Ученые создали светящиеся полимерные микрочастицы, содержащие нанокристаллы на основе серебра, индия и серы. Полученные частицы дольше не выцветают под воздействием лазерного излучения и менее токсичны, чем традиционные органические красители. Это позволит использовать их для внутрисосудистой визуализации, определения кровотока, в качестве носителей лекарств и ферментов. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале ACS Omega.
Микрочастицы, способные испускать свет после поглощения электромагнитного излучения, то есть флуоресцировать, применяются для разработки биосенсоров и оптики. Так, в биомедицине, наблюдая за их свечением, можно в реальном времени отслеживать эффективность адресной доставки лекарств, а также выявлять опухоли, отслеживая свечение скоплений белков-антигенов около раковых клеток. Обычно такие микрочастицы состоят из органических красителей и полимеров. Однако гораздо более яркой флуоресценции можно добиться, если использовать вместо органических красителей квантовые точки — мельчайшие кристаллы материалов, проводящих ток под воздействием света или температуры. К ним относятся, например, кристаллы кремния, кадмия, селена и других полупроводников. Если на квантовые точки направить ультрафиолетовое излучение, электроны в них возбуждаются до состояния с более высокой энергией, которую впоследствии высвобождают в виде фотонов, тем самым и создавая явление флуоресценции.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского национального исследовательского Академического университета имени Ж. И. Алферова РАН (Санкт-Петербург) и Института аналитического приборостроения РАН (Санкт-Петербург) предложили метод получения люминесцентных малотоксичных полимерных микрочастиц с квантовыми точками, который основан на формировании изолированных капель вещества в потоке микроскопических объемов жидкости.
Авторы самостоятельно изготовили в лаборатории систему пересекающихся каналов, которая работает с малыми объемами жидкостей и позволяет ими манипулировать. Это устройство позволяет получить в один этап полимерные микросферы с квантовыми точками — нанокристаллами на основе серебра, индия и серы — внутри. При этом размеры сфер, которые формируются таким способом, варьируются от 55 до 95 микрометров, что сопоставимо с толщиной человеческого волоса. Для того, чтобы квантовые точки в микрочастицах светились, их возбуждали с помощью лазера. Далее ученые регистрировали интенсивность и время затухания флуоресценции с помощью лазерного сканирующего микроскопа.
Новый подход позволил получить ярко светящиеся микрочастицы, устойчивые к высокой мощности лазерного излучения. Это свойство позволит многократно возбуждать частицы и проводить более длительные эксперименты без ухудшения их светимости. Ученые также обратили внимание на значительное сокращение — до 3,5 наносекунд — времени свечения квантовых точек в полимерных микросферах в ответ на возбуждающее излучение. Для сравнения, квантовые точки в тонкой полимерной пленке светились 68 наносекунд, а в воде — 91 наносекунду. Более быстрое затухание свечения микросфер позволит повысить точность отслеживания процессов в организме: чем меньше времени квантовая точка проводит в возбужденном состоянии, тем меньше она взаимодействует с окружающей средой. Таким образом, ученые получили микрочастицы, которые быстро затухают после прекращения возбуждения, но не выцветают, и их можно многократно возбуждать повторно. Кроме того, при помощи нового метода можно формировать частицы практически любого диаметра в микронном диапазоне, тем самым обеспечивая необходимые исследователю энергию и цвет излучения.
Изображения созданных микросфер с квантовыми точками, полученные с помощью конфокального микроскопа. Круги представляют области, в которых сигналы люминесценции собраны и усреднены. Источник: Kamilla Kurassova et al. / ACS Omega, 2024
«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», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Антон Старовойтов, доцент, старший научный сотрудник лаборатории «Фотофизика поверхности» Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
Авторы продолжают исследовать полученные микрочастицы, вводя их в организм лабораторных животных и вызывая свечение квантовых точек лазером или светодиодами определенной длины волны. Прежде чем тестировать разработку на людях, исследователи хотят экспериментально убедиться в малой токсичности полимерных микрочастиц с квантовыми точками.
Схема экспериментальной установки для получения микрочастиц из акриламида с формированием квантовых точек в микрофлюидном устройстве. Источник: Никита Филатов
