Odpowiedni rozpuszczalnik zmienia nanorurki w skuteczniejsze nanosensory
Odpowiedni dobór rozpuszczalnika może ułatwić modyfikowanie nanorurek węglowych i pomóc sterować ich właściwościami optycznymi - wykazali naukowcy z Politechniki Śląskiej. Tak przygotowane mogą służyć jako czujniki do wykrywania różnych substancji, np. cholesterolu.
Odpowiedni dobór rozpuszczalnika może ułatwić modyfikowanie nanorurek węglowych i pomóc sterować ich właściwościami optycznymi - wykazali naukowcy z Politechniki Śląskiej. Tak przygotowane mogą służyć jako czujniki do wykrywania różnych substancji, np. cholesterolu.
Artykuł na ten temat ukazał się w czasopiśmie „Science Advances" (https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb3240).
Materiały o rozmiarach mierzonych w nanometrach mogą zachowywać się zupełnie inaczej niż te, które znamy ze świata widocznego gołym okiem. Przykładem są jednościenne nanorurki węglowe - niezwykle cienkie, puste w środku cylindry, których ścianka składa się z jednej warstwy atomów węgla. Ich średnica wynosi około jednego nanometra, a więc są mniej więcej 100 tys. razy cieńsze od ludzkiego włosa.
Specyficzna budowa nadaje im nietypowe właściwości optyczne. Choć zwykły węgiel kojarzy się z czernią, zawiesiny jednościennych nanorurek mogą mienić się różnymi kolorami. Niektóre z nich po wzbudzeniu emitują także własne światło, przede wszystkim w zakresie bliskiej podczerwieni. Zjawisko to nazywa się fotoluminescencją.
To właśnie emisja w bliskiej podczerwieni szczególnie zainteresowała autorów badania. Promieniowanie z tego zakresu stosunkowo dobrze przenika przez tkanki, dlatego nanorurki bada się m.in. jako potencjalne narzędzia do bioobrazowania oraz czujniki różnych substancji.
Ich zastosowanie w medycynie ogranicza niestety dość słaba fotoluminescencja. Można ją jednak wzmocnić, wprowadzając do struktury nanorurek tzw. defekty luminescencyjne. Powstają one poprzez przyłączanie do powierzchni określonych grup chemicznych, co pozwala zmieniać sposób, w jaki emitują światło.
Dotychczas badacze skupiali się głównie na tym, jakie grupy chemiczne najlepiej wykorzystać do takiej modyfikacji. Zespół prof. Dawida Janasa z Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej sprawdził natomiast, jakie znaczenie ma środowisko, w którym zachodzi reakcja.
W tym celu naukowcy porównali różne rozpuszczalniki i wykazali, że ich wybór wpływa zarówno na łatwość modyfikacji nanorurek, jak i na uzyskiwane przez nie właściwości optyczne.
Jak wyjaśnił w rozmowie z PAP prof. Janas, aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, trzeba uwzględnić jeszcze jeden element. Nanorurki mają silną tendencję do łączenia się ze sobą. Aby można było pracować z pojedynczymi strukturami w cieczy, naukowcy otaczają je więc specjalnym polimerem. Można go porównać do płaszcza, który rozdziela poszczególne nanorurki.
W czasie eksperymentów okazało się, że rodzaj rozpuszczalnika zmienia sposób, w jaki ten płaszcz układa się na powierzchni nanorurki. Szczególnie korzystne były rozpuszczalniki polarne, czyli takie, których cząsteczki mają nierównomiernie rozłożony ładunek elektryczny.
- Kiedy nanorurka jest zamknięta w takim płaszczu, jej powierzchnia jest trudno dostępna. Dzięki rozpuszczalnikom polarnym możemy odsłonić niektóre jej fragmenty, na które następnie wprowadzamy grupy funkcyjne. Pozwala to łatwiej tworzyć defekty luminescencyjne i sterować późniejszą emisją światła - powiedział prof. Janas.
- Dobór rozpuszczalnika wpływa więc nie tylko na łatwość modyfikacji nanorurek, ale też pozwala „stroić" ich właściwości optyczne - dodał.
Naukowcy sprawdzili też, czy zmodyfikowane nanorurki mogą mieć zastosowanie praktyczne, np. jako czujniki. W tym celu wystawiali zarówno zwykłe, jak i zmodyfikowane struktury na działanie coraz większych stężeń cholesterolu.
Okazało się, że niemodyfikowane nanorurki niemal nie zmieniały pod ich wpływem swojego świecenia. Inaczej zachowywały się te z defektami luminescencyjnymi - wraz ze wzrostem poziomu cholesterolu ich fluorescencja stawała się coraz intensywniejsza.
Prof. Janas zastrzegł jednak, że na obecnym etapie rozwiązanie to nie jest konkurencją dla rutynowych laboratoryjnych badań poziomu cholesterolu we krwi. Większy potencjał widzi w wykorzystaniu takich nanosensorów do śledzenia procesów zachodzących wewnątrz komórek.
- Można sobie wyobrazić, że dzięki nanorurce znajdującej się w komórce bylibyśmy w stanie obrazować na przykład, gdzie dokładnie odkłada się cholesterol - powiedział naukowiec.
Taka informacja mogłaby być cenna, ponieważ znaczenie ma nie tylko ilość cholesterolu, ale również miejsce jego gromadzenia się. Zaburzenia jego transportu mogą sprawiać, że odkłada się w niewłaściwych przedziałach komórki, co ma znaczenie m.in. w rozwoju miażdżycy.
- A ponieważ choroby sercowo-naczyniowe należą do najczęstszych przyczyn zgonów, warto szukać coraz dokładniejszych sposobów monitorowania cholesterolu - podsumował ekspert.
Badania prowadzono w ramach projektu, finansowanego przez NCN, którym kieruje prof. Dawid Janas. Wzięli w nich udział naukowcy z Politechniki Śląskiej oraz CIC nanoGUNE, University of Cantabria i Ikerbasque w Hiszpanii.
Katarzyna Czechowicz (PAP)
kap/ zan/