Ученые разработали новый метод синтеза оптически активных углеродных наночастиц

Прогресс в биомедицине во многом определяют технологии создания материалов, в частности развитие методов получения и изучение наночастиц. Углеродные точки — идеальные кандидаты среди существующих наночастиц для биологических и медицинских задач. Дело в том, что углеродные точки обладают уникальными свойствами: они биосовместимы, их легко получать, а положение их полос поглощения и излучения можно изменять в широком спектральном диапазоне.

Хиральность — несовместимость объекта со своим зеркальным отражением при любой комбинации поворотов и трансляций в трехмерном пространстве. Хиральность — одно из важных свойств биологических объектов, например структуры ДНК, РНК и аминокислот в белках.

Исследователи Университета ИТМО синтезировали хиральные углеродные наночастицы методом гидротермального нагрева лимонной кислоты, этилендиамина с L-энантиомерами различных аминокислот. В результате полученные наночастицы обладали яркой фотолюминесценцией с квантовым выходом до 57%. Интенсивность и положение полосы излучения таких частиц практически не зависит от параметров среды (pH и полярности растворителя), а также длительности облучения УФ-светом.

Ученые отмечают, что синтезированные наночастицы обладают двухфотонным поглощением. Это дает возможность выбирать источник возбуждения фотолюминесценции в длинноволновой области спектра, что важно для снижения автолюминесценции биологических тканей при биовизуализации. За счет уменьшения энергии возбуждающего излучения, то есть смещения его полосы из видимой области в инфракрасную, использование таких наночастиц позволит снизить сигнал люминесценции от самих тканей и клеток. Таким образом чувствительность метода увеличивается, что поможет в условиях in vivo получать более качественное послойное изображение биологической ткани.

«Для получения таких ярких наночастиц мы оптимизировали параметры синтеза: температуру, молярные соотношения используемых реактивов, время реакции. Синтез хиральных наночастиц перспективен для биомедицины, так как это открывает возможность селективного взаимодействия с биологическими объектами. При этом важно получать наночастицы с высоким квантовым выходом фотолюминесценции для усиления отношения сигнал/шум при визуализации тканей», ― рассказывает Елена Ушакова, одна из авторов исследования, ведущий научный сотрудник Международного центра физики наноструктур, руководитель лаборатории «Светоизлучающие углеродные квантовые наноструктуры».

В рамках исследования научная группа смоделировала энергетическую структуру с помощью метода density-functional theory (DFT) и показала, что оптическая хиральность углеродных наночастиц может быть вызвана как наличием молекулярных групп аминокислот, так и анизотропной структурой самих наночастиц, что дает возможность конструировать оптические сигналы посредством изменения морфологии наночастицы.

Следующий шаг ученых ― изучить, как можно получить хиральные наночастицы с оптическими переходами в красной и ближней инфракрасной областях спектра. Это открытие может стать инструментом выявления дефектов ДНК, диагностики онкологических заболеваний, подведения лекарства к пораженным клеткам.

Подробнее об исследовании: Ananya Das, Evgeny V. Kundelev, Anna A. Vedernikova, Sergei A. Cherevkov, Denis V. Danilov, Aleksandra V. Koroleva, Evgeniy V. Zhizhin, Anton N. Tsypkin, Aleksandr P. Litvin, Alexander V. Baranov, Anatoly V. Fedorov, Elena V. Ushakova & Andrey L. Rogach, Revealing the nature of optical activity in carbon dots produced from different chiral precursor molecules (Light: Science & Applications, 2022).

Работа поддержана Программой развития ИТМО ― 2030 и Российским научным фондом.