Biomarkerek tervezése ab initio számítási módszerekkel Gali Ádám Wigner Fizikai Kutatóközpont Magyar Tudományos Akadémia ELFT Vándorgyűlés, Debrecen, 2013-10-22
Miért érdekesek a biomarkerek? A végső cél: a biológiai folyamatokat molekuláris szinten kövessük élő szervezetekben in vivo érzékelés Alkalmazások: betegségek diagnózisa terápia személyre szabott gyógyszerek Hogyan tudjuk ezt megcsinálni?
Fluoreszcens biomarkerek kicsi nem mérgező funkcionalizálható a fénykibocsátásnak jó a kontrasztja hosszú időn át
Fluoreszcens biomarkerek egyfoton-gerjesztés kétfoton-gerjesztés Virutális állapot l em > l exc Stokes-eltolódás l em < l exc erős lézerfény nagyon fotostabil kell legyen
Biomarkerek alkalmazhatósága in vitro in vivo
In vivo alkalmazás Smith et al., Nature Nanotechnology 4, 710 (2009) biológiai ablak NIR tartományban
in vivo biomarkerek szigorú feltételei Nem mérgezőek Jól kiürülnek Diszpergálnak vizes közegben Fotostabilak Multifunkcionálisak Erős fénykibocsátásúak Abszorpció/emisszió a biológiai ablakban QDs
Available biomarkers
Egy létező in vivo detektor
Jelenlegi biomarkerek Nem mérgezőek Jól kiürülnek Diszpergálnak vizes közegben Fotostabilak Multifunkcionálisak Erős fénykibocsátásúak Abszorpció/emisszió a biológiai ablakban Festék QDs QD új megoldás kell
mindenekelőtt, bioinert nanokristályokat használjunk és tervezzük meg a kémiai összetételüket a legmodernebb atomi szimulációs technikákkal, hogy az emissziót a kívánt tartományba hangoljuk
Metodika Alapállapoti geometria: SC PW USP-vel, DFT-PBE (PWscf kód) SC PW PAW-val, DFT-PBE (VASP kód) (hf. levágás: 35 Ry; töltéssűrűség levágás: 280 Ry; vákuum méret: 10 Å) Alapállapot: Turbomole, teljeselektron aug-cc-pvtz bázis, DFT-PBE0 (25% Hartree-Fock kicserélődés bekeverése PBE funkcionálba) Abszorpciós spektrum: Casida típusú adiabatikus TDDFT PBE0 funkcionállal a TDDFT magjában Turbomole kódot használva Zero-phonon vonal (ZPL) és Stokes-eltolódás: TD-DFT erők segítségével!
A gyémánt biokompatibilis de lehet az törpeméretű (nano)?
Legkisebb gyémántketrecek: gyémántocskák Kiválasztott gyémántocskák [Landt et al., PRL 103, 047402 (2009)]
Optical gaps MAE: 0,15 ev [Landt et al., PRL 103, 047402 (2009)] DMC: [Drummond et al., PRL 95, 096801 (2005)]
Gyémántocskák & biomarkerek Festék QDs QD Diam. Nem mérgezőek Jó kiürülés Diszpergálnak vizes közegben? Fotostabilak Multifunkcionálisak Erős fénykibocsátásúak? Emisszió a biológiai ablakban Ötlet: használjunk kén kettős kötéseket
Adamantanethione kísérlet ~6.2 ev ~5.4 ev ~4.4 ev C 10 H 14 =S Hullámhossz (nm) Gázfázis @ RT Átmenetek: 1st: π π* (széles csúcs): 5.29 ev Rydberg (190-230nm): n 4s (220-230nm): 5.43 ev n 4py: 6.01 ev n 4pz: 6.15 ev rezgés segített átmenetek: 280-300 cm -1 a 1 szimmetriájú C-C-C hajlító rezgések [K. J. Falk and R. P. Steer, Can. J. Chem, 66, 575 (1988)]
Adamantanethione elmélet C 2v szimmetria: b 2 b 1 dipól-tiltott! 5.32 ev 5.03 ev 5.31 ev n 4s adamantanethione-ban n π* más struktúrákban
Kenes gyémántocskák: optikai tiltottsávok láthatóban gerjesztés az adamantane-ban Möller csoport TU Berlinben próbálja szintetizálni ezeket... NIR gerjesztés a pentamantane-ban Vörös, Demjén, Szilvási & Gali, PRL, 108 267401 (2012) a=1; b=1,12; c=1,9,10; d=1,3,10,12; e=1,4,5,7-11; g=1-3,6-12; h=1-12.
