МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени Н. Э. БАУМАНА
(МГТУ имени Н. Э. Баумана)

Реферат на тему:

Коллоидные кристаллы для биологических инструментов. Технология, особенности, преимущества и недостатки применения.

Студент: Салахетдинова Н.В.

Группа: МТ11 - 81

г. Москва, 2015

Коллоидный кристалл (англ. colloidal crystal) — пространственно упорядоченная система близких по размеру объектов субмикронного размера, свойства которой определяются не только размерами единичных элементов, но и особенностями их взаимного расположения.

Рисунок 1 - двумерные коллоидные кристаллы

Описание

Большинство известных коллоидных систем являются полидисперсными, т. е. характеризуются достаточно широким распределением частиц дисперсной фазы по размерам. В монодисперсных коллоидных системах, состоящих из близких по форме, размеру и характеру взаимодействия между собой частиц, может наблюдаться явление, не характерное для полидисперсных систем, — коллоидная кристаллизация. Этот процесс самопроизвольного упорядочения частиц в периодические пространственные структуры во многом аналогичен происходящему при образовании атомных или молекулярных кристаллов. Нижняя размерная граница используемых для этого частиц определяется высокой интенсивностью броуновского движения частиц размером меньше нескольких нанометров, препятствующего стабилизации протяженных упорядоченных структур; верхняя — слишком малой подвижностью частиц микронного размера, препятствующей залечиванию дефектов формируемой структуры.

Основным методом получения коллоидных кристаллов являются процессы самосборки микросфер коллоидного размера при седиментации под действием силы тяжести, вертикальном осаждении, электрофорезе, нанесении суспензий частиц на вращающуюся подложку и др. При этом большое внимание уделяется характеру (типу) упорядочения частиц и совершенству образующейся пространственной структуры, что особенно важно при использовании этих кристаллов в оптике. Основными типами самопроизвольного упорядочения являются гранецентрированная кубическая и гексагональная плотнейшая упаковки, однако использование специальных синтетических приемов, в частности, использование темплатов, позволяет получать смешанные структуры, структуры с неплотной упаковкой, текстурированные коллоидные кристаллы и т. д. Наряду с получением объемных коллоидных кристаллов, возможно получение и двумерных (2D) кристаллов (пленок) на различных поверхностях, в том числе сложной формы.

Особой разновидностью коллоидных кристаллов, связанной с основной областью их применения, являются фотонные кристаллы. Их специфика определяется высокими требованиями оптических приложений к совершенству и протяженности используемых пространственных структур. Формирование фотонных кристаллов возможно как путем контролируемой самосборки частиц, так и путем высокоточного формирования рельефа тонких пленок при помощи традиционных и современных технологий микро- и наноэлектроники. Упорядоченное поровое пространство коллоидных кристаллов может использоваться в качестве темплата для заполнения другими компонентами с последующим удалением матрицы путем прокаливания или селективного растворения. Наиболее известными коллоидными кристаллами естественного происхождения являются опалы, в которых поровое пространство упорядоченного массива микросфер из кремнезема заполнено гидратированным оксидом кремния. Коллоидные кристаллы образуются и в концентрированных суспензиях некоторых вирусов.

Применение квантовых точек в форме коллоидных нанокристаллов.

Рисунок 2 - Слева: многоцветное конфокальное флуоресцентное изображение распределения квантовых точек на фоне микроструктуры клеточного цитоскелета и ядра в клетках линии THP-1 фагоцитов человека. Нанокристаллы остаются фотостабильными в клетках в течение как минимум 24 часов и не вызывают нарушений структуры и функции клеток. Справа: накопление нанокристаллов, «сшитых» с пептидом RGD в опухолевой области (стрелка). Правее — контроль, введены нанокристаллы без пептида (CdTe нанокристаллы, 705 нм)

Флуорофоры в медицине и биологии

Уникальные свойства КТ позволяют использовать их практически во всех системах мечения и визуализации биологических объектов (за исключением только флуоресцентных внутриклеточных меток, экспрессируемых генетически — широко известных флуоресцентных белков).

Для визуализации биологических объектов или процессов КТ можно вводить в объект непосредственно или с «пришитыми» распознающими молекулами (обычно это антитела или олигонуклеотиды). Нанокристаллы проникают и распределяются по объекту в соответствии со своими свойствами. Например, нанокристаллы разных размеров по-разному проникают сквозь биологические мембраны, а поскольку размер определяет цвет флуоресценции, разные области объекта оказываются окрашенными также по-разному (рис. 5). Наличие распознающих молекул на поверхности нанокристаллов позволяет реализовать адресное связывание: нужный объект (например, опухолевый) окрашивается заданным цветом!

