Биосенсоры на основе нанофотонных материалов для детектирования межмолекулярных взаимодействий и изменений температуры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Фатхутдинова Ландыш Ильшатовна

• Фатхутдинова Ландыш Ильшатовна
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Фатхутдинова Ландыш Ильшатовна

Оглавление

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Детектирование с помощью оптических биосенсоров

1.1 Принципы детектирования с помощью оптических биосенсоров и их параметры

1.2 Детектирование межмолекулярных взаимодействий

1.2.1 Межмолекулярные взаимодействия биомолекул

1.2.2 Методы детектирования межмолекулярных взаимодействий с использованием биосенсоров на основе нанофотонных материалов

1.3 Детектирование температуры с помощью биосенсоров на нанофотонных материалах

Выводы по Главе

Глава 2. Материалы и методы

2.1 Материалы

2.1.1 Материалы для детектирования нуклеопротеина коронавируса

2.1.2 Материалы для детектирования ионов металла с помщью мета-фенилендиаминовых УТ

2.1.3 Материалы для детектирования температуры наноалмазов с азот-замещенными вакансиями с плазмонным покрытием

2.2 Синтез и фабрикация нанофотонных материалов

2.2.1 Фабрикация SERS-подложек с серебряными наноостровками

2.2.2 ^тез мета-фенилендиаминовых УТ

2.2.3 Методика покрытия наноалмазов с азот-замещенными вакансиями

2.3 Методы структурной характеризации нанофотонных материалов

2.3.1 Электронная микроскопия

2.3.2 Спектроскопия динамического рассеяния света (ДРС)

2.3.3 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS)

2.3.4 Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX)

2.4 Оптические методы исследования нанофотонных материалов

2.4.1 Спектроскопия фотолюминесценции (PL) и возбуждения фотолюминесценции (PLE)

2.4.2 Темнопольная микроскопия

2.4.3 Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия (SERS)

2.4.4 Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR)

2.4.5 Абсорбционная спектроскопия

2.4.6 Измерение времени жизни

2.4.7 Измерение оптически-детектируемого магнитного резонанса (ОДМР)

2.5 Иммуноферментный анализ (ИФА)

2.6 Гемолиз

2.7 Методы исследования in vitro

2.7.1 Исследования клеточного поглощения

2.7.2 Оценка цитотоксичности

2.7.3 Измерение температуры in vitro

2.8 Методы исследования in vivo и ex vivo

2.8.1 Методика прививания опухолей

2.8.2 Фототермическая терапия (ФГГ)

2.8.3 Гистология

2.8.4 Измерение температуры ex vivo

Выводы по Главе

Глава 3. Детектирование нуклеопротеина коронавируса с помощью SERS

3.1 Характеризация функциональных групп нуклеопротеина коронавируса и моноклональных антител к нему с использованием инфракрасной спектроскопии

3.2 Характеризация подложек с серебряными наноостровками

3.3 Исследование взаимодействия нуклеопротеина коронавируса и моноклональных антител к нему с помощью SERS

3.4 Сравнение ИФА с SERS

Выводы по Главе

Глава 4. Исследование флуоресценции углеродных точек, взаимодействующих с ионами металлов

4.1 Синтез и характеризация УТ

4.2 Влияние ионов металлов на интенсивность флуоресценции УТ

4.3 Влияние ионов металлов на время жизни флуоресценции УТ в водных растворах

4.4 Оценка запрещенной зоны

4.5 Влияние ионов металлов на время жизни флуоресценции УТ в сыворотке крови

4.6 Исследование биосовместимости УТ

Выводы по Главе

Глава 5. Детектирование температуры с помощью наноалмазов с плазмонным покрытием

5.1 Синтез образцов на основе наноалмазов

5.2 Оптическая характеризация

5.3 Оптический нагрев плазмонных наноалмазов in vitro и ex vivo

5.4 Фототермическая терапия (ФЭТ) с использованием плазмонных наноалмазов

Выводы по Главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список использованной литературы

Приложение A. Основные публикации автора по теме диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биосенсоры на основе нанофотонных материалов для детектирования межмолекулярных взаимодействий и изменений температуры»

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы. Ежегодно инфекционные заболевания, вызываемые вирусами зоонозного происхождения, такие как грипп и коронавирусы, вызывают тысячи смертей, влияя на качество жизни миллионов людей во всем мире[1]. Высокая вирулентность SARS-CoV-2, передаваемая через при вдыхании, способствовала его быстрому глобальному распространению [2]. Системы здравоохранения оказались не готовы к вспышке из-за отсутствия надежных методов обнаружения вируса, т.к. симптомы COVID-19 совпадают с симптомами других вирусных инфекций [3]. Тем самым пандемия выявила необходимость в точных и быстрых методах обнаружения патогенов.

Такие традиционные методы, как метод полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией (ОТ-ПЦР) или иммуноферментный анализ (ИФА), показывают превосходную эффективность в данном вопросе. Метод ОТ-ПЦР является стандартом обнаружения вирусов, амплификации целевых последовательностей ДНК/РНК для количественного определения [4]. Методы обнаружения антигена нацелены на белки SARS-CoV-2 (например, S- или №белки) с использованием таких тестов, как ИФА, в котором используется специфическое связывание антитело-антиген, которое дополнительно выявляется в ферментативной реакции по изменению цвета [5]. Также широко используются тесты на антитела, позволяющие определить уровень специфических антител против SARS-CoV-2 у пациентов [6]. Обычно эти тесты выявляют наличие антител IgM и IgG, вырабатываемых против антигенов SARS-CoV-2 [7]. Но для выработки антител после заражения требуется относительно много времени, поэтому такой подход не подходит для детектирования на ранних стадиях заболевания. Таким образом, получение точных результатов традиционными методами ограничиваются

стоимостью, временем, наличием специализированного оборудования, лаборатории и обученного персонала.

Использование поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (SERS) является многообещающим методом диагностики биоаналитов, который перспективен для обнаружения различных маркеров, включая вирусы [8-10]. Метод основан на измерении спектра комбинационного рассеяния света аналита, помещенного на поверхность металлической наноструктуры. Наноструктуры усиливают оптический сигнал (примерно до 106), позволяя обнаруживать сверхнизкие концентрации аналита, делая возможным даже обнаружение одиночных молекул [11-13]. Основными преимуществами биосенсоров на основе SERS являются их высокая чувствительность, минимальная подготовка аналита и малые объемы аналита (менее 10 мкл), необходимые для обнаружения [10,14,15]. Все эти факторы делают системы обнаружения на основе SERS идеальными для быстрой диагностики заболеваний.

Помимо своевременной диагностики вирусных заболеваний важным для здоровья является и правильное лечение, т.к., например, затяжная форма COVID-19 может быть связана с дефицитом железа [16]. Железо и другие микроэлементы играют решающую роль во многих физиологических функциях, циркулируя в кровотоке [17]. Ионы железа (Fe2+), составляющие гемоглобин, обеспечивают транспортировку кислорода внутри организма [18]. Дефицит этих ионов может привести к анемии, а избыток — к гемохроматозу и потенциальным органным нарушениям [19,20]. Кобальт (Co2+) — еще один важный элемент, содержащийся в водорастворимом комплексе кобаламина (витамин B-12), играющем решающую роль в метаболических процессах [20]. Дефицит витамина B-12 может вызвать анемию, а избыточное его количество может привести к астме, риниту и кардиомиопатии [21].

Флуоресцентные методы привлекают внимание к быстрому обнаружению ионов металлов, предлагая эффективный вариант по сравнению с другими сложными методами [22]. Среди различных флуоресцентных наноматериалов углеродные точки (УТ) продемонстрировали потенциал в качестве сенсоров ионов

металлов благодаря их низкому фотообесцвечиванию и хорошей растворимости в воде [23,24]. Измерение интенсивности их флуоресценции и времени жизни помогает исследовать их реакцию на ионы металлов, что имеет решающее значение для приложений ионного зондирования. УТ обладают высокой чувствительностью, способностью связываться с ионами металлов в невероятно низких концентрациях, как было продемонстрировано в более ранних исследованиях [25-27].

Также известно, что патологические состояния, в том числе воспаления, характеризуются повышением температуры тела на 1-4°С [28]. Повышение температуры тела, иными словами гипертермия применяется в лечении заболеваний, в том числе в онкологии, где способствует разрушению опухолевых клеток путём денатурации белков [29]. Современные фотонные материалы, например, плазмонные наночастицы, позволяют индуцировать гипертермию с помощью света, что применяется в фототермической терапии (ФТТ) [30,31]. Оптически индуцированная гипертермия вызывает гибель клеток при температурах до 45°С или выше 48-50°С, вызывая апоптоз или некроз, соответственно [32,33]. Однако контроль температуры во время оптической гипертермии необходим, поскольку повышение температуры влияет на клеточный метаболизм, экспрессию генов и другие клеточные процессы [34,35]. Существующие методы нанотермометрии, включая рамановскую спектроскопию [36], сканирующую зондовую микроскопию [37,38] и оптические подходы [35], имеют свои ограничения. Неточности и проблемы, связанные с флуоресцентными зондами [3941], делают оптическую термометрию сложной в биологических средах. Однако флуоресцентные наноалмазы с азотно-замещенными вакансиями представляют собой многообещающую альтернативу благодаря своей оптической стабильности, биосовместимости и устойчивости к фотообесцвечиванию [42,43]. Наноалмазы с азот-замещенными вакансиями благодаря своей уникальной структуре способны детектировать температуру на основе оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР), т.к. температурная зависимость частоты ОДМР позволяет проводить высокоточные измерения температуры [44-46].

Для оптического нагрева наноалмазов требуется их интеграция с плазмонными наночастицами, например, с золотыми наночастицами [45]. Существующие методы интеграции, например, использование вспомогательных материалов (карбонат кальция, полимеры, кремний), не обеспечивают точной пространственной локализации наноалмазов и плазмонных наночастиц, что ограничивает повторяемость оптических свойств [47-51]. Существующие перспективные подходы нанесения золотых наночастиц на поверхность наноалмазов, такие как самосборка ДНК [52] или абсорбция Аи наностержней на поверхности функционализированных наноалмазов [52,53], имеют ряд ограничения, приводящий к осложнению процедуры интеграции и экспериментальной установки. Это делает необходимым создание простой и воспроизводимого подхода к созданию гибридных плазмонных структур для точной термометрии и эффективного нагрева в биологических объектах.

Таким образом, разработка фотонных наноструктур и углубленное исследование их оптических свойств открывает перспективы для создания сенсорных систем, способных не только детектировать патогены, вирусы и микроэлементы в биологической среде, но и осуществлять мониторинг изменений параметров биологической среды, таких как температура, с высокой точностью.

Целью работы является создание нанофотонных систем, чувствительных к межмолекулярным взаимодействиям и изменениям температуры в биологических средах.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать влияние взаимодействия нуклеопротеинов SARS-CoV-2 и антител к SARS-CoV-2 на интенсивность сигнала комбинационного рассеяния с

использованием рамановской спектроскопии, усиленной подложкой с серебряными наностровками.

2. Исследовать влияние ионов металлов на интенсивность флуоресценции и время жизни флуоресценции мета-фенилендиаминовых углеродных точек в водном растворе.

3. Исследовать изменение температуры при оптической гипертермии биологических объектов с помощью гибридных материалов на основе наноалмазов с азот-замещенными вакансиями, покрытых золотыми наноструктурами, с использованием метода оптически детектируемого магнитного резонанса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие нуклеопротеинов SARS-CoV-2 и антител к SARS-CoV-2 детектируется методом поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии на подложках с серебряными наноостровками со средним размером 21.1 ± 1.0 нм, достигая максимальной чувствительности обнаружения 1 пг/мл в течение 10 минут, что превышает результаты традиционного метода иммуноферментного анализа (50 пг/мл, 120 минут).

2. Флуоресцентные мета-фенилендиаминовые углеродные точки демонстрируют чувствительность к ионам Fe2+, Fe3+ и Со2+ при измерении интенсивности и времени жизни флуоресценции в водном растворе с пределами чувствительности 11.0, 0.7, 5.3 мкмоль/л благодаря сочетанию механизмов тушения флуоресценции, включающие в себя как статическое, так и динамическое тушение.

