Новые флуоресцентные сенсоры способны определять концентрацию ртути в воде
Были изучены их фотофизические свойства в различных условиях — растворителях и их бинарных смесях с водой. Сенсоры на основе полученных флюорофоров оказались чувствительными к ртути, поэтому могут быть использованы для определения ее концентрации в водной среде — к примеру, в водоемах. Дальнейшие исследования будут нацелены на определение перспектив применения созданных флуорофоров в адресной доставке лекарств к пораженным органам. Статью о проведенных исследованиях и их результатах авторский коллектив опубликовал в журнале Spectrochimica Acta — Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy.
«Недостатком органических флуорофоров является их слабая растворимость в воде и водных средах. В то же время при добавлении воды к органическим растворителям у большинства красителей и флуорофоров происходит тушение флуоресценции. Однако в 2001 году профессор Бен Чжун Тан из Китайского университета Гонконга обнаружил, что у некоторых флуорофоров наблюдается не тушение, а, наоборот, увеличение интенсивности флуоресценции. Оно связано с формированием из молекул флуорофоров гораздо более крупных частиц или наноагрегатов. Открытие Тана имело огромное значение. Большие усилия науки были направлены на изучение механизма открытого им явления, а также на дизайн и синтез новых флуорофоров, обладающих эффектом увеличения эмиссии. Полученные нами флуорофоры также продемонстрировали в смеси органического растворителя и воды эффект, описанный Тангом, причем с особой интенсивностью. Это открывает путь к практическому применению полученных флуорофоров в различных областях, особенно в водной среде», — рассказывает Наталия Бельская, профессор кафедры технологии органического синтеза УрФУ, руководитель исследовательского коллектива.
По мнению ученых, причиной столь сильного эффекта может быть не только ограниченная растворимость синтезированных флуорофоров в смеси воды и органического растворителя, но и уникальная архитектура формируемых наночастиц. Она предопределяется в том числе наличием и расположением в структуре молекул, образующих наночастицы, определенных функциональных групп.
Исследователи разработали модель формирования таких наночастиц в бинарной смеси, определили их размер (порядка 100 нанометров), примерное количество молекул, которое может содержать каждая из таких наночастиц (приблизительно 2×106 молекул), определили энергию, которую возбужденные молекулы теряют при образовании наночастиц.
«Продолжая исследование, мы оценили чувствительность полученных флуорофоров к различным ионам металлов. Среди них были ионы как биогенных, так и токсичных металлов, обнаружение которых является важной задачей мониторинга состояния окружающей среды, в том числе водоемов. Синтезированные нами флуорофоры показали способность избирательно и с высокой чувствительностью распознавать ионы ртути. Селективное детектирование только ионов ртути является безусловным преимуществом, поскольку это снижает вероятность ошибки определения концентрации этого токсичного металла в случае присутствия ионов других металлов. Другим преимуществом является возможность использования для регистрации ионов ртути несложных в изготовлении тест-полосок. Такие полоски были выполнены нами из фильтровальной бумаги, предварительно обработанной раствором флуорофора», — поясняет Наталия Бельская.
По ее словам, описанная научная работа является продолжением осуществленных в УрФУ дизайна, синтеза и исследования свойств 2-арилтриазолов и их производных, которые обладают высокоэффективной голубой флуоресценцией. Так, научная группа университета, в составе которой как опытные ученые, так и студенты, магистранты, аспиранты, создала серию 1,2,3-триазол-4-карбоновых кислот и продемонстрировала возможность их применения в качестве сенсоров в процессах мониторинга и контроля кислотности водных растворов.
Дальнейшие работы будут связаны с изучением перспектив использования синтезированных флуорофоров в дизайне и синтезе новых люминесцентных молекулярных курьеров, предназначенных для исследования клеточных процессов, а также для адресной доставки диагностических или лекарственных средств непосредственно к месту назначения — больному органу или ткани — при диагностике и лечении социально опасных заболеваний, таких как злокачественные опухоли.
Кроме того, синтезированные флурофоры предположительно могут служить инструментом повышения точности хирургических процедур: современная флуоресцентная хирургия обладает технологиями визуализации, позволяющими более аккуратно определять границы опухоли и эффективнее проводить хирургическое удаление пораженного участка организма.
Исследования поддержаны Российским научным фондом (грант № 20-13-00089) и проведены с использованием оборудования Уральского и Сибирского отделений РАН.
Справка
Ядро 1,2,3-триазола является широко распространенным «строительным блоком» в гетероциклической химии и используется в синтезе агрохимикатов, полимеров, красителей, фармацевтических препаратов. Молекулы, содержащие триазольный цикл, применяются, в частности, в производстве противоопухолевых и антибактериальных средств.
Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, который в 2020 году отметил 100-летие. УрФУ расположен в Екатеринбурге. Университет выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы», который призван решить задачи национального проекта «Наука».