На первом этапе НИР первичная задача заключалась в получении и подготовке к модификации наночастиц благородных металлов, обладающих оптическим поглощением с максимумами в областях 600-800 и 520-560 нм и высокой плазмонной активностью. Для получения таких наночастиц было апробировано 3 подхода: химическое восстановление металла из соли в присутствии поверхностно-активного вещества, лазерная абляция и сшивка наночастиц малого размера с помощью молекулярных линкеров. В результате получено четыре сорта анизотропных наночастиц золота с бимодальным поглощением, а также сферические наночастицы с одним, более коротковолновым пиком поглощения, которые были выбраны для дальнейшей модификации. В рамках синтетических работ также разработана новая методика крайне воспроизводимого получения золотых наночастиц костеообразной формы, которые отличаются широкой полосой поглощения с максимумом около центра окна прозрачности биологических тканей, что делает их подходящими кандидатами для универсальных широкополосных оптических меток. Результаты синтетического этапа работ вошли в публикации [1-2]. Оценка плазмонной активности полученных золотых наночастиц выполнена на основе спектров гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), по которым также определялось наилучшее сочетание «морфология наночастицы - флуорофор» для потенциальных КР меток. Для этого при возбуждении лазерами 633 и 785 нм зарегистрированы спектры ГКР флуорофоров, имеющих полосы поглощения на синем и красном краю окна прозрачности биологических тканей (сульфо-цианин 5.5 и сульфо-цианин 7.5) с использованием всех исследуемых анизотропных наночастиц. Установлено, что золотые наночастицы костеообразной формы дают наиболее интенсивный сигнал ГКР на обеих возбуждающих линиях, что коррелирует с их широкой полосой плазмонного поглощения и морфологией, которая способна обеспечить легкодоступные зоны «горячих точек». ГКР исследование двух различных функциональных производных цианина 5.5 - NHS эфира и производного с первичной аминогруппой показало, что последнее лучше подходит для КР картирования с использованием плазмонных меток на основе золотых нанозвезд, т.к. минимизирован флуоресцентный фон, результаты отражены в публикации [3]. В рамках оценки факторов, влияющих на соотношение флуоресцентного и КР сигнала молекул, адсорбированных на плазмонных частицах, выполнено исследование процессов переноса заряда по характерным модам высокого порядка (обертонам), являющихся маркерами резонансных процессов. Из расчета безразмерных смещений установлено, что спектр ГКР с резонансным вкладом возникает не только вследствие эффекта Герцберга-Теллера, а причины проявления в спектрах обертонов высокого порядка состоят и в переносе заряда и в вибронном связывании. Данная часть работ выполнена в сотрудничестве с иранскими партнерами и опубликована в Journal of Physical Chemistry C [4]. При работе с массивом экспериментально полученных ГКР спектров также разработан новый «Метод моментов» для прецизионного вычисления ширин, максимумов и других характеристик спектральных линий. Метод основан на аналитических вычислениях средних моментов для модельных профилей спектральных и не требует процедуры аппроксимации. Метод детально раскрывается в опубликованной статье [5].