3. Наноалмазы с азот-замещенными вакансиями, покрытые золотыми наноструктурами, обеспечивают одновременную оптическую гипертермию и наномасштабную термометрию в опухолевых клетках и ткани с помощью оптически детектируемого магнитного резонанса, с точностью 1.7°С.

Научная новизна работы отражена в следующих пунктах:

1. Впервые изучена возможность детектирования взаимодействия белков SARS-CoV-2 с использованием поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии с помощью подложки с серебряными наноостровками.

2. Впервые комплексно исследован механизм тушения флуоресценции мета-фенилендиаминовых углеродных точек, чувствительных к ионам Fe2+, Fe3+ и Со2+ по интенсивности флуоресценции и времени жизни флуоресценции; исследованы возможности обнаружения Fe3+ и Со2+ с помощью углеродных точек в сыворотке крови.

3. Впервые исследован оптический нагрев и одновременная термометрия с помощью гибридных плазмонных наноструктур на основе наноалмазов с азот-замещенными вакансиями в биологических объектах при возбуждении с использованием одного источника света.

Практическая значимость результатов диссертационной' работы состоит в разработке технологии получения нанофотонных материалов для количественного детектирования как белковых структур вирусов и микроэлементов, так и температуры при одновременном нагреве в биологических средах. Полученные нанофотонные структуры обеспечивают высокочувствительные измерения методами поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии, флуоресцентной спектроскопии и оптически детектируемого магнитного резонанса.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием широкого спектра современных взаимодополняющих экспериментальных методик, эффективность которых подтверждается многократной воспроизводимостью полученных результатов, а также воспроизводимостью измерений структурных и оптических характеристик полученных материалов. Полученные результаты согласуются с ранее опубликованными научными данными и были представлены на международных научных конференциях, а также опубликованы в рецензируемых международных журналах.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на следующих международных конференциях и школах:

- V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics METANANO, онлайн, 2020

- 8th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint Petersburg OPEN 2021", Санкт-Петербург, 2021

- Days of Diffraction, Санкт-Петербург, 2023

- METANANO Summer School on Nanophotonics and Advanced materials, Циндао, Китай, 2023

- 11th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint Petersburg OPEN 2024", Санкт-Петербург, 2024

- XIII Конгресс молодых ученых ИТМО, Санкт-Петербург, 2024

- 21st International Conference Laser Optics IGLO, Санкт-Петербург, 2024

Личный вклад автора. В ходе исследовательской деятельности автором были сделаны спектры биомолекул при помощи спектроскопии комбинационного рассеяния и инфракрасной спектроскопии. Все этапы, связанные с проведением и получением результатов иммуноферментного анализа, осуществлялись автором лично. Эксперименты по изучению флуоресценции, включая измерение интенсивности флуоресценции и времени жизни флуоресценции с помощью метода подсчета коррелированных по времени одиночных фотонов, были проведены автором. Оптическая характеризация наноматериалов, в том числе и на биологических объектах, была проведена лично автором. Также автор принимал активное участие в постановке целей и задач и в последующей подготовке и публикации научных статей.

Публикации по теме работы. Основное содержание диссертации представлено в 3 публикациях, из них 3 в изданиях, индексируемых в базах цитирования Web of Science и/или Scopus.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Полный объем диссертационной работы составляет 234 страницу, включая библиографический список из 232 наименования. Работа содержит 50 рисунков и 5 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении диссертации сформулированы цель, задачи и основные выносимые на защиту положения. Обоснованы актуальность, достоверность и значимость работы, а также описаны новизна и личный вклад автора.

В первой главе представлен обзор литературных источников по основным принципам детектирования с помощью оптических методов, а также параметры, которые можно с помощью рассмотренных методов детектировать. Приводится описание структуры и компонентов биосенсора, в частности, оптического биосенсора; описаны основные режимы оптических биосенсоров - с меткой и без метки - с приведением преимуществ и недостатков; перечислены и описаны параметры для определения производительности биосенсоров: селективность, воспроизводимость, чувствительность, стабильность. Отдельно описывается межмолекулярные взаимодействия биомолекул, рассматриваемых в оптическом биосенсинге; приведены механизмы биораспознавания (катализ и аффинность); рассмотрены методы оптического детектирования межмолекулярных взаимодействий на основе нанофотонных материалов; подробно описаны механизмы обнаружения методами SERS, флуоресцентной спектроскопии. Отдельно описана методика детектирования температуры с помощью наноалмазов с азот-замещенной вакансией; влияние дефекта на флуоресценцию; рассмотрен принцип работы оптически детектируемого магнитного резонанса и его температурной зависимости.

Во второй главе приведены материалы, применяемые в работе, и экспериментальные методики получения, синтеза и исследования нанофотонных материалов, используемых в работе.

В данной главе описаны методы подготовки подложки с серебряными наноостровками для поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии. Описан протокол синтеза флуоресцентных мета-фенилендиаминовых углеродных

точек. Представлена методика подготовки гибридных плазмонных наночастиц на основе наноалмазов с азот-замещенной вакансией.

Были подробно приведены методы структурной и оптической характеризации образцов, используемой в работе, включая сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию, а также спектроскопические методы, в том числе рентгеновская, флуоресцентная, инфракрасная и рамановская спектроскопия. Описаны экспериментальные установки, использованные при исследовании, и их схемы.

Также в данной главе приводится описание основных методов, применяемых в биологических системах. Такие, как иммуноферментный анализ, гемолиз, клеточные эксперименты (цитотоксичность, клеточное поглощение) и эксперименты in vivo и ex vivo, которые предоставляют полное представление исследований при биосенсинге.

В третьей главе диссертационной работы представлены результаты исследования и детектирования нуклеопротеина SARS-CoV-2 с помощью SERS.

Нуклеопротеин коронавируса и моноклональные кроличьи антитела к нуклеопротеину коронавируса использовались в качестве антигена (NPC) и антител (MAb), соответственно. Были идентифицированы с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье в режиме нарушенного полного внутренного отражения (ATR-FTIR) функциональные группы NPC и MAb, в которых возбуждаются колебательные и вращательные состояния. Таким образом были идентифицированы полосы, относящиеся к различным структурным единицам NPC, MAb и их смеси NPC + MAb, смешанных в соотношении 1: 1 (об./об.). Полученные спектры приведены на рисунке 1.

В спектрах поглощения подготовленных растворов высота пиков различается, а пики групп смещаются в диапазоне от 1500 до 1800 см-1. Это свидетельствует об изменении биохимического состава после аффинного взаимодействия NPC и MAb.

Рисунок 1 - ATR-FTIR-спектры с обозначениями основных пиков растворов MAb (оранжевый), NPC (синий) и смеси NPC + MAb (фиолетовый) в буфере PBS; на вставке показан увеличенный диапазон 1500-1800 см-1 [54]

Далее была подготовлена SERS-подложка с серебряными наноостровками для усиления сигнала в рамановской спектроскопии при детектировании ЫРС. Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), изготовленной подложки с серебряными наноостровками показано на рисунке 2А с вставкой в виде гистограммы с распределением наноостровков по латеральным размерам. Изображение, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), получена для оценки высоты наноостровков серебра и продемонстрирована на рисунке 2Б.

Рисунок 2 - А) СЭМ-изображение SERS-подложки; на вставке продемонстрировано распределение серебряных наноостровков по размерам; Б) АСМ-изображение SERS-подложки [54]

С помощью полученной SERS-подложки с серебряными наноостровками исследовано обнаружение низких концентраций MAb и NPC, а также взаимодействия между ними. Используя SERS, Спектры образцов были сняты в двух конфигурациях: образцы в растворе («жидкостный» метод) и высушенные образцы («сухой» метод). В рамках оценки аналитических возможностей метода, основанного на SERS, была проведена серия экспериментов, в ходе которых был приготовлен раствор MAb с концентрацией 106 пг/мл, а также ряд растворов NPC с различными концентрациями в диапазоне от 1 до 106 пг/мл, используя «жидкостный» метод. Спектры SERS, полученные в результате проведения измерений в диапазоне волновых чисел от 500 до 4000 см-1, представлены на рисунке 3А, демонстрируя зависимость интенсивности сигнала от концентрации NPC.

Рисунок 3 - А) SERS спектры MAb (106 пг/мл), NPC (106 пг/мл) и NPC, добавленных при различных концентрациях (1—106 пг/мл) к MAb (106 пг/мл), для «жидкостного» метода; Б) Зависимость интенсивности сигнала NPC + MAb при 1980 и 3567 см-1 при различных концентрациях NPC [54]

Вначале спектры МАЬ и NPC, находящихся в концентрации 106 пг/мл, были получены отдельно, что позволило установить базовые спектральные характеристики каждого из компонентов. Далее, с целью определения наличия и степени связывания МАЬ и NPC, была реализована серия экспериментов, в которых к раствору МАЬ с концентрацией 106 пг/мл добавлялись растворы NPC с различными концентрациями в диапазоне от 1 до 106 пг/мл. Анализ полученных

спектров методом SERS показал, что изменение концентрации NPC приводит к систематическим изменениям интенсивности сигнала SERS, представленным на рисунке 3Б. В частности, наблюдалось увеличение интенсивности пика SERS с возрастанием концентрации NPC в растворе, что указывает на возрастание числа связанных МАЬ и NPC при увеличении концентрации последних.

Исследованные спектры SERS, полученные с помощью «сухого» метода, для MAb, NPC и NPC + MAb выявили отличия, наблюдаемые по сравнению с «жидкостным» методом, которые могут быть объяснены возникновением ряда ограничений, связанных с примесями, образующимися в процессе испарения растворителя. Более того, высушивание вещества может привести к изменению конформации биоаналитов, что также способствует модификации сигнала и появлению дополнительных пиков.

Рисунок 4 - Стандартная кривая ИФА, полученная для ЫРС в различных

концентрациях [54]

Также была проведена сравнительная оценка чувствительности детекции NPC, полученной с помощью SERS, путем проведения анализа чувствительности

стандартного метода детекции антигенов, основанного на ИФА. В непрямом варианте ИФА, осуществляемом в соответствии с протоколом производителя набора для ИФА, иммобилизованные первичные антитела к К-белку инкубировали в 96-луночном планшете с КРС или стандартными антигенами. Последующее добавление вторичных антител позволило измерить оптическую плотность (OD450) каждой лунки с помощью спектрофотометра, результаты чего отражены на рисунке 4 в виде зависимости OD450 от концентрации КРС. Результаты проведенного сравнительного анализа продемонстрировали высокую чувствительность и быстродействие детектирования КРС с помощью SERS-подложки с серебряными наноостровками относительно результатов, полученных с помощью традиционного метода ИФА [54].

В четвертой главе был проведён анализ флуоресцентных свойств УТ при взаимодействии с ионами металлов для выявления и изучения особенностей их влияния на тушение флуоресценции УТ.

В ходе исследования с применением метода сольвотермического синтеза были получены УТ, при котором мета-фенилендиамин использовался как источник углерода, а ацетонитрил использовался в качестве растворителя, способствующего эффективному удалению примесей и сохранению флуоресцентных свойств УТ в растворе. После удаления растворителя путем выпаривания, была получена более чистая и концентрированная форма флуоресцентных УТ. Оптимальное соотношение карбонизированного экстракта к ацетонитрилу, равное 1:5, было установлено в результате многочисленных экспериментов, направленных на достижение максимальной интенсивности флуоресценции и чистоты синтезированного продукта.

