Исследования углеродных наноточек — новый тренд в науке. Из них уже делают индикаторы для контроля за состоянием продуктов и гарантийные метки, их пытаются применять для диагностики заболеваний и визуализации опухолей. Но чтобы использовать углеродные наноточки в биомедицине, нужно, чтобы они были видимыми сквозь ткани человека. Эту задачу удалось решить команде ученых из ИТМО, ФТИ им. Иоффе и СОГУ. Исследователи синтезировали углеродные наноточки с уникальными спектральными свойствами: они способны поглощать и испускать свет в инфракрасном спектре. Благодаря этому их можно использовать для визуализации тканей в медицине. Вместе с авторами статьи разбираемся, чем уникален предложенный метод синтеза и как его можно использовать на практике.

Схематическое изображение сверхширокополосной флуоресценции углеродных точек, синтезированных лазером. Источник: публикация в журнале Laser & Photonics Review / onlinelibrary.wiley.com

Что такое углеродные наноточки и почему их сложно использовать в медицине

Углеродные наноточки — это сравнительно новый класс углеродсодержащих наноматериалов. Особенность углеродных наноточек в том, что в отличие от других форм углерода они способны флуоресцировать, то есть светиться при поглощении света с определенной длиной волны. Помимо этого, они биосовместимы и их легко синтезировать — для этого подойдут даже листья шпината или фруктовый сок.

«Наиболее многообещающие направления исследований лежат на стыке разных наук, например, биологии и физики или химии и физики. Углеродные наноточки — прекрасный междисциплинарный объект, предполагающий глубокое фундаментальное понимание и имеющий понятный прикладной потенциал применения. Например, они позволят относительно недорого и безопасно диагностировать и визуализировать процессы внутри живых тканей», — объясняет соавтор статьи, старший научный сотрудник Нового физтеха Михаил Рыбин.

Основная проблема существующих на сегодняшний день красителей или меток, которые можно использовать для визуализации, например, раковой опухоли внутри организма, в том, что они либо поглощают в ультрафиолетовом диапазоне, либо испускают в видимом спектре электромагнитных волн. А ткани человека прозрачны лишь для волн длиной 800–1000 нанометров, то есть в инфракрасном диапазоне.

Как это могут решить новые углеродные точки

Команде ученых Нового физтеха ИТМО, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и Северо-Осетинского государственного университета имени К. Л. Хетагурова (СОГУ) удалось синтезировать углеродные наноточки, которые поглощают и испускают в инфракрасном диапазоне. Благодаря этому их видно в организме человека, а значит их можно использовать для визуализации тканей, в том числе опухолей.

«Как часто бывает, эти углеродные точки синтезировали случайно. Изначально мы занимались проектом, в котором создавали полимерные трехмерные объемные структуры и заполняли их перовскитом. Мы хотели добиться лазерной генерации структур и использовали для этого большие мощности накачки. Вышло так, что исходная структура модифицировалась под действием лазера и при этом начала светиться в неожиданном для нас спектральном диапазоне. Мы предположили, что в перовските образовались дефекты, но оказалось, что схожие люминесцентные свойства наблюдаются в материале, даже когда там нет перовскита», — рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник Нового физтеха Иван Шишкин.

Проведя структурный анализ, ученые выяснили, что при облучении лазером в используемом ими полимере сформировались углеродные наноточки. При повторном эксперименте получить точки удалось не только в объемной трехмерной структуре полимера, но и в пленках из того же материала.

Можно ли их использовать на практике

Исследователи также показали, что синтезировать углеродные наноточки с широкими спектральными свойствами можно и из других молекул, схожих с той, которую изначально использовали ученые, — с 4,4’-бис(диэтиламино)бензофеноном. Так, на него очень похож кетон Михлера: те же два бензольных кольца и кетонная группа. Отличаются только радикалы при атомах азота: у одной молекулы это этилы, а у другой — метилы. Однако это не сильно повлияло на спектральные свойства формирующихся углеродных наноточек.

Таким образом, важны и сам метод, и используемое вещество. Однако варьировать источник углерода с определенными допущениями можно. Это повышает шанс практического применения углеродных наноточек, полученных учеными.

«Используемый нами метод синтеза углеродных наноточек относительно сложный. Но возможность замены материалов и условий лазерного облучения (например, длины волны или типа используемого лазера), как мы ожидаем, позволит существенно упростить процедуру изготовления наноточек с уникальными свойствами», — уточняет Михаил Рыбин.

Что дальше

Во-первых, ученые планируют изучить характеристики молекул — источников углерода, чтобы сделать подход к синтезу новых углеродных точек более системным. Во-вторых, сейчас точки формируются в полимерной матрице, и это удобно, если нужно записать какую-то метку. Однако для биологических и медицинских исследований углеродные наноточки нужно уметь синтезировать в свободном состоянии и в больших объемах.

Статья: Artem D. Sinelnik, Mikhail V. Rybin, Dmitry S. Gets, Ivan I. Shishkin, etc, Ultra-Broadband Photoluminescent Carbon Dots Synthesized by Laser-Induced Thermal Shock (Laser & Photonics Review, 2022). 

К началу

Евгений Шилинг

Журналист