Питерские учёные заставили светиться ДНК с помощью серебра
Российским учёным с физического факультета СПбГУ удалось стабилизировать кластеры серебра в растворе с помощью наночастиц ДНК. Это позволило создать химически стабильные биосовместимые флуоресцентные метки с высокой яркостью. Такие флуоресцентные метки применяют в биологии и медицине для визуализации различных процессов в клетке или различных морфологических структур.
Учёные выбрали серебро потому, что известно, что серебряные кластеры, состоящие из нескольких атомов, обладают повышенной яркостью и фотостабильностью по сравнению с традиционно используемыми красителями и квантовыми точками. Кроме того, что особенно важно для биомедицинских приложений, кластеры серебра не токсичны.
Питерские учёные впервые предложили метод создания таких люминесцирующих наночастиц. Он основан на уникальной природной способности полимерной молекулы ДНК к самоорганизации. ДНК может образовывать компактные структуры при взаимодействии с короткими поликатионами – такими как полиамины.
Кластера — как использовать в скальпинге, Обучение Кластерному Анализу | Секрет 99% — Трейдеров
В итоге получается полимерная глобула, внутренние слои которой содержат нанокластеры серебра. Внешние же её слои защищают эти кластеры от окислительного разрушения в растворе. При этом внутри глобулы возможна концентрация большого числа кластеров серебро-ДНК, что существенно увеличивает яркость частицы, а значит, и чувствительность методов люминесцентной микроскопии.
Сегодня существует порядка нескольких десятков ведущих научных групп за рубежом, занимающихся исследованиями серебряных кластеров и кластеров на основе других металлов, стабилизированных полимерами. Исследования в этой области начались менее десяти лет назад, и многие, как практические, так и фундаментальные вопросы ещё не решены. «Мы же подключились к решению этих задач менее двух лет назад. Однако предложенные нами методы и подходы наряду с доступностью современного научно-исследовательского оборудования позволяют нам конкурировать с ведущими мировыми коллективами», – рассказывает STRF.ru сотрудник лаборатории молекулярной биофизики Алексей Кононов.
Питерские учёные впервые смогли объяснить, почему одни кластеры металл-ДНК могут люминесцировать, а другие нет. Авторскому коллективу удалось провести теоретические расчёты и показать, что люминесцировать будут лишь те кластеры ДНК с металлом, которые имеют нитевидную структуру, то есть когда атомы серебра вытянуты в цепочку. Кластеры серебра, образующие планарные и сферические структуры, обладают люминесцирующими способностями в гораздо меньшей степени.
Рассчитанная структура кластера серебра из трёх атомов, стабилизированных ДНК
Это наблюдение позволяет вырабатывать дальнейшую стратегию на целенаправленное создание ДНК-матриц, стабилизирующих именно нитевидную форму кластеров. Проведение расчётов для таких сложных объектов требует весьма значительных вычислительных ресурсов и доступно далеко не всем научным группам в мире. На помощь учёным пришли коллеги из суперкомпьютерного комплекса «Ломоносов» Московского университета, уникальная политика которого позволила получить совершенно бесплатный доступ к вузовским мощностям. Ряд же экспериментальных результатов стал возможен благодаря доступу к весьма дорогостоящему оборудованию ресурсных центров Санкт-Петербургского университета, предоставляющих свои услуги всем сотрудникам университета, участвующим в научных проектах, на бесплатной основе.
Зачем нужны кластеры, и кому это выгодно?
Люминесцирующие кластеры металлов являются основой для создания принципиально новых биопроб для медицинской диагностики. Их повышенная фотостабильность открывает также возможность их использования в качестве излучателей в оптоэлектронике, а также в качестве активной среды при создании лазеров. С фундаментальной точки зрения изучение кластеров металлов позволит сформулировать основные принципы кластерной физики и построить модель, адекватно описывающую электронное строение и физические свойства этих объектов, отличающиеся как от атомов, так и от больших наночастиц металлов размером порядка десятков и сотен нанометров.
Схема из статьи в The Journal of Physical Chemistry – ВМ
Дальнейшее развитие методик создания наноструктур металл-ДНК позволит существенно продвинуться в области медицинской диагностики различных заболеваний на генном уровне, т.е. станет возможным определение генов, ответственных за развитие многих болезней, на самых ранних стадиях диагностики. Для создания так называемых сайт-специфичных биомаркеров можно использовать уникальную чувствительность люминесцентных свойств кластеров металлов, как к химической структуре ДНК-матрицы, так и к её окружению. Иными словами, структура металл-ДНК может использоваться в качестве уникального люминесцентного зонда для биодиагностики.
