Учёные из Каунасского технологического университета (КТУ), Литва, создали новые органические соединения, которые действуют как высокочувствительные датчики кислорода. Эти датчики могут точно определять даже малейшие количества кислорода в окружающей среде — информация, которая имеет решающее значение в ситуациях, когда концентрация кислорода может определить успех процесса или даже жизнь человека.
Применение датчиков:
* В медицине: например, для диагностики гипоксии опухоли — состояния, при котором вокруг опухоли практически нет кислорода;
* В пищевой промышленности: для проверки того, не потеряла ли упаковка герметичность;
* В биотехнологии: для точного мониторинга процессов культивирования клеток.
Более того, их работу можно наблюдать невооружённым глазом, а их рекордно высокая чувствительность обеспечивает быстрое и надёжное обнаружение. Исследование [опубликовано](https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0925400525001558) в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.
Фосфоресценция возникает, когда молекула возбуждена и переходит в особое энергетическое состояние, называемое триплетным. Из этого состояния свет излучается дольше, чем при обычной флуоресценции. Эта длительная эмиссия чрезвычайно чувствительна к кислороду: когда молекулы кислорода сталкиваются с возбуждённой молекулой, они захватывают её энергию и подавляют свечение.
Традиционно для достижения фосфоресценции используются комплексы тяжёлых металлов, таких как иридий или платина. Однако эти металлы очень дороги, что значительно увеличивает стоимость конечного продукта. Кроме того, их производные часто токсичны и вредны для окружающей среды. Поэтому их использование особенно проблематично в биологии, медицине или пищевой промышленности, где безопасность является высшим приоритетом, — объясняет Гужаускас, исследователь факультета химической технологии КТУ (CTF).
Альтернатива, открытая учёными КТУ, изготовлена из производных тиантрена. Это органические молекулы, содержащие в своей структуре два атома серы и имеющие уникальную изогнутую, неплоскую структуру.
«Именно атомы серы и специфическая структура молекулы позволяют ей излучать свет в течение длительного времени», — добавляет доктор Гужаускас.
Разработанные соединения демонстрируют рекордную чувствительность, что подтверждается константой Штерна — Вольфа. Для одного из соединений эта константа является одной из самых высоких, когда-либо зарегистрированных для органических, не содержащих металлов датчиков, что позволяет надёжно и быстро обнаруживать даже малейшие количества кислорода.
Эта исключительная чувствительность открывает широкий спектр применений.
«Мы видим особый потенциал в медицине и стремимся найти партнёров, которые могли бы помочь нам оценить биологическую совместимость материалов и изучить их использование в исследованиях клеток или тканей», — говорит Гужаускас.
Соединения могут быть использованы в биомедицинских датчиках и инструментах биовизуализации для мониторинга клеток, тканей или метаболических процессов в режиме реального времени. Они также хорошо подходят для устройств мониторинга окружающей среды, измеряющих уровень кислорода в воде или воздухе, а также для интеллектуальной упаковки в пищевой и фармацевтической промышленности, где они могут проверять целостность продукта.
Кроме того, материалы могут быть адаптированы для использования в защитных чернилах, подлинность которых можно проверить только в определённых условиях, и в различных оптоэлектронных устройствах.
По словам исследователя, синтез этих соединений относительно прост: он основан на хорошо известных химических реакциях, а это значит, что после оптимизации условий производство может быть масштабировано для более широкого применения.
Исследование, проведённое в рамках проекта Технологического и физического научного центра передового опыта (TiFEC), включало работу доктора Расы Керучене и аспиранта КТУ Лукаса Двилиса. По словам исследователей, оно не открывает совершенно новую область, но устанавливает новый стандарт в существующей области. Гужаускас убеждён, что полученные результаты могут заложить основу для крупных научных прорывов.
Предоставлено [Каунасским технологическим университетом](https://phys.org/partners/kaunas-university-of-technology/).