Beke Dávid

BMe Kutatói pályázat

Beke Dávid

email cím

BMe kutatói pályázat - 2015

Oláh György Doktori Iskola

MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

Témavezető: Dr. Gali Ádám

Szilíciumkarbid alapú nanoklaszterek biológiai és kvantuminformációs alkalmazáshoz

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A szilíciumkarbid¹ (SiC) egy sok tekintetben egyedülálló anyag amely a nagyteljesítményű elektronikában szilíciumot kiváltó félvezetőként2 [1] és gyémántot megközelítő keménységű kerámiaként3 [2] is ismert. Nano méretekben, a kvantumbezártság4 hatására pedig egy új oldala mutatkozik meg. A benne található szénnek köszönhetően felülete szerves anyagként viselkedik, míg maga a szervetlen kristály, lumineszcenciájával új típusú festékpróbák5 kifejlesztését teszi lehetővé. Munkám során SiC nanokristályokat állítok elő, és vizsgálom azok kémiai, fizikai tulajdonságait. Célom a nanokristályok fizikai tulajdonságainak felderítése és módosítása a lehető legjobb fluoreszcens jelölőanyag kifejlesztése érdekében

A kutatóhely rövid bemutatása

Munkámat Gali Ádám témavezetésével az MTA Wigner Fizikai kutatóközpontban6 végzem. A Wigner FK az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Intézetének és a Részecske- és Magfizikai Intézetének a fúziójával jött létre 2012-ben. Csoportunk7 SiC alapú nanoklaszterek szintézisével és jellemzésével foglalkozik kísérleti és elméleti szinten.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Biológiai rendszerek vizsgálata során a képalkotási eljárások fontos szerepet játszanak az alkalmazott és az alapkutatásban is. Fluoreszcencián alapuló mikroszkópiát alkalmaznak pl. sejten belüli folyamatok megértéshez [3]. Az eljárás jelentőségét mutatja, hogy a 2014-es Nobel-díjat8 az ultranagy felbontású9 mikroszkópiás eljárás kidolgozásáért ítélték oda [4]. De fluoreszcens anyagokat használnak daganatos sejtek megjelölésére10 is a rákos sejtek műtéti eltávolítása során [5a,b].

Több csoport is sikeresen állított elő SiC nanokristályokat különféle módszerekkel [6a,b], és vizsgálták azok élettani hatásait [7]. A kezdeti módszerek azonban alapvetően széles méreteloszlással rendelkező SiC nanokristályokat hoztak létre amelyek alkalmatlanok voltak az optikai tulajdonságok megértésére és a biológiai alkalmazásra.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések.

Kutatásom célja olyan nanokristályok előállítása, amelyek alkalmasak in-vivo11 és in-vitro biológiai képalkotásra. Ehhez elengedhetetlen, hogy a létrehozott nanokristály biokompatibilis legyen, kiürüljön a szervezetből [8] és vizes közegben is alkalmazható legyen. Míg a legtöbb fluoreszcens festékpróba toxikus, és mérete folytán nem képes elhagyni az élő szervezetet [9], a SiC alacsony toxikussága már régóta ismert [10]. Ehhez elsőként olyan előállítási módszer kidolgozására volt szükség, amely jó kitermeléssel szűk mérettartományban képes SiC nanokristályok szintézisére. Tisztázni kell továbbá a nanokristályokból származó emisszió eredetét annak érdekében, hogy későbbi felhasználás során a vizsgálatok kiértékelhetőek legyenek. Célom volt továbbá az emisszió méretfüggetlenné tétele oly módon, hogy a nanokristályokba un. emissziós centrumot12 viszünk be. Egyfoton-forrásként működő emissziós centrumok pedig a kvantumszámitások terén jelenthet előrelépést

1. ábra ponthibák SiC-ban

Módszerek

A célok megvalósítása érdekében több kísérleti módszert is felhasználtam. SiC nanokristályok előállításához a jelenlegi tudásunk szerint tömbi SiC-ból kell kiindulni. Ahhoz, hogy színcentrumokat tudjunk létrehozni, a tömbi SiC-ot is magunknak kell előállítani. Ehhez térfogati szintézis13 módszert alkalmazunk [11]. Ebben a lépésben tudjuk a ponthibákat is bevinni a rendszerbe.

Ahhoz, hogy a tömbi SiC-ból 1–4 nm átmérőjű nanokristály legyen, újabb kémiai reakcióra, nedves kémiai marásra van szükség [6b]. A SiC nagyon ellenálló anyag, de 100 fok körüli hőmérsékleten hidrogén-fluorid és salétromsav elegye a SiC-ot is megtámadja.

