Новые наночастицы видят разницу там, где обычные методы пасуют: открытие из Торонто
Учёные инженерного факультета Университета Торонто разработали новый тип апконверсионных наночастиц — сенсоры, способные обнаруживать целевые молекулы в исчезающе малых концентрациях и при этом различать соединения с почти одинаковой структурой. Работа опубликована в Journal of the American Chemical Society.
Способность различать практически идентичные молекулы — давняя проблема аналитической химии. Структурные изомеры — соединения с одинаковым составом атомов, но разным их расположением — могут иметь совершенно разные биологические эффекты. Один изомер может быть безвредным лекарством, другой — опасной примесью. Разобраться, с каким именно изомером вы имеете дело, обычно требует дорогостоящей и громоздкой аналитической аппаратуры.
Апконверсия: перевернуть логику флуоресценции
Традиционные флуоресцентные молекулы (флуорофоры) работают в одном направлении: поглощают высокоэнергетический свет (ультрафиолет или синий), а испускают свет меньшей энергии (зелёный или красный). Это так называемое сконверсионное направление.
Апконверсия — обратный процесс: материал поглощает низкоэнергетические фотоны (ближний инфракрасный диапазон) и испускает высокоэнергетические фотоны (видимый зелёный свет). Принципиальное преимущество: ближний инфракрасный лазер дешевле, безопаснее и меньше взаимодействует с биологическими образцами, чем ультрафиолетовый.
Традиционная проблема апконверсионных наночастиц — компромисс между чувствительностью и стабильностью: добавление красителя-сенсибилизатора для усиления поглощения обычно одновременно снижало стабильность всей системы.
Как работают новые наночастицы
Команда профессора Кай Хуана преодолела этот компромисс, используя нестандартную матрицу — фторид лития-лютеция (LiLuF4). Именно особая кристаллическая структура этого материала обеспечивает направленный перенос энергии от красителя-сенсибилизатора к излучающим центрам — без обратных потерь энергии, которые снижали яркость в предыдущих разработках.
В результате апконверсия становится намного эффективнее. На выходе — яркий зелёный сигнал при облучении обычным недорогим ближним ИК-лазером.
Молекула-краситель на поверхности наночастицы действует как «замок»: она распознаёт целевые молекулы через специфическое связывание. Когда целевая молекула присоединяется к красителю, это меняет характер передачи энергии — и, следовательно, интенсивность испускаемого света.
Ключевое достижение: разные структурные изомеры связываются с красителем чуть по-разному. Это создаёт слегка отличающиеся сигналы — достаточно отличающиеся, чтобы различить изомеры, которые стандартная флуоресценция «видит» как одно и то же вещество.
Практические результаты
Система обнаруживает целевые молекулы в концентрациях, по крайней мере на порядок ниже, чем предыдущие апконверсионные наночастицы. Конкретный предел обнаружения зависит от молекулы-мишени, но для лекарственных молекул команда продемонстрировала надёжное обнаружение в пикомолярном диапазоне.
Для чего это применить
Разработчики видят два главных применения.
Первое — фармацевтический контроль качества. Производство лекарств требует обнаружения нежелательных изомеров или примесей в готовом препарате. Сейчас это делается с помощью дорогостоящей масс-спектрометрии или ВЭЖХ. Компактный апконверсионный сенсор с простым дешёвым лазером мог бы стать более доступной альтернативой.
Второе — мониторинг загрязнения окружающей среды. Следы химических загрязнителей в грунтовых водах, почве или воздухе обнаруживать методом апконверсии значительно дешевле, чем с помощью традиционных лабораторных методов.
Читайте также: ультразвук помог получить магнитные наночастицы.
До практического применения потребуется оценить стабильность частиц в реальных биологических образцах и при длительном хранении. Тем не менее принципиальное решение проблемы «чувствительность против стабильности» уже найдено — и это открывает широкий путь к разработке практических сенсоров на базе данной технологии.