Дополнительно были изучены геометрические, морфологические и оптические свойства полученных УТ. Анализ изображений, полученных с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и представленных на рисунке 5А, выявил равномерно распределенные однородные частицы, средний размер которых составляет 15 ± 2 нм, что свидетельствует о высокой степени диспергирования однородных частиц. Спектр поглощения, изображенный на

рисунке 5Б, демонстрирует наличие двух отчетливых пиков, расположенных при 260 и 450 нм, что указывает на присутствие двух различных электронных переходов в структуре исследуемого материала. На рисунке 5В представлен спектр флуоресценции, полученный при возбуждении 450 нм, который демонстрирует неоднородное уширение пика флуоресценции, обусловленное вариациями размеров исследуемых частиц и локальными флуктуациями среды растворителя. Спектр возбуждения фотолюминесценции (PLE), представленный на рисунке 5Г, показывает, что оптимальной длиной волны возбуждения для исследуемого материала является 450 нм, при которой наблюдается максимальная интенсивность излучения, фиксированного на уровне 530 нм. Следует отметить, что для исследуемого материала, излучающего на длине волны 530 нм, интенсивность поглощения при 260 нм и 450 нм становится одинаковой, что позволяет предположить более высокий квантовый выход при возбуждении 450 нм. Это явление можно объяснить более высокой плотностью электронных состояний при переходе 450 нм, которая, в свою очередь, приводит к увеличению вероятности излучательного распада и, следовательно, к более высокой скорости этого процесса. На рисунке 5Д представлен спектр FTIR, демонстрирующий наличие нескольких функциональных химических групп в УТ, что открывает возможности для дальнейшей функционализации. В целях сравнительного анализа спектра, полученных для УТ, на рисунке 5Е приведен спектр FTIR мета-фенилендиамина, предоставляющий основу для выявления отличительных особенностей и взаимосвязей между полученными спектрами.

250 300 350 400 450 500 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Длина волны,нм Волновое число, см 1 Волновое число, см°

Рисунок 5 - А) Репрезентативное ПЭМ-изображение УТ; Б) Спектр поглощения

УГ; В) Спектр флуоресценции УТ при возбуждении 450 нм; Г) Спектр возбуждения флуоресценции УТ, излучающих при 530 нм; Д) Спектр FTIR с соответствующими функциональными группами в УТ; Е) Спектр FTIR для

мета-фенилендиамина [55]

Также проведено комплексное изучение флуоресцентных свойств УТ в присутствии ионов металлов, в частности, №+, Са2+, Мп2+, Mg2+, 7п2+, М2+, Fe2+, Fe3+ и Со2+, как в водных растворах, так и в сыворотке крови. Выбор исследуемых ионов был обусловлен их преобладанием в биологических образцах и ключевой ролью в многочисленных физиологических процессах. Поскольку дисбаланс концентраций этих ионов может иметь серьезные последствия для здоровья, актуальным является разработка высокочувствительных методов их обнаружения. В связи с этим, данное исследование было направлено на оценку эффективности УТ в качестве флуоресцентных сенсоров для обнаружения этих ионов в сложных биологических матрицах.

С целью изучения флуоресцентных характеристик УТ в присутствии ионов металлов, были проведены эксперименты в водных растворах УТ, содержащие исследуемые ионы в широком диапазоне концентраций (10-4-1 мМ). Выбор данного диапазона концентраций обусловлен стремлением исследовать влияние ионов

металлов на флуоресценцию УТ не только в физиологических условиях, но и в более широком диапазоне, что позволяет получить более полную информацию о механизмах взаимодействия УТ с ионами металлов. Была измерена интенсивность флуоресценции УТ при возбуждении светом с длиной волны 450 нм. Полученные спектры флуоресценции для всех исследуемых ионов представлены на рисунке 6А. На вставках к рисунку 6А изображены зависимости интенсивности пиков флуоресценции от концентрации ионов металлов. Анализ полученных данных демонстрирует монотонное уменьшение интенсивности сигнала флуоресценции с увеличением концентрации ионов металлов, что свидетельствует о тушении флуоресценции УТ в присутствии исследуемых ионов. Анализ процента тушения, представленных на рисунке 6Б, свидетельствует о том, что добавление ионов различных металлов в одинаковой концентрации, равной 0.1 мМ, оказывает существенное влияние на флуоресценцию УТ, причем наблюдается значительное ее гашение при введении ионов Fe2+, Fe3+ и Со2+. В то время как катионы других металлов, таких как №+, Са2+, Мп2+, Mg2+, 7п2+ и М2+, вызывают гораздо менее выраженное подавление флуоресценции УТ. Учитывая полученные результаты, УТ демонстрируют перспективность в качестве флуоресцентных сенсоров для определения Fe2+, Fe3+ и Со2+, что подтверждается визуально на рисунке 6В, демонстрирующими тушение флуоресценции УТ при добавлении указанных ионов.

Рисунок 6 - А) Спектры флуоресценции УТ (Хвозб=450 нм) с добавлением различных концентраций ионов металлов (10-4-1 мМ); Б) Фотография диспергированных в воде УТ, демонстрирующих эффект тушения при добавлении ионов Fe2+, Fe3+ и Со2+; В) Процент тушения интенсивности флуоресценции УТ [(10 - 1)Л0]-100% при добавлении ионов различных металлов концентрацией

0.1 мМ [55]

На рисунке 7 представлены графики Штерна-Фольмера для полученных интенсивностей УТ при добавлении исследуемых ионов металлов. Модель Штерна-Фольмера применена для выявления механизмов тушения флуоресценции.

С(Са2+, Мд2+, Мп2+, М2+, гп2+), мМ С(Ре2+, Ре3+, Со2+), мМ

Рисунок 7 - Графики Штерна-Фольмера для интенсивностей флуоресценции УТ в случае добавления А) №+, Са2+, Мп2+, Mg2+, 7п2+, М2+ и Б) Fe2+, Fe3+, Со2+ в диапазоне концентраций 10-4-1 мМ [55]

Анализ полученных характер кривых на графиках Штерна-Фольмера при добавлении №+, Са2+, Мп2+, Mg2+, 7п2+ и Ni2+ в качестве тушителей к УТ демонстрирует линейную зависимость между интенсивностью флуоресценции и концентрацией ионов металлов. Однако для ионов, кроме М2+, наблюдается слабое изменение, что в целом указывает на то, что в случае М2+ тушение вызвано вероятнее всего столкновениями УТ с ионами. Также просчитаны пределы чувствительности для каждого из всех исследованных ионов металлов.

Примечательно, что полученные графики Штерна-Фольмера для УТ, построенные при добавлении ионов Fe2+, Fe3+ и Со2+ (рисунок 7Б), демонстрирует нелинейное характер процесса, что указывает на более сложный механизм взаимодействия исследуемого вещества с данными катионами. Наблюдаемая восходящая кривизна графика может свидетельствовать одновременное тушение УТ как статическими, так и динамическими механизмами, что представляет собой так называемый комбинированный механизм тушения. Для определения доминирующего механизма тушения необходимо вычислить долю динамического тушения в наблюдаемом уменьшении флуоресценции. Для идентификации преобладающего механизма тушения необходимо определить долю динамического тушения в наблюдаемом тушении флуоресценции. Данная доля может быть рассчитана на основе изменения времен жизни.

С целью углубленного анализа механизмов тушения флуоресценции и определения наличия смешанного процесса тушения, были проведены исследования времени жизни флуоресценции УТ, которое является внутренним параметром материала, не подверженным влиянию калибровки и колебаниям интенсивности источника возбуждения. Данное обстоятельство, наряду со стабильностью метода, позволяет аккумулировать сигналы низкой интенсивности в течение продолжительного периода времени. Измерение времени жизни флуоресценции было осуществлено с помощью метода подсчета одиночных фотонов, коррелированных по времени (TCSPC). Экспериментальная установка предусматривала проведение измерений для УТ, диспергированных в водном растворе, как содержащем ионы металлов, так и в его отсутствие. В целях предотвращения испарения жидкости, УТ, предварительно нанесенные на предметное стекло, покрывались покровным стеклом, что создавало герметичную среду для проведения наблюдений и анализа. Результаты измерений показали, что время жизни флуоресценции УТ слабо реагировало на №+, Са2+, Мп2+, Mg2+, 7п2+, М2+, но существенно влияли Fe2+, Fe3+ и Со2+, причем время жизни уменьшалось с увеличением концентрации последних трех ионов.

С целью глубокого анализа вклада динамического и статического механизмов тушения флуоресценции модель Штерна-Фольмера была применена к исследованию зависимости времени жизни флуоресценции от концентрации тушителей, представленных ионами металлов. Снижение времени жизни возбужденных УТ при увеличении концентрации тушителя свидетельствует о преобладании динамического механизма тушения, в то время как неизменность времени жизни, не зависящее от концентрации тушителя, указывает на преимущественный вклад статического тушения. На рисунке 8 представлены графики Штерна-Фольмера, иллюстрирующие зависимость времени жизни флуоресценции при добавлении ионов металлов в диапазоне концентраций от 10-4 до 1 мМ. Количественная оценка вклада статического и динамического механизмов осуществлялась путем сравнения зависимости относительного времени жизни возбужденных молекул т/т0 (т и т0 - время жизни УТ в присутствии и в отсутствие

ионов металлов, соответственно) от концентрации ионов №+, Са2+, Мп2+, Mg2+, 7п2+, Ni2+, а также Fe2+, Fe3+ и Со2+. В случае ионов №+, Са2+, Мп2+, Mg2+ и 7п2+ время жизни практически не изменялось (рисунок 8А), что согласуется с результатами, полученными при измерениях интенсивностей флуоресценции. Однако, в присутствии М2+ наблюдалось уменьшение как времени жизни флуоресценции, так и интенсивности флуоресценции, что указывает на динамическое тушение. Для ионов Fe2+, Fe3+ и Со2+ графики Штерна-Фольмера демонстрировали нелинейную зависимость интенсивностей флуоресценции и линейную зависимость относительного времени жизни от концентрации ионов (рисунок 8Б).

Рисунок 8 - Графики Штерна-Фольмера для времен жизни флуоресценции УТ в случае добавления А) №+, Са2+, Мп2+, Mg2+, 7п2+, М2+ и Б) Fe2+, Fe3+, Со2+ в диапазоне концентраций 10-4-1 мМ [55]

Исследование, направленное на изучение влияния биологической среды на флуоресценцию УТ, было проведено с использованием сыворотки крови в качестве модели, учитывая ее клиническую значимость, отсутствие клеточных компонентов и стабильность, что позволяет обеспечить более точные и воспроизводимые измерения флуоресценции по сравнению с использованием чистой крови. Выбор сыворотки крови был обусловлен стремлением исключить влияние клеточных компонентов на флуоресценцию. Экспериментально установлено, что ионы Fe3+ и Со2+ в сыворотке крови оказывают аналогичное влияние на время жизни флуоресценции УТ, как и в водных растворах, тогда как ионы Fe2+ демонстрируют

минимальное влияние на время жизни УТ в сыворотке крови. Такое явление может быть объяснено связыванием ионов Fe2+ с аквалигандами в водных растворах, тогда как в сыворотке крови белки могут препятствовать взаимодействию ионов с УТ, что приводит к снижению влияния ионов на время жизни УТ в сыворотке крови. Дополнительно, это явление может быть обусловлено отсутствием на поверхности УТ специфических мест связывания для ионов Fe2+, а также различиями в электронной структуре ионов Fe2+ и Fe3+, что приводит к различным взаимодействиям с флуоресцентными УТ. Следует отметить, что ионы Fe2+ легко связываются с кислородом, образуя стабильные комплексы, что также препятствует их взаимодействию с УТ. В то же время, ионы Fe3+ могут легко вступать в окислительно-восстановительные реакции и взаимодействовать с УТ, приводя к изменению времени жизни флуоресценции.

Для оценки биосовместимости УТ были проведены два независимых исследования: анализ гемолиза и оценка жизнеспособности клеток, позволившие определить влияние УТ на целостность эритроцитов человека и проследить за поглощением УТ клетками.

