Сибирский федеральный университет

Флуоресцеин — это краситель, и с его помощью можно окрашивать самые разнообразные миниатюрные объекты: живые клетки, системы доставки лекарств, ферменты, белки, биополимеры, мицеллы, углеродные нанотрубки. Вещество имеет вид оранжево-красных кристаллов и растворяется в воде, главное его достоинство — щедрость, с которой возбуждённые молекулы флуоресцеина испускают яркое зеленоватое свечение. Запустив в человеческий организм частицы, окрашенные флуоресцеином, легко отследить их движение — свечение легко регистрируется приборами, и мы узнаем, было ли доставлено лекарство в повреждённый орган, к примеру. Или поймём, где в теле пациента развивается новообразование. В отличие от биолюминесцирующих меток, которые светятся по принципу живых светлячков и «сами себе хозяева», флуоресцеин нуждается в возбуждении извне — на него нужно направит луч света, и они тут же вернут его, едва успев поглотить.

Флуоресцеин как представитель обширного семейства ксантеновых красителей был синтезирован более ста лет назад и за это время, казалось бы, хорошо изучен. Однако, как утверждают исследователи, основательно изученный «светящийся агент» до сих пор таит в себе некоторые секреты — до сих пор не изучена структура спектров флуоресценции в широком диапазоне рН, и «виноват» в этом перенос протона, который происходит, когда молекулы вещества находятся в возбуждённом состоянии.

«Между тем поглощением кванта света и испусканием его в виде флуоресценции проходит совсем немного времени, каких-нибудь несколько наносекунд, но событий за это время (в масштабе квантовой системы) происходит целое множество. В эти события включена сама молекула и её ближайшее окружение — молекулы растворителя, и это, конечно, влияет на наблюдаемый результат — флуоресценцию с её интенсивностью и длиной волны (цветом). Если разобраться в механизмах темновых процессов, предшествующих свечению, то на этой основе можно создать очень чувствительный сенсор на состояние окружения молекулы. На этой основе работают все оптические сенсоры и флуоресцеин, в частности. Одним из важных, конкурентных испусканию, процессов у флуоресцеина является перенос протона в возбуждённом состоянии. А это значит, что молекула, обладающая очень яркой зелёной люминесценцией, является сенсором на наличие протонных групп, т. е. на кислотность или pH окружения. Используя все преимущества оптических сенсоров, флуоресцеин можно применять для определения локальной кислотности очень специфических и малодоступных биологических объектов, например, живых клеток», — отметила профессор базовой кафедры фотоники и лазерных технологий СФУ Евгения Слюсарева.

«Мы проанализировали данные измерений, полученные методом абсорбционной и стационарной флуоресцентной спектроскопии, и результаты расчётов на основе нестационарной теории функционала плотности. Благодаря сочетанию эксперимента и теории в решении проблемы нам удалось получить уникальную информацию о поведении в возбуждённом состоянии разных ионных форм флуоресцеина. Мы полагаем, что эти данные в дальнейшем могут быть использованы при создании высокочувствительного сенсора, работающего по принципу „включение-выключение“ процесса переноса протона между ионными формами флуоресцеина или его производных», — рассказала Марина Герасимова, старший преподаватель кафедры общей физики СФУ.

«В своей работе мы вносим вклад в понимание природы и эффективности переноса протона в возбуждённом состоянии. Мы описали этот процесс на языке квантовой химии, энергетики, скоростей протекающих процессов. Это позволит перейти с эмпирического языка на язык строгих количественных оценок. Это интересно и с фундаментальной точки зрения, чтобы проникнуть в секреты природы, дополнить знания о семействе ксантенов и других люминофоров, в том числе полученных из медуз зелёных светящихся белков (green fluorescent protein, GFP), и с практической — достичь решения задач биосенсорики гораздо более высокого уровня», — резюмировала Евгения Слюсарева.

Помимо учёных СФУ и Института физики ФИЦ КНЦ СО РАН, участие в работе принимали исследователи Университета Невады (Рино, США) и Национального института передовых промышленных наук и технологий (Цукуба, Япония).