Design, fabrication and analysis of luminescent silicon carbide nanocrystals for in vivo biomarker applications  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
101819
Type K
Principal investigator Gali, Ádám
Title in Hungarian Lumineszkáló szilíciumkarbid nanokristályok tervezése, előállítása és analízise in vivo biomarker alkalmazásokhoz
Title in English Design, fabrication and analysis of luminescent silicon carbide nanocrystals for in vivo biomarker applications
Keywords in Hungarian nanorészecskék, szintézis, adalékolás, fotolumineszcencia, ab initio módszerek, biomarker
Keywords in English nanoparticles, synthesis, doping, photoluminescence, ab initio methods, biomarker
Discipline
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)85 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)15 %
Ortelius classification: Molecular markers and recognition
Panel Physics 1
Department or equivalent Theoretical Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Beke, Dávid
Bencs, László
Buday, László
Maák, Pál Andor
Nor Soho, Roy
Pogány, Lajos
Róna, Gergely
Szekrényes, Zsolt
Varga, Lajos Károly
Vörös, Márton
Starting date 2012-01-01
Closing date 2016-08-31
Funding (in million HUF) 28.632
FTE (full time equivalent) 13.68
state closed project
Summary in Hungarian
A projekt célja: olyan világító biomarkerek megtervezése és előállítása, amelyeket biztonsággal lehet használni in vivo
mérésekben. A gazdaanyag a köbös szilíciumkarbid (3C-SiC) nanokristály, amely egy bioinert anyag. Ez a spektrum zöld-kék
tartományában lumineszkál, de a vörös és közel infravörös tartomány lenne optimális in vivo érzékeléshez. Első elvű
számításokkal meghatározzuk azokat a ponthibákat a 3C-SiC nanokristályokban, amelyek a kívánt energiatartományban
bocsátanak ki fényt magukból. Két stratégiát alkalmazunk hibát tartalmazó 3C-SiC előállítása céljából. Mindenekelőtt,
szemben a szokásos fentről-lefelé módszerrel, a 3C-SiC nanokristályokat szintézissel állítjuk elő, amely lehetővé teszi a
nagyfokú adalékolást az előállítás során. Ezekután 1) mikrokristályokat állítunk elő, ahol további kezelések lehetségesek
(elektronbesugárzás vakanciakeltéshez), és az így keletkezett hibát tartalmazó mikrokristályokat leőröljük/lemarjuk
nanokristállyá, 2) egyből nanokristályokat hozunk létre összekombinálva a szintézist az adalékolással és kémiai marással.
Ezeket a kolloid nanokristályokat fotolumineszcenciával és más spektroszkópiával megvizsgáljuk. Nagyfelbontású
transzmissziós elektronmikroszkópot használunk az előállított nanokristályok összetételének és méretének meghatározására.
A nanokristályokat megvizsgáljuk speciális két-fotonos és konfokális mikroszkópokkal is, amelyeket már sikeresen használtak
világító centrumokhoz tapasztott biológiai molekulák vizsgálatában. Végül, a nanokristályokat tesztelni fogjuk biológiai
környezetben beleértve a sejtelhalálozási vizsgálatokat is.
A projektben több fiatal kutatót vonunk be részben a projekt terhére finanszírozva és technikusokat is részben ebből
alkalmazunk. Fejlesztjük a laboratóriumainkat abból a célból, hogy a SiC alapú nanotechnológiánkat finoman tudjuk
szabályozni, amely lehetővé tenné, hogy a kutatócsoport a világ élvonalában legyen ezen a forrongó területen. Az első évben
viszonylag nagy értékű beruházásokat hajtunk végre, hogy elérjük ezt a célunkat. A projekttervünket kutatási együttműködésben valósítanánk meg, amely jelentős interdiszciplináris jegyeket mutat.
Summary
Goal of the project: design and fabricate luminescent biomarkers that can be safely applied in vivo measurements. The host
material is cubic silicon carbide (3C-SiC) nanocrystal which is a bioinert material. It luminesces in the green-blue range of the
spectrum while the red and near infrared range is optimal for in vivo detection. By means of firsat principles calculations we
determine those point defects in 3C-SiC nanocrystals that emit light in the desired energy range. We apply two different
strategies in order to fabricate the defective SiC nanocrystals. First of all, in contrast to the usual top-down methodology we
fabricate the SiC crystal by synthesis where high level doping is possible during the fabrication process. Then, (i) we make
microcrystal where further processing (electron bombardment to create vacancies) is feasible if needed and the defective