Исследование гемолиза заключалось в инкубации изолированных эритроцитов в растворах с различными концентрациями УТ. Результаты анализа показали дозозависимое увеличение гемолиза эритроцитов с повышением концентрации УТ, что подтверждается представленными на рисунке 9А,Б данными. Для визуализации процесса клеточного поглощения УТ была применена конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM) (рисунок 9В). Полученные изображения демонстрируют, что зеленый флуоресцентный сигнал, исходящий от УТ, преимущественно локализуется в ядрах клеток, в то время как красный флуоресцентный сигнал исходит от окрашенных клеточных мембран. Был проведен анализ жизнеспособности клеток B16-F10, являющихся моделью меланомы, с использованием флуоресцентного резазуринового теста (Alamar Blue), что позволило получить сведения о биосовместимости УТ. Исследование заключалось в оценке влияния различных концентраций УТ на жизнеспособность клеток B16-F10. Результаты, представленные на рисунке 9Д, демонстрируют

зависимость жизнеспособности клеток В16-Р10 от концентрации УТ после 24 часов воздействия. Увеличение концентрации УТ выше данного значения приводило к снижению жизнеспособности клеток, достигавшему 70% от исходного уровня [55].

Рисунок 9 - А) Гемолиз в зависимости от различных концентраций УТ; Б) Относительная скорость гемолиза в эритроцитах человека при инкубации с суспензией УТ в различных концентрациях; В) Визуализация с помощью CLSM поглощения УТ клетками В16-Р10, масштабная полоса составляет 25 мкм; Г) Жизнеспособность клеток В16-Р10 в зависимости от различного количества УТ

[55]

В пятой главе представлены результаты разработки гибридных плазмонных наноалмазов с азот-замещенными вакансиями и их использование для одновременного нагрева и оптического детектирования температуры.

Были получены четыре типа наноструктур на основе наноалмазов с азот-замещенными структурами, отличающихся методом нанесения золотого покрытия, с целью изучения влияния этого покрытия на их свойства. В первом случае на поверхность флуоресцентных наноалмазов с азот-замещенными вакансиями (№У)

за одну стадию наносился сплошной слой золота (Аи) путем контролируемого восстановления прекурсора золота, где поверхность наноалмазов выступала в качестве места зародышеобразования для роста слоя Аи. Реакция восстановления Аи(Ш) до металлического Аи происходила в присутствии гидроксиламина при рН 8.5, что привело к образованию наноструктуры ^У@Аи. Второй подход предусматривал нанесение наночастиц Аи на поверхность наноалмазов. Для начала наноалмазы покрывались оболочкой из диоксида кремния с аминогруппами ^Ю2-КН2) с помощью метода золь-гель. Последующая обработка NV@SiO2-NH2 раствором НАиС14 приводила к образованию зародышей Аи на поверхности наноалмазов, покрытых диоксидом кремния. Дальнейшее добавление смеси №3Сй-НАиС14, а затем гидроксиламина способствовало росту наночастиц Аи на поверхности, что привело к формированию наноструктуры NV@SiO2@Au. Для сравнительного анализа были также использованы наноалмазы, покрытые оболочкой из диоксида кремния (NV@SiO2). Проведенная ПЭМ образцов для полученных образцов позволила визуализировать их структуру и получить распределения по размерам, представленные на рисунке 10, что позволило детально изучить морфологию полученных наноматериалов.

Рисунок 10 - Репрезентативные ПЭМ изображения образцов на основе наноалмазов с соответствующими распределениями по размерам, полученных с помощью ПЭМ, полученные для (слева направо) ^ЫХ NV@SiO2, NV@Au и NV@SiO2@Au; масштабная линейка соответствует 100 нм [56]

В целях характеристики свойств изготовленных наноструктур КУ, NV@SiO2, NV@Au и NV@SiO2@Au были проведены оптические исследования, включающие анализ спектров рассеяния и флуоресценции, а также измерение времен жизни флуоресценции. В первую очередь, с использованием темнопольной микроскопии были получены спектры рассеяния для каждой из структур (рисунок 11). Спектры темнопольного рассеяния наноструктур КУ@Аи и NV@SiO2@Au демонстрируют характерные широкополосные плазмонные резонансы. В случае NV@Au наблюдаются два пика при 580 и 750 нм, обусловленные неоднородной толщиной оболочки Аи и её угловатой формой. Для NV@SiO2@Au наблюдается только один пик при 650 нм, что объясняется близким расположением наночастиц Аи на поверхности наноалмазов. Рассеяние для NV и NV@SiO2 оказалось относительно слабым, без выраженных пиков. Гибридные плазмонные наноалмазы NV@Au и NV@SiO2@Au демонстрируют заметное рассеяние, обусловленное наличием кластеров Аи и их межчастичным взаимодействием. Далее были изучены спектры флуоресценции каждого образца (рисунок 11), полученные при возбуждении лазером с длиной волны 532 нм. Спектры всех наноструктур демонстрируют широкую полосу излучения в диапазоне 550-750 нм, характерную для наноалмазов с азот-замещенной вакансией. Бесфононная линия (ZPL), являющаяся одним из узкополосных пиков в спектрах фотолюминесценции дефектов, отражающим спиновое состояние, для всех исследованных образцов расположена при 638 нм. Были проведены измерения времен жизни флуоресценции каждого образца с использованием метода TCSPC при возбуждении лазером с длиной волны 532 нм. Полученные спектры времени жизни представлены на рисунке 11. Было установлено, что времена жизни флуоресценции обоих компонентов для NV и NV@SiO2 практически идентичны, что подтверждает отсутствие существенного влияния покрытия SiO2 на оптические свойства наноалмазов.

Рисунок 11 - Оптическая характеристика NV, NV@SiO2, NV@Au и NV@SiO2@Au: левый столбец - спектры рассеяния, полученные с помощью темнопольной микроскопии; средний столбец - спектры фотолюминесценции; правый столбец - спектры времени жизни [56]

Однако наблюдаемое сокращение времени жизни флуоресценции обоих компонентов для NV@Au и NV@SiO2@Au объясняется ускоренной динамикой перехода азот-замещенной вакансии, обусловленной формированием плазмонной нанополости, создаваемой золотой оболочкой, которая приводит к возникновению резонансов, вызванных взаимодействием между плазмоном и азот-замещенной вакансией, что обусловлено пространственной близостью наноалмаза и золота. Несмотря на то, что в случае NV@SiO2@Au также наблюдается сопряжение, обусловленное малой толщиной слоя SiO2 по сравнению с Аи, взаимодействие между Аи и наноалмазом частично экранируется слоем SiO2, что приводит к

несколько более продолжительному времени жизни по сравнению с NV@Au. Полученные результаты свидетельствуют о том, что слой Au и резонансные наночастицы Au способствуют возникновению плазмонного резонанса, что, в свою очередь, приводит к сокращению времени жизни флуоресценции наноалмазов.

Было изучено общее взаимодействие синтезированных плазмонных наноструктур с клетками меланомы B16-F10. С целью определения способности наноалмазов NV@Au и NV@SiO2@Au к поглощению клетками, было проведено анализ CLSM. Для этого плазмонные наноструктуры на основе наноалмазов были дополнительно маркированы флуоресцентным красителем Cy5, а затем инкубированы с клетками B16-F10, предварительно высеянными в конфокальные чашки и инкубированными в течение ночи. После инкубации, клетки были окрашены Родамином B, и были получены изображения CLSM в двумерном (2D) и трехмерном (3D) режимах (опция Z-стека), представленные на рисунке 12А,Б. На рисунке 12Б наблюдается красный сигнал флуоресценции от меченых наноалмазов, окруженный зеленым сигналом флуоресценции от окрашенных клеток, что свидетельствует о внутриклеточной локализации наноструктур. Для оценки влияния наноалмазов на жизнеспособность клеток B16-F10, была проведена инкубация клеток со всеми изучаемыми образцами (NV, NV@SiO2, NV@Au, NV@SiO2@Au) в концентрации 200 мкг/мл в течение 24 часов. Жизнеспособность клеток оценивалась с помощью теста Alamar blue (рисунок 12В). Результаты показали отсутствие явной токсичности в случае наноалмазов NV и NV@SiO2, поскольку чистые наноалмазы и наноалмазы, покрытые SiO2, не подвергаются нагреву в отсутствие плазмонных структур. Напротив, в случае плазмонных наноалмазов (NV@Au, NV@SiO2@Au) наблюдалось снижение жизнеспособности клеток B16-F10 с увеличением плотности мощности лазера.

А Б

Рисунок 12 - А) Репрезентативные изображения клеток B16-F10, полученные методом CLSM, окрашенные родамином B (зеленый флуоресцентный сигнал) с

интернализированными NV@SiO2-Су5 (красный сигнал флуоресценции), масштабная полоса соответствует 20 мкм; Б) CLSM изображение, полученное с помощью z-стек, с ортогональными видами из разных плоскостей (x/y, x/z и y/z),

используемого для визуализации поглощения частиц, масштабная полоса соответствует 20 мкм; В) Жизнеспособность клеток B16-F10 после инкубации с

200 мкг/мл NV, NV@SiO2, NV@Au и NV@SiO2@Au, облученных лазером с длиной волны 532 нм при различных плотностях лазерной мощности (5.2 Вт/см2, 10.39 Вт/см2) , 15.59 Вт/см2, 20.79 Вт/см2 и 30.66 Вт/см2) [56]

Способность к нагреванию полученных образцов была определена путем высушивания растворов с образцами на стеклянных подложках. Для всестороннего сравнения было проведено измерение тепловыделения модифицированных наноалмазов как в клеточных культурах in vitro, так и в тканях ex vivo. В случае термометрии in vitro, образцы NV, NV@SiO2 и NV@SiO2@Au инкубировали с клетками B16-F10 в течение 24 часов. После тщательной промывки клетки с образцами были сконцентрированы центрифугированием, что позволило измерить их нагревание. Следует отметить, что термометрия образца NV@Au in vitro оказалась невозможной, поскольку предполагается, что покрытие из золота способствует миграции заряда из наноструктур в клетки и спиновой деполяризации

за счет изменения зарядового состояния. Для термометрии ex vivo, образцы NV@SiO2 и NV@SiO2@Au были введены внутриопухолево мышам C57BL/6 с меланомой B16-F10. По истечении 24 часов опухоли были извлечены, разрезаны, и спектры ОДМР срезов тканей, содержащих NV@SiO2 и NV@SiO2@Au, были измерены при облучении одним и тем же лазером при различных плотностях мощности. Термометрия ex vivo с NV и NV@Au не проводилась из-за присутствия внешних зарядов внутри тканей, в то время как слой SiO2 в NV@SiO2@Au обеспечивает стабильность от растворителей и полярности окружающей среды. Результаты экспериментальных данных термометрии представлены на рисунке 12. Согласно полученным данным, наиболее интенсивное нагревание наблюдалось у образца NV@SiO2@Au (276.0 ± 1.7°C), за которым следовало NV@Au (263.0 ± 1.7 °С), что связано с наличием плазмонного покрытия. Как и ожидалось, NV и NV@ SiO2 не нагревались при приложенной плотности мощности лазера в видимом диапазоне длин волн. Примечательно, что нагревание образцов в отсутствие биологического окружения было сопоставимо с нагреванием образцов в тканях ex vivo.

Рисунок 14 - Зависимость экспериментально измеренной температуры от приложенной плотности мощности при нагревании А) высушенных NV, NV@SiO2, NV@Au и NV@SiO2@Au на стекле; Б) NV, NV@SiO2 и NV@SiO2@Au, интернализированных с клетками B16-F10 in vitro; В) NV@SiO2 и NV@SiO2@Au

внутри ткани ex vivo [56]

Также была проведена фототермическая терапия с использованием NV@SiO2@Au. В ходе эксперимента использовалась использовались 100 мкг NV@SiO2@Au при концентрации 200 мкг/мл. Введение NV@SiO2@Au в животных осуществлялось непосредственно в опухоль после её развития у мышей. После инъекции все контрольные группы подвергались облучению лазером с длиной волны 532 нм в течение 5 минут (30.66 Вт/см2). На следующий день мыши подвергались эвтаназии, после чего проводилось измерение геометрических размеров опухолей. Введение NV@SiO2@Au без последующего лазерного облучения, а также облучение опухолей лазером без предварительного введения NV@SiO2@Au привели к незначительному ингибированию роста опухоли. Заметно, что ингибирование роста опухоли было значительно более выраженным после инъекции NV@SiO2@Au и последующего лазерного облучения.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Фатхутдинова Ландыш Ильшатовна

Заключение

В ходе исследования, результаты которой приведены в диссертационной работе, была изучена способность оптически детектировать разработанными нанофотонными материалами межмолекулярные взаимодействия в биологических средах. В качестве нанофотонных материалов была представлена SERS-подложка с серебряными наностровками, а также флуоресцентные мета-фенилендиаминовые углеродные точки и гибридные плазмонные структуры на основе наноалмазов с азот-замещенными вакансиями.

