[論文レビュー] Indefinite and Bidirectional Near Infrared Nanocrystal Photoswitching

Changhwan Lee, Emma Xu+15 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Photodynamic Therapy Research Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、近赤外（NIR）光を用いて、NIR-IおよびNIR-II窓の両方で、光劣化を示さない無限に近い、双方向の光スイッチングを上変換ナノクリスタルで実証した。1段階の光暗黒化および光発光化を活用することで、アンストラクト・ローカライゼーション超解像と、2次元および3次元で無制限の再書き込み可能な光学パターニングを実現した。

ABSTRACT

Materials whose luminescence can be switched by optical stimulation drive technologies ranging from superresolution imaging1-4, nanophotonics5, and optical data storage6-8, to targeted pharmacology, optogenetics, and chemical reactivity9. These photoswitchable probes, including organic fluorophores and proteins, are prone to photodegradation, and often require phototoxic doses of ultraviolet (UV) or visible light. Colloidal inorganic nanoparticles have significant stability advantages over existing photoswitchable materials, but the ability to switch emission bidirectionally, particularly with NIR light, has not been reported with nanoparticles. Here, we present 2-way, near-infrared (NIR) photoswitching of avalanching nanoparticles (ANPs), showing full optical control of upconverted emission using phototriggers in the NIR-I and NIR-II spectral regions useful for subsurface imaging. Employing single-step photodarkening10-13 and photobrightening12,14-18, we demonstrate indefinite photoswitching of individual nanoparticles (>1000 cycles over 7 h) in ambient or aqueous conditions without measurable photodegradation. Critical steps of the photoswitching mechanism are elucidated by modeling and by measuring the photon avalanche properties of single ANPs in both bright and dark states. Unlimited, reversible photoswitching of ANPs enables indefinitely rewritable 2D and 3D multi-level optical patterning of ANPs, as well as optical nanoscopy with sub-Å localization superresolution that allows us to distinguish individual ANPs within tightly packed clusters.

研究の動機と目的

• 生物学的に許容可能なNIR光を用いて、長期安定性と可逆的な光学制御を実現する光スイッチング可能なナノ材料プラットフォームの開発を目的とする。
• 従来の有機フルオロクロムおよびタンパク質の光劣化およびUV/可視光依存性の課題を克服することを目的とする。
• サブ・アングストロームのローカライゼーションを実現するナノクリスタルを用いて、高精度な光学ナノスコピーおよび3次元光学データストレージを実現することを目的とする。
• 深部組織イメージングに適した、唯一NIR光トリガーを用いた明るい状態および暗い状態の双方向スイッチングを実現することを目的とする。

提案手法

• 非線形光学的応答を強化するため、光子アバランチ上変換を示すアバランチナノクリスタル（ANPs）を用いた。
• NIR-I（700–1000 nm）およびNIR-II（1000–1400 nm）のスペクトル領域において、1段階の光暗黒化および光発光化プロセスを用いて、NIR光による発光強度の可逆的変調を実現した。
• 個々の粒子の分光測定を実施し、明るい状態および暗い状態の両方における発光ダイナミクスおよび光子アバランチ特性を測定した。
• エネルギー移動および欠陥を介したメカニズムが光スイッチング挙動に与える影響を解明するためのモデリングを実施した。
• 空間的に制御されたNIR照射を用いて、2次元および3次元の光学パターニングを実証した。
• 密に詰められたクラスタ内の個々のANPsを区別できるようにすることで、アンストラクト・ローカライゼーション超解像を達成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上変換ナノクリスタルを、UVや可視光を用いずに、唯一NIR光によって明るい状態と暗い状態の間で可逆的にスイッチングできるか？
• RQ2 アトモスフィックまたは水溶液条件下でも、測定可能な光劣化を示さずに、ANPsの無限に近いサイクルが可能か？
• RQ3 双方向の光スイッチングが、光学ナノスコピーにおいてアンストラクト・ローカライゼーションを可能にするか？
• RQ4 個々の粒子レベルにおけるANPsの光暗黒化および光発光化の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ5 NIR光スイッチングが、高空間分解能を実現する無制限の再書き込み可能な2次元および3次元光学データストレージを可能にするか？

主な発見

• ANPsは、大気中および水溶液中で7時間にわたり1,000回を超える可逆的光スイッチングサイクルを示し、測定可能な光劣化を示さなかった。
• NIR-IおよびNIR-II光トリガーを用いて双方向スイッチングを達成し、UVや可視光を一切使用しない光学制御を実現した。
• アンストラクト・ローカライゼーション超解像が実証され、密に詰められたクラスタ内でも個々のANPsを明確に区別できるようになった。
• 個々の粒子測定により、明るい状態および暗い状態の両方で明確に異なる光子アバランチダイナミクスが観察され、欠陥を介したスイッチングメカニズムの裏付けが得られた。
• 空間的に変調されたNIR照射を用いて、無制限の再書き込み可能な2次元および3次元の光学パターニングを実現した。
• モデリングにより、光スイッチングメカニズムが確認され、上変換効率および欠陥状態の集団の変化と相関した。