В медицинской диагностике для наблюдения за живыми тканями в реальном времени все чаще используют светящиеся наночастицы. Они поглощают инфракрасный свет и в ответ на него испускают свечение видимого диапазона. Хотя такой свет из-под кожи невозможно увидеть невооруженным глазом, его могут зарегистрировать специальные детекторы. С их помощью по свечению наночастиц врач может отследить движение лекарства к опухоли, определить границы новообразования и оценить, как работает тот или иной орган.
Однако материалы, из которых сейчас изготавливают такие наночастицы, сложно синтезировать, и они разрушаются при длительном освещении. Из-за этого с их помощью не удается проводить длительные наблюдения, например, отслеживать перемещение лекарств по организму. Кроме того, существующие материалы светятся только в ответ на такие длины волн (примерно 980 нанометров), которые не позволяют заглянуть достаточно глубоко в ткани (в органы, лежащие глубоко под кожей), не повреждая их. Поэтому ученые ищут новые более стабильные и безопасные материалы для светящихся наночастиц.
Химики из Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск) с коллегами синтезировали материал, который испускает яркое свечение в видимом диапазоне в ответ на глубоко проникающее в организм инфракрасное излучение с длиной волны 1960 нанометров. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
За основу для нового соединения авторы взяли металл-органический каркас — сложную конструкцию из ионов металлов и органических молекул. Ученые синтезировали каркас с ионами иттербия, тербия и европия. Эти металлы были выбраны не случайно: иттербий выступал в роли «антенны», улавливающей инфракрасный свет и передающей его энергию ионам тербия. Тот, в свою очередь, давал яркое зеленое свечение. Кроме того, часть энергии от тербия далее переходила к европию, который светился красным. Это позволило расширить спектр доступного излучения с чисто зеленого к другим оттенкам.
Авторы протестировали новый материал, введя его микрочастицы в желудок часто используемых в экспериментах рыб данио-рерио. Эксперимент показал, что соединение нетоксично для живых организмов и успешно работает в двух режимах. Частицы ярко светились под действием как стандартного инфракрасного излучения с длиной волны 980 нанометров, так и ранее недоступного даже для других материалов диапазона — 1960 нанометров. Последний способен проникать в живые ткани на большую глубину, и благодаря яркому ответному свечению новых наночастиц его удастся использовать для расширенной медицинской диагностики.
«Нам удалось преодолеть сразу несколько ограничений материалов-аналогов. Во-первых, новое соединение более стабильно и выдерживает интенсивное облучение без потери яркости. Во-вторых, сочетание трех металлов — иттербия, тербия и европия — позволяет гибко настраивать цвет свечения, просто меняя их соотношение. И, наконец, полученные материалы могут эффективно работать при облучении светом с длиной волны 1960 нанометров, что расширяет их возможности к применению в медицинской диагностике. В дальнейшем мы планируем оптимизировать структуру и методы синтеза каркасов, чтобы увеличить яркость излучения и снизить себестоимость материалов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Потапов, доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории металл-органических координационных полимеров Института неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Университета ИТМО (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского государственного химико-фармацевтического университета (Санкт-Петербург), Санкт-Петербургского государственного педиатрического медицинского университета (Санкт-Петербург), Национального научного центра морской биологии имени А. В. Жирмунского ДВО РАН (Владивосток), Даляньского политехнического университета (Китай), Шанхайского университета (Китай) и Университета «Новый Узбекистан» (Узбекистан).