Исследователи с кафедры аналитической химии химического факультета МГУ предложили использовать в качестве аналитического реагента обычный хлорофилл — зеленый пигмент растений. В качестве примера такого определения в статье, опубликованной в журнале ACS Sustainable Chemistry and Engineering, они определили в моче концентрацию антибиотика неомицина.
Фото: Евгений Павленко, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Евгений Павленко, Коммерсантъ / купить фото
Такой анализ не требуется никаких предварительных операций, говорят авторы работы: достаточно лишь разбавить анализируемый объект в несколько раз водой и смешать с раствором хлорофилла (его выделяли из замороженного шпината) и противоиона – поверхностно-активного вещества наподобие тех, что входят в состав моющих средств. Сосуд с раствором облучают светом красных светодиодов (похожих на фитолампы для выращивания рассады, но без синего цвета). Измерения проводят в инфракрасном диапазоне: хлорофилл светится в нем при облучении красным светом.
Для измерений можно использовать не дорогостоящие приборы, а обычный цифровой фотоаппарат, но с необычным светофильтром – пропускающим только инфракрасный свет.
Но почему же раньше никто не пытался использовать сам хлорофилл как аналитический реагент? Незадолго до выполнения описанной работы исследователи, в основном те же самые, обнаружили новый тип нековалентного взаимодействия (агрегации) частиц в растворе.
«Мы собирались получать синтетические рецепторы для лекарственных веществ с использованием цианиновых красителей, получаемых на кафедре медицинской химии под руководством доцента Татьяны Подругиной,— рассказывает д.х.н., в.н.с. Михаил Беклемишев.— Однако, всего лишь смешав краситель с некоторыми лекарствами в присутствии ПАВ, мы увидели сигнал — резкое усиление люминесценции. Не сразу удалось понять причины этого явления. Постепенно выяснилось, что мы имеем дело с небезынтересным явлением — разгоранием люминесценции красителя в агрегатах».
Вызванная нековалентной агрегацией люминесценция была обнаружена еще в конце 2000-х гг. Если встречаются два крупных органических иона (один из них может быть лекарственным веществом), и у них есть гидрофобные участки (например, углеводородные цепочки), то в воде эти участки непременно соберутся вместе, как масляная капля, образуя гидрофобные домены. В эти домены встроится краситель, который сам гидрофобный и хорошо чувствует себя в гидрофобном окружении – там он и будет светиться при облучении красным светом.
Надо заметить, что излучение красителя инфракрасное – это полезно для приложений таких систем к животным и растительным тканям и организмам, которыми красное и инфракрасное излучение слабее поглощается, чем ультрафиолетовое, синее и зеленое, поэтому можно визуализировать объект на большую глубину. Кроме того, не будет мешать собственная люминесценция тканей.
«Отличие наших систем от описанных выше в следующем,— рассказывает соавтор работы, аспирант кафедры аналитической химии химического факультета МГУ Софья Захаренкова.— Оказалось, необязательно встречаться двум ионам противоположного знака, чтобы образовался агрегат. Можно использовать так называемую самосборку: вместо одного из ионов ввести ПАВ (причем в низкой концентрации, при которой он еще не образует мицелл в растворе). В присутствии лекарства ПАВ собирается в мицеллу, которая и играет роль недостающего противоиона. А дальше все то же самое: образованные углеводородными “хвостами” ПАВ гидрофобные домены охотно примут краситель, чтобы он смог начать светиться».
В ходе работ с цианинами стало ясно, что хлорофилл принадлежит к той же группе гидрофобных красителей и должен вести себя аналогичным образом в присутствии крупного определяемого вещества (в данном случае антибиотика неомицина) и подходящего ПАВ. В образующемся агрегате антибиотик – ПАВ – хлорофилл последний должен люминесцировать. Предположения оправдались. Таким образом, сделан шаг к использованию не синтетических, а «зеленых» (во всех смыслах!) реагентов в химическом анализе. Но основное приложение своих систем исследователи видят не в качестве люминесцентных сенсоров, а для визуализации доставки лекарств в живых организмах.
Использованы материалы статей: Chlorophyll-Based Self-Assembled Nanostructures for Fluorescent Sensing of Aminoglycoside Antibiotics; Sofia A. Zakharenkova, Andrey A. Dobrovolskii, Alexey V. Garshev, Mikhail A. Statkus, Mikhail K. Beklemishev; журнал ACS Sustainable Chemistry Engineering, февраль 2021 г. Aggregation-based fluorescence amplification strategy: “turn-on” sensing of aminoglycosides using near-IR carbocyanine dyes and pre-micellar surfactants; Sofia A. Zakharenkova Ekaterina A. Katkova, Irina A. Doroshenko, Anna S. Kriveleva, Aleksandra N. Lebedeva, Tatyana A. Vidinchuk, Anna V. Shik, Sergei S. Abramchuk, Tatyana A. Podrugina, Mikhail K. Beklemishev; журнал Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, февраль 2021 г.