Nanodiamant

Fluorescenční značky (markery) jsou nepostradatelným nástrojem v biologii a medicíně pro zobrazování buněk. Obvykle se používají k navázání na určitý protein nebo buněčnou strukturu, kterou je potom možné díky luminiscečnímu signálu z markeru pozorovat pomocí fluorescenčního mikroskopu. Například navázáním značky na léčivo je možné sledovat jeho distribuci v organismu a určit tak, zda se akumuluje v nádorových buňkách. Fluorescenční značky používané v současné době trpí řadou omezení, jako je vyhasínání luminiscence, nestabilita luminiscence a nezřídka také cytotoxicita. Nanodiamant je částice, která nabízí alternativu k současně používaným značkám. Jeho přednostmi jsou biokompatibilita, velikosti od 5 nm a obsah stabilních center s intenzivní luminiscencí.

Nanodiamantové částice jsou krystalky diamantu o velikosti v řádu nanometrů. Nanodiamant má vlastnosti využitelné pro biologii a medicínu. Především nevyvolává zánětlivé reakce a neovlivňuje buněčné funkce. Na jeho povrch je možné navázat biomolekuly prostředníctvím linkerů, tj. chemických skupin navázaných přímo na povrch diamantu. Nanodiamanty mohou pronikat buněčnou membránou bez jejího narušení a mohou tak například dopravit do buňky léčivo, sekvenci DNA nebo jinou biomolekulu. V nanodiamantu je také možné vytvořit luminiscenční centra, která neblikají a jejichž luminiscence je stálá. Nanodiamant tedy představuje malou, netoxickou částečku s intenzivní luminiscencí, která může pronikat buněčnou membránou a na jejíž povrch lze navázat různé biomolekuly.

Výroba nanodiamantu

Nanodiamanty je možné vyrábět uměle, jejich výroba je relativně levná, a jsou tedy snadno komerčně dostupné. Dělí se podle způsobu vzniku na detonační nanodiamanty, nanodiamanty vzniklé za vysokého tlaku a teploty (High Presure High Temperature – HPHT) a diamanty vzniklé depozicí z plynné fáze (Chemical Vapor Deposition, CVD). HPHT nanodiamanty jsou vyrobené z grafitického uhlíku v hydraulickém lisu při vysokém tlaku (až několik GPa) a vysoké teplotě (1500 °C). Dalším typem diamantů jsou detonační diamanty, které vznikají při explozi v uzavřeném kontejneru, kde zdrojem uhlíku jsou samotné výbušniny (TNT a hexogen). Detonační nanodiamanty jsou na povrchu obaleny slupkou grafitu a amorfního uhlíku, která vzniká následkem podmínek během exploze. HPHT nanodiamanty jsou řádově větší než detonační nanodiamanty a jsou bez grafitické slupky, což dovoluje pracovat přímo s povrchem diamantu. Pro přípravu diamantových vstev je vhodná metoda CVD,m kterou lze vyrobit diamantové vrstvy vysoké kvality různých tlouštěk, od několika nanometrů po několik centimetrů.

Kromě uhlíku jsou v diamantu různé příměsi, nejčastěji dusík v různých seskupeních. Pro tvorbu luminiscenčních center je nejvhodnější diamant s obsahem jednotlivých atomů dusíku, které jsou zakomponované v diamantové mřížce.

Luminiscenční centra

V diamantu je popsáno několik desítek luminiscenčních center. Nejatraktivnější a nejzkoumanější je centrum dusík-vakance, značené NV. Jde o defekt v mřížce diamantu, který vznikne tím, že jeden uhlíkový atom v mřížce diamantu se nahradí dusíkem a spojí se s vakancí – s „dírou“ vzniklou odstraněním jednoho uhlíkového atomu.

