Комплексный обзор люминесцентных кремнезёмных наночастиц: классификация, синтез и практические применения

Аннотация

Люминесцентные материалы вызывают мировой интерес благодаря своим уникальным оптическим свойствам. Кремнезём, прозрачный для света, является идеальной матрицей для люминесцентных материалов. Люминесцентные наночастицы кремнезема (ЛНК) находят широкое применение благодаря повышенной химической и термической стабильности. Кремнезёмные сферы различных размеров могут быть получены разными методами для удовлетворения конкретных требований. Различные люминесцентные красители обладают потенциалом для разных приложений. Однако под влиянием множества факторов, таких квиньеры, их характеристики часто бывают неудовлетворительны. Данный обзор посвящен развитию ЛНК, включая их классификацию, методы синтеза и применения. Особое внимание уделено тому, как кремнезём улучшает свойства люминесцентных красителей и какую роль он играет в системе. Также описаны их применения в биологии, дисплеях и сенсорах.

Введение

Люминесцентные материалы широко применяются благодаря своим особым оптическим свойствам. Однако их использование ограничено рядом недостатков: низкой гидрофобностью и биосовместимостью, высокой токсичностью, низкой абсорбцией. Поэтому необходимо модифицировать люминесцентные материалы для удовлетворения требований практических применений.

ЛНК со улучшенными свойствами привлекают всё больше внимания в биологии, освещении и сенсорике. Их характерные оптические свойства делают их уникальными среди оптических материалов. Кремнезём прозрачен для света, что делает его идеальной матрицей для флуоресцентных материалов. Термодинамическая и химическая стабильность также важны для матрицы, и кремнезём соответствует этим критериям. Кроме того, поверхность кремнезема легко модифицируется, позволяя функционализировать её различными группами для адаптации к разным задачам. Благодаря этим преимуществам кремнезём является идеальным субстратом для улучшения свойств люминесцентных материалов. Многофункциональные наносистемы могут быть созданы путем сборки, инкапсуляции или интеграции одного или нескольких наноматериалов внутри и на поверхности наночастиц кремнезема различными процессами. Как модифицированные люминесцентные материалы, ЛНК с отличными свойствами привлекают внимание в передовых исследованиях.

Существует множество обзоров, сфокусированных на конкретных областях (биология и др.), но системного введения в ЛНК и их выдающиеся свойства в других областях не хватает. Настоящий обзор начинается с классификации ЛНК, затем рассматриваются методы их синтеза. Классификация основана на типах люминесцентных материалов: органические молекулярные красители, люминесцентные металлодобавленные фосфоры и квантовые точки (КТ) — три типичных представителя, каждый со своим механизмом люминесценции и преимуществами. Главный акцент — как кремнезём улучшает свойства фосфоров. Обсуждаются стратегии улучшения характеристик ЛНК с учетом недостатков люминесцентных материалов. Рассматриваются не только биологические приложения, но и дисплеи и сенсоры.

Классификация ЛНК

Люминесценция различной яркости имеет большую ценность в материаловедении. Многочисленные исследования модификации люминесцентных материалов направлены на улучшение сигнал/шум, стабильности и экологической адаптивности. Введение антенных лигандов в лантанидные комплексы для усиления люминесценции — типичный пример модификации. Кремнезём — хорошая матрица для смешивания материалов с разными функциями и химическими свойствами. Фосфоры вводят в кремнезёмную матрицу для исправления их природных дефектов и улучшения свойств, что выгодно для широкого применения благодаря легко модифицируемой и нетоксичной поверхности кремнезема и защите люминесцентных красителей. Благодаря многофункциональности и настраиваемой адаптивности ЛНК привлекают всё больше внимания. Среди всех люминесцентных фосфоров можно выделить три наиболее представительные категории: органические люминесцентные молекулы, люминесцентные металлодобавленные фосфоры и квантовые точки. Они показаны как типичные ЛНК в комбинации с кремнеземом. Примеры приведены в таблице 1.

ЛНК с легированием органическими люминесцентными молекулами

Органические люминесцентные молекулы — важные люминесцентные материалы с π-конъюгированными кольцевыми структурами и малыми размерами. Однако неспецифическая маркировка и выцветание препятствуют их применению. Органические красители, легированные в наночастицы кремнезема, широко изучаются благодаря отличной стабильности, селективности и биосовместимости. Ван Бладерен и др. сделали предварительную попытку синтеза люминесцентных кремнезёмных сфер. Флуореceinизотиоцианат (FITC) был осажден на поверхность кремнезема с помощью APS ((3-аминопропил)триэтоксисилан), что предоставило実行可能ный способ ковалентного связывания красителей с кремнеземом. Вдохновленные этим процессом, Эндрю и др. синтезировали двухслойные двухэмиссионные флуоресцентные наночастицы кремнезема с двумя красителями: тетраметилроданимизотиоцианатом (TRITC) и FITC, связанными с кремнеземом через APS в безводной азотной среде. Схема и SEM-изображение (Рис. 1a) показывают наноструктуру частиц. Сначала синтезировали кремнезём с TRITC как ядро, затем FITC конъюгировали на поверхности ядра с дополнительным тетраэтоксисиланом (TEOS). Полученные наночастицы успешно исследовали внутриклеточный pH в клетках мастоцитомы базафильной лейкемии крыс (RBL-2H3) (Рис. 1b–d).

