Biomarkerek tervezése ab initio számítási módszerekkel Gali Ádám Wigner Fizikai Kutatóközpont Magyar Tudományos Akadémia
ELFT Vándorgyűlés, Debrecen, 2013-10-22
Miért érdekesek a biomarkerek? A végső cél: • a biológiai folyamatokat molekuláris szinten kövessük élő szervezetekben – in vivo érzékelés Alkalmazások: • betegségek diagnózisa • terápia • személyre szabott gyógyszerek
Hogyan tudjuk ezt megcsinálni?
Fluoreszcens biomarkerek
• kicsi • nem mérgező • funkcionalizálható • a fénykibocsátásnak jó a kontrasztja hosszú időn át
Fluoreszcens biomarkerek egyfoton-gerjesztés
kétfoton-gerjesztés
Virutális állapot
lem > lexc • Stokes-eltolódás
lem < lexc • erős lézerfény • nagyon fotostabil kell legyen
Biomarkerek alkalmazhatósága in vitro
in vivo
In vivo alkalmazás
Smith et al., Nature Nanotechnology 4, 710 (2009)
biológiai „ablak” NIR tartományban
in vivo biomarkerek szigorú feltételei „QDs”
• Nem mérgezőek • Jól kiürülnek • Diszpergálnak vizes közegben • Fotostabilak • Multifunkcionálisak
• Erős fénykibocsátásúak • Abszorpció/emisszió a biológiai ablakban
Available biomarkers
Egy létező in vivo detektor
Jelenlegi biomarkerek „QDs” Festék
QD
• Nem mérgezőek
• Jól kiürülnek
• Diszpergálnak vizes közegben
• Fotostabilak
• Multifunkcionálisak
• Erős fénykibocsátásúak
• Abszorpció/emisszió a biológiai ablakban
új megoldás kell
mindenekelőtt, bioinert nanokristályokat használjunk és tervezzük meg a kémiai összetételüket a legmodernebb atomi szimulációs technikákkal, hogy az emissziót a kívánt tartományba hangoljuk
Metodika • Alapállapoti geometria: • SC PW USP-vel, DFT-PBE (PWscf kód) • SC PW PAW-val, DFT-PBE (VASP kód) (hf. levágás: 35 Ry; töltéssűrűség levágás: 280 Ry; vákuum méret: 10 Å)
• Alapállapot: Turbomole, teljeselektron aug-cc-pVTZ bázis, DFT-PBE0 (25% Hartree-Fock kicserélődés bekeverése PBE funkcionálba) • Abszorpciós spektrum: • Casida típusú adiabatikus TDDFT PBE0 funkcionállal a TDDFT magjában Turbomole kódot használva • Zero-phonon vonal (ZPL) és Stokes-eltolódás: TD-DFT erők segítségével!
A gyémánt biokompatibilis …
de lehet az törpeméretű (nano)?
Legkisebb gyémántketrecek: gyémántocskák
Kiválasztott gyémántocskák [Landt et al., PRL 103, 047402 (2009)]
Optical gaps
MAE: 0,15 eV [Landt et al., PRL 103, 047402 (2009)] DMC: [Drummond et al., PRL 95, 096801 (2005)]
Gyémántocskák & biomarkerek „QDs” Festék
QD
Diam.
• Nem mérgezőek
• Jó kiürülés
• Diszpergálnak vizes közegben
?
• Fotostabilak
• Multifunkcionálisak
• Erős fénykibocsátásúak
?
• Emisszió a biológiai ablakban
Ötlet: használjunk kén kettős kötéseket
Adamantanethione kísérlet ~6.2 eV
~5.4 eV
~4.4 eV • Gázfázis @ RT
C10H14=S Hullámhossz (nm)
• Átmenetek: •1st: π → π* (széles csúcs): 5.29 eV •Rydberg (190-230nm): •n → 4s (220-230nm): 5.43 eV •n → 4py: 6.01 eV •n → 4pz: 6.15 eV • rezgés segített átmenetek: •280-300 cm-1 •a1 szimmetriájú C-C-C hajlító rezgések
[K. J. Falk and R. P. Steer, Can. J. Chem, 66, 575 (1988)]
Adamantanethione elmélet C2v szimmetria: b2 → b1 dipól-tiltott!
5.32 eV
5.03 eV
5.31 eV
•n → 4s adamantanethione-ban •n → π* más struktúrákban
Kenes gyémántocskák: optikai tiltottsávok • láthatóban gerjesztés az adamantane-ban Möller csoport TU Berlinben próbálja szintetizálni ezeket...