Luminiscenční centra NV lze v diamantu vytvořit uměle. Nejvhodnější je použít diamant, který již dusík obsahuje, pak jen musíme v diamantové mřížce vytvořit vakance. K tomu lze použít ozařování diamantu svazkem protonů, elektronů nebo deuteronů o vysoké energii (až deset MeV). Po ozařování následuje žíhání diamantu při vysokých teplotách ve vakuu. Tím dochází k pohybu vakancí v mřížce. Některé z vakancí se dostanou k dusíku a vytvoří stabilní centrum NV.

Centrum NV může existovat ve dvou stavech: v negativním (NV^–) a neutrálním (NV⁰) stavu. Tyto stavy se liší optickými vlastnostmi, kde negativní centrum NV^– září červeně a neutrální NV⁰ centrum žlutě. Oba stavy se liší počtem elektronů a také pozicí, kterou mají v zakázaném pásu diamantu. NV^– leží nad NV⁰.

Detekční mechanismus: změna barvy luminiscence

Nyní se nabízí otázka. Pokud centrum NV může existovat ve dvou stavech, každé s jinou barvou luminiscence, je možné řídit aktivitu jednotlivých center a měnit tak barvu, kterou nanodiamant září? Aby bylo centrum luminiscenčně aktivní, musí být jeho energetická hladina obsazená. To znamená, že musí mít k dispozici elektron, který by po vybuzení do excitovaného stavu a zpětné relaxaci vyzářil foton. Pokud bychom zajistili, aby základní energetický stav centra takový elektron neměl k dispozici, luminiscence centra by zhasla. Cestou, jak toho dosáhnout, je ovlivňování pozice Fermiho hladiny (energetická hladina, která určuje, zda jsou stavy obsazené nebo ne. Obsazené stavy leží pod Fermiho hladinou, neobsazené nad ní). Musíme tedy najít cestu, jak posunout Fermiho hladinu pod hladinu centra NV^–, respektive NV⁰. Tak je možné dosáhnout zhasnutí nejprve centra NV^– (leží v zakázaném pásu blíž Fermiho hladině) a potom také centra NV⁰. Tento efekt byl nedávno na nanodiamantech demonstrován. Jak toho bylo dosaženo? Chemické reakce, které probíhají na povrchu diamantu, mají za následek změnu rozložení elektrického pole u povrchu nanodiamantu, a tím „hýbají“ s Fermiho hladinou u povrchu nanodiamantu. Díky malé velikosti částic se tento povrchový efekt odráží na luminiscenci center v celé částici. Tímto způsobem je možné získat senzor, jehož barva luminiscence je ovlivněná interakcí s okolím. To přináší nové možnosti využití nanodiamantu: z klasické luminiscenční značky se stal detektor citlivý na okolní elektrické pole. Tento způsob detekce může mít velký význam pro biomedicínské aplikace. Zejména pro výzkum karcinogenních změn v buňkách či pro optické monitorování signálů v nervových buňkách. Využití nanodiamantu jako nosiče léčiv by umožnilo jejich dopravu a samotné uvolnění léčiva opticky monitorovat.

Přenos náboje byl demonstrován na diamantu s vodíkem na povrchu. Pokud je na povrch diamantu navázaný vodík, naváží se na povrch díky velkému dipólovému momentu (nesymetrickému rozdělení elektrického náboje) vazby mezi uhlíkem a vodíkem adsorbáty. To vede k vytvoření vodivé vrstvy na povrchu. Tím je dosaženo efektu popsaného v předchozím odstavci. Při experimentu byly použity 40nm částice, u kterých bylo pozorováno zhasnutí luminiscence NV^–, tj. červené luminiscence, která za normálních podmínek převažuje nad intenzitou slabší žluté luminiscence NV⁰. Při rozrušení vodíkové vrstvy na povrchu diamantu se situace srovnala do stavu, kdy energetické hladiny zůstávají okupované a ve spektru převládá červená luminiscence NV^–.

Pozn.: Poděkování patří především Vaškovi Petrákovi, kolegům z Fyzikálního ústavu, z Ústavu organické chemie a biochemie a z Ústavu jaderné fyziky AV ČR a dále z Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT.