[論文レビュー] Spaser as Novel Versatile Biomedical Tool

Ekaterina I. Galanzha, Robert Weingold+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2015

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 37被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、表面プラズモン増幅に基づくナノスケールレーザーであるスパーサーが、強い光音響および光熱対比を示す一方で、非常に明るく狭帯域の誘導放射（0.8 nm帯域幅）を発生させることで、高効率で多機能なバイオメディカルプローブとして機能することを示している。金ナノコアにウラジン染料を被塗布した増幅媒質を用いることで、量子ドットよりも約380倍明るく、30倍狭い帯域幅の「巨大スパーシング」を実現し、低毒性で1パルスで行えるスーパー対比のイメージングおよび診断治療（サーモスタティクス）を、in vitroおよびin vivoで可能にした。

ABSTRACT

Fluorescence imaging and spectroscopy remain the most powerful tools for visualization with chemical and immunological specificity of labeled biomolecules, viruses, cellular organelles, and living cells in complex biological backgrounds. However, a common drawback of fluorescence labels is that their brightness is limited by optical saturation and photobleaching. As an alternative, plasmonic metal nanoparticles are very promising as optical labels with no photobleaching and low optical saturation at realistic exciting intensities as was demonstrated in photoacoustic and photothermal sensing, imaging, and theranostics. However, plasmonic nanoparticles have wide absorption spectra and are not fluorescent, which limits their spectral selectivity and multimodal functionality, respectively. Here we demonstrate experimentally, both in vitro and in vivo, that spaser (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation) provides unprecedented efficiency as a versatile tool in biomedical research and applications. This is due to the unique combination of intense near-monochromatic stimulated emission and strongly enhanced absorption, free of optical saturation. Using soluble and biocompatible uranine dye as a gain medium surrounding the gold nanocore as a plasmonic resonator, we demonstrate unprecedented spaser stimulated emission intensity ("giant spasing") and a narrow spectral width (0.8 nm), which are more than ~380-fold and ~30-fold, respectively, better than in quantum dots as the best conventional fluorescent nanoprobes. At the same time, the plasmonic spaser nanocore served as excellent photoacoustic and photothermal contrast agents for imaging and nanobubble-based theranostics of cancer cells. This makes the spasers, arguably, the best multifunctional, super-contrast, low-toxicity optical probes in biomedical research, especially with single-pulse excitation.

研究の動機と目的

• 従来の蛍光標識の限界、例えば光分解や光飽和を克服する新しいタイプの光学プローブを開発すること。
• プラズモン性ナノ粒子は明るいが非蛍光的であるため、スペクトル選択性とマルチモード機能の欠如に対処すること。
• 金ナノコアとウラジン染料増幅媒質を有する生体適合性で可溶性のスパーサーを設計し、in vitroおよびin vivoのバイオメディカル応用を目的とすること。
• スパーサーが蛍光に類似したイメージングと光音響／光熱イメージング・治療の両方のモードで機能可能であることを示すこと。
• 1パルス励起下でのスパーサーの性能を検証し、迅速で高対比のバイオメディカル診断およびサーモスタティクスを実現すること。

提案手法

• スパーサーは金ナノロッドをプラズモン共鳴器とし、ウラジン染料を増幅媒質として用い、コア–シェルナノ構造を形成する。
• 染料分子における人口逆転によって誘導放射が達成され、金コアのプラズモン場によって増幅される。
• リアルタイムで高対比のイメージングと検出を可能にするために、1パルスレーザーで励起する。
• 近場光学測定およびスペクトル解析を用いて、放射光の強度と帯域幅を定量する。
• 光音響および光熱応答を測定し、代替イメージングモードにおけるプローブの性能を評価する。
• がん細胞モデルを用いたin vivo実験により、マルチモード機能性と低毒性を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパーサーを用いたプローブは、量子ドットのような従来の蛍光ナノプローブよりも顕著に明るく、帯域幅が狭い発光を達成できるか？
• RQ2 1パルス励起下でのスパーサーの信号強度および光安定性は、標準的な蛍光体と比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ3 同じスパーサーナノ構造が、蛍光に類似したイメージング、光音響イメージング、および光熱療法の3つの機能を同時に果たせるか、その程度はいかほどか？
• RQ4 スパーサーからの誘導放射のスペクトル幅と強度は何か？ 量子ドットと比較してどうなるか？
• RQ5 スパーサーは、複雑な生物学的環境、特にin vivo条件下でも、顕著な光傷害や毒性を示さずに効果的に使用可能か？

主な発見

• スパーサーは、誘導放射帯域幅がわずか0.8 nmであり、従来の蛍光プローブと比較して約30倍のスペクトル分解能の向上を示している。
• 誘導放射の強度は、量子ドットの380倍以上も高く、"巨大スパーシング"の挙動を示している。
• 実際の励起強度下でも、光学的飽和や光分解を示さず、安定した高対比イメージングが可能である。
• 金ナノコアは強い光音響および光熱信号を発生させ、二重モードイメージングとナノバブルを用いたサーモスタティクスを可能にしている。
• 生理的条件下でも生体適合性と可溶性を維持しており、in vitroおよびin vivo応用への応用を支援している。
• 1パルス励起により、高SNRを得られる高速でリアルタイムの検出が可能となり、動的バイオメディカルイメージングに適している。