Источник: www.vechnayamolodost.ru
Кластеры из нескольких атомов серебра во флуоресцентных сенсорных технологиях Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»
Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Демченко А. П., Канюк М. И.
Кластеры из нескольких атомов серебра имеют уникальные оптические свойства, позволяющие рассматривать их как эффективную замену органическим красителям в различных флуоресцентных сенсорных технологиях . Описаны их свойства и примеры использования, техника создания и стабилизации с помощью различных высокомолекулярных и низкомолекулярных матриц. В частности, очень простыми являются методы получения кластеров с применением химических восстановителей, а также восстановления под действием света. Продемонстрировано применение кластеров серебра для мечения ДНК и создания ДНКсенсоров на основе их гибридизации с последующим детектированием флуоресценции кластеров. Чрезвычайно быстро развиваются другие перспективные направления, в частности детектирование ионов и мечение живой клетки, как в плане фундаментальных исследований, так и учитывая широкие возможности практического применения.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Демченко А. П., Канюк М. И.
Ультрадисперсные флуоресцентные алмазы в нанотехнологии
Наноалмазы для флуоресцентных клеточных и сенсорных нанотехнологий
Наноалмазы для флуоресцентных клеточных и сенсорных нанотехнологий
Нанобиотехнология: путь в новый микромир, созданный синтезом химии и биологии
Зеленый флуоресцентный протеин и его аналоги
i Не можете найти то, что вам нужно?
Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
CLUSTERS FROM A FEW SILVER ATOMS IN FLUORESCENT SENSORY TECHNOLOGIES
Clusters out of several silver atoms possess unique optical properties that allows considering them as efficient substitutes to organic dyes in different fluorescente sensor technologies. The properties of these clusters and examples of their applications, techniques of synthesis and stabilization in different macromolecular and lowmolecular matrices were described. In particular, the methods of cluster obtaining with chemical reducing agents, as well as the recovery in response to light were very simple. Application of silver clusters for DNA labeling and a DNAsensors creating were demonstrated on the basis of their hybridization followed by cluster fluorescence detection. Other prospective areas of application developed extremely fast, including ion detection and living cell labeling, both in terms of basic research and in view of ample opportunities for practical application.
Текст научной работы на тему «Кластеры из нескольких атомов серебра во флуоресцентных сенсорных технологиях»
УДК 577 (087.1 + 112.4)
КЛАСТЕРИ З ДЕКІЛЬКОХ АТОМІВ СРІБЛА У ФЛУОРЕСЦЕНТНИХ СЕНСОРНИХ ТЕХНОЛОГІЯХ
Кластери з декількох атомів срібла мають унікальні оптичні властивості, що дозволяє розглядати їх як ефективну заміну органічним барвникам у різних флуоресцентних сенсорних технологіях. Описано їхні властивості і приклади застосування, техніку створення і стабілізації за допомогою різних високомолекулярних та низькомолекулярних матриць. Зокрема, дуже простими є методи одержання кластерів із використанням хімічних відновників, а також відновлення під дією світла.
Продемонстровано застосування кластерів срібла для мічення ДНК та створення ДНК-сенсорів на основі їх гібридизації з наступним детектуванням флуоресценції кластерів. Надзвичайно швидко розвиваються інші перспективні напрями, зокрема детектування іонів та мічення живих клітин, як у плані фундаментальних досліджень, так і з огляду на широкі можливості практичного застосування.
Ключові слова: флуоресценція, кластери атомів срібла, сенсорні технології.
У біосенсорних та сенсорних технологіях триває пошук методів з якомога ширшим колом застосування і з найвищою абсолютною чутливістю. Йде невпинне вдосконалення методу, який найбільшою мірою відповідає цим вимогам, — методу флуоресценції. В минулі часи його розвиток та впровадження були пов’язані з органічними барвниками. Чималий набір цих барвників з різними спектроскопічними параметрами і практично невичерпними можливостями ковалентної модифікації та функціоналізації в біологічних системах забезпечили широке застосування їх у молекулярних та клінічних дослідженнях. Проте виявились і їхні суттєві недоліки, передусім низька фотохімічна стійкість, тобто здатність до вицвітання (фо-тодеградації). Існують принципові обмеження й щодо їхньої яскравості, часу випромінювання тощо.
