Лазерно-синтезовані оксид-пасивовані яскраві квантові точки Si для біоізображення Наукові звіти
Предмети
Анотація
Наночастинки кристалічного кремнію (Si) представляють надзвичайно перспективний об'єкт для біовізуалізації на основі фотолюмінесценції (PL) у видимій та ближній інфрачервоній областях спектра, але їх ефективне викид PL у водну суспензію зазвичай спостерігається після мокрих хімічних процедур, що призводить до проблем залишкової токсичності. Тут ми вводимо ультрачисті синтезовані на лазері квантові точки (КТ) на основі Si, які диспергуються у воді та демонструють яскравий екситон PL у вікні відносної прозорості тканини близько 800 нм. Заснований на лазерній абляції кристалічних мішеней Si в газоподібному гелію з подальшою дисперсією осаджених плівок у фізіологічному сольовому розчині за допомогою ультразвуку, запропонований спосіб дозволяє уникнути будь-яких токсичних побічних продуктів під час синтезу. Ми демонструємо ефективний контраст КТ Si в живих клітинах, слідуючи екситону PL. Ми також показуємо, що підготовлені КТ не викликають жодних ефектів цитоксичності, проникаючи в клітини та ефективно накопичуючись біля клітинної мембрани та в цитоплазмі. У поєднанні з можливістю створення паралельних терапевтичних каналів ультрачисті наноструктури Si, синтезовані лазером, представляють унікальний об'єкт для терапевтичного застосування раку.
Вступ
Тут ми повідомляємо про вирішення проблеми вторинної токсичності яскраво люмінесцентної вододисперсійної Si-КТ на основі лазерного синтезу. Утворюється шляхом лазерної абляції з твердої речовини c-Si ціль у газоподібному Він і вирощується в лазерно-плазмовому середовищі, Si нанокластери відчувають майже ідеальну кристалізацію, за якою відбувається пасивація поверхні киснем під час їх дії повітря (пасивація оксидом). Після диспергування у водних розчинах оксид пасивується Si КТ демонструють сильний PL на основі екситону з QY у кілька відсотків без додаткових процедур вологої хімії. КТ не демонструють жодних ознак токсичності, демонструють біологічну здатність до розкладання та відмінне поглинання клітин, що робить їх ідеальними кандидатами для застосування біовізуалізацій.
Результати і обговорення
(a) Лазерно-аблятивний синтез наноструктур Si. (a) Схеми двоступеневого лазерного синтезу: Лазерна абляція а c-Si ціль в залишковому Він газ призводить до осадження наноструктурованої LA-Si плівка (ліва панель); потім плівку обробляють ультразвуковим опроміненням у водному фізіологічному розчині, що призводить до видалення Si нанокристали та утворення вододисперсних НП; () Скануюча електронна мікроскопія (SEM) зображення лазерно-абляційної Si-на основі наноструктурної плівки, нанесеної на c-Si підкладка; Трансмісійна електронна мікроскопія (TEM) (c) та зображення TEM із високою роздільною здатністю (d, e) Лос-Анджелеса-Si НЧ, отримані методом ультразвукового фрезерування лазерно-аблятованих наноструктурованих плівок. Помаранчеві еліпси зображують Si нанокристали.
На рис. 1в представлено типове зображення просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ) Si наночастинки (NP), отримані після етапу ультразвукування та відповідного розподілу за розмірами NP перед будь-яким фільтруванням за розміром (вставка). Можна помітити, що, незважаючи на наявність великих агломератів, більшість лазерно-аблятованих Si NP (LA-Si NP) мають діаметр менше 100 нм, що робить їх придатними для біомедичних застосувань. Більше того, великі LA-Si НП представляють агрегації дрібних наночастинок (рис. 1г) і можуть розпадатися під час їх зберігання у водних середовищах (рис. 2в). Тонка структура типового ЛА-Si НП можна побачити на зображенні HRTEM на рис. 1д. Видно, що ці LA-Si НЧ складаються з хаотично розподілених кристалічних зерен (позначаються помаранчевими кружечками), включених у пористу матрицю. Така матриця в основному складається з аморфного SiOx, як це було раніше засвідчено 33,37,38. Як випливає з даних FTIR (див. Рис. S2 у Додатковій інформації), склад верхнього шару близький до діоксиду кремнію, тобто. х = 1,95 ± 0,05, але глибші шари свідчать про наявність частки субоксидної фази, близької до SiO1,5 38. Це можна трактувати як неоднорідне покриття, що означає майже сполуку SiO2 на поверхні та SiOx (х 13 .
Властивості LA-Si QD.
(а) Спектри фотолюмінесценції LA-Si наноструктуровані плівки (червона крива) та водні суспензії LA-Si NP (чорна крива); () типовий перехідний ФЛ для смуги екситонів (1.5 еВ). На вставці показано перехідний рівень PL для смуги, пов'язаної з дефектами, на рівні 2.7 еВ; (c) Динамічні спектри розсіяння світла від LA-Si Агломерати QD після різного часу їх зберігання в сольовому розчині.
Ефективна ФЛ з лазерно-аблятованих плівок та суспензій Si QD - це приємний сюрприз, враховуючи це Si наноструктури, виготовлені більшістю альтернативних сухих методів, таких як лазерний піроліз силану 1,22,26, не забезпечують люмінесценції перед додатковим етапом вологої хімічної обробки в розчинах HF-HNO3. Ми вважаємо, що утворення сильно люмінесцентних КТ Si у нашому випадку зумовлене особливими умовами росту кристалів у лазерно-плазмовому шлейфі та їх подальшою пасивацією в навколишньому повітрі. Відомо, що шлейф аблят Si нанокластери здатні ефективно іонізувати атоми навколишнього середовища Він газу і, таким чином, утворюють плазму з відносно довгим (> 1 мс) життям 47. Видно неозброєним оком завдяки характерному випромінюванню люмінесценції, така область плазми іонізованого газу може досягати відстаней 1,5–2 см від цілі. Хоча нанокластери рухаються з відносно високою швидкістю (