Фотоника плазмон-усиленной хемилюминесценции и безызлучательного переноса энергии к светоизлучающим в ближней ИК-области полупроводниковым нанокристаллам для биомедицины

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 23-72-00045

НазваниеФотоника плазмон-усиленной хемилюминесценции и безызлучательного переноса энергии к светоизлучающим в ближней ИК-области полупроводниковым нанокристаллам для биомедицины

Руководитель Вартанян Тигран Арменакович, Доктор физико-математических наук

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

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова хемилюминесценция, полупроводниковые квантовые точки, локализованный плазмонный резонанс, активные формы кислорода, резонансный перенос энергии, эффект Парселла, микрофлюидика

Код ГРНТИ29.19.22

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Оксидативный стресс организма – одна из проблем, для решения которой активно привлекаются методы биомедицины. В присутствии активных форм кислорода определенные вещества – хемилюминофоры – начинают испускать свет, что служит весьма чувствительным методом диагностики оксидативного стресса. Не смотря на все достоинствах хемилюминесценции, ее крайне малый квантовый выход (порядка 1 %) существенно усложняет и ограничивает применение хемилюминофоров. Настоящий проект направлен на поиск физических явлений, которые могли бы способствовать усилению хемилюминесценции в присутствии активных форм кислорода и переносу химически активированной энергии донора к акцептору энергии с полосами излучения в ближней ИК области. Однако отсутствие полного понимания физических закономерностей при безызлучательном переносе энергии, способы повышения эффективности переноса энергии и поиск альтернатив высокотоксичным наноматериалам является актуальной задачей. Основываясь на ранее проведенных исследованиях, мы намерены получить больше света за счет передачи энергии электронного возбуждения, высвободившейся в результате химической реакции, от хемилюминофора к полупроводниковой квантовой точке. Будут использованы специально синтезированные низкотоксичные полупроводниковые квантовые точки на основе смешанных сульфидов индия с серебром или медью, которые обладают большим выходом фотолюминесценции. Дополнительным преимуществом таких квантовых точек является то, что максимум их спектра люминесценции находится в окне прозрачности биологических тканей, что дает надежду на эффективное применение разрабатываемой диагностической платформы in vivo. Излучение ближнего инфракрасного диапазона, испускаемое квантовыми точками, рассеивается значительно меньше, чем синий свет испускаемый непосредственно хемилюминофором. Изменение длины волны излучения позволит увеличить как точность определения местоположения области с высокой концентрацией активных форм кислорода, так и глубину, с которой регистрируется излучения. Для ускорения процесса передачи возбуждения от хемилюминофоров к полупроводниковой квантовой точке будет использован локализованный плазмонный резонанс в металлических наночастицах. Металлические наночастицы будут покрыты разделительным слоем, который позволит удерживать молекулы хемилюминофора и полупроводниковые квантовые точки на оптимальном расстоянии. Оптимальное расстояние должно быть достаточно малым, чтобы плазмон, локализованный в металлической наночастице, эффективно возбуждался за счет энергии молекул хемилюминофора и передавал ее через свое ближнее поле к полупроводниковым квантовым точкам. В то же время расстояние до металлической наночастицы должно быть достаточно большим, чтобы близость к металлической поверхности не привела к тушению люминесценции. Сочетание предложенных подходов является новым и открывает перспективу дальнейшего развития и применения в тераностике. Передача энергии электронного возбуждения от молекул хемилюминофора возможна не только на полупроводниковые квантовые точки, но и на молекулы, используемые в фотодинамической терапии. Известно, что оксидативный стресс в местах нахождения раковых клеток повышен и близок к критическому для их существования. Если в комплекс, основанный на металлической наночастице и хемилюминесцентной молекуле, ввести молекулы, генерирующие синглетный кислород при оптическом возбуждении, – такие молекулы существуют и активно используются в фотодинамической терапии – то критическая величина оксидативного стресса будет превышена, и раковая клетка погибнет. Таким образом, разрабатываемая платформа может совмещать диагностическую функцию с лечебной. При этом она не нуждается в источнике излучения, так как используется энергия, освобождающаяся в ходе химической реакции. Альтернативным направлением применения той же самой созданной системы станет платформа in vitro диагностики геносостояний в микрофлюидном чипе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Горбенко Д.А., Филатов П.В., Дададжанов Д.Р., Киричек К.К., Березовская М.Ю., Вартанян Т.А. Chemiluminescent detection of nucleic acids induced by peroxidase-like targeted DNA-nanomachines (PxDm) mixed with plasmonic nanoparticles Proceedings SPIE, V. 12663, P. 1266307-1-10 (год публикации - 2023)
10.1117/12.2676447

