Соглашение ERA.Net Rus Plus (№ 14.587.21.0047)

Моделирование и дизайн сенсорной платформы на основе тройных точек для мультиплексного анализа клеток

Соглашение № 14.587.21.0047 поддержано Министерством науки и высшего образования РФ и выполняется в рамках трехстороннего проекта (ERA.NET RUS) совместно с Федеральным институтом исследования и тестирования материалов (ВАМ, Германия) и Швейцарской высшей технической школой Цюриха (ETH, Швейцария).

 

Руководитель проекта с российской стороны: профессор Баранов Александр Васильевич, д.ф-м.н.

Руководитель проекта с германской стороны: доктор Ута Реш-Генгер (Dr. Ute Resch-Genger), Ph.D.

Руководитель проекта со швейцарской стороны: профессор, доктор Петра С. Дитрих (Prof. Dr. Petra S. Dittrich), Ph.D.

 

Цель проекта:

Научно-технической целью проекта является разработка не имеющей аналогов по селекции и чувствительности универсальной сенсорной платформы на основе полимерных микрочастиц, легированных нетоксичными квантовыми точками полупроводников AgInS (AIS) и CuInS (CIS), для мультиплексного люминесцентного анализа лизатов и патогенов одиночных клеток в микрофлюидных проточных цитометрах.

Задачи:

- моделирование влияния химического состава, размера ядра и оболочки на энергетическую структуру, спектральные и кинетические параметры фотолюминесценции (ФЛ) квантовых точек (AIS) и (CIS) типа ядро-оболочка (т-КТ) для целенаправленного синтеза т-КТ с заданными спектральными и кинетическими параметрами оптических переходов;

- моделирование процесса замедленного по времени безызлучательного переноса энергии (Time-Resolved FRET, TR-FRET) от т-КТ (донор) к одному или нескольким акцепторам,

- синтез лабораторных образцов полимерных микрокапсул, легированных люминесцирующими т-КТ с разными временами жизни люминесценции;

- разработку методики измерения и обработки данных для селекции слабо люминесцирующих

меток по времени жизни люминесценции;

- разработку методик биоконъюгации полимерных микрокапсул, кодированных т-КТ, и белковых

биомаркеров, секретируемых или высвобождаемых при лизисе клеток или экспрессируемых из

клеток бактерий;

- разработку метода реализации FRET и TR-FRET от т-КТ к органическим молекулам - люминесцентным меткам;

- синтез лабораторных образцов сенсорной платформы - люминесцирующих полимерных

микрокапсул, биоконъюгированных с тестовыми мишенями;

- разработку схемы и методики детектирования в микрофлюидных устройствах люминесценции

микрокапсул, а также их биоконъюгатов;

- разработка метода детектирования люминесценции микрокапсул, в схемах с проточным

цитометром при одновременном детектировании времен затухания и интенсивности

люминесценции.

 

Исполнители-участники с российской стороны:

  • Баранов Михаил Александрович, инженер, Университет ИТМО
  • Богданов Кирилл Вадимович, к.ф.-м.н., научный сотрудник, Университет ИТМО
  • Вовк Илья Александрович, студент, Университет ИТМО
  • Гунько Юрий Кузьмич, к.х.н., Университет ИТМО
  • Дубовик Алексей Юрьевич, к.х.н., старший научный сотрудник, Университет ИТМО
  • Кормилина Татьяна Константиновна, студент, Университет ИТМО
  • Куршанов Даниил Александрович, студент, Университет ИТМО
  • Громова Юлия Александровна, к.ф.-м.н., научный сотрудник, Университет ИТМО
  • Тепляков Никита Владимирович, студент, Университет ИТМО
  • Перезябова Татьяна Павловна, аспирант, Университет ИТМО
  • Осипова Виктория Александровна, студент, Университет ИТМО
  • Миропольцев Максим Андреевич, студент, Университет ИТМО
  • Ушакова Елена Владимировна, к.ф.-м.н. доцент, Университет ИТМО
  • Федоров Анатолий Валентинович, д. ф.-м.н., профессор, Университет ИТМО
  • Черевков Сергей Александрович, к.ф.-м.н., научный сотрудник, Университет ИТМО

 

 

Важные события  в рамках проекта

22 января 2018 на сайте ITMO.NEWS размещена статья о получении совместного гранта учеными Университета ИТМО с коллегами из Швейцарии и Германии в рамках европейской программы ERA.Net RUS Plus.

