Флюоресценция наноалмазов в ближнем инфракрасном диапазоне. Использование для мультимодального биоимиджинга

Lin Y.-C., Tsai L.-W., Perevedentseva E., Karmenyan A., Cheng C.-L.

Ключевые слова: наноалмазы; Ni-дефекты; флюоресцентные центры свечения; ближнее инфракрасное излучение; флюоресценция; биоимиджинг.

2018, том 10, номер 1, стр. 49.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2018.10.1.06

Полный текст статьи

pdf

2227

1768

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Оптические и спектральные свойства наноалмазов в настоящее время рассматриваются с точки зрения применения в биомедицинских исследованиях, в частности как флюоресцентные метки для биоимиджинга. Флюоресценция наноалмазов определяется в первую очередь дефектами и примесями в кристаллической решетке. Наиболее хорошо изученными и используемыми флюоресцентыми центрами в наноалмазах являются азотные вакансии. Однако они излучают в видимой области спектра и их излучение перекрывается с автофлюоресценцией большинства биологических объектов.

Цель исследования — изучение флюоресценции никелевого центра в наноалмазе, излучающего в ближнем инфракрасном диапазоне (883–885 нм), с точки зрения возможностей его применения для биоимиджинга при однофотонном и двухфотонном возбуждении.

Материалы и методы. Использованы синтетические наноалмазы (Kay Diamond, США) с размером частиц от 100 нм до 2,5 мкм и с карбоксилированной поверхностью. Спектральные свойства частиц изучались методами комбинационного рассеяния и люминесцентной спектроскопии при однофотонном и двухфотонном возбуждении. Также изучалось взаимодействие наноалмазов размером 500 нм с клетками baby hamster kidney (BHK). Клетки инкубировались с наноалмазами в течение 8 ч, затем анализировались их изображения, полученные с помощью лазерной конфокальной флюоресцентной сканирующей микроскопии, а также распределение интенсивности фотолюминесценции по изображению.

Результаты. Максимум излучения флюоресценции Ni-центра наблюдается на длине волны около 885 нм. Показано, что на флюоресценцию влияют размер частиц наноалмазов, температура, а также условия возбуждения. Вариабельность излучения в зависимости от размеров частиц, температуры, длины волны возбуждения дает возможность выбирать оптимальные нано- или микрочастицы и условия для использования наноалмазов в качестве флюоресцентного зонда. Продемонстрирована возможность наблюдать флюоресценцию Ni-центров в нано- и микроалмазных частицах при двухфотонном возбуждении. Возможность использования Ni-центра в наноалмазах как флюоресцентного зонда при конфокальной флюоресцентной микроскопии, а также для флюоресцентного картирования показана для клеток BHK с наноалмазами размером 500 нм, которые хорошо заметны в цитоплазме клеток. Отмечено отсутствие фотообесцвечивания излучения Ni-центра и повреждение клеток при их взаимодействии с наноалмазами.

Заключение. Использование флюоресценции Ni-центра в наноалмазе при однофотонном и двухфотонном возбуждении в качестве маркера для биоимиджинга позволяет наблюдать их вне области автофлюоресценции клеток и в так называемом окне прозрачности биологического объекта. Кроме того, флюоресценция Ni-центра может быть возбуждена более безопасным лазерным излучением в ближней ИК-области.

