Bio-interakce polovodičových nanokrystalů Jan Valenta, Anna Fučíková katedra chemické fyziky & optiky, MFF UK jan.valenta@mff.cuni.cz Marie Kalbáčová, Antonín Brož Ústav dědičných metabolických poruch 1. lékařská fakulta 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

Quantum dots – nanocrystals: Tuning energy by changing size 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 Commercial CdS and CdSe NCs - Evidots produced by Evident Technologies (photo: J. Valenta)

Basic properties of Si NC Silicon nanocrystals d ~5 nm studied from 1990 - discovery of efficient luminescence in porous silicon (electro-chemical etching) Leigh Canham 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 nanokrystalů spolupráce s Fyzikálním ústavem AV ČR I. Pelant, K. Herynková, K. Kůsová a kol. 2. Studium bio-interakce nanomateriálů spolupráce s 1. LF UK M. Kalbáčová, A. Brož 3. Zobrazování a spektroskopie jednolivých nanokrystalů naše specialita

Si NCs fabricated by the electrochem. etching & colloid treatment 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 ml of the suspension substrate

Organic capping of PSi particles 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. [ K. Kusova et al. ACS Nano 4 (2010) 4495. ]

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 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 24 hodiny 48 hodin control SiNC ND 48 h 75 mg/ml Buňky SAOS-2, Lactase-dehydrogenase test [A. Fučíková et al. to be published, A. Fucikova et al. Chem. Papers 63 (2009) 704]

Konfokální fluorescenční mikroskopie Konfokální fluorescenční mikroskopie – sledování pronikání nanočástic do buněk 3h NCD –75 μg/ml 3h Si –75μg/ml colour coding: green = actin, red = SiNC, blue = ND, A. Brož a M. Kalbáčová 1.LF UK

section : top center bottom SiNC, 2 h SiNC, 24 h Buňky SAOS-2, koncentr. nanomater. 75 mg/ml ND, 2 h ND, 24 h

Princip pronikání nanočástic do buněk [A. Fučíková et al. to be published]

Far-filed micro-imaging-spectroscopy – our approach Epifluorescence excitation

Sequence of measurement Imaging spectroscopy [J. Valenta et al., J. Luminescence 98 (2002) 15] PL spectra Emission spectra from two bright spots 3 Reflection PL image 2 1 image Slit closed 0.3 mm m m 6 Slit opened Sequence of measurement

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. scanning slit position 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

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.)

Závěr Příprava Si nanokrystalů Hlavní 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 ...

Acknowledgement Collaborators I. Pelant, K. Luterová, K. Dohnalová, K. Kůsová, J. Kočka.. Institute of Physics Czech Academy of Sciences, Prague F. Vácha , F. Adamec et al. Institute of Physical Biology, U. South Bohemia, Budweis J. 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