NIMS MANA forskargrupper och en forskargrupp vid Nagoya University utvecklade tillsammans ett kiselfluorescerande material som har mycket låg toxicitet och hög luminescenseffektivitet, jämfört med konventionella material. Under nära-infraröd strålning (NIR) vid våglängder på 650 till 1, 000 nm – det område som kallas det "biologiska optiska fönstret" – som kan passera genom levande system, den gemensamma gruppen lyckades med bioavbildning med detta nya material.

En forskargrupp vid NIMS International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), ledd av MANA:s huvudutredare Françoise Winnik, en MANA postdoc-forskare Sourov Chandra, en forskargrupp ledd av MANA oberoende forskare Naoto Shirahata, och en forskargrupp bestående av professor Yoshinobu Baba och biträdande professor Takao Yasui, Civilingenjörshögskolan, Nagoya University, utvecklat tillsammans ett kiselfluorescerande material som har mycket låg toxicitet och hög luminescenseffektivitet, jämfört med konventionella material. Under nära-infraröd strålning (NIR) vid våglängder på 650 till 1, 000 nm – det område som kallas det "biologiska optiska fönstret" – som kan passera genom levande system, den gemensamma gruppen lyckades för första gången i världen med bioimaging med det nya materialet.

Fluorescensbioavbildning hänvisar till visualisering av celler och andra biologiska vävnader som är osynliga för blotta ögat, genom att markera dem synliga med ett fluorescerande material. Tekniken möjliggör in vivo-observation av fördelningen och beteendet hos levande celler i realtid. Genom tillämpning av denna teknik, det kan vara möjligt att observera beteendet hos celler och biomolekyler kopplade till patogenes och identifiera mekanismen för sjukdomsutveckling. Många av de konventionella fluorescerande materialen avger ljus när de reagerar på ultraviolett (UV) ljus eller synligt ljus. Dock, eftersom biologiska komponenter som hemoglobin och kroppsvätskor absorberar dessa typer av ljus, de är inte tillämpliga för djupgående observationer av biologiska ämnen. Vissa fluorescerande material är reaktiva mot ljus vid våglängder som faller under ett "biologiskt optiskt fönster, "men de flesta material har dålig luminescerande effektivitet, och få andra med hög luminiscerande effektivitet innehåller giftiga ämnen som bly och kvicksilver.

Med hjälp av kiselbaserade partiklar, den gemensamma gruppen utvecklade framgångsrikt ett fluorescerande material som effektivt kan producera luminescens genom att reagera på inkommande ljus vid våglängder jämförbara med ett "biologiskt optiskt fönster". Användningen av kiselbaserade fluorescerande material i bioavbildning hade tidigare studerats, och några problem hittades som att de behöver UV-ljus för att utöva excitation och effektiv luminescens, och att de har låg ljusemitterande effektivitet. Med tanke på dessa frågor, den gemensamma forskargruppen utvecklade en ny kärna-dubbelskalstruktur där kristallina kiselnanopartiklar, fungerar som kärnor, är belagda med kolvätegrupper och ett ytaktivt ämne. Tvåfotonexcitationsfluorescensavbildning visade att kristallint kisel uppvisade effektiv fotoexcitation vid absorbering av NIR, och att kolvätegrupperna i beläggningen ökade emissionskvantumutbytet. Vidare, den ytaktiva beläggningen gjorde det fluorescerande materialet vattenlösligt. Som ett resultat, det nya materialet möjliggjorde effektiv märkning av målbiomolekyler, och efterföljande fluorescerande bioavbildning av de markerade målen med användning av en NIR-strålning som passerar genom levande system.

I framtida studier, vi siktar på att åstadkomma fluorescerande bioavbildning på en djup nivå med hjälp av det nya kiselfluorescerande materialet som vi utvecklade i denna studie.

En del av denna studie genomfördes i samband med projektet "Molecule &Material Synthesis Platform" vid Nagoya University under programmet "Nanotechnology Platform Japan" organiserat av utbildningsministeriet, Kultur, Sporter, Vetenskap och teknologi.

Denna studie publicerades i onlineversionen av Nanoskala den 13 april, 2016.