Bio-interakce polovodičových nanokrystalů

Bio-interakce polovodičových nanokrystalů

Jan Valenta, Anna Fučíková

katedra chemické fyziky & optiky, MFF [email protected]

Marie Kalbáčová, Antonín Brož

Ústav dědičných metabolických poruch1. lékařská fakulta UK

MFiLF Jan Valenta, KCHFO, MFF UK

Historie studia nanomatriálů v naší laboratoři

1992 – první křemíkový nanomateriál – porézní křemík (spolupráce s Teslou Rožnov, pro kterou I. Pelant a kol. vyvinuli v 80. letech speciální luminiscenční metodu charakterizace mělkých příměsí v krystalech Si)

– specifické vlastnosti PSi (vysoký výtěžek lumin. při pokojové teplotě a modrý posun) byly objeveny roku 1990: L. Canham a U. Gösele + V. Lehmann

2000 – první luminiscenční spektra jednotlivých Si nanokrystalů (spolupráce s Král. technikou ve Stockholmu, skupina prof. Linnrose)

2005 – začátek studia bio-interakce PSi nanočástic s koloniemi živých buněk – Anna Fučíková ve spolupráci s Ústavem fyzikální biologie JčU a AV ČR Nové Hrady

2009 – navázání spolupráce se skupinou Dr. Kalbáčové na 1.LF UK

2012 – A. Fučíková obhájila PhD. disertaci „Bioapplications of novel nanostructured materials“, za kterou získala cenu Česká hlava 2012 - Doktorandus


Česká hlava - Doctorandus

bio-interakce nanomateriálů = velmi náročné téma na rozhraní fyziky/chemie/biologie


Commercial CdS and CdSe NCs - Evidots produced by Evident Technologies (photo: J. Valenta)

Unique property of NCs = electronic, optical (chemical, mechanical,...) properties may be tuned by changing size, shape, surface states etc. (in contrast to bulk)

transmission in diffuse light

luminescence under UV lamp

Quantum dots – nanocrystals: Tuning energy by changing size


Leigh Canham

- studied from 1990 - discovery of efficient luminescence

in porous silicon (electro-chemical etching)

Silicon nanocrystals

d ~5 nm

Basic properties of Si NC

- Indirect band-gap structure preserved

down to diam. of <1 nm

- Photoluminescence:

very efficient even at room temperature

PL spectrum = one broad band

with large blue-shift compare to bulk(can be UV, blue, green, yellow, red, NIR)

- Very slow decay (stretch exponential) ~0.1 ms at RT very low flux of photons - Relatively high quantum efficiency.


OBSAH

1. Výroba křemíkových nanokrystalůspolupráce s Fyzikálním ústavem AV ČRI. Pelant, K. Herynková, K. Kůsová a kol.

2. Studium bio-interakce nanomateriálůspolupráce s 1. LF UKM. Kalbáčová, A. Brož

3. Zobrazování a spektroskopie jednolivých nanokrystalůnaše specialita


A - Electrochemical etching of Si in HF solution (anodization)

additional treatment in H2O2

B - PSi layer removal, pulverization, dissolution, filtering, deposition

PSi powder

solvents: ethanol, iso-propanol

PSi colloidal suspension Deposition

10 l of thesuspension

substrate

Si NCs fabricated by the electrochem. etching & colloid treatment


Organic capping of PSi particles

[ K. Kusova et al. ACS Nano 4 (2010) 4495. ]

Long-term treatment of oxidized PSi particles in dissolved in xylene – stirring and illuminating by cw UV light (He-Cd laser 325 nm, 3 mW)

NMR characterization by J. Lang et al.


Polovodičové nanokrystaly v bio/medicíně fluorescenční značení (labelling, marking) – aktivace povrchu nanočástice specifickými molekulami- zobrazení lokalizace ve zkoumaném prostředí (tkáni, buňce ...) - náhrada za organická barviva, která mají nízkou fotostabilitu přenášení a uvolnění aktivních látek (carrier, cargo ...) - léčiva atd. lokální detekce specifických látek nebo stavu prostředí (pH

atd.) - přenos excitační energie (FRET) ... aktivace určitých procesů (např. světlem vyvolaná

generace singletního kyslíku – fotodynamická terapie rakoviny)

Potenciální výhody křemíku- biokompatibilta (nenarušuje přirozené procesy)- biodegradabilita (časem se rozloží a vyloučí z organismu) - fotoluminiscence v červené spektrální oblasti


