История науки насчитывает немало случаев, когда научные открытия совершались незапланированно, практически случайно. Так, например, был открыт пенициллин А. Флеммингом или СВЧ-излучение П. Спенсером. Вышло так и с флуоресцентными углеродными наночастицами. В лаборатории био- и нанофотоники проводились эксперименты по фемтосекундной лазерной нанохирургии клеток: при помощи импульсов с длиной волны 800 нм и длительностью 100 фс внутри живых клеток проводили локальную деструкцию биоматериала. Когда облученные клетки поместили под флуоресцентный микроскоп, увидели, что в области воздействия наблюдается свечение. Оказалось, что при определенных режимах воздействия остросфокусированного лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона происходит образование флуоресцентных продуктов из органических веществ. Анализ продуктов показал, что они представляют собой флуоресцентные углеродосодержащие наночастицы – т.н. «углеродные точки». Модельные эксперименты подтвердили, что под действием фемтосекундного лазерного излучения подобные флуоресцентные наночастицы могут синтезироваться из типичных биомолекул, таких как аминокислоты и белки.
Это открытие положило начало принципиально новой методике для визуализации внутриклеточных процессов. Обычно для биоимаджинга используют флуоресцентные зонды (красители), которые вводят в клетку либо же инициируют их синтез внутри клетки. В нашем случае при помощи фемтосекундного лазера можно поставить флуоресцентную метку в строго заданной области клетки без использования каких-либо дополнительных агентов.
При помощи углеродных наночастиц можно in situ изучать микрореологию клетки, процессы ремоделирования хроматина и внутриклеточного транспорта, трекинг различных органелл клетки. Углеродные наночастицы обладают интенсивной флуоресценцией в голубой и зеленой области спектра, а в спектре комбинационного рассеяния выявляются D- и G- полосы, характерные для графитоподобного углерода (1350 и 1590 см−1 соответственно). Флуоресцентные углеродные точки не оказывают явного токсического эффекта на живые клетки и, по-видимому, никак не метаболизируются: их можно обнаружить в клетке даже спустя несколько суток. Размер флуоресцентных меток во внутриклеточном материале составляет всего несколько сотен нанометров, а при необходимости можно делать точки и большего размера, увеличив количество энергии в импульсе и время экспозиции.
Результаты данной работы были опубликованы в журнале ACS OMEGA в 2020 году.