Соединения ртути вызывают чрезвычайно тяжелые отравления, но большинство существующих сенсоров, определяющих содержание ртути, не идеальны, так как требуют настройки под каждый отдельный случай. Российские ученые из РХТУ им. Д.И. Менделеева, ИНЭОС РАН и других институтов получили новое вещество, способное работать как универсальный сенсор на ртуть, и определять ее опасное содержание вне зависимости от внешней среды. Полученное вещество может люминесцировать, а в присутствии ртути у него меняется характер свечения, что позволяет точно фиксировать наличие токсичного металла и его концентрацию. Эксперименты на клеточных культурах показали, что новое вещество подходит для определения сверхнизких концентраций ртути (вплоть до наномолей на литр), а также оно не токсично и обладает быстрым откликом. Результаты работы опубликованы в журнале Sensors.

Ртуть и ее соединения очень опасны. При отравлениях больше всего страдает нервная система — у людей ухудшается зрение и слух, появляются галлюцинации и мышечные судороги, страдают когнитивные функции и растет раздражительность. А отравиться ртутью можно просто съев рыбу или морепродукты, в которых она накапливается из внешней среды в огромных количествах. Поэтому нужны быстрые способы для определения содержания ртути и ее производных в разных биологических тканях.

Большинство современных способов определения содержания ртути основаны на введении в биологические ткани химических веществ, которые могут светиться (люминесцировать), а присутствие ртути сильно меняет характер их свечения. Такие сенсоры определяют какой-нибудь один сигнал, например, интенсивность излучаемого света — а потом переводят его в концентрацию ртути, но их нужно калибровать для работы в каждой новой среде. Так, для таких сенсоров один и тот же сигнал, полученный в разных тканях, будет означать разное содержание ртути или другого токсиканта. Поэтому сейчас переходят на ратиометрические сенсоры, в которых концентрации веществ определяют уже по совокупности нескольких сигналов.

“Ратиометрические сенсоры измеряют отношение двух сигналов и за счет этого в них заложена возможность внутренней калибровки сенсорной системы. Мы делим сигнал один на другой и получаем отклик, который не зависит от свойств среды или концентрации самого вещества-сенсора”, — рассказывает доцент РХТУ и первый автор работы, Павел Панченко. “В нашей работе мы использовали сложные по архитектуре сенсоры, которые содержали два фотоактивных фрагмента, ковалентно связанные между собой. Один из них давал спектральный отклик, а другой калибровал этот сигнал. Мы протестировали наш сенсор в клеточных экспериментах и показали, что он хорошо работает в широком диапазоне концентраций катионов ртути”.

Химическая структура молекулы-сенсора. Изображе...

Химическая структура молекулы-сенсора. Изображение предоставлено автором исследования

Первый фотоактивный фрагмент красителя в молекуле — это стириловый краситель с остатком краун-эфира (стириловый фрагмент 1). Он может поглощать свет в области 400 нм, после чего полученная энергия света используется молекулой двумя разными способами: часть ее излучается этим же самым фрагментом (люминесценция в диапазоне длин волн 500 — 600 нм), а другая часть передается на второй фотоактивный фрагмент, содержащий краун-эфирный рецептор с атомами азота и серы (стириловый фрагмент 2), который тоже люминесцирует, но уже в другом спектральном диапазоне (600 — 730 нм).

Изображения с конфокального флуоресцентного мик...

Изображения с конфокального флуоресцентного микроскопа. (а) — культура клеток, обработанных раствором сенсора без катионов Hg2+. (б) — культура клеток, обработанная сначала Hg2+, а затем — раствором сенсорного соединения. Диапазон длин волн: (I) — 500 — 600 нм; (II) 600 — 730 нм; (III) — объединенное изображение. Источник: Sensors/MDPI Creative Commons.

Также этот фрагмент 2 еще умеет связываться с катионами ртути (Hg2+). Это влияет на процесс переноса энергии в молекуле и в результате изменяет соотношение интенсивностей излучения в разных диапазонах длин волн, то есть в присутствии Hg2+ меняется спектр люминесценции сенсора. Исследователи определяли внутриклеточную концентрацию ртути по отношению интенсивностей излучения на различных длинах волн.

Ученые подтвердили сенсорные способности новой молекулы экспериментами на живых клетках. Они культивировали клеточные культуры аденокарциномы легкого человека, а потом на 15 минут вносили их в раствор солей ртути, после чего промывали и вводили сенсорное соединение. Ему давали 5-10 минут, чтобы проникнуть внутрь клеток, после чего ученые облучали их светом с длиной волны 405 нм, и тем самым возбуждали люминесценцию сенсорного вещества. Концентрацию ртути они оценивали по отношению суммарных интенсивностей излучения в интервалах от 500 до 600 нм и от до 730 нм.

Дополнительные эксперименты показали, что сенсор не реагирует в указанных условиях на присутствие катионов меди или свинца, то есть продемонстрировали его избирательность. Кроме того, он не токсичен, обладает быстрым временем отклика и однозначно определяет внутриклеточные концентрации ртути от 37 наномоль до 1 микромоль на литр. Такой чувствительности по словам ученых достаточно для определения критического содержания ртути в биологических тканях.

“В перспективе наш сенсор подходит для оперативного контроля содержания ртути в различной биомассе — например, в той же рыбе, но пока он заточен все-таки немного на другие цели, поскольку мы его разрабатывали именно как инструмент для отслеживания ртути внутри клеток в рамках разных фундаментальных задач и исследований”, — рассказывает Павел Панченко. “Кроме того существуют еще другие биологически релевантные катионы, которые тоже нужно уметь определять, например, цинк, по которому диагностируют болезнь Альцгеймера или кальций, который участвует в прохождении нервных импульсов. И сейчас мы как раз расширяем линейку наших сенсоров, разрабатывая сенсорные вещества, чувствительные к другим металлам”.

Справочная информация

РХТУ им. Д.И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры технологии тонкого органического синтеза и химии красителей РХТУ в коллаборации с исследователями из ИНЭОС РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова и ИБХ РАН при финансовой поддержке грантов РФФИ и РНФ и Министерства науки и высшего образования РФ.

Статья: Panchenko et al,Ratiometric Detection of Mercury (II) Ions in Living Cells Using Fluorescent Probe Based on Bis (styryl) Dye and Azadithia-15-Crown-5 Ether Receptor, Sensors (Q1), 2021, DOI: 10.3390/s21020470