[논문 리뷰] Indefinite and Bidirectional Near Infrared Nanocrystal Photoswitching

Changhwan Lee, Emma Xu외 15명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 13.

Photodynamic Therapy Research Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 근적외선(NIR) 빛을 이용해 업컨verting 나노결정에서 NIR-I 및 NIR-II 창구에서 무한하고 이방향의 광스위칭을 구현함으로써, 광분해 없이 1,000회 이상의 사이클을 수행할 수 있음을 보여준다. 단일단계 광어두워짐과 광밝아짐을 활용함으로써, 2차원 및 3차원에서 아angstrom 이하의 국소화 초해상도와 무제한의 재기록 가능한 광학 패턴 형식이 가능해진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물학적으로 친화적인 근적외선 빛을 사용하여 장기적 안정성과 가역적인 광학 제어를 갖춘 광스위칭 가능한 나노물질 플랫폼을 개발하기 위해.
• 기존 유기 형광체 및 단백질의 광분해와 자외선/가시광선 의존성 문제를 해결하기 위해.
• 아angstrom 이하 국소화를 갖춘 나노결정을 이용해 고정밀 광학 나노현미경 및 3차원 광학 데이터 저장을 가능하게 하기 위해.
• 심장조직 영상에 적합한 깊은 조직 침투를 위해 유일한 근적외선 광트리거를 사용하여 밝기 및 어두움 상태 간의 이방향 스위칭을 실현하기 위해.

제안 방법

• 비선형 광학 반응을 향상시키기 위해 광자 폭발 업컨버전을 갖춘 폭발 나노결정(ANPs)을 사용하였다.
• 근적외선(NIR-I, 700–1000 nm 및 NIR-II, 1000–1400 nm) 스펙트럼 영역에서 근적외선 빛을 이용해 단일단계 광어두워짐 및 광밝아짐 과정을 통해 발광 강도를 가역적으로 조절하였다.
• 밝기 및 어두움 상태에서의 발광 동역학과 광자 폭발 특성을 측정하기 위해 단일입자 분광법을 시행하였다.
• 광스위칭 거동의 배경이 되는 에너지 이행 및 결함 매개 메커니즘을 밝혀내기 위해 모델링을 수행하였다.
• 공간적으로 제어된 근적외선 조명을 이용해 2차원 및 3차원 광학 패턴 형식을 실현하였다.
• 밀집된 클러스터 내에서 개별 ANPs를 구분함으로써 아angstrom 이하 국소화 초해상도를 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업컨verting 나노결정이 유일하게 근적외선 빛을 사용하여 밝기 상태와 어두움 상태 간에 가역적으로 스위칭될 수 있는가?
• RQ2 환경 또는 수용성 조건에서 측정 가능한 광분해 없이 ANPs의 무한 사이클링이 가능한가?
• RQ3 이방향 광스위칭이 광학 나노현미경에서 아angstrom 이하 국소화를 가능하게 하는가?
• RQ4 단일입자 수준에서 ANPs의 광어두워짐 및 광밝아짐의 기초 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 근적외선 광스위칭이 고공간 정밀도를 갖춘 무한하고 재기록 가능한 2차원 및 3차원 광학 데이터 저장을 가능하게 하는가?

주요 결과

• ANPs는 환경 또는 수용성 조건에서 7시간 동안 1,000회 이상의 가역적 광스위칭 사이클을 수행하였고, 측정 가능한 광분해가 발생하지 않았다.
• NIR-I 및 NIR-II 광트리거를 사용하여 이방향 스위칭을 달성하였으며, 자외선 또는 가시광선 없이도 광학 제어가 가능했다.
• 아angstrom 이하 국소화 초해상도가 입증되었으며, 밀집된 클러스터 내에서도 개별 ANPs를 명확히 구분할 수 있었다.
• 단일입자 측정 결과, 밝기 및 어두움 상태에서의 광자 폭발 동역학이 뚜렷하게 구별되었으며, 이는 결함 매개 스위칭 메커니즘을 지지하는 바였다.
• 공간적으로 조절된 근적외선 조명을 이용해 무한하고 재기록 가능한 2차원 및 3차원 광학 패턴 형식을 달성하였다.
• 모델링을 통해 광스위칭 메커니즘이 확인되었으며, 이는 업컨버전 효율성 및 결함 상태 농도의 변화와 관련이 있었다.