2. ábra: SiC nanokristályok előállítása

A nanokristályokat a további vizsgálatokhoz valamilyen oldószerben, jellemzően vízben diszpergálva kolloid szolt14 hozunk létre. A kolloid szolok optikai tulajdonságait fluoreszcens spektrométerrel15, a felületi kémiát pedig infravörös spektroszkópiával16 határozzuk meg.

3. ábra: SiC nanokristályok infravörös spektruma

Eddigi eredmények

Doktoranduszként egy induló kutatásba kapcsolódtam be. Első alapvető feladatnak a SiC nanokristályok előállításának meghonosítását tűztem ki célul. Irodalmi adatokat felhasználva kidolgoztam a SiC nanokristályok szintézisét. Az eredeti eljárást továbbgondolva, a hidrotermális reakciók során is használt zárt rendszerben történő eljárást dolgoztam ki [B5]. Ez biztonságosabbá tette az előállítást és nagyobb kitermeléssel jobb minőségű nanokristályok előállítása vált lehetővé. Az új módszerrel előállított SiC nanokristályok méreteloszlása 1–3 nm körül van, ami nagyon kicsinek számít top-down módszer esetében17.

A SiC nanokristályok előállításához és emissziós centrumok létrehozásához tömbi SiC-ra van szükség. Erre szolgál a módszereknél említett térfogati szintézis. Fejlesztettem a meglévő kemencén és az eljáráson is annak érdekében, hogy még jobb minőségű [B3] és színcentrumot is tartalmazó nanokristályokat lehessen belőlük előállítani. Ennek köszönhetően elértük, hogy 100 nm-es nanokristályokban már jelentős mennyiségű egyfoton-forrásként emittáló18, vörös színcentrumot tartalmaz. [B2].

Az ennél is kisebb szemcsék esetében a lumineszcencia sokkal komplexebb folyamat, ugyanis a SiC tömbi szerkezete is megváltozik, kvantumbezártság lép fel, de jelentőssé válnak a felületi hatások is. Olyannyira, hogy a 4 nm alatti szemcsékben az emissziót lényegében a kristályok felületén levő oxigén tartalmú csoportok szabják meg. Mindezt sikerült elméleti és kísérleti úton is bizonyítani [B1].

Az egyes felületi csoportok (karboxil csoport, alkohol csoport stb) hatását külön-külön is vizsgáltam, és olyan nanokristályokat hoztam létre, amelyek csupán egy jellemző felületi csoportot tartalmaznak. Ezeknek a mintáknak az időkorrelált emissziós19 spektruma megmutatta, hogy a nanokristály által kibocsátott foton energiája felület oxidáltságával csökken, vagyis minél oxidáltabb a felület, annál vörösebben világit a SiC nanokristály. A vizsgálatok azt is megmutatták, hogy a SiC-ban már eleve van egy emissziós centrum, ami nem a SiC-hoz, hanem a felületen kialakuló szilícium-dioxidhoz köthető.

4. ábra: A SiC nanokristályok felülete és az emisszió között kapcsolat

A felhasználás első lépéseként pedig bizonyítottuk a SiC nanokristályok alacsony toxicitását, és elsőként használtuk kétfoton-mikroszkópiás képalkotásra a SiC nanokristályokat [B4].

5. ábra: SiC nanokristályokkal megfestett idegsejt kétfoton-mikroszkópiás felvétele

Várható impakt, további kutatás

Bár már bizonyítottuk a SiC nanokristályok alkalmazhatóságát biológiai rendszerekben, igazi áttörést olyan színcentrumok realizálása jelenti, amelyek vörös–infravörös emissziót kölcsönöznek a kristályainknak. Ehhez a felületet is optimalizálnunk kell. Jelenleg képesek vagyunk olyan színcentrumot bevinni 4 nm alatti szemcsékbe is, amelyeknek köszönhetően az emisszió 620 nm-nél is jöhet. A feladatom most az, hogy analizáljuk ezt a centrumot, és optimáljuk a létrehozásához szükséges szintézist. A nanokristályok felülete és a lumineszcencia kapcsolatának további tanulmányozása, valamint a már létrehozott színcentrum megismerése együttesen egy új, SiC alapú festékpróba, és nanoszenzor család létrehozását teszi lehetővé, amely alacsony toxicitása és a szervezetből való kiürülése révén új távlatokat nyithat a biológiában és az orvostudományban.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája. (IF= impact factor)

[B1]. Beke D., Szekrényes Zs., Czigány Zs., Kamarás K., Gali A., Dominant Luminescence is not Due to Quantum Confinement in Molecular Sized Silicon Carbide Nanocrystals, Nanoscale, 2015, DOI: 10.1039/C5NR01204J

