Puncte cuantice Si strălucitoare pasivate cu oxid sintetizat cu laser pentru rapoarte științifice bioimaginare
Subiecte
Abstract
Nanoparticulele de siliciu cristalin (Si) prezintă un obiect extrem de promițător pentru bioimagistica bazat pe fotoluminescență (PL) în regiunile spectrale vizibile și în infraroșu apropiat, dar emisia lor eficientă de PL în suspensie apoasă este de obicei observată după proceduri de chimie umedă care duc la probleme de toxicitate reziduală. Aici, introducem puncte cuantice (QD) bazate pe Si sintetizate cu laser ultra-pur, care sunt dispersabile în apă și prezintă exciton PL luminos în fereastra transparenței țesutului relativ de aproape 800 nm. Pe baza ablației cu laser a obiectivelor cristaline de Si în heliu gazos, urmată de dispersia asistată cu ultrasunete a filmelor depuse în ser fiziologic, metoda propusă evită orice subprodus toxic în timpul sintezei. Demonstrăm un contrast eficient al QD-urilor de Si în celulele vii urmărind excitonul PL. Arătăm, de asemenea, că QD-urile preparate nu provoacă efecte de citoxicitate în timp ce pătrund în celule și se acumulează eficient în apropierea membranei celulare și în citoplasmă. Combinate cu posibilitatea de a activa canale terapeutice paralele, nanostructurile de Si sintetizate cu laser ultrapur prezintă un obiect unic pentru aplicații teranostice ale cancerului.
Introducere
Aici, raportăm o soluție a problemei de toxicitate secundară a dispersabilei în apă cu luminiscență puternică da-QD-uri bazate pe utilizarea unei sinteze asistate de laser. Formată prin ablația cu laser dintr-un solid c-Si țintă în gaz El și crescute în mediu laser-plasmă, da nanoclustrii experimentează cristalizarea aproape perfectă, urmată de pasivarea suprafeței de către oxigen în timpul expunerii lor la aer (pasivarea oxidului). După dispersia în soluții apoase, oxidul pasivat da QD prezintă un PL puternic pe bază de exciton cu QY de câteva procente fără proceduri suplimentare de chimie umedă. QD-urile nu prezintă niciun semn de toxicitate, demonstrează biodegradabilitatea și absorbția celulară excelentă, ceea ce le face candidați ideali pentru aplicații de bioimagistică.
Rezultate si discutii
(A) Sinteza laser-ablativă a nanostructurilor de Si. (A) Scheme ale sintezei laser în doi pași: Ablația laser a c-Si țintă în rezidual El gazul duce la depunerea unui LA nanostructurat-da film (panoul din stânga); filmul este apoi tratat prin iradiere cu ultrasunete într-o soluție fiziologică apoasă care are ca rezultat îndepărtarea da nanocristale și formarea de NP dispersate în apă; () Imagine cu microscopie electronică de scanare (SEM) a ablat cu laser da-film nanostructurat pe bază depus pe c-Si substrat; Microscopie electronică cu transmisie (TEM)c) și imagini TEM de înaltă rezoluție (d, e) din LA-da NP produse prin frezarea cu ultrasunete a filmelor nanostructurate ablate cu laser. Elipsele portocalii descriu da nanocristale.
Figura 1c prezintă o imagine tipică de microscopie electronică cu transmisie (TEM) a da nanoparticule (NP) obținute după etapa de sonificare și distribuția corelată a dimensiunilor NP înainte de orice filtrare a mărimii (inserție). Se poate observa că, în ciuda prezenței aglomeratelor mari, majoritatea ablatelor cu laser da NP (LA-da NP) au un diametru mai mic de 100 nm, ceea ce le face potrivite pentru aplicații biomedicale. Mai mult, LA mare-da PN-urile prezintă agregări de nanoparticule mici (Fig. 1d) și pot fi dezintegrate în timpul depozitării lor în medii apoase (Fig. 2c). Structura fină a LA tipic-da PN-urile pot fi văzute în imaginea HRTEM din Fig. 1e. Este vizibil că aceste LA-da NP sunt compuse din boabe cristaline distribuite aleatoriu (notate prin cercuri portocalii) încorporate într-o matrice poroasă. O astfel de matrice este compusă în cea mai mare parte din SiOx amorf, deoarece s-a evidențiat mai devreme 33,37,38. După cum rezultă din datele FTIR (a se vedea Fig. S2 în Informații suplimentare), compoziția stratului superior este apropiată de dioxidul de siliciu, adică. X = 1,95 ± 0,05, dar straturile mai profunde evidențiază prezența unei fracțiuni din faza suboxidă apropiată de SiO1,5 38. Aceasta ar putea fi interpretată ca o acoperire neuniformă, implicând aproape compus SiO2 la suprafață și SiOx (X 13 .
Proprietățile LA-da QD-uri.
(A) Spectrele fotoluminescente ale LA-da filme nanostructurate (curbă roșie) și suspensii apoase de LA-da NP (curba neagră); () tranzitoriu tipic PL pentru banda exciton (1,5 eV). Inserția arată tranzitorie PL pentru banda legată de defecte la 2.7 eV; (c) Spectre dinamice de împrăștiere a luminii din LA-da Aglomeratele QD după un timp diferit de depozitare în ser fiziologic.
Eficientul PL din filme ablate cu laser și suspensii de da QD-urile sunt o surpriză plăcută, ținând cont de asta da nanostructurile produse de majoritatea metodelor alternative uscate, cum ar fi piroliza cu laser a silanului 1,22,26, nu oferă luminescență înainte de o etapă suplimentară de tratament chimic umed în soluții de HF-HNO3. Credem că formarea de QD-uri puternic luminiscente în cazul nostru se datorează condițiilor particulare de creștere a cristalului în panoul laser-plasmă și pasivarea lor ulterioară în aerul ambiant. Se știe că nuanta de ablat da nanoclustrii sunt capabili să ionizeze în mod eficient atomii din mediul ambiant El gaz și astfel formează plasmă cu o durată de viață relativ lungă (> 1 ms) 47. Vizibilă cu ochiul liber datorită emisiilor caracteristice de luminiscență, o astfel de regiune a plasmei cu gaz ionizat poate atinge distanțele de 1,5-2 cm de la țintă. Deși nanoclustrii se mișcă cu o viteză relativ mare (