量子ドットから高分子電解質層への電荷移動を制御することで、磁気光学マイクロカプセルの将来性のある応用が広がる

Controlling Charge Transfer from Quantum Dots to Polyelectrolyte Layers Extends Prospective Applications of Magneto-Optical Microcapsules.

• Galina Nifontova
• Victor Krivenkov
• Maria Zvaigzne
• Pavel S Samokhvalov
• Anton E Efimov
• Olga I Agapova
• Igor I Agapov
• Evgeny Korostylev
• Sergei Zarubin
• Alexander Karaulov
• Igor R Nabiev
• Alyona Sukhanova

抄録

レイヤーバイレイヤー（LbL）堆積法は、蛍光、磁性、プラズモニックナノ粒子を高分子電解質マイクロカプセルのシェルに組み合わせることで、外部刺激によってイメージングと薬物放出機能をトリガーすることができる刺激応答性のシステムを得ることができます。蛍光量子ドット（QD）と磁性ナノ粒子（MNP）を組み合わせることで、適切な種類のQDとその励起波長を使用すれば、組織の深部まで追跡してイメージングすることができる磁場駆動型のイメージングツールが得られます。QDは、ほぼユニティーに近いフォトルミネッセンス（PL）量子収率、狭いPL発光バンド、および途方もない1光子および2光子消光係数のため、マイクロカプセルエンコーディングのための優れたフォトニックラベルである。しかし、磁気光学マイクロカプセルのLbLの製造に使用されるMNPや帯電した高分子電解質分子の存在は、光誘起電荷とエネルギー移動のためにQDの光学特性の変化を引き起こします。これらの変化は、照明下でのマイクロカプセルのPL信号の変化につながり、細胞や組織での追跡や定量分析に支障をきたします。ここでは、マイクロカプセルポリ電解質シェル内のナノ粒子の構造と空間配置、シェルの総厚さ、シェル表面の電荷が連続照明下でのPL特性に及ぼす影響を調べました。マイクロカプセルのPL信号の安定性における電荷移動の役割とその主な駆動力を明らかにし、最強で最も安定なPLを提供するQDとMNPを二重にコード化したマイクロカプセルの設計を決定した。光磁気マイクロカプセルの設計において、量子ドットとMNPからのエネルギー移動と量子ドットから高分子電解質層への電荷移動を制御することで、明るく安定した光磁気マイクロカプセルの設計が可能となり、長期にわたる定量的な蛍光イメージングへの応用が可能となりました。

The layer-by-layer (LbL) deposition approach allows combined incorporation of fluorescent, magnetic, and plasmonic nanoparticles into the shell of polyelectrolyte microcapsules to obtain stimulus-responsive systems whose imaging and drug release functions can be triggered by external stimuli. The combined use of fluorescent quantum dots (QDs) and magnetic nanoparticles (MNPs) yields magnetic-field-driven imaging tools that can be tracked and imaged even deep in tissue when the appropriate type of QDs and wavelength of their excitation are used. QDs are excellent photonic labels for microcapsule encoding due to their close-to-unity photoluminescence (PL) quantum yields, narrow PL emission bands, and tremendous one- and two-photon extinction coefficients. However, the presence of MNPs and electrically charged polyelectrolyte molecules used for the LbL fabrication of magneto-optical microcapsules provokes alterations of the QD optical properties because of the photoinduced charge and energy transfer resulting in QD photodarkening or photobrightening. These lead to variation of the microcapsule PL signal under illumination, which hampers their tracking and quantitative analysis in cells and tissues. Here, we have studied the effects of the structure and spatial arrangement of the nanoparticles within the microcapsule polyelectrolyte shell, the total shell thickness, and the shell surface charge on their PL properties under continuous illumination. The roles of the charge transfer and its main driving forces in the stability of the microcapsules PL signal have been established, and the design of the microcapsules dually encoded with QDs and MNPs providing the strongest and most stable PL has been determined. Controlling the energy transfer from the QDs and MNPs and the charge transfer from QDs to polyelectrolyte layers in the engineering of magneto-optical microcapsules with a bright and stable PL signal extends their applications to long-lasting quantitative fluorescence imaging.