Сергей Туник, доктор химических наук, профессор Санкт-Петербургского государственного университета. Источник: Сергей Туник
Наша исследовательская группа занимается разработкой и синтезом люминесцентных меток и сенсоров на ключевые физиологические параметры биологических систем, такие как рН, концентрация кислорода, температура и т. д. Эти сенсоры находят применение в биомедицинских исследованиях, выполняемых с помощью люминесцентной микроскопии.
Люминесцентная микроскопия когда-то родилась как качественный метод изучения структуры биологических объектов, но именно в последнюю четверть XX века с появлением приборов, способных измерять количественные параметры излучения люминесцентных меток, она становится важным аналитическим методом получения количественных данных о физико-химических и физиологических свойствах этих объектов.
В чем заключается метод? В объект, например культуру клеток, орган, подопытное животное или растение, вводится люминофор, который обычно называется меткой или зондом, и затем с помощью микроскопа мы наблюдаем за его свечением под действием возбуждающего излучения. В самом простом варианте полученная картинка позволяет более точно и с большим разрешением увидеть структуру клеток или тканей по сравнению тем, как мы ее видим в обычном микроскопе.
Люминесцентная микроскопия — один из самых востребованных методов биомедицинских исследований. Она применяется для изучения фундаментальных физиологических процессов на макро- и микроуровне.
Как выяснилось, гораздо интереснее наблюдать за поведением таких люминофоров, которые способны изменять параметры своего излучения — интенсивность, длину волны, время жизни свечения, в зависимости от свойств окружающей среды, таких как температура, вязкость, концентрации активных физиологических компонентов. Тогда мы можем неинвазивно — без вмешательства в жизнедеятельность биологического образца, следить за происходящими процессами. В этом случае зонд, или метка, становится сенсором, то есть позволяет количественно измерять целевые параметры.
Именно поэтому люминесцентная микроскопия стала одним из самых востребованных методов биомедицинских исследований и применяется для изучения фундаментальных физиологических процессов на макро- и микроуровне. В экспериментальной медицине, где отклонение физиологических параметров от нормы свидетельствует о наличии патологии, она может помогать в диагностике патологий или отслеживать эффективность применения той или иной терапии.
Не менее важным достижением последних 10–15 лет явилось внедрение в практику методов время-разрешенной люминесцентной микроскопии, в которой измеряемой и детектируемой величиной становится не цвет или интенсивность свечения, а ее продолжительность. С их помощью стало возможным не только измерять концентрации определенных компонентов физиологической среды, но и оценивать активность некоторых ферментов. Прогресс в этой области сенсорных исследований просто фантастический: метод позволяет изучать самые тонкие детали биохимических процессов на клеточном уровне.
Если говорить о перспективах развития химии люминесцентных зондов, то вызовом ближайшего будущего для химиков станет создание люминофоров, способных направленно доставляться к хирургическим мишеням, в частности, к раковым опухолям, что позволит применять их в эндоскопических операциях с помощью роботов da Vinci.
Мы работаем в области синтеза люминесцентных зондов и сенсоров на основе комплексов переходных металлов. Эти люминофоры качественно отличаются от традиционных органических флуорофоров: они более чувствительны к внешним стимулам, параметры их излучения легче поддаются количественной оценке, и они гораздо легче модифицируются под решаемую задачу.
За последние шесть лет при поддержке грантов РНФ мы получили и протестировали несколько серий сенсоров на такие физиологические параметры, как концентрация кислорода, рН и температура, которые показали свою применимость в биомедицинских исследованиях, поскольку нам удалось добиться их биосовместимости и низкой токсичности, избирательности и высокой точности в определении целевых параметров.
Визуализация распределения кислорода в клетках
с помощью время-разрешенной микроскопии
и использованием кислородного сенсора на основе комплекса иридия. Источник: Сергей Туник
Для того чтобы достигать такого результата, мы используем весь арсенал современной органической, координационной и высокомолекулярной химии, включая доставку сенсоров в клетки с помощью полимерных наночастиц. Полученные нами результаты были опубликованы в ведущих международных журналах, но, что еще более важно, они нашли своих потребителей у биологов и медиков. В частности, наши сенсоры на кислород и рН использовали коллеги из Приволжского исследовательского медицинского университета в Нижнем Новгороде и Института цитологии РАН в Санкт-Петербурге для анализа ключевых физиологических процессов и оценки эффективности применения некоторых противораковых препаратов. Сделать реальный, применимый в биомедицине сенсор, — это задача огромной сложности и в каком-то смысле вызов, который мы с удовольствием принимаем.
Алексей Шапошник, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой химии Воронежского государственного аграрного университета имени Императора Петра Первого. Источник: Алексей Шапошник
Наша группа занимается химическими газовыми сенсорами — миниатюрными устройствами, позволяющими определять концентрацию газов и паров в атмосфере за счет химического взаимодействия. Есть несколько типов газовых сенсоров: например, у полупроводниковых изменяется электрическая проводимость, а термокаталитические сенсоры выделяют тепло. Хотя полупроводниковые сенсоры были разработаны примерно 70 лет назад в Москве профессором Игорем Алексеевичем Мясниковым, в 1990-е годы лидерство в значительной степени было утрачено.
Можно провести некоторую аналогию между сенсорикой и микроэлектроникой. Так же, как и в микроэлектронике, принципы работы устройств существенно не изменились, однако сами устройства стали другими. Микроэлектроника на моей памяти прошла путь от пятимикронной технологии к пятинанометровой, в результате чего появились современные процессоры и микроконтроллеры, открылись новые области применения микросхем. Похожие изменения происходят и в газовой сенсорике. Если в 70-х годах XX века для получения чувствительных к газам материалов использовались довольно крупные частицы оксидов металлов, размером, возможно, в микрон, то с развитием нанотехнологий размер частиц снизился до 5–15 нанометров. Увеличение удельной площади поверхности и каталитической активности таких материалов привели к повышению чувствительности примерно на три порядка, а также к соответствующему снижению предела обнаружения.
Модные проекты водородной энергетики для своей реализации нуждаются в контроле атмосферы, поскольку водород — взрывоопасный газ. Одна из идей транспортировки водорода предполагает смешивание его с метаном, поэтому возникает необходимость определения состава газовых смесей метан-водород, а значит, создания селективных сенсоров. В результате реализации проекта РНФ нам удалось продвинуться в понимании механизма взаимодействия водорода с поверхностью металлооксидных полупроводников. В свою очередь, это позволило найти оптимальные режимы работы сенсора и упростить хемометрическую обработку многомерных данных.
Разрабатываемые сенсоры. Источник: Алексей Шапошник
Нам впервые удалось провести определение состава газовых смесей с помощью единичного полупроводникового сенсора. Кроме того, в ходе проекта мы усовершенствовали методы синтеза и получили новые, чувствительные к газам наноматериалы.
Считается, что сенсорика должна развивать три «S»: чувствительность (sensitivity), селективность (selectivity) и стабильность (stability). И действительно, были достигнуты существенные успехи в повышении как чувствительности анализа, так и его селективности. Однако в последние годы на передний план выходит новое направление исследований, связанное со снижением энергопотребления. Рабочая температура полупроводниковых сенсоров обычно составляет 200–400 ℃, поэтому электроэнергия тратится на нагрев. Для снижения энергопотребления можно, например, использовать газочувствительные материалы, аналитический отклик которых возникает без нагревания даже при комнатной температуре. Можно также использовать импульсный нагрев, при котором сенсор нагревается только в отдельные моменты цикла измерений. Однако главным направлением в этой области становится создание MEMS-систем — микроэлектромеханических систем, в частности, диэлектрических подложек сенсоров с низкой теплоемкостью. Подобные разработки идут как в направлении миниатюризации, так и в направлении уменьшения толщины подложки. Наша группа сотрудничает с предприятием электроники «С-компонент» из Дубны и уже создала образцы MEMS-систем, которые готовятся к массовому выпуску.
Разрабатываемые сенсоры. Источник: Алексей Шапошник
Использование MEMS-систем и импульсного нагрева приводит к резкому сокращению энергопотребления и поможет создать газоанализаторы нового поколения — компактные недорогие устройства, позволяющие проводить мониторинг атмосферы в труднодоступных местах в автономном режиме в течение длительного времени.
***
Интервью вошли в cпециальную рубрику «Мнение» корпоративного журнала «Открывай с РНФ» (№ 29).
В рубрике «Мнение» грантополучатели рассказывают об исследованиях и перспективах в разных областях химических наук, таких как сенсорные и диагностические материалы, органическая электроника, портативная энергетика, искусственный интеллект.
