Апконверсионные температурные наносенсоры для биологических приложений

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 проекта 23-42-10012

НазваниеАпконверсионные температурные наносенсоры для биологических приложений

Руководитель Никифоров Виктор Геннадьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр «Казанский научный центр Российской академии наук» , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №73 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова Апконверсия, оксидные наночастицы, фторидные наночастицы, наносенсоры, спектроскопия одиночных наночастиц, конфокальная спектроскопия, атомно-силовая спектроскопия, перенос энергии, многофононные переходы, внутренние и поверхностные дефекты, тушители люминесценции, температурная чувствительность, внутриклеточные измерения.

Код ГРНТИ29.33.49 29.31.23 29.33.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Внутриклеточная температура является одним из ключевых показателей состояния клетки. Например, локальное повышение температуры свидетельствует о сдвиге химического равновесия, что напрямую связывают с ростом клеточной активности. Помимо фундаментального интереса, особую значимость имеют перспективы разработок методов мониторинга текущего состояния на клеточном уровне с целью сверхранней диагностики и контроля хода терапии. На данном этапе трудно переоценить социально-экономический эффект от перспектив внедрения таких методов в медицине. Считается, что достичь наименьшую инвазивность при измерениях внутри клетки можно с помощью флуоресцентных наносенсоров. Сегодня в качестве таковых предлагаются комплексы лантаноидов(III), флуоресцентные белки, золотые нанокластеры, наноалмазы, молекулы красителей, полимерные наночастицы, квантовые точки, кремневые наночастицы и т.д. Удаленное измерение температуры основывается на температурной зависимости интенсивности параметров люминесцении (интенсивность, форма линии, время затухания, спектральный сдвиг и др.). Однако данные системы, работающие по принципу даунконверсии, имеют принципиальный недостаток. Для их возбуждения требуется излучение в видимом или ближнем УФ диапазоне, которое приводит к целому ряду крайне нежелательных эффектов (фотодеструкция биотканей, локальный нагрев и возбуждение паразитной люминесценции самих биотканей, небольшая глубина проникания излучения накачки в ткани), что часто делает бессмысленной процедуру измерения внутриклеточной температуры. Для решения обозначенной проблемы предложено в качестве наносенсоров температуры использовать высокоэффективные апконверсионные системы, преобразующие свет из области ближнего ИК диапазона («окно прозрачности» биологических тканей находится в области 1 мкм) в зеленое и красное излучение. Преимущества апконверсионных систем по сравнению с даунконверсионными трудно переоценить: отсутствии большого поглощения в тканях, фотодеструкции клеток, локального нагрева, автофлуоресценции, мерцания, обесцвечивания и др. Помимо этого измерение температуры происходит путем регистрации соотношения интенсивностей линий в спектре редкоземельных ионов, что является наиболее простым и точным методом при удаленном измерении. Многочисленные публикации убедительно показывают высокую температурную чувствительность наночастиц, допированных ионами Yb3+, Er3+, Tm3+, Ho3+. Как правило, температурную чувствительность определяют на основе усредненных по большому ансамблю характеристик. При этом известно, что спектральные свойства отдельных наночастиц могут сильно отличаются от средних по ансамблю. Этот факт создает существенную преграду на пути массового использования апконверсионных наночастиц в роли термосенсоров, поскольку малоинвазивно внедрить в живую клетку (⁓50 мкм) можно лишь ограниченное число наночастиц (на практике несколько штук), которые будут обладать неоткалиброванными «индивидуальными» спектральными характеристиками, что приведет к неприемлемым ошибкам измерения. Цель проекта состоит в реализации идеи апконверсионных термосенсоров до конкретных специфицированных образцов, готовых к внутриклеточным измерениям. Для этого будут разработаны методы создания единичных термосенсоров и ансамбля термосенсоров на основе апконверсионных наночастиц с достаточно близкими спектральными характеристиками для малоинвазивных внутриклеточных измерений. Решение этой задачи будет основано на сочетании двух подходов. Первый состоит в оптимизации синтеза известных люминесцентных оксидных и фторидных наночастиц размерами 10 – 300 нм, допированных ионами Yb3+, Er3+ и Tm3+ для получения на выходе узкодисперсного по спектральным характеристикам ансамбля. Второй подход основывается на сочетании техник конфокального и атомно-силового микроскопов для манипуляций отдельными наночастицами. Это позволит проводить селекции из большого массива, характеризации, калибровки и приготовления специфицированных ансамблей наночастиц, готовых для дальнейшего использования в биологических задачах. Для финального результата будут применены оба подхода: сначала будет выполнен синтез с оптимизированными параметрами, затем будет произведена дополнительная селекция, в результате чего будет получен ансамбль специфицированных наночастиц с очень близкими спектральными свойствами, которые можно использовать в экспериментах по измерению внутриклеточной температуры.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е. О. Митюшкин, Д. К. Жарков, А. В. Леонтьев, Л. А. Нуртдинова, А. Г. Шмелев, В. Г. Никифоров Гидротермальный синтез апконверсионных наночастиц NaYF4:Yb,Er и модификация их поверхности для использования в роли биосенсора Известия РАН, ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 87, 1724–1729 (2023) (год публикации - 2023)
10.31857/S0367676523702976

