NIMS MANA-onderzoeksgroepen en een onderzoeksgroep van Nagoya University hebben samen een siliciumfluorescerend materiaal ontwikkeld met een zeer lage toxiciteit en een hoge luminescentie-efficiëntie, vergeleken met conventionele materialen. Onder nabij-infraroodstraling (NIR) bij golflengten van 650 tot 1, 000 nm - het bereik dat bekend staat als het "biologische optische venster" - dat door levende systemen kan gaan, de gezamenlijke groep slaagde erin om bio-imaging te gebruiken met behulp van dit nieuwe materiaal.

Een onderzoeksgroep van het NIMS International Centre for Materials Nanoarchitectonics (MANA), onder leiding van MANA hoofdonderzoeker Françoise Winnik, een MANA postdoc onderzoeker Sourov Chandra, een onderzoeksgroep onder leiding van MANA Independent Scientist Naoto Shirahata, en een onderzoeksgroep bestaande uit professor Yoshinobu Baba en assistent-professor Takao Yasui, Graduate School of Engineering, Universiteit van Nagoya, hebben gezamenlijk een fluorescerend siliciummateriaal ontwikkeld met een zeer lage toxiciteit en een hoog luminescentierendement, vergeleken met conventionele materialen. Onder nabij-infraroodstraling (NIR) bij golflengten van 650 tot 1, 000 nm - het bereik dat bekend staat als het "biologische optische venster" - dat door levende systemen kan gaan, de gezamenlijke groep slaagde erin om voor het eerst ter wereld bio-imaging te gebruiken met het nieuwe materiaal.

Fluorescentie bio-imaging verwijst naar de visualisatie van cellen en andere biologische weefsels die onzichtbaar zijn voor het blote oog, door ze zichtbaar te markeren met een fluorescerend materiaal. De techniek maakt in vivo observatie van de distributie en het gedrag van levende cellen in realtime mogelijk. Door toepassing van deze techniek, het kan mogelijk zijn om het gedrag van cellen en biomoleculen die verband houden met pathogenese te observeren en het mechanisme van ziekteontwikkeling te identificeren. Veel van de conventionele fluorescerende materialen stralen licht uit wanneer ze reageren op ultraviolet (UV) licht of zichtbaar licht. Echter, omdat biologische componenten zoals hemoglobine en lichaamsvloeistoffen dit soort licht absorberen, ze zijn niet van toepassing voor observatie op diep niveau van biologische zaken. Sommige fluorescerende materialen reageren op licht bij golflengten die vallen onder een "biologisch optisch venster, " maar de meeste materialen hebben een slechte lichtopbrengst, en weinig andere met een hoge luminescentie-efficiëntie bevatten giftige elementen zoals lood en kwik.

Met behulp van op silicium gebaseerde deeltjes, de gezamenlijke groep heeft met succes een fluorescerend materiaal ontwikkeld dat in staat is om efficiënt luminescentie te produceren door te reageren op binnenkomend licht met golflengten die vergelijkbaar zijn met een 'biologisch optisch venster'. Het gebruik van op silicium gebaseerde fluorescerende materialen in bio-imaging was eerder bestudeerd, en er werden enkele problemen gevonden, zoals dat ze UV-licht nodig hebben om excitatie en efficiënte luminescentie uit te oefenen, en dat ze een lage lichtopbrengst hebben. Met het oog op deze problemen, de gezamenlijke onderzoeksgroep ontwikkelde een nieuwe kern-dubbele schaalstructuur waarin kristallijne silicium nanodeeltjes, dienen als kernen, zijn bekleed met koolwaterstofgroepen en een oppervlakteactieve stof. Twee-foton excitatie fluorescentie beeldvorming toonde aan dat kristallijn silicium efficiënte foto-excitatie vertoonde bij het absorberen van NIR, en dat de koolwaterstofgroepen in de coating de emissiekwantumopbrengst verhoogden. Verder, de oppervlakteactieve coating maakte het fluorescerende materiaal in water oplosbaar. Als resultaat, het nieuwe materiaal maakte een efficiënte markering van doelbiomoleculen mogelijk, en daaropvolgende fluorescerende biobeeldvorming van de gemarkeerde doelen met behulp van een NIR-stralingsbereik dat door levende systemen gaat.

In toekomstige studies, we willen fluorescerende bio-imaging op een diep niveau bereiken met behulp van het nieuwe siliciumfluorescerende materiaal dat we in deze studie hebben ontwikkeld.

Een deel van deze studie werd uitgevoerd in het kader van het project "Molecule &Material Synthesis Platform" aan de Universiteit van Nagoya in het kader van het programma "Nanotechnology Platform Japan", georganiseerd door het ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en technologie.

Deze studie is gepubliceerd in de online versie van: nanoschaal op 13 april 2016.