Химики создали сенсор, который точно определяет уровень pH слюны

10:27, 15 июня 2022

Флуорофор — многоразовый, нетоксичный и дружелюбен к окружающей среде [фоторепортаж]

Химики УрФУ создали сенсор для определения pH слюны человека. Это флоурофор с сильным и стабильным излучением, который улавливает малейшие колебания рН в биологических жидкостях (десятые доли). Анализ проводится с помощью микродоз вещества и спектрофлуориметра, в котором это вещество облучают специальной лампой (ее ресурс — десятки тысяч часов). Данные об уровне pH появляются через 5–7 секунд. Первые результаты совместных исследований образцов слюны и сенсора, проведенных научными группами кафедр органической и биомолекулярной химии и аналитической химии химико-технологического института, описаны в престижном журнале Dyes and Pigments.

«Современные флуорометрические датчики pH основаны на малых органических молекулах. Как правило, они очень чувствительны и способны определять необходимый аналит в очень малых концентрациях, вплоть до нано-концентраций. В основе нашего датчика — новое соединение. Мы ввели фторированный фрагмент, и это позволило нам получить необходимые свойства молекул — фотофизические, хемосенсорные», — поясняет автор работы, инженер-исследователь кафедры органической и биомолекулярной химии УрФУ Тимофей Мосеев.

Анализ pH слюны — это доступный и неинвазивный метод клинической диагностики. С его помощью на ранней стадии можно определять болезни, в частности, желудочно-кишечного тракта: гастрит, язву, дуоденит и др. Уровень pH влияет и на зубы: даже незначительное повышение кислотности слюны может стать причиной кариеса и других проблем.

Новое соединение — результат многолетней совместной работы коллективов кафедр органической и биомолекулярной химии, аналитической химии ХТИ. По словам научного руководителя, директора химико-технологического института УрФУ Михаила Вараксина, Мосеев занимался научно-исследовательской работой по этой теме, начиная со второго курса бакалавриата, с 2015 года, войдя в состав научной группы.

«В аспирантуре Тимофей продолжил эту тему. Она легла в основу кандидатской диссертации, которую он на днях успешно защитил на год раньше срока окончания аспирантуры, — рассказывает Михаил Вараксин. — За эти годы было синтезировано и исследовано более 70 новых соединений, шесть из которых показали нужные результаты. В итоге одно было отобрано в качестве флуорофора и легло в основу сенсора».

Сенсор многоразовый, нетоксичный и дружелюбен к окружающей среде. Для его создания химики применяли атом-экономный метод синтеза: не требовались катализаторы (никель, медь, палладий), дополнительные реагенты. Кроме того, сенсор растворим в воде.

«В классическом методе синтеза для соединения двух молекул необходимы активные фрагменты, которые взаимодействуют друг с другом, и таким образом получается новое соединение. Но принципы „зеленой химии“ требуют, чтобы реакции проходили без побочных продуктов, в нетоксичных растворителях (в воде), и с минимальным использованием активных фрагментов. Если эти активные фрагменты убрать, остается самая простая в органической химии связь „углерод–водород“. Реакция проходит между ними. Таким образом получится атомная экономия. Поскольку реакция происходит между C-H/C-H, то в побочных продуктах чаще всего оказывается вода или подобное соединение. В результате синтеза меньше и побочных, и вредных продуктов», — объясняет суть процесса Тимофей Мосеев.

Новые хемосенсоры, которое получили уральские химики, можно использовать для анализа воды (кислотности, наличия металлов или токсинов) и в качестве флуоресцентных зондов, с помощью которых подсвечивают внутриклеточные процессы. Соединение накапливается в конкретном месте клетки и окрашивает определенную ее часть. Однако это направление применения предстоит еще изучить.

В целом, помимо биомедицинского приложения, органические флуорофоры, которые получили химики УрФУ, являются перспективными материалами и для других сфер благодаря широким возможностям их практического применения. В частности, флуорофоры используют в молекулярной электронике. «Сердце» (рабочие элементы) солнечных батарей — подобные органические молекулы. Другой пример — OLED экраны компьютеров и мониторов. В их основе также органическая молекула с определенными фотофизическими свойствами.

Справка

Флуорофоры — химические соединения, которые начинают испускать видимое излучение (светиться) при воздействии на них оптическим излучением определенного диапазона. Это явление называется «холодным свечением» или флуоресценцией. Красителями флуорофоры называют потому, что они способны окрашивать биологические объекты, в том числе подверженные патологическим процессам. При этом важно, чтобы красители, во-первых, обладали свойством селективности, то есть окрашивали только то, что нужно. А во-вторых, были яркими, высококонтрастными, пригодными для наблюдения, так как некоторые биологические ткани обладают собственной флуоресценцией.