2. Вирц Н.А., Дададжанов Д.Р., Яблоков А.С., Шершнёв Д.В., Вартанян Т.А. Хемилюминесцентный сенсор пероксида водорода на основе люминола и коллоидного раствора металлических наночастиц Оптика и спектроскопия (год публикации - 2023)

3. Дададжанов Д.Р., Палехова А.В., Вартанян T.A. Метаповерхность из алюминиевых наноцилиндров для усиления хемилюминесценции люминола Оптика и спектроскопия (год публикации - 2024)

4. Дададжанов Д.Р., Палехова А.В., Вартанян T.A. Metal nanostructures optimized for plasmonic enhancement of chemiluminescence yield of standard biocompatible chemiluminophores Abstracts of the 30th International Conference on Advanced Laser Technologies – 2023. – 220 c., LD-I-11 (год публикации - 2023)

5. Вартанян Т.А., Дададжанов Д.Р., Гладских И.А., Старовойтов А.А., Плехова А.В., Алексан Г., Петров Н.С., Фандеев А.А., Никитин И.Ю., Афанастева А.В. Application of silver nanoparticles with strong localized surface plasmon resonances for chemiluminescence enhancement, endocytosis monitoring and circular dichroism induction in 2D and 3D chiral structures International Conference Laser Physics 2023 Book of Abstracts, 30 (год публикации - 2023)

6. Березовская М.Ю., Филатов П.В., Луганская П.С., Афанасьева А.В., Горбенко Д.А., Рубель М.С., Дададжанов Д.Р., Вартанян Т.А. Conjugates of DNA and plasmonic nanoparticles for the development of an SPR sensor for nucleic acids Proc. of SPIE, Vol. 13008 130080U-2 (год публикации - 2024)
10.1117/12.3022750

7. Петров Н.С., Дададжанов Д.Р., Вартанян Т.А. Периодически перфорированная алюминиевая пленка для усиления хемилюминесценции Оптика и спектроскопия (год публикации - 2025)

8. Дададжанов Д.Р., Леонов Н.Б., Петров Н.С., Палехова А.В., Кононов Д.В., Вирц Н.А., Букатин А.С., Филатов Н.А., Вартанян Т.А. Does a custom-designed metasurface outperform a self-assembled nanoparticle array in chemiluminescence enhancement? BOOK OF ABSTRACTS, THE 31-ST INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED LASER TECHNOLOGIES, BOOK OF ABSTRACTS, THE 31-ST INTERNATIONAL CONFERENCE ON ADVANCED LASER TECHNOLOGIES, p.61. (год публикации - 2024)

9. Вирц Н.А., Дададжанов Д.Р., Палехова А.В., Вартанян Т.А. ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ: ПРИМЕНЕНИЯ И СПОСОБЫ УСИЛЕНИЯ Всероссийская конференция по люминесценции LUMOS-2024. Сборник тезисов., Всероссийская конференция по люминесценции LUMOS-2024. Сборник тезисов, стр. 51. (год публикации - 2024)