Egy kis kitérő Színcentrumok a nanogyémántban?
Fényes NIR emisszió: SiV hiba a gyémántban 1.68-eV PL centrum mint egyedi forrás [Wang et al., At. Mol. Opt. 39 37] 1.68-eV PL centrum negatívan töltött SiV hiba [Goss et al., PRL 77 3041] 1.31-eV PL centrum semleges SiV hiba [D Haenens-Johansson et al., PRB 82 155205] szénvakanciák helye Csoportelméleti analízis: D 3d szimmetria; a 1g, a 2u, e u, e g pályák
Hidrogénes nanogyémántok legnagyobb kvantumbezártság határesete 1.1nm 1.3nm TD-DFT abszorpció és ZPL 1.8nm TD-DFT abszorpció ZPL extrapolálva az 1.3nm méretűből
SiV hiba hidrogénes nanogyémántban stabil még nagyon pici nanogyémántban is
SiV hiba a hidrogénes nanogyémántban kvantumbezártság SiV( ) ZPL: 1.85 ev 1.82 ev 1.78 ev 1.68 ev
occurency (#) y (m) Intensity (arb. u) intensity (arb. u.) SiV a nanogyémántban: az univerzum ajándéka Efremovka (CV3) and Orgueil (CI) meteoritok nanodiam. powder 738.6 nm CVD diam. Imp. IIa diam. nanodiam. 1 (a) 736.8 nm (a) (b) (c) nanodiam. 2 720 730 740 750 760 720 730 740 750 760 wavelength (nm) wavelength (nm) 8 2 63k 7 (c) 735.7 nm (d) 48k 6 4 32k 16k 5 6 800 4 3 2 1 2nm 0 720 730 740 750 760 peak position (nm) 8 10 12 14 2nm (b) 2 4 6 8 10 12 14 x (m) fényes lumineszcencia & kvantumbezártság Vlasov, Gali, Wrachtrup et al., Nature Nanotechnology, under review (2013)
Újra egy kis kitérő gyémánt szilícium szilíciumkarbid
number of particle (normaled) 100 Az általunk készített SiC NC jellemzői méreteloszás 80 60 Gauss average size 3 nm 40 5 nm 20 0 1 2 3 4 5 6 diameter [nm] Streptavidin Beke, Gali et al., Applied Physics Letters 99 213108 (2011)
SiC NC: NIR kétfoton-gerjesztés és láthatóban emisszió demonstrálása CA1 piramis agysejt egerekben Beke, Rózsa, Gali et al., J. Mat. Res. 28 205-209 (2013).
SiC NC: Si-vakancia jellegű ponthibák M = V, Mo, W
SiC NC: divacancia jellegű ponthibák M = Mo, W
SiC NC: emisszió NIR tartományban jól megválasztott ponthibák NIR emissziós centrumként viselkedhetnek még nagyon kis SiC nanokristályokban is Somogyi, Zólyomi & Gali, Nanoscale, 4 7720-7726 (2012)
Adalékolt SiC NC & biomarkerek Festék QDs QD SiC NC Nem mérgezőek Jó kiürülés Diszpergálnak vizes közegben Fotostabilak Multifunkcionálisak Erős fénykibocsátás Emisszió a biológiai ablakban az adalékolt SiC NC ideális in vivo biomarker
Kutatócsoport tagjai Vörös Márton Ivády Viktor Szász Krisztián Demjén Tamás Somogyi Bálint Thiering Gergő Beke Dávid Szekrényes Zsolt Zólyomi Viktor Szilvási Tibor Elisa Londero kísérletiek Alumni: Tamás Hornos Hugo Pinto Áron Szabó Thomas Chanier
Köszönetnyilvánítás Magyar Tudományos Akadémia EU research consortium & DIADEMS Országos Tudományos Kutatási Alap National Science Fund (USA) Knut & Alice Wallenberg Alap (Svédország)