Bio-interakce polovodičových nanokrystalů

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

2. 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

3. Česká hlava - Doctorandus • bio-interakce nanomateriálů = velmi náročné téma na rozhraní fyziky/chemie/biologie

4. 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) Commercial CdS and CdSe NCs - Evidots produced by Evident Technologies (photo: J. Valenta) transmission in diffuse light luminescence under UV lamp

5. 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. d ~5 nm Leigh Canham Silicon nanocrystals • studied from 1990 - discovery of efficient luminescence • in porous silicon (electro-chemical etching)

6. OBSAH1. Výroba křemíkových nanokrystalůspolupráce s Fyzikálním ústavem AV ČRI. Pelant, K. Herynková, K. Kůsová a kol. 2. Studium bio-interakce nanomateriálůspolupráce s 1. LF UKM. Kalbáčová, A. Brož 3. Zobrazování a spektroskopie jednolivých nanokrystalůnaše specialita

7. B - PSi layer removal, pulverization, dissolution, filtering, deposition • PSi colloidal suspension • PSi powder Deposition 10 ml of the suspension substrate solvents: ethanol, iso-propanol Si NCs fabricated by the electrochem. etching & colloid treatment A - Electrochemical etching of Si in HF solution (anodization) additional treatment in H2O2

8. 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. ]

9. 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

10. zeta-potenciál náboj nanočástice ovlivňuje (mimo jiné) pronikání do buněk Zkoumané nanomateriály [A. Fučíková et al. to be published] • Si nanokrystaly – domácí výroba • Nanodiamanty – koupené z Ruska • komerční CdSe nanokryst. pro srovnání

11. 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]

12. 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]

13. 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

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

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

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

17. 3 2 PL image PL spectra Emission spectra Slit closed from two bright spots 0.3 mm Imaging spectroscopy [J. Valenta et al., J. Luminescence98 (2002) 15] Reflection 1 image m m 0 6 Slit opened Sequence of measurement

18. scanning slit position cross sections= monochromatic images Hyperspectral imaging Analogous set-up is used e.g. for measurement of solar spectral images – calculation of maps of magnetic field(from line splitting) andmass movement(from Doppler shift) etc. Complete hyperspectral imaging is not useful for low-density single objects may be interesting for e.g. detection of local fields by introduced impurities

19. 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.)

20. 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 singletníhokyslíkuprostřednictvím SiNCs – fotodynamická terapierakoviny ...

21. 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

22. Have fun with Silicon all photos: J. Valenta