В результате были сделаны следующие выводы:

- Применение рамановской спектроскопии, усиленной за счет использования подложки с серебряными наноостровками, демонстрирует потенциал для детектирования нуклеопротеина SARS-CoV-2 с пределом обнаружения и временем анализа, превосходящими характеристики традиционного метода иммуноферментного анализа;

- С помощью флуоресцентных мета-фенилендиаминовых углеродных точек возможно задетектировать такие ионы металлов, как Fe2+, Fe3+ и Со2+, в водных растворах за счет явления смешанного тушения, включающего в себя статическое и динамическое тушения, происходящие за счет комплексообразования и столкновений углеродных точек с ионами Fe2+, Fe3+ и Со2+;

- Гибридные наноструктуры на основе наноалмазов с азот-замещенными вакансиями, покрытых золотыми наночастицами, демонстрируют уникальную способность выполнять одновременно оптический нагрев и наномасштабную термометрию в биологических средах, что их перспективными для фототермической терапии и высокочувствительного биологического мониторинга.

Таким образом, результаты проведенного исследования свидетельствуют о том, что изученные нанофотонные материалы обладают значительным потенциалом для их применения в качестве оптических биосенсорных систем, способных

эффективно детектировать взаимодействия биомолекул и температуру в биологических системах, что открывает новые перспективы в области биомедицинских и оптических исследований.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фатхутдинова Ландыш Ильшатовна, 2024 год

Список использованной литературы

1. Wang H. et al. Estimating excess mortality due to the COVID-19 pandemic: a systematic analysis of COVID-19-related mortality, 2020-21 // The Lancet. 2022. Vol. 399, № 10334. P. 1513-1536.

2. Plowright R.K. et al. Pathways to zoonotic spillover // Nat Rev Microbiol. 2017. Vol. 15, № 8. P. 502-510.

3. Flerlage T. et al. Influenza virus and SARS-CoV-2: pathogenesis and host responses in the respiratory tract // Nat Rev Microbiol. 2021. Vol. 19, № 7. P. 425-441.

4. Rahbari R., Moradi N., Abdi M. rRT-PCR for SARS-CoV-2: Analytical considerations // Clinica Chimica Acta. 2021. Vol. 516. P. 1-7.

5. McAndrews K.M. et al. Heterogeneous antibodies against SARS-CoV-2 spike receptor binding domain and nucleocapsid with implications for COVID-19 immunity // JCI Insight. 2020. Vol. 5, № 18. P. e142386.

6. Ravi A. et al. COVID-19 antibody tests: An overview // J Pharm Bioall Sci. 2021. Vol. 13, № 5. P. 48.

7. Diani E. et al. Assessment of SARS-CoV-2 IgG and IgM antibody detection with a lateral flow immunoassay test // Heliyon. 2021. Vol. 7, № 10. P. e08192.

8. Savinon-Flores F. et al. A Review on SERS-Based Detection of Human Virus Infections: Influenza and Coronavirus // Biosensors. 2021. Vol. 11, № 3. P. 66.

9. Lee W. et al. Spread spectrum SERS allows label-free detection of attomolar neurotransmitters // Nat Commun. 2021. Vol. 12, № 1. P. 159.

10. Chen H. et al. Recent advances in surface-enhanced Raman scattering-based microdevices for point-of-care diagnosis of viruses and bacteria // Nanoscale. 2020. Vol. 12, № 42. P. 21560-21570.

11. Demirel G. et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS): an adventure from plasmonic metals to organic semiconductors as SERS platforms // J. Mater. Chem. C. 2018. Vol. 6, № 20. P. 5314-5335.

12. Kleinman S.L. et al. Creating, characterizing, and controlling chemistry with SERS hot spots // Phys. Chem. Chem. Phys. 2013. Vol. 15, № 1. P. 21-36.

13. Nie S., Emory S.R. Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering // Science. 1997. Vol. 275, № 5303. P. 1102-1106.

14. Wang Z. et al. SERS-Activated Platforms for Immunoassay: Probes, Encoding Methods, and Applications // Chem. Rev. 2017. Vol. 117, № 12. P. 7910-7963.

15. Choi N. et al. Integrated SERS-Based Microdroplet Platform for the Automated Immunoassay of F1 Antigens in Yersinia pestis // Anal. Chem. 2017. Vol. 89, № 16. P. 8413-8420.

16. Hanson A.L. et al. Iron dysregulation and inflammatory stress erythropoiesis associates with long-term outcome of COVID-19 // Nat Immunol. 2024. Vol. 25, № 3. P. 471-482.

17. Brancaccio M. et al. The Biological Role of Vitamins in Athletes' Muscle, Heart and Microbiota // IJERPH. 2022. Vol. 19, № 3. P. 1249.

18. Abbaspour N., Hurrell R., Kelishadi R. Review on iron and its importance for human health // J Res Med Sci. 2014. Vol. 19, № 2. P. 164-174.

19. Babuponnusami A., Muthukumar K. A review on Fenton and improvements to the Fenton process for wastewater treatment // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2014. Vol. 2, № 1. P. 557-572.

20. Abdi Z. et al. Understanding the Dynamics of Molecular Water Oxidation Catalysts with Liquid-Phase Transmission Electron Microscopy: The Case of Vitamin B 12 // ACS Sustainable Chem. Eng. 2021. Vol. 9, № 28. P. 9494-9505.

21. Umar M. et al. Cobalt cardiomyopathy in hip arthroplasty // Arthroplasty Today.

2019. Vol. 5, № 3. P. 371-375.

22. Shirsat M.D., Hianik T. Electrochemical Detection of Heavy Metal Ions Based on Nanocomposite Materials // J. Compos. Sci. 2023. Vol. 7, № 11. P. 473.

23. Yarur F., Macairan J.-R., Naccache R. Ratiometric detection of heavy metal ions using fluorescent carbon dots // Environ. Sci.: Nano. 2019. Vol. 6, № 4. P. 1121-1130.

24. Yoo D. et al. Carbon Dots as an Effective Fluorescent Sensing Platform for Metal Ion Detection // Nanoscale Res Lett. 2019. Vol. 14, № 1. P. 272.

25. Liu F. et al. Fluorimetric and colorimetric analysis of total iron ions in blood or tap water using nitrogen-doped carbon dots with tunable fluorescence // New J. Chem. 2018. Vol. 42, № 12. P. 9676-9683.

26. Sun X. et al. Colorimetric and fluorimetric dual mode detection of Fe2+ in aqueous solution based on a carbon dots/phenanthroline system // Arabian Journal of Chemistry.

2020. Vol. 13, № 4. P. 5075-5083.

27. Mohammed L.J., Omer K.M. Dual functional highly luminescence B, N Co-doped carbon nanodots as nanothermometer and Fe3+/Fe2+ sensor // Sci Rep. 2020. Vol. 10, № 1. P. 3028.

28. Roberts N.J. Impact of Temperature Elevation on Immunologic Defenses // Clinical Infectious Diseases. 1991. Vol. 13, № 3. P. 462-472.

29. Peltek O.O. et al. Development of Nanocarrier-Based Radionuclide and Photothermal Therapy in Combination with Chemotherapy in Melanoma Cancer Treatment // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2023. Vol. 15, № 10. P. 13460-13471.

30. Kim D. et al. Multimodal Golden DNA Superstructures (GDSs) for Highly Efficient Photothermal Immunotherapy // ACS Nano. 2024. Vol. 18, № 2. P. 1744-1755.

31. Deinavizadeh M. et al. Near-Infrared/pH Dual-Responsive Nanosponges Encapsulating Gold Nanorods for Synergistic Chemo-phototherapy of Lung Cancer // ACS Appl. Nano Mater. 2023. Vol. 6, № 18. P. 16332-16342.

32. Nanomaterials for magnetic and optical hyperthermia applications / ed. Fratila R.M., Fuente J.M. de la. Amsterdam, Netherlands; Cambridge, MA, United States: Elsevier, 2019. 374 p.

33. Habash R.W. Y et al. Thermal Therapy, Part 1: An Introduction to Thermal Therapy // Crit Rev Biomed Eng. 2006. Vol. 34, № 6. P. 459-489.

34. Brites C.D.S. et al. Thermometry at the nanoscale // Nanoscale. 2012. Vol. 4, № 16. P. 4799.

35. Bradac C. et al. Optical Nanoscale Thermometry: From Fundamental Mechanisms to Emerging Practical Applications // Advanced Optical Materials. 2020. Vol. 8, № 15. P. 2000183.

36. Zograf G.P. et al. All-Optical Nanoscale Heating and Thermometry with Resonant Dielectric Nanoparticles for Controllable Drug Release in Living Cells // Laser & Photonics Reviews. 2020. Vol. 14, № 3. P. 1900082.

37. Yue Y., Wang X. Nanoscale thermal probing // Nano Reviews. 2012. Vol. 3, № 1. P. 11586.

38. Majumdar A. SCANNING THERMAL MICROSCOPY // Annu. Rev. Mater. Sci. 1999. Vol. 29, № 1. P. 505-585.

39. Zhou J. et al. Advances and challenges for fluorescence nanothermometry // Nat Methods. 2020. Vol. 17, № 10. P. 967-980.

40. Yang J.-M., Yang H., Lin L. Quantum Dot Nano Thermometers Reveal Heterogeneous Local Thermogenesis in Living Cells // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 6. P. 5067-5071.

41. Donner J.S. et al. Mapping Intracellular Temperature Using Green Fluorescent Protein // Nano Lett. 2012. Vol. 12, № 4. P. 2107-2111.

42. Hsiao W.W.-W. et al. Fluorescent Nanodiamond: A Versatile Tool for Long-Term Cell Tracking, Super-Resolution Imaging, and Nanoscale Temperature Sensing // Acc. Chem. Res. 2016. Vol. 49, № 3. P. 400-407.

43. Zhang T. et al. Toward Quantitative Bio-sensing with Nitrogen-Vacancy Center in Diamond // ACS Sens. 2021. Vol. 6, № 6. P. 2077-2107.

44. Acosta V.M. et al. Temperature Dependence of the Nitrogen-Vacancy Magnetic Resonance in Diamond // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104, № 7. P. 070801.

45. Kucsko G. et al. Nanometre-scale thermometry in a living cell // Nature. 2013. Vol. 500, № 7460. P. 54-58.

46. Gerasimova E.N. et al. Real-Time Temperature Monitoring of Photoinduced Cargo Release inside Living Cells Using Hybrid Capsules Decorated with Gold Nanoparticles and Fluorescent Nanodiamonds // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. Vol. 13, № 31. P. 36737-36746.

47. Peng J. et al. Calcium Carbonate-Gold Nanocluster Hybrid Spheres: Synthesis and Versatile Application in Immunoassays // Chemistry A European J. 2012. Vol. 18, № 17. P. 5261-5268.

48. Cai W.-Y et al. Porous Gold-Nanoparticle-CaCO 3 Hybrid Material: Preparation, Characterization, and Application for Horseradish Peroxidase Assembly and Direct Electrochemistry // Chem. Mater. 2006. Vol. 18, № 2. P. 279-284.

49. Muslimov A.R. et al. Biomimetic drug delivery platforms based on mesenchymal stem cells impregnated with light-responsive submicron sized carriers // Biomater. Sci. 2020. Vol. 8, № 4. P. 1137-1147.

50. Koryakina I. et al. Optically responsive delivery platforms: from the design considerations to biomedical applications // Nanophotonics. 2020. Vol. 9, № 1. P. 39-74.

51. Janjua T.I. et al. Clinical translation of silica nanoparticles // Nat Rev Mater. 2021. Vol. 6, № 12. P. 1072-1074.

52. Orlanducci S. Gold-Decorated Nanodiamonds: Powerful Multifunctional Materials for Sensing, Imaging, Diagnostics, and Therapy // Eur J Inorg Chem. 2018. Vol. 2018, №2 48. P. 5138-5145.