10. Кононов Д.В., Палехова А.В., Кочаков А.В., Афанасьева А.В., Вартанян Т.А., Дададжанов Д.Р. УСИЛЕНИЕ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ЛЮЦИГЕНИНА В ПРИСУТСТВИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ XIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2024. – 664 с., XIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2024. С. 67. (год публикации - 2024)

11. ПАЛЕХОВА А.В., БОНДАРЕНКО А.Г., КОНОНОВ Д.В., ВАРТАНЯН Т.А., ДАДАДЖАНОВ Д.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ И РАЗМЕРА НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА И ЗОЛОТА НА ПЛАЗМОННО-УСИЛЕННУЮ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ ЛЮМИНОЛА XIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2024. – 664 с., XIII МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ. СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ, Москва, стр. 315. (год публикации - 2024)

12. Кононов Д.В., Палехова А.В., Кочаков А.В., Афанасьева А.В., Вартанян Т.А., Дададжанов Д.Р. Plasmon-enhanced chemiluminescence of lucigenin due to interaction with colloidal gold nanoparticles ieeexplore.ieee.org, 2024 International Conference Laser Optics (ICLO), P. 529 (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624089

13. Никитин И.Ю., Бородина Л.Н., Болтенко А.В., Баранов М.А., Парфенов П.С., Гладских И.А., Вартанян Т.А. Плазмон-усиленный перенос энергии в гибридных пористых структурах для люминесцентных сенсоров Оптика и спектроскопия, номер 9, том 132, страницы 975 - 983 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.09.59196.6675-24

14. Кононов Д.В., Палехова А.В., Филатов Н.А., Леонов Н.Б., Букатин А.С., Дададжанов Д.Р., Вартанян Т.А. Металл-усиленная хемилюминесценция люминола в микрофлюидной системе с осажденными в вакууме наночастицами серебра Оптика и спектроскопия (год публикации - 2025)

15. Филатов П.В., Неклесова М.В., Бондаренко А.Г. Палехова., А.В., Горбенко Д.А., Дададжанов Д.Р. СОЗДАНИЕ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ МИКРОФЛЮИДНОЙ СИСТЕМЫ С G-КВАДРУПЛЕКС/ГЕМИНОВЫМ КОМПЛЕКСОМ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АКТИВНЫХ ФОРМ КИСЛОРОДА Всероссийская конференция по люминесценции LUMOS-2024. Сборник тезисов., Всероссийская конференция по люминесценции LUMOS-2024, стр. 246. (год публикации - 2024)

16. Бородина Л.Н., Палехова А.В., Кононов Д.В., Пинамян С., Дададжанов Д.Р., Вениаминов А.В., Вартанян Т.А. Усиление хемилюминесценции при окислении люминола в присутствии ионов металлов и плазмонных наночастиц Оптика и спектроскопия (год публикации - 2025)

17. Петров Н. С. , Дададжанов Д. Р. , Вартанян Т. А. УСКОРЕНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ПЕРЕХОДОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПОЛОСТИ: ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИПОЛЯ НА ПРИМЕРЕ ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ЛЮМИНОЛА В ПОЛОСТЯХ ТОНКОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ПЛЕНКИ Оптика и спектроскопия (год публикации - 2026)

18. Никитин И.Ю., Бородина Л.Н., Болтенко А.В., Баранов М.А., Гладских И.А., Вартанян Т.А. Forster resonant energy transfer from alumina luminescence centers to dye molecules adsorbed in anodic alumina thin films used as coatings and in sensors Optical Materials, V. 160, P. 116741 (год публикации - 2025)
10.1016/j.optmat.2025.116741

19. Рамос-Веласкез А., Балашов А., Бондаренко А., Синев Д., Филатов П., Кононов Д., Тюшкевич А., Вартанян Т., Дададжанов Д., Романова Г. A novel method for silver nanoparticle deposition in microfluidic systems: Backward Laser Transfer Approach Optical and Quantum Electronics, 57:277 (год публикации - 2025)
10.1007/s11082-025-08209-w