Золотые наночастицы с заданными оптическими свойствами были использованы для решения второй задачи первого этапа НИР, состоявшей в получении агрегативно стабильных систем «ядро - многослойная оболочка», разработке методик внедрения в оболочку молекул флуорофоров и фотоактивных лигандов и оптимизации их позиции в оболочке. Для покрытия наночастиц применялся метод «слой за слоем» с полимером в катионной форме полидиаллилдиметиламмоний хлорид (ПДДА) и полимером в анионной форме полистиролсульфонат натрия (ПСС). На основании ПЭМ выявлено, что рост толщины оболочки наночастиц в зависимости от числа слоев полиэлектролитов имеет линейный характер, начиная со второго слоя. Первая пара разноименно заряженных полимеров дает оболочку толщиной порядка 1.2 нм, далее каждые два слоя из поликатионита и полианионита обеспечивают средний прирост толщины 0.35 нм. На основании измерений дзета-потенциала поверхности показано, что, не смотря на то, что его величина уменьшается по мере накопления слоев, абсолютное значение превышает пороговую величину коагуляции в ±30 мВ вплоть до 10-ого слоя. Методики покрытия наночастиц золота полиэлектролитом ПДДА были адаптированы для получения мультислойных покрытий стенок кварцевого капилляра для капиллярного электрофореза. Применение каппиляров с таким покрытием обеспечило значительное увеличение селективности разделения смеси аминокислот и их метаболитов за счет специфических взаимодействий с поверхностью наноразмерных модификаторов. Для золотых наночастиц с многослойной полимерной оболочкой отработаны методики внедрения флуорофора в оболочку, подобраны режим дозирования и отмывки, показано, что электростатическая иммобилизация флуорофора в меньшей степени влияет на оптические свойства флуорофора в сравнении с ковалентной конъюгацией через образование амидной связи. На основе данных спектрофотометрии установлено, что в полимерной оболочке наночастиц различной морфологии задерживается 40-60% красителя. Данная часть результатов опубликована в работе [6]. Серия флуоресцентных измерений показала, что сигнал красителя, адсорбированного на полимерной оболочке наночастицы, критически зависит от природы полимера терминального слоя, гораздо более интенсивный сигнал наблюдается в случае разноименных зарядов поверхности и функциональных групп флуорофора. Флуоресценция красителя в полимерной оболочке достигает 100 % от эмиссии свободного флуорофора для оболочки, состоящей из шести слоев полимеров. С учетом трудозатрат и расхода реагентов на каждый цикл покрытия сделаны выводы о том, что оптимальными являются системы «ядро-оболочка-краситель», имеющие три или четыре слоя полимера.
Третья задача первого этапа НИР «исследование оптических свойств получаемых гибридных систем, выбор соединений, сохраняющих свои фотоактивные свойства вблизи металлического ядра» решалась с использованием порфириновых соединений. На основе спектров люминесценции порфиринового производного (N-метил-4-пиридил)порфирин метил тозилат (TMPyP-OTs), зарегистрированных в присутствии наночастиц с полимерным покрытием, выявлено, что взаимодействие порфиринового производного с золотой наночастицей также имеет принципиально разный характер для наночастиц с положительным и отрицательным потенциалом поверхности. Установлено, что это в том числе отражается в типе зависимости времени жизни порфирина от концентрации золотых наночастиц, в частности, выявлено, что в присутствии наночастиц с крайним слоем ПДДА наблюдается динамическое тушение люминесценции, а в присутствии наночастиц с крайним слоем ПСС – статическое. Для исследуемого порфирина определены коэффициент тушения (k = 1.6×109 ± 0.1×109 л/моль) и коэффициент связывания (k = 2.8×109 ± 0.1×109 л/моль) с покрытием на основе ПДДА и ПСС, соответственно. Таким образом, установлены критерии формирования гибридных молекулярно-плазмонных структур за счет электростатического взаимодействия. Выполнен анализ температурной зависимости спектров люминесценции порфириновых соединений с целью выбора производных, которые способны проявлять вблизи плазмонного ядра ратиометрические свойства. Показано, что TMPyP-OTs обладает необходимыми свойствами и относится ко второму типу люминесцентных термометров (интенсивность двух полос люминесценции увеличивается, но с разной скоростью). Отношение двух его максимумов изменяется в среднем на 4% за 10°C, что достаточно для ратиометрического определения, более того диапазон чувствительности 25-75оС хорошо подходит для использования в гипертермальной терапии. Выявлен статический характер тушения люминесценции для TMPyP-OTs, адсорбированного на непокрытой поверхности золотых наночастиц, что является пререквизитом для того, чтобы гибридная система также показала ратиометрическую температурную зависимость. На первом этапе НИР выполнены пилотные измерения для порфириновых соединений с амино группами (5,10,15,20-тетракисаминофенилпорфирин, 5,10,15,20-тетракис(4’-аминофенил)порфирин)), которые обеспечивают их ковалентное взаимодействие с поверхностью золота. Для образующихся в растворе гибридных агрегатов золотых наночастиц, включающих порфириновое соединение, наблюдалась комбинация статического и динамического тушения флуоресценции, также был обнаружен эффект увеличения генерации синглетного кислорода, предположительно, вследствие влияния плазмонного резонанса. Однако, стоит отметить, что данные измерения проведены в изопропаноле, требуется дальнейшие исследования с водными растворами. Результаты исследований порфириновых соединений опубликованы в работе [7].