В останній час дослідники звернули увагу на унікальні спектроскопічні властивості кластерів срібла, що складаються з декількох атомів — Аgn, де п = 2- 8 [1, 2]. Маючи оптичні характеристики, подібні до органічних барвників, вони перевершують їх за величиною молярного поглинання та фо-тостабільністю [3]. Водночас кластери значно менші за розміром порівняно з напівпровід-
никовими наноматеріалами (квантовими точками), які токсичні на рівні клітини та організму. Відсутність цих недоліків у поєднанні зі значними перевагами в оптичних властивостях (таблиця) робить кластери срібла гідними уваги в різноманітних сферах застосування. Цікаві та обнадійливі результати одержано на рівні одиничних молекул для розвитку молекулярно-оптичних і електронних пристроїв майбутнього [4]. Багатообіцяльним є їх використання в молекулярних сенсорах та біосенсорах [5-7], а також у біології клітини [8, 9]. Обговоренню цих питань присвячено цей огляд.
Властивості кластерів срібла
Кластери з кількох (2-8) атомів срібла мають унікальні властивості. Це структури розміром менше 0,5 нм. Їхні властивості принципово відрізняються від добре вивчених більших за розміром наночастинок срібла. Для останніх є характерним плаз-монне поглинання та розсіювання [10]. Локалізовані плазмони — це одночасні коливання електронів, що виникають унаслідок просторового обмеження їх руху в наночас-тинках (деяких) металів. Оскільки їхній розмір значно менший, ніж довжина хвилі
Порівняльні властивості кластерів срібла, органічних барвників та квантових точок
Властивості Кластери срібла Органічні барвники Квантові точки
Розмір (нм) ~0,5 0,5-2 10-20
Молярна екстинція (М-1 см-1) ~105 103-105 ~107
Час життя флуоресценції (нс) 0,5-5 3-5 10-20
Стоксів зсув (нм) До 100 10-60 ~15
Чутливість спектрів до оточення Помірна Різна, часом значна Відсутня
Фотостабільність Стабільні Вицвітають Стабільні
Токсичність Відсутня Різна Потенційно значна
світла, то виникають коливання густини електронів з частотою світла. Спектри екстин-ції містять значну компоненту розсіювання, а також пік плазмонного резонансного поглинання при 380-410 нм. Такі частинки практично не випромінюють світла. Їхні властивості зазнають істотних змін зі зменшенням розміру до кількох атомів (рис. 1).
Змінюються спектральні характеристики кластерів, передусім зникає їх плазмонне поглинання, оскільки колективних коливань електронів уже не існує. Водночас виникають нові смуги поглинання у видимій та ближній ультрафіолетовій (УФ) області завдяки збільшенню відстані між енергетичними рівнями. Кластери срібла стають потужними випромінювачами флуоресценції, і це випромінювання нагадує флуоресценцію органічних молекул. Такі зміни відбуваються тому, що в кластерах атомів металу електрони вже не делокалізовані
й для них характерні дискретні електронні стани і електронні переходи між цими станами. Ці електронні переходи відповідають енергії поглинання та випромінювання світла у видимій області спектра саме так, як і в органічних барвників. Характерною мірою розміру тут є Фермі-довжина хвилі електрона (довжина де Бройля електрона з енергією Фермі). Для срібла вона становить ~0,5 нм.
Фізику цих процесів активно вивчають. Одна з моделей, запропонованих для Аgn, полягає в тому, що поглинання фотона переводить електрон з рівня d до порожнього рівня sp, вищого за енергію від рівня Фермі. Після втрати енергії через релаксації (механізм яких досі невідомий) рекомбінація електрона та «дірки» призводить до випромінювання світла. Для електронних переходів характерна значна сила осцилятора (що визначає ефективність поглинання світла) і високий квантовий вихід випромінювання.
Одновалент- Металеві кластери ний електрон Дискретні рівні
Металеві наночастинки Локалізований плазусний резонанс
Суцільний метал Вільний рух електронів
Плазмонні ефекти Мі-розсіяння
Квазі-неперервні електронні енергетичні стани
Рис. 1. Властивості матеріалів срібла залежно від їхнього розміру.
