<<
>>

Новый экспресс-анализатор для оценки вредности аэрозолей, содержащих наночастицы

В межнациональной лаборатории исследований качества воздуха и здоровья при Технологическом университете Квинсленда создан экспресс- тестер, позволяющий судить о вредности для здоровья человека распыленных в воздухе наночастиц различного химического состава.

Как полагают ученые, именно взвешенные в воздухе наночастицы являются основной причиной возникновения заболеваний сердца и легких.

Прибор направили в институт имени Пауля Шеррера, где специально для Европейского научного общества сконструируют вторую такую же машину.

Детектор определяет два важнейших свойства распыленных в воздухе наночастиц — их токсичность и гигроскопичность. Как говорят ученые, прибор поможет не только точно определять степень вредности выхлопных автомобильных газов, но и устанавливать химическую природу возникновения наночастиц.

Благодаря экспресс-анализатору ученые уже установили, что наночастицы, найденные в выхлопных газах дизельных автомобилей, могут разлагаться на сернистую кислоту, аммиак и воду.

Беспроводный имплант - сенсор на основе НЭМС-технологий

Микросенсор, созданный в Университете Альберты, США, поможет следить за состоянием имплантов и протезов бедра. Беспроводный микросенсор, получающий питание от кинетического движения тела пациента, настолько мал, что может уместиться на кончике шариковой ручки.

Его создание стало возможным благодаря последним исследованиям в области микро- и нанотехнологий, а также НЭМС-систем.

Имплантированный сенсор позволяет следить за процессом заживления переломов бедра, а также за состоянием имплантов и протезов искусственных суставов. Кроме того, с помощью сенсора можно проследить за процессом остеоинтеграции, показывающим, насколько хорошо «прижился» тот или иной имплант.

Теперь беспроводный сенсор позволяет не использовать рентгеновские снимки, которые необходимы для контроля за состоянием протеза.

О применении квантовых наносистем в медицинской диагностике

В последнее время в наноэлектронике и микросистемной технике появилось много продуктов, использующих квантовые наносистемы. Как оказалось, квантовые точки могут не менее широко использоваться и в медицине.

Квантовые точки — это наночастицы полупроводников (селенид кадмия, например), ведущие себя как отдельные атомы. Они могут поглощать световые волны, перемещая электроны на более высокий энергетический уровень, и выделять свет при переходе электронов на низкоэнергетический уровень. Благодаря этому свойству их и используют в качестве флуоресцентных меток. Обычно размеры квантовых точек измеряются десятками нанометров.

Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. Самыми первыми квантовыми точками были микрокристалльг селенида кадмия CdSe. Электрон в таком микрокристалле чувствует себя как электрон в трехмерной потенциальной яме, он имеет много стационарных уровней энергии с характерным расстоянием между ними (точное выражение для уровней энергии зависит от формы точки).

Полупроводниковые квантовые точки уже давно зарекомендовали себя в микро- и наноэлектронике. На их основе могут вскоре появиться сверхчеткие цветные дисплеи нового типа, приборы ночного видения высокого разрешения, быстродействующие процессоры и многое другое.

Однако в медицинской отрасли на квантовые точки возлагаются не меньшие надежды. В первую очередь, их применение связано с диагностикой и лечением раковых заболеваний. Диагностика рака на ранних стадиях развития заболевания может быть проведена именно с помощью флуоресцентных квантовых точек.

Ряд физических свойств квантовых точек делает их идеальными кандидатами для маркирования и последующей диагностики опухолей. Основным преимуществом квантовых точек является то, что на их поверхность можно легко нанести биологические маркеры — белки, фрагменты ДНК и РНК, обладающие сильной адгезией к определенному виду клеток.

Другое, не менее важное свойство квантовых точек — их высокая яркость при флуоресцировании.

Недавно ученым из Корнелльского университета удалось синтезировать квантовые точки, которые могут использоваться в исследованиях клетки. С помощью оптического микроскопа мы не можем проследить за перемещением отдельных молекул внутри живой клетки, а с помощью электронного микроскопа отдельные молекулы видны, но для этого клетку приходится умертвить. Однако если снабдить квантовые точки специальными маркерами, то можно прикрепить эти наносистемы к отдельным типам молекул. Для клетки это не представляет вреда, и, что самое главное, результаты видны в оптический микроскоп благодаря флуоресценции маркеров, поэтому исследователи используют квантовые точки в биологических исследованиях.