Помимо люминесцентных систем на основе наночастиц благородных металлов для целей тераностики большой интерес представляют наночастицы, содержащие лантаноидные ионы. В связи с этим, исполнителями НИР расширен круг исследуемых объектов, в сотрудничестве с коллегами методом гидротермального синтеза получен и исследован новый нанокристаллический (40±5 нм) люминофор состава NaGd0.7Eu0.3F4. Для данного соединения охарактеризованы люминесцентные и магнитные свойства, показано, что полученные наночастицы NaGd0,7Eu0,3F4 имеют выраженные полосы люминесценции в области 580-620 нм, а также являются парамагнитными, магнитная восприимчивость составляет 7.2×10-5 эрг Гс-1 г-1 Э-1. В совокупности это позволяет говорить о том, что такие наночастицы обладают свойствами бимодального зонда, что свидетельствует об их потенциальной применимости в живых объектах в составе средств диагностики и терапии. Полученные результаты будут опубликованы в декабрьском выпуске англоязычной версии журнала Russian Journal of General Chemistry [8].
Благодаря полному решению задач первого этапа НИР оптимизированные по составу и структуре системы ядро-оболочка на основе золотых наночастиц готовы для продолжения разработки плазмонных меток для биовизуализации и лечебной гипертермии. Выявленные наилучшие сочетания ядер и хромофоров позволили выполнить достоверный прогноз оптического отклика меток на их основе.
На первом этапе Проекта привлечено внешнее по отношению к СПбГУ финансирование общим объемом 3547200 руб:
- грант РНФ № 22-73-10052 «Мультимодальные плазмонные метки для биовизуализации и лечебной гипертермии», руководитель Соловьева Е.В., 3000000 руб.
- стипендия Президента РФ Смирнову А.Н., годовой размер 273600 руб.
- стипендия Президента РФ Макеевой Д.В., годовой размер 273600 руб.
По результатам первого этапа НИР издано шесть публикаций [1, 3-7], одна принята к печати и будет издана в декабре 2022 г [8], то есть всего семь публикаций, индексируемых в Scopus и одна публикация, индексируемая в SciTePress Digital Library [2]. Две статьи опубликованы в соавторстве с ведущими зарубежными учеными: профессором Sergei G. Kazarian (Imperial College London) и профессором Zahra Jamshidi (Sharif University of Technology).
