Светятся под ультрафиолетом. Яркие и стабильные квантовые точки удешевят диагностику воспалений и сердечно-сосудистых заболеваний

Ученые получили стабильные яркие квантовые точки на основе кадмия, цинка, селена и серы, которые светятся под ультрафиолетом и, в отличие от аналогов, не разрушаются в воде в течение длительного времени. Благодаря таким свойствам полученные наночастицы можно использовать в качестве светящихся меток для выявления антител и токсинов в крови и тем самым диагностировать заболевания — например, сердечную недостаточность — или выявить воспалительный процесс.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal.

Квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы размером не более 10 нанометров, что в тысячи раз меньше величины бактерий. Они интересны тем, что под действием электрического тока или ультрафиолетового излучения способны светиться (люминесцировать). При этом цвет свечения зависит от химического состава и размера кристалла. Благодаря яркому свечению разными цветами квантовые точки можно использовать в медицине для обнаружения белков, токсинов и лекарственных препаратов в организме, например, C-реактивного белка, который появляется при развитии воспаления.

Схема присоединения тиольных групп. Источник: Даниил Дрозд.

Так, когда квантовая точка образует соединение с интересующим веществом (за это отвечает рецептор — «пришитая» к квантовой точке распознающая молекула), интенсивность ее свечения меняется. При этом преимущество квантовых точек заключается в том, что с их помощью можно определять сразу несколько маркеров состояния организма, поскольку каждая квантовая точка, «сшитая» с соответствующей молекулой-рецептором, будет светиться своим цветом. Это позволит выявлять воспаления в организме или сделать более точным биохимический анализ крови.

Однако основная среда нашего организма — вода. Большинство квантовых точек в воде быстро разрушаются и частично или полностью теряют способность светиться. Чтобы этого избежать, используются две технологии: квантовые точки покрывают дополнительной оболочкой или присоединяют к их поверхности небольшие полярные молекулы. Но такие манипуляции, хотя и помогают стабилизировать кристалл в воде, снижают яркость его свечения.

Ученые из Института химии Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов) с коллегами из Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (Саратов) модифицировали квантовую точку из кадмия, цинка, селена и серы так, что она сохраняла стабильность в воде, а ее люминесценция не только не становилась слабее, но и значительно увеличивалась. Для этого использовали нанокристаллы на основе кадмия, цинка, селена и серы, синтезированные по ранее предложенной авторами технологии. Кристаллы покрывались тиольной оболочкой — соединением, содержащим серу.

Процесс синтеза квантовой точки. Источник: Даниил Дрозд.

Полученные полупроводниковые структуры не разрушались в воде и светились в два раза ярче, чем аналоги без тиольной оболочки. Более яркое свечение квантовых точек позволяет повысить чувствительность аналитических систем на их основе, а также удешевить процесс производства за счет применения меньшего количества наночастиц в пересчете на белок или токсин, который нужно обнаружить. Это значит, что такие квантовые точки можно успешно использовать для диагностики и биомаркировки в медицине.

Разработанный авторами метод прост в исполнении, не требует дорогих приборов и реактивов, а потому может быть легко масштабирован для производства крупных объемов наночастиц. Так, по подсчетам авторов, их подход в несколько раз превосходит существующие аналоги по дешевизне и быстроте синтеза.

Мы с коллегами из нескольких научных групп нашего института уже активно применяем полученные наночастицы при разработке аналитических систем для обнаружения антибиотиков и определения токсинов в зерне, овощах, курином мясе и других продуктах. В дальнейшем мы планируем создать модифицированные квантовые точки других типов и составов, чтобы понять, как молекулы-стабилизаторы влияют на свечение разных кристаллов и найти вариант с наибольшей люминесценцией.

Даниил Дрозд, исполнитель проекта, кандидат химических наук, старший преподаватель Института химии СГУ имени Н.Г. Чернышевского

Работа ученых над модификацией квантовой точки. Источник: Даниил Дрозд

Изображения предоставлены пресс-службой РНФ