Полистирольные микросферы могут светиться без добавления люминофоров
Ученые представили новый подход к синтезу микрошариков из полистирола, обладающих удивительной способностью светиться в диапазоне видимого света (от фиолетового до красного) без использования традиционных светящихся добавок — люминофоров. Испытания подтвердили, что эти микроструктуры биосовместимы, то есть не вызывают воспалительных процессов в живых тканях, и способны поддерживать внутри себя электромагнитные колебания. Сочетание этих характеристик делает материал перспективным для разработки биосенсоров и создания миниатюрных лазерных устройств. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optical Materials.
Полистирол — это широко применяемый синтетический полимер, используемый для изготовления одноразовой посуды, теплоизоляционных материалов, чашек Петри и многих других пластмассовых изделий. Его ключевое преимущество для биомедицины — биосовместимость: он не вызывает отторжения или воспаления при контакте с живыми тканями и биологическими жидкостями. Это открывает возможности его применения в биосенсорах и медицинских устройствах. Однако, чтобы придать полистиролу светящиеся свойства, обычно вводят люминофоры, которые могут быть токсичными или терять свои свойства со временем, ограничивая тем самым области его использования.
Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) совместно с коллегами разработали инновационный и простой метод синтеза полистирольных сфер. Они провели совместную полимеризацию органических мономеров стирола и дивинилбензола в атмосфере аргона. В результате были получены полистирольные микрошарики размером около 5 микрометров (примерно как бактерии), которые излучают свет в спектре 400–650 нанометров (от фиолетового до красного), если их облучать фиолетовым лазером с длиной волны 405 нанометров.
С помощью инфракрасной спектроскопии, метода анализа молекулярной структуры по взаимодействию с инфракрасным светом, ученые выяснили причину этого эффекта. Оказалось, что свечение обусловлено окислением полимера молекулами кислорода в процессе синтеза. При окислении внутри микросфер образуются так называемые карбонильные группы, содержащие атомы углерода и кислорода. Именно эти группы поглощают световую энергию и излучают ее, то есть люминесцируют. Такой внутренний механизм свечения устраняет необходимость применения токсичных или дорогостоящих внешних люминофоров, делая производство проще и безопаснее для окружающей среды.
Ученые также обнаружили, что на внутренней поверхности полистирольных микрошариков эффективно распространяются электромагнитные волны, известные как моды шепчущей галереи. При присоединении к поверхности микрорезонатора какой-либо молекулы (например, ДНК) частота этих мод изменяется. Это изменение позволяет точно определять количество связанных молекул. Поскольку эти моды могут долго колебаться без затухания, микрошарики становятся перспективными кандидатами для создания миниатюрных лазеров и высокочувствительных биосенсоров.
Для оценки биосовместимости полистирольных микросфер были проведены тесты на культурах раковых и иммунных клеток. Испытания подтвердили, что даже при высокой концентрации материал не оказывает токсического действия и не снижает жизнеспособность клеток. Это свойство позволяет рассматривать возможность использования микросфер в качестве биосенсоров непосредственно внутри живых организмов. Например, карбонильные группы на поверхности микросфер чувствительны к изменениям биохимической среды в тканях, в частности, к повышению концентрации активных форм кислорода, что является маркером воспаления. Реакция микросфер на такие изменения приводит к сдвигу электромагнитных колебаний, который может быть обнаружен с помощью лазерной микроскопии. Такой встроенный микросенсор воспаления можно имплантировать в организм или наносить на поверхность медицинских имплантатов, таких как дентальные или стенты. Свечение этой системы, отслеживаемое через эндоскопическое оборудование или внешние датчики, позволит контролировать процесс приживления имплантатов и общий уровень стресса в организме.
Новые микросферы также могут быть полезны в области электроники. Например, при производстве микросхем критически важен точный температурный контроль, так как даже минимальный перегрев может вызвать дефекты и ухудшить качество. Интеграция полистирольных микросфер в защитные покрытия микросхем даст возможность в реальном времени проводить высокоточный оптический мониторинг температуры. Это основано на том, что при нагревании микросферы изменяют свои размеры, что приводит к изменению спектра их свечения. Данное свойство позволяет измерять изменения температуры с точностью до десятых долей градуса.
«Наша работа демонстрирует, что полистирольные микросферы, даже без добавления дорогостоящих люминофоров, могут служить эффективными, биосовместимыми и стабильными микрорезонаторами — устройствами, способными захватывать и усиливать световые сигналы. Это значительно расширяет потенциал их применения в биомедицинских технологиях и фотонике, где приоритетом является использование нетоксичных и долговечных материалов. В ближайшем будущем мы планируем интегрировать эти светящиеся биосовместимые микросферы в специализированные тестовые платформы для создания и апробации сверхчувствительных биосенсоров, например, для обнаружения конкретных биомолекул», — прокомментировала Евгения Соловьева, инженер-исследователь Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО и участник проекта, поддержанного РНФ.
В работе над исследованием также приняли участие специалисты из Института высокомолекулярных соединений (филиал Петербургского института ядерной физики имени Б. П. Константинова НИЦ «Курчатовский институт»), Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Санкт-Петербургского политехнического университета имени Петра Великого и Саутгемптонского университета (Великобритания).
