Ученые разработали новый метод создания микрошариков из полимера полистирола, которые способны светиться в видимом диапазоне (от фиолетового до красного) без добавления люминофоров — светящихся молекул. Эксперименты также показали, что такие структуры не вызывают воспаления в живых тканях и могут поддерживать электромагнитные колебания в своем объеме. Благодаря этим свойствам микросферы можно будет применять для создания биосенсоров и миниатюрных лазеров.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optical Materials.
Искусственный полимер полистирол широко используется для создания одноразовой посуды, теплоизоляционных материалов для строительства, чашек Петри и других пластиковых вещей. Кроме того, этот полимер биосовместим, то есть не вызывает воспалений и иммунных реакций при контакте с живыми тканями и биологическими жидкостями. Благодаря этому его потенциально можно использовать для создания биосенсоров и биомедицинских устройств. Однако для этого требуется внедрение в него люминофоров, которые могут быть токсичны или с течением времени терять свои свойства, что ограничивает сферы применения такого материала.
Ученые из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) с коллегами получили сферы из полистирола новым простым методом синтеза — совместно полимеризовав органические молекулы стирола с дивинилбензолом в атмосфере аргона. В результате образовались полистирольные шарики диаметром около пяти микрометров (что сопоставимо с размером бактерий), которые излучают свет в диапазоне 400–650 нанометров (от фиолетового до красного цвета), если на них светить фиолетовым лазером с длиной волны 405 нанометров.
Природу этого эффекта авторы выяснили с помощью инфракрасной спектроскопии — метода, при котором молекулярную структуру вещества определяют по тому, как оно себя ведет под действием инфракрасного света. Оказалось, что свечение связано с окислением полимера молекулами кислорода в процессе синтеза. В ходе окисления в объеме микрошариков образуются карбонильные — несущие углерод и кислород — группы, которые поглощают энергию и излучают свет, то есть люминесцируют. Такой механизм исключает необходимость использования токсичных или дорогих люминофоров — молекул, которые светятся под действием ультрафиолета. Это упрощает производство и повышает экологичность материала.
Авторы также обнаружили, что на внутренней поверхности полистирольных микрошариков циркулируют электромагнитные волны, которые называются модами шепчущей галереи. Когда молекула (например, ДНК) присоединяется к поверхности такого микрорезонатора, частота мод меняется, благодаря чему можно определить количество присоединившихся молекул. Эти моды могут достаточно долго колебаться, не затухая, что делает микрошарики перспективными для создания миниатюрных лазеров и сверхчувствительных биосенсоров.
Чтобы подтвердить биосовместимость полистирольных микросфер, ученые провели испытания на раковых и иммунных клетках. Исследование показало, что даже при высоких концентрациях материал не оказывает токсического воздействия и не снижает жизнеспособность клеток. Благодаря этому микросферы можно будет использовать в качестве биосенсоров внутри живых организмов.
Измерения на лазерном сканирующем конфокальном микроскопе Zeiss LSM 710. Источник: Евгения Соловьева.
Например, карбонильные группы на поверхности микросфер реагируют на биохимические изменения в тканях (повышение уровня активных форм кислорода при воспалении). Это вызывает изменение электромагнитных колебаний, которые можно обнаружить с помощью лазерной микроскопии. Такой микросенсор, реагирующий на воспаление, можно внедрять в организм или покрывать им дентальные или стент-импланты. Свечение этой системы, которое фиксируется через эндоскопы или наружные датчики, позволит контролировать приживаемость имплантов и уровень стресса для организма.
Микросферы также будут полезны в электронике. Так, например, при производстве микросхем важно контролировать температуру, поскольку даже незначительный перегрев может привести к возникновению дефектов и ухудшить качество продукта. Внедрение полистирольных микросфер в защитные покрытия микросхем позволит в режиме реального времени оптическими методами очень точно контролировать малейшее изменение температуры. Дело в том, что при нагревании микросферы изменяют свой размер, из-за чего меняется спектр их свечения. Это свойство позволит определять изменения температуры с точностью до десятых долей градуса.
«Наша работа демонстрирует, что полистирольные микросферы без добавок дорогостоящих люминофоров могут служить биосовместимыми и стабильными микрорезонаторами — устройствами, которые "ловят" и усиливают световые волны. Это расширяет их применение в биомедицине и фотонике, где важно избегать токсичных и нестабильных материалов. В дальнейшем мы планируем внедрить эти биосовместимые люминесцирующие микросферы в платформы для создания прототипов — специальные устройства для тестирования ультрачувствительных биосенсоров, которые, например, детектируют специфические биомолекулы», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгения Соловьева, инженер-исследователь Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
В исследовании принимали участие сотрудники филиала Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт» — Института высокомолекулярных соединений (Санкт-Петербург), Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого (Санкт-Петербург) и Саутгемптонского университета (Великобритания).
Изображение на обложке: 3D-конфокальное люминесцентное изображение полистирольной микросферы (ложный цвет). Источник: Евгения Соловьева.
Источник: РНФ