Улучшение фотстабильности органических флуорофоров

Инкапсуляция в кремнезём — распространенный метод модификации для повышения фотстабильности. Цзяо Лон и др. выбрали четыре аминоцианиновых красителя как ближнеинфракрасные (НИК) флуоресцентные зонды и связали их с 3-аминопропилтриитоксисиланом (APTES). TEOS гидролизовался с обработанными НИК красителями в микромульсионной системе. После центрифугирования и промывки получены наночастицы кремнезема с загруженными цианиновыми красителями (FSNP). Весь процесс показан на Рис. 2a. Как видно на Рис. 2b, четыре FSNP, инкапсулированные в кремнезём, показали лучшую стабильность флуоресцентной интенсивности в зависимости от pH, чем свободные красители. Одновременно увеличилась их яркость (Рис. 2c). Фотстабильность тестировалась в живых клетках с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа (CLSM). FSNP-3 и FSNP-4 (с большим количеством якорных центров) показали улучшенную фотстабильность по сравнению со свободными красителями, тогда как FSNP-1 и FSNP-2 — нет. Большее число якорных центров усиливает структуру молекулы красителя. Краситель с жесткой структурой имеет меньше нерадиационного распада и затрудненное внутримолекулярное вращение, что делает его ярче. Кремнезёмный слой защищает инкапсулированные материалы, усиливающие молекулярную структуру, и повышает их яркость без фотобленчинга. FSNP-3 и 4 также показали низкую биологическую токсичность по методу МТТ (Рис. 2d). Биосовместимость — еще одно преимущество кремнезема.

Люминесцентные наночастицы с агрегацией-индуцированной эмиссией (AIEgen)

Агломерация — одна из основных причин квиньирования для большинства люминесцентных красителей. Фосфоры могут поддерживаться в оптимальной концентрации с кремнеземом стабильно. Агрегация-индуцированные эмиссионные люминогены (AIEгены), в отличие от традиционных люминофоров, не страдают от этой проблемы. Наоборот, агрегация приводит к сильной эмиссии. Для улучшения производительности AIEгенов в биологии используют различные полимерные матрицы для инкапсуляции. Однако существуют и другие факторы квиньирования AIEгенов, такие как вода и кислород, негативно влияющие на применение. Кремнезём может защитить их от квиньеров. На основе этого анализа TPETPAFN (типичный флуороген, состоящий из двух тетрафенилэтиленовых подвижек и ядра внутримолекулярного зарядопереноса), AIEген, был биофункционализирован F127 (блок-кополимером этиленоксида-пропиленоксида-этиленоксида) для формирования мицеллярного ядра. TEOS гидролизовали для получения кремнезёмной оболочки на ядре мицеллы модифицированным сол-гель методом. Как показано на Рис. 3, синтезированные наночастицы TPETPAFN-F127-SiO₂ проявили лучшие фотолюминесцентные свойства благодаря защите кремнезёмной оболочки.

ЛНК с легированием люминесцентными металлами

Редкоземельные и переходные металлы — распространенные люминесцентные металлические материалы на основе зарядопереноса. Люминесценция после комплексации с лигандом — наиболее очевидная особенность. Существует два основных механизма: LMCT (лиганд-металл зарядоперенос) и MLCT (металл-лиганд зарядоперенос). Лантаноиды и переходные металлы являются их типичными примерами. Благодаря обогащенным электронным энергетическим уровням, существует множество люминесцентных металлов с большим потенциалом для применения в люминесценции с разной эмиссией. Благородные металлы с LSPR широко используются в усиливающих люминесценцию материалах и рассматриваются в этом разделе. Однако низкая эффективность сенсибилизации и квиньирование ограничивают применения. Для улучшения фотстабильности и биосовместимости Фрэнсис и др. ввели замещенную силильную группу в лиганды для дальнейшей модификации. После покрытия модифицированных силильными группами Eu-комплексов кремнеземом методом обратной микромульсии получены наночастицы Eu@Si-OH. Продукт был амин-функционализирован с помощью APTES в наночастицы Eu@Si-NH₂. Кремнезёмный слой защищал комплексы от квиньеров (групп OH и NH₂). В результате оба образца показали лучшую фотстабильность (Рис. 4). Наночастицы Eu@Si-NH₂ продемонстрировали хорошие результаты в биоимиджинге.

Квантовые точки (КТ) в ЛНК

Благодаря квантовому эффекту размерного квантования, КТ демонстрируют отличные люминесцентные свойства, будь то полупроводниковые КТ, углеродные КТ или другие типы. Недавно многие исследования фокусируются на применении КТ в оптических приборах. Иногда их свойства недостаточно хороши для сложных применений. Необходимая модификация неизбежна, и кремнезём — подходящая матрица.

Для реализации комбинации биомаркировки и магнитно-резонансной томографии, CdSe КТ покрывали на магнитном ядре Fe₂O₃ кремнезёмным слоем с NH₂ группой. Связанные с биоякорной мембраной (BAM) NH₂ группы обеспечили специфическую маркировку мембран клеток рака молочной железы мышей 4T1. Благодаря биосовместимости и магнитным свойствам, многофункциональные люминесцентные наночастицы обещают широкое применение в медицине.

Для расширения применения КТ необходимо модифицировать их водорастворимость и нетоксичность. Кремнезём показывает большой потенциал в модификации КТ. Ма Юнфей и др. ввели самодельный реагент переноса фазы (аденозин-5'-монофосфат, AMP) и силильный связывающий агент (3-меркаптопропиルトриметоксисилан, MPS) в систему Сtober. Маслорастворимые (исходные CdSe/CdS/ZnS КТ), спирторастворимые (AMP-КТ) и водорастворимые (гидролиз TEOS вокруг КТ) — весь процесс изменения растворимости. QD@SiO₂ сохранили ту же фотолюминесцентную эффективность (50–65%), что и исходные. Преимущества: более широкий диапазон pH (4–8 до 2–13), улучшенная стабильность в электролитах, лучшая термическая стабильность и повышенная биосовместимость в клетках HeLa.

