Научное направление: Химия и молекулярная фотоника дипиррометеновых красителей и люминофоров
Научное направление включает разработки в областях синтеза, экспериментальных и теоретических исследований физико-химических свойств красителей и люминофоров на основе лигандов и координационных соединений дипиррометенов с p- и d-элементами в конденсированных средах.
Особое внимание уделяется изучению влияния структурных и сольватационных эффектов, супрамолекулярного комплексообразования на спектрально-люминесцентные характеристики дипиррометеновых соединений; поиску мультифункциональных хромофорных и флуоресцентных маркеров, сенсоров (ионов, низко и высокомолекулярных соединений) и разработке протоколов их внедрения в областях биовизуализации, флуоресцентной сенсорики, протеомики. диагностики, фотодинамической, в том числе, антибактериальной, терапии и тераностики.
Основные направления научной деятельности членов коллектива:
- Молекулярный дизайн люминофоров на основе дипиррометенов и родственных структур
д.х.н.,проф.,г.н.с. Березин Михаил Борисович
Изучается взаимосвязь молекулярного дизайна с практически-полезными свойствами синтетических аналогов билиновых пигментов – продуктов катаболизма природных порфиринов. Разрабатываются пути синтеза новых лигандов дипиррометенов, бисдипиррометенов и их координационных соединений с p- и d-элементами, в том числе, BF2-дипиррометенатов (BODIPY), как наиболее перспективных и многофункциональных среди известных классов люминофоров.
Разрабатываются методологические аспекты рационального синтеза симметрично и несимметрично замещенных дипиррометеновых люминофоров с двумя или более хромофорными BODIPY доменами. Изучаются особенности структурной изомерии, практически значимых спектральных характеристик, параметров фото- и термостабильности олигопроизводных BODIPY лигандов и их комплексов в зависимости от природы заместителей в пиррольных ядрах и мезо-спейсерах (арильные, алкильные, карбокси-, тио-, амино-алкильные и атомы галогенов).
- Управление агрегацией и фотофизическими характеристиками BODIPY люминофоров в растворах и тонких пленках
к.х.н.,с.н.с. Антина Любовь Анатольевна
В составе тонких пленок, на поверхности границы раздела фаз, в воде и бинарных водно-органических смесях наблюдается интенсивная агрегация гидрофобных BODIPY люминофоров с кардинальными изменениями их спектральных свойств по сравнению с разбавленными растворами в органических растворителях. Для повышения эффективности применения BODIPY красителей в биомедицине, оптике и электронике разрабатываются способы управления агрегацией BODIPY в водно-органических смесях, полимерных композитах и тонких пленках Ленгмюра-Шеффера за счет целевой функционализации молекулярной структуры люминофоров.
- Нековалентные супрамолекулярные системы на основе BODIPY и однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ)
к.х.н.,с.н.с. Антина Любовь Анатольевна
Получены нековалентные супрамолекулярные системы на основе BODIPY и однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) с расширенным от УФ- до ИК-области диапазоном поглощения/испускания. Системы подобного рода интересны в качестве ограничителей лазерного излучения, компонентов органических затворов, лазеров с перестройкой частоты генерации, работающих в ближней видимой и ИК- области спектра и т.д.
- Наноструктурированне системы доставки BODIPY тераностиков для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии
к.х.н.,с.н.с. Антина Любовь Анатольевна, к.х.н., м.н.с. Калягин Александр Алексеевич
Основная проблема применения большинства BODIPY красителей в биомедицине связана с их высокой гидрофобностью, для преодоления которой разрабатываются наноразмерные носители и системы доставки BODIPY люминофоров. Инкапсулирование BODIPY красителей в мицеллы биосовместимого амфифильного блок-сополимера Pluoronic® F127 и в металлоорганические координационные полимеры (Zif-8 и др.) используется для получения наноструктурированных систем с оптимальным сочетанием спектральных характеристик в водных и физиологических средах. Проводится апробация полученных материалов в качестве тераностиков для флуоресцентной диагностики, противораковой- и антимикробной фотодинамической терапии.
- Флуоресцентные сенсоры на основе БИС(дипиррометенатов) цинка(II) для медицинской диагностики
с.н.с.,к.х.н. Ксенофонтов Александр Андреевич
Успешное решение современных задач флуоресцентной сенсорики в различных областях науки и техники, включая экологический и медико-аналитический мониторинг, требует создания новых высокочувствительных, селективных и экономически выгодных экспресс-методов детектирования in vitro и in vivo в растворах и газовых смесях микро- и ультрамикроколичеств токсичных и биологически значимых аналитов, в том числе, ароматических органических соединений, аминов, спиртов, диуретиков, стероидов, аминокислот и др.
Разработаны новые перспективные полифункциональные флуоресцентные сенсоры на основе координационных соединений цинка(II) с тетрадентатными бис(дипиррометеновыми) лигандами (H2L).
Установлен механизм спектрального отклика сенсоров, основанный на эффекте тушения их флуоресценции, вследствие супрамолекулярного комплексообразования с молекулами аналитов различной природы.
Показано, что полученные результаты могут быть транслированы в практическую плоскость таких перспективных направлений, как:
- флуоресцентное детектирование N-, O-электронодонорных и ароматических соединений в органических средах и газовых смесях;
- флуоресцентное определение петлевых диуретиков в органических и физиологических жидкостях;
- разработка фотовольтаических систем на основе бис(дипиррометенатов) цинка(II) c фуллеренами C60 и C70.
- Флуоресцентные зонды для маркировки гидрофобных и гидрофильных зон транспортных белков крови
с.н.с.,к.х.н. Ксенофонтов Александр Андреевич
Получены флуоресцентные зонды на основе BODIPY для визуализации транспортных белков крови.
- Двухканальные конъюгаты на основе BODIPY и красителей других типов
с.н.с.,к.х.н. Ксенофонтов Александр Андреевич
Получены двухканальные конъюгаты BODIPY с красителями других типов, которые способны поглощать и испускать свет одновременно в нескольких областях спектра. Это дает более полную информацию о биологических объектах и процессах, а также важно для для мультиплексирования – одновременного обнаружения нескольких аналитов в образце, комплексного мониторинга нескольких биомолекулярных взаимодействий. Кроме того, некоторые из синтезированных конъюгатов могут выступать в качестве тераностиков. Например, конъюгаты BODIPY с красителями цианинового ряда характеризуются одновременным поглощением и флуоресценцией в зеленой и красной областях спектра, а также антибактериальной активностью.
- Разработка нового класса хромо-флуорогенных сенсоров ионов биологчески-активных и токсичных металлов на основе дипиррометеновых хелатных лигандов
к.х.н., н.с. Бумагина Наталья Анатольевна
Оценка содержания ионов тяжелых металлов является одной из важнейших задач биохимии, экологии и различных отраслей промышленности. Решение этой проблемы связано с разработкой новых эффективных сенсоров и надежных методик быстрого обнаружения микроколичеств ионов металлов. На основе моно- и бис(дипиррометенов) нами разрабатываются новые селективные хемосенсоры для колориметрического и флуоресцентного определения ионов металлов в органических и водных средах. Изучается влияние молекулярного строения хемосенсоров на показатели селективности и чувствительности обнаружения аналитов с применением комплексных теоретических и экспериментальных исследований термодинамики и спектральных откликов реакций комплексообразования хромофорных лигандов с катионами металлов. Разрабатываются методики качественного и количественного определения катионов в растворах, в том числе экспресс-анализа, спектрофлуориметрический и экстракционно-спектрофотометрический подходы. Обосновываются возможности практического применения дипиррометеновых сенсоров для анализа катионов металлов в природных, сточных водах и биорелевантных средах.
- BODIPY биомаркеры и тераностики для флуоресцентной диагностики и фотодинамической терапии
к.х.н., с.н.с. Гусева Галина Борисовна
Для использования в приоритетных направлениях биохимии и биомедицины разрабатываются новые, многофункциональные флуоресцентные бор(III)дипиррометеновые красители (BODIPY) с оптимальным сочетанием характеристик флуоресценции, фото- и рН-стабильности, сродства к клеточным органеллам, гидрофобным и гидрофильным соединениям и биосредам. Ведется поиск BODIPY красителей, способных легко проникать через липидные слои клеточных мембран и специфично окрашивать органеллы клеток микроорганизмов (грамположительные и грамотрицательные бактерии, патогенные грибки).
Другое направление поисковых исcледований связано с разработкой новых эффективных тераностиков на платформе конъюгатов BODIPY с монотерпиноидами и другими лекарственными соединениями. Решаются задачи поиска путей структурной модификации, позволяющей придать конъюгатам набор оптимальных показателей флуоресценции и генерации синглетного кислорода, биосовместимости (цитотоксичности) для лечения инфекций, вызванных антибиотикорезистентными штаммами микроорганизмов, с привлечением методов флуоресцентной диагностики и антимикробной фотодинамической терапии.
- Новые фотосенсибилизаторы на основе галогензамещенных дипиррометенатов D- И P-элементов для фотодинамической антибактериальной и противораковой терапии
к.х.н., н.с. Лапшина Е.Н., к.х.н., ст.н.с. Гусева Г.Б.
Главным преимуществом дипиррометеновых красителей, содержащих в своей структуре «тяжелые» атомы брома или иода, является эффективная генерация синглетного кислорода (1О2), что обусловливает их перспективность в качестве сенсибилизаторов для фотодинамической антибактериальной и противораковой терапии. В связи с этим нами разрабатываются стратегии молекулярного дизайна, направленного на получение галогензамещеных дипиррометенатов d- и p-элементов, сочетающих эффективную генерацию 1О2 и других активных форм кислорода c показателями высокой фотостабильности и низкой цитотоксичности.
Проводятся комплексные исследования влияния особенностей молекулярной структуры и свойств среды на спектрально-люминесцентные характеристики, эффективности генерации синглетного кислорода, фотостабильность, липофильность и рН стабильность иод- и бромзамещенных дипиррометенатов бора(III) и цинка(II). Совместно с коллегами из Казанского федерального университета ведутся работы по изучению цитотоксичности, проницаемости через липидные слои клеток и фотодинамической активности.