КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-13-00294

НазваниеХиральные углеродные наночастицы с оптическими переходами в красной и ближней инфракрасной области для задач тераностики

РуководительЧеревков Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Прежний руководитель Ушакова Елена Владимировна, дата замены: 15.02.2024

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые словауглеродные наночастицы, сольвотермальный синтез, микроволновый синтез, оптическая активность, хиральность, инфракрасный спектральный диапазон, спектроскопия, микроскопия, биовизуализация, тераностика

Код ГРНТИ31.25.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Переход к высокоэффективной персонализированной медицине, интегрирующей высокотехнологические достижения физики, химии и материаловедения, является одной из наиболее актуальных проблем современности. В свете вышеобозначенной проблемы можно выделить тераностику - новое направление мультидисциплинарных исследований, одновременно сочетающее в себе комплексное решение терапевтических и диагностических задач. Подобный подход может быть достигнут путем создания новых функциональных веществ и композитных материалов, которые параллельно могут служить маркерами при ранней диагностике заболеваний и обладают терапевтическим эффектом. В качестве таких функциональных веществ могут выступать наноструктурированные композиты, структурные параметры и физико-химические свойства которых можно прецизионно контролировать. Следует отметить, что потенциал использования традиционных полупроводниковых наноструктур в данных целях является сильно ограниченным ввиду их низкой биосовместимости и высокой токсичности как прекурсоров, так и конечного продукта. В связи с этим наиболее подходящим объектом являются недавно открытые углеродные наночастицы, которые практически не уступают полупроводниковым наноструктурам по своим фотофизическим характеристикам, но при этом инертны в отношении биологических объектов, а также могут быть легко функционализированы фотодинамическими/фототермическими терапевтическими агентами и/или внедрены в более сложные композиты с заданными свойствами. При всех вышеперечисленных достоинствах углеродные наночастицы могут обладать ещё и хиральностью, как наведенной, так и собственной, что в совокупности с перестраиваемой во всем видимом диапазоне полосой люминесценции углеродных наночастиц открывает новые возможности в тераностике. Наличие хиральности в углеродных наночастицах позволит селективно взаимодействовать с биологическими системами, а также повысит эффективность визуализации биологических тканей за счет изменения поляризации оптических откликов исследуемых систем. Однако на сегодняшний момент методики создания хиральных углеродных наночастиц сильно ограничены и требуют дальнейшего исследования и развития. В частности, необходимо разработать методы синтеза хиральных углеродных наночастиц с оптическими переходами в окнах прозрачности биологических тканей (650-1100 нм). Такие объекты также требуют детального исследования структуры их энергетических уровней для контроля оптических откликов для дальнейших применений в биовизуализации. Целью проекта является разработка методик создания биологически совместимых композитов на основе хиральных углеродных наночастиц с оптическими переходами в красной и ближней инфракрасной области спектра. Такая цель является многокомпонентной и требует комплексного решения, начиная с разработки методик синтеза стабильных углеродных наночастиц с контролируемыми физико-химическими свойствами и морфологическими параметрами, установления фундаментальных принципов излучения полученных наночастиц и композитов на их основе, разработка методов функционализации поверхности наночастиц для внедрения их в биологические системы. Для достижения обозначенной цели будут применены известные и разработаны новые методы коллоидного синтеза углеродных наночастиц и создания композитов на их основе, будут применены современные методы исследования оптических откликов образцов, в том числе конфокальной и электронной микроскопии, стационарной и время-разрешенной спектроскопии, а также спетроскопии комбинационного рассеяния и Фурье-ИК спектроскопии. Ключевой научной новизной проекта является получение образцов углеродных наночастиц с сочетанием оптической активности и яркой люминесценцией в красной и ближней инфракрасной области спектра. На основе таких частиц будут разработаны композиты с заданными физико-химическими свойствами (контроль химического состава поверхности с возможностью ее функционализации под конкретные задачи, эффективного фототермического преобразования энергии, и т.д.), которые расширят класс наноструктурированных материалов для диагностики и терапии опасных заболеваний. Актуальность научной проблемы, а также новизна подходов к ee решению, предлагаемых в настоящем проекте, поlтверждается письмом поддержки Prof. A. Rogach из Городского Университета Гонконга (Приложение 1).

