Люминесцентные красители широко используются в биологических и медицинских исследованиях, поскольку совмещают высокую чувствительность и низкую токсичность. Такими красителями часто покрывают наночастицы, которые используются, например, в качестве средств для доставки препаратов. Это позволяет отследить путь наночастицы, загруженной лекарствами, во внутриклеточном пространстве. При этом, чтобы сигнал люминесценции от красителя был достаточно сильным, важно учитывать материал частицы и расстояние между красителем и ее поверхностью. Ученые физико-технического факультета Университета ИТМО совместно с коллегами из Германии и Швеции подробно изучили несколько конфигураций разных наночастиц с люминесцентным покрытием и выявили наиболее эффективный из них.
Ученые синтезировали и изучили наночастицы трех составов. В качестве контрольного образца выступали нерезонансные частицы ванадата иттрия YVO4. Такие частицы не влияют на интенсивность сигнала красителя. С контролем сравнивали золотые и кремниевые частицы одинаковых размеров с красителем, размещенным на разных расстояниях от поверхности.
Моделирование и эксперименты показали, что люминесцентный сигнал красителя на кремниевой частице можно усилить в 3 раза по сравнению с аналогами на основе золота.
«Это происходит из-за возникающего в кремниевых частицах резонанса Ми. Важно отметить, что резонансные длины волн зависят именно от размера частиц. Из-за высокого коэффициента преломления, Ми-резонанс сферических частиц кремния размером около ста и более нанометров попадает в видимую область спектра. Таким образом, резонансные кремниевые частицы позволяют ускорить спонтанное излучение и усилить сигнал красителя на поверхности», ‒ рассказывает Сергей Макаров, руководитель Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО.
В то же время на поверхности золотой частицы люминесцентный сигнал затухает, поэтому краситель необходимо помещать на расстоянии от золотой частицы. Для этого приходится использовать химические методы, которые могут быть сложными и затратными. Этих дополнительных шагов можно избежать, если использовать кремниевые частицы, которые усиливают люминесцентный сигнал прямо на поверхности. Кроме того, в работе было показано, что кремниевые частицы, покрытые люминесцентными молекулами, могут поглощаться раковыми клетками.
«Мы считаем, что кремний – очень перспективный материал, особенно для биоприменения. В Университете ИТМО направления по доставке лекарств в клетки и биоимиджингу сейчас активно развиваются. Например, мы активно работаем над системами доставки на основе полых частиц из диоксида кремния. Благодаря компетенциям команды физико-технического факультета в области оптики, синтеза частиц и их взаимодействия с клетками, наш вуз постепенно становится узнаваемым и в этих междисциплинарных областях науки», ‒ рассказывает Михаил Зюзин, научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО.
В перспективе, с помощью этих систем можно будет не только визуализировать внутриклеточные структуры, но и, например, адресно доставлять в клетки разные вещества: от лекарств до генетического материала.
Статья: Photoluminescence quenching of dye molecules near a resonant silicon nanoparticle. Mikhail V. Zyuzin et al. Scientific Reports. 17 April 2018.