Что же нового удалось привнести в уже отлаженную процедуру исследований ученым из Корнелла? Во-первых, обычные квантовые точки химически активны, а это может негативно повлиять на исследования, проводимые с их использованием. Во-вторых, они в 30 (газ ярче обычных, что позволило «высвечивать» внутри клетки отдельные молекулы. И, в-треть- их, они могут присоединяться только к тем молекулам, маркеры которых исследователи «запрограммируют» в квантовой точке. Все эти выгоды ученым принесла новая архитектура построения наночастиц: теперь квантовая точка — это довольно сложное программируемое наноустройство.

Новая технология, разработанная исследователями, заключается в том, что квантовые точки обрабатывают, нанося на них специальное кремниевое покрытие, и добавляют специфические метки, которые позволяют придавать «Cornell Dot» различные свойства.

Так, например, можно сделать квантовые точки флуоресцентными и использовать их для исследования живых тканей с помощью оптической микроскопии.

«С помощью наших квантовых точек ученые могут проводить исследования, которые без их использования невозможны», — сказал Ульрих Вайснер, профессор материаловедения из Корнелльского университета.

«Cornell dots», или «CU dots» — наночастицы (рис.

6.24), состоящие из ядра диаметром 2,2 нм, помещенного в кремниевую оболочку, содержащую молекулы флуоресцентной краски. Диаметр наночастицы целиком — 25 нм. Ученые назвали такое строение квантовой точки архитектурой ядро-оболочка.

Ранее для нанесения на поверхность квантовой точки белкового маркера был необходим дорогостоящий производственный процесс, который состоял в том, что квантовую точку инкапсулировали в полимер. Переход на кремний позволил значительно сократить стоимость диагностики и, как следствие, сделать ее общедоступной для больниц (для ранней диагностики рака, например).

В контрольном исследовании ученые выявили раковые клетки в образце ткани человека, больного лейкемией (рис. 6.25). Антитела иммуноглобулина Е (IgE), расположенные на поверхности раковых клеток, связывались с наночастицами, а результат было видно в оптический микроскоп.

Оптические свойства новых квантовых точек довольно необычны. Физики задались вопросом: почему эти квантовые точки такие яркие? Ведь суммарная яркость всех частей одной наночастицы меньше всей световой энергии, излучаемой ею. Было предложено несколько объяснений. Одно из них заключается в том, что кремниевая оболочка защищает флуоресцентные метки от контакта со средой.

Другая команда исследователей из Университета Джорджии и Университета Атланты наглядно продемонстрировала, как могут квантовые точки «ловить» опухоли и показывать их врачам.

Ученые использовали свойство, характерное только для нанокристаллов, — это интенсивная люминесценция в ответ на облучение с определенной частотой. Его-то ученые и используют для нахождения и визуализации опухоли. Профессор Шумин объясняет, что сложнейшее

Рис. 6.25. Присоединение «CD dots» к антителу имму- ноглобулину-G, расположенному на поверхности раковых клеток

определение точной дислокации опухоли теперь можно осуществить, всего лишь впрыснув пациенту раствор квантовых наномаркеров.

Дело в том, что опухоли выращивают дополнительные кровеносные сосуды, и система этих сосудов очень пористая и разветвленная, что позволяет микроскопическим кристалликам в ней накапливаться.

Такой процесс визуализации злокачественного образования называют пассивным. Но есть и другой путь — активный. Он дает более быстрые и, главное, более точные результаты. Квантовые точки могут быть химически связаны с биологическими молекулами типа антител, пептидов, белков или ДНК. И эти комплексы могут быт ь спроектированы так, чтобы обнаруживать другие молекулы, типичные для поверхности раковых клеток.

В опыте кристаллы нанометровых размеров селенида кадмия были соединены со специфическим антителом, реагирующим с молекулой- антигеном на поверхности клеток опухоли, привитой мышам (рис. 6.26).

Рис. 6.26. Квантовые точки в клетках мыши

В предыдущих похожих исследованиях биологи сталкивались со следующей проблемой: квантовые точки, введенные в организм, оказывались недолговечными.

Нужно было найти способ защитить их каким-то щитом, сохраняя в то же время все их способности по обнаружению и высвечиванию опухоли. Это и удалось группе ученых из Атланты.

Эти медицинские достижения, без сомнения, впечатляют. Медики вскоре получат еще один мощный инструмент диагностики — квантовые точки. Их «умное» использование в медицине только начинается.

<< | >>
Источник: П.П. Мальцев. Нанотехнологии. Наноматериалы.. 2008

Еще по теме Новый экспресс-анализатор для оценки вредности аэрозолей, содержащих наночастицы:

  1. Новый экспресс-анализатор для оценки вредности аэрозолей, содержащих наночастицы