53. Tsai P. -C. et al. Gold/diamond nanohybrids for quantum sensing applications // EPJ Quantum Technol. 2015. Vol. 2, № 1. P. 19.

54. Fatkhutdinova L.I. et al. Rapid and sensitive detection of nucleoprotein SARS-CoV-2 virus: SERS vs ELISA // Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications. 2023. Vol. 57. P. 101172.

55. Fatkhutdinova L.I. et al. Metal Ion Sensing with Phenylenediamine Quantum Dots in Blood Serum // ACS Appl. Nano Mater. 2023. Vol. 6, № 24. P. 23130-23141.

56. Gerasimova E.N. et al. Hybrid plasmonic nanodiamonds for thermometry and local photothermal therapy of melanoma: a comparative study // Nanophotonics. 2024. Vol. 13. No. 22. P. 4111-4125.

57. Damborsky P., Svitel J., Katrlik J. Optical biosensors // Essays in Biochemistry / ed. Estrela P. 2016. Vol. 60, № 1. P. 91-100.

58. Clark L.C., Lyons C. ELECTRODE SYSTEMS FOR CONTINUOUS MONITORING IN CARDIOVASCULAR SURGERY // Annals of the New York Academy of Sciences. 1962. Vol. 102, № 1. P. 29-45.

59. Arnold M.A. Enzyme-Based Fiber Optic Sensor // Anal. Chem. 1985. Vol. 57, № 2. P. 565-566.

60. Muramatsu Hiroshi. et al. Piezoelectric crystal biosensor modified with protein A for determination of immunoglobulins // Anal. Chem. 1987. Vol. 59, №2 23. P. 2760-2763.

61. Hilditch P.I., Green M.J. Disposable electrochemical biosensors // Analyst. 1991. Vol. 116, № 12. P. 1217.

62. Frew J.E., Hill H.A.O. Electrochemical Biosensors // Anal. Chem. 1987. Vol. 59, № 15. P. 933A-944A.

63. Wang J. SURVEY AND SUMMARY: From DNA biosensors to gene chips // Nucleic Acids Research. 2000. Vol. 28, № 16. P. 3011-3016.

64. Wilson G.S., Gifford R. Biosensors for real-time in vivo measurements // Biosensors and Bioelectronics. 2005. Vol. 20, № 12. P. 2388-2403.

65. Zheng G. et al. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays // Nat Biotechnol. 2005. Vol. 23, № 10. P. 1294-1301.

66. Odenthal K.J., Gooding J.J. An introduction to electrochemical DNA biosensors // Analyst. 2007. Vol. 132, № 7. P. 603.

67. Mani V. et al. Ultrasensitive Immunosensor for Cancer Biomarker Proteins Using Gold Nanoparticle Film Electrodes and Multienzyme-Particle Amplification // ACS Nano. 2009. Vol. 3, № 3. P. 585-594.

68. Rodbard D. Continuous Glucose Monitoring: A Review of Successes, Challenges, and Opportunities // Diabetes Technology & Therapeutics. 2016. Vol. 18, № S2. P. S2-3-S2-13.

69. Gao W. et al. Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis // Nature. 2016. Vol. 529, № 7587. P. 509-514.

70. Martin A. et al. Epidermal Microfluidic Electrochemical Detection System: Enhanced Sweat Sampling and Metabolite Detection // ACS Sens. 2017. Vol. 2, № 12. P. 1860-1868.

71. Kim J. et al. Wearable biosensors for healthcare monitoring // Nat Biotechnol. 2019. Vol. 37, № 4. P. 389-406.

72. Bhalla N. et al. Introduction to biosensors // Essays in Biochemistry / ed. Estrela P. 2016. Vol. 60, № 1. P. 1-8.

73. Naresh Varnakavi., Lee N. A Review on Biosensors and Recent Development of Nanostructured Materials-Enabled Biosensors // Sensors. 2021. Vol. 21, № 4. P. 1109.

74. Chocarro-Ruiz B. et al. Nanophotonic label-free biosensors for environmental monitoring // Current Opinion in Biotechnology. 2017. Vol. 45. P. 175-183.

75. Estevez M.C., Alvarez M., Lechuga L.M. Integrated optical devices for lab-on-a-chip biosensing applications // Laser & Photonics Reviews. 2012. Vol. 6, № 4. P. 463487.

76. Chen C., Wang J. Optical biosensors: an exhaustive and comprehensive review // Analyst. 2020. Vol. 145, № 5. P. 1605-1628.

77. Accuracy and Precision - The Art of Measurement [Electronic resource] // Accuracy and Precision - The Art of Measurement. URL: https://byjus.com/physics/accuracy-precision-measurement/ (accessed: 15.06.2024).

78. Peltomaa R. et al. Optical Biosensors for Label-Free Detection of Small Molecules // Sensors. 2018. Vol. 18, № 12. P. 4126.

79. McLamore E.S. et al. SNAPS: Sensor Analytics Point Solutions for Detection and Decision Support Systems // Sensors. 2019. Vol. 19, № 22. P. 4935.

80. Zhu Z. et al. Protein engineering for electrochemical biosensors // Current Opinion in Biotechnology. 2022. Vol. 76. P. 102751.

81. Zhao Y, Yavari K., Liu J. Critical evaluation of aptamer binding for biosensor designs // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2022. Vol. 146. P. 116480.

82. Misawa N., Osaki T., Takeuchi S. Membrane protein-based biosensors // J. R. Soc. Interface. 2018. Vol. 15, № 141. P. 20170952.

83. Dai B. et al. Single-Cell Nanometric Coating Towards Whole-Cell-Based Biodevices and Biosensors // ChemistrySelect. 2018. Vol. 3, № 25. P. 7208-7221.

84. Nguyen H.H. et al. Immobilized Enzymes in Biosensor Applications // Materials. 2019. Vol. 12, № 1. P. 121.

85. Shukla S.K., Govender P.P., Tiwari A. Polymeric Micellar Structures for Biosensor Technology // Advances in Biomembranes and Lipid Self-Assembly. Elsevier, 2016. Vol. 24. P. 143-161.

86. Lopes L.C., Santos A., Bueno P.R. An outlook on electrochemical approaches for molecular diagnostics assays and discussions on the limitations of miniaturized technologies for point-of-care devices // Sensors and Actuators Reports. 2022. Vol. 4. P. 100087.

87. Du X. et al. Insights into Protein-Ligand Interactions: Mechanisms, Models, and Methods // IJMS. 2016. Vol. 17, № 2. P. 144.

88. Rodriguez J.-M.G. et al. Michaelis-Menten Graphs, Lineweaver-Burk Plots, and Reaction Schemes: Investigating Introductory Biochemistry Students' Conceptions of Representations in Enzyme Kinetics // J. Chem. Educ. 2019. Vol. 96, № 9. P. 1833-1845.

89. Taber K.S. Revisiting the chemistry triplet: drawing upon the nature of chemical knowledge and the psychology of learning to inform chemistry education // Chem. Educ. Res. Pract. 2013. Vol. 14, № 2. P. 156-168.

90. Jamshidi N., Palsson B.0. Mass Action Stoichiometric Simulation Models: Incorporating Kinetics and Regulation into Stoichiometric Models // Biophysical Journal. 2010. Vol. 98, № 2. P. 175-185.

91. Ullah S.F. et al. An Experimental Framework for Developing Point-of-Need Biosensors: Connecting Bio-Layer Interferometry and Electrochemical Impedance Spectroscopy // Biosensors. 2022. Vol. 12, № 11. P. 938.

92. González-Guerrero A.B. et al. Advanced photonic biosensors for point-of-care diagnostics // Procedia Engineering. 2011. Vol. 25. P. 71-75.

93. Luan E. et al. Silicon Photonic Biosensors Using Label-Free Detection // Sensors. 2018. Vol. 18, № 10. P. 3519.

94. Vollmer F., Yang L. Review Label-free detection with high-Q microcavities: a review of biosensing mechanisms for integrated devices // Nanophotonics. 2012. Vol. 1, № 3-4. P. 267-291.

95. Huertas C.S. et al. Advanced Evanescent-Wave Optical Biosensors for the Detection of Nucleic Acids: An Analytic Perspective // Front. Chem. 2019. Vol. 7. P. 724.

96. Nangare S.N., Patil P.O. Affinity-Based Nanoarchitectured Biotransducer for Sensitivity Enhancement of Surface Plasmon Resonance Sensors for In Vitro Diagnosis: A Review // ACS Biomater. Sci. Eng. 2021. Vol. 7, № 1. P. 2-30.

97. Soler M. et al. How Nanophotonic Label-Free Biosensors Can Contribute to Rapid and Massive Diagnostics of Respiratory Virus Infections: COVID-19 Case // ACS Sens. 2020. Vol. 5, № 9. P. 2663-2678.

98. Cheng Y. et al. Recent advances in microRNA detection // Analyst. 2018. Vol. 143, № 8. P. 1758-1774.

99. Langer J. et al. Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering // ACS Nano. 2020. Vol. 14, № 1. P. 28-117.

100. Pilot R. et al. A Review on Surface-Enhanced Raman Scattering // Biosensors. 2019. Vol. 9, № 2. P. 57.

101. Stockman M.I. et al. Roadmap on plasmonics // J. Opt. 2018. Vol. 20, № 4. P. 043001.

102. Zhao S. Alternative splicing, RNA-seq and drug discovery // Drug Discovery Today. 2019. Vol. 24, № 6. P. 1258-1267.

103. Tahamtan A., Ardebili A. Real-time RT-PCR in COVID-19 detection: issues affecting the results // Expert Review of Molecular Diagnostics. 2020. Vol. 20, № 5. P. 453-454.

104. Van Kasteren P.B. et al. Comparison of seven commercial RT-PCR diagnostic kits for COVID-19 // Journal of Clinical Virology. 2020. Vol. 128. P. 104412.

105. Blevins M.G. et al. Roadmap on Universal Photonic Biosensors for Real-Time Detection of Emerging Pathogens // Photonics. 2021. Vol. 8, № 8. P. 342.

106. Schlücker S. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy: Concepts and Chemical Applications // Angew Chem Int Ed. 2014. Vol. 53, № 19. P. 4756-4795.

107. Cong S. et al. Surface Enhanced Raman Scattering Revealed by Interfacial ChargeTransfer Transitions // The Innovation. 2020. Vol. 1, № 3. P. 100051.

108. Hamon C., Liz-Marzán L.M. Colloidal design of plasmonic sensors based on surface enhanced Raman scattering // Journal of Colloid and Interface Science. 2018. Vol. 512. P. 834-843.

109. Liu F. et al. Sculpting Extreme Electromagnetic Field Enhancement in Free Space for Molecule Sensing // Small. 2018. Vol. 14, № 33. P. 1801146.

110. Cardinal M.F. et al. Expanding applications of SERS through versatile nanomaterials engineering // Chem. Soc. Rev. 2017. Vol. 46, № 13. P. 3886-3903.

111. Cialla-May D. et al. Recent progress in surface-enhanced Raman spectroscopy for biological and biomedical applications: from cells to clinics // Chem. Soc. Rev. 2017. Vol. 46, № 13. P. 3945-3961.

112. Zheng X.-S. et al. Label-free SERS in biological and biomedical applications: Recent progress, current challenges and opportunities // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2018. Vol. 197. P. 56-77.

113. Zong C. et al. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for Bioanalysis: Reliability and Challenges // Chem. Rev. 2018. Vol. 118, № 10. P. 4946-4980.

114. Xi W., Shrestha B.K., Haes A.J. Promoting Intra- and Intermolecular Interactions in Surface-Enhanced Raman Scattering // Anal. Chem. 2018. Vol. 90, № 1. P. 128-143.

115. Lin K.-Q. et al. Size Effect on SERS of Gold Nanorods Demonstrated via Single Nanoparticle Spectroscopy // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120, № 37. P. 20806-20813.

116. Bailey M.R. et al. Sheath-Flow Microfluidic Approach for Combined Surface Enhanced Raman Scattering and Electrochemical Detection // Anal. Chem. 2015. Vol. 87, № 8. P. 4347-4355.