2. Д.К. Жарков, А.В. Леонтьев, А.Г. Шмелев, Л.А. Нуртдинова, А.П. Чукланов, Н.И. Нузгазизов, В.Г.Никифоров Upconversion Luminescence Response of a Single YVO4:Yb, Er Particle https://www.mdpi.com/, Micromachines 14, 1075 (2023) (год публикации - 2023)
10.3390/mi14051075

3. А. Г. Шмелев, Е. О. Митюшкин, Л. А. Нуртдинова, А. В. Леонтьев, Д. Н. Петров, Д. К. Жарков, В. Г. Никифоров Анизотропия люминесценции апконверсионных наночастиц NaYbF4:Er в большом ансамбле и одиночных частицах Известия РАН, ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 87, 1744–1748 (2023) (год публикации - 2023)

4. Д. В. Лапаев, В. Г. Никифоров, С. Н. Судакова, С. Н. Подъячев Влияние кристаллизации раствора комплекса тербия(III) c тетра-1,3-дикетон каликс[4]ареном на параметры эмиссии ионов Tb3+ Известия РАН, ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 87, с. 1719–1723 (2023) (год публикации - 2023)
10.31857/S0367676523702964

5. Л. А. Нуртдинова, А. В. Леонтьев, Д. К. Жарков, А. Г. Шмелев, Р. Р. Заиров, А. С. Мерещенко, С. В. Федоренко, А. Р. Мустафина, В. Г. Никифоров Измерение температуры на основе композита наноразмерных люминофоров [Ru(dipy)3]2+@SiO2 И NaYF4:Eu,Gd Известия РАН, ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 87, 1730–1734 (2023) (год публикации - 2023)
10.31857/S0367676523702988

6. Д. К. Жарков, Е. О. Митюшкин, А. В. Леонтьев, Л. А. Нуртдинова, А. Г. Шмелев, Н. М. Лядов, А. В. Пашкевич, А. П. Сайко, О. Х. Хасанов, В. Г. Никифоров Зависимость температурной чувствительности от формы апконверсионных люминофоров NaYF4:Yb,Er Известия РАН, ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 87, 1735–1743 (2023) (год публикации - 2023)
10.31857/S036767652370299X

7. Митюшкин Е.О., Шмелев А.Г., Леонтьев А.В., Нуртдинова Л.А., Жарков Д.К., Никифоров В.Г. Multimodal Luminescent Upconversive Temperature Sensors Made from NaYF4:Yb,Er,Tm for Biological Applications «Известия Российской академии наук. Серия физическая». Журнал выпускается ФГУП «Издательство «Наука», Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, Vol. 88, No. 12, pp. 1993–2002. (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824708596

8. Шмелев А.Г., Леонтьев А.В., Петров Д.Н., Нуртдинова Л.А., Митюшкин Е.О., Жарков Д.К., Заиров Р.Р., Мустафина А.Р., Хасанов О.Х., Никифоров В.Г. Ru(dipy)3]2+@SiO2 Nanophosphor as Temperature Sensor: Photobleaching Cheating «Известия Российской академии наук. Серия физическая». Журнал выпускается ФГУП «Издательство «Наука» , Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, Vol. 88, Suppl. 1, pp. S122–S126 (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824708894

9. Леонтьев А.В., Нуртдинова Л.А., Митюшкин Е.О., Шмелев А.Г., Жарков Д.К., Чукланов А.П., Нургазизов Н.И., Никифоров В.Г. Polarized luminescence in single upconversion NaYbF4:Er rods Royal society of chemistry, New J. Chem., 2024, 48, 14029–14038 (год публикации - 2024)
10.1039/d4nj02687j

10. Леонтьев А.В., Нуртдинова Л.А., Митюшкин Е.О., Шмелев А.Г., Жарков Д.К., Андрианов В.В., Муранова Л.Н., Гайнутдинов Х.Л., Никифоров В.Г. Testing Nanosensors Based on NaYF4:Yb,Er for Measuring Temperature in Biological Media «Известия Российской академии наук. Серия физическая». Журнал выпускается ФГУП «Издательство «Наука», Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, Vol. 88, No. 6, pp. 853–858 (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824706731

11. Гатауллина Р.М., Леонтьев А.В., Нуртдинова Л.А., Шмелев А.Г., Жарков Д.К., Солодов А.Н., Губайдуллин А.Т., Саифина А.Ф., Ханнанов А.А., Никифоров В.Г. Mechanism of Silanization and Its Influence on Temperature Sensitivity of Up-Conversion Luminescence of NaYF4:Yb/Ho Nanoparticles «Известия Российской академии наук. Серия физическая». Журнал выпускается ФГУП «Издательство «Наука» , Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2024, Vol. 88, Suppl. 1, pp. S127–S134 (год публикации - 2024)
10.1134/S1062873824708900

12. Солодов А.Н., Зимин К., Гатауллина Р.М., Загидуллин А.А., Леонтьев А.В., Шмелев А.Г., Нуртдинова Л.А., Никифоров В.Г., Хасанов О.Х., Амирова Л.М., Таюрский Д.А., Иванова А., Киямов А., Жарков Д.К. Fluorescent polymer composites based on core-shell NaYF4:Yb/ Er@NaGdF4:Ce/Tb structures for temperature monitoring and anti-counterfeiting protection Elsevier, Optical Materials 159 (2025) 116511 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.116511

13. Леонтьев А.В., Нуртдинова Л.А., Митюшкин Е.О., Шмелев А.Г., Жарков Д.К., Андрианов В.В., Муранова Л.Н., Гайнутдинов Х.Л., Заиров Р.Р., Хазиева А.Р., Мустафина А.Р., Никифоров В.Г. Наночастицы [Ru(dipy)3]2+ @ SiO2 как термосенсоры и зонды для люминесцентной томографии биопрепаратов Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе Российской академии наук, Журнал технической физики, 2024, том 94, вып. 9, 1576-1582 (год публикации - 2024)
10.61011/JTF.2024.09.58680.83-24

14. Солодов А. Н., Шайымова Ю. Р., Гатауллина Р. М., Загидуллин А. А., Амиров Р. Р., Леонтьев А. В., Шмелев А. Г., Нуртдинова Л. А., Никифоров В. Г., Сайфина А. Ф., Губайдуллин А. Т., Исмаев И. Е., Митюшкин Е. О., Ханнанов А., Андрианов В.В., Муранова Л.Н., Гайнутдинов К.Л., Хасанов О.Х., Жарков Д.К. Hydrophilization of Core-Shell NaYF4: Yb/Er@ NaGdF4: Ce/Tb Nanostructures Using Polyethylenimine for Multimodal Imaging Elsevier, Амстердам, Нидерланды (Amsterdam, Netherlands), Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, (2025) 137183 (год публикации - 2025)
10.1016/j.colsurfa.2025.137183

15. Лапаев Д. В., Никифоров В. Г., Шмелев А. Г., Судакова С. Н., Подьячев С. Н., Мустафина А. Р. Impact of intramolecular energy migration on temperature-sensitive Tb3+ emission in Tb (III) complexes with tetra-1, 3-diketone calix [4] arenes Elsevier, Амстердам, Нидерланды (Amsterdam, Netherlands), Optical Materials, 162 (2025) 116845. (год публикации - 2025)
10.1016/j.optmat.2025.116845

16. Нуртдинова Л.А., Леонтьев А.В., Митюшкин Е.О., Бизяев Д.А., Нургазизов Н.И., Чукланов А.П., Косач П.А., Зверев Д.Г., Никифоров В.Г. Особенности люминесцентной томографии апконверсионных люминофоров с дискретным распределением Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г. Санкт-Петербург, Журнал технической физики, 95 (2025), 1852 (год публикации - 2025)
10.61011/JTF.2025.10.61338.67-25

