Как защитить оптические волокна от биомолекул
Новый способ изменения поверхности оптических волокон для предотвращения нежелательного контакта с биомолекулами в живых средах предложили ученые Томского политехнического университета (ТПУ) вместе с коллегами из Чехии и США. Ведь немодифицированные оптические волокна активно вступают во взаимодействие с компонентами биологических сред, которые осаждаются на их поверхности и тем самым не позволяют им выполнять необходимые функции. Благодаря эффекту поверхностного плазмонного резонанса и иодониевым солям ученым удалось создать на волокнах тончайшую защитную оболочку, которая не позволяет им взаимодействовать с нежелательными веществами.
Результаты исследования были представлены на конференции в Кардиффском университете (Великобритания) — на VI Международной конференция по химии поливалентного йода ICHIC 2018 — и опубликованы в журнале Advanced Materials Interfaces, сообщает пресс-служба ТПУ.
«Сейчас этот метод крайне трудозатратен, — сказал “Стимулу” один из авторов статьи, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Постников. — И на данный момент представляет собой исключительно фундаментальный интерес».
Оптические волокна — это тонкие нити из кварцевого стекла, в которых информация передается с помощью света. Они широко применяются в волоконно-оптической связи. Но это не единственная сфера их применения. Одна из перспективных областей — медицина и биомедицинские технологии.
«Такие волокна трансформируют какой-либо сигнал из окружающей среды в оптический, который легко детектировать. Поэтому сейчас оптические волокна рассматривают как потенциальный материал для создания биосенсоров, особенно для так называемой онлайн-сенсорики, когда оптическое волокно находится прямо в человеческом теле, например для измерения концентрации сахара в крови при диабете. Концепции такого применения оптических волокон уже можно найти в современной научной литературе», — рассказал Павел Постников.
Однако исследователи сталкиваются с проблемой: волокна очень активны и взаимодействуют с различными химическими веществами, например с белками.
«Они просто облепляют их поверхность и не позволяют трансформировать сигнал. Для решения этой проблемы мы разработали новый метод модификации поверхности оптического волокна и сделали его биоинертным. Мы покрыли волокно высокогидрофобными органическими соединениями, чтобы они не взаимодействовали с белками в водных растворах», — поясняет ученый.
По его словам, авторы статьи первыми предложили использовать эффект плазмонного резонанса для разложения солей иодония. Эти соли достаточно распространены в органическом синтезе как активные реагенты для целого ряда полезных превращений. Но в химии поверхностей на них обратили внимание лишь недавно.
«Для модификации волокна таким методом не требуется сложного специфического оборудования. На волокно мы напылили тонкий слой золота, затем через него направили свет, под его действием в золотой пленке возбуждается плазмонный резонанс. Это приводит к разложению иодониевой соли и образованию на поверхности волокна высокоактивных частичек — органических радикалов. Они начинают атаковать поверхность волокна и создают с ней прочную ковалентную связь. Полученный новый слой очень стабилен и не взаимодействует с другими молекулами. Это очень важное свойство для биомедицинского применения такого материала, чтобы волокно не вступало в неконтролируемые взаимодействия с биомолекулами в организме», — поясняет Павел Постников.
В отличие от других реагентов соли иодония позволяют образовать на поверхности материала строго один слой активных соединений. И если размер самого волокна составляет несколько микрон, то полученного неактивного слоя — всего 0,2 нанометра.
«Модельные эксперименты на растворах биомолекул показали, что оптическое волокно после модификации является инертным», — отмечает ученый.
Таким образом, ученые впервые использовали плазмонный резонанс для трансформации иодониевых солей в высокоактивные органические радикалы, способные взаимодействовать с поверхностью золота. Исследователь также добавляет, что этот метод может быть использован для модификации не только оптических волокон, но и наночастиц благородных металлов.
«Его можно использовать и при создании органической электроники, когда будет потребность, например, сделать поверхность устройств инертной к загрязнениям», — добавляет ученый.
Исследование проводится совместно с коллегами из Университета химии и технологии (Чехия, Прага) и Университета Миннесоты Дулут (США). Работа поддержана грантом Российского научного фонда.