Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Fullerenol Larut Dalam Air dengan Ketergantungan Gugus Hidroksil untuk Inaktivasi Fotodinamik Dua Foton yang Efisien dari Mikroba Menular

Abstrak

Kami berhasil menyiapkan fullerenol yang larut dalam air [C60 (OH)46 ] yang menunjukkan hasil kuantum oksigen singlet yang tinggi dan secara efisien menghasilkan spesies oksigen reaktif. Selain itu, C60 . yang larut dalam air (OH)46 dengan komposisi gugus hidroksil yang terpapar lebih tinggi memiliki stabilitas dan karakteristik dua foton yang lebih baik dibandingkan dengan komposisi gugus tersebut yang lebih rendah. Oleh karena itu, fullerenol yang disiapkan dapat menjadi fotosensitizer dua foton yang efektif. C60 . yang larut dalam air (OH)46 memiliki sifat dua foton yang menguntungkan. Selama terapi fotodinamik dua foton, C60 . yang larut dalam air (OH)46 memiliki aktivitas antimikroba yang substansial terhadap Escherichia coli pada tingkat energi sangat rendah 211,2 nJ piksel −1 dengan 800 scan dan panjang gelombang photoexcited 760 nm.

Pengantar

Berbagai molekul fotosensitizer (PS) telah disintesis selama beberapa dekade terakhir [1]. Namun, aplikasi klinis PS yang ada melibatkan beberapa masalah. Sebagian besar molekul PS bersifat hidrofobik dan dapat dengan mudah beragregasi dalam media berair, sehingga mengurangi hasil kuantumnya (QY) [2]. Selain itu, PS teragregasi tidak bisa begitu saja disuntikkan secara intravena. Akumulasi selektif molekul PS dalam jaringan yang mati juga diperlukan untuk mencegah kerusakan sel-sel sehat. Karena masalah ini, mengembangkan pembawa PS yang efektif tetap menjadi tantangan utama untuk terapi fotodinamik (PDT). Oleh karena itu, minat untuk menggunakan nanopartikel sebagai pembawa PS semakin meningkat.

Kemajuan dalam nanobioteknologi telah merangsang minat dalam aplikasi biomedis kelas baru struktur nano [3,4,5,6,7,8,9,10,11] yang secara eksklusif terdiri dari atom karbon, yaitu fullerene C60 , yang merupakan molekul bulat (berdiameter 0,72 nm) yang tidak beracun dan memiliki sifat fisikokimia yang unik. Ukuran kecil lipofilik C60 molekul bertanggung jawab untuk kompatibilitas sterik mereka dengan molekul biologis dan mempromosikan integrasi mereka ke dalam daerah hidrofobik membran [12, 13]. Karena π . yang diperpanjang -sistem terkonjugasi orbital molekulnya, fullerene C60 menyerap sinar ultraviolet–tampak (UV–vis) dan dapat menghasilkan spesies oksigen reaktif (ROS) dengan oksigen singlet hampir 100% QY (Φ Δ ). Selanjutnya, sifat fisikokimia fullerene C60 mengaktifkannya untuk menghasilkan ROS dan berfungsi sebagai PS untuk PDT. Fullerene juga dapat menginduksi efek prooksidan, dan ini mungkin ditentukan oleh fullerene yang digunakan, jenis sel yang diselidiki, dan pengaturan eksperimental [14,15,16,17]. C60 memiliki kelarutan yang sangat rendah dalam larutan polar, yang sangat membatasi aplikasinya dalam pengobatan. Namun, karena adanya ikatan rangkap, C60 dapat dengan mudah dimodifikasi menggunakan kelompok kimia untuk meningkatkan kelarutannya dalam air. Oleh karena itu, C60 . yang larut dalam air derivatif telah meningkatkan peluang untuk aplikasi medis, termasuk pelindung saraf, pengiriman obat dan gen, fotosensitisasi, dan biosensing.