microcrystals will be milled/etched to nanocrystals, (ii) we make nanocrystals directly by combining the synthesis with
dopants and chemical etching. These colloid nanocrystals will be studied by photoluminescence measurements and other
spectroscopy tools. High resolution transmission electron microscopy will be utilized to determine the chemical composition
and size of our fabricated nanocrystals. We investigate our fabricated nanocrystals by special two-photon and confocal
microscopes that have been already successfully applied to study biological molecules tagged to luminescent centers.
Finally, our nanocrystals will be tested in biological environment including cytotoxicology.
In our project we involve young scientists partially financed by this grant and also technician stuff will be partially employed.
We will develop our laboratories in order to achieve fine control of our SiC based nanotechnology that may allow our
research team to be a world leader on this hot field. We apply for relatively large investment in the first years in order to
accomplish this task. Our project will be carried out in a cooperation between research teams and shows a significant interdisciplinary
character.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Növesztési eljárásokat fejlesztettünk szilícium-karbid (SiC) részecskék előállítására, amelyekből nedves kémiai marással molekula-méretű nanoszemcséket (NP) hoztunk létre. Eljárásokat dolgoztunk ki a SiC NP-k méretének és felületi borításának finom szabályozása céljából. Azonosítottuk azokat a felületi csoportokat, amelyek a SiC NP-k fénykibocsátásáért felelősek. A SiC NP-ket különböző biológiai rendszerben teszteltük, és azt találtuk, hogy biokompatibilisek. Ezekben a vizsgálatokban megmutattuk, hogy közeli infravörös (NIR) kétfoton gerjesztéssel a SiC NP látható fényű sugárzást bocsát ki, amelyet idegsejtekben is ki lehet mérni. Továbbá megmutattuk, hogy a SiC NP és egy tipikus fehérje, a BSA közötti kölcsönhatás dinamikus a biológiai környezetre jellemző körülmények között, és azonosítottuk az átlagos donor-akceptor távolságot a SiC NP és a BSA molekula között. Azonosítottunk vakancia jellegű és más ponthibákat, mint fényes NIR és látható tartományú fényforrásokat. Kvantumos fénykibocsátást demonstráltunk a saját SiC szemcséinkből, és NIR fényforrást hoztunk létre SiC szemcsékben. Az összes eredmény arra utal, hogy a SiC NP nagyon ígéretes biológiai képalkotó szonda. Eredményeinket három Nature család cikkben, egy ACS Nano cikkben, két Nanoscale cikkben, illetve túlnyomórészt egyéb D1/Q1 kategóriájú cikkben publikáltuk. Számos diákot tudtunk bevonni a kutatásba, amely BSc és MSc fokozatok elnyeréséhez vezetett, valamint hat PhD diák doktori munkájához járulhattunk hozzá.
Results in English
We developed methods to grow silicon carbide (SiC) particles and produce molecular-sized nanoparticles (NPs) from them via wet chemical etching. We implemented methods to fine control the size distribution of SiC NPs and their surface termination. We identified those surface related groups that are responsible for the optical emission of SiC NPs. We tested our SiC NPs in different biological systems and found that they are biocompatible. In these investigations we showed that near-infrared (NIR) two-photon excitation leads to such visible emission from our SiC NPs that can be detected in neuron cells. Furthermore, we showed that the interaction between SiC NPs and a typical albumin, BSA, is dynamic in typical conditions of biological environment, and we identified the average donor-acceptor distance between SiC NPs and BSA molecules. We identified vacancy type and other defects as bright NIR and visible emitters. We demonstrated bright visible quantum emission from our SiC particles and introduced NIR emitters into our SiC particles. All these results prove that SiC NPs are very promising bioimaging probes. Our results were published in three Nature family papers, one ACS Nano and two Nanoscale papers that are premium journals in the field. The other results mostly appeared in D1/Q1 category journals. We are proud that we can involve a number of undergraduate students in the research resulted in BSc and MSc degrees, and we contributed to the thesis of six PhD students.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=101819
Decision
Yes





