Микрочастицы, испускающие свет под влиянием электромагнитного излучения, используются для разработки биосенсоров и оптики. Благодаря их свечению можно в реальном времени следить за адресной доставкой лекарств в организме, а также распознавать опухоли, регистрируя свечение скоплений белков-антигенов вокруг раковых клеток.
Вместо традиционных органических красителей добиться более яркой флуоресценции микрочастиц позволяют квантовые точки — мельчайшие кристаллы материалов, способных проводить ток под воздействием температуры или света. К таким материалам относятся, например, кремний, кадмий, селен и другие полупроводники. Под действием ультрафиолетового излучения электроны в квантовых точках возбуждаются до состояния с более высокой энергией, которую затем высвобождают в виде фотонов. Это и создает явление флуоресценции.
В ИТМО предложили метод получения светящихся малотоксичных полимерных микрочастиц с квантовыми точками на основе формирования изолированных капель вещества в потоке микроскопических объемов жидкости. Исследование проведено совместно с Санкт-Петербургским национальным исследовательским Академическим университетом имени Ж.И. Алферова РАН и Институтом аналитического приборостроения РАН. Первым автором научной статьи стала выпускница магистерской программы «Физика и технология наноструктур» ИТМО Камилла Курасова.
Ученые спроектировали в лабораторных условиях систему пересекающихся каналов, которая работает с малыми объемами жидкостей и позволяет ими управлять. Устройство создает полимерные микросферы с квантовыми точками внутри — нанокристаллами на основе серебра, индия и серы. Размеры сфер сопоставимы с толщиной человеческого волоса — 55-95 микрометров.
Для стимуляции свечения микрочастиц квантовые точки возбуждали с помощью лазера, а затем фиксировали интенсивность флуоресценции и время ее затухания. Новый подход ученых позволил добиться получения ярко светящихся частиц, устойчивых к лазеру. Благодаря этому можно неоднократно возбуждать частицы и проводить на их основе длительные эксперименты, сохраняя при этом светимость. А вот время свечения квантовых точек в полимерных микросферах сократилось до 3,5 наносекунд. Это в десятки раз меньше, чем свечение в тонкой полимерной пленке. Короткий интервал свечения позволит увеличить точность мониторинга процессов в человеческом организме, так как чем меньше квантовая точка находится в возбужденном состоянии, тем меньше на нее влияет окружающая среда.
«Предложенный подход создания микрочастиц может найти широкое применение в биомедицинских приложениях. Обычно квантовые точки изготавливают из токсичных тяжелых металлов и растворяют в агрессивных средах, мы же использовали малотоксичные квантовые точки. Это позволит использовать наши микросферы с квантовыми точками в качестве инструментов для определения кровотока, внутрисосудистой визуализации, в качестве носителей лекарств и ферментов, для калибровки приборов и так далее», — рассказал Антон Старовойтов, доцент, старший научный сотрудник лаборатории «Фотофизика поверхности» Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
Антон Старовойтов. Фото: Дмитрий Григорьев / ITMO.NEWS
Исследование полученных микрочастиц продолжается. Ученые вводят их в организм лабораторных животных и вызывают флуоресценцию квантовых точек лазером или светодиодами. Необходимо убедиться, что полимерные микрочастицы с квантовыми точками малотоксичны. В случае положительного результата речь может пойти о тестировании разработки на людях.
Исследование поддержано грантом РНФ №22-72-10057.