Mikroskop laser multifoton (juga dikenal sebagai mikroskop laser dua foton) memerlukan penggunaan eksitasi "nonlinier" lokal untuk merangsang fluoresensi hanya dalam bidang pemindaian raster tipis. Mikroskop laser dua foton telah digunakan dalam berbagai studi pencitraan [18]. Ini biasanya digabungkan dengan eksitasi laser inframerah-dekat (NIR) untuk memanfaatkan transmisi jaringan maksimum yang melekat untuk bioimaging; hal ini karena NIR memiliki keunggulan berupa sedikit hamburan, penyerapan energi yang rendah, penetrasi iradiasi yang optimal, dan pengurangan fotobleaching spesimen. Penggabungan mikroskop laser dua foton dengan eksitasi laser NIR telah menjadi teknik yang disukai untuk mikroskop fluoresensi dalam jaringan tebal dan spesimen biologis yang lebih dalam [19, 20] dan telah diterapkan secara luas dalam terapi fotoeksitasi lainnya [21, 22]. Selain itu, karena energinya yang sangat rendah dan fotoeksitasi yang pendek, mikroskop laser dua foton dianggap sebagai pendekatan alternatif untuk melakukan PDT [23]. Meskipun beberapa PS beracun [24, 25], PS dengan Φ . tinggi Δ diprioritaskan untuk melakukan PDT. Φ . yang tinggi Δ nilai sangat diinginkan ketika teknik dua foton digunakan untuk mengevaluasi aktivitas molekuler dalam properti foto dan secara efisien melakukan studi mikroskopis nonlinier; nilai seperti itu diinginkan karena rasio energi yang diserap terhadap fluks energi input ke spesimen tinggi, meminimalkan kemungkinan kerusakan foto pada spesimen [26]. Namun, literatur tidak termasuk studi yang telah mempertimbangkan penggunaan bahan dengan sifat dua foton untuk PDT. Untuk mengisi celah penelitian ini, penelitian ini menerapkan fullerenol terhidroksilasi yang larut dalam air dengan kemampuan donasi elektron yang kuat dan π yang besar. -sistem terkonjugasi untuk meningkatkan efisiensi transfer muatan, sehingga meningkatkan sifat dua foton. Khususnya, C60 terhidroksilasi yang larut dalam air (OH)46 diturunkan dan diterapkan sebagai PS dua foton untuk penghilangan mikroba yang efektif menggunakan iradiasi laser femtosecond energi ultra rendah dan hanya 800 pemindaian di bawah eksitasi dua foton (TPE; panjang gelombang eksitasi, 760 nm). Untuk iradiasi laser femtosecond berenergi sangat rendah, energinya adalah 211,2 nJ piksel −1 dan daya adalah 2.112 mW (mengenai perhitungan daya laser setelah objektif, lihat bagian “Bahan dan Metode” dan Gambar 1a, di mana xy titik fokus dan z -resolusi sumbu sistem laser masing-masing kira-kira 0,37538 dan 0,90159 μm); selain itu, untuk proses pemindaian, total waktu pemaparan efektif sekitar 3,2621 s, kecepatan pemindaian 4,0776 ms scan −1 , dan area pemindaian adalah 200 × 200 μm 2 (lihat bagian “Bahan dan Metode” untuk rincian mengenai perhitungan). C60 . terhidroksilasi yang larut dalam air (OH)46 mencapai hampir 100% eliminasi Escherichia coli (E.coli , strain bakteri Gram-negatif). Selanjutnya, C60 . yang larut dalam air (OH)46 dengan komposisi gugus hidroksil yang lebih tinggi menunjukkan sifat foton dua foton yang superior dibandingkan dengan komposisi gugus hidroksil yang lebih rendah di bawah TPE; oleh karena itu, turunan C60 . yang larut dalam air (OH)46 dapat dianggap memiliki potensi yang cukup besar untuk digunakan dalam PDT simultan untuk menghilangkan mikroba ganas.

a Menurut z -pemindaian sumbu film tipis emas yang digunakan untuk mengukur sinyal generasi harmonik kedua pada posisi yang berbeda, z -resolusi sumbu sistem laser (lebar penuh pada setengah maksimum) kira-kira 0,90159 μm (pemasangan menggunakan fungsi Gaussian). b ketergantungan intensitas TPL pada daya eksitasi (logaritma) bahan dan fluorofor; Paparan TPE dari 704.0 hingga 2816.0 nJ piksel −1 untuk Rhodamin B dan fluorescein, dari 1408.0 hingga 2816.0 nJ pixel −1 untuk C60 . yang larut dalam air (OH)21 fullerenol, dan dari 1760.0 hingga 2816.0 nJ pixel −1 untuk C60 . yang larut dalam air (OH)46 fullerenol. Panjang gelombang eksitasi, 760 nm. Dosis yang diberikan:OD600 0,05 dari E. koli dan 3 μg mL −1 bahan. Data disajikan sebagai sarana ± SD (n =6)