Для обеспечения стабильности КТ в оптических приборах необходимо снизить эффект блинкинга — случайной прерывистой люминесценции, влияющей на стабильность. Цзи Ботао и др. произвели CdSe/CdS КТ как ядро и инкапсулировали их в кремнезёмную оболочку методом обратной микромульсии с замещением исходных гидрофобных лигандов. Далее КТ модифицировали слоем Au на поверхности кремнезема с поли(1-винилимидазол-ко-винилтриметоксисилан) (PVIS) в качестве силильного агента. Нанозолотая оболочка действовала как плазмонный резонатор, повышая плотность оптических состояний КТ. Свойства КТ сохранялись независимо от резких изменений локальной среды благодаря гибридному слою. В результате фотстабильность КТ увеличилась. Время жизни флуоресценции КТ сократилось с 123 до 20 нс после покрытия золотом. Золотые КТ показали эффективную мультиэкcitoнную эмиссию и более высокую интенсивность фотолюминесценции. Результаты теста стабильности показаны на Рис. 10. Более того, интенсивность фотолюминесценции оставалась стабильной несколько часов (даже 24 ч). Люминесцентность голых КТ резко падала уже через 1 ч. Кремнезёмный слой незначительно улучшил свойства КТ, но обеспечил подходящий интервал для следующего слоя Au для проявления плазмонного усиления.

Методы синтеза ЛНК

Для fabricación ЛНК выбор фосфоров и проектирование синтетических путей — ключевые моменты. Фосфоры определяют диапазон эмиссии ЛНК, а синтетические пути устанавливают их структуру и функции. Все синтетические пути основаны на кремнеземе. Сол-гель метод (метод Сtober), метод обратной микромульсии и метод прямой мицеллярной ассистенции — три основных подхода для получения однородных и регулярных кремнезёмных сфер, используемых в ЛНК. На Рис. 11 показана схема этих методов.

Сол-гель метод (метод Сtober)

Сол-гель метод, также называемый методом Сtober, — удобный и реализуемый способ получения монодисперсных наносфер кремнезема. Идеален для синтеза наносфер, так как Сtober тщательно изучил синтез специфических по размеру кремнезёмных сфер в диапазоне 50 нм – 2 мкм с гидролизом алкоксисиланов под аммиачной катализацией. Однородные сферы кремнезема с разными размерами (10–несколько сотен нм) легко получаются путем контроля условий: соотношения этанол/вода, количества аммиака и температуры. Используя метод Сtober, Ван Бладерен и А. Врай Лангмюир успешно синтезировали краситель (FITC)-легированный кремнезём, добавив APS в реакционную систему. Благодаря аминогруппе от APS, сферы кремнезема легко связывали FITC (Рис. 11a). На данный момент, помимо красителей, многие другие материалы связывали с кремнеземом через метод Сtober. Луис М. Лис-Марсан и др. улучшили метод Сtober и синтезировали золото-кремнезёмные ядро-оболочечные частицы с использованием (3-аминопропил)триметоксисилана (APTS) как ПАВ. В сочетании с золотым ядром, APTES обеспечивает химическую связь для инкапсуляции кремнеземом. Щелочные условия ведут к однородным сферам как популярная система Сtober, а кислотная катализируемая гидролиз алкоксисилана также пригоден для инкапсуляции люминесцентных красителей в кремнезём.

На основе метода Сtober синтезирован новый вид ЛНК. Ян Линган и др. успешно синтезировали кристаллический кремнезём методом Сtober на основе π-π стакирования виниловых групп. Процесс Сtober с винилтриэтоксисиланом (VTES) как предшественником, нейтрализация с соляной кислотой, вакуумная дистилляция для удаления растворителя и экстракция тетрагидрофураном — вся процедура получения нанокристаллов органического кремнезема (OSNC). Три OSNC были синтезированы с одинаковой кристаллической структурой, но разными размерами (Рис. 12d–f). Размеры OSNC постепенно увеличиваются с увеличением VTES. В результате они показали разные люминесцентные свойства (Рис. 12g, h: синий, зеленый и красный под УФ-светом). OSNC обладают хорошей фотстабильностью и стабильностью по pH. Эпитаксиальный рост виниловых групп в алмазно-кубической кристаллической структуре представлен благодаря π-π стакированию. Упорядоченные виниловые группы формируют большую π-конъюгированную систему с флуоресценцией, следующей квантовому квантованию. Эти OSNC имеют большой потенциал в оптических областях благодаря характеристикам кремнезема, предоставляя новый подход к получению самолюминесцентных кремнезёмных материалов.

