Ученые разработали новый металлоорганический комплекс на основе пигментов бархатцев и иттербия, способный светиться и производить активные формы кислорода. Такое соединение благодаря способности к свечению потенциально найдет применение в фотоэлектронике, а за счет токсичных свойств активных форм кислорода — в биомедицине при лечении рака. Результаты исследования опубликованы в Journal of Molecular Structure.
При разработке современных электронных и оптических устройств, в частности, солнечных батарей и фотодетекторов, ученые все чаще стремятся использовать комплексы, состоящие из редкоземельных металлов и органических остатков — лигандов. Регулируя условия их синтеза, исследователи контролируют конечную структуру комплексов, определяющую их способность светиться (люминесцировать). Кроме того, при возбуждении видимым светом такие материалы вырабатывают активные формы кислорода — токсичные в большом количестве соединения, разрушающие мембраны, белки и ДНК клеток. Это свойство расширяет возможности применения металлоорганических комплексов в биомедицине, в частности, при борьбе с опухолями. Однако примеров синтеза металлоорганических комплексов, эффективно генерирующих активные форма кислорода, еще недостаточно.
Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) с коллегами разработали комплекс, состоящий из ионов редкоземельного металла иттербия и экстрактов, выделенных из цветов бархатцев (Tagetes patula L.). Для этого авторы высушили и измельчили цветы, а затем растворили в этаноле это сухое вещество. Получившиеся экстракты исследователи смешали со спиртовым раствором ионов иттербия. При этом ученые создали растворы с разными концентрациями ионов иттербия — от 0,865 до 17,3 граммов на литр.
Авторы проверили способность чистых экстрактов и полученных смесей с иттербием поглощать и испускать свет. Оказалось, что экстракты растений преимущественно поглощают ультрафиолетовые лучи, однако после добавления к ним ионов металла пик поглощения сдвигается в область фиолетового света. Такое изменение указывает на формирование металлоорганического комплекса, поскольку сами по себе ионы иттербия поглощают более длинноволновой инфракрасный свет.
Затем авторы облучали соединения синим светом и регистрировали их люминесценцию. Чистые экстракты растений испускали красный свет. При этом авторы обнаружили, что добавление иттербия повысило интенсивность их свечения примерно в 6,3 раза. Исследователи предположили, что поглотившие световую энергию ионы иттербия передавали ее органическим составляющим комплекса, увеличивая таким образом количество энергии, испускаемой комплексами в виде люминесценции.
Кроме того, металлоорганические комплексы, в отличие от экстрактов, испускали оранжево-желтый свет. Появление этого диапазона связано с изменением электронной структуры органических молекул под влиянием иттербия. Также свечение металлоорганических комплексов продолжалось примерно в три раза дольше, чем люминесценция чистых растительных экстрактов.
Ученые заметили, что, помимо прочего, добавление иттербия приводит к генерации комплексом активных форм кислорода. Их образование авторы обнаружили по появлению инфракрасного излучения. С помощью интегрирующей сферы — устройства, позволяющего измерить мощность свечения, — авторы оценили эффективность генерации активных форм кислорода разработанным комплексом. Она оказалась сопоставима с ранее опубликованными данными о металлоорганических комплексах, в состав которых также входил иттербий. Однако, в отличие от предшественников, синтезировать новый комплекс с иттербием быстрее и проще. Таким образом, ученые разработали новый эффективный генератор активных форм кислорода, который потенциально найдет применение в терапии раковых заболеваний.
«Наше исследование открывает новый подход к разработке люминесцентных соединений на основе металлов. Мы предполагаем, что комплекс на основе иттербия будет способен хорошо связывать молекулярный кислород. Это позволит рассматривать созданное соединение как потенциальный сенсор кислорода в различных системах, в том числе биологических. Именно этой теме мы планируем посвятить наши дальнейшие исследования», — рассказывает Анна Цибульникова, старший научный сотрудник НОЦ «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника» БФУ имени Иммануила Канта.
В исследовании участвовали сотрудники Калининградского государственного технического университета (Калининград), Гродненского государственного университета имени Янки Купалы (Беларусь) и Университетского центра Фонда Эрминиу Ометту (Бразилия).