Новый метод производства флуоресцентных наночастиц в ядерном реакторе

Исследователи под руководством Петра Циглера (Институт органической химии и биохимии, Прага) и Мартина Грубы (Институт макромолекулярной химии) разработали революционный метод для простого и недорогого производства облучённых наноалмазов и других наноматериалов. Эти материалы пригодны для высокочувствительной диагностики заболеваний, включая различные типы рака. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

Чувствительная диагностика болезней и изучение молекулярных процессов в клетках требуют специальных инструментов. Дефекты кристаллической решётки в частицах неорганических материалов, например, азотно-вакансионные центры (NV-центры) в наноалмазах, позволяют с высокой чувствительностью отслеживать магнитные и электрические поля в клетках.

Наноалмазы — почти идеальный материал для этих целей. Они в миллион раз меньше ювелирных алмазов и производятся синтетически из графита. Однако для создания флуоресцирующих NV-центров кристаллическую решётку нужно повредить, выбив атомы углерода. Традиционно это делают, облучая наноалмазы быстрыми ионами в ускорителях частиц. Этот процесс дорог и малоэффективен, что ограничивает масштабы производства ценного материала.

Новый метод заменяет облучение в ускорителе на облучение в ядерном реакторе, что гораздо быстрее и дешевле. Учёные применили хитрость:

1. Наночастицы диспергируют в расплавленном оксиде бора (B₂O₃).
2. Смесь подвергают нейтронному облучению в реакторе.
3. Нейтроны захватываются ядрами бора (₁₀B), которые расщепляются на быстрые ионы гелия и лития.
4. Эти ионы создают в кристаллах контролируемые дефекты (вакансии), аналогичные тем, что получают в ускорителе.

Плотный ливень частиц и возможность облучения больших объёмов материала в реакторе позволяют за раз производить десятки граммов редкого наноматериала. Это примерно в 1000 раз больше, чем можно получить с помощью ускорителей.

Метод успешно протестирован не только для наноалмазов, но и для карбида кремния (SiC), что указывает на его потенциально универсальное применение для крупномасштабного производства наночастиц с заданными дефектами.

В основе метода лежит принцип бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ, BNCT) — экспериментального метода лечения рака, где бор, накопленный в опухоли, облучается нейтронами с последующим разрушением раковых клеток ионами гелия и лития. Этот же принцип теперь открыл дорогу к эффективному производству наноматериалов с исключительным потенциалом для применения, в том числе, в диагностике рака.