Метод обратной микромульсии

Метод Сtober прост и удобен, но реакционные условия и исходные частицы, не поддающиеся контролю, накладывают ограничения на люминесцентные красители. Для преодоления таких ограничений Багве и Хилер ввели водно-масляную микромульсионную систему при синтезе серебра, покрытого кремнеземом. Исходное щелочное водное раствора серебряных наночастиц с TEOS инкапсулировали в водные капли с помощью ПАВ. Процесс гидролиза TEOS был таким же, как в методе Сtober, но весь процесс ограничивался водными каплями, окруженными ПАВ, что привело к хорошо контролируемой системе и монодисперсным наночастицам кремнезема. Размер кремнезема хорошо контролировался выбором разных ПАВ, растворителей и изменением соотношения ПАВ/вода. Когда флуорофоры гидрорастворимы, легко образуется однородный кремнезёмный слой на поверхности внутри капли. Ван Нянфан и др. синтезировали люминесцентные кремнезём-оболочечные CdS/CdSe/CdS наночастицы методом обратной микромульсии. На Рис. 13 показаны TEM-изображения синтезированных КТ и КТ@SiO₂. Защищенные КТ показали отличную кислотную и термическую стабильность, обеспечивая возможность дальнейшей модификации для специальных требований применения.

Метод прямой мицеллярной ассистенции

Метод обратной микромульсии требует водорастворимых люминесцентных красителей. Наоборот, липорастворимые исходные мицеллы — главная особенность метода прямой мицеллярной ассистенции, а процесс гидролиза происходит вокруг мицелл (Рис. 11c). Предшественник необходим для агломерации кремнезема. Как обычно, люминесцентный краситель модифицируют силильным связывающим агентом, таким как APS, для формирования ассистентских мицелл. Исходные модифицированные мицеллы обеспечивают конденсацию TEOS вокруг них. Используя رودамин B, конъюгированный с APTES, как исходную мицеллу, Кумар и др. успешно синтезировали родаминовые органически модифицированные наночастицы кремнезема в системе масло-в-воде и модифицировали их разными функциональными группами (сульфгидрил, амино, карбонил), которые могут использоваться как клеточные флуоресцентные зонды.

Роль ПАВ проявляется не только в синтезе кремнезема, но и в синтезе мезопористого кремнезема. Распространенный метод синтеза мезопористого кремнезема — кальцинация. Большая удельная поверхность и модифицируемые поверхности делают мезопористые наночастицы кремнезема идеальными носителями. Помимо известной ценности в доставке лекарств, они имеют важные перспективы в загрузке фосфоров. Ван Ли и др. смешали углеродные точки (CDs) с полыми мезопористыми микросферами кремнезема с хорошей фотокинетической стабильностью для детекции кислорода во всем диапазоне. Мезопористая структура делает их уникальными. Ся Бинь и др. включили CdSe/ZnS ядро-оболочечные КТ в мезопористые микросферы кремнезема методом набухания и испарения. Покрытие поверхности Gd₂O₃:Eu фосфоров мезопористым кремнезёмным слоем модифицированным методом Сtober также возможно по Али Альдалбахи и др. Благодаря инкапсуляции кремнеземом, модифицированные наночастицы Gd₂O₃:Eu показали отличную растворимость и биосовместимость.

Другие методы

Существуют и другие методы синтеза ЛНК: химическое осаждение из газовой фазы (CVD), гидротермальный метод и техника эпитаксиального роста с аминокислотной катализацией.

Цао Ляньчжэнь и др. синтезировали SiC/SiO₂ методом CVD и термическим отжигом. Si осаждали на ядро SiC термическим CVD, затем получали оболочку SiO₂ окислением. Отожженные наночастицы SiC/SiO₂ показали узкую люминесценцию в сине-зеленой области. Синтетический метод предоставил новый способ получения ядро-оболочечных наноматериалов.

Чандра и др. синтезировали более мелкие флуоресцентные наночастицы кремнезема (1–2 нм) с тетрабромидом кремния (SiBr₄) и APTS. Нагрев до 200 °C в автоклаве был ключевым этапом. Финальные продукты получены после дальнейшей очистки, включая диализ и центрифугирование. Наночастицы кремнезема излучали яркую синюю люминесценцию с квантовой выходной фотолюминесценции около 34%. Они были не фотобленчинговыми и биосовместимыми.

Поверхностная модификация делает ЛНК более настраиваемыми для сложных применений. Силильные связывающие агенты — наиболее распространенные химические методы, как упоминалось ранее. Обилие гидроксильных групп предоставляет реакционные центры для дальнейших модификаций. Ван Цзюньцян и др. синтезировали кремнезём-модифицированный аммиачный датчик CeO₂ с высоким газовым откликом благодаря гидроксильным группам. После гидролиза и конденсации силильные агенты с разными функциональными группами связываются на поверхности кремнезема. Сверхгидрофобный кремнезём синтезирован конденсацией VTES (-CH=CH₂). Ма Мин и др. графтировали PEGMA и DMEAA на поверхности полимеризацией RAFT на основе -NH₂ от APTS. Поверхностная модификация может повысить их адаптивность в сложных средах и улучшить люминесцентные свойства с подходящими материалами.

Среди этих методов существует две основные идеи фабрикации ЛНК: люминесцентные красители добавляют непосредственно в реакционную систему в начале гидролиза кремнезёмных предшественников, или красители устанавливают химическую связь с кремнеземом другими реагентами (например, силильными агентами) до или после формирования кремнезёмной сети. Необходимо выбирать и проектировать подходящий синтетический путь для ЛНК с конкретными структурами.

Применения люминесцентных наночастиц кремнезема

Свет — самый интуитивный инструмент для познания мира. Люминесцентные материалы со специальной эмиссией могут напрямую использоваться во многих сферах: освещение, дисплеи и т.д. Одновременно изменения интенсивности флуоресценции могут отражать важную информацию. По сравнению с отдельными люминесцентными красителями, ЛНК имеют улучшенные характеристики в применениях, так как кремнезём обеспечивает стабильную матрицу для красителя. Одновременно он предоставляет эффективный способ многофункциональности. ЛНК с многофункциональностью и настраиваемой поверхностью имеют большие перспективы применения и потенциал развития в биологии, освещении и сенсорах.