 

List of publications

  
David Beke, Zsolt Szekrényes, István Balogh, Zsolt Czigány, Katalin Kamarás and Adam Gali: Preparation of small silicon carbide quantum dots by wet chemical etching, Journal of Materials Research, 28, 44-49, 2013, 2013
David Beke, Zsolt Szekrényes, Denes Pálfi, Gergely Róna, István Balogh, Pal Andor Maák, Gergely Katona, Zsolt Czigány, Katalin Kamarás, Balazs Rózsa, Laszlo Buday, Beáta Vértessy and Adam Gali: Silicon carbide quantum dots for bioimaging, Journal of Materials Research, 28, 205-209, 2013
B. Somogyi, V. Zólyomi, and Adam Gali: Near-infrared luminescent cubic silicon carbide nanocrystals for in vivo biomarker applications: an ab initio study, Nanoscale, 4, 7720-7726, 2012
S. Castelletto, B. C. Johnson, V. Ivády, N. Stavrias, T. Umeda, A. Gali, and T. Ohshima: A silicon carbide room-temperature single-photon source, Nature Materials, 13, 151-156, 2014
David Beke, Zsolt Szekrényes, István Balogh, Zsolt Czigány, Katalin Kamarás and Adam Gali: Preparation of small silicon carbide quantum dots by wet chemical etching, Journal of Materials Research, 28, 44-49, 2013
David Beke, Zsolt Szekrényes, Denes Pálfi, Gergely Róna, István Balogh, Pal Andor Maák, Gergely Katona, Zsolt Czigány, Katalin Kamarás, Balazs Rózsa, Laszlo Buday, Beáta Vértessy and Adam Gali: Silicon carbide quantum dots for bioimaging, Journal of Materials Research, 28, 205-209, 2013
B. Somogyi, V. Zólyomi, and Adam Gali: Near-infrared luminescent cubic silicon carbide nanocrystals for in vivo biomarker applications: an ab initio study, Nanoscale, 4, 7720-7726, 2012
S. Castelletto, B. C. Johnson, V. Ivády, N. Stavrias, T. Umeda, A. Gali, and T. Ohshima: A silicon carbide room-temperature single-photon source, Nature Materials, 13, 151-156, 2014
B. Somogyi and A. Gali: Computational design of in vivo biomarkers (invited review), Journal of Physics: Condensed Matter, 26, 143202, 2014
Stefania Castelletto, Brett Johnson, Cameron Zachreson, Dávid Beke, István Balogh, Takeshi Ohshima, Igor Aharonovich, and Adam Gali: Room Temperature Quantum Emission from Cubic Silicon Carbide Nanoparticles, ACS Nano, 8, 7938-7947, 2014
Zsolt Szekrényes, Bálint Somogyi, Dávid Beke, Gyula Károlyházy, István Balogh, Katalin Kamarás, and Adam Gali: Chemical Transformation of Carboxyl Groups on the Surface of Silicon Carbide Quantum Dots, The Journal of Physical Chemistry C, 118, 19995-20001, 2014
Matthias Widmann,Sang-Yun Lee, Torsten Rendler, Nguyen Tien Son, Helmut Fedder, Seoyoung Paik, Li-Ping Yang, Nan Zhao, Sen Yang, Ian Booker, Andrej Denisenko, Mohammad Jamali, S. Ali Momenzadeh, Ilja Gerhardt, Takeshi Ohshima, Adam Gali, Erik Janzén, and Jörg Wrachtrup: Coherent control of single spins in silicon carbide at room temperature, Nature Materials 14 164-168, 2015
David Beke, Zsolt Szekrényes, Zsolt Czigány, Katalin Kamarás and Adam Gali: Dominant Luminescence is not Due to Quantum Confinement in Molecular-Sized Silicon Carbide Nanocrystals, Nanoscale, 7, 10982-10988, 2015
A. Lohrmann, N. Iwamoto, Z. Bodrog, S. Castelletto, T. Ohshima, T.J. Karle, A. Gali, S. Prawer, J.C. McCallum, and B.C. Johnson: Single-photon emitting diode in silicon carbide, Nature Communications, 6, 7783, 2015
Andreas Gällström, Björn Magnusson, Stefano Leone, Olof Kordina, Nguyen T. Son, Viktor Ivády, Adam Gali, Igor A. Abrikosov, Erik Janzén, and Ivan G. Ivanov: Optical properties and Zeeman spectroscopy of niobium in silicon carbide, Physical Review B, 92, 075207, 2015
Dávid Beke, Tibor Z. Jánosi, Bálint Somogyi, Dániel Á. Major, Zsolt Szekrényes, János Erostyák, Katalin Kamarás, and Adam Gali: Identification of Luminescence Centers in Molecular-Sized Silicon Carbide Nanocrystals, The Journal of Physical Chemistry C, 120, 685-691, 2016
Gabriella Dravecz, László Bencs, Dávid Beke, and Ádám Gali: Determination of silicon and aluminum in silicon carbide nanocrystals by high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry, Talanta, 147, 271-275, 2016
Matthias Widmann,Sang-Yun Lee, Torsten Rendler, Nguyen Tien Son, Helmut Fedder, Seoyoung Paik, Li-Ping Yang, Nan Zhao, Sen Yang, Ian Booker, Andrej Denisenko, Mohammad Jamali, S. Ali Momenzadeh, Ilja Gerhardt, Takeshi Ohshima, Adam Gali, Erik Janzén, and Jörg Wrachtrup: Coherent control of single spins in silicon carbide at room temperature, Nature Materials 14 164-168, 2015




 

Events of the project

  
2013-09-13 13:09:15
Résztvevők változása



Back »