Любопытство по поводу того, как природные молекулы можно превратить в полезные инструменты, привело учёных к разработке новых «умных» материалов на основе алкалоидов хинного дерева — семейства растительных соединений, которые когда-то ценились за лечение малярии и заболеваний сердца. Эти крошечные материалы ведут себя почти как химические компьютеры, светясь или меняя цвет, чтобы показать наличие определённых веществ.
Исследование провели Никола Агиус и профессор Дэвид Магрис из Университета Мальты, а также Кэтрин Эштон и доктор Хелен Уиллкок из Университета Лафборо. Их работа, опубликованная в журнале RSC Advances, показывает, как молекулы, вдохновлённые природой, можно преобразовать в интеллектуальные материалы, способные обнаруживать минералы, необходимые для здоровья человека.
Профессор Магрис сказал, что команда «продемонстрировала флуоресцентные полимеры на основе натуральных продуктов как интеллектуальные материалы с устойчивыми источниками», подчеркнув их цель — создать сенсорные технологии, которые были бы эффективны и при этом экологически ответственны.
Команда профессора Магриса смешала алкалоиды хинного дерева — хинидин, хинин, цинхонин и цинхонидин — с водорастворимым химическим веществом — акриламидом, чтобы создать четыре новых полимера. Каждый полимер невероятно мал, в тысячи раз тоньше человеческого волоса, но при этом светится ярко-синим светом под ультрафиолетом — невидимым излучением, которое делает флуоресцентные вещества видимыми для человека. Это свечение показывает, что природный блеск алкалоидов сохраняется даже после того, как их объединили в длинную полимерную цепь — структуру, построенную путём последовательного соединения множества небольших молекул.
Во время лабораторных испытаний полимеры вели себя как крошечные логические схемы. Они загорались в кислой среде, но гасли при добавлении солей, таких как хлорид, бромид или йодид. Когда в воде вместе присутствовали и кислота, и йодид, материал менял цвет с бесцветного на жёлтый, эффективно выполняя операцию «И» — логический термин, заимствованный из вычислений, который означает, что для получения результата должны быть выполнены оба условия. Это видимое преобразование позволяет обнаружить йодид так же просто, как наблюдая за изменением цвета жидкости.
Профессор Магрис объяснил, что йодид — важный для здоровья человека минерал, помогающий предотвратить заболевания щитовидной железы, такие как зоб. «Правительственные органы здравоохранения могут найти эту технологию полезной для обеспечения соблюдения производителями продуктов питания и напитков строгих норм содержания йода в питьевой воде и пищевых продуктах», — сказал он.
Изменение цвета, как обнаружила команда, происходит из-за деликатного электрического притяжения, известного как π–анионное взаимодействие. Проще говоря, это слабое, но важное притяжение между отрицательно заряженными иодид-ионами и положительно заряженными участками внутри полимера. Это нежное натяжение смещает движение электронов внутри макромолекулы, заставляя её поглощать и отражать свет по-другому — что наши глаза воспринимают как жёлтый цвет.
Интересно, что полимеры на основе хинного дерева оказались более чувствительными, чем их более простые версии, состоящие из одной молекулы. Они обнаруживали йодид даже в следовых количествах и делали это быстро. Это происходит потому, что заряженная среда полимера усиливает эти тонкие электрические эффекты, позволяя химической реакции усилиться и стать более заметной.
Не менее важно, что исследователи подтвердили: яркость полимеров на основе хинидина и хинина была такой же интенсивной, как у исходных природных молекул. Другими словами, превращение их в полимеры не уменьшило их свечение. Характерная синяя флуоресценция хинина, которая долгое время использовалась в качестве эталона в фотохимии для измерения светового излучения, остаётся такой же яркой в этих новых материалах, как и в природе.
За пределами лаборатории эта работа указывает на более широкую идею: химию можно использовать для имитации логики принятия решений компьютеров. Концепция, известная как молекулярная логика, использует изменения света или цвета для сигнализации результата, подобно тому как цифровая электроника использует единицы и нули. Преобразуя простые химические входные данные, такие как кислотность или концентрацию соли, в видимые цветовые выходные данные, эти умные материалы могут стать основой будущих датчиков для медицинских исследований, мониторинга окружающей среды или даже вычислительных систем молекулярного масштаба.