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта планируется разработать новый функциональный наноматериал - хиральные углеродные наночастицы с люминесценцией в окнах прозрачности тканей, а также получить новые знания в области прикладной химии и физики наноструктур. В частности, будут разработаны новые методики синтеза хиральных углеродных наночастиц с оптическими переходами в красной и ближней инфракрасной областях спектра; будет установлена структура электронных уровней в зависимости от морфологии и химического состава углеродных наночастиц, позволяющая оптимизировать протоколы синтеза; будут получены теоретические модели оптической активности хиральных углеродных наночастиц; будут разработаны методики получения композита на основе углеродных наночастиц с потенциальной возможностью их внедрения в биологические системы. Ожидаемые результаты выполнения проекта будут опубликованы в ведущих научных журналах. Таким образом, результаты выполнения проекта соответствуют мировому уровню научных исследований и имеют несомненный фундаментальный и прикладной интерес в области создания новых материалов с заданными свойствами. Выполнение проекта обеспечит переход к высокотехнологичному здравоохранению в части развития новых материалов для улучшения качества диагностики и лечения, что соответствует Стратегии НТР РФ (Н3). Создание композита на основе биосовместимых хиральных углеродных наночастиц со стабильными оптическими откликами в красной и ближней инфракрасной области спектра расширит выбор материалов для новых комплексных систем, включающих быструю диагностику и непрерывный мониторинг состояния организма на трех уровнях – клеточном, тканевом и системном. Успешная реализация проекта будет иметь также общественную значимость: развитие нового направления междисциплинарных исследований, находящихся на стыке химии, физики и биологии; подготовка высококвалифицированных молодых научных кадров для решения актуальных задач науки мирового уровня; вклад в развитие персонализированной медицины в России, что приведет к улучшению качества жизни граждан и экономическому росту.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе работы над проектом на первом этапе были проведены все запланированные исследования. Так, были разработаны методики синтеза хиральных наночастиц одностадийным методом в присутствии хиральных молекул и с помощью модификации поверхности С-точек хиральными молекулами. Были получены оптимальные протоколы приготовления образцов одностадийным методом при сольвотермальном и микроволновом нагреве с использованием лимонной кислоты, о-фенилендиамина, бензойной кислоты, тиомочевины в качестве прекурсоров, в качестве растворителей были использованы формамид и вода. В качестве хиральных молекул нами были использованы L-энантиомеры цистеина, глутатиона, фенилглицина, триптофана. Были также получены протоколы обработки поверхности с помощью с N-(3-диметиламинопропил)-N'-этилкарбодиимид гидрохлорида и N-гидроксисукцинимида в присутствии хиральных молекул для разных типов С-точек. Полученные образцы коллоидных наночастиц были всесторонне исследованы методами электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, спектроскопии поглощения и фотолюминесценции, в том числе время-разрешенной, в ультрафиолетовом и видимом диапазоне спектра. Была разработана проба на одновременное определение pH и полярности среды на основе С-точек, синтезированных из о-фенилендиамина в воде. Также такие наночастицы чувствительны к наличию определенных ионов металлов в среде. Данные результаты являются важными для дальнейшего использования С-точек в биологических системах. Были получены образцы ярко люминесцирующих хиральные С-точек в красном диапазоне спектра с сигналами кругового дихроизма до 2 мград методом одностадийной карбонизации при нагреве как сольвотермальным, так и микроволновым методом. Были получены ярко люминесцирующие в зелено-желтом диапазоне спектра хиральные С-точки методом постсинтетической обработки поверхности. Оптические сигналы в спектрах кругового дихроизма в области до 300 нм с амплитудой до 20 мград отнесены к хиральным молекулам и их аггрегатам ковалентно связанным с поверхностью С-точки. При этом слабый положительный сигнал до 2 мград в области поглощения ядер С-точек отнесен к индуцированному хиральными молекулами состоянию С-точек. Были получены физические модели взаимодействия оптических центров, типичных для С-точек на основе лимонной кислоты. Показано, что усиление взаимодействия «синих» центров приводит к уменьшению квантового выхода фотолюминесценции в синей области и смещению полос фотолюминесценции в красную область спектра. Была получена физическая модель взаимодействия оптический центр С-точки и хиральной молекулы, результаты моделирования схожи с полученными экспериментально данными. По итогам проведенных исследований были сделаны 4 устных доклада на международных конференциях. Были опубликованы 3 статьи в журналах, входящих в Q1 и индексируемых в базах Web of Science и Scopus. Были подготовлены части диссертаций магистров и аспирантов.

Публикации

1. Бохань Чжан, Бинчжэ Ван, Елена В. Ушакова, Бинчэнь Хэ, Гуйчуань Син, Цзыкан Тан, Андрей Л. Рогач, Суннань Цюй Assignment of Core and Surface States in Multicolor-Emissive Carbon Dots Small, 2204158 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1002/smll.202204158

2. Ведерникова А.А., Мирущенко М.Д., Арефина И.А., Бабаев А.А., Степаниденко Е.А., Черевков С.А., Спиридонов И.Г., Данилов Д.В., Королева А.В., Жижин Е.В., Ушакова Е.В. Dual-Purpose Sensing Nanoprobe Based on Carbon Dots from o-Phenylenediamine: pH and Solvent Polarity Measurement Nanomaterials, Vedernikova A. A. et al. Dual-Purpose Sensing Nanoprobe Based on Carbon Dots from o-Phenylenediamine: pH and Solvent Polarity Measurement //Nanomaterials. – 2022. – Т. 12. – №. 19. – С. 3314. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nano12193314

3. Кунделев Е.В., Стриевич Е.Д., Тепляков Н.В., Муркина А.Д., Дубавик А.Ю., Ушакова Е.В., Баранов А.В., Федоров А.В., Рухленко И.Д., Рогач А.Л. Structure–Optical Property Relationship of Carbon Dots with Molecular-like Blue-Emitting Centers J. Phys. Chem. C, 126, 18170−18176 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c05926

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе работы над проектом на втором этапе были проведены все запланированные исследования. Так, была разработана модель машинного обучения для предсказания оптических откликов (положение полосы поглощения, положение полосы фотолюминесценции и значение квантового выхода) по параметрам синтеза (молярной концентрации прекурсоров, температуры или мощности микровонового синтеза, времени реакции) для нескольких типов углеродных точек с оптическими переходами в области 600-1100 нм. Разработанная модель хорошо описывает экспериментально полученные данные из разных лабораторий и, таким образом, разработанный открытый код может быть свободно использован исследователями всего мира для определения спектральных характеристик углеродных точек. Был разработан метод получения углеродных точек с максимумом полосы фотолюминесценции на 690 нм и квантовым выходом 10,8% на основе глутатиона и формамида. Полученные наночастицы обладают сигналом кругового дихроизма в полосе поглощения ядер сформированных наночастиц. Значения фактора диссимметрии составил порядка 10-5. Были оптимизированы методики синтеза ахиральных углеродных точек с оптическими переходами в красной области спектра с квантовым выходом до 27%. Были установлены зависимости оптических свойств от морфологии и химического состава полученных образцов углеродных наночастиц, в частности было показано, что «красные» оптические центры формируются в N, O – легированных углеродных токах при реакции глутатиона с формамидом, лимонной кислоты с формамидом или лимонной кислоты с мочевиной в присутствии диметилформамида. Были разработаны две методики постсинтетической обработки поверхности углеродных наночастиц методом карбодиимидной химии, а также ковалентного связывания с молекулами изоцианата. Были получены образцы хиральных углеродных точек с оптическими переходами в красной области и квантовыми выходами фотолюминесценции, достигающими 15 % для полосы с максимумом на 630 нм. Были показано, что при одностадийном синтезе формируется меньшее количество хиральных центров в углеродной точке, поэтому более перспективным методом является постсинтетическая обработка ахиральных углеродных точек с нужными спектральными характеристиками. Сигналы кругового дихроизма связаны с ковалентным связыванием хиральных молекул и их агрегатов на поверхности углеродных точек, а также индуцированием хиральности оптических переходов в ядрах ахиральных углеродных точек. Были оценены факторы диссимметрии сигналов кругового дихроизма, максимальные значения достигли 10-4. Была разработана физическая модель электронной структуры хиральных углеродных наночастиц на основе скрученных листов графена с точечными дефектами на поверхности. Были определены перспективные биосовместимые архитектуры композитов – микросферы карбоната кальция вместе с гибридами с магнитными наночастицами. Были проанализированы примеры применения углеродных точек и композитов (гидрогелей) для биовизуализации и фототермической терапии рака. По итогам проведенных исследований было сделано 3 устных и 1 стендовый доклада на международных конференциях. Были опубликованы 3 статьи в журналах, индексируемые в базах Web of Science и Scopus. Были подготовлены части диссертаций магистров и аспирантов.

Публикации

1. Наталин Н.В., Кунделев Е.В., Рухленко И.Д., Тепляков Н.В. Optical properties of twisted bilayer graphene with magnetic defects Electronic Structure, Natalin N. et al. Optical Properties of Twisted Bilayer Graphene with Magnetic Defects //Electronic Structure. – 2023. - № 5. - С. 024008. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1088/2516-1075/acdbf5

2. Степаниденко Е.А., Ведерникова А.А., Мирущенко М.Д., Дададжанов Д.Р., Феферман Д., Чжан Б., Цюй С., Ушакова Е.В. Red-Emissive Center Formation Within Carbon Dots Based on Citric Acid and Formamide The Journal of Physical Chemistry Letters, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c02837

3. Степаниденко Е.А., Мирущенко М.Д., Королева А.В., Жижин Е.В., Митрошин А.М., Парфенов П.С., Черевков С.А., Ушакова Е.В. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ХИРАЛЬНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ГЛУТАТИОНА Оптика и Спектроскопия, - (год публикации - 2023)

4. Тучин В.С. Determining the position dependence of CDs optical transitions in the red and near-infrared spectral regions METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts., Tuchin, V.S. Determining the position dependence of CDs optical transitions in the red and near-infrared spectral regions / V.S. Tuchin // METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts. - 2023. - Pp. 45 (год публикации - 2023)

5. Ушакова Е.В. Functionalization of carbon nanoparticles METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts., Ushakova, E.V.Functionalization of carbon nanoparticles / E.V. Ushakova // METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts. - 2023. - Pp. 9 (год публикации - 2023)

6. Ушакова Е.В., Черевков С.А., Степаниденко Е.А., Ведерникова А.А., Мирущенко М.Д., Арефина И.А., Данилов Д.В., Королева А.В., Жижин Е.В., Рогач А.Л. Amphiphilic Carbon Dots Carbon Chemistry and Materials. Book of Abstracts., Ushakova E.V., et al. Amphiphilic Carbon Dots // Carbon Chemistry and Materials. Book of Abstracts. - 2023. - Pp. 52 (год публикации - 2023)