Zkoumané nanomateriály Si nanokrystaly – domácí výroba Nanodiamanty – koupené z Ruska komerční CdSe nanokryst. pro srovnání[A. Fučíková et al. to be

published]

zeta-potenciál

/ Rq náboj nanočástice ovlivňuje (mimo jiné) pronikání do buněk


SEM mikroskopie HeLa buňky kultivované s (a) SiNC, (b) ND – zde je vidět silné narušení

buněčné membrány

Scanning Electron Microscopy, Laboratoř elektronové mikroskopie, Biologické centrum AV ČR, Č. Budějovice [A. Fučíková et al. to be published]


Vliv nanomateriálů na vývoj buněk - vitalita

[A. Fučíková et al. to be published, A. Fucikova et al. Chem. Papers 63 (2009) 704]

Buňky SAOS-2, Lactase-dehydrogenase test

24 hodiny 48 hodin

48 h

75 g/ml

control SiNC ND


Konfokální fluorescenční mikroskopie – sledování pronikání nanočástic do buněk

3h Si –75μg/ml 3h NCD –75 μg/ml

colour coding: green = actin, red = SiNC, blue = ND,

A. Brož a M. Kalbáčová 1.LF UK


section : top center bottom

Buňky SAOS-2, koncentr. nanomater. 75 g/ml

SiNC, 2 h

SiNC, 24 h

ND, 2 h

ND, 24 h


Princip pronikání nanočástic do buněk

[A. Fučíková et al. to be published]


Far-filed micro-imaging-spectroscopy – our approachEpifluorescence excitation


Reflectionimage

Slit opened

60

m

1

Sequence of measurement

[J. Valenta et al., J. Luminescence 98 (2002) 15]

PL image2

Slit closed0.3 mm

Turretgr

atin

g

grating

mirror

PL spectra

Emission spectrafrom two bright spots

3

Turret

gratin

g

grating

mirro

r

0

10

550 600 650 700 750 800 850

Wavelength [nm]

PL

inte

nsi

ty [

a.u

.]

Imaging spectroscopy


Hyperspectral imaging

Analogous set-up is used e.g. for measurement of solar spectral images

– calculation of maps of magnetic field (from line splitting)

and mass movement (from Doppler shift) etc.

Complete hyperspectral imaging is not useful for low-density single objects

may be interesting for e.g. detection of local fields by introduced impurities

cross sections = monochromatic images

scanning slit position


Spektra jednotlivých NK v živých buňkách

silná auto-fluorescence buněk v modro-zelené oblasti spektra

SingleNK PL spektra mohou sondovat lokální prostředí (pH, reakce atd.)


ZávěrPříprava Si nanokrystalůHlavní problémy jsou: - zlepšení produktivity výroby- separace velikostí nebo zúžení šířky distribuce velikostí

Bio-interakce nanomatriálů- lepší pochopení role média a náboje nanočástic na pronikání do buněk- přesnější lokalizace nanomat. v buňce- rychlost a mechanismus biodegradace (rozkladu)

Zobrazovací mikro-spektroskopie- spektrální rozměr umožní lépe rozlišit nanočástice od pozadí (autofluor.)

- spektrální posuny mohou detekovat lokální změny pH a pod.

- úzká distribuce vlastností je žádoucí

Aplikační možnosti- fluorescenční značky a nosiče léčiv etc.- generace singletního kyslíku prostřednictvím SiNCs – fotodynamická terapie rakoviny ...


AcknowledgementCollaboratorsI. Pelant, K. Luterová, K. Dohnalová, K. Kůsová, J. Kočka..Institute of Physics Czech Academy of Sciences, PragueF. Vácha , F. Adamec et al. Institute of Physical Biology, U. South Bohemia, BudweisJ. Humpoličková, M. Hof, et al. Heyrovsky Institute of Physical Chemistry, CAS

FUNDING : Grant Agency of the Czech R. and Czech Academy of Science, Ministry of Education:• LC510 - Research centre of nanotechnology and materials for nanoelectronics• Project Nanotechnology for Society: Functional hybrid nanosystems of semiconductors and metals with organic materials (FUNS)• GAUK


Have fun with Silicon

all photos: J. Valenta

Date post:	26-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	bell
View:	47 times
Download:	2 times

Bio-interakce polovodičových nanokrystalů

Documents