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新兴疗法

新兴疗法

物理化学方面的进展可能会增强基于光的疗法

光转换
较低能量的绿色激光穿过硅纳米晶体,然后将其上转换为较高能量的蓝色光(提供:Ming Lee Tang研究小组/ UC Riverside)

美国的研究人员设计了用特殊的有机分子功能化的无毒硅纳米晶体,结果表明,这些材料可以轻松地将低能光子组合成高能光子。此过程称为光子上转换,可以解决生物学和材料科学中的几个关键问题(自然化学 10.1038 / s41557-019-0385-8)。

在用于癌症治疗的深层组织成像和光疗方面的最新进展已具有变革性。此类技术主要使用近红外(NIR)光,该光通过生物组织的穿透深度比紫外线或可见光高。但是,由于近红外光包含低能量的光子,它可能没有足够的能量来生成杀死附近异常细胞所需的自由基。

因此,材料科学家和化学家一直在使用包含能量接受染料的功能化无机纳米晶体(NC)将低能量NIR光子转换为高能量激发态。使用这种材料可以以超过10%的效率实现光上转换。但是,使用的NC包含有毒的重元素,例如铅,这限制了它们的使用方式。

无毒设计

为了克服这些缺点, 加州大学河滨分校德克萨斯大学奥斯汀分校 - 由...领着 肖恩·罗伯茨, 洛伦佐·曼哥利尼明李堂 –用无毒的硅红外吸收剂代替了有毒的NC。使用硅NC来上转换光子在医学上具有广阔的应用前景,产生的光可以穿透足够多的生物组织并具有足够高的能量来产生治疗自由基。

Making silicon nanocrystals

在新设计中,研究人员采用了纳米晶体到分子的三重态能量转移来实现光子上转换。硅NC吸收488–640 nm光子并产生激发的电子-空穴对(激子)。这些激子然后将其能量转移到溶液中的9,10-二苯基蒽(DPA)分子上。结果,DPA分子被激发到自旋三重态激子态(其中一个电子被激发到比基态更高的能级,并且其自旋不再与基态电子配对)。

新合成的硅NC可用有机分子(例如1-十八碳烯或1-十八碳烯和9-乙烯基蒽的组合物官能化),该有机分子在连接后变成9-乙基蒽(9EA)。研究人员选择DPA,因为它具有很高的荧光发射率(超过97%)。通过仔细研究硅NC的表面化学,研究人员学会了如何连接表面配体,使它们能够利用9EA等有机分子对硅NC进行功能化。

为了测试他们的技术,研究人员将激光照射到含有硅NC和DPA分子的溶液中。硅NC吸收激光并将能量通过溶液中的9EA分子以高能光子:425 nm(紫)光的形式转移到DPA中。 “我们得到了更高能量的灯!”共同第一作者潘霞说。

这种更高能量输出的原理依赖于量子受限纳米粒子的使用以及将纳米粒子(硅NC)和有机分子(9EA)保持足够近的能力以利用周围分子的三重态的能力。

Sean Roberts

“挑战在于使成对的激发电子在硅和有机材料之间转移。罗伯茨说:“不能仅仅通过将一个放在另一个之上来完成。” “需要在硅和这种材料之间建立一种新型的化学界面,以使它们进行电子通信。”

除了医学应用外,作者还认为,新型硅NC也有望用于上转换光催化系统和量子信息科学。 “光催化剂通常只能在紫外线或紫光下工作,因此这是从其余太阳光谱中产生光催化剂的一种方式,” Tang说。

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