Een internationaal onderzoeksteam heeft een nieuw celvisualisatie- en medicijnafgiftesysteem bestudeerd op basis van nanodeeltjes die zijn gecoat met luminescente kleurstofmoleculen. Het deeltjesmateriaal en de afstand tussen de kleurstof en het oppervlak van het deeltje beïnvloeden de intensiteit van het luminescentiesignaal. Silicium nanodeeltjes gecoat met kleurstofmoleculen zijn efficiënter dan vergelijkbare deeltjes gemaakt van goud. Dankzij hun biocompatibiliteit, siliciumdeeltjes kunnen worden gebruikt voor celvisualisatie en medicijnafgifte. Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Luminescerende kleurstoffen worden veel gebruikt in biologisch en medisch onderzoek vanwege hun hoge gevoeligheid en lage toxiciteit. Nanodeeltjes die worden gebruikt voor medicijnafgifte zijn vaak gecoat met dergelijke kleurstoffen. Hierdoor kunnen wetenschappers hun pad in de intracellulaire ruimte volgen. De intensiteit van het luminescentiesignaal hangt af van het materiaal van de deeltjes en de afstand tussen de kleurstof en het oppervlak van het deeltje. Wetenschappers van de ITMO-faculteit voor natuurkunde en techniek hebben samen met collega's uit Duitsland en Zweden verschillende configuraties van verschillende nanodeeltjes bestudeerd die zijn gecoat met luminescente kleurstofmoleculen en de meest efficiënte geïdentificeerd.

Wetenschappers hebben drie soorten nanodeeltjes gesynthetiseerd en bestudeerd. Als controlemonster werden niet-resonante yttriumvanadaatdeeltjes (YVO4) gebruikt. Dergelijke deeltjes hebben geen invloed op de intensiteit van kleurstofmoleculen. Goud- en siliciumdeeltjes van dezelfde grootte bekleed met kleurstofmoleculen die op verschillende afstanden van het oppervlak waren geplaatst, werden vergeleken met het controlemonster.

Modellering en experimenten hebben aangetoond dat hechting van kleurstof aan siliciumdeeltjes de fotoluminescentie van de kleurstof tot drie keer kan verbeteren in vergelijking met gouddeeltjes. "Een dergelijke verbetering is te wijten aan Mie-resonanties in siliciumdeeltjes. Het is belangrijk op te merken dat de resonantiegolflengten afhankelijk zijn van de grootte van de deeltjes. Vanwege de hoge brekingsindex, de Mie-resonantie van bolvormige siliciumdeeltjes van ongeveer honderd nanometer groot strekt zich uit tot in het zichtbare deel van het spectrum. Dus, resonerende siliciumdeeltjes stellen ons in staat om spontane emissie te versnellen en het kleurstofsignaal op het oppervlak te versterken, " zegt Sergei Makarov, hoofd van ITMO's laboratorium voor hybride nanofotonica en opto-elektronica.

Het luminescentiesignaal vervalt op het oppervlak van het gouddeeltje. Daarom moet de kleurstof op een afstand van dergelijke deeltjes worden geplaatst. Om dit te doen, wetenschappers moeten chemische methoden gebruiken, wat complex en kostbaar kan zijn. Deze extra stappen kunnen worden vermeden door siliciumdeeltjes te gebruiken die het luminescentiesignaal direct op het oppervlak versterken. Daarnaast, het onderzoek heeft aangetoond dat met lichtgevende moleculen bedekte siliciumdeeltjes door kankercellen kunnen worden opgenomen.

"We denken dat silicium een ​​veelbelovend materiaal is, vooral voor de biogeneeskunde. Studie van medicijnafgifte en bio-imaging-methoden is een zeer snel ontwikkelend veld aan de ITMO University. Bijvoorbeeld, we werken momenteel aan een leveringssysteem op basis van holle silicadeeltjes. Met dank aan het team van wetenschappers van de Faculty of Physics and Engineering, onze universiteit krijgt stilaan erkenning op het gebied van optica en medicijnafgiftesystemen, " zegt Michail Zyuzin, een onderzoeksmedewerker aan de Faculteit der Natuurkunde en Engineering. In de toekomst, deze systemen kunnen niet alleen worden gebruikt om intracellulaire structuren te visualiseren, maar ook om verschillende stoffen af ​​te leveren, van medicijnen tot genetische agentia, naar cellen.