117. Scott B.L., Carron K.T. Dynamic Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS): Extracting SERS from Normal Raman Scattering // Anal. Chem. 2012. Vol. 84, № 20. P. 8448-8451.

118. Asiala S.M., Schultz Z.D. Label-free in situ detection of individual macromolecular assemblies by surface enhanced Raman scattering // Chem. Commun. 2013. Vol. 49, № 39. P. 4340-4342.

119. Strianese M. et al. Fluorescence-Based Biosensors // Spectroscopic Methods of Analysis / ed. Bujalowski W.M. Totowa, NJ: Humana Press, 2012. Vol. 875. P. 193-216.

120. Tainaka K. et al. Design Strategies of Fluorescent Biosensors Based on Biological Macromolecular Receptors // Sensors. 2010. Vol. 10, № 2. P. 1355-1376.

121. Jensen E.C. Use of Fluorescent Probes: Their Effect on Cell Biology and Limitations // The Anatomical Record. 2012. Vol. 295, № 12. P. 2031-2036.

122. Chen Y-T. et al. Review of Integrated Optical Biosensors for Point-of-Care Applications // Biosensors. 2020. Vol. 10, № 12. P. 209.

123. Nawrot W. et al. A Fluorescent Biosensors for Detection Vital Body Fluids' Agents // Sensors. 2018. Vol. 18, № 8. P. 2357.

124. Zadran S. et al. Fluorescence resonance energy transfer (FRET)-based biosensors: visualizing cellular dynamics and bioenergetics // Appl Microbiol Biotechnol. 2012. Vol. 96, № 4. P. 895-902.

125. Cicchi R., Saverio Pavone F. Non-linear fluorescence lifetime imaging of biological tissues // Anal Bioanal Chem. 2011. Vol. 400, № 9. P. 2687-2697.

126. Burnworth M., Rowan S.J., Weder C. Fluorescent Sensors for the Detection of Chemical Warfare Agents // Chemistry A European J. 2007. Vol. 13, № 28. P. 7828-7836.

127. D'Auria S., Lakowicz J.R. Enzyme fluorescence as a sensing tool: new perspectives in biotechnology // Current Opinion in Biotechnology. 2001. Vol. 12, № 1. P. 99-104.

128. Nakano M., Nagai T. Thermometers for monitoring cellular temperature // Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 2017. Vol. 30. P. 2-9.

129. Okabe K. et al. Intracellular thermometry with fluorescent sensors for thermal biology // Pflugers Arch - Eur J Physiol. 2018. Vol. 470, № 5. P. 717-731.

130. Holzinger M., Le Goff A., Cosnier S. Nanomaterials for biosensing applications: a review // Front. Chem. 2014. Vol. 2.

131. Sekiguchi T., Sotoma S., Harada Y. Fluorescent nanodiamonds as a robust temperature sensor inside a single cell // BIOPHYSICS. 2018. Vol. 15, № 0. P. 229-234.

132. Doherty M.W. et al. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond // Physics Reports. 2013. Vol. 528, № 1. P. 1-45.

133. Jacques V. et al. Dynamic Polarization of Single Nuclear Spins by Optical Pumping of Nitrogen-Vacancy Color Centers in Diamond at Room Temperature // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 102, № 5. P. 057403.

134. Sotoma S. et al. Quantum nanodiamonds for sensing of biological quantities: Angle, temperature, and thermal conductivity // BIOPHYSICS. 2022. Vol. 19, № 0. P. n/a.

135. Jarmola A. et al. Longitudinal spin-relaxation in nitrogen-vacancy centers in electron irradiated diamond // Applied Physics Letters. 2015. Vol. 107, № 24. P. 242403.

136. Reuschel P. et al. Optically detected magnetic resonance (ODMR): MANUAL. 2023.

137. Yu S.-J. et al. Bright Fluorescent Nanodiamonds: No Photobleaching and Low Cytotoxicity // J. Am. Chem. Soc. 2005. Vol. 127, № 50. P. 17604-17605.

138. Chang Y.-R. et al. Mass production and dynamic imaging of fluorescent nanodiamonds // Nature Nanotech. 2008. Vol. 3, № 5. P. 284-288.

139. Bradac C. et al. Observation and control of blinking nitrogen-vacancy centres in discrete nanodiamonds // Nature Nanotech. 2010. Vol. 5, № 5. P. 345-349.

140. Barbiero M. et al. Spin-manipulated nanoscopy for single nitrogen-vacancy center localizations in nanodiamonds // Light Sci Appl. 2017. Vol. 6, № 11. P. e17085-e17085.

141. Hui YY et al. Single particle tracking of fluorescent nanodiamonds in cells and organisms // Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2017. Vol. 21, №2 1. P. 35-42.

142. Degen C.L., Reinhard F., Cappellaro P. Quantum sensing // Rev. Mod. Phys. 2017. Vol. 89, № 3. P. 035002.

143. Jelezko F., Wrachtrup J. Single defect centres in diamond: A review // Physica Status Solidi (a). 2006. Vol. 203, № 13. P. 3207-3225.

144. Skvortsov A. et al. Stable in Biocompatible Buffers Silver Nanoisland Films for SERS // Biosensors. 2021. Vol. 11, № 11. P. 448.

145. Alshatteri A.H., Omer K.M. Smartphone-based fluorescence detection of bilirubin using yellow emissive carbon dots // Anal. Methods. 2022. Vol. 14, № 17. P. 1730-1738.

146. Pirot S.M. et al. Dual-template molecularly surface imprinted polymer on fluorescent metal-organic frameworks functionalized with carbon dots for ascorbic acid and uric acid detection // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 2023. Vol. 291. P. 122340.

147. Zhang T. et al. Hybrid nanodiamond quantum sensors enabled by volume phase transitions of hydrogels // Nat Commun. 2018. Vol. 9, № 1. P. 3188.

148. Minati L. et al. Synthesis of novel nanodiamonds-gold core shell nanoparticles // Diamond and Related Materials. 2015. Vol. 53. P. 23-28.

149. Wang R. et al. Citrate-Regulated Surface Morphology of SiO 2 @Au Particles To Control the Surface Plasmonic Properties // J. Phys. Chem. C. 2016. Vol. 120, № 1. P. 377-385.

150. Gerasimova E.N. et al. Thermally Induced Mechanical Switching of the Second-Harmonic Generation in pNIPAM Hydrogels-Linked Resonant Au and Si Nanoparticles // Advanced Optical Materials. 2022. Vol. 10, № 24. P. 2201375.

151. Paula A.J. et al. Suppression of the hemolytic effect of mesoporous silica nanoparticles after protein corona interaction: independence of the surface microchemical environment // J. Braz. Chem. Soc. 2012. Vol. 23, № 10. P. 1807-1814.

152. Timin A.S. et al. Preparation and characterization of organo-functionalized silicas for bilirubin removal // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2015. Vol. 464. P. 65-77.

153. Mcleod M.P., Dossey A.T., Ahmed M.K. Application of attenuated total reflection infrared spectroscopy in the study of Peruphasma schultei defensive secretion // Spectroscopy. 2007. Vol. 21, № 3. P. 169-176.

154. Alshuiael S.M., Al-Ghouti M.A. Multivariate analysis for FTIR in understanding treatment of used cooking oil using activated carbon prepared from olive stone // PLoS ONE / ed. Matsakas L. 2020. Vol. 15, № 5. P. e0232997.

155. Ji Y et al. DFT-Calculated IR Spectrum Amide I, II, and III Band Contributions of N -Methylacetamide Fine Components // ACS Omega. 2020. Vol. 5, № 15. P. 8572-8578.

156. Rahma A. et al. Intermolecular Interactions and the Release Pattern of Electrospun Curcumin-Polyvinyl(pyrrolidone) Fiber // Biological & Pharmaceutical Bulletin. 2016. Vol. 39, № 2. P. 163-173.

157. Rahma A. et al. Intermolecular Interactions and the Release Pattern of Electrospun Curcumin-Polyvinyl(pyrrolidone) Fiber // Biological & Pharmaceutical Bulletin. 2016. Vol. 39, № 2. P. 163-173.

158. Timin A.S., Rumyantsev E.V. Sol-gel synthesis of mesoporous silicas containing albumin and guanidine polymers and its application to the bilirubin adsorption // J SolGel Sci Technol. 2013. Vol. 67, № 2. P. 297-303.

159. Huang P. et al. Synthesis and Characterization of Bovine Serum Albumin-Conjugated Copper Sulfide Nanocomposites // Journal of Nanomaterials / ed. Tabrizian M. 2010. Vol. 2010, № 1. P. 641545.

160. Lazar G. et al. EFFECTS OF THE ENVIRONMENTAL STRESS ON TWO FISH POPULATIONS REVEALED BY STATISTICAL AND SPECTRAL ANALYSIS // Environ. Eng. Manag. J. 2012. Vol. 11, № 1. P. 109-124.

161. Krimm S., Bandekar J. Vibrational Spectroscopy and Conformation of Peptides, Polypeptides, and Proteins // Advances in Protein Chemistry. Elsevier, 1986. Vol. 38. P. 181-364.

162. Saeed A. et al. Effects of Very Low Dose Fast Neutrons on Cell Membrane And Secondary Protein Structure in Rat Erythrocytes // PLoS ONE / ed. Perc M. 2015. Vol. 10, № 10. P. e0139854.

163. Krimm S., Bandekar J. Vibrational Spectroscopy and Conformation of Peptides, Polypeptides, and Proteins // Advances in Protein Chemistry. Elsevier, 1986. Vol. 38. P. 181-364.

164. Saeed A. et al. Effects of Very Low Dose Fast Neutrons on Cell Membrane And Secondary Protein Structure in Rat Erythrocytes // PLoS ONE / ed. Perc M. 2015. Vol. 10, № 10. P. e0139854.

165. Babich E. et al. Power Spectral Density Analysis for Optimizing SERS Structures // Sensors. 2022. Vol. 22, № 2. P. 593.

166. Skvortsov A. et al. Raman Scattering Study of Amino Acids Adsorbed on a Silver Nanoisland Film // Sensors. 2022. Vol. 22, № 14. P. 5455.

167. Babich E. et al. Hot spot statistics and SERS performance of self-assembled silver nanoisland films // Opt. Mater. Express. 2019. Vol. 9, № 10. P. 4090.

168. Mahar N. et al. Fast and sensitive detection of Procainamide: Combined SERS and DFT modeling studies // Journal of Molecular Liquids. 2021. Vol. 343. P. 117633.

169. Feng S. et al. Nasopharyngeal cancer detection based on blood plasma surface-enhanced Raman spectroscopy and multivariate analysis // Biosensors and Bioelectronics. 2010. Vol. 25, № 11. P. 2414-2419.

170. Feng S. et al. Nasopharyngeal cancer detection based on blood plasma surface-enhanced Raman spectroscopy and multivariate analysis // Biosensors and Bioelectronics. 2010. Vol. 25, № 11. P. 2414-2419.

171. Huang H. et al. Silver nanoparticle based surface enhanced Raman scattering spectroscopy of diabetic and normal rat pancreatic tissue under near-infrared laser excitation // Laser Phys. Lett. 2013. Vol. 10, № 4. P. 045603.

172. Shen Y. et al. Organelle-Targeting Gold Nanorods for Macromolecular Profiling of Subcellular Organelles and Enhanced Cancer Cell Killing // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 9. P. 7910-7918.

173. Huang H. et al. SERS spectra of a single nasopharyngeal carcinoma cell based on intracellularly grown and passive uptake Au nanoparticles // Spectroscopy. 2011. Vol. 26, № 3. P. 187-194.

174. Feng S. et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy of saliva proteins for the noninvasive differentiation of benign and malignant breast tumors // IJN. 2015. P. 537.

175. Chen N. et al. Surface-enhanced Raman spectroscopy of serum accurately detects prostate cancer in patients with prostate-specific antigen levels of 4–10 ng/mL // IJN. 2017. Vol. Volume 12. P. 5399-5407.