Биомаркировка и медицина

ЛНК имеют большую прикладную ценность в биологии. Нетоксичность — фундаментальное требование для медицины, особенно in vivo. Тот факт, что распространенные люминесцентные красители часто токсичны, ограничивает их клиническое применение. Кремнезём, любимый нетоксичный модифицирующий материал, — хорошее решение для устранения токсичности. Токсичность наночастиц кремнезема (20–200 нм) также тщательно изучалась Ким Ин-Ён и др. Размер, доза и тип клетки-зависимая цитотоксичность были проблемами их исследования. Хотя высокая доза может вызвать непропорциональное снижение жизнеспособности клеток, наносферы кремнезема 60 нм показали хорошую биосовместимость до 10 мкг/мл. Разные клетки имели разную толерантность к наночастицам кремнезема, что указывает на необходимость существенных тестов перед клиническими испытаниями. Хотя вдыхание частиц кремнезема может вызывать острые и хронические заболевания, включая силикоз, кремнезём всё еще имеет потенциал в биологическом применении в наномасштабе. Токсичность люминесцентных наночастиц кремнезема для живых клеток детально изучалась Чжинь Юхуй и др. От уровня ДНК до клеточного уровня тщательно тестировалась токсичность RuBpy-легированных ЛНК. При определенной концентрации результаты показали, что краситель-легированные ЛНК были нетоксичны для целевой ДНК и клеток, что свидетельствует, что ЛНК — хорошее решение для нетоксичной модификации. Чжан Сици и др. инкапсулировали AIE краситель (An18, производное от 9,10-дистирилантрацена с алоксиловым конечным фрагментом) в наночастицы кремнезема одностадийным модифицированным методом Сtober. Покрытие кремнеземом привело к усиленной флуоресцентной интенсивности, хорошей водорастворимости и нетоксичности для живых клеток, что сделало An18-SiO₂ NPs перспективными для биомедицинского применения.

ЛНК имеют большую ценность в диагностике и биомаркировке. Для гибридных контрастных агентов томографии Дон Ки Ыи и др. объединили магнитные частицы (MP) Fe₂O₃ с КТ (CdSe) и инкапсулировали их в кремнезёмную оболочку методом обратной микромульсии. Наноструктуры MP с КТ четко показаны на Рис. 14. Магнитно-резонансная томография (МРТ) — эффективный метод обнаружения заболеваний, особенно рака. Преимущества удобства использования, низкой стоимости и точной диагностики делают её популярным диагностическим инструментом. Нанокомпозиты могут использоваться как оптические и МРТ контрастные агенты. Стоит отметить, что присутствие CdSe увеличило эффективную магнитную анизотропию частиц, содержащих γ-Fe₂O₃. Это хорошая попытка, но низкая квантовая выходная мощность (SiO₂/MP-QD 1.1% против CdSe 11.4%) ограничивает реальный эффект. Уильям Дж. Ритер и др. также синтезировали те же многофункциональные нанокомпозиты. Разница в том, что [Ru(bpy)₃]Cl₂ был выбран как люминесцентное ядро, а параметрический Gd-комплекс был покрыт на люминесцентном ядре водно-масляным методом обратной микромульсии. Нанокомпозиты в конечном итоге были встроены в кремнезём тем же способом. Результаты Рис. 15 доказали, что гибридные наночастицы кремнезема имели хорошие оптические и МРТ характеристики в биологическом изображения. Мезопористые наносферы кремнезема, легированные европием (Eu-MSN), получены Менгчао Ши и др. Наноразмер (280–300 нм) и флуоресцентные свойства были базой для идеального биомаркера. Они обнаружили, что Eu-MSN положительно влияли на остеогенез и индукцию ангиогенеза. Посредством стимулирования правильного отклика макрофагов и экспрессии соответствующих генов, дефект кости замещался новой костью, а процесс заживления кожной раны ускорялся с Eu-MSN. Помимо функции биомаркировки, ЛНК показали потенциал в регенерации тканей. ЛНК могут достигать целевого связывания путем модификации специальных групп. В работе Дуарте органосилан Bpy-Si выбран как лиганд Eu-комплекса для дальнейшей реакции с кремнеземом. Получены наночастицы SiO₂-[Eu(TTA)₃(Bpy-Si)] с однородным размером (28 ± 2 нм). С дальнейшей модификацией аминокислотным спейсером и якорной группой (анти-Escherichia coli, IgG1), функционализированный кремнезём имел специфическое связывание с бактериями E. coli. С люминесценцией легко было получить распределение бактерий E. coli. Биомногофункциональность ЛНК также тщательно изучалась Ларанейрой и др. Гадолиний (Gd) композиты с уникальными магнитными свойствами имеют потенциал в МРТ контрастных агентах, но ионы Gd³⁺ токсичны для людей, особенно для почек и поджелудочной железы. Наночастицы GdOHCO₃ выбраны как МРТ контрастное ядро и покрыты кремнезёмным слоем методом Сtober. С кремнезёмным покрытием Gd-композит (SiGdOHCO₃) имел ту же яркость МРТ контрастных изображений, но не деградировал при заданных значениях pH (5.5, 6.0 и 7.4). И SiGdOHCO₃ мало влиял на человеческие фибробласты по тесту пролиферации клеток, что указывало на отличную биосовместимость. Кремнезём обеспечивает более стабильную среду и дальнейшие возможные модификации для GdOHCO₃ без влияния на МРТ производительность. Разнообразными мицеллярными методами Атабаев и др. синтезировали Gd₂O₃:Tb³⁺,Eu³⁺@SiO₂ наночастицы, которые могут использоваться как МРТ контраст и флуоресцентные агенты in vivo. Приведенные два примера идеально отражают роль ЛНК в многофункциональности на платформе кремнезема.

