Санкт-Петербургские физики вместе с коллегами из Городского университета Гонконга предложили способ получения хиральных углеродных точек из доступных органических веществ. Такие наночастицы способны испускать интенсивный свет и при этом чувствительны к определенному типу поляризации падающего излучения. Также они сохраняют свои оптические свойства на всем диапазоне рН и даже при многочасовом облучении ультрафиолетом, что делает их перспективными для разработок в области биосенсорики, биоимиджинга и тераностики, например одновременного обнаружения и лечения рака.

Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах журнала Light: Science & Applications. Тераностика — современное направление исследований, которое предполагает, что одна и та же система выполняет сразу две функции: обнаружение злокачественных новообразований и их лечение.

Ведутся активные разработки светоизлучающих наночастиц, среди которых перспективны углеродные точки. Эти наночастицы можно легко изготовить из доступных и недорогих органических веществ, они не вредят клеткам и тканям, ярко люминесцируют, то есть испускают собственное свечение после поглощения света. Еще их можно химически модифицировать и таким образом тонко настроить их физико-химические параметры или даже придать новые свойства, например противораковую активность или избирательность в отношении определенных клеточных белков.

Одна из важных характеристик большинства природных молекул — хиральность, то есть когда у них есть зеркальный «близнец», или энантиомер. Так, все белки состоят из аминокислот с левой хиральностью, а ДНК и РНК содержат «правые» остатки сахаров; лекарственные препараты-«близнецы» могут вовсе обладать разной активностью.

Хиральность важна и тем, что делает молекулы оптически активными, то есть они приобретают способность поворачивать плоскость волны падающего света в ту или иную сторону. Так можно находить определенные энантиомеры в смеси, поскольку, например, правый энантиомер будет связываться также с правым, или по поляризации света обнаруживать светящуюся метку в биологических тканях, нивелируя сигнал автолюминесценции от окружающей среды.

Раствор углеродных точек / ©Елена Ушакова

«Углеродные точки тоже можно сделать хиральными, причем разными способами. Очень привлекателен синтез “в одной колбе” или “one-pot” — в одном реакторе и без долгих и трудозатратных очисток между стадиями синтеза, — когда прекурсорами служат хиральные молекулы. Другой вариант — дорастить оболочку из хиральных молекул на изначально ахиральных наночастицах. В обоих случаях получаются оптически активные углеродные точки, однако природа сигнала кругового дихроизма в таких наночастицах была слабо изучена», — рассказывает одна из авторов статьи Елена Ушакова, кандидат физико-математических наук, заведующая лабораторией «Светоизлучающие углеродные квантовые наноструктуры» Университета ИТМО.

В своей новой работе исследователи университетов ИТМО, Санкт-Петербургского государственного и Городского университета Гонконга представили способ гидротермального (в водном растворе и при высокой температуре) синтеза стабильных хиральных углеродных точек из разнообразных хиральных прекурсоров — L-цистеина, L-глутатиона, L-фенилглицина и L-триптофана.

Раствор углеродных точек / ©Елена Ушакова

Полученные наночастицы обладали отличными оптическими свойствами: так, квантовый выход флуоресценции достигал 57 процентов, то есть на 100 фотонов возбуждающего света они испускают 57 собственных. Та же аминокислота триптофан, в том числе обеспечивающая собственное свечение биологических тканей, имеет значение квантового выхода порядка 13 процентов. Такой результат позволяет надеяться, что сигнал синтезированных углеродных точек будет хорошо заметен на фоне собственного излучения и рассеяния образцов.

Хиральность структуры углеродных точек проявилась в виде сигнала кругового дихроизма, то есть разного поглощения лево- и правополяризованного света. Также люминесценцию наночастиц можно было возбуждать инфракрасным фемтосекундным лазером через двухфотонное поглощение, что обеспечивает более глубокое проникновение сигнала возбуждения в образец и меньшее его повреждение.

Еще углеродные точки сохраняли свои оптические свойства на протяжении почти семи часов облучения ультрафиолетом, что является хорошим эксплуатационным показателем для дальнейшего применения в биовизуализации. Авторы отметили отличную устойчивость углеродных точек к изменению рН: квантовый выход мало изменился даже в сильнокислых и сильнощелочных условиях.

«Результаты исследования показали, что наши углеродные точки можно применять в решении самых разных задач, таких как получение изображений тканей и клеток, создание биосенсоров и разработку тераностических препаратов», — подводит итог Елена Ушакова.