Chemicy odkryli nowy sposób na rozpuszczenie w wodzie jednej z najpowszechniej stosowanych rodzin kolorowych barwników organicznych, otwierając nowe możliwości w dziedzinie chemii przyjaznej dla środowiska i zaawansowanych technologii opartych na świetle. W pracy podjęto długotrwały problem: chociaż dipirrometeny boru (BODIPY), klasa fluorescencyjnych barwników organicznych znanych z intensywnej jasności, są chwalone za blask i elastyczność, nie mieszają się dobrze z wodą. Ograniczyło to ich zastosowanie w ważnych obszarach, takich jak obrazowanie medyczne, badania biologiczne oraz bezpieczniejsze metody i technologie chemiczne dla środowiska.
W celu dokonania tego odkrycia badacze dr Jorge Bañuelos i profesor Santiago de la Moya kierowali multidyscyplinarnym zespołem z Uniwersytetu Complutense w Madrycie, Uniwersytetu Kraju Basków, Wyższej Rady ds. Badań Naukowych i Instytutu Badań Biomedycznych Hospital Doce de Octubre. Wyniki ich badań opublikowano w czasopiśmie Chemical Science.
Dr Bañuelos i profesor de la Moya opracowali prosty proces, który zmienia zwykłe, hydrofobowe dipirometeny boru w formy przyjazne dla wody. Dokonali tego poprzez zamianę atomów fluoru w barwniku na grupy przyciągające wodę. Godne uwagi jest to, że ta zmiana pozwala zachować jasne i świecące właściwości barwników, czego często nie udało się osiągnąć wcześniejszymi metodami. Profesor de la Moya wyjaśnił: „Przedstawiamy prostą ogólną modyfikację chemiczną mającą na celu przekształcenie konwencjonalnych hydrofobowych dipirrometenów boru w wysoce hydrofilowe warianty, umożliwiając w ten sposób ich skuteczną solubilizację w wodzie przy minimalnym zakłóceniu nieodłącznej fotofizyki barwnika”. Hydrofobowy oznacza odporny na wodę, natomiast hydrofilowy odnosi się do substancji, które łatwo rozpuszczają się w wodzie.
Dr Bañuelos i zespół profesora de la Moya wykazali, że metoda ta działa w przypadku różnych struktur barwników BODIPY. Poddane obróbce barwniki nie tylko łatwo rozpuszczały się w wodzie, ale także pozostawały jasne i stabilne. W przeszłości barwniki te zlepiały się w wodzie i traciły połysk. Testy potwierdziły ponadto, że ulepszone wersje preferują środowisko wodne od środowiska oleistego (rozpuszczalnika organicznego), co oznacza radykalną zmianę zachowania. Zmianę tę mierzono za pomocą wartości podziału, które pokazują, czy substancja preferuje środowisko wodne, czy oleiste.
To, co czyni to szczególnie ekscytującym, to liczba możliwych zastosowań. Gotowe do użycia w wodzie barwniki przetestowano w trzech obszarach: bardziej ekologiczne transformacje BODIPY przeprowadzane w wodzie, lasery barwnikowe wykorzystujące wodę jako medium aktywne oraz badania na żywych komórkach, w których niezbędne są świecące organiczne znaczniki i sondy. Lasery w tym kontekście odnoszą się do silnie skupionych wiązek światła stosowanych w technice i medycynie. W jednym eksperymencie naukowcy wykazali, że barwniki te mogą zasilać wiązki lasera barwnikowego w czystej wodzie, czego nigdy wcześniej nie osiągnięto w przypadku tej rodziny związków. Jak zauważył dr Bañuelos, „według naszej najlepszej wiedzy badane pochodne są pierwszymi barwnikami dipirometenowo-borowymi umożliwiającymi wysoce wydajną i fotostabilną emisję lasera w czystej wodzie”. Fotostabilność oznacza, że barwniki mogą świecić nawet po wystawieniu na działanie trudnych warunków oświetleniowych przez długi czas.
Przydatność wykracza poza fizykę i chemię. W biologii jasne sondy organiczne są niezbędne do śledzenia aktywności żywych komórek. Sondy to markery chemiczne, które pomagają naukowcom zajrzeć do wnętrza komórek pod mikroskopem. Naukowcy wykazali, że nowe barwniki mogą znakować komórki bezpośrednio w czystej wodzie, bez konieczności stosowania potencjalnie toksycznych dodatków. Pozostały bezpieczne dla komórek i charakteryzowały się dobrą skutecznością, co czyni je obiecującymi kandydatami do udoskonalania narzędzi do obrazowania medycznego i diagnostyki.
Taki postęp pokazuje, jak nauka może łączyć wydajność z odpowiedzialnością. Eliminując potrzebę stosowania szkodliwych rozpuszczalników, czyli płynów chemicznych używanych do rozpuszczania substancji, i zapewniając kompatybilność z organizmami żywymi, nowe podejście łączy mocne materiały z praktykami przyjaznymi dla środowiska. Dr Bañuelos i profesor de la Moya doszli do wniosku, że ich strategia „powinna rozszerzyć optymalne wykorzystanie tych przestrajalnych barwników w zastosowaniach wymagających wody lub mediów wysoce hydrofilowych, szczególnie w dziedzinie fotoniki biologicznej”. Fotonika biologiczna odnosi się do wykorzystania narzędzi wykorzystujących światło w biologii i medycynie.