[B2] Castelletto S., Johnson B, Zachreson C., Beke D., Balogh I., Ohshima T. Aharonovich I., Gali A., Room Temperature Quantum Emission from Cubic Silicon Carbide Nanoparticles, ACS Nano, 8(8), 7938, (2014)

[B3] Szekrényes Zs., Somogyi B., Beke D., Károlyházi Gy., Balogh I., Kamarás K., Gali A., Chemical Transformation of Carboxyl Groups on the Surface of Silicon Carbide Quantum Dots, Journal of Physical Chemistry C – Nanomaterials and Interfaces, 118(34), 19995, (2014)

[B4] Beke D., Szekrényes Zs., Pálfi D., Róna G., Balogh I., Maák P.A., Katona G., Czigány Zs., Kamarás K., Rózsa B., Buday L., Vértessy B., Gali A., Silicon carbide quantum dots for bioimaging, Journal of Materials Research, 10(28), 205 (2013)

[B5] Beke D, Szekrényes Z, Balogh I, Czigány Z, Kamarás K, Gali A., Preparation of small silicon carbide quantum dots by wet chemical etching, Journal of Materials Research, 28(1), 44 (2013).

[B6] Beke D, Szekrenyes Zs, Balogh I, Veres M, Fazakas E, Varga L.K, Kamaras K, Czigany Zs, Gali A., Characterization of luminescent silicon carbide nanocrystals prepared by reactive bonding and subsequent wet chemical etching, Applied Physics Letters, 99(21) 213108. (2011)

Linkgyűjtemény.

Hivatkozások listája.

[1]: J.B. Casady, R.W. Johnson, Status of silicon carbide (SiC) as a wide-bandgap semiconductor for high-temperature applications: A review, Solid-State Electronics 39(10), 1409–1422 (1996)

[2]: R. M. Laine , F. Babonneau, Preceramic polymer routes to silicon carbide, Chem. Mater, 5(3), 260–279 (1993)

[3]: Z. Yao, R. Carballido-López, Fluorescence Imaging for Bacterial Cell Biology: From Localization to Dynamics, From Ensembles to Single Molecules, Annual Review of Microbiology 68, 459–476, (2014)

[4]: Z. Liu, L. D. Lavis, E. Betzig, Imaging Live-Cell Dynamics and Structure at the Single-Molecule Level, Molecular Cell 58(4), 644–659 (2015)

[5a]: C. Chi, Y. Du, J. Ye, D. Kou, J. Qiu, J. Wang, J. Tian, X. Chen, Intraoperative imaging-guided cancer surgery: from current fluorescence molecular imaging methods to future multi-modality imaging technology, Theranostics. 4(11), 1072–84, (2014)

[5b]: A. L. Vahrmeijer, M. Hutteman, J. R. van der Vorst, C. J. H. van de Velde, J. V. Frangioni, Image-guided cancer surgery using near-infrared fluorescence, Nature Reviews Clinical Oncology 10, 507–518 (2013)

[6a]: V. Buschmann, S. Klein, H. Fueß, H. J. Hahn, HREM study of 3C–SiC nanoparticles: influence of growth conditions on crystalline quality, Crystal Growth, 193, 335, (1998)

[6b]: X.LWu, J. Y. Fan, T. Qiu, X. Yang, G. G. Siu, P. K. Chu, Experimental Evidence for the Quantum Confinement Effect in 3C-SiC Nanocrystallites. Phys Rev Lett 94, 026102 (2005)

[7]: J. Botsoa, V. Lysenko, A. Géloen, O. Marty J. M. Bluet, G. Guillot . Application of 3C-SiC quantum dots for living cell imaging. Appl. Phys. Lett. 92, 173902 (2008).

[8]: H. S. Choi, W. Liu, P. Misra, E. Tanaka, J. P. Zimmer, B. I. Ipe, M. G. Bawendi, J. V. Frangioni, Renal Clearance of Nanoparticles, Nat Biotechnol. 25(10), 1165–1170, (2007)

[9]: A. Valizadeh, H. Mikaeili, M. Samiei, S. M. Farkhani, N. Zarghami, M. kouhi, A. Akbarzadeh, S. Davaran, Quantum dots: synthesis, bioapplications, and toxicity, Nanoscale Research Letters, 7, 480, (2012)

[10]: C. Coletti, M.J. Jaroszeski, A. Pallaoro, A.M. Hoff, S. Iannotta, S.E. Saddow, Biocompatibility and wettability of crystalline SiC and Si surfaces, Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc.2007 5850, (2007)

[11]: Alexander S. Mukasyan (2011). Combustion Synthesis of Silicon Carbide, Properties and Applications of Silicon Carbide, Prof. Rosario Gerhardt (Ed.), ISBN: 978–953–307–201–2, InTech,