Доставка лекарств

ЛНК имеют большую прикладную ценность в доставке лекарств. Хунмин Чэнь синтезировал люминесцентные мезопористые наночастицы кремнезема, биофункционализированные таргетирующими мотивами, что делает их применимыми в доставке лекарств. Сначала они подготовили мезопористые частицы кремнезема, содержащие APS, и подвергли продукты кальцинации при 400 °C в течение 2 ч. Мезопористый кремнезём синтезировали с помощью цетилтриметиламмония бромида (CTAB). После кальцинации в матрице кремнезема оставались люминесцентные углеродные точки. Интенсивность флуоресценции была максимальной при возбуждении 380 нм. Целевая селективность FL-SiO₂ достигалась поверхностной модификацией RGD пептида с помощью APS. Они также изучали загрузку и выделение доксорубицина (Dox) RGD-FL-SiO₂. После кальцинации флуоресцентный мезопористый кремнезём (FL-SiO₂) все еще эффективно загружал Dox. Пористая структура не пострадала от кальцинации. Они обнаружили, что RGD-FL-SiO₂ имел хороший люминесцентный эффект, особенно вокруг сосудов опухоли при in vivo изображениях. Интегрины α_vβ₃ опухоли были ключом взаимодействий. Хотя существует много отличных попыток применения ЛНК в медицине, но меньшее количество успешных клинических испытаний на людях означает, что путь к реальным медицинским применениям еще далеко.

Светопускающие устройства

Благодаря своим особым эмиссионным особенностям, ЛНК также играют важную роль в области светопускания, включая технологию дисплеев на основе полевой эмиссии и жидкокристаллических дисплеев. WLED (белые светодиоды) получили недавнее внимание для широких применений, включая общее освещение и дисплеи. Настраиваемый цвет, высокая цветовая чистота и люминесцентная эффективность соответствуют требованиям светодиодов (LED). Квантово-точечные светодиоды (QD-LED) недавно продемонстрированы и могут предложить многие преимущества перед обычными LED и органическими светодиодами (OLED) в терминах цветовой чистоты, стабильности и стоимости производства, сохраняя аналогичные уровни эффективности. Для улучшения характеристик полимерных точек (Pdots) как фосфоров WLED, Кайвен Чан и др. ввели некоторые Pdots с разными длинами волн эмиссии в систему Сtober для инкапсуляции. Кремнезём-инкапсулированные Pdots показали те же люминесцентные свойства, но заметно улучшенную фотстабильность.

Для снижения производственной сложности, необходимой для достижения полноцветных дисплеев, более желательно использовать общую структуру устройства для достижения высокой эффективности для трех основных цветов (синий, зеленый, красный). КТ широко используются в дисплеях благодаря уникальным люминесцентным свойствам: высокой интенсивности, узким спектрам эмиссии и настраиваемой эмиссии. Чунь Сунь и др. синтезировали перовскитные КТ, CsPbBr₃, как светящееся ядро WLED. Только перовскитные КТ недостаточны для LED-устройства, так как фотстабильность и стабильность необходимы для оптического устройства при длительной работе и повышенной температуре. Существуют анионно-обменные реакции между разными галогенными наночастицами КТ, которые расширяют узкий спектр эмиссии. QD/кремнезём композиты фабриковали в APS для предотвращения окисления и декомпозиции. Они использовали APTES как каппирующий агент КТ и улучшили процесс кремнезёмного покрытия для предотвращения декомпозиции КТ. Синтезированы зеленые и красные QD/кремнезём композиты и получен WLED комбинацией композитов с синим LED чипом. WLED имел хорошие характеристики с отличной стабильностью в воздухе, как показано на Рис. 16.

ЛНК могут сохранять хорошую дисперсию, яркость и фотстабильность КТ. Ван Хун-Чжиа и др. предложили новый композитный метод для КТ и кремнезема (Рис. 17). Смешивая КТ с мезопористым кремнезёмным порошком, размер пор которого был больше КТ, в неполярном растворителе, после промывки и сушки получали мезопористый кремнезём-зеленый PQD нанокомпозит. КТ показали лучшую термическую стабильность и фотстабильность после композитирования с кремнеземом. С другой стороны, КТ — типичные наночастицы с квиньированием, вызванным агрегацией (ACQ), что означает необходимость сохранения хорошей дисперсии для получения хорошей яркости и фотстабильности. Цзян Кай и др. синтезировали углеродные точки с красной, зеленой и синей люминесценцией с фенилендиаминами как предшественниками для усиления люминесцентных свойств в растворе и пленке поли(винилалкогола) (PVA). Но в твердом состоянии CDs существовал квиньирующий эффект, фатальный для LED-устройств из-за агрегации и результирующего резонансного переноса энергии Фёрстера (FRET). Чтобы избежать дисперсии и возникающего феномена FRET, Ван Цзюньли и др. встроили углеродные точки в кремнезёмную матрицу (Рис. 18) путем диспергирования углеродных точек в N-(3-(триметоксисил)пропил)этилендиамин (KH-792) и нагревания для формирования однородной пленки CD/кремнезём. Белый LED был изготовлен сушкой раствора CD/кремнезём на внутренней стенке. Благодаря помощи кремнезема, CDs были хорошо диспергированы с подходящим расстоянием без квиньирования, что улучшило характеристики в виде порошков. На Рис. 18 показаны спектры эмиссии и характеристики в WLED. Координаты CIE (0.44, 0.42) и коррелированная цветовая температура (CCT) (2951 K) указывали на пригодность для внутреннего освещения.

