[論文レビュー] Highly fluorescent copper nanoclusters for sensing and bioimaging

Yu An, Ying Ren+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2019

Nanocluster Synthesis and Applications参考文献 124被引用数 4

ひとこと要約

このレビューでは、センシングおよびバイオイメージング用途における貴金属ナノクラスターよりも低コストで非毒性な代替手段として、非常に発光性の高い銅ナノクラスタ（CuNCs）を検討する。CuNCsは、サイズ制御合成および凝集によって強力で調整可能な発光を実現し、生体イメージングやバイオセンシング用途における光安定性および明るさが向上している。

ABSTRACT

Metal nanoclusters (NCs), typically consisting of a few to tens of metal atoms, bridge the gap between organometallic compounds and crystalline metal nanoparticles. As their size approaches the Fermi wavelength of electrons, metal NCs exhibit discrete energy levels, which in turn results in the emergence of intriguing physical and chemical (or physicochemical) properties, especially strong fluorescence. In the past few decades, dramatic growth has been witnessed in the development of different types of noble metal NCs (mainly AuNCs and AgNCs). However, compared with noble metals, copper is a relatively earth-abundant and cost-effective metal. Theoretical and experimental studies have shown that copper NCs (CuNCs) possess unique catalytic and photoluminescent properties. In this context, CuNCs are emerging as a new class of nontoxic, economic, and effective phosphors and catalysts, drawing significant interest across the life and medical sciences. To highlight these achievements, this review begins by providing an overview of a multitude of factors that play central roles in the fluorescence of CuNCs. Additionally, a critical perspective of how the aggregation of CuNCs can efficiently improve the florescent stability, tunability, and intensity is also discussed. Following, we present representative applications of CuNCs in detection and bioimaging. Finally, we outline current challenges and our perspective on the development of CuNCs.

研究の動機と目的

• 銅ナノクラスタ（CuNCs）の発光を支配する主な要因、すなわちサイズ、リガンドキャッピング、および電子構造を要約すること。
• CuNCsの凝集がその光励起発光安定性、強度、および調整可能性をどのように向上させるかを検討すること。
• バイオセンシングおよび生体内／in vitroバイオイメージングにおけるCuNCsの代表的応用を強調すること。
• CuNCsの医療応用を前進させるにあたり、現在の課題と今後の研究方向性を特定すること。

提案手法

• 2000年から2019年までのCuNCsに関する実験的および理論的研究の体系的レビュー。
• 安定化リガンド（例：DNA、ポリマー、ペプチド）を用いた合成戦略の分析により、サイズおよび発光の制御を図ること。
• 凝集体誘発発光（AIE）効果がCuNCsの量子収率および光安定性を向上させる仕組みの調査。
• 紫外可視分光法、発光分光法、EPRなどの分光法を用いた、CuNCsの光学的および電子的性質の特徴付け評価。
• コスト、毒性、発光性能の観点から、AuNCsおよびAgNCsと比較すること。
• 計算モデルを用いて、10 nm未満のCuNCsにおける離散的エネルギー準位および発光メカニズムを説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような構造的および化学的要因が銅ナノクラスタの強力な発光を支配しているのか？
• RQ2 CuNCsの凝集が量子収率や安定性といった光励起発光特性をどのように向上させるのか？
• RQ3 バイオイメージングおよびセンシング分野において、貴金属ナノクラスタ（例：AuNCs、AgNCs）と比較してCuNCsが持つ主な利点は何か？
• RQ4 バイオメディカル研究におけるCuNCsの実用的応用における現在の制限要因や障壁は何か？
• RQ5 特定のセンシングおよびイメージング用途に合わせて、CuNCsの発光をどのように調整できるか？

主な発見

• 銅ナノクラスタは、10 nm未満のサイズにおける量子閉じ込め効果に起因する離散的エネルギー準位のおかげで、強力で調整可能な発光を示す。
• CuNCsの凝集は、発光強度および光安定性を顕著に向上させ、生物学的環境下での実用的利用を可能にする。
• CuNCsは、貴金属ナノクラスタと同等の高い量子収率を示しており、一部の系では50％を超える量子収率を達成している。
• リガンド工学、特にDNA、ポリマー、またはペプチドの使用により、CuNCsのサイズ、安定性、発光波長の精密な制御が可能になる。
• CuNCsは低細胞毒性および生体適合性を示しており、生細胞および生体内バイオイメージング用途に適している。
• 進展は見られるが、再現性のある合成、長期安定性、およびマルチプレックス検出に向けた正確な発光調整の課題は依然として残っている。