[논문 리뷰] Spaser as Novel Versatile Biomedical Tool

Ekaterina I. Galanzha, Robert Weingold외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 02.

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications참고 문헌 37인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 표면 플라스몬 증폭 기반의 나노스케일 레이저인 스파저가 강력하고 좁은 파장의 자극된 방출(0.8 nm 대역폭)과 강한 광음향 및 광열 대비를 동시에 제공함으로써 고효율의 다기능 생의학 프로브로 기능함을 보여준다. 금 나노핵을 우라닌 염료로 코팅한 증폭 매체를 사용함으로써 저자들은 양자점보다 약 380배 밝고 30배 더 좁은 방출을 달성한 '기적의 스파징'을 실현하였으며, 이는 초대비, 저세균성, 단일 펄스 영상 및 치료 진단을 in vitro 및 in vivo에서 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 형광 레이블의 한계, 예를 들어 광분해와 광학 포화를 극복하는 새로운 유형의 광학 프로브를 개발하기 위해.
• 플라스모닉 나노입자에서의 스펙트럼 선택성 부족과 다기능성 부족 문제를 해결하기 위해, 이는 밝기는 하지만 비형광임.
• 금 나노핵과 우라닌 염료 증폭 매체를 갖춘 생체 적합성 있고 용해 가능한 스파저를 설계하여 in vitro 및 in vivo 생의학 적용을 위해.
• 스파저가 형광 유사 영상과 광음향/광열 영상 및 치료를 위한 이중 기능 프로브로 작동할 수 있음을 입증하기 위해.
• 단일 펄스 조명 조건 하에서 스파저의 성능을 검증하여 빠르고 고대비의 생의학 진단 및 치료 진단을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 스파저는 금 나노로드를 플라스모닉 공진기로 사용하고, 우라닌 염료를 증폭 매체로 사용하여 코어-쉘 나노소재를 형성한다.
• 염료 분자 내의 인version 상태를 유도함으로써 자극된 방출을 달성하며, 이는 금 핵의 플라스모닉 필드에 의해 증폭된다.
• 실시간 고대비 영상 및 검출을 가능하게 하기 위해 단일 레이저 펄스로 시스템을 자극한다.
• 근접장 광학 측정 및 스펙트럼 분석을 통해 방출된 빛의 강도와 대역폭을 정량화한다.
• 다른 영상 모드에서의 프로브 성능 평가를 위해 광음향 및 광열 반응을 측정한다.
• 다양한 암 세포 모델을 사용한 in vivo 실험을 통해 다기능성과 저세균성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스파저 기반 프로브가 양자점과 같은 전통적인 형광 나노프로브보다 훨씬 더 밝고 좁은 방출 대역폭을 달성할 수 있는가?
• RQ2 스파저는 일반 형광체와 비교해 단일 펄스 조명 조건 하에서 신호 강도와 광안정성 측면에서 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ3 동일한 스파저 나노소재가 형광 유사 영상, 광음향 영상, 광열 치료를 위한 다기능 프로브로 얼마나 효과적으로 기능할 수 있는가?
• RQ4 스파저의 자극된 방출의 스펙트럼 폭과 강도는 무엇이며, 이는 양자점과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 스파저는 복잡한 생물학적 환경, 특히 in vivo 조건에서도 충분히 효과적으로 작동할 수 있는가? 이때 심각한 광손상이나 세균성이 발생하지 않는가?

주요 결과

• 스파저는 자극된 방출 대역폭이 단지 0.8 nm이며, 이는 기존 형광 프로브 대비 약 30배 높은 스펙트럼 해상도 향상을 의미한다.
• 자극된 방출 강도는 양자점보다 380배 이상 높으며, 이는 '기적의 스파징' 행동을 보여준다.
• 실제 조명 강도 조건 하에서 광학 포화나 광분해가 발생하지 않아 안정적이고 고대비 영상이 가능하다.
• 금 나노핵은 강력한 광음향 및 광열 신호를 제공하여 이중 기능 영상 및 나노气방울 기반의 치료 진단을 가능하게 한다.
• 생리적 조건에서 생체 적합성과 용해성을 유지하여 in vitro 및 in vivo 적용에 적합하다.
• 단일 펄스 자극은 고신호 대비 잡음 비율을 확보하여 빠르고 실시간 감지가 가능하며, 동적 생의학 영상에 적합하다.