Bahan dan Metode

Persiapan dan Karakterisasi Fullerenol Larut Air, C60 (OH)21 dan C60 (OH)46 [27]

Fullerene mentah diperoleh secara komersial (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA), dan C60 (OH)12 prekursor diproduksi, seperti yang dijelaskan sebelumnya. Pertama, larutan hidrogen peroksida 30% (100 mL; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) ditambahkan ke bahan awal, 0,5-1,0 g C60 (OH)12 , dan campuran diaduk dengan kuat pada suhu 60°C di bawah udara. Setelah pendinginan, campuran pelarut yang terdiri dari 2-propanol, dietil eter, dan heksana (masing-masing 100–200 mL; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) ditambahkan ke dalam larutan, yang kemudian disentrifugasi dan dituang. Padatan yang tersisa dicuci dua kali dengan 200 mL dietil eter melalui prosedur sentrifugasi dan dekantasi. Akhirnya, produk akhir dari C60 . yang larut dalam air (OH)21 dan C60 (OH)46 diperoleh dengan mengeringkan residu di bawah vakum pada suhu kamar semalaman. Berat produk akhir dikalibrasi melalui analisis gravimetri termal. Morfologi produk akhir diamati menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi (HR-TEM, JEOL 3010, Akishima, Tokyo, Jepang) pada resolusi sekitar 1,11 ± 0,03 nm dan 1,13 ± 0,04 nm untuk C60 (OH)21 dan C60 (OH)46 , masing-masing. Hamburan cahaya dinamis (DLS, Malvern Nano-ZS90, Worcestershire, West Midlands, UK) juga digunakan untuk menentukan ukuran material. Gugus fungsi yang terpapar dari bahan yang disiapkan pertama kali diperiksa melalui spektroskopi Fourier-transform infrared (FTIR) (RX1, PerkinElmer, Waltham, MA, USA). Spektroskopi UV-vis bahan dilakukan dengan menggunakan spektrometer (U-4100, Hitachi, Chiyoda-ku, Tokyo, Jepang). Kimia permukaan fullerenol diperiksa melalui spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS, spektrometer PHI 5000 (VersaProbe, Chanhassen, MN, USA)). Berat molekul fullerenol ditentukan menggunakan spektrometer massa field desorption (FD) (AccuTOF, GCx-plus, JEOL, Akishima, Tokyo, Jepang), dan jumlah gugus hidroksil dikonfirmasi menjadi 21 dan 46 berdasarkan hasil, masing-masing.

Kultur Bakteri [28]

E. koli , yang diperoleh dari laboratorium kami sendiri ditumbuhkan dalam agar nutrisi LB (per liter:tripton 10 g, ekstrak ragi 5 g, natrium klorida 8 g, agar 15 g, dan pH disetel ke 7,5) (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) dan diinkubasi pada 37 °C.

Uji Biokompatibilitas dengan Metode Penghitungan Unit Pembentuk Koloni (CFU) [28]

E. koli (OD600 ~ 0.05) ditambahkan dengan bahan (0–9 μg mL −1 ), dan diinkubasi selama 3 h pada 37 °C (File tambahan 1:Gbr. S1). Setelah inkubasi, campuran disentrifugasi dan pelet bakteri diencerkan (OD600 ~ 0,05). Faktor pengenceran 10 −5 sampai 10 −8 kemudian dilakukan pada bakteri yang diinkubasi dan diletakkan pada pelat agar. Pelat tetap dalam inkubator (pada 37 °C) semalaman. Jumlah bakteri yang bertahan hidup ditentukan dan dinyatakan sebagai persentase (%) yang sesuai dengan unit CFU mL −1 setelah inkubasi. Data adalah sarana ± SD (n =6).

ψ Δ Pengukuran [29, 30]

Menurut penelitian sebelumnya, ψ Δ Bisa didapatkan. ψ Δ pengukuran dilakukan di D2 O pada 355 nm, menggunakan meso -tetra(4-sulfonatophenyl)porphine dihydrochloride (TSPP; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) sebagai referensi (ψ Δ =0,64.