Odniesienie do czasopisma
Schad C., Ray C., Díaz-Norambuena C., Serrano-Buitrago S., Moreno F., Maroto BL, García-Moreno I., Muñoz-Ubeda M., López-Montero I., Bañuelos J., de la Moya S. „Rozpuszczalne w wodzie barwniki dipirrometenu boru: nowatorskie podejście do ich zrównoważonej chemii i stosowanej fotoniki”. Nauki chemiczne, 2025; Tom 16. DOI: https://doi.org/10.1039/d5sc01295c
O Autorach
Santiago de la Moya jest profesorem chemii organicznej na Uniwersytecie Complutense w Madrycie (UCM), gdzie obecnie kieruje zarówno Katedrą Chemii Organicznej, jak i grupą badawczą Organiczne barwniki do materiałów fotonicznych. Jego wiedza obejmuje mechanizmy reakcji organicznych, chiralność molekularną i stosowaną syntezę organiczną, ze szczególnym naciskiem na małocząsteczkowe barwniki organiczne, w szczególności pochodne BODIPY.
Jego obecne zainteresowania naukowe skupiają się na projektowaniu i rozwoju wielofunkcyjnych barwników organicznych i materiałów na bazie barwników do zaawansowanych i pojawiających się zastosowań w energetyce i zdrowiu. Jest autorem ponad 130 recenzowanych artykułów naukowych i wniósł znaczący wkład w chemię BODIPY i materiały fotoniczne, szczególnie w opracowaniu opłacalnych emiterów światła spolaryzowanego kołowo w oparciu o proste cząsteczki organiczne. W 2015 roku wprowadził koncepcję CPL-SOM (prostych cząsteczek organicznych umożliwiających luminescencję spolaryzowaną kołowo), obecnie powszechnie uznawaną w tej dziedzinie. Jego badania translacyjne doprowadziły do kilku patentów w dziedzinie chemii i materiałów opartych na BODIPY.
Dr de la Moya uzyskał stopień doktora chemii organicznej na UCM w 1994 r. pod kierunkiem profesorów AG Martínez, E. Teso i A. Fraile, pracując jako członek FPU nad stereokontrolowaną chemią pochodnych norbornanu produktów naturalnych. W latach 1994–1996 prowadził badania podoktorskie w dziedzinie chemii supramolekularnej u prof. F. Vögtle na Uniwersytecie w Bonn, najpierw jako stypendysta finansowany przez UE, a później jako pracownik naukowy. W 1997 r. przebywał na stypendium wizytującym na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley jako stypendysta Gregorio del Amo, szkoląc się z chemii kombinatorycznej pod kierunkiem prof. P. Bartletta. Dołączył do UCM jako adiunkt w 1996 r., został profesorem nadzwyczajnym w 2002 r., a profesorem zwyczajnym w 2017 r.
Jorge Banuelos jest starszym wykładowcą chemii fizycznej na Uniwersytecie Kraju Basków (EHU), gdzie należy do grupy badawczej Lumimats. Jego obszar specjalizacji obejmuje spektroskopię molekularną, chemię obliczeniową, elektrochemię i chemię materiałów, ze szczególnym uwzględnieniem właściwości fotonicznych barwników organicznych znanych jako BODIPY.
Jego główna działalność badawcza skupia się na zrozumieniu właściwości fotofizycznych wielofunkcyjnych barwników organicznych stosowanych w energetyce (kombajny światła i lasery) oraz zdrowiu (czujniki i sondy). Jest autorem ponad 150 recenzowanych i indeksowanych publikacji. Jego najbardziej znaczący wkład naukowy dotyczy odpowiednio fluoroforów i materiałów na bazie BODIPY do selektywnego barwienia i leczenia komórek nowotworowych za pomocą terapii fotodynamicznej sterowanej bioobrazowaniem oraz emiterów wyposażonych w luminescencję spolaryzowaną kołowo do oświetlenia półprzewodnikowego. Aby przenieść wyniki badań do przemysłu, uzyskał licencję patentową w dziedzinie chemii biofotonicznej opartej na BODIPY. W uznaniu jego wpływu badawczego dr Bañuelos znalazł się w rankingu Stanforda wśród 2% najczęściej cytowanych badaczy na świecie w latach 2020, 2021 i 2022, a w 2023 r. na liście seniorów przez ostatnie pięć lat.
Dr Bañuelos uzyskał stopień doktora, nagrodzony nadzwyczajną nagrodą doktorancką, w 2004 r., pracując jako stypendysta EHU nad fotofizyczną charakterystyką BODIPY jako fotoaktywnych ośrodków przestrajalnych laserów. Aby ugruntować swoją wiedzę w zakresie chemii materiałów, w 2006 roku spędził sześć miesięcy w grupie prof. G. Calzaferriego na Uniwersytecie w Bernie, ucząc się o porowatych nanomateriałach domieszkowanych barwnikami jako fotosensybilizatorach ogniw słonecznych. Obecne stanowisko w EHU zapewnił sobie w 2011 roku, po siedmioletnim okresie pracy na stanowisku asystenta.