[1] Solovyeva E. V., Smirnov A. N., Svinko V. O., Strelnikov A. S., Shevchuk A. I., Kazarian S. G. Unraveling a role of molecular linker in nanoparticles self-organization by SERS spectroscopy: comparative study of three aromatic diamines // Colloids and Surfaces A. 2022. 645. 128881. DOI:10.1016/j.colsurfa.2022.128881 Q2
[2] Smirnov A., Svinko V., Strelnikov A., Shevchuk A., Volkova A., Solovyeva E. Silica Coated Plasmonic Nanobone-based Tags for Safe Bioimaging // Proceedings of the 10th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology – PHOTOPTICS. 2022. С. 179-186. DOI:10.5220/0010997700003121
[3] Svinko V.O., Shevchuk A.I., Smirnov A.N., Sharoiko V.V., Solovyeva E.V. Gold nanolabels for SERS imaging excitable by red lasers // 2022 International Conference Laser Optics (ICLO). 2022. C. 01-01. DOI:10.1109/ICLO54117.2022.9840285 https://ieeexplore.ieee.org/document/9840285
[4] Solovyeva E. V., Jamshidi Z. Observation of High-Order Overtones and Combinations in SERRS: The Essential Role on Elucidation of Chemical Mechanism // J. Physical Chemistry C. 2022. 126. 12038-12043. DOI:10.1021/acs.jpcc.2c01965 Q1
[5] Solovyev D., Solovyeva E. Adapted method of moments for determining the transition frequency // Physics Letters A. 2022. 432. 128021. DOI: 10.1016/j.physleta.2022.128021 Q2
[6] Свинко В.О., Шевчук А.И., Смирнов А.Н., Макеева Д.В., Соловьева Е.В. Оптические метки на основе золотых нанозвезд для ГКР-картирования тканей с использованием красных медицинских лазеров // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130. В. 10. С. 1590. DOI:10.21883/OS.2022.10.53631.3709-22
[7] Povolotskiy A.V., Soldatova D. A., Povolotckaia A.V., Smirnova O.S., Lukyanov D. A. Functional hybrid structures based on porphyrins and gold nanoparticles for optical sensors // 2022 International Conference Laser Optics (ICLO), 2022. C. 01-01. DOI: 10.1109/ICLO54117.2022.9840092 https://ieeexplore.ieee.org/document/9840092
[8] Булатова Т.С., Богачев Н.А., Бетина А.А., Смирнов А.Н., Соловьева Е.В., Скрипкин М.Ю., Мерещенко А.С. Биоортогональный парамагнитный нанокристаллический люминофор NaGd0.7Eu0.3F4 // Russian Journal of General Chemistry 2022. Т. 92 В. 11.
Сотрудниками Лаборатории на первом этапе Проекта сделано 7 устных и 4 постерных доклада на престижных международных и всероссийских конференциях, среди которых известнейшие международные конференции в области оптики, фотоники и материаловедения: 10th International Conference on Photonics, Optics and Laser Technology (докладчик Смирнов А.Н.), 2022 International Conference Laser Optics (докладчик Поволоцкий А.В., докладчик Свинко В.О., The Seventh International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials (докладчик Соловьева Е.В.).
В 2022 г. сотрудниками Лаборатории получен патент РФ на изобретение № 2774817 «Способ качественного и количественного определения биологически активного действующего вещества в водорастворимых лекарственных препаратах», дата выдачи 23.06.2022 г.
За 2022 г. исполнители Проекта также имеют следующие достижения:
- молодые сотрудники лаборатории (Смирнов А.Н., Свинко В.О., Деменьшин А.И., Смирнов А.А. и Керестень В.М.) стали победителями первого конкурса имени Андрея Павленко с проектом «Нанокомпозитные метки для оптической томографии и гипертермальной терапии» (https://spbu.ru/news-events/novosti/obyavleny-pobediteli-pervogo-konkursa-imeni-andreya-pavlenko)
- аспирант Смирнов Алексей Николаевич признан призером молодежной премии Санкт-Петербурга за 2021 год в номинации «В области науки и техники» (https://www.gov.spb.ru/gov/otrasl/kpmp/molpremii/molodegnayapremiya6/)
- лаборант-исследователь Свинко Василиса Олеговна вошла в число победителей всероссийского конкурса «УМНИК ФОТОНИКА» с проектом «Разработка диагностического контраста на основе золото-серебряных наночастиц для оптической томографии злокачественных новообразований» (https://umnik.fasie.ru/photonica)
- аспирант Смирнов Алексей Николаевич вошел в число победителей в конкурсе грантов для аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга
- доклад аспиранта Смирнова Алексея Николаевича на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2022" был отмечен дипломом первой степени
- доклад аспиранта Смирнова Алексея Николаевича на молодежной международной научной конференции "Современные тенденции развития функциональных материалов" был отмечен дипломом второй степени.