Pengukuran QY Fluoresensi [31, 32]

Fotoluminesensi relatif (PL) QY zat kontras biasanya merupakan rasio foton yang dipancarkan dengan foton yang diserap dan diberikan sebagai berikut:

$$ \mathrm{QY}={\mathrm{QY}}_{\mathrm{ref}}\ \left({\eta}^2/{\eta_{\mathrm{ref}}}^2\kanan) \left(I/A\right)\left({A}_{\mathrm{ref}}/{I}_{\mathrm{ref}}\right) $$ (1)

di mana QYreferensi =0,28 adalah QY dari Cy5.5 yang dilarutkan dalam dimetil sulfoksida (DMSO; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) sebagai referensi, η adalah indeks bias ddH2 O =1,33 (η referensi dari DMSO =1,48), Saya adalah intensitas fluoresensi terintegrasi dan A adalah absorbansi pada panjang gelombang eksitasi. Eksitasi satu foton (OPE) atau TPE menghasilkan QY yang sama.

Sistem Optik Laser Femtosecond untuk Pengukuran Penyerapan Dua Foton (TPA) dan Pendaran Dua Foton (TPL) [23, 28, 33,34,35 ,36,37,38]

Sistem optik laser femtosecond titanium-sapphire (ti-sa) buatan sendiri (tingkat pengulangan 80 MHz; Tsunami, Spectra-Physics, Santa Clara, CA, USA) digunakan sesuai dengan penelitian sebelumnya.

Pengukuran TPA

Dengan kecepatan pemindai galvanometer 2 m ms −1 , spektrum eksitasi diukur sebagai 720–820 nm dengan daya eksitasi 2,8 mW [ini adalah daya sebelum objektif; kekuatan setelah objektif (atau pada sampel) adalah 0,9856 mW atau 98,56 nJ pixel −1 ]. Oleh karena itu, spektrum TPA relatif sebagai fungsi dari panjang gelombang eksitasi untuk fullerenol diukur.

Pengukuran Spektrum TPL

Materi diekspos ke TPE dari laser femtosecond pada panjang gelombang eksitasi 760 nm, area pemindaian 200 × 200 μm 2 , frekuensi 10 kHz, waktu pencahayaan 1,638 s/(scan, pixel) =100 μs, 128 × 128 pixelsscan −1 , dan area piksel 1562,5 × 1562,5 nm 2 . Area titik fokus dihitung sebagai d 2 /4, di mana d =0,61 /bukaan numerik (NA ) adalah lebar penuh pada setengah maksimum pinggang balok. Misalnya, di xy titik fokus sumbu dengan eksitasi 760 nm dan objektif minyak imersi × 40 dengan NA dari 1,3, d =0,61 × 800 nm/1.3 =375.38 nm =0.37538 μm, dan z -resolusi sumbu diukur menjadi 0,90159 μm. Untuk eksitasi 760 nm, waktu pemaparan per pemindaian untuk bahan nano individual dinyatakan sebagai (area titik fokus/area piksel) × 100 =4,0776 ms, dan total waktu pemaparan t =4,0776 ms × jumlah pemindaian. Sebuah × 40 tujuan minyak imersi (NA 1.3) digunakan untuk mengumpulkan sinyal, dan jangkauan deteksi fotometer spektrum adalah 300–695 nm.

Selain itu, penghitungan daya laser (mW atau nJ piksel −1 ) yang digunakan pada sampel adalah sebagai berikut. Untuk tujuan perendaman minyak × 40 (NA 1.3), laju transmisi pada panjang gelombang 760 nm kira-kira 88% dalam sistem optik ini, dan daya laser beralih dari output ke tujuan dengan hanya 40% dari daya keluaran asli karena hilangnya daya. Akibatnya, energi yang dihitung setelah tujuan (pada sampel) adalah P keluaran (mW)*40%*88% =0,352 × P keluaran (mW). Misalnya, P keluaran =2,8 mW, energi yang dihitung setelah tujuan (pada sampel) adalah 3,0 mW*40%*88% =0,9856 mW. Dengan kecepatan pemindaian 10 kHz (setiap pulsa tetap 0,1 ms piksel −1 ), energi yang dihitung pada sampel (J pixel −1 ) sekitar P keluaran (mW)*40%*88%*0,1 ms =0,0352*P keluaran (J pixel −1 ). Misalnya, P keluaran =2,8 mW, energi (J pixel −1 ) pada sampel =2,8 mW*40%*88%*0,1 ms =0,09856 μJ piksel −1 =98,56 nJ piksel −1 . Kekuatan setelah tujuan (pada sampel) digunakan dan ditandai throughput naskah ini.