Сенсоры

Люминесцентный кремнезём показал отличные характеристики на статических люминесцентных материалах, таких как биомаркировка и фосфоры WLED. Все это основано на их уникальных и стабильных оптических свойствах. Когда речь идет о динамических люминесцентных материалах, ЛНК также демонстрируют те же чудеса. Люминесцентные сенсоры pH, ионов и температуры приводятся как представители.

Значение pH оказывает большое влияние на интенсивность люминесценции, что вдохновляет создание люминесцентных pH-сенсоров. По тому же принципу, что и в работе [22], Атабаев и др. синтезировали тот же ратиометрический pH-сенсор. FITC выбран как pH-зависимый люминесцентный краситель, а Y₂O₃:Eu³⁺ — как pH-стабильный краситель. С кремнезёмным покрытием методом Сtober, Y₂O₃:Eu³⁺@SiO₂ с FITC композитные наночастицы были успешно синтезированы. Изменение pH отражалось соотношением интенсивности флуоресценции (I_FITC/I_Y2O3:Eu3+). Эталонный краситель привел к меньшему влиянию концентрации и более точному результату.

ЛНК также могут использоваться как ионные сенсоры. Основываясь на изменениях интенсивности люминесценции с измеряемой физической величиной, ЛНК применены во многих сенсорных областях средо-зависимым эффектом люминесценции. Квиньирующий эффект — эффективный детективный инструмент для обнаружения изменений квиньирующих факторов, таких как ионы и pH, с внешними механизмами квиньирования, такими как FRET и фотоиндуцированный электронный перенос (PET). Сенсоры для металлических ионов важны как в клетках, так и в открытых системах. Вон Чо и др. синтезировали европий (III) координационный полимер (EuCP) и обнаружили специфический квиньирующий эффект Cu²⁺ (Рис. 19). Исходя из этого, они синтезировали кремнезём@EuCP микросферы, которые имели ту же чувствительность к Cu²⁺ с меньшим количеством европия. Как вспомогательный материал, кремнезём может эффективно снизить количество сенсорных материалов. Оба имеют свои уникальные ситуации. Помимо квиньирующего эффекта, существуют и другие эффекты, которые могут использоваться в сенсорике. 2,2-дипиколиламин (DPA) и его производные имеют хорошую аффинность к тяжелым ионам. И усиленная люминесценция происходит после хелатирования с тяжелыми ионами. Ю Дин и др. модифицировали кремнезёмные сферы N,N'-бис(пиридин-2-илметил)этан-1,2-диамином (Рис. 20). Концентрация тяжелых ионов (Cd²⁺, Hg²⁺, Pb²⁺) в пробах может определяться по изменению интенсивности флуоресценции. Тест в реальных водных пробы и смоделированных биологических пробы подтвердил способность связывания тяжелых металлических ионов и детекцию, что имеет перспективы применения в мониторинге воды и т.д.

Температурные сенсоры также важные применения ЛНК. Температура — основная переменная в большинстве научных областей. Температурная зависимость скоростей радиативных и нерадиативных переходов — ядро температурного сенсирования, что делает возможным люминесцентное температурное сенсирование с преимуществами бесконтактности и крупномасштабности. Однако для практического применения их стабильность критична, так как среда применения сложнее экспериментальных условий. Кремнезём — идеальная матрица для улучшения их производительности для применения. Миренда и др. синтезировали кремнезём как ядро, затем TEOS гидролизовали с Ru(bpy)₃Cl₂ для формирования Ru(bpy)₃@SiO₂ NPs. Спектры эмиссии Ru(bpy)₃@SiO₂ NPs (Рис. 21) показали, что интенсивность линейно уменьшалась с повышением температуры в результате активации нерадиационного ³d-d состояния (20–60 °C, λ_exc = 463 нм). Полиэтиленимин (PEI)-модифицированное стекло с Ru(bpy)₃@SiO₂ NPs показало ту же тенденцию, что и NPs, доказав потенциал как температурного сенсора. При циклировании температуры между 20 и 60 °C относительный наклон уменьшался до седьмого цикла, что означало необходимость кондиционирования для получения стабильных сенсорных материалов. Влияние температуры на зонды сложно. Поэтому необходимо исследовать температурно-зависимую люминесценцию зондов, чтобы знать, как применить их в температурных сенсорах. Температура — фундаментальная переменная, управляющая разнообразными внутриклеточными химическими и физическими взаимодействиями в жизненном цикле биологических клеток. Изменение температуры отражает уровень клеточного метаболизма. GdVO₄, ко-легированный Er³⁺ (1 моль%) и Yb³⁺ (1 моль%), имеет потенциал применения как температурный сенсор. Для улучшения их характеристик как температурного сенсора, Савчук и др. покрыли наночастицы кремнезёмной оболочкой методом Сtober. Соотношение интенсивности флуоресценции (FIR) Er, Yb:GdVO₄, I₅₂₀/I₅₅₀, имело определенную линейную связь с температурой в диапазоне 297–343 K после возбуждения 980 нм. Зонды получили усиленную термическую чувствительность, высокое термическое разрешение и хорошую стабильность в разных растворителях. Результат экз vivo эксперимента по мониторингу температурной эволюции со специальным сенсором, показанный на Рис. 22, доказал, что Er, Yb:GdVO₄@SiO₂ ядро-оболочечные наночастицы имели хорошее термическое разрешение как температурный сенсор в биомедицинских применениях.

