Ученые создали "шубку" для квантовых точек

Квантовые точки – полупроводниковые кристаллы размером в миллиардные доли метра, состоящие из нескольких тысяч атомов. Квантовые точки способны поглощать свет в широком диапазоне, а излучать в узком интервале длин волн, который определяется размерами нанокристалла. Таким образом, та или иная квантовая точка светится строго определенным цветом. Эти свойства квантовых точек делают их практически идеальным средством для сверхчувствительной многоцветной регистрации биологических объектов, а также для медицинской диагностики.

Благодаря своей уникальной способности конвертировать энергию света в яркое свечение, квантовые точки нашли широкое применение при разработке различных современных устройств – ярких телевизионных экранов, лазеров, высокоэффективных солнечных батарей.

Большинство квантовых точек имеют в составе тяжелые металлы, и, как правило, стабильны только в токсичных органических растворителях, что ограничивает их использование в биологии и медицине, рассказали ученые Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского.

Благодаря яркости и стабильности светящихся квантовых точек можно создавать тест-системы для определения биомаркеров раковых опухолей или аутоиммунных антител, а также для контроля дозировки и системы доставки лекарств. Чтобы избежать отравления, необходимо создать оболочку, которая позволяла бы удерживать все химические элементы квантовой точки у нее внутри и выводить ее из организма в изначальном виде.Саратовские ученые провели исследования по созданию стабильной структуры полупроводниковой квантовой точки и разработали ряд оболочек, способных перевести квантовую точку в водные среды и биологические жидкости.

"Мы получили нанокристалл, покрытый тонкими слоями полупроводников с послойно увеличивающейся проводимостью, что позволило добиться высокоэффективной трансформации ультрафиолетового излучения в цветное свечение. Такая система может быть переведена в воду при помощи стеклоподобных структур", – рассказала старший научный сотрудник лаборатории общей и неорганической химии Института химии СГУ Ольга Горячева.

Исследователи использовали силикатную оболочку (силикаты – соли кремниевых кислот, встречающиеся в природе в виде минералов; наиболее известный силикат – стекло), которая позволяет, по их словам, не только сохранять полупроводниковый кристалл целым и поддерживать его оптические свойства на прежнем уровне. Эту оболочку можно также обогатить биологически активными элементами. Кроме того, такие квантовые точки стабильнее аналогов, разработанных другими научными группами.

"Силикатная оболочка присоединяется непосредственно к атомам кристалла и образует очень тонкий прозрачный слой, похожий по своим свойствам на стекло. На данный момент мы активно используем такие оболочки в разработке высокочувствительных экспресс-тестов кардиозаболеваний для отделений скорой помощи. Похожие тесты позволяют определять токсины в продуктах питания", – отметила Горячева.

Еще один тип нанокристаллов, созданных учеными СГУ, состоит из нескольких полупроводниковых структур. Как рассказали исследователи, это так называемые "сплавные" квантовые точки, имеющие плавный переход между полупроводниками. Их синтез значительно упрощен и занимает значительно меньше времени.

"Для перевода в воду квантовых точек была использована принципиально другая технология. Тиогликолевая кислота, имеющая в составе серу, встраивается в поверхность кристалла одним концом, а второй обеспечивает растворимость в воде. Получается поверхность наподобие пушистой "шубки", к которой можно присоединить различные молекулы. Квантовая точка в такой "шубке" сохраняет размер до 10 нанометров", – рассказал младший научный сотрудник лаборатории общей и неорганической химии Института химии СГУ Даниил Дрозд.

По его словам, такая система чувствительна ко многим окислителям. Свечение квантовой точки уменьшается вблизи агрессивных сред. Это позволяет использовать новую технологию для определения избытка и корректировки дозы онкопрепаратов в крови человека при химиотерапии и значительно сократить побочные эффекты лечения. Уже к концу 2024 года исследователи планируют доказать эффективность аналитической системы на основе квантовых точек для корректировки дозы препарата митоксантрона для лечения рака груди, лимфомы и карциномы печени.

Исследования проводятся в рамках грантов Российского научного фонда № 21-73-10046 и № 20-13-00195. Направление входит в стратегический проект "Химия и новые материалы" программы "Приоритет2030".