Pengukuran Penampang TPE Absolut [24, 36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47, 48]

Penampang melintang mutlak TPE diukur dengan sinyal pendaran melalui sistem optik laser femtosecond menurut penelitian sebelumnya. TPL fluorescein dan rhodamin B (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) harus diverifikasi. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 1b dan diperoleh dengan mengukur ketergantungan intensitas emisi dengan rentang daya eksitasi 704 nJ piksel −1 (7,04 mW) hingga 2816 nJ piksel −1 (28,16 mW). Ketergantungan kuadrat dengan eksponen 2,03 untuk fluorescein dan 2,02 untuk rhodamin B diukur untuk meningkatkan daya eksitasi untuk menentukan pendaran dari TPE. Menurut penelitian sebelumnya, penampang aksi TPE untuk fluorescein dan rhodamin B adalah 36,4 dan 68.0 GM (1 GM =10 −50 cm 4 s foton −1 ), masing-masing, untuk eksitasi 760 nm. Kami juga merujuk ke situs web gratis http://www.drbio.cornell.edu/cross_sections.html, yang disediakan oleh Prof. Chris Xu (Cornell University, NY, USA). Penampang aksi TPE untuk fluorescein dan rhodamin B masing-masing dihitung menjadi 36,5 dan 66,1 GM (Tabel 1), yang menunjukkan kesalahan kurang dari 5% dibandingkan dengan kesalahan dari laboratorium Prof. Xu. Dalam studi ini, rhodamin B dipilih sebagai referensi standar untuk menentukan penampang, dan penampang absolut TPE yang dihitung untuk C60 yang larut dalam air. (OH)21 dan C60 (OH)46 fullerenol masing-masing sekitar 1230.51 GM dan 1037.21 GM. Parameter yang diukur untuk menghitung penampang absolut TPE sampel ditunjukkan pada Tabel 3. Tidak ada variasi batch-ke-batch yang diamati untuk bahan dalam sifat dua foton dan kemampuan fotodinamik dua foton.

Sistem Optik Laser Femtosecond (untuk Fluoresensi Lifetime Imaging Microscopy, FLIM) [39, 45]

Sistem optik laser ti-sa femtosecond buatan sendiri (laju pengulangan 80 MHz; Tsunami, Spectra-Physics, Santa Clara, CA, USA) digunakan sesuai dengan penelitian sebelumnya. Data masa pakai dan parameter dihasilkan menggunakan penyesuaian persamaan triple-eksponensial sambil memantau emisi di bawah TPE (Misalnya, 760 nm).

Penghitungan Laju Peluruhan Radiatif dan Nonradiatif [46]

PL QY dan masa pakai keduanya merupakan parameter utama saat menyelidiki karakteristik emisi pewarna fluoresen di lingkungan yang beragam. QY (Q ) dapat dinyatakan sebagai berikut:

$$ Q=\frac{\varGamma }{\varGamma +k} $$ (2)

dimana Γ adalah tingkat peluruhan radiasi, dan k adalah laju peluruhan nonradiatif. Masa hidup fluoresensi biasanya didefinisikan sebagai waktu rata-rata yang dibutuhkan elektron dalam keadaan tereksitasi untuk meluruh ke keadaan dasar. Masa pakai TPL τ juga dapat relatif terhadap tingkat peluruhan dan dijelaskan sebagai berikut:

$$ \tau =\frac{1}{\varGamma +k} $$ (3)

Mengikuti Persamaan. (2) dan (3), tingkat peluruhan radiasi dan nonradiatif dapat dihitung.

Setelah penyerapan foton, salah satu elektron terikat lemah dari molekul fluoresen — fluorofor — dipromosikan ke tingkat energi yang lebih tinggi. Fluorofor kemudian dalam keadaan tereksitasi, A* . Keadaan ini metastabil; oleh karena itu, fluorofor akan kembali ke keadaan dasar yang stabil, A . Ia dapat melakukannya secara radiasi dengan memancarkan foton fluoresensi

$$ A\ast ->A+ h\nu $$

atau nonradiatif dengan menghilangkan energi keadaan tereksitasi sebagai panas:

$$ A\ast ->A+\mathrm{heat} $$

Depopulasi keadaan tereksitasi tergantung pada jalur de-eksitasi yang tersedia. Fluoresensi adalah penonaktifan radiasi dari tingkat energi vibrasi terendah dari keadaan singlet tereksitasi elektronik pertama, S 1 , kembali ke keadaan dasar elektronik, S 0 . Keadaan singlet adalah tingkat energi yang dapat diisi oleh elektron yang terikat lemah tanpa spin flip. Proses penyerapan dan emisi diilustrasikan oleh diagram tingkat energi yang dinamai Aleksander Jablonski.