Turcheniuk K., Mochalin V.N. Biomedical applications of nanodiamond (review). Nanotechnology 2017; 28(25): 252001, https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa6ae4.
Perevedentseva E., Lin Y.C., Jani M., Cheng C.L. Biomedical applications of nanodiamonds in imaging and therapy. Nanomedicine 2013; 8(12): 2041–2060, https://doi.org/10.2217/nnm.13.183.
Aharonovich I., Castelletto S., Simpson D.A., Su C.-H., Greentree A.D., Prawer S. Diamond-based single-photon emitters. Rep Prog Phys 2011; 74(7): 076501, https://doi.org/10.1088/0034-4885/74/7/076501.
Wrachtrup J., Jelezko F. Processing quantum information in diamond. J Phys Condens Matter 2006; 18(21): S807–S824, https://doi.org/10.1088/0953-8984/18/21/s08.
Pezzagna S., Rogalla D., Wildanger D., Meijer J., Zaitsev A. Creation and nature of optical centres in diamond for single-photon emission — overview and critical remarks. New J Phys 2011; 13(3): 035024, https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/3/035024.
Vlasov I.I., Shiryaev A.A., Rendler T., Steinert S., Lee S.Y., Antonov D., Vörös M., Jelezko F., Fisenko A.V., Semjonova L.F., Biskupek J., Kaiser U., Lebedev O.I., Sildos I., Hemmer P.R., Konov V.I., Gali A., Wrachtrup J. Molecular-sized fluorescent nanodiamonds. Nat Nanotechnol 2014; 9(1): 54–58, https://doi.org/10.1038/nnano.2013.255.
Jelezko F., Wrachtrup J. Single defect centres in diamond: a review. Phys Stat Sol A 2006; 203(13): 3207–3225, https://doi.org/10.1002/pssa.200671403.
Balasubramanian G., Lazariev A., Arumugam S.R., Duan D.W. Nitrogen-vacancy color center in diamond-emerging nanoscale applications in bioimaging and biosensing. Curr Opin Chem Biol 2014; 20: 69–77, https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2014.04.014.
Fu C.C., Lee H.Y., Chen K., Lim T.S., Wu H.Y., Lin P.K., Wei P.K., Tsao P.H., Chang H.C., Fann W. Characterization and application of single fluorescent nanodiamonds as cellular biomarkers. Proc Natl Acad Sci USA 2007; 104(3): 727–732, https://doi.org/10.1073/pnas.0605409104.
Thiering G., Londero E., Gali A. Single nickel-related defects in molecular-sized nanodiamonds for multicolor bioimaging: an ab initio study. Nanoscale 2014; 6(20): 12018–12025, https://doi.org/10.1039/c4nr03112a.
Rabeau J.R., Chin Y.L., Prawer S., Jelezko F., Gaebel T., Wrachtrup J. Fabrication of single nickel-nitrogen defects in diamond by chemical vapor deposition. Appl Phys Lett 2005; 86(13): 131926, https://doi.org/10.1063/1.1896088.
Aharonovich I., Zhou C., Stacey A., Orwa J., Castelletto S., Simpson D., Greentree A.D., Treussart F., Roch J.F., Prawer S. Enhanced single-photon emission in the near infrared from a diamond color center. Phys Rev B 2009; 79(23): 235316, https://doi.org/10.1103/physrevb.79.235316.
Orwa J.O., Aharonovich I., Jelezko F., Balasubramanian G., Balog P., Markham M., Twitchen D.J., Greentree A.D., Prawer S. Nickel related optical centres in diamond created by ion implantation. J Appl Phys 2010; 107(9): 093512, https://doi.org/10.1063/1.3357374.
Hui Y.Y., Zhang B., Chang Y.C., Chang C.C., Chang H.C., Hsu J.H., Chang K., Chang F.H. Two-photon fluorescence correlation spectroscopy of lipid-encapsulated fluorescent nanodiamonds in living cells. Opt Express 2010; 18(6): 5896–5905, https://doi.org/10.1364/oe.18.005896.
Denk W., Piston D.W., Webb W.W. Multi-photon molecular excitation in laser-scanning microscopy. In: Pawley J.B. Handbook of biological confocal microscopy. Springer US; 2006; p. 535–549, https://doi.org/10.1007/978-0-387-45524-2_28.
Nazare M.H., Neves A.J., Davies G. Optical studies of the 1.40-eV Ni center in diamond. Phys Rev B Condens Matter 1991; 43(17): 14196–14205, https://doi.org/10.1103/physrevb.43.14196.
Iakoubovskii K., Davies G. Vibronic effects in the 1.4−e Voptical center in diamond. Phys Rev B 2004; 70(24): 245206, https://doi.org/10.1103/physrevb.70.245206.
Chung P.-H., Perevedentseva E., Tu J.-S., Chang C.C., Cheng C.-L. Spectroscopic study of bio-functionalized nanodiamonds. Diam Relat Mater 2006; 15(4–8): 622–625, https://doi.org/10.1016/j.diamond.2005.11.019.
Davies G., Lawson S.C., Collins A.I., Mainwood A., Sharp S.J. Vacancy-related centers in diamond. Phys Rev B Condens Matter 1992; 46(20): 13157–13170, https://doi.org/10.1103/physrevb.46.13157.
Collins A.T. The characterisation of point defects in diamond by luminescence spectroscopy. Diam Relat Mater 1992; 1(5–6): 457–469, https://doi.org/10.1016/0925-9635(92)90146-f.
Larico R., Machado W.V.M., Justo J.F., Assali L.V.C. Microscopic structure of nickel-dopant centers in diamond. Braz J Phys 2006; 36(2a): 267–269, https://doi.org/10.1590/s0103-97332006000300009.
Nadolinny V.A., Yelisseyev A.P., Yuryeva O.P., Feygelson B.N. EPR study of the transformations in nickel containingcentresat heated synthetic diamonds. Appl Mag Reson 1997; 12(4): 543–554, https://doi.org/10.1007/bf03164134.
Kanda H., Watanabe K. Distribution of nickel related luminescence centers in HPHT diamond. Diam Relat Mater 1999; 8(8–9): 1463–1469, https://doi.org/10.1016/s0925-9635(99)00070-9.
Zaitsev A.M. Optical properties of diamond: a data handbook. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg; 2001, https://doi.org/10.1007/978-3-662-04548-0.
Nadolinny V.A., Yelisseyev A.P., Baker J.M., Newton M.E., Twitchen D.J., Lawson S.C., Yuryeva O.P., Feigelson B.N. A study of 13C hyperfine structure in the EPR of nickel-nitrogen-containing centres in diamond and correlation with their optical properties. J Phys Condens Matter 1999; 11(38): 7357–7376, https://doi.org/10.1088/0953-8984/11/38/314.
Gucsik A., Nishido H., Ninagawa K., Ott U., Tsuchiyama A., Kayama M., Simonia I., Boudou J.-P. Cathodoluminescence microscopy and spectroscopy of micro-and nanodiamonds: an implication for laboratory astrophysics. Microsc Microanal 2012; 18(6): 1285–1291, https://doi.org/10.1017/s143192761201330x.
Collins A.T., Spear P.M. The 1.40 eV and 2.56 eV centres in synthetic diamond. J Phys Condens Matter 1983; 16(5): 963–973, https://doi.org/10.1088/0022-3719/16/5/023.
Kuo Y., Hsu T.Y., Wu Y.C., Chang H.C. Fluorescent nanodiamond as a probe for the intercellular transport of proteins in vivo. Biomaterials 2013; 34(33): 8352–8360, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.07.043.

Lin Y.-C., Tsai L.-W., Perevedentseva E., Karmenyan A., Cheng C.-L. Near-Infrared Fluorescence from Nanodiamond for Multimodal Bioimaging. Sovremennye tehnologii v medicine 2018; 10(1): 49, https://doi.org/10.17691/stm2018.10.1.06