В будущем Магрис и его команда надеются углубить своё понимание того, как эти молекулярные взаимодействия производят такие чёткие визуальные эффекты. Они также планируют адаптировать тот же подход для обнаружения других биологически или экологически важных ионов. «В настоящее время проводятся исследования, чтобы лучше понять это супрамолекулярное взаимодействие», — пояснили исследователи, имея в виду то, как молекулы организуются и взаимодействуют, не образуя прямых химических связей. Их текущая работа отражает растущее движение в химии к созданию умных, устойчивых материалов, которые учатся у природы, но служат современным потребностям.
Об авторах
Никола Агиус завершила обучение и получила степень магистра в области химии под руководством профессора Дэвида К. Магриса, изучая флуоресцентные полимерные логические элементы на основе натуральных продуктов. У неё есть опыт работы в промышленности благодаря стажировкам в компаниях Trelleborg Sealing Solutions и Smart Materials Ltd., стартапе по производству аукситических пен. Она присоединилась к Calvino Group в качестве стажёра, исследуя реактивные полимерные сети в качестве обратимых умных материалов с двойным стимулом. Её академические достижения включают награду декана за выдающиеся достижения в магистратуре, премию Medichem за органическую химию и премию Torrent за аналитическую химию. Никола начинает свою докторскую диссертацию по метаматериалам в Университете Мальты, разрабатывая полимеры, меняющие форму.
Доктор Кэти Эштон — старший биохимический исследователь в Центре окружающей среды Ланкастера, Ланкастерский университет. Она получила степень магистра в области химии в Ланкастерском университете и докторскую степень в области химии и материаловедения в Университете Лафборо. Её докторская диссертация была посвящена разработке макромолекулярных агентов для магнитно-резонансной томографии и оптической визуализации. После смены дисциплины Кэти теперь работает в области биохимии, анализируя белки и ферменты, которые играют ключевую роль в механизме фотосинтеза, чтобы способствовать повышению продуктивности и устойчивости к климату таких культур, как вигна и соя.
Хелен Уиллкок — старший преподаватель кафедры материаловедения в Университете Лафборо, возглавляющая разнообразную и междисциплинарную группу, занимающуюся контролем свойств полимеров путём настройки архитектуры и функциональности. Исследования Хелен сосредоточены на разработке полимерных частиц и нанокомпозитов, особенно для приложений в области сенсорики и визуализации. Она имеет большой опыт работы с промышленностью и входила в команду, которая выиграла награду RSC Industry-Academia Collaboration Award в 2018 году. Она является председателем Macro Group UK — группы Королевского химического общества (RSC) и Общества химической промышленности (SCI) по чистой и прикладной макромолекулярной химии.
Дэвид Магрис — профессор Университета Мальты, возглавляющий исследовательскую группу, разрабатывающую интеллектуальные молекулы и материалы на основе логики. Он получил степень бакалавра с отличием (4 года) и докторскую степень в Западном университете в Лондоне, Онтарио, Канада, и был постдокторантом в Королевском университете в Белфасте, Северная Ирландия, у профессора А. П. де Силва. После четырёх лет преподавания в Канаде в Университете острова Принца Эдуарда, Онтарио Текнолоджи и Университете Акадия он отправился на архипелаг — Республику Мальта, расположенную в Средиземном море. Он дважды удостаивался награды Malta Science Innovation Award. На 8-й Международной конференции по молекулярным датчикам и молекулярным логическим воротам в Шанхае, Китай, в октябре 2025 года он был удостоен премии Czarnik Emerging Investigator Award.
Ссылка на журнал
Agius, Nicola’; Ashton, Catherine J.; Willcock, Helen; and Magri, David C. “Cinchona alkaloid copolymers as fluorimetric INHIBIT and colorimetric AND logic gates for detection of iodide.” RSC Advances, 2025. DOI: https://doi.org/10.1039/d5ra01281c