Науковці розробили пігмент, що дозволяє відстежувати температуру медикаментів та вакцин.

Новий флуоресцентний барвник змінює колір залежно від температури і може використовуватися як молекулярний термометр для моніторингу умов зберігання.

Дослідники розробили новий тип флуоресцентного барвника, який реагує на зміни температури, випромінюючи світло різних кольорів. Ця інновація може стати основою для створення так званих молекулярних термометрів, призначених для моніторингу умов зберігання чутливих речовин, таких як ліки та вакцини під час транспортування.

Барвник випромінює світло в червоному та інфрачервоному спектрах. Його можна інтегрувати у тонкі плівки для застосування в органічних світлодіодах, що використовуються в гнучких дисплеях, або ж інкапсулювати в полімери для введення в організм, що дозволяє використовувати його в біомедичній візуалізації.

Роберт Гілліард, професор хімії в Массачусетському технологічному інституті, наводить пояснення щодо вибору саме цього спектрального діапазону. Він зазначає, що барвники червоного та близького інфрачервоного спектра мають здатність проникати у тканини та органи значно ефективніше, ніж ультрафіолетове чи видиме світло. Використання червоних та інфрачервоних флуоресцентних барвників дозволяє отримувати більш чіткі зображення пухлин і інших внутрішніх структур, що знаходяться глибоко в тканинах.

Позитивно заряджені іони, відомі як боренієві катіони, випромінюють світло в специфічному спектрі. Ці сполуки складаються з атома бору, який зв'язується з трьома іншими атомами або лігандами, що можуть бути молекулами чи іонами. Проте більшість боренієвих катіонів швидко розпадаються при взаємодії з повітрям або світлом. Додатково, їхня яскравість є відносно низькою, з квантовим виходом, що становить приблизно один відсоток. Квантовий вихід визначає співвідношення між кількістю флуоресцентних фотонів, які випромінюються, та фотонами світла, які поглинаються.

Гілліард зазначає, що стабільність та яскравість червоних барвників є основними викликами, які команда намагалася подолати в цьому дослідженні. У статті, опублікованій у 2022 році, Гілліард та його колеги стабілізували боренієві катіони за допомогою лігандів, які називаються карбодикарбенами. Це зробило їх достатньо стабільними для роботи на відкритому повітрі.

У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature Chemistry, команда під керівництвом Гілліарда проводила експерименти зі зміною протиіонів боренієвого іона, щоб модифікувати властивості барвника. Протиіон є негативно зарядженим іоном, що супроводжує боренієвий іон для забезпечення електричної нейтральності всієї сполуки. Наприклад, у кухонній солі, хлориді натрію, позитивно заряджений іон натрію виконує роль протиіона для негативно зарядженого іона хлориду, і навпаки.

Науковці виявили, що зміна протиіонів призвела до зсуву характеристик випромінювання та поглинання барвника в бік інфрачервоного діапазону спектра. Це також сприяло збільшенню квантового виходу. Гілліард зазначає, що тепер дослідники не лише досягли оптимального спектрального діапазону, але й ефективність молекул виявилася надзвичайно відповідною.

За словами вченого, квантовий вихід у червоному діапазоні досяг показників у тридцять з лишком відсотків, що вважається високим для цієї області електромагнітного спектра. Це значне покращення порівняно з попередніми боренієвими катіонами, які мали квантовий вихід лише близько одного відсотка.

Команда показала, що барвник може мати різні форми, такі як кристали, плівки, порошки та колоїдні суспензії в рідині. Це вказує на його потенціал для використання в різних галузях. Різноманітність форм, у яких існує барвник, надає можливості для його впровадження в численні системи та пристрої.

В даний час науковці займаються розширенням спектру світлового випромінювання в сторону близького інфрачервоного діапазону, додаючи більше атомів бору до молекулярної структури. Це може суттєво поліпшити характеристики барвника та розширити його потенційні сфери використання.

Потенційні застосування цього барвника є різноманітними. Як молекулярні термометри, ці сполуки можуть відігравати важливу роль у логістиці фармацевтичних препаратів. Багато ліків та вакцин вимагають суворого контролю температури під час зберігання та транспортування. Порушення температурного режиму може призвести до втрати ефективності або навіть повної непридатності препаратів. Використання флуоресцентних барвників, які змінюють колір при зміні температури, дозволить швидко виявляти випадки порушення умов зберігання.

У галузі біомедичної візуалізації барвники червоного та близького інфрачервоного спектра демонструють істотні переваги. Їхня здатність глибоко проникати в тканини сприяє отриманню більш чітких зображень внутрішніх структур організму. Це має особливе значення для діагностики та спостереження за онкологічними захворюваннями, адже візуалізація пухлин, що знаходяться на великій глибині, є критично важливою.

Можливість використання барвника в органічних світловипромінюючих діодах відкриває перспективи для створення нового покоління гнучких дисплеїв. Органічні світловипромінюючі діоди мають переваги перед традиційними технологіями завдяки своїй гнучкості, легкості та потенційно нижчій вартості виробництва.

Дослідження ілюструє, як основні хімічні інновації можуть мати практичні наслідки в багатьох сферах, починаючи від медицини і закінчуючи електронікою. Продовження роботи команди Гілліарда над вдосконаленням характеристик барвника може відкрити нові можливості для використання цієї технології в ще більшій кількості напрямків.