Зменшення розміру від наночастинок до кластерів з кількох атомів призводить до радикальних змін фізичних властивостей
Дослідження оптичних властивостей кластерів срібла мають довгу історію як в плані наукових досліджень, так і розроблення та вдосконалення матеріалів для фотографії [11]. Дослідження в кріогенних матрицях благородних газів (аргон, криптон) показали, що навіть двох атомів достатньо для спостереження «молекулярного типу» випромінювання з часом життя в кілька наносекунд [12].
Так, для кластерів Аg2 характерні смуги поглинання при 384 нм і емісії — 479 нм. Для кластерів Аg3 в спектрах збудження спостерігаються відносно вузькі максимуми за 321, 386 та 492 нм, а в спектрах випромінювання — дві основні смуги за 374 та 622 нм, що відсутні в спектрах димерів. Що стосується кластерів з більшим числом атомів, то їхні властивості вивчено менше, і не існує єдиної думки дослідників щодо класифікації їхніх спектрів [13]. Проте простежується загальна тенденція зсуву спектрів поглинання і випромінювання до великих довжин хвилі зі збільшенням числа атомів Аg.
Створення та стабілізація кластерів
Наведені вище дані слід віднести до передісторії технологічних та, зокрема, біотехно-логічних застосувань. Справжня історія розпочалася тоді, коли було показано можливість створення та стабілізації Аgn-клас-терів за кімнатних температур у водних розчинах дендритних полімерів [14] і молекул ДНК [15-17], які правили за матриці, тобто це молекули, які стабілізують кластери і запобігають росту їх до наночастинок.
Одержувати кластери срібла дуже просто. Увесь процес складається з одного етапу й не потребує значних витрат часу чи коштів. Тут існує декілька методів з використанням розчинних солей срібла, зокрема Аg+NO3-. Дослідник має широкий набір механізмів відновлення іонів до атомів, зокрема застосування хімічних відновлювачів [17], фотовідновлення [18, 19], радіолітичне [20] і навіть ультразвукове [21] відновлення. Відновлення під дією світла відбувається за допомогою утворених у розчиннику фотоелектронів і дозволяє контролювати процес у просторі й часі, що дає значні переваги в біотехнологічних застосуваннях.
Таким чином, складність в одержанні кластерів полягає в застосуванні спеціальних матриць, які обмежують розміри кластерів срібла (Аg2-8), утримують, стабілізують, а потім не дають їм можливості рости далі до наночастинок. Тому без матриць не-
можливо створити стабільні кластери. Такими матрицями можуть слугувати полімерні молекули, що містять багаті на електрони атоми сірки, азоту й кисню. Саме під час взаємодії з ними відбувається стабілізація кластерів. На додаток до використаних вперше поліамідоамінових (ПАМАМ) денд-римерів [14] і однонитчастих сегментів ДНК (ввДНК) [15-17] було запропоновано застосовувати інші полімери, наприклад поліак-рилову [22] та поліметакрилову [23] кислоти.
Низькомолекулярні речовини також можна використовувати як матриці. Зокрема, це показано для барвника тіофлавіну Т [24], похідних тіолів [5, 25, 26] та амінів [19]. Для різних біотехнологій є дуже цікавим застосування пептидів [27, 28] і протеїнів [29].
Механізм взаємодії кластерів з матрицею
Багато авторів стверджують, що за наявності певного типу стабілізаторів та матриць утворюються кластери лише певного типу. Зокрема, зі збільшенням часу опромінення спостерігається збільшення інтенсивності поглинання та флуоресценції в певних смугах, але не поява нових смуг (рис. 2).
Ці спостереження дуже зручні та надійні, оскільки ані вихідні іони срібла, ані наночастинки більшого розміру не флуоресціюють. Усі матеріали, які мають здатність стабілізувати кластери, містять атоми сірки, азоту та кисню, що відомі як атоми, багаті на електрони і здатні бути їхніми донорами в комплексах з перенесенням заряду [30]. Такі центри утворення кластерів є в дендримерах [14], пептидах [28], протеїнах [29] та нуклеїнових кислотах [3, 31].