Masa pakai fluoresensi, τ , adalah waktu rata-rata fluorofor tetap dalam keadaan tereksitasi secara elektronik S 1 setelah eksitasi. τ didefinisikan sebagai kebalikan dari jumlah parameter laju untuk semua proses depopulasi keadaan tereksitasi:Persamaan. (3), di mana konstanta laju nonradiatif k adalah jumlah dari konstanta laju untuk konversi internal k ik dan konstanta laju untuk persimpangan antarsistem ke keadaan triplet k isc sedemikian rupa sehingga k =k ik + k isc . Emisi fluoresensi selalu terjadi dari tingkat getaran terendah S 1 , aturan yang dikenal sebagai aturan Kasha, yang menunjukkan bahwa fluorofor tidak memiliki memori jalur eksitasinya; misalnya, OPE dan TPE menghasilkan spektrum fluoresensi, QY, dan masa pakai yang sama.

Penentuan Tingkat Viabilitas Bakteri Setelah Paparan Laser [28]

Metode Penghitungan CFU

Bakteri (OD600 ~ 0.05) ditambahkan dengan bahan (3 atau 6 μg mL −1 ) dengan menginkubasi selama 3 h pada suhu 37 °C dalam kegelapan. Setelah inkubasi, campuran disentrifugasi dan pelet bakteri diencerkan (OD600 ~ 0.05) dan terkena kekuatan TPE sebesar 211.2 nJ pixel −1 dengan 800 pemindaian (sekitar 3,2621 s dari total waktu pemaparan efektif; Contoh, 760 nm). Kemudian, faktor pengenceran 10 −5 sampai 10 −8 kemudian dilakukan pada bakteri yang diinkubasi dan diletakkan pada pelat agar. Pelat tetap dalam inkubator (pada 37 °C) semalaman. Jumlah bakteri yang bertahan hidup ditentukan dan dinyatakan sebagai persentase (%) yang sesuai dengan unit CFU mL −1 setelah inkubasi. Data adalah sarana ± SD (n =6).

LIVE/DEAD Kit

Bakteri (OD600 ~ 0.05) ditambahkan dengan bahan (3 atau 6 μg mL −1 ) dengan menginkubasi selama 3 h pada suhu 37 °C dalam kegelapan. Setelah inkubasi, campuran disentrifugasi dan pelet bakteri diencerkan (OD600 ~ 0.05) dan terkena kekuatan TPE sebesar 211.2 nJ pixel −1 dengan 800 pemindaian (sekitar 3,2621 s dari total waktu pemaparan efektif; Contoh, 760 nm). Kemudian, pelet diwarnai menggunakan LIVE (SYTO 9, seperti yang ditampilkan dengan fluoresensi hijau)/MATI (propidium iodida, PI, seperti yang ditampilkan dengan fluoresensi merah) kit (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) sesuai dengan instruksi. Kelangsungan hidup bakteri diukur untuk tes antimikroba, yang menunjukkan hampir semua bakteri yang diobati dengan bahan nano mati setelah pengobatan. Viabilitas serupa diukur melalui metode penghitungan CFU untuk menentukan efek antibakteri yang efisien dari bahan dalam PDT. Data disajikan sebagai mean ± SD (n =6).

