Een samenwerkingsverband van Koreaanse onderzoekers heeft het mechanisme ontdekt van fotoluminescentie (PL) verlies van halfgeleider nanodeeltjes, quantum dots (QD's) genaamd, en heeft een effectieve methode voorgesteld voor de stabilisatie van PL.

In de huidige studie, de onderzoekers bonden QD's dun op het oppervlak van een dekglas en observeerden de PL van enkele QD's in een optische microscoop. Ze ontdekten dat het vrijkomen van een elektron (Auger-ionisatie) uit foto-geëxciteerde QD's oxidatie van QD's door singlet-zuurstof voorkomt ( ¹ O ₂ ), wat leidt tot PL-stabilisatie. In aanvulling, ze vonden dat aaseters van ¹ O ₂ stabiliseer de PL van QD's in de neutrale toestand zonder Auger-ionisatie. Deze bevindingen zullen naar verwachting een aanzienlijke impact hebben op bio-imaging met één molecuul, een techniek om te bestuderen hoe individuele moleculen in levende cellen werken.

Details van deze ontdekking zijn gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie in het Engels en Angewandte Chemie In het Duits, tijdschriften van de Duitse Chemische Vereniging, op 23 maart, 2015.

Als biomoleculen, zoals nucleïnezuren en eiwitten, kunnen één voor één worden gedetecteerd en waargenomen in levende cellen, het zal mogelijk zijn om medicijnen te ontwikkelen en ziekten efficiënt en nauwkeurig te diagnosticeren. Onlangs, zo'n detectie genaamd single molecule bio-imaging wordt mogelijk; dankzij de ontwikkeling van ultragevoelige microscopen. Niettemin, er zijn nog steeds onopgeloste problemen in bio-imaging met één molecuul. Aangezien biomoleculen zoals nucleïnezuren en eiwitten in hun oorspronkelijke vorm niet met hoge gevoeligheid kunnen worden waargenomen met optische microscopen, deze moleculen zijn chemisch gemodificeerd met fluorescerende kleurstoffen. Echter, conventionele organische kleurstoffen hebben last van snelle fotodonkering, wat dergelijke kleurstoffen minder aantrekkelijk maakt bij langdurige bio-imaging met één molecuul. Hoewel QD's superieur zijn aan organische kleurstoffen in fotostabiliteit, hun PL neemt onvermijdelijk af bij langdurige blootstelling aan licht.

De PL-intensiteit van enkele QD's neemt geleidelijk af en verdwijnt uiteindelijk bij langdurige bestraling met licht. Dit gedrag is heel anders dan de eenstaps fotodonkering van afzonderlijke moleculen van organische kleurstoffen. De geleidelijke afname van de PL-intensiteit wordt toegeschreven aan reacties van QD's met zuurstof en de omzetting van QD's in niet-luminescente of slecht luminescente geoxideerde soorten. Dus, er zijn wereldwijd aanzienlijke inspanningen geleverd om foto-oxidatie te voorkomen en stabiele PL van QD's te verkrijgen, hoewel dergelijke pogingen nooit succesvol zijn geweest.

AIST heeft gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe fotoluminescente nanomaterialen en aan technologieën voor het stabiliseren van de PL van QD's. In dit onderzoek, in samenwerking met Kagawa University en Nagaoka University of Technology, AIST onderzocht de productie van ¹ O ₂ door QD's en oxidatie van QD's door ¹ O ₂ , wat leidde tot de huidige ontdekking.

Dit onderzoek werd ondersteund door de Japan Society for the Promotion of Science in het kader van het programma Grant-in-Aid for Scientific Research to Young Scientists (B) en het Japan Science and Technology Agency in het kader van het programma Precursory Research for Embryonic Science and Technology (PRESTO).

Monsters van QD's werden bereid door chemische binding van CdSe / ZnS QD's op het oppervlak van glazen dekglaasjes met een uniforme dichtheid van ongeveer 100 QD's per 100 × 100 m ² Oppervlakte. De intensiteit van PL (Fig. 1A) van enkele QD's werd waargenomen op een optische microscoop onder 532 nm laserexcitatie. De snelle fluctuatie of AAN-UIT-gedrag van PL wordt "knipperen, " een kenmerkend fenomeen van PL van enkele QD's. Het is bekend dat knipperen wordt veroorzaakt door Auger-ionisatie. De UIT-perioden duren vaak enkele seconden tot enkele tientallen seconden. Ondanks dit knippergedrag, de PL-intensiteit van enkele QD's op glazen dekglaasjes was gedurende langere tijd stabiel in de lucht. Anderzijds, wanneer enkele QD's op glazen dekglaasjes werden ondergedompeld in een organisch oplosmiddel, namelijk dimethylsulfoxide (DMSO), de PL-intensiteit neemt snel af en verdwijnt uiteindelijk (figuur 1B). Vergelijkbaar PL-verlies werd waargenomen wanneer enkele QD's in water werden ondergedompeld.

Wanneer QD's worden ondergedompeld in DMSO of water, de aangeslagen QD's brengen energie efficiënt over naar opgeloste zuurstof en produceren ¹ O ₂ , en de QD's zelf zijn geoxideerd. Wanneer een dergelijke reactie herhaaldelijk optreedt, niet-luminescerende oxide-eilanden worden gevormd op het oppervlak van QD's, wat het geleidelijke verlies van de PL van de QD veroorzaakt. De productie van ¹ O ₂ werd bevestigd door observatie van de karakteristieke fosforescentie (ongeveer 1270 nm) van ¹ O ₂ . Anderzijds, de productie van ¹ O ₂ en oxidatie van QD's door ¹ O ₂ zijn inefficiënt in lucht vanwege de heterogene aard van de lucht-QD-interface, wat resulteerde in de waarneming van stabiele PL.

De PL-intensiteit van enkele QD's neemt snel af in met lucht verzadigde DMSO (Fig. 2A); terwijl, het verlies van PL vertraagt ​​​​in DMSO verzadigd met stikstof (Fig. 2B). Verder, stabiele PL-emissie werd waargenomen van enkele QD's in DMSO verzadigd met lucht en aangevuld met 1, 4-diaminobutaan als a ¹ O ₂ aaseter, dat is een chemische stof die snel reageert met ¹ O ₂ (Fig. 2C). Deze resultaten geven aan dat ¹ O ₂ voorkomt stabiele PL-emissie van enkele QD's.

De enkele QD's die met laserlicht worden bestraald, lijden aan intrinsieke AAN en UIT PL, die wordt veroorzaakt door Auger-ionisatie. Echter, de PL-intensiteit herstelt zich na elke UIT-periode tot bijna hetzelfde niveau als vóór de UIT-periode (Fig. 3). Hoewel QD's tijdens de UIT-periode in de Auger-geïoniseerde toestand bestaan, PL neemt niet af. Met andere woorden, de Auger geïoniseerde QD's ondergaan geen oxidatie.

Om onophoudelijke PL van verschillende nanomaterialen te verkrijgen, toekomstig onderzoek zal gericht zijn op andere nanomaterialen voor het systematisch onthullen van relaties tussen ladingsdragerrelaxaties, Auger ionisatie, oppervlaktedefecten, productie van reactieve zuurstof, en oxidatie. Ook, zullen de onderzoekers de formulering van nanobioconjugaten van halfgeleiders overwegen, organische en biologische materialen, enz. voor ononderbroken op PL gebaseerde bio-imaging op niveaus van één molecuul.