опубликована в журнале JACS....

" /> Разноцветным пузырям из фотонных кристаллов нашли применение в биологии Версия для слабовидящих
Разноцветным пузырям из фотонных кристаллов нашли применение в биологии Печать Email
Новости об инновациях
11.12.2015

Исследователи из Китая впервые смогли получить полые сферические фотонные кристаллы и разработали методику синтеза таких частиц с разнообразным набором свойств. Авторы считают, что их изобретение может расширить возможности применяемых сейчас биомедицинских «маркеров». Работа опубликована в журнале JACS.

Разнообразие цветов наноматериалов и их зависимость от параметров частиц используется в медицине для создания светящихся«маркеров». Если прикрепить к поверхности наночастиц специфичные к определенным клеткам антитела, цветные «метки» соберутся преимущественно вокруг этих клеток. Таким образом, можно, например, легко отличить в сложной смеси отдельные виды бактерий или клеточных культур. В настоящее время для этого широко используются квантовые точки – полупроводниковые нанокристаллы, цвет которых сильно зависит от их размера.

Изображение различных типов полученных фотонных кристаллов, отличающихся цветом, размером и количеством внутренних полостей. Изображение: Luoran Shang et al. / JACS, 2015

В качестве «маркеров» могут выступать и так называемые фотонные кристаллы. Это материалы, в которых показатель преломления изменяется периодически,причем этот период сравним с длиной волны света. Из-за своего внутреннего строения в фотонном кристалле могут распространяться электромагнитные волны только определенной длины. Материал, таким образом,выступает в роли оптического фильтра, а его цвет зависит от размера частиц, из которых он состоит. Например, природным фотонным кристаллом является опал – в нем сферы из диоксида кремния диаметром несколько сотен нанометров упакованы в периодическую структуру, что обуславливает его оптические свойства.

Слева – СЭМ изображение упорядоченной структуры полого фотонного кристалла. Справа – применение «пузырей» для выращивания культуры клеток (зеленые сферы внизу – с прикрепленными клетками). Изображение: Luoran Shang et al. / JACS, 2015

Авторы работы утверждают,что им впервые удалось получить полые сферические фотонные кристаллы с помощью разработанной ими сложной многостадийной методики синтеза. Способ получения позволяет контролировать цвет, состав и размеры частиц, а также количество внутренних полостей в очень узких пределах. Ученые считают,что благодаря большому количеству изменяемых параметров их изобретение позволит легко анализировать биологические смеси с большим количеством компонентов.

Устройство для получения содержит систему трех вложенных капилляров разного диаметра. Из каждого капилляра подавали определенную жидкость. Из центрального – водный раствор с наночастицами полистирола, из среднего – маслянистую жидкость (фотоотверждаемый реагент  и фотоинициатор), и из внешнего снова водный раствор. 

Сначала вытекающая из центрального капилляра вода попадала в маслянистую жидкость – в результате образовывались маленькие шарики «масла» в воде. Затем смесь из среднего капилляра попадала в водный раствор из внешнего. И там происходило то же самое – «масло», в котором находились водяные шарики, также стремилось принять сферическую форму. В итоге на выходе из внешнего капилляра ученые получали сферические «масляные» частицы  с внутренней полостью, в которой находился шарик воды.

Вверху – схема получения с использованием системы вложенных капилляров. Внизу – процесс образования внутреннего пузыря и фотонного кристалла. Изображение: Luoran Shang et al. / JACS, 2015

Но состав этих «масляных» и «водяных» шариков гораздо сложнее, чем описано выше, и каждый реагент был добавлен с определенной целью. Освещая полученную суспензию ультрафиолетовым светом, «масляная» смесь из фотоотверждаемой смолы и фотоинициатора затвердевала, образуя пористую полупроницаемую оболочку, внутри которой оставалось жидкое ядро с наночастицами полистирола. Затем эти полутвердые шарики помещали в раствор этанола, который позволял «извлекать» из них воду: из-за наличия сильного градиента концентраций вода стремилась выйти наружу. Состав внешней мембраны обеспечивал ее избирательную проницаемость, из-за чего вода могла проникать наружу, а этанол внутрь – нет.

Когда давление воды внутри шарика достигало критического значения, происходило ее резкое испарение, и образовывался пузырь пара. Выходящая из шарика вода также увлекала за собой наночастицы полистирола. Они концентрировались вблизи внешней полимерной оболочки, образуя упорядоченную структуру. Эта упорядоченная структура и является фотонным кристаллом. В работе использовались наночастицы полистирола диаметром 190, 205, 215, 230, 240, 270, и 290 нм и их комбинации, что объясняет разнообразную окраску полученных «пузырей».

В результате авторам работы удалось получить многослойные сферические частицы. Внешняя оболочка представляла собой полупроницаемую полимерную мембрану, средняя – упорядоченные частицы полистирола (фотонный кристалл), а в центре – пузырь из водяного пара. Регулируя скорость подачи жидкостей, состав водной и масляной фаз или немного усложняя конструкцию из капилляров, ученые смогли получить частицы с различным количеством пузырей внутри и разными добавками.

Авторы провели ряд экспериментов, которые демонстрируют возможные области применения их изобретения. Прикрепив к поверхности сфер разного цвета разные антитела, можно легко различить бактерии или вирусы по цвету «пузырей»,вокруг которых они будут собираться. Используя частицы, с включениями магнитных материалов, их можно также перемещать в растворе и избирательно извлекать из смеси.

Ограничением фотонных «пузырей» является их размер – от десятков до сотен микрометров (для сравнения, квантовые точки – единицы-десятки нанометров). Поэтому, их использование для диагностики заболеваний непосредственно в живом организме, в отличие от квантовых точек, затруднено. Однако в некоторых случаях размер микросфер может выступать как преимущество – модифицировав внешнюю поверхность питательными средами, их можно использовать для выращивания клеточных культур. За счет «пузыря» сферы не оседают на дно, а легко плавают по всему объему жидкости.

Автор: Екатерина Митрофанова

Источник - http://www.nanonewsnet.ru/news/2015/raznotsvetnym-puzyryam-iz-fotonnykh-kristallov-nashli-primenenie-v-biologii

 

Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта Карта сайта