Многие молекулы бывают в двух зеркальных формах — как левая и правая рука: похожи, но не совместимы. Это называется хиральность. Хотя такие молекулы одинаковы по составу, их свойства могут сильно отличаться — одна форма может лечить, а другая — быть токсичной.
При производстве лекарств важно точно знать, какая форма получается. Для этого используют хиральные наночастицы-сенсоры, чувствительные к «левым» и «правым» молекулам. Но большинство из них работают только в воде, а в органических растворителях — теряют функции, склеиваясь и оседая. А так как многие реакции в фармацевтике идут в органических средах, ученые искали материалы, которые сохраняют чувствительность и там. Теперь такие углеродные наночастицы разработаны — они стабильны в органических растворителях и могут стать основой новых сенсоров для контроля качества лекарств.
Исследователи из Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург) с коллегами предложили новый подход к созданию таких материалов. Обычно подобные наночастицы получают, присоединяя хиральные молекулы к поверхности готовой углеродной структуры. Однако этот метод синтеза в основном применяют в водных средах, а модифицированная таким образом поверхность отличается невысокой стабильностью.
Авторы использовали принципиально иной подход: они встроили хиральные фрагменты непосредственно в саму углеродную матрицу в процессе ее синтеза. Это сделало наночастицы гораздо более стабильными и позволило им сохранять свои оптические свойства даже в органических растворителях.
Анализ показал, что полученные частицы имеют размеры около 5−10 нанометров — примерно в десять тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. При этом они обладают сразу двумя оптическими свойствами: ярко светятся под действием ультрафиолета и по-разному поглощают лево- и правополяризованный свет. Это означает, что наночастицы неодинаково взаимодействуют со светом, направление вращения которого меняется в противоположные стороны. Благодаря этому они позволяют использовать два независимых оптических сигнала для распознавания хиральных соединений — свечение и изменение поглощения.
Исследователи проверили работу материала в толуоле — одном из самых распространенных органических растворителей. Наночастицы изменили свои оптические свойства в присутствии «зеркальных» органических молекул, что позволило ученым успешно их обнаружить. Это подтверждает, что разработку можно будет использовать в сферах, где применяются преимущественно органические растворители, например, в оптоэлектронике и фармацевтике.
В перспективе разработанные материалы могут лечь в основу сенсоров, которые упростят анализ продуктов и улучшат оценку качества при разработке новых препаратов. В области оптоэлектроники хиральные углеродные наноколлоиды могут стать основой для создания новых фотонных устройств, более эффективных светодиодов и солнечных элементов. В дальнейшем мы планируем получить частицы, которые не только поглощают циркулярно-поляризованный свет, но и излучают его для создания гибридных наноматериалов и спин-светодиодов на их основе.
В исследовании принимали участие специалисты Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Сучжоуского университета (Китай), Университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне (Китай), Цзилиньского университета (Китай), Пекинского технологического университета (Китай), Городского университета Гонконга (Китай), Остравского технического университета (Чехия) и Университета Палацкого в Оломоуце (Чехия).
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в России нашли способ защитить почки онкопациентов от «химии».