Deteksi ROS [23, 29, 34, 35, 49,50,51,52,53,54,55]

Singlet Oxygen ( 1 O2 )

(a) Bahan (3 atau 6 μg mL −1 ) diobati dengan bakteri (OD600 ~ 0.05), setelah itu diinkubasi selama 3  jam pada suhu 37 °C dalam kegelapan. Selanjutnya, campuran diekspos ke fotoeksitasi TPE (211.2 nJ pixel −1 , 800 pemindaian; Contoh, 760 nm) dan akhirnya dicampur dengan reagen Singlet Oxygen Sensor Green (SOSG) (1 μM; Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA) (Ex/Em:488/525 nm). Sebuah spektrometer fluoresensi digunakan untuk pengukuran. Untuk netralisasi ROS, campuran tersebut dicampur dengan antioksidan 30 ppm α -tokoferol/metil linoleat (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) dalam kegelapan dan terpapar fotoeksitasi TPE dengan perlakuan yang sama. (b) Bahan (3 atau 6 μg mL −1 ) diobati dengan bakteri (OD600 ~ 0.05), setelah itu diinkubasi selama 3  jam pada suhu 37 °C dalam kegelapan. Selanjutnya, campuran diekspos ke fotoeksitasi TPE (211.2 nJ pixel −1 , 800 pemindaian; Mis, 760 nm) dan akhirnya dicampur dengan 10 μM trans-1-(2′-methoxyvinyl)pyrene (t -MVP, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, USA)/0,10 M SDS (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) (Ex/Em:352/465 nm). Untuk netralisasi ROS, campuran tersebut dicampur dengan antioksidan 30 ppm α -tokoferol/metil linoleat (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) dalam kegelapan. Reaksi t -MVP dengan 1 O2 menghasilkan zat antara dioksetan yang berfluoresensi saat terurai menjadi 1-pirenekarboksaldehida. Selanjutnya, probe fluoresen yang sangat selektif ini tidak bereaksi dengan spesies oksigen aktif lainnya seperti radikal hidroksil, superoksida, atau hidrogen peroksida. Sebuah spektrometer fluoresensi digunakan untuk pengukuran. Netralisasi ROS dilakukan dengan perlakuan yang sama seperti yang dijelaskan sebelumnya.

Anion Radikal Superoksida (O2 .− )

(a) Bahan (3 atau 6 μg mL −1 ) diobati dengan bakteri (OD600 ~ 0.05), setelah itu diinkubasi selama 3  jam pada suhu 37 °C dalam kegelapan. Selanjutnya, campuran diekspos ke fotoeksitasi TPE (211.2 nJ pixel −1 , 800 pemindaian; Mis, 760 nm) dan akhirnya dicampur dengan 2, 3-bis (2-metoksi-4-nitro-5-sulfofenil)-2H-tetrazolium-5-carboxanilide (XTT, 0.45 mM; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO , AS). Tujuan dari materi ini adalah untuk berinteraksi dengan O2 . dan menghasilkan XTT-formazan, menghasilkan penyerapan yang kuat (panjang gelombang 470 nm). Spektrometer UV-vis digunakan untuk memantau penyerapan ini. Untuk netralisasi ROS, campuran tersebut dicampur dengan antioksidan 30 ppm α -tokoferol/metil linoleat (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) dalam kegelapan dan terpapar fotoeksitasi TPE dengan perlakuan yang sama. (b) Bahan (3 atau 6 μg mL −1 ) diobati dengan bakteri (OD600 ~ 0.05), setelah itu diinkubasi selama 3  jam pada suhu 37 °C dalam kegelapan. Selanjutnya, campuran diekspos ke fotoeksitasi TPE (211.2 nJ pixel −1 , 800 pemindaian; Mis, 760 nm) dan akhirnya dicampur dengan buffer bikarbonat 50 mM (pH 8.60) dan glutathione (γ -l-glutamyl-l-cysteinyl-glycine, GSH, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA)/0,80 mM buffer bikarbonat (pengujian Ellman untuk O2 . deteksi). Selanjutnya, percobaan berikut dilakukan sesuai dengan prosedur pada penelitian sebelumnya. Kehilangan GSH (%) dihitung sebagai perbedaan absorbansi antara sampel dan kontrol negatif dibagi dengan absorbansi kontrol negatif. Sinyal dari O2 . yang dihasilkan . diperoleh seperti yang dijelaskan dalam perhitungan sebelumnya. Data adalah sarana ± SD (n =6).

Pengujian Serapan [35]

E. koli (OD600 ~ 0.05) diinkubasi dengan 3 μg mL −1 bahan. Absorbansi sejumlah 3 μg mL −1 bahan direkam dengan spektroskopi UV-vis (Abs, sekitar 203 nm). Bahannya dicampur dengan E. koli (OD600 ~ 0,05) pada 37 °C dari jam pertama hingga jam ke-10, masing-masing, dan disentrifugasi (1200 rpm) untuk menghilangkan bahan berlebih dan menjaga supernatan serta mengukur absorbansinya. Perbedaan absorbansi antara supernatan yang dikumpulkan dan bahan asli diperkirakan, menghasilkan persentase serapan pada setiap titik waktu. Data adalah sarana ± SD (n =6).