20. Филатов П. В., Горбенко Д.А., Дададжанов Д.Р., Вартанян Т.А. ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ДНК-НАНОМАШИНА С ПЕРОКСИДАЗОПОДОБНОЙ АКТИВНОСТЬЮ ДЛЯ ДЕТЕКЦИИ БАКТЕРИАЛЬНЫХ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Оптика и спектроскопия (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Рассчитаны факторы Парселла для молекул люминола, расположенных вблизи металлических наноструктур, обладающих локализованными плазмонными резонансами, перекрывающимися со спектром хемилюминесценции люминола при его окислении. Наибольший практический интерес представляют результаты расчета фактора Парселла в перфорированных алюминиевых пленках. Особенность данной структуры заключается в том, что фактор Парселла в объеме цилиндрической поры в металлической пленке слабо зависит от положения излучающей молекулы, в то время как объем металлического цилиндра для излучающей молекулы недоступен, а при ее удалении от наноцилиндра фактор Парселла быстро убывает. Разработан дизайн микрофлюидного чипа, оптимизированного для воспроизводимого перемешивания реагентов в области регистрации плазмон-усиленной хемилюминесценции. Отработана методика интегрирования плазмонной метаповерхности в микрофлюидный чип, позволяющая, с одной стороны, расположить металлические наноструктуры в области протекания химической реакции, ведущей к образованию возбужденных молекул хемилюминофора, а с другой – обеспечить беспрепятственный выход излучения к приемнику. Решена задача взаимного позиционирования микрофлюидной и плазмонной компонент устройства и их герметичного соединения. По окончании процесса отверждения полимерные реплики микрофлюидных чипов отделялись от формы и в них проделывались отверстия для ввода реагентов и вывода отработанной смеси. После этого в кислородной плазме осуществлялась обработка подлежащих соединению поверхностей полимерной реплики и стеклянной пластины с предварительно сформированной на ней метаповерхностью, состоящей из ансамбля металлических наночастиц или отверстий в сплошной металлической пленке. Заключительный этап изготовления микрофлюидного чипа состоял в прецизионном совмещении и сжатии обработанных разрядом поверхностей, обеспечивающем их надежное герметичное соединение. Создана методика иммобилизации ДНК-нанопробы на золотых наностержнях и наносферах. Успешная конъюгация была доказана методами спектрофотомерии и горизонтального гель-электрофореза. Показана эффективность ДНК-конструкций при флуоресцентной детекции и в случае детекции, основанной на явлении локализованного поверхностного плазмонного резонанса, участков генов HigA1, VapC37, ассоциированных с антибиотикорезистентностью.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
На основе результатов, полученных в первый и второй годы реализации проекта, продолжен поиск оптимальных условий регистрации хемилюминесценции как одного из наиболее чувствительных методов определения активных форм кислорода в биомедицине. Разработаны протоколы и реализовано ковалентное связывание молекул люминола с полупроводниковыми квантовыми точками, магнитными частицами и серебряными наночастицами, обладающими плазмонным резонансом в полосе хемилюминесценции люминола. Образование ковалентно связанных комплексов во всех случаях подтверждено специфическими изменениями хемилюминесценции люминола, а также независимо по характерным особенностям спектров поглощения в инфракрасной области спектра. При образовании комплексов люминола с полупроводниковыми квантовыми точками наблюдался перенос энергии, полученной люминолом в результате химической реакции с окислителем, к квантовым точкам, обладающим люминесценцией к красной области спектра. Длинноволновый сдвиг полосы люминесценции комплексов относительно полосы хемилюминесценции люминола, расположенной в синей части спектра, может быть полезен в биологических применениях, так как длинноволновое излучение испытывает относительно меньшее рассеяние в тканях. Эффективность переноса энергии к полупроводниковым точкам меньшего размера была выше, чем к точкам большего размера. Показана работоспособность ковалентно связанных комплексов в средах, близких по составу к клеточной среде. Ковалентно связанные комплексы люминола с магнитными частицами позволили организовать направленное перемещение и увеличение концентрации люминола вблизи островковой металлической пленки, обладающей плазмонным резонансом. В результате взаимодействия с плазмонной структурой радиационный переход в возбужденной молекуле люминола ускорился, что привело и к увеличению интенсивности хемилюминесценции. Увеличение интенсивности хемилюминесценции наблюдалось также при ковалентном связывании молекул люминола с серебряными наночастицами. Излучающий диполь возбужденной в результате химической реакции с окислителем молекулы люминола индуцирует в находящейся поблизости металлической наночастице резонансно раскачиваемый диполь значительно большей величины, что приводит к увеличению скорости радиационного перехода в связанной системе и увеличению вероятности радиационного перехода по сравнению с безызлучательными переходами в молекуле люминола, которые в отсутствии наночастицы превалируют. Усиление хемилюминесценции в результате взаимодействия с плазмонной наноструктурой, будучи чисто электродинамическим эффектом, обладает характерными особенностями, отличающими его от усиления в результате каталитического действия различных веществ. В то время как спектр хемилюминесценции, усиленный в результате действия катализаторов, остается неизменным, плазмонное усиление непременно должно приводить к более или менее значительному искажению самого спектра хемилюминесценции. Нам удалось впервые продемонстрировать сдвиг спектра хемилюминесценции в сторону максимума плазмонной полосы металлических наночастиц при наблюдении плазмонного усиления хемилюминесценции. Продолжены работы по оптимизации условий протекания реакции окисления люминола в микрофлюидной системе. Разработаны новые конструкции каналов микрофлюидного чипа, позволяющие более эффективно перемешивать реагенты, нарушая их ламинарное течение в узких каналах, необходимых для сокращения расхода аналита. Численным моделированием показана перспективность использования полостей в тонких металлических пленках для ускорения радиационных переходов люминола. Разработана конструкция и создан макет электрохимической ячейки для наблюдения электрохемилюминесценции. Отработаны режимы анодирования тонких алюминиевых пленок для получения комбинированного пористого электрода. Разработана и успешно оптимизирована конструкция ДНК-наномашины с пероксидазоподобной активностью, основанная на трёхплечевой архитектуре (PxDm). Система интегрирует образование G-квадруплекса (G4) с хемилюминесцентной (ХЛ) реакцией в условиях комнатной температуры, обеспечивая быструю, высокочувствительную и специфичную идентификацию целевых последовательностей. Исследование было проведено с целью оптимизации и валидации ХЛ сенсоров на основе PxDm для практического применения в диагностике бактериальных и пищевых патогенов. Разработка включала две параллельные линии исследований: (1) детекция 16S рРНК Escherichia coli и (2) обнаружение Staphylococcus aureus в пищевых образцах. Разработанная конструкция обеспечивает максимальное отношение сигнал/фон и минимальный предел детекции, что является критически важным для практического применения биосенсоров. Особо следует отметить достижение наномолярной чувствительности системы в диапазоне 9.7-12 нМ, которая была получена при комнатной температуре без использования каких-либо ферментативных стадий, что существенно упрощает методику и снижает стоимость анализа. Разработанная система демонстрирует исключительно высокую селективность к однонуклеотидным заменам, достигая фактора селективности до 99.8%. Это свойство особенно ценно для молекулярной диагностики, где необходимо различать близкородственные последовательности и идентифицировать мутации. При сравнении с альтернативными оптическими подходами хемилюминесцентный метод детекции превосходит их по чувствительности в 4.3-19.6 раз, что подтверждает правильность выбранной стратегии детекции. Успешная интеграция конструкции PxDm с изотермической амплификацией позволила достичь клинически значимых пределов детекции, что открывает путь к практическому применению системы в реальных диагностических задачах. Финальная валидация на реальных пищевых образцах продемонстрировала надежность работы сенсора в многобактериальной среде, подтвердив его потенциал для контроля пищевой безопасности.

Публикации