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Получены частицы NaYF4:Yb3+/Er3+/Tm3+ размерами 210 × 770 нм с яркой апконверсионной люминесценцией. Широкий набор узких эмиссионных полос ионов Er3+ и Tm3+ позволяет реализовать удаленное измерение температуры на основе ратиометрического принципа. Проведенная температурная калибровка показала возможность мультимодального измерения температуры в диапазоне 250-350 К. Наибольший интерес для биологических задач представляет калибровка на основе полос 805 нм и 700 нм, попадающих в «окно прозрачности» биологических тканей. Важно также отметить, что в этом случае абсолютная температурная чувствительность 3163·10^-4 К^-1 сопоставима с лучшими аналогами среди апконверсионных сенсоров. Проведена спектроскопия одиночного синтезированного нами микрокристалла NaYbF4:Er(2%), который можно рассматривать как случай максимальной концентрации ионов Yb3+ в серии известных апконверсионных систем NaYF4:Yb(x%),Er(2%). В отличие от наиболее распространенных апконверсионных наночастиц NaYF4:Yb(18%),Er(2%) в спектре излучения ионов Er3+ одиночной частицы NaYbF4:Er(2%) доминировала красная полоса. Обнаружено, что апконверсионная люминесценция очень чувствительна к состоянию поляризации лазерного источника. Экспериментально показано, что поляризационный отклик позволяет использовать микростержни NaYbF4:Er в роли одиночных ориентационных сенсоров. Полученные результаты открывают многообещающие возможности для применений таких сенсоров в биомедицинских приложениях, где доминирующее красное излучение попадает в окно прозрачности биологических тканей. Синтезированы наночастицы NaYF4:Yb,Er, которые можно использовать в качестве люминесцентных сенсоров температуры в биологически значимом диапазоне 293 — 323 K со средней чувствительностью 43×10^-4 K^-1. В экспериментах по биовизуализации прокалиброванные температурные сенсоры были нанесены на поверхность живой нервной системы виноградной улитки. С помощью конфокального микроскопа получена карта яркости апконверсионной люминесценции. Проведено локальное измерение температуры с пространственным разрешением ~10 мкм. Экспериментально показано, что приготовленные сенсоры являются готовым решением для измерения локальной температуры в биообъектах. Разработан новый метод синтеза наночастиц NaYF4:Yb/Ho на основе термического разложения олеатов иттрия, иттербия и гольмия в присутствии фторидных реагентов (NH4F и NaOH) в смеси 1-октадецена и олеиновой кислоты. Проведен синтез наночастиц размером 120 нм с гексагональной фазой. Они обладают интенсивной апконверсионной люминесценцией за счет эффективной передачи энергии между ионами Yb3+ и Ho3+. Для достижения совместимости с водными средами проведена силанизация с использованием различных неионных поверхностно-активных веществ. Установлено, что оптимальным поверхностно-активным веществом для создания кремнеземной оболочки является Triton X-114, который обеспечивает стабильное покрытие и узкое распределение по размерам наночастиц NaYF4:Yb/Ho@SiO2. Калибровка температурных зависимостей показала возможность использовать NaYF4:Yb/Ho и NaYF4:Yb/Ho@SiO2 в качестве люминесцентных зондов для локальных измерений температуры с нанометровым пространственным разрешением и температурной чувствительностью 0.8 % K^-1. Проведен синтез наночастиц NaYF4:Yb/Er@NaGdF4:Ce/Tb со структурой ядро-оболочка (C/S) диаметром 170 нм. Анализ спектров апконверсионной эмиссии указывает на их улучшенную кристалличность, что объясняется эффектом пассивации ядра оболочкой NaGdF4:Ce/Tb. Ключевой особенностью полученных C/S NPS является их многофункциональность: можно наблюдать люминесценцию Er3+ при возбуждении на длине волны 980 нм и люминесценции Tb3+ при возбуждении УФ излучением. Данный факт позволяет применять их в роли многопрофильных люминесцентных зондов, подходящих для широкого круга задач флуоресцентной визуализации. С использованием наночастиц C/S и термопластичного полимера полистирола (PS) были созданы полимерные композиционные материалы (PS-C/S). Проведена калибровка температурных зависимостей их спектральных характеристик. Это позволило проводить дистанционное измерение температуры в широком диапазоне от 250 до 350 К с использованием ратиометрического метода с чувствительностью 1.47 %К^⁻1. Показано, что PS-C/S, нанесенные на нагретую поверхность, позволяют получать карту температурного распределения с пространственным разрешением 10 мкм и точностью 1.6 К. Также были разработаны полимерные композиты на основе поливинилацетата (PVA) и наночастиц C/S (PVA-C/S) и применены в роли двухрежимных флуоресцентных красок, излучающих видимый свет под действием ближнего ИК или УФ излучений. С помощью принтера созданы химически стойкие изображения, которые не видны на бумаге в условиях естественного дневного света. Картинки начинают ярко люминесцировать в видимом диапазоне при облучении на длине волны 250 нм или 980 нм. Разработанный нами люминесцентный материал может быть использован как дополнительная степень защиты в борьбе с контрафакцией. Представлены результаты применения наночастиц [Ru(dipy)3]2+ @ SiO2 размером 55 нм в роли термосенсоров и люминесцентных зондов, пригодных для использования в живых биологических средах. Реализован ратиометрический способ удаленного измерения температуры путем калибровки спектральных особенностей люминесцентного отклика. В условиях проведенного эксперимента точность измерения в биологически значимом диапазоне температур 20-50◦C составила ±2◦C. Предложен метод люминесцентной томографии и выполнено картирование поверхности живой нервной системы виноградной улитки путем нанесения на нее наночастиц и сканирования люминесцентного сигнала. Получена цифровая трехмерная модель морфологических особенностях поверхности с пространственным разрешением 10 мкм. Выполнено удаленное зондирование температуры на поверхности выбранного нейрона с точностью ±2◦C.

Публикации