Analisis Statistik [56]

Signifikansi statistik adalah dengan analisis varians. p nilai dianggap signifikan secara statistik untuk semua perlakuan.

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Fullerenol Larut Air

C60 . yang larut dalam air (OH)46 (fullerenol), yang ditentukan menjadi melingkar dan monodispersi, disintesis sesuai dengan penelitian sebelumnya [27]. Ukuran lateral rata-rata fullerenol adalah sekitar 1,13 ± 0,04 nm, sebagaimana ditentukan menggunakan perbesaran rendah (Gbr. 2a) dan gambar HR-TEM (Gbr. 2b). Selanjutnya, fullerenol tercatat menunjukkan kristalinitas yang baik bersama dengan jarak kisi yang baik, yang sesuai dengan d -spasi dari pinggiran kisi fullerenol {1\( \overline{1} \)00}. Namun, partikel-partikel ini dapat membentuk agregat melalui ikatan hidrogen dalam larutan berair dengan pH 7,0. Ukuran rata-rata agregat yang terbentuk adalah sekitar 130 nm, seperti yang diungkapkan oleh analisis DLS. Selain itu, agregat tetap sangat stabil selama 3 bulan di lingkungan fisiologis yang berbeda, seperti larutan berair pH 7,0, saline buffer fosfat 1x, dan media kultur (File tambahan 1:Tabel S1). Dalam spektrum penyerapan UV-vis fullerenol, puncak absorbansi diamati pada sekitar 216 dan 309 nm, dan puncak ini dikaitkan dengan ππ * transisi ikatan C=C aromatik dan nπ * transisi dari bahu C=O, masing-masing. π -transisi elektron dalam fullerenol yang mengandung oksigen (Gbr. 2c), seperti yang biasanya diamati untuk dispersi berair, dengan demikian mengkonfirmasi keberadaan fullerenol. Karakterisasi tambahan dilakukan menggunakan FTIR, XPS, dan spektrometri massa untuk mengkonfirmasi sifat bahan yang disiapkan. FTIR digunakan untuk menganalisis gugus fungsi yang terpapar dari bahan yang disiapkan. Hasil analisis mengungkapkan pita material karakteristik berikut:pita peregangan C–O pada kira-kira 1109 cm −1 (pita 1), pita peregangan C–OH fenolik pada sekitar 1271 cm −1 (pita 2), pita peregangan C=O alkoholik tersier pada kira-kira 1422 cm −1 (pita 3), pita peregangan C=C sekitar 1674 cm −1 (pita 4), pita peregangan C=O sekitar 1721 cm −1 (pita 5), ​​dan ikatan hidrogen antarmolekul C–H dan pita peregangan O–H karboksilat pada sekitar 3318 cm −1 (band 6). Selanjutnya, pita CO2 gangguan diamati. Pita-pita ini mengungkapkan gugus hidroksil dan karbonil yang terbuka serta ikatan C=C aromatik (Gbr. 2d). XPS dilakukan untuk menguji kimia permukaan fullerenol, yang umumnya mengandung atom karbon. Spektrum C(1s) terdekonvolusi dari fullerenol mengungkapkan cincin tidak teroksigenasi (C–C/C=C, 286,1 eV), ikatan C–O (286,9 eV), dan ikatan C=O (288,0 eV). Selain itu, rasio O(1s)/C(1s) adalah sekitar 35,8% (Gbr. 2e). Berat molekul fullerenol juga ditentukan menggunakan spektrometri massa FD (File tambahan 1:Gbr. S2); the number of hydroxyl groups (C–OH) was confirmed to be 46, which was consistent with the atomic ratios and bonding compositions of the fullerenol summarized in Fig. 2. These characterization results confirm the successful synthesis of fullerenol.

Functional characterization of the synthesized water-soluble C60 (OH)46 fullerenol. a Low-magnified TEM image and b HR-TEM image of a water-soluble fullerenol illustrating the materials {1\( \overline{1} \)00} lattice planes and the mean size of 1.11 ± 0.03 nm with a d -spacing of 0.213 nm. c UV–vis and d FTIR spectra of nanomaterial. e Deconvoluted C(1