• NIR gerjesztés a pentamantane-ban Vörös, Demjén, Szilvási & Gali, PRL, 108 267401 (2012)
a=1; b=1,12; c=1,9,10; d=1,3,10,12; e=1,4,5,7-11; g=1-3,6-12; h=1-12.
Egy kis kitérő …
Színcentrumok a nanogyémántban?
Fényes NIR emisszió: SiV hiba a gyémántban • 1.68-eV PL centrum mint egyedi forrás [Wang et al., At. Mol. Opt. 39 37] • 1.68-eV PL centrum negatívan töltött SiV hiba [Goss et al., PRL 77 3041] • 1.31-eV PL centrum semleges SiV hiba [D’Haenens-Johansson et al., PRB 82 155205]
szénvakanciák helye
Csoportelméleti analízis: D3d szimmetria; a1g, a2u, eu, eg pályák
Hidrogénes nanogyémántok legnagyobb kvantumbezártság határesete
1.1nm
1.3nm
1.8nm
TD-DFT abszorpció és ZPL
TD-DFT abszorpció ZPL extrapolálva az 1.3nm méretűből
SiV hiba hidrogénes nanogyémántban
stabil még nagyon pici nanogyémántban is
SiV hiba a hidrogénes nanogyémántban kvantumbezártság
SiV(−) ZPL:
1.85 eV
1.82 eV
1.78 eV …
1.68 eV
SiV a nanogyémántban: az univerzum ajándéka Efremovka (CV3) and Orgueil (CI) meteoritok Intensity (arb. u)
(a)
nanodiam. 1
738.6 nm CVD diam. (b) Imp. IIa diam.
(c)
intensity (arb. u.)
(a)736.8 nm nanodiam. powder
nanodiam. 2
2nm 720
730
740
750
2nm 720
760
730
2
735.7 nm
6
4
5
6
y (m)
occurency (#)
7
(c)
4 3 2
740
750
63k 48k 32k 16k 800
(d)
Vlasov, Gali, Wrachtrup et al., Nature Nanotechnology, under review (2013)
8 10 12
1
14
0 720
730
740
750
peak position (nm)
760
fényes lumineszcencia & kvantumbezártság
760
wavelength (nm)
wavelength (nm) 8
(b)
2
4
6
8 10 12 14 x (m)
Újra egy kis kitérő …
gyémánt
szilícium
szilíciumkarbid
Az általunk készített SiC NC jellemzői méreteloszás
number of particle (normaled)
100
Gauss
80
average size 3 nm
60 5 nm
40 20 0 1
2
3 4 diameter [nm]
5
6 Streptavidin
Beke, Gali et al., Applied Physics Letters 99 213108 (2011)
SiC NC: NIR kétfoton-gerjesztés és láthatóban emisszió demonstrálása
CA1 piramis agysejt egerekben Beke, Rózsa, Gali et al., J. Mat. Res. 28 205-209 (2013).
SiC NC: Si-vakancia jellegű ponthibák
M = V, Mo, W
SiC NC: divacancia jellegű ponthibák
M = Mo, W
SiC NC: emisszió NIR tartományban
jól megválasztott ponthibák NIR emissziós centrumként viselkedhetnek még nagyon kis SiC nanokristályokban is Somogyi, Zólyomi & Gali, Nanoscale, 4 7720-7726 (2012)
Adalékolt SiC NC & biomarkerek „QDs” Festék
QD
SiC NC
• Nem mérgezőek
• Jó kiürülés
• Diszpergálnak vizes közegben
• Fotostabilak
• Multifunkcionálisak
• Erős fénykibocsátás
• Emisszió a biológiai ablakban
az adalékolt SiC NC ideális in vivo biomarker
Kutatócsoport tagjai Vörös Márton Ivády Viktor Szász Krisztián Demjén Tamás Somogyi Bálint Thiering Gergő Beke Dávid Szekrényes Zsolt Zólyomi Viktor Szilvási Tibor Elisa Londero
kísérletiek
Alumni: Tamás Hornos Hugo Pinto Áron Szabó Thomas Chanier
Köszönetnyilvánítás Magyar Tudományos Akadémia
EU research consortium
&
DIADEMS
Országos Tudományos Kutatási Alap National Science Fund (USA)
Knut & Alice Wallenberg Alap (Svédország)
