Российские ученые приступили к фундаментальным научным исследованиям по созданию новых химических сенсоров, построенных на принципе управления связыванием молекул. Полученные разработки будут использованы для решения целого спектра практических задач, требующих быстрого и точного определения содержания различных соединений. Например, при проведении анализов в медицине или для контроля концентрации вредных веществ в промышленности.
Об этом сообщил победитель четвертого сезона конкурса управленцев «Лидеры России» – руководитель проекта, проректор по науке и инновациям Ивановского государственного химико-технологического университета Юрий Марфин из Иваново (трек «Наука»). «Мы работаем с химическими оптическими сенсорами, а именно, бордипирриновыми люминофорами (BODIPY). Эти соединения отличает два важных фактора. Во-первых, они ярко окрашены и могут флуоресцировать, то есть сами испускают свет. Во-вторых, их структуру очень удобно настраивать под конкретные применения, в том числе для решения задач оптической сенсорики и терапии патологических состояний», – уточнил он.
В медицине оптические сенсоры востребованы не только для проведения анализов биологических жидкостей – крови, мочи, слюны: «Они могут использоваться и внутри организма. Например, когда стоит задача выделить точки локализации раковых клеток, – пояснил ученый. – А вообще область применения оптических сенсоров может быть любой, где нужно точно, качественно и быстро определить какое-либо вещество. Например, в цеху, где происходит синтез химических соединений и нужно контролировать предельно допустимую концентрацию вредных веществ».
Оптические сенсоры одни из самых перспективных, потому что позволяют достичь очень высокой точности. Механизм их действия состоит в следующем: «Сенсор начинает работать, когда происходят направленные изменения в его структуре под действием внешних факторов, например, за счет химического связывания с анализируемым веществом, что приводит к появлению или исчезновению свечения сенсора. Проблема в том, что сенсоры, которые работают по принципу химического взаимодействия, не отличаются высокой избирательностью, и кроме целевого анализируемого вещества могут взаимодействовать с другими молекулами. Такая ситуация не подходит для сложных биологических систем: будет большое число ложных срабатываний сенсора. Поэтому необходимо придумывать более изобретательные способы их работы».
Он подчеркнул, что его работа носит фундаментальный характер и заключается в том, чтобы изобретать такие механизмы: «Мы в меньшей степени занимаемся получением какого-либо конкретного сенсора. Моя главная задача – предложить новый механизм работы сенсоров, который повысит их точность и расширит возможности применения. Далее такой механизм или механизмы можно будет использовать при конструировании конкретных молекул под разные применения. Например, для более раннего определения болезни Альцгеймера, онкологических заболеваний или патологий, связанных с кровеносной системой».
Юрий Марфин сообщил, что сегодня уже существуют и применяются на практике оптические сенсоры, работающие по принципу ассоциации, или агрегации. «Это явление, когда две молекулы сенсора буквально слипаются, вызывая изменение окраски. Раньше это считалось мешающим фактором, так как ухудшало свойства сенсоров. Сейчас мы понимаем, что данным эффектом можно управлять, направленно вызывая или подавляя ассоциацию, – пояснил он. – Наша новая идея, и пока она единственная в мире, заключается в том, чтобы буквально собирать сенсорные системы сначала на границе раздела фаз – растворитель и воздух, а затем переносить их на любые удобные подложки. Это позволит очень точно настраивать сенсорный отклик. Такие сенсоры будут более удобными в использовании, еще более точными и более селективными, то есть смогут выборочно реагировать на содержание анализируемого вещества».
Конструированием сенсоров на основе BODIPY во всем мире занимается только победитель конкурса «Лидеры России» Юрий Марфин с коллегами из Института физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина. В команде проекта – семь химиков, специализирующиеся на органическом синтезе, вычислительной химии и физической химии.
Лаборатория Юрия Марфина занимается темой новых сенсоров уже более десяти лет. Летом 2022 года проект получил поддержку Российского научного фонда в размере 18 млн рублей. Первые итоги работы ученые планируют подвести в течение ближайших трех лет.
В четвертом сезоне конкурса управленцев «Лидеры России» на участие в треке «Наука» было подано более шести тысяч заявок со всей страны: 33 человека стали победителями трека, 18 вышли в суперфинал, девять из них в мае 2022 года вошли в число победителей конкурса.