176. Szekeres G.P., Kneipp J. SERS Probing of Proteins in Gold Nanoparticle Agglomerates // Front. Chem. 2019. Vol. 7. P. 30.

177. Beattie J.R. et al. Raman spectral variation for human fingernails of postmenopausal women is dependent on fracture risk and osteoporosis status: Raman

spectral variation for fingernails of postmenopausal women // J. Raman Spectrosc. 2017. Vol. 48, № 6. P. 813-821.

178. Lopez-Tocon I. et al. A DFT Approach to the Surface-Enhanced Raman Scattering of 4-Cyanopyridine Adsorbed on Silver Nanoparticles // Nanomaterials. 2019. Vol. 9, № 9. P. 1211.

179. Chaturvedi D. et al. Different Phases of Breast Cancer Cells: Raman Study of Immortalized, Transformed, and Invasive Cells // Biosensors. 2016. Vol. 6, № 4. P. 57.

180. Jakubczyk D. et al. Deuterium-labelled N-acyl-l-homoserine lactones (AHLs)— inter-kingdom signalling molecules—synthesis, structural studies, and interactions with model lipid membranes // Anal Bioanal Chem. 2012. Vol. 403, № 2. P. 473-482.

181. Rieppo L., Töyräs J., Saarakkala S. Vibrational spectroscopy of articular cartilage // Applied Spectroscopy Reviews. 2017. Vol. 52, № 3. P. 249-266.

182. Alvarez-Puebla R.A., Liz-Marzan L.M. Traps and cages for universal SERS detection // Chem. Soc. Rev. 2012. Vol. 41, № 1. P. 43-51.

183. Corman V.M. et al. Detection of 2019 novel coronavirus (2019-nCoV) by real-time RT-PCR // Eurosurveillance. 2020. Vol. 25, № 3.

184. Huang W.E. et al. RT-LAMP for rapid diagnosis of coronavirus SARS-CoV-2 // Microbial Biotechnology. 2020. Vol. 13, № 4. P. 950-961.

185. Lamb L.E. et al. Rapid detection of novel coronavirus/Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) by reverse transcription-loop-mediated isothermal amplification // PLoS ONE / ed. Kalendar R. 2020. Vol. 15, № 6. P. e0234682.

186. Zhang Y et al. Rapid Molecular Detection of SARS-CoV-2 (COVID-19) Virus RNA Using Colorimetric LAMP. 2020.

187. Yan C. et al. Rapid and visual detection of 2019 novel coronavirus (SARS-CoV-2) by a reverse transcription loop-mediated isothermal amplification assay // Clinical Microbiology and Infection. 2020. Vol. 26, № 6. P. 773-779.

188. Yang W. et al. Rapid Detection of SARS-CoV-2 Using Reverse transcription RT-LAMP method. 2020.

189. Ding X. et al. Ultrasensitive and visual detection of SARS-CoV-2 using all-in-one dual CRISPR-Cas12a assay // Nat Commun. 2020. Vol. 11, № 1. P. 4711.

190. Fozouni P. et al. Amplification-free detection of SARS-CoV-2 with CRISPR-Cas13a and mobile phone microscopy // Cell. 2021. Vol. 184, № 2. P. 323-333.e9.

191. Chen H. et al. A method comparison of three immunoassays for detection of neutralizing antibodies against SARS-CoV-2 receptor-binding domain in individuals with adenovirus type-5-vectored COVID-19 vaccination // Clinical Laboratory Analysis. 2022. Vol. 36, № 4.

192. Grant B.D. et al. SARS-CoV-2 Coronavirus Nucleocapsid Antigen-Detecting HalfStrip Lateral Flow Assay Toward the Development of Point of Care Tests Using Commercially Available Reagents // Anal. Chem. 2020. Vol. 92, № 16. P. 11305-11309.

193. Min Y.-L. et al. The synthesis of poly(p-phenylenediamine) microstructures without oxidant and their effective adsorption of lead ions // J. Mater. Chem. 2011. Vol. 21, № 18. P. 6683.

194. Liu Z. et al. Synthesis of hybrid nanostructures composed of copper ions and poly(p-phenylenediamine) in aqueous solutions // J Nanopart Res. 2008. Vol. 10, № 8. P. 1271-1278.

195. Zhou Z. et al. Hydrogen Peroxide-Treated Carbon Dot Phosphor with a Bathochromic-Shifted, Aggregation-Enhanced Emission for Light-Emitting Devices and Visible Light Communication // Adv. Sci. 2018. Vol. 5, № 8. P. 1800369.

196. Jin S. et al. Enhanced Rate of Radiative Decay in CdSe Quantum Dots upon Adsorption of an Exciton-Delocalizing Ligand // Nano Lett. 2014. Vol. 14, № 9. P. 53235328.

197. Shim H.S. et al. Distinctive optical transitions of tunable multicolor carbon dots // Nanoscale Adv. 2022. Vol. 4, № 5. P. 1351-1358.

198. Choudhury N., Saha B., De P. Recent progress in polymer-based optical chemosensors for Cu2+ and Hg2+ Ions: A comprehensive review // European Polymer Journal. 2021. Vol. 145. P. 110233.

199. Wang Z. et al. Fluorescence sensor array based on amino acid derived carbon dots for pattern-based detection of toxic metal ions // Sensors and Actuators B: Chemical. 2017. Vol. 241. P. 1324-1330.

200. Yue J. et al. Two-Step Hydrothermal Preparation of Carbon Dots for Calcium Ion Detection // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. Vol. 11, № 47. P. 44566-44572.

201. Principles of Fluorescence Spectroscopy / ed. Lakowicz J.R. Boston, MA: Springer US, 2006.

202. Chen B.B. et al. Highly selective detection of 2,4,6-trinitrophenol by using newly developed terbium-doped blue carbon dots // Analyst. 2016. Vol. 141, № 9. P. 2676-2681.

203. Ciotta E., Prosposito P., Pizzoferrato R. Positive curvature in Stern-Volmer plot described by a generalized model for static quenching // Journal of Luminescence. 2019. Vol. 206. P. 518-522.

204. Yang L. et al. Carbon quantum dots: Comprehensively understanding of the internal quenching mechanism and application for catechol detection // Sensors and Actuators B: Chemical. 2021. Vol. 333. P. 129557.

205. Paterson K.A., Arlt J., Jones A.C. Dynamic and static quenching of 2-aminopurine fluorescence by the natural DNA nucleotides in solution // Methods Appl. Fluoresc. 2020. Vol. 8, № 2. P. 025002.

206. Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Techniques // Advanced Time-Correlated Single Photon Counting Techniques / ed. Castleman A.W., Toennies J.P., Zinth W. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2005. Vol. 81. P. 351-387.

207. Fitzmorris B.C. et al. Optical Properties and Exciton Dynamics of Alloyed Core/Shell/Shell Cd 1- * Zn * Se/ZnSe/ZnS Quantum Dots // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. Vol. 5, № 8. P. 2893-2900.

208. Barhum H. et al. Multicolor Phenylenediamine Carbon Dots for Metal-Ion Detection with Picomolar Sensitivity // ACS Appl. Nano Mater. 2021. Vol. 4, № 9. P. 9919-9931.

209. Zhao B. et al. Narrow-bandwidth emissive carbon dots: A rising star in the fluorescent material family // Carbon Energy. 2022. Vol. 4, № 1. P. 88-114.

210. Liu Z. et al. Blue, Yellow, and Red Carbon Dots from Aromatic Precursors for Light-Emitting Diodes // Molecules. 2023. Vol. 28, № 7. P. 2957.

211. Tan Q. et al. One-step synthesis of highly fluorescent carbon dots as fluorescence sensors for the parallel detection of cadmium and mercury ions // Front. Chem. 2022. Vol. 10. P. 1005231.

212. Al-Hashimi B., Omer K.M., Rahman H.S. Inner filter effect (IFE) as a simple and selective sensing platform for detection of tetracycline using milk-based nitrogen-doped carbon nanodots as fluorescence probe // Arabian Journal of Chemistry. 2020. Vol. 13, № 4. P. 5151-5159.

213. Liu P. et al. Application of a Novel "Turn-on" Fluorescent Material to the Detection ofAluminum Ion in Blood Serum // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2018. Vol. 10, № 28. P. 23667-23673.

214. Karthika A. et al. A novel highly efficient and accurate electrochemical detection of poisonous inorganic Arsenic (III) ions in water and human blood serum samples based on SrTiO3/p-cyclodextrin composite // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2019. Vol. 127. P. 11-18.

215. Zhang S.-R. et al. One-step synthesis of N, P-doped carbon quantum dots for selective and sensitive detection of Fe2+ and Fe3+ and scale inhibition // Journal of Molecular Structure. 2021. Vol. 1246. P. 131173.

216. Lu F. et al. Fluorescent carbon dots with tunable negative charges for bio-imaging in bacterial viability assessment // Carbon. 2017. Vol. 120. P. 95-102.

217. Havrdova M. et al. Toxicity of carbon dots - Effect of surface functionalization on the cell viability, reactive oxygen species generation and cell cycle // Carbon. 2016. Vol. 99. P. 238-248.

218. Liu H. et al. Hydrogen-Bond-Induced Emission of Carbon Dots for Wash-Free Nucleus Imaging // Anal. Chem. 2019. Vol. 91, № 14. P. 9259-9265.

219. Maiti A. et al. Efficient Excitation of Higher Order Modes in the Plasmonic Response of Individual Concave Gold Nanocubes // J. Phys. Chem. C. 2017. Vol. 121, № 1. P. 731-740.

220. Chen J.-D. et al. Radiation of the high-order plasmonic modes of large gold nanospheres excited by surface plasmon polaritons // Nanoscale. 2018. Vol. 10, № 19. P. 9153-9163.

221. Myroshnychenko V. et al. Modelling the optical response of gold nanoparticles // Chem. Soc. Rev. 2008. Vol. 37, № 9. P. 1792.

222. Pazos-Perez N. et al. Modular assembly of plasmonic core-satellite structures as highly brilliant SERS-encoded nanoparticles // Nanoscale Adv. 2019. Vol. 1, № 1. P. 122131.

223. Liang L. et al. Plasmonic Nanodiamonds // Nano Lett. 2023. Vol. 23, № 12. P. 5746-5754.

224. Schietinger S. et al. Plasmon-Enhanced Single Photon Emission from a Nanoassembled Metal-Diamond Hybrid Structure at Room Temperature // Nano Lett. 2009. Vol. 9, № 4. P. 1694-1698.

225. Schirhagl R. et al. Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond: Nanoscale Sensors for Physics and Biology // Annu. Rev. Phys. Chem. 2014. Vol. 65, № 1. P. 83-105.

226. Jurgen Von Bardeleben H. et al. Spin Polarization, Electron-Phonon Coupling, and Zero-Phonon Line of the NV Center in 3 C -SiC // Nano Lett. 2021. Vol. 21, № 19. P. 8119-8125.

227. Zhao J. et al. Light Emission from Plasmonic Nanostructures Enhanced with Fluorescent Nanodiamonds // Sci Rep. 2018. Vol. 8, № 1. P. 3605.

228. Chen X.-D. et al. Spin depolarization effect induced by charge state conversion of nitrogen vacancy center in diamond // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92, № 10. P. 104301.

229. Bumb A. et al. Silica Encapsulation of Fluorescent Nanodiamonds for Colloidal Stability and Facile Surface Functionalization // J. Am. Chem. Soc. 2013. Vol. 135, № 21. P. 7815-7818.

230. Gerasimova E.N. et al. Single-Step Fabrication of Resonant Silicon-Gold Hybrid Nanoparticles for Efficient Optical Heating and Nanothermometry in Cells // ACS Appl. Nano Mater. 2023. Vol. 6, № 20. P. 18848-18857.

231. Tlidi M. et al. Localized structures in dissipative media: from optics to plant ecology // Phil. Trans. R. Soc. A. 2014. Vol. 372, № 2027. P. 20140101.

232. Drummen G. Fluorescent Probes and Fluorescence (Microscopy) Techniques — Illuminating Biological and Biomedical Research // Molecules. 2012. Vol. 17, № 12. P. 14067-14090.