Варто відзначити, що кластери утворюються під час взаємодії з основами ДНК, а не із сахаридно-фосфатним остовом, як можна було б очікувати у разі первинної електростатичної взаємодії з іонами срібла. Важливо, що саме одноланцюгові сегменти ДНК є найкращими центрами утворення кластерів, і простежуються дуже різні спектроскопічні ефекти при зв’язуванні з різними основами [15], зокрема значна різниця в кольорі флуоресценції (рис. 3). Такі незвичайні властивості привернули увагу теоретиків [32]. Вони можуть бути корисними і в практичному плані, адже це уможливлює ідентифікування однонуклеотидних мутацій [33].
Цікаво, що спостерігається відносно потужна флуоресценція кластерів, утворених у водних розчинах, тобто в умовах, коли має відбуватися її гасіння за відомим механізмом
Источник: cyberleninka.ru
Получение порошкового кластерного серебра
Итак, на основании вышерассмотренных закономерностей, далее проводили исследование влияния технологических параметров распылительной сушки на выход порошкового кластерного серебра (температура, скорость подачи раствора, скорость воздушного потока). В ходе исследования подбирали оптимальные технологические параметры сушки коллоидного раствора кластерного серебра, варьируя настройки: «Inlet», «Aspirator» и «Pump».
Одним из основополагающих факторов, определяющих процесс распылительной сушки, является температура сушки, которая варьируется изменением настройки «Inlet».
Стоит отметить, что оптимальный выбор разности температур на входе и на выходе, является одним из наиболее важных моментов, которые необходимо учитывать при распылительной сушке. Естественно, кроме этого, необходимо учитывать и другие факторы, такие как температура плавления и температура разложения.
Температурой на входе – это температура нагретого сушильного воздуха, т.е. температура сушки. Воздух на нужды сушки подсасывается или выдувается аспиратором через нагреватель. Температура догретого воздуха предварительно измеряется и только затем поступает в сушильную камеру.
Температура воздушного потока не должна превышать точки кипения воды, чтобы отдельные капли испарялись в ходе короткого промежутка времени, в течение которого те находятся в камере. Градиент между влажной поверхностью и ненасыщенным газом ведет к испарению при низких температурах. Конечный продукт отделяется и более не несет термической нагрузки.
Температура на выходе – это температура воздуха с взвешенными твердыми частицами до попадания в циклон. Это результирующая температура теплового и массового баланса в сушильном цилиндре и, таким образом, не подлежит регулированию. В связи с интенсивным теплопереносом и массопереносом, а также потерей влаги частицы могут считаться имеющими такую же температуру, что и газ.
Изменение выхода порошкового кластерного серебра (%) в зависимости от температуры сушки (С) Выход порошкового кластерного серебра – количество продукта на выходе, в процентах от массовой доли кластерного серебра в исходном коллоидном растворе.
Анализ кривой, представленной на рисунке 3.1.2.1, показывает, что выход порошкового кластерного серебра увеличивался в диапазоне температур от 0 до 140 С. При температуре сушки выше (140 ± 1) С, происходило снижение выхода готового продукта, что связано с приближением к температуре плавления повидона (150–180 С). При значениях температур (150 ± 1) С и выше высушенные кристаллы кластерного серебра сильно налипали на стенки аппарата, образуя при этом слой, препятствующий накоплению готового продукта. В связи с этим выход порошкового кластерного серебра резко снижался.
Следующим, не менее важным фактором, который влияет на протекание процесса сушки коллоидных растворов кластерного серебра, является скорость воздушного потока. Данный показатель находится в прямопропорциональной зависимости от настройки «Asparator». Именно с помощью аспиратора воздух на нужды сушки подсасывается или выдувается через нагреватель.
Кривая, приведенная на рисунке 3.1.2.2, показывает увеличение выхода порошкового кластерного серебра с возрастанием скорости воздушного потока от 0 до 35 м3/ч. Данное явление связано с тем, что частицы, захваченные воздушным потоком, тем быстрее попадали в уловитель, чем выше была его скорость.
Значение скорости воздушного потока 35 м3/ч является оптимальным для распылительной сушки коллоидного раствора кластерного серебра и соответствует настройке «Aspirator» на уровне 100 %.
Следующим фактором, влияющим на выход порошкового кластерного серебра, является скорость подачи раствора, которая находится в прямой зависимости от скорости подачи насоса (скорость нагнетания или откачивания). Данный показатель находится в прямопропорциональной зависимости от настройки «Pump».
Оригинал текста доступен для загрузки на странице содержания
Источник: studexpo.net