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 присутствие определённых веществ.
Исследование провели Никола Агиус и профессор Дэвид Магри из Мальтийского университета, а также Кэтрин Эштон и доктор Хелен Уиллкок из Университета Лафборо. Их работа, опубликованная в журнале RSC Advances, показывает, как молекулы, вдохновлённые природой, можно переделать в интеллектуальные материалы, способные обнаруживать минералы, необходимые для здоровья человека.
Профессор Магри сказал, что команда «продемонстрировала флуоресцентные полимеры на основе натуральных продуктов как интеллектуальные материалы, полученные из устойчивых источников», подчеркнув их цель — создать сенсорные технологии, которые были бы эффективны и при этом экологически ответственны.
Команда профессора Магри 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 естественный блеск алкалоидов сохраняется даже после того, как их вплели в длинную полимерную цепь — структуру, построенную путём последовательного связывания 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, означающий, что для получения результата должны быть выполнены оба условия. Это видимое преобразование делает обнаружение йодида таким же простым, как наблюдение за изменением цвета жидкости.
Профессор Магри объяснил, что йодид — это 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 выяснили исследователи, происходит из-за деликатного электрического притяжения, известного как взаимодействие пи-анион. 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 по-разному поглощать и отражать свет — 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 слабые электрические эффекты, позволяя химической реакции усиливаться и становиться 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, давно используемая в качестве эталона в фотохимии для измерения светоизлучения, остаётся такой же яркой в этих новых материалах, как и в природе.
Помимо 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.
Заглядывая в будущее, Магри 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», — объяснили 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.
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
Об авторах
Никола Агиус завершила обучение и получила степень магистра в области химии под руководством профессора Дэвида К. Магри, 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, занимающемся производством ауксетических пен. Она присоединилась к группе Calvino в качестве стажёра, исследуя чувствительные полимерные сети в качестве обратимых умных материалов, реагирующих на двойные стимулы. Её научные достижения включают премию 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 Мальтийском университете, разрабатывая полимеры, меняющие форму.
Доктор Кэти Эштон — старший специалист по биохимическим исследованиям в Центре окружающей среды Ланкастерского университета. 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 МРТ 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 применения в области сенсорики и визуализации. Она имеет большой опыт работы с промышленностью и входила в команду, которая выиграла премию RSC за сотрудничество между промышленностью и академическими кругами 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 Магри — профессор Мальтийского университета, возглавляющий исследовательскую группу по разработке интеллектуальных молекул и материалов на основе логики. Он получил степень бакалавра с отличием (4 года) и докторскую степень в Западном университете в Лондоне, Онтарио, Канада, и был докторантом 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 Тех и Университете Акадии он отправился на архипелаг — Республику Мальта, расположенную в Средиземном море. Он дважды становился обладателем мальтийской премии за инновации в науке. На 8-й Международной конференции по молекулярным датчикам и молекулярным логическим воротам в Шанхае, Китай, в октябре 2025 года он получил премию Czarnik Emerging Investigator Award.