Спектральное кодирование и «жидкие микрочипы»

Как уже указывалось, пик флуоресценции нанокристаллов узок и симметричен, что позволяет надежно выделять сигнал флуоресценции нанокристаллов разных цветов (до десяти цветов в видимом диапазоне). Наоборот, полоса поглощения нанокристаллов широкая, то есть нанокристаллы всех цветов можно возбуждать единым источником света. Эти свойства, а также их высокая фотостабильность, делают квантовые точки идеальными флуорофорами для многоцветного спектрального кодирования объектов — подобно штрих-коду, но с использованием многоцветности и «невидимых» кодов, флуоресцирующих в инфракрасной области.

В настоящее время все шире используется термин «жидкие микрочипы», позволяющие, подобно классическим плоским чипам, где детектирующие элементы расположены на плоскости, проводить анализ по множеству параметров одновременно, используя микрообъемы пробы. Принцип спектрального кодирования с использованием жидких микрочипов иллюстрируется рис. 6. Каждый элемент микрочипа содержит заданные количества КТ определенных цветов, и число кодируемых вариантов при этом может быть очень велико!

Рисунок 3 - Принцип спектрального кодирования. Слева: «обычный» плоский микрочип. Справа: «жидкий микрочип», каждый элемент которого содержит заданные количества КТ определенных цветов. При n уровнях интенсивности флуоресценции и m цветах теоретическое количество кодируемых вариантов равно nm−1. Так, для 5–6 цветов и 6 уровней интенсивности это будет 10000–40000 вариантов.

Такие кодированные микроэлементы могут применяться для прямого мечения любых объектов (например, ценных бумаг). Будучи внедренными в полимерные матрицы, они чрезвычайно устойчивы и долговечны. Другой аспект применения — идентификация биологических объектов при развитии методов ранней диагностики. Метод индикации и идентификации заключается в том, что к каждому спектрально кодированному элементу микрочипа присоединяется определенная распознающая молекула. В растворе присутствует вторая распознающая молекула, к которой «пришит» сигнальный флуорофор. Одновременное появление флуоресценции микрочипа и сигнального флуорофора свидетельствует о присутствии в анализируемой смеси изучаемого объекта.

Для анализа кодированных микрочастиц «на потоке» может использоваться проточная цитометрия. Раствор, содержащий микрочастицы, проходит через облучаемый лазером канал, где каждая частица характеризуется спектрально. Программное обеспечение прибора позволяет выявить и охарактеризовать события, связанные с появление в пробе определенных соединений — например, маркеров раковых или аутоиммунных заболеваний.

В будущем на основе полупроводниковых флуоресцентных нанокристаллов могут быть созданы микроанализаторы для одновременной регистрации сразу огромного числа объектов.

Молекулярные сенсоры

Использование КТ в качестве зондов позволяет измерять параметры среды в локальных областях, размер которых сравним с размерами зонда (нанометровая шкала). В основу действия таких измерительных инструментов положено использование эффекта Ферстеровского безызлучательного резонансного переноса энергии (Förster resonanse energy transfer — FRET*). Суть эффекта FRET заключается в том, что при сближении двух объектов (донора и акцептора) и перекрытии спектра флуоресценции первого со спектром поглощениявторого, энергия передается безызлучательно — и, если акцептор может флуоресцировать, он засветится с удвоенной силой.

Об эффекте FRET мы уже писали в статье «Рулетка для спектроскописта ».

Три параметра квантовых точек делают их весьма привлекательными донорами в системах с FRET-форматом.

1. возможность с высокой точностью подбирать длину волны эмиссии для получения максимального перекрытия спектров эмиссии донора и возбуждения акцептора;

2. возможность возбуждения разных КТ одной длиной волны одного источника света;

3. возможность возбуждения в спектральной области, далекой от длины волны эмиссии (разница >100 нм).

Есть две стратегии использования эффекта FRET:

1. регистрация акта взаимодействия двух молекул за счет конформационных изменений в системе донор—акцептор и

2. регистрация изменений оптических свойств донора или акцептора (например, спектра поглощения).

Такой подход позволил реализовать наноразмерные сенсоры для измерения рН и концентрации ионов металлов в локальной области образца. Чувствительным элементом в таком сенсоре является слой индикаторных молекул, изменяющих оптические свойства при связывании с регистрируемым ионом. В результате связывания перекрытие спектров флуоресценции КТ и поглощения индикатора изменяется, что меняет и эффективность передачи энергии.

Подход, использующий конформационные изменения в системе донор—акцептор, реализован в наноразмерном сенсоре температуры. Действие сенсора основано на температурном изменении формы молекулы полимера, связывающей квантовую точку и акцептор — тушитель флуоресценции. При изменении температуры меняется и расстояние между тушителем и флуорофом, и интенсивность флуоресценции, по которой уже делают вывод о температуре.

Молекулярная диагностика