כימאי MIT עיצבו סוג חדש של מולקולת פלואורסנט שהיא מקווים שניתן יהיה להשתמש בה ליישומים כמו יצירת תמונות ברורות יותר של גידולים.
הצבע החדש מבוסס על יון בורניום – צורה טעונה חיובית של בורון שיכולה לפלוט אור בטווח האדום עד כמעט אינפרא אדום. עד לאחרונה, יונים אלה לא היו יציבים מכדי לשמש להדמיה או ליישומים ביו -רפואיים אחרים.
במחקר המופיע היום ב כימיה טבעיתהחוקרים הראו שהם יכולים לייצב יוני בורניום על ידי חיבורם לליגנד. גישה זו אפשרה להם ליצור סרטים, אבקות וקריסטלים המכילים בורניום, שכולם פולטים וסופגים אור בטווח האדום והכמעט אינפרא אדום.
זה חשוב מכיוון שקל יותר לראות את האור הקרוב ל- IR כאשר מבני הדמיה עמוק בתוך רקמות, מה שיכול לאפשר תמונות ברורות יותר של גידולים ומבנים אחרים בגוף.
אחת הסיבות לכך שאנו מתמקדים באדום עד קרוב ל- IR היא מכיוון שסוגי הצבעים האלה חודרים לגוף ולרקמות הרבה יותר טוב מאור ב- UV ובטווח הנראה לעין. היציבות והבהירות של אותם צבעים אדומים הם האתגרים שניסינו להתגבר במחקר זה. "
רוברט גיליארד, פרופסור נוברטיס לכימיה ב- MIT וסופר הבכיר של המחקר
מדען המחקר MIT צ'ון-לין דנג הוא המחבר הראשי של העיתון. מחברים אחרים כוללים BI Youan (ERIC) TRA PHD '25, לשעבר סטודנט לתואר שני בוגר Xibao Zhang, וסטודנט לתואר שני צ'ונגה ג'אנג.
בורניום מיוצב
רוב ההדמיה הפלואורסצנטית מסתמכת על צבעים הפולטים אור כחול או ירוק. אותם חומרי הדמיה עובדים היטב בתאים, אך הם אינם מועילים ברקמות מכיוון שרמות נמוכות של פלואורסצנט כחול וירוק המיוצר על ידי הגוף מפריעות לאות. אור כחול וירוק מתפזר גם ברקמות, ומגביל עד כמה הוא יכול לחדור.
חומרי הדמיה הפולטים פלואורסצנט אדום יכולים לייצר תמונות ברורות יותר, אך מרבית הצבעים האדומים אינם יציבים מטבעם ואינם מייצרים אות בהיר, בגלל תשואות הקוונטים הנמוכות שלהם (היחס בין פוטונים פלורסנטיים שנפלטו לכל פוטון אור נספג). עבור צבעים אדומים רבים, התשואה הקוונטית היא רק בערך אחד.
בין המולקולות שיכולות לפלוט אור קרוב לאינפרא אדום הן קטיונים בורניום -יונים טעונים בביטוי המכילים אטום של בורון המחובר לשלושה אטומים נוספים.
כאשר התגלו מולקולות אלה לראשונה באמצע שנות השמונים, הן נחשבו ל"סקרנות מעבדה ", אומר גיליארד. מולקולות אלה היו כל כך לא יציבות עד שהן צריך לטפל בהן במיכל אטום שנקרא ארגז כפפות כדי להגן עליהן מפני חשיפה לאוויר, מה שעלול להוביל אותם להתפרק.
מאוחר יותר, כימאים הבינו שהם יכולים להפוך את היונים הללו ליציבים יותר על ידי חיבורם למולקולות הנקראות ליגנדים. במעבדה של גילליארד, בעבודה עם יונים יציבים יותר אלה, גילתה בשנת 2019 כי היו להם כמה תכונות חריגות: כלומר, הם יכולים להגיב לשינויים בטמפרטורה על ידי פליטת צבעי אור שונים.
עם זאת, בשלב זה, "הייתה בעיה משמעותית בכך שהם עדיין היו תגוביים מכדי להיות מטופלים באוויר הפתוח", אומר ג'ילארד.
המעבדה שלו החלה לעבוד על דרכים חדשות לייצב אותם עוד יותר באמצעות ליגנדים המכונה Carbodicarbenes (CDCs), עליהם דיווחו במחקר של 2022. בשל ייצוב זה, כעת ניתן ללמוד ולטפל בתרכובות מבלי להשתמש בארגז כפפות. הם גם עמידים בפני התפרקות באור, בניגוד לתרכובות קודמות מבוססות בורניום.
במחקר החדש, גיליארד החל להתנסות באניונים (יונים טעונים שלילית) שהם חלק מתרכובות CDC-Borenium. החוקרים גילו אינטראקציות בין אניונים אלה לקטיון בורניום מייצרות תופעה המכונה צימוד אקסיטון. צימוד זה, הם מצאו, העביר את תכונות הפליטה והספיגה של המולקולות לקצה האינפרא אדום של ספקטרום הצבעים. מולקולות אלה יצרו גם תפוקה קוונטית גבוהה, מה שמאפשר להן לזרוח בהיר יותר.
"לא רק שאנחנו באזור הנכון, אלא גם היעילות של המולקולות מתאימה מאוד", אומר גיליארד. "אנו עומדים באחוזים בשנות השלושים של התשואות הקוונטיות באזור האדום, שנחשב גבוה לאזור זה של הספקטרום האלקטרומגנטי."
יישומים פוטנציאליים
החוקרים הראו גם כי הם יכולים להמיר את התרכובות המכילות בורניום שלהם למספר מצבים שונים, כולל גבישים מוצקים, סרטים, אבקות ומתלים קולואידיים.
לצורך הדמיה ביו-רפואית, גיליארד רואה כי ניתן להכיל את החומרים המכילים בורניום אלה בפולימרים, ומאפשר להזריק להם לגוף כדי להשתמש כצבע הדמיה. כצעד ראשון, המעבדה שלו מתכננת לעבוד עם חוקרים במחלקת הכימיה ב- MIT ובמכון הרחב של MIT והרווארד כדי לחקור את הפוטנציאל של הדמיה של חומרים אלה בתאים.
בגלל היענות הטמפרטורה שלהם, חומרים אלה יכולים להיות פרוסים גם כחיישני טמפרטורה, למשל, כדי לפקח אם תרופות או חיסונים נחשפו לטמפרטורות גבוהות מדי או נמוכות במהלך המשלוח.
"עבור כל סוג של יישום בו מעקב אחר טמפרטורות חשוב, סוגים אלה של 'מדחומים מולקולריים' יכולים להיות שימושיים מאוד", אומר ג'ילארד.
אם משולבים בסרטים דקים, מולקולות אלה יכולות להיות מועילות גם כדיודות פולטות אור אורגניות (OLEDs), במיוחד בסוגים חדשים של חומרים כמו מסכים גמישים, אומר ג'ילארד.
בנוסף לבחינת יישומים אפשריים לצבעים אלה, החוקרים עובדים כעת על הרחבת פליטת הצבע שלהם עוד יותר לאזור האינפרא אדום, אותם הם מקווים להשיג על ידי שילוב אטומי בורון נוספים. אטומי בורון הנוספים האלה יכולים להפוך את המולקולות פחות יציבות, ולכן החוקרים עובדים גם על סוגים חדשים של קרבודיקרבנים כדי לעזור לייצב אותם.
המחקר מומן על ידי קרן ארנולד ומייבל בקמן והמכונים הלאומיים לבריאות.