Заключение

В данной статье ЛНК с различными функциями демонстрируют, что кремнезём — идеальный хост-материал для люминесцентных красителей. Визуализация связанных параметров — самая особенная черта люминесцентных красителей. Различные люминесцентные материалы имеют свои преимущества, но существуют дефекты, ограничивающие их применения. Улучшенная яркость, фотстабильность и термическая стабильность — преимущества ЛНК с защитой кремнезема. Одновременно он предоставляет фосфорам универсальную платформу, делая возможной многофункциональность и специальную модификацию. Отличная производительность, регулируемая адаптивность и потенциальная универсальность расширяют применения флуоресцентных материалов. ЛНК имеют большой потенциал во многих неупомянутых областях, таких как солнечные батареи и фото катализаторы. Однако путь к применению ЛНК к реальным видам еще долог. Низкая селективность и низкое отношение сигнал/шум в сложных условиях — факторы, ограничивающие ЛНК для практических применений, требующие дальнейшего изучения. Определенные расстояния между фосфорами и LSPR металлами заслуживают больше исследований для получения положительного эффекта. Многие новые люминесцентные материалы с отличными свойствами были разработаны, что означает необходимость улучшения традиционных синтетических методов для получения ЛНК. Кремнезём — традиционный модифицирующий материал, но ЛНК всё еще имеют большой потенциал для развития.

Аббревиатуры

ACQ:

Агрегация-индуцированное квиньирование

AIEgen:

Агрегация-индуцированные эмиссионные люминогены

AMP:

Аденозин-5'-монофосфат

An18:

Агрегация-индуцированный органический флуороген, производный от 9,10-дистирилантрацена с алоксиловым конечным фрагментом

APS:

(3-Аминопропил)триэтоксисилан

APTES:

3-Аминопропилтриитоксисилан

APTS:

(3-Аминопропил)триметоксисилан

B:

Синий

BAM:

Биоякорная мембрана

CCT:

Коррелированная цветовая температура

CDs:

Углеродные точки

CDSP:

Композит углеродных точек-кремнезема-фосфора

CIE:

Международная комиссия по освещению

CLSM:

Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп

CRI:

Индекс цветопередачи

CTAB:

Цетилтриметиламмоний бромид

CVD:

Химическое осаждение из газовой фазы

DDT:

1-Додекантиол

Dox:

Доксорубицин

DPA:

2,2-Дипиколиламин

F127:

Поли(этиленгликоль)-блок-поли(пропиленгликоль)-блок-поли(этиленгликоль)

FIR:

Соотношение интенсивности флуоресценции

FITC:

Флуореceinизотиоцианат

FL-SiO₂:

Флуоресцентный мезопористый кремнезём

FRET:

Резонансный перенос энергии Фёрстера

FSCHP:

Чувствительный флуоресцентный сенсор

FSNP:

Флуоресцентная наночастица кремнезема

G:

Зеленый

H:

Отношение вода/TEOS

HPTS:

8-Гидроксипирен-1,3,6-трисульфокислота

HRTEM:

Высокое разрешение передаточной электронной микроскопии

IgG1:

Анти-Escherichia coli

KH-792:

N-(3-(триметоксисил)пропил)этилендиамин

LED:

Светодиод

LSN:

Люминесцентная наночастица кремнезема

LSPR:

Локальный поверхностный плазмонный резонанс

MPS:

3-Меркаптопропилтриметоксисилан

MPs:

Магнитные частицы

MQDs:

Магнитные квантовые точки

MRI:

Магнитно-резонансная томография

MTT:

Метилтетразолий

NIR:

Ближний инфракрасный

NTSC:

Национальная телевизионная системная коммиссия

OLED:

Органический светодиод

OSNC:

Нанокристалл органического кремнезема

OTES:

n-Октилтриэтоксисилан

PBS:

Фосфатно-буферный раствор

Pdots:

Полимерные точки

PEI:

Полиэтиленимин

PET:

Фотоиндуцированный электронный перенос

PVA:

Поли(винилалкоголь)

PVIS:

Поли(1-винилимидазол-ко-винилтриметоксисилан)

QD655:

Вид коммерческих квантовых точек

QD-LED:

Квантово-точечный светодиод

QDs:

Квантовые точки

R:

Красный

R:

Отношение вода/ПАВ

RBL-2H3:

Клетки мастоцитомы базафильной лейкемии крыс

SEM:

Развеивающая электронная микроскопия

TEM:

Проходная электронная микроскопия

TEOS:

Тетраэтоксисилан

TPETPAFN:

Типичный флуороген, состоящий из двух тетрафенилэтиленовых подвижек и ядра внутримолекулярного зарядопереноса

TRITC:

Тетраметилроданимизотиоцианат

UC:

Апконверсия

UCNP:

Наночастицы апконверсии

UCNPs@SiO2@EuTP:

NaGdF4:Yb,Er@SiO2@Eu(TTA)3Phen

UV:

Ультрафиолет

VTES:

Винילтриэтоксисилан

WLED:

Белый светодиод