7 марта 2018 в интерью ITMO.NEWS Ирина Мартыненко (ВАМ, Германия) рассказывет о своей научной карьере, а также о работе в рамках гранта по программе Евросоюза ERA.Net RUS Plus.

2-3 мая 2018 в Берлине состоялась встреча руководителей проекта с российской (А.В. Баранов), германской (Ута Реш-Генгер) и швейцарской (Петра С. Дитрих) стороны для обсуждения и согласования плана работы в рамках совместного проекта.

 

Июнь 2018 (Санкт-Петербург) Ута Реш-Генгер приняла участие в качестве приглашенного спикера в международной конференции PSNSPA 2018. В рамках конференции Ута Реш-Генгер выступила с докладом “Spectroscopic Characterization of Semiconductor and Lanthanide-Based Nanocrystals with Vis and NIR Emission”

 

 

В ходе выполнения 1 этапа проекта в 2018 году были получены следующие основные результаты: Составлен аналитический обзор информационных  сточников с использованием баз данных Scopus, Web of Science, РИНЦ по тематике проекта, подтверждающий актуальность тематики проекта.  Проведены патентные исследования по теме проекта, показывающие большую вероятность получения охраноспособных РИД при выполнении проекта. С использованием
современных теоретических методов физики наноструктур проведено моделирование энергетической структуры тройных квантовых точек (т-КТ) полупроводников I-III-VI, предполагающую наличие нескольких люминесцирующих центров внутри объема одной КР с энергиями фотонов люминесценции внутри запрещенной зоны, и ее вклад в формирование спектральных и кинетических параметров фотолюминесценции в КТ. Проведено моделирование
влияния химического состава (соотношения содержания Ag/In) в AgInS/ZnS КТ типа ядро/оболочка на их оптические свойства. Проведено моделирование процессов безызлучательного резонансного переноса энергии в донор/акцепторных системах, в которых времена затухания люминесценции донора более, чем на порядок превышают времена жизни люминесценция акцептора, в том числе и для доноров с энергетическими электронными состояниями внутри
запрещенной зоны. Разработаны методики синтеза гидрофобных т-КТ Ag(InS, CuInS, CuIuS/ZnS и AgInS/ZnS, методики замены гидрофобных лигандов на поверхности КТ гетеробифункциональные лиганды, обеспечивающие растворимость т-КТ в воде и их конъюгирование с биолигандами, и проведен синтез образцов т-КТ с гетеробифункциональными лигандами на поверхности. С использованием современной техники абсорбционной спектроскопии, конфокальной
люминесцентной микроскопии, в том числе и с временным разрешением, а также атомно-силовой микроскопии и просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии с возможностью элементного анализа образцов проведена характеризация морфологических и оптических параметров синтезированных образцов т-КТ, необходимых для дальнейшей работы по проекту в 2019 году. Разработана уникальная методика синтеза полимерных микрокапсул,
легированных наночастицами, включая т-КТ, методом послойного нанесения полиэлектролитов. Предложена и использована новая методика измерения и обработки данных для селекции слабо люминесцирующих меток на основе донорно/акцепторных систем по времени жизни люминесценции. Иностранными партнерами проекта разработана и протестирована методика синтеза гидрофильных AIS/ZnS и AgInS/ZnS т-КТ в водном растворе с использованием
водорастворимых реагентов. Проведена характеризация морфологических параметров синтезированных т-КТ и их элементного состава. с использованием техники оптической и электронной микроскопии. Проведена оптимизация измерения спектрально-кинетических параметров люминесценции КТ в условиях микропроточных устройств, которые предполагается использовать на следующем этапе проекта.
 
Все результаты получены в соответствии с планом работ по 1 этапу проекта в 2018 году, который выполнен полностью. Полученные результаты являются новыми и соответствуют мировому уровню. Часть из них уже опубликована в 2018 году в трех статьях в журналах Optics and Spectroscopy и Nanomaterials, индексируемых Web of Sci и Scopus, три статьи с результатами работ по проекту в 2018 году находятся в редакциях журналов Nanotechnology, Nanoscale и Journal of Physical Chemistry C, прошли стадию первоначального рецензирования с минорными замечаниями и с большой вероятностью будут опубликованы в 2019 году.
 

Опубликованные статьи:

1. A. Zukova,A. Teiserskis,Y. Rohava,A. Baranov,S.van Dijkenand and Y. Gun'ko. Deposition of magnetite nanofilms by pulsed injection MOCVD in magnetic field. Nanomaterials 2018, 8, 1064; IF: 3.504 (2017), Q1. doi:10.3390/nano8121064.

2. S. Stafford, C. Garnier and Y.K. Gun’ko. Polyelectrolyte-Stabilised Magnetic-Plasmonic Nanocomposites. Nanomaterials 2018, 8, 1044. IF: 3.504 (2017), Q1. doi:10.3390/nano8121044.

3. D. A. Kurshanov, Yu. A. Gromova, S. A. Cherevkov, E. V. Ushakova, T. K. Kormilina, A. Dubavik, A. V. Fedorov, and A.V. Baranov. "Non-toxic ternary quantum dots AgInS2 and AgInS2/ZnS: synthesis and optical properties //Optics and Spectroscopy, 2018, Vol. 125, No. 6, pp. 1041–1046. IF: 0.854 (2017), Q3. doi: 10.1134/S0030400X1812010X

 

2019 год

Важные события в рамках проекта

26 ноября 2019 года в г. Базель (Швейцария) на базе Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ЕТН) проведен семинар с участием руководителей российской (Университет ИТМО, Санкт-Петербург, проф. А.В. Баранов), немецкой (Федеральный институт исследования и тестирования материалов (ВАМ, Берлин, проф. У. Реш-Генгер) и швейцарской (ЕТН, проф. П. Диттрих) команд, участвующих в настоящем Международном проекте TARQUS программы ERA.Net  Rus Plus 2018 , а также ряда исполнителей проекта из разных стран.

 

Г. Базель (Швейцария). Швейцарская высшая техническая школа Цюриха (ЕТН)

 

Участниками семинара были сделаны доклады по результатам работ по проекту в 2019 году и обсуждены детали предстоящих совместных исследований в 2020 году. 

Участники встречи-семинара в г. Базель (Швейцария) на базе Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ЕТН) 26 ноября 2016 года. Вторая слева - проф. Петра Диттрих (ЕТН), второй и третья справа - Александр Баранов (ИТМО) и Уте Реш-Генгер (ВАМ) соответственно

 

В период  с 15 по 30 ноября 2019 года исполнитель настоящего проекта магистр 1 курса ФФиОФ Университета ИТМО Виктория Осипова проходила стажировку в лаборатории проф. П. Диттрих, ЕТН по теме "Ознакомление с методикой детектирования люминесцирующих микрокапсул, допированных квантовыми точками, с использованием миниатюрного проточного цитометра", которая соответствует плану работ по настоящему проекту. Финансирование стажировки осуществлялось из средств Университета ИТМО.

 

Слева - Движение люминесцирующих микрокапсул по каналу проточного цитометра.

Справа - магистр 1 курса ФФиОФ Университета ИТМО Виктория Осипова

 

 

В 2019 году в рамках выполнения 2 этапа проекта были выполнены все запланированные работы.

Российскими исполнителями проекта были:

Разработаны методики синтеза гидрофобных т-КТ типа Ag-In-S/Cu-In-S (AIS/CIS) и AIS/CIS/ZnS;

– С использованием современной техники абсорбционной спектроскопии, конфокальной люминесцентной микроскопии, в том числе и с временным разрешением, а также просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии с возможностью элементного анализа образцов проведена характеризация морфологических и оптических параметров синтезированных образцов т-КТ;

–Проведена характеризация морфологических и оптических параметров полимерных микрокапсул легированных т-КТ, синтезированных на первом этапе проекта.

–  Разработана уникальная методика синтеза магнитных полимерных микрокапсул, легированных т-КТ, методом послойного нанесения полиэлектролитов;

–  Реализован FRET и TR-FRET от т-КТ к органическим молекулам - люминесцентным меткам;

–  Разработана методика селективного по длинам волн люминесценции детектирования образцов микрокапсул, легированных т-КТ, с использованием стандартных спектрофлуориметров.

По результатам работ на 1-м и 2-м этапах проекта была подана заявка на изобретение "Люминесцентный сенсор концентрации ионов тяжелых металлов (преимущественно кобальта) в воде на основе квантовых точек тройного состава.

Иностранными партнерами проекта были проведены запланированные работы  и получены следующие результаты:

– Разработаны методики:  (1) определения количества функциональных карбоксильных и амино групп на поверхности полимерных микрочастиц;

– легирования полимерных капсул квантовыми точками с использованием техники "набухания" полимера;

– биоконъюгации т-КТ и микрокапсул, легированных т-КТ, коммерческими антителами или бактериальными клетками;

– биоконъюгации т-КТ и микрокапсул, легированных т-КТ, биоконъюгации т-КТ и микрокапсул, легированных т-КТ, лектинами WGA или MBL;

– биоконъюгации т-КТ и микрокапсул, легированных т-КТ, биоконъюгации т-КТ и микрокапсул, легированных т-КТ, белками;

–  биоконьюгации микрочастиц, предварительно легированных и т-КТ AIS/ZnS и имеющих на поверхности карбоксильные группы, со стрептавидином;

–  биоконъюгации полимерных микрокапсул, кодированных т-КТ, и белковых биомаркеров, секретируемых или высвобождаемых при лизисе клеток или экспрессируемых из клеток бактерий;

­–  детектирования люминесцирующих микрокапсул в условиях миниатюрного проточного цитометра;

–  визуализации мишеней с использованием FRET от т-КТ-донора к люминесцентной метке, связанной с мишенью;

–  селективного по длинам волн люминесценции детектирования образцов микрокапсул, легированных т-КТ, с использованием проточного цитометра;

­–  визуализации мишеней с использованием FRET в структурах биоконъюгированных т-КТ и люминесцентных капсул непосредственно в прозрачных аналитических ячейках матрицы.

 

Полученные результаты являются новыми и соответствуют мировому уровню. Они опубликованы в семи статьях (при плане 4) в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus, причем пять из них, включая Analytical Chemistry (IF=6.042) и Nano Research (IF=7.5)  входят в группу Q1.

 

  1. A. G. Merezhko, M. A. Gerasimova, A. Baranov, A. Yu. Dubavik, and E. A. Slyusareva. Excitation energy transfer between quantum dot and dye bound to the protein  //AIP Conference Proceedings. AIP Publishing,  – 2019. – Т. 2069. – №. 1. – С. 020004. SJR:0.16. IF:0.22 DOI:10.1063/1.5089832  
  2. Evstigneev, R.; Parfenov, P.; Dubavik, A.; Cherevkov, S.; Fedorov, A.; Martynenko, I.; Resch-Genger, U.; Ushakova, E.; Baranov, A. Time-Resolved FRET in the AgInS2/ZnS and CdSe Quantum Dot Systems in Aqueous Solution by Spectral and Time Gated Luminescence Analysis. Nanotechnology.  – 2019. – V. 30. – P. 195501 (7pp). IF: 3.04, Q1. DOI:10.1088/1361-6528/ab0136.
  3. Stepanidenko, E.A.; Gromova, Y.A.; Kormilina, T.K.;. Cherevkov, S.A.;  Kurshanov, D.A.; Dubavik, A.; Baranov, M.A.; Medvedev, O.S.; Fedorov, A.V.; Gun’ko, Y.K.; Ushakova E.V.; Baranov, A.V. Porous flower-like superstructures based on self-assembled colloidal quantum dots for sensing //Scientific Reports. – 2019. – Т. 9. – №. 1. – С. 617. IF: 4.011, Q1, DOI:10.1038/s41598-18-36250-1.
  4. Baimuratov, A.; Martynenko, I.; Baranov, A.; Fedorov, A.; Rukhlenko, I.; Kruchinin, S. Giant Stokes Shifts in AgInS2 Nanocrystals with Trapped Charge Carriers // J. Phys. Chem. C – 2019, – Т. 123, – №. 26, – С. 16430-16438. IF: 4.309, Q1. DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b03537
  5. Martynenko, I.V.; Kusic, D.; Weigert, F.; Stafford, S.; Donnelly, F. C.; Evstigneev, R.; Gromova, Y.; Baranov, A.V.; Rühle, B.; Kunte, H.-J.; Gun’ko, Y.K.; Resch-Genger, U. Magneto-fluorescent microbeads for bacteria detection constructed from superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles and AIS/ZnS quantum dots //Anal. Chem. – 2019, – Т. 91, – С. 12661−12669. IF:6.042, Q1. DOI: 10.1021/acs.analchem.9b01812
  6. Martynenko, I.V.; Baimuratov, A.S.; Weigert, F.; Soares, J.X.; Dhamo, L.; Nickl, P. I.; Doerfel, Pauli, J.; Rukhlenko, I.D.; Baranov, A.V.; Resch-Genger, U. Photoluminescence of Ag-In-S/ZnS Quantum Dots: Excitation Energy Dependence and Low-Energy Electronic Structure //Nano Research. – 2019. – –C. 1-9. IF 7.5, Q1. DOI:10.1007/s12274-019-2398-4.
  7. Gromova, Y.; Sokolova, A.; Kurshanov, D.; Korsakov, I.; Osipova, V.; Cherevkov, S.; Dubavik, A.; Maslov, V.; Perova, T.; Gun’ko, Y.; Baranov, A.; Fedorov, A. Investigation of AgInS2/ZnS Quantum Dots by Magnetic Circular Dichroism Spectroscopy. Materials 2019, 12, 3616. IF: 2.972, Q2, DOI:10.3390/ma12213616  

Результаты работы в 2019 году были представлены четырьмя докладами на международных конференциях:

1. 6th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint Petersburg OPEN 2019", April 22-25, 2019, Saint Petersburg, Russia.                       M A Miropoltsev, Y A Gromova, V N Smelov, A P Tkach, V G Maslov. Spectroscopic study of defect states in CdSe nanoplatelets.

2. 17th European Conference on Solid State Chemistry, 17th ECSSC, September 1-4, 2019, Lille, France.    D. A. Kurshanov, A. Y. Dubavik, P. D. Khavlyuk, A.V. Sokolova. Magnetic and luminescent hybrid nanomaterials based on Calcium carbonate:Design and Characterization.

3. 11th International Conference on Nanomaterials - Research & Application, NANOCON 2019, October 16th - 18th, 2019, Brno, Czech Republic, EU.

D.A. Kurshanov, A. Dubavik, P.D. Khavlyuk, I.D. Skurlov, M.A. Baranov, A.V. Baranov."Development of a Hybrid Magnetic-luminescent System Based on Calcium Carbonate Microspheres for Drug Delivery".

4. XI Международная конференция "Фундаментальные проблемы оптики, ФПО-2019", 21-25 октября 2019, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия

Д.А. Куршанов, П.Д.  Хавлюк, А.Ю. Дубовик. Гибридные структуры на основе микросфер CaCO3 обладающие магнитными и люминесцентными свойствами.

В ходе выполнения ТЗ проекта получен РИД «Люминесцентный сенсор концентрации ионов тяжёлых металлов преимущественно кобальта в воде на основе квантовых точек тройного состава», на который подана заявка на изобретение.