Вчені створили барвник для контролю температури ліків і вакцин

Дослідники розробили новий тип флуоресцентного барвника, який реагує на зміни температури, випромінюючи світло різних кольорів. Ця інновація може стати основою для створення так званих молекулярних термометрів, призначених для моніторингу умов зберігання чутливих речовин, таких як ліки та вакцини під час транспортування.

Барвник випромінює світло у червоному та близькому інфрачервоному діапазоні спектра. Його можна вбудовувати у тонкі плівки для використання в органічних світловипромінюючих діодах у гнучких екранах або інкапсулювати в полімери та вводити в організм для біомедичної візуалізації.

Роберт Гілліард, професор хімії Массачусетського технологічного інституту у США, пояснює вибір саме цього діапазону спектра. За його словами, барвники червоного та близького інфрачервоного діапазону проникають крізь тіло та тканини набагато краще, ніж світло ультрафіолетового та видимого діапазону. Червоні та близькі інфрачервоні флуоресцентні барвники можуть створювати чіткіші зображення пухлин та інших структур глибоко всередині тканин.

Позитивно заряджені іони, які називаються боренієвими катіонами, випромінюють світло саме в цьому діапазоні. Ці сполуки містять атом бору, приєднаний до трьох інших атомів або лігандів, якими можуть бути молекули чи іони. Однак більшість боренієвих катіонів швидко руйнуються при контакті з повітрям або світлом. Крім того, вони відносно тьмяні, з квантовим виходом лише близько одного відсотка. Квантовий вихід це співвідношення флуоресцентних фотонів, що випромінюються, до фотонів світла, що поглинаються.

Гілліард зазначає, що стабільність та яскравість червоних барвників є основними викликами, які команда намагалася подолати в цьому дослідженні. У статті, опублікованій у 2022 році, Гілліард та його колеги стабілізували боренієві катіони за допомогою лігандів, які називаються карбодикарбенами. Це зробило їх достатньо стабільними для роботи на відкритому повітрі.

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Chemistry, команда Гілліарда експериментувала зі зміною протиіона боренієвого іона, щоб додатково змінити властивості барвника. Протиіон це негативно заряджений іон, який супроводжує боренієвий іон, щоб зробити загальну речовину електрично нейтральною. Наприклад, у кухонній солі хлориді натрію позитивно заряджений іон натрію є протиіоном до негативно зарядженого іона хлориду, і навпаки.

Дослідники виявили, що зміна протиіонів змістила властивості випромінювання та поглинання барвника до інфрачервоного кінця спектра. Це також призвело до вищого квантового виходу. Гілліард каже, що тепер вони не лише знаходяться в правильному діапазоні спектра, але й ефективність молекул також дуже підходяща.

За словами вченого, квантовий вихід у червоному діапазоні досяг показників у тридцять з лишком відсотків, що вважається високим для цієї області електромагнітного спектра. Це значне покращення порівняно з попередніми боренієвими катіонами, які мали квантовий вихід лише близько одного відсотка.

Команда продемонструвала, що барвник можна виготовляти у формі кристалів, плівок, порошків та колоїдних суспензій у рідині. Це свідчить про те, що його можна використовувати в широкому спектрі застосувань. Різноманітність форм, у яких може існувати барвник, відкриває можливості для його інтеграції в різні системи та пристрої.

Зараз дослідники працюють над тим, щоб розширити випромінювання світла далі в близький інфрачервоний діапазон шляхом включення більшої кількості атомів бору в структуру молекули. Це може ще більше покращити властивості барвника та розширити можливості його застосування.

Потенційні застосування цього барвника є різноманітними. Як молекулярні термометри, ці сполуки можуть відігравати важливу роль у логістиці фармацевтичних препаратів. Багато ліків та вакцин вимагають суворого контролю температури під час зберігання та транспортування. Порушення температурного режиму може призвести до втрати ефективності або навіть повної непридатності препаратів. Використання флуоресцентних барвників, які змінюють колір при зміні температури, дозволить швидко виявляти випадки порушення умов зберігання.

У сфері біомедичної візуалізації барвники червоного та близького інфрачервоного діапазону мають значні переваги. Їхня здатність проникати глибоко в тканини дозволяє отримувати чіткіші зображення внутрішніх структур організму. Це особливо важливо для діагностики та моніторингу онкологічних захворювань, де необхідно візуалізувати пухлини, розташовані глибоко в тілі.

Можливість використання барвника в органічних світловипромінюючих діодах відкриває перспективи для створення нового покоління гнучких дисплеїв. Органічні світловипромінюючі діоди мають переваги перед традиційними технологіями завдяки своїй гнучкості, легкості та потенційно нижчій вартості виробництва.

Дослідження демонструє, як фундаментальні хімічні інновації можуть призводити до практичних застосувань у різних галузях від медицини до електроніки. Подальша робота команди Гілліарда над покращенням властивостей барвника може призвести до ще більш широкого спектра застосувань цієї технології.