Ученые из Массачусетского технологического института (Massachusetts institute of technology, MIT) разработали новый метод обнаружения широкого спектра химических веществ – от токсинов и маркеров заболеваний до болезнетворных микроорганизмов и взрывчатых веществ. Созданная ими система посылает визуальный сигнал о присутствии того или иного химического соединения, излучая флуоресцентное свечение.

(web.mit.edu)

Новый подход сочетает в себе использование флуоресцентных молекул и открытых каркасов – металлоорганических структур (metal-organic framework, MOF). Такие структуры обеспечивают большой объем пространства, которое могут занять молекулы-мишени, попадающие таким образом в непосредственную близость к флуоресцентным молекулам, реагирующим на их присутствие.

Результаты этой работы могут найти применение в датчиках, настроенных на определенные соединения, присутствие которых будет определяться визуально – просто по свечению материала.

«Многие из известных датчиков работают на обратном принципе», – говорит Мирча Динка (Mircea Dincă), старший автор статьи, опубликованной в журнале Journal of the American Chemical Society. «Это означает, что в присутствии целевого соединения они «выключаются». «Включающиеся» сенсоры лучше, так как их легче обнаружить».

С ним согласен научный сотрудник Национальной лаборатории Sandia (Sandia National Laboratory) Марк Аллендорф (Mark Allendorf), не принимавший участия в этой работе. «Современные материалы обычно функционируют за счет гашения люминесценции», и поэтому «страдают пониженной чувствительностью и избирательностью», говорит он. «Обнаружение за счет включения могло бы преодолеть эти ограничения и стать значительным шагом вперед».

Так, если материал настроен на углекислый газ, то «чем больше газа, тем более интенсивен ответ», что делает результат более наглядным. Материал может реагировать не только на присутствие определенного типа молекул: система способна отвечать и на изменение вязкости жидкости, например, крови, являющейся важным показателем при таких заболеваниях, как диабет. В этом случае датчик станет индикатором сразу двух различных параметров: по изменению цвета можно будет судить о присутствии в крови того или иного химического вещества, например, глюкозы, а по изменению интенсивности свечения – о вязкости самой крови.

Металлоорганические структуры впервые были получены около 15 лет назад, и характерная для них удивительная пористость сразу же сделала их объектом интенсивных исследований. Напоминающие по виду обычные камни, эти губчатые структуры обладают такой большой площадью внутренней поверхности, что одного грамма этого материала в «развернутом» виде хватило бы для покрытия целого футбольного поля. Диаметр его внутренних пор – около 1 нанометра и примерно равен размеру небольшой молекулы. Это и делает его хорошим молекулярным детектором.

Новый материал основан на открытии группой из MIT способа связывания определенного типа флуоресцентных молекул, известных как хромофоры, с атомами металлов MOF. Хромофоры этого типа не могут излучать свет поодиночке, но, собранные вместе, они начинают флуоресцировать. Однако если хромофоры собраны в пучки или образуют скопления, целевым молекулам не удается до них добраться, и, следовательно, их невозможно обнаружить. Связывание хромофоров с узлами открытой структуры MOF предотвращает их слипание и удерживает их вблизи пустых пор, так что они активно реагируют на появление молекул-мишеней.

Координационная иммобилизация функционализированного тетрафенилэтилена (tetraphenylethylene) в жестких пористых металлоорганических структурах (MOFs)
включает флуоресценцию в его, как правило, не флуоресцирующем ядре.
(Рис. pubs.acs.org)

Бен Чжун Тан (Ben Zhong Tang), профессор химии Гонконгского университета науки и технологии (Hong Kong University of Science and Technology), также не связанный с этой работой, считает, что для получения функциональных MOFs ученые из MIT использовали «элегантный подход» и «уже доказали полезность своих MOFs для обнаружения и дифференциации обычно трудно поддающихся различению молекул» – летучих органических соединений. По его словам, «это отличная работа с точки зрения доказательства концепции».

Новая система пока нуждается в дальнейшем усовершенствовании с целью повышения эффективности. Как только это будет достигнуто, она сможет найти множество применений. Например, MOFs могут служить в качестве «умных» средств доставки или осуществлять мониторинг контролируемой доставки лекарственных препаратов. В последнем случае у них будет дополнительное преимущество: по мере высвобождения препарата интенсивность флуоресценции будет постепенно ослабевать, что позволит на месте в режиме реального времени вести мониторинг профилей этого процесса.

Аннотация к статье

Turn-On Fluorescence in Tetraphenylethylene-Based Metal–Organic Frameworks: An Alternative to Aggregation-Induced Emission