtomole level, Analytical Chemistry, 82, 10110-10115 (2010). link
5. K. Hegnerová, J. Homola: Surface plasmon resonance sensor for detection of bisphenol A in drinking water, Sensors and Actuators B, 151, 177-179 (2010). link