Afsløring af mekanismen for fotoluminescensstabilisering i halvleder -nanopartikler

Et samarbejde mellem koreanske forskere har opdaget mekanismen for tab af fotoluminescens (PL) fra halvleder -nanopartikler kaldet quantum dots (QD'er) og foreslået en effektiv metode til stabilisering af PL.

I denne undersøgelse, forskerne bandt QD'er tyndt på overfladen af ​​et dækglas og observerede PL fra enkelte QD'er i et optisk mikroskop. De opdagede, at frigivelsen af ​​en elektron (sneglionisering) fra foto-eksiterede QD'er forhindrer oxidation af QD'er med singlet oxygen ( ¹ O ₂ ), hvilket fører til PL -stabilisering. Ud over, de fandt ud af, at skurere af ¹ O ₂ stabilisere PL for QD'er i neutral tilstand uden sneglionisering. Disse fund forventes at få væsentlig indvirkning på enkeltmolekyle bio-billeddannelse, en teknik til at studere, hvordan individuelle molekyler fungerer i levende celler.

Detaljer om denne opdagelse er offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition på engelsk og Angewandte Chemie på tysk, tidsskrifter fra German Chemical Society, den 23. marts, 2015.

Hvis biomolekyler, såsom nukleinsyrer og proteiner, kan detekteres og observeres en efter en i levende celler, det vil være muligt at udvikle medicin og diagnosticere sygdomme effektivt og præcist. For nylig, sådan en påvisning kaldet enkeltmolekyle bio-billeddannelse er ved at blive mulig; takket være udviklingen af ​​ultrahøjfølsomme mikroskoper. Ikke desto mindre, der er stadig uløste problemer i enkeltmolekylær bio-billeddannelse. Da biomolekyler som nukleinsyrer og proteiner i deres oprindelige former ikke kan observeres ved høj følsomhed ved hjælp af optiske mikroskoper, disse molekyler er kemisk modificeret med fluorescerende farvestoffer. Imidlertid, konventionelle organiske farvestoffer lider af hurtig fotodunkning, hvilket gør sådanne farvestoffer mindre attraktive i forlænget enkeltmolekyle bio-billeddannelse. Selvom QD'er er bedre end organiske farvestoffer i fotostabilitet, deres PL reduceres uundgåeligt, når de udsættes for lys i lang tid.

PL -intensiteten af ​​enkelte QD'er falder gradvist og forsvinder til sidst ved bestråling med lys i lang tid. Denne adfærd er ganske forskellig fra et-trins fotoforkalkning af enkeltmolekyler af organiske farvestoffer. Det gradvise fald i PL-intensiteten tilskrives reaktioner af QD'er med ilt og omdannelsen af ​​QD'er til ikke-luminescerende eller dårligt luminescerende oxiderede arter. Dermed, der er gjort en betydelig indsats globalt for at forhindre foto-oxidation og opnå stabil PL fra QD'er, selvom sådanne forsøg aldrig har været vellykkede.

AIST har arbejdet på at udvikle nye fotoluminiscerende nanomaterialer samt teknologier til stabilisering af PL for QD'er. I dette studie, i samarbejde med Kagawa University og Nagaoka University of Technology, AIST undersøgte produktionen af ¹ O ₂ ved QD'er og oxidation af QD'er med ¹ O ₂ , hvilket førte til den nuværende opdagelse.

Denne forskning blev støttet af Japan Society for Promotion of Science under programmet Grant-in-Aid for Scientific Research til Young Scientists (B) og Japan Science and Technology Agency under programmet Precursory Research for Embryonic Science and Technology (PRESTO).

Prøver af QD'er blev fremstillet ved kemisk tethering af CdSe/ZnS QD'er på overfladen af ​​glasdæksler ved en ensartet tæthed på ca. 100 QD'er pr. 100 × 100 µm ² areal. Intensiteten af ​​PL (fig. 1A) fra enkelte QD'er blev observeret på et optisk mikroskop under 532 nm laser -excitation. PLS's højhastighedsudsving eller ON-OFF-adfærd kaldes "blinkende, "et karakteristisk fænomen af ​​PL fra enkelte QD'er. Blinkende vides at være forårsaget af sneglionisering. OFF -perioderne fortsætter ofte i et par sekunder til flere titalls sekunder. På trods af denne blinkende adfærd, PL -intensiteten af ​​enkelte QD'er på glasdæksletter var stabil i luften i en længere periode. På den anden side, når enkelte QD'er på glasdæksletter blev nedsænket i et organisk opløsningsmiddel, nemlig dimethylsulfoxid (DMSO), PL -intensiteten falder hurtigt og forsvinder til sidst (fig. 1B). Lignende PL -tab blev observeret, når enkelte QD'er blev nedsænket i vand.

Når QD'er er nedsænket i DMSO eller vand, de ophidsede QD'er overfører effektivt energi til opløst ilt og producerer ¹ O ₂ , og selve QD'erne oxideres. Når en sådan reaktion gentagne gange opstår, ikke-selvlysende oxidøer dannes på overfladen af ​​QD'er, hvilket inducerer det gradvise tab af QD's PL. Produktionen af ¹ O ₂ blev bekræftet ved observation af den karakteristiske phosphorescens (ca. 1270 nm) af ¹ O ₂ . På den anden side, produktionen af ¹ O ₂ og oxidation af QD'er ved ¹ O ₂ er ineffektive i luft på grund af den heterogene karakter af luft-QD-grænsefladen, hvilket resulterede i observation af stabil PL.

PL-intensiteten fra enkelte QD'er aftager hurtigt i luftmættet DMSO (fig. 2A); der henviser til, tabet af PL bremses i DMSO mættet med nitrogen (fig. 2B). Yderligere, stabil PL -emission blev observeret fra enkelte QD'er i DMSO mættet med luft og suppleret med 1, 4-diaminobutan som en ¹ O ₂ ådselæder, som er et kemikalie, der hurtigt reagerer med ¹ O ₂ (Fig. 2C). Disse resultater indikerer det ¹ O ₂ forhindrer stabil PL -emission fra enkelte QD'er.

De enkelte QD'er bestrålet med laserlys lider af iboende ON og OFF PL, som er forårsaget af sneglionisering. Imidlertid, PL -intensiteten efter hver OFF -periode genopretter til næsten samme niveau som før OFF -perioden (fig. 3). Mens QD'er eksisterer i Auger -ioniseret tilstand i OFF -perioden, PL falder ikke. Med andre ord, Auger -ioniserede QD'er undergår ikke oxidation.

For at opnå uafbrudt PL fra forskellige nanomaterialer, fremtidig forskning vil sigte mod andre nanomaterialer til systematisk at afsløre forholdet mellem lempelsesbærers lempelser, Sneglionisering, overfladefejl, produktion af reaktivt ilt, og oxidation. Også, forskerne vil overveje formulering af nanobiokonjugater fremstillet af halvledere, organiske og biologiske materialer, etc. for uafbrudt PL-baseret bio-billeddannelse på enkeltmolekylniveauer.