Naukowcy z Politechniki Śląskiej, dzięki odpowiednio dobranym rozpuszczalnikom, zdołali w ekspresowy sposób zmodyfikować powierzchnię nanorurek węglowych, a w konsekwencji wzbogacić ich właściwości optyczne. Tak przygotowany nanomateriał okazał się doskonałym narzędziem do wykrywania cholesterolu. Wyniki badań ukazały się w „Science Advances”.
Jednościenne nanorurki węglowe to niewielkie cylindryczne obiekty, których średnica jest 100 tysięcy razy mniejsza od ludzkiego włosa. Dzięki swojemu niezwykle małemu rozmiarowi – na poziomie jednej miliardowej metra – posiadają niezwykłe właściwości. Jedną z nich jest zdolność do fotoluminescencji, tzn. emitują światło po odpowiednim wzbudzeniu. Pod wpływem naświetlania mogą emitować światło w zakresie podczerwieni, całkowicie niewidzialne dla ludzkiego oka. Choć tkwi w tym ogromny potencjał diagnostyczny i technologiczny, to przez lata nie dało się tego w pełni wykorzystać. Kluczowym wyzwaniem pozostawała precyzyjna i szybka kontrola tego, jak i kiedy te struktury zaczynają świecić.
Przełom przyniosły badania zespołu naukowców z Polski i Hiszpanii, kierowanego przez prof. Dawida Janasa z Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej. Zamiast, jak inni, projektować kolejny czynnik funkcjonalizujący powierzchnię nanorurek, badacze spojrzeli na ten problem z innej strony.
Kluczem do sukcesu okazało się zrozumienie roli rozpuszczalnika, w którym nanorurki poddawane są chemicznej modyfikacji celem wzbogacenia ich właściwości optycznych. Do tej pory rolę tych rozpuszczalników rozpatrywano tylko jako neutralne tło dla reakcji chemicznych. Dla nas okazały się aktywnymi reżyserami całego procesu – tłumaczy prof. Janas.
Wykorzystując odpowiednio dobrane rozpuszczalniki, jego zespół zdołał w błyskawiczny sposób zmodyfikować powierzchnię nanorurek, znacząco przesuwając pasmo emitowanego światła jeszcze głębiej w kierunku bliskiej podczerwieni. Najbardziej skuteczne w tym kontekście okazały się tak zwane rozpuszczalniki polarne, to znaczy takie, których cząsteczki mają nierównomiernie rozłożony ładunek elektryczny, co tworzy w nich dwa bieguny: dodatni i ujemny. Dzięki tej własności – co ujawniło przeprowadzone modelowanie komputerowe – zoptymalizowana dystrybucja ładunków elektrycznych w nanorurkach w obecności rozpuszczalników polarnych sprzyja modyfikacji chemicznej materiału.
Przykładowo, popularny w chemii organicznej rozpuszczalnik DMSO, posiadający polarny charakter, znacząco poprawił predyspozycję nanorurek do ulegania chemicznej modyfikacji, co spowodowało pojawienie się nowych pasm emisji w okolicach 1300 nm. Ten obszar spektralny ma fundamentalne znaczenie dla telekomunikacji światłowodowej. Jest to jeden z ważnych zakresów falowych, znany w technice jako pasmo O, obejmujący fale o długości od 1260 nm do 1360 nm. Zdolność wykorzystania nanostruktur węglowych o takiej charakterystyce potencjalnie pozwala na przesyłanie sygnału na duże odległości bez zniekształceń – wyjaśnia kierownik projektu.
Jak dodaje, znaczenie otrzymanych wyników wykracza jednak poza telekomunikację. To, co rozpoczęło się bowiem jako wnikliwa analiza na poziomie nanometrycznym, szybko znalazło niezwykle obiecujące zastosowanie w medycynie. Zwykłe, niemodyfikowane nanorurki węglowe są całkowicie obojętne na obecność cholesterolu. Jednak nanostruktury zmodyfikowane w opracowany przez polskich badaczy sposób zyskują nową funkcję: w obecności cholesterolu zaczynają rozbłyskiwać jaśniejszym światłem podczerwonym, a im wyższe stężenie cząsteczek tłuszczu w ich otoczeniu, tym sygnał staje się intensywniejszy.
Odkrycie to otwiera drogę do stworzenia nowej generacji biosensorów optycznych, które w przyszłości mogą wspomóc wczesne diagnozowanie oraz obrazowanie komórkowe chorób układu krążenia – przewiduje prof. Dawid Janas.
Materiały, które umożliwiłyby wczesne wykrywanie chorób sercowo-naczyniowych, mogą uratować życie wielu osobom. Dość powiedzieć, że właśnie te choroby są obecnie najczęstszą przyczyną śmierci. Odpowiadają już za co trzeci zgon na świecie. Rocznie umiera na nie blisko 20 mln ludzi. W Polsce są przyczyną prawie 37% zgonów.
Badania polsko-hiszpańskiego zespołu, zrealizowane w ramach grantu SONATA, opisano na łamach „Science Advances”.
MK