Наночастицы из фруктового сока

Углеродные точки были открыты совсем недавно. Впервые о них заговорили только в 2004 году — примерно тогда же, когда ученые впервые синтезировали графен. Новый наноматериал привлек внимание исследователей, так как оказался люминесцирующим — для семейства углеродных наноматериалов (в частности, углеродных трубок и графена) это необычно.

Сейчас специалисты продолжают искать новые свойства углеродных точек и экспериментировать с методами их получения. По сравнению с другими люминофорами (например, квантовыми точками, которые делаются из полупроводников) они экологичны и дешевы в производстве, ведь получать их можно буквально из всего: фруктового сока, лимонной кислоты, листьев растений и других органических материалов.

Еще одно очень важное свойство — биосовместимость. Оно открывает широкие возможности для применения углеродных точек в медицине: например, в качестве биосенсоров, люминесцентных меток или в роли зонда для таргетной доставки лекарств. Но проблема в том, что большинство живых тканей и клеток имеет окно прозрачности в красной области спектра, а углеродные точки обычно светятся в диапазоне от синего до зеленого. А вот с синтезом углеродных точек других цветов (в первую очередь красного) есть трудности — сила их свечения в красном диапазоне крайне мала.

Матрица для наночастиц

С 2018 года в ИТМО работает лаборатория, сотрудники которой занимаются светоизлучающими углеродными квантовыми наноструктурами. Она была открыта на средства мегагранта РФ совместно с профессором Андреем Рогачем из Городского университета Гонконга. Ученые исследовали свойства углеродных точек, их внутреннюю структуру и механизм свечения. Также одной из задач было получение наночастиц с эффективным излучением в инфракрасном диапазоне, что особенно важно для дальнейшего использования наноматериала в медицинских целях.

«Излучение в ближнем ИК-диапазоне спектра (≈700–1100 нанометров) называют окном прозрачности биологических тканей. Материалы с таким излучением применяют в качестве люминесцентных нанозондов при биовизуализации тканей — это позволяет снизить отношение сигнал-шум и получать более контрастные изображения. Углеродные наночастицы — нетоксичный и биосовместимый материал, однако эффективность их излучения в ближнем ИК-диапазоне очень мала, поэтому актуальной задачей для ученых является поиск новых подходов и методов к созданию высоколюминесцентных ИК-углеродных наночастиц», — объясняет первый автор исследования Евгения Степаниденко. 

Научной группе удалось создать углеродные наночастицы с излучением в области 1085 нанометров и квантовым выходом фотолюминесценции 0,28 %. Это максимально зарегистрированное значение для такого материала. Добиться этого результата удалось благодаря особой методике синтеза, которая была разработана сотрудниками Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе.

В предложенном учеными способе используются органические красители. Они помещаются в поры матрицы из кремниевых микросфер и подвергаются воздействию высокой температуры. Так получаются монодисперсные наночастицы, в которых сохранены центры излучения исходного красителя. Использование разных красителей и прекурсоров позволяет создавать углеродные наночастицы с излучением в широком спектральном диапазоне, применимые как в области биомедицины, так и для создания современных устройств фотоники. Более того, такой способ синтеза не требует последующей обработки и дополнительной очистки. Это значительно облегчает проведение экспериментов. А получаемые наночастицы еще и растворимы в воде, что также важно для биологических применений.

Как подчеркивают исследователи, новый способ синтеза открывает большие возможности для управления свойствами наночастиц ― для этого можно варьировать их качественные характеристики, например размер, диапазон и яркость свечения: 

«Наша международная команда провела комплексное исследование морфологических и оптических свойств полученных наночастиц, были установлены зависимости между этими свойствами, определено влияние температуры на размеры и формируемые оптические переходы внутри наночастиц, установлены стадии синтеза и выявлены оптимальные параметры для создания наночастиц с ИК-люминесценцией. Эти знания позволят в дальнейшем подбирать параметры для синтеза наночастиц с необходимыми свойствами, размерами, в зависимости от их дальнейших применений», — заключает Евгения Степаниденко.

Команда (уже в составе группы PI «Функционализированные углеродные наночастицы», поддержанной в рамках конкурса Программы развития ИТМО ― 2030) планирует продолжить изучать процессы формирования наночастиц и природу их излучения. Такие исследования помогут в дальнейшем предугадывать свойства синтезируемых углеродных наночастиц из новых прекурсоров и создавать частицы с нужными свойствами для определенных целей. Полученные наночастицы можно будет использовать при создании солнечных элементов, светодиодов, сенсоров и люминесцентных меток, чернил и многого другого.

Подробнее об исследовании: Stepanidenko, E. A., Skurlov, I. D., Khavlyuk, P. D., Onishchuk, D. A., Koroleva, A. V., Zhizhin, E. V., Arefina, I. A., Kurdyukov, D. A., Eurov, D. A., Golubev, V. G. and Baranov, A. V. Carbon Dots with an Emission in the Near Infrared Produced from Organic Dyes in Porous Silica Microsphere Templates (Nanomaterials, 2022).