Вести с полей: с помощью флуоресценции молекула рассказала о своем окружении

Ученые составили «паспорта» для всех шести ионных форм флуоресцеина, определили параметры его ионного равновесия и выяснили, как можно с помощью этого определять температуру, ионный состав и другие важные характеристики в труднодоступных местах. О результатах работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (проект 22-22-00724), в рамках секции «Биофотоника» на конференции «Невская фотоника» рассказала доктор физико-математических наук Евгения Слюсарева из Сибирского федерального университета.

Флуоресцеин — вещество, которое может флуоресцировать, переизлучая поглощенный свет на другой, более «красной» длине волны. Соотношение между количеством поглощенных и «отданных» обратно квантов достаточно высоко и достигает 97%. Флуоресцеин часто используют для маркирования клеток и других биологических структур, так как его можно поместить в нужное место путем химической пришивки.

«Химическая формула флуоресцеина подразумевает его способность к трехступенчатой диссоциации, и при этом выдающимися флуоресцентными свойствами обладают далеко не все ионы. Лидер здесь дианион, остальные же формы выражены в оптическом плане гораздо меньше», — говорит Евгения Слюсарева.

Когда ион флуоресцеина поглощает квант света и переходит в фотовозбужденное состояние, то фактически он становится новым объектом с точки зрения распределения его электронной плотности. В этом состоянии молекула обладает уникальными способностями по части присоединения и отдачи протонов, содержащихся в ближайшем окружении. Это значит, что вещество может приобретать свойства фотокислоты или фотооснования, что приводит к ситуации, когда свет поглощается ионом одного типа, а флуоресцирует совсем другой ион. Этим процессом в большой степени управляет окружение молекулы, например наличие или отсутствие доноров или акцепторов протонов.

Ученые создали модель того, как волна возбуждающего излучения запускает механизмы протонирования и депротонирования и как это влияет на флуоресценцию. Также они разобрались, какие именно ионы за это отвечают. Ученые создали «паспортные карточки» для всех шести форм флуоресцеина, подробно описали их и выяснили, что флуоресцируют только четыре формы. В составе раствора исследователи смогли детектировать фосфат-ионы и научились определять их количество с помощью оптических методов, так как теперь они знали особенности и показатели излучения каждого иона флуоресцеина. Фосфат-ионы присутствуют во многих физиологических жидкостях, активно участвуют в метаболизме, а в составе крови находятся в концентрации вплоть до 1,6 М. Также ученые выяснили, что ратиометрический флуоресцентный сигнал зависит от температуры. «Фосфат-ионы являются донорами протонов. Увеличивая количество фосфат-ионов, мы "разгоняем" фотокислотные свойства флуоресцеина, что легко измерять с помощью флуоресценции. Теперь с помощью наших данных мы можем определить этот и ряд других важных для функционирования живых организмов показателей», — рассказала Евгения Слюсарева.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».