По пунктам:
- Что такое углеродные точки?
- Как был открыт этот материал?
- Как это работает (и почему они вообще светятся)?
- Чем углеродные точки так интересны ученым?
- Их можно использовать в медицине?
- Как и где еще применяют углеродные точки?
- А как их синтезируют?
- Какие исследования ученые проводят в этой области сейчас?
Что такое углеродные точки?
Это частицы из атомов углерода размером не более 100 нанометров, они входят в семейство углеродных наноматериалов наряду с графеном и углеродными нанотрубками. Но если графен и нанотрубки — это аллотропная модификация углерода (то есть разные способы размещения атомов в кристаллической решетке), то в углеродных точках могут присутствовать все возможные формы углеродных связей, кроме типичных для алмаза.
Но главная особенность углеродных наноточек в том, что они могут поглощать и затем излучать свет — то есть люминесцировать в диапазоне от синего до красного и даже инфракрасного излучения.
Но главная особенность углеродных наноточек в том, что они могут поглощать и затем излучать свет — то есть люминесцировать в диапазоне от синего до красного и даже инфракрасного излучения.
Как был открыт эффект?
Углеродные точки были открыты в 2004 году, причем случайно. Тогда бурно развивалась область получения графена и углеродных нанотрубок. Во время одной из таких работ при очистке нанотрубок ученые неожиданно увидели люминесценцию в видимом диапазоне. После этого исследование излучения углеродных наноструктур стало общемировым трендом.
Как это работает (и почему они вообще светятся)?
Для углеродных материалов свечение — очень необычное свойство. Механизм этого излучения и сама внутренняя структура углеродных наночастиц все еще остается предметом научных споров. Исходя из наблюдаемой связи эффекта излучения с размером наночастицы, некоторые ученые предполагают, что излучение возникает из-за квантово-размерного эффекта. Другие исследователи настаивают, что свечение возникает благодаря наличию молекулярных соединений, схожих с органическими красителями.
Чем углеродные точки так интересны ученым?
Во-первых, углеродные точки очень дешевы и просты в производстве, ведь их можно получать буквально из всего: фруктового сока, лимонной кислоты, листьев растений и других органических материалов.
Во-вторых, свойства частиц (их размер, растворимость, яркость излучения, его цвет и так далее) можно очень гибко настраивать и точно контролировать — не только с помощью подбора различных прекурсоров во время синтеза, но и меняя параметры их возбуждения, например длину волны.
В-третьих, благодаря своей органической природе углеродные точки абсолютно экологичны, в отличие от тех же нанокристаллов перовскита или квантовых точек, которые содержат ионы тяжелых металлов.
Ну и главное — углеродные точки растворимы в воде, биосовместимы и обладают низкой токсичностью.
Во-вторых, свойства частиц (их размер, растворимость, яркость излучения, его цвет и так далее) можно очень гибко настраивать и точно контролировать — не только с помощью подбора различных прекурсоров во время синтеза, но и меняя параметры их возбуждения, например длину волны.
В-третьих, благодаря своей органической природе углеродные точки абсолютно экологичны, в отличие от тех же нанокристаллов перовскита или квантовых точек, которые содержат ионы тяжелых металлов.
Ну и главное — углеродные точки растворимы в воде, биосовместимы и обладают низкой токсичностью.
Значит их можно использовать и в медицине?
Да. Как раз именно благодаря своей биосовместимости. Ученые уже рассматривают варианты применения углеродных точек в качестве биосенсоров, люминесцентных меток и в роли проб для таргетной доставки лекарств.
Например, недавно в ИТМО смогли синтезировать хиральные углеродные точки (то есть несовместимые со своим зеркальным отражением). Хиральность ― неотъемлемое свойство биологических объектов, например структуры ДНК, РНК и аминокислот в белках. То есть хиральные точки менее вероятно будут отторгнуты организмом, а само это свойство дополнительно открывает возможность селективного взаимодействия с биологическими объектами. А значит, их можно использовать для диагностики заболеваний, в том числе онкологических, а еще для выявления дефектов ДНК и подведения лекарства к пораженным клеткам.
Другая группа ученых из ИТМО смогла создать наноточки, способные поглощать и испускать свет в инфракрасном диапазоне спектра. Это особенно важно, потому что ткани человека прозрачны лишь для волн длиной 800—1000 нанометров (то есть именно в инфракрасном диапазоне). С помощью светящихся в этом спектре точек можно получать очень качественное и подробное изображение биологических тканей, например, опухолевых, прямо внутри организма.
Например, недавно в ИТМО смогли синтезировать хиральные углеродные точки (то есть несовместимые со своим зеркальным отражением). Хиральность ― неотъемлемое свойство биологических объектов, например структуры ДНК, РНК и аминокислот в белках. То есть хиральные точки менее вероятно будут отторгнуты организмом, а само это свойство дополнительно открывает возможность селективного взаимодействия с биологическими объектами. А значит, их можно использовать для диагностики заболеваний, в том числе онкологических, а еще для выявления дефектов ДНК и подведения лекарства к пораженным клеткам.
Другая группа ученых из ИТМО смогла создать наноточки, способные поглощать и испускать свет в инфракрасном диапазоне спектра. Это особенно важно, потому что ткани человека прозрачны лишь для волн длиной 800—1000 нанометров (то есть именно в инфракрасном диапазоне). С помощью светящихся в этом спектре точек можно получать очень качественное и подробное изображение биологических тканей, например, опухолевых, прямо внутри организма.
Как и где еще применяют углеродные наноточки?
Помимо медицины, углеродные точки могут использоваться в биосенсорике (например, чтобы определять состав биологических жидкостей или наблюдать процессы жизнедеятельности в живой клетке), экомониторинге (можно отслеживать примесь в воздухе или в воде), химическом зондировании (например, для определения качества нефти или коррозии металла), контроле качества пищевых продуктов. Кроме того углеродные точки можно использовать при создании люминесцентных меток и чернил.
Другое важное направление — использование собственно оптического излучения частиц, например, в сфере оптоэлектроники. Благодаря своей фотостабильности и яркому излучению, углеродные наноточки могут применяться наравне с полупроводниками в светодиодах.
Другое важное направление — использование собственно оптического излучения частиц, например, в сфере оптоэлектроники. Благодаря своей фотостабильности и яркому излучению, углеродные наноточки могут применяться наравне с полупроводниками в светодиодах.
Как синтезируют углеродные точки?
Ученые экспериментируют как с методами синтеза углеродных точек, так и с их химическим составом. Самые простыми являются методы «снизу-вверх», в основе которых лежит нагрев органических молекул. С помощью такого синтеза удалось создать уникальные точки, которые умеют одновременно определять уровень pH и полярность растворителя в смешанных биологических жидкостях. Но есть и другие способы получения, так группа ученых из ИТМО и Физико-технического института им. Иоффе показала, что можно синтезировать углеродные точки из органических красителей, помещенных в поры кремниевых микросфер. Такой метод не требует последующей обработки и дополнительной очистки, а выбор красителей позволяет управлять излучением наночастиц.
Какие исследования ученые проводят в этой области сейчас?
Основные задачи, которые ставят перед собой исследователи — это расширение диапазона излучения вплоть до ближней инфракрасной области, а также увеличение квантового выхода люминесценции. Например, недавно группа из ИТМО показала, что при формировании димеров из органического красителя внутри углеродных точек их оптические свойства изменяются. Их излучение сильно сдвигается в красную область спектра вместе с уменьшением его интенсивности.
А еще одной работе ученые показали, что возможно формирование оптических центров с ярким красным излучением на поверхности наночастиц. Углеродные точки, полученные при нагреве лимонной кислоты в формамиде, обладали как зеленой, так и красной люминесценций. Причем такие оптические центры формируются и внутри, и на поверхности наночастицы.
А еще одной работе ученые показали, что возможно формирование оптических центров с ярким красным излучением на поверхности наночастиц. Углеродные точки, полученные при нагреве лимонной кислоты в формамиде, обладали как зеленой, так и красной люминесценций. Причем такие оптические центры формируются и внутри, и на поверхности наночастицы.
