Novel NanoMOF-Based Systems for Near Infrared Bioimaging

master's thesis

• Author: Sunčica Vujica
• Mentor: Damir Iveković (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Food Technology and Biotechnology; (Department of Chemistry and Biochemistry); (Laboratory for General and Inorganic Chemistry and Electroanalysis); Zagreb
• Defense date and country: 2014-07-04, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: BIOTECHNICAL SCIENCES; Biotechnology

Abstract

Luminescent lanthanides emitting in the near-infrared (NIR) region of the electromagnetic spectrum have interesting properties, which continue to attract an escalating attention for their use in bioanalytical and optical imaging applications. For lanthanide sensitization, it is favorable to have a molecular entity with a high density of lanthanide ions in proximity to an antenna (chromophore). The latter can efficiently absorb a sufficient number of photons and transfer the corresponding energy to lanthanides, which will then emit its specific NIR luminescence. To achieve this goal elegantly, a great solution is offered by using metal organic frameworks (MOFs). Although, the lanthanide-based luminescence has been intensively exploited over decades, lanthanide-containing MOFs are still at the early stage of development.
In this work, we report on a novel nano-system for bioimaging: lanthanide-containing MOFs Yb(BTC) with NIR chromophore (sensitizer) incorporated in the MOFs pores. We have successfully incorporated two organic antraquinone chromophores inside the Yb(BTC) MOF pores. The photophysical properties of this system were investigated and show an efficient sensitization of the Yb3+ emission at 980 nm. The obtained results are very important for the field since this kind of experiments has been performed for the first time in this work. Since the system has very limited emission intensity in water, we have undertaken different coatings of the chromophore@MOF system in order to avoid the luminescence quenching and to make this system suitable for use as bioimaging agents for in cellulo applications. Finally, the silica-coated chromophore@MOF nanoparticles were tested for imaging of living cells. Indeed, the NIR Yb3+ emission signal from the chromophore@MOF system was detected with the excitation close to NIR, which represents a major achievement accomplished in this work and a major breakthrough in the world of bioimaging.

Abstract (french)

Les lanthanides luminescents émettant dans la région proche infrarouge (NIR) du spectre électromagnétique ont des propriétés intéressantes qui attirerent une attention croissante pour leurs utilisations dans des applications d'imagerie optiques de bioanalyse. Pour la sensibilisation des lanthanides, il est avantageux de disposer d'une entité moléculaire présentant une forte densité d'ions lanthanides dans la proximité d’une l'antenne (chromophore). Cette approche permet l’absorption efficace d’un nombre suffisant de photons et de transférer cette énergie à des lanthanides qui vont émettre leur luminescence spécifique en proche-infrarouge. Dans ce but, une solution intéressante est offerte par des réseaux métallo-organiques (MOF). Bien que, la luminescence de lanthanides aie été intensivement exploitée depuis des décennies, les MOFs contenant lanthanides sont encore à un stade précoce de développement.
Dans ce travail, nous présentons un nouveau nano-système pour la bio-imagerie: MOF Yb (BTC) contenant Yb comme cation lanthanide combiné avec un chromophore (sensibilisant) NIR incorporé dans les pores de MOF. Nous avons intégré avec succès deux chromophores organiques dérivés de l'anthraquinone à l'intérieur des pores Yb (BTC) MOF. Les propriétés photophysiques de ce système ont été étudiées et révèlent une sensibilisation efficace de l’émission d’Yb3+ centrée à 980 nm. Les résultats obtenus représentent une avancée très important dans le domaine, étant donné que ces expériences ont été effectuées pour la première fois. Comme le système fournit émission très faible dans l'eau, nous avons étudié l’utilisation de différents revêtement différent pour le système chromophore@MOF, afin d'éviter ou de limiter la diminution de la luminescence et de rendre ce système utilisable en tant qu'agents de bio-imagerie pour l'utilisation in cellulo. Enfin, les nanoparticules chromophore@MOF revêtu de silice ont été testées pour l'imagerie des cellules vivantes. En effet, le signal d'émission NIR Yb3+ du système chromophore @ MOF a été détecté avec l'excitation proche de NIR pour la première fois, ce qui représentent une avancée majeure dans ce travail accompli et une percée dans le monde de la bio-imagerie.

• Keywords: imaging - near-infrared – lanthanides – Metal Organic Frameworks
• Keywords (french): imagerie – proche-infrarouge – lanthanides – réseaux métallo-organiques
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:159:262224
• Study programme: Title: Molecular Biotechnology; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka molekularne biotehnologije (magistar/magistra inženjer/inženjerka molekularne biotehnologije)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Access restricted to students and staff of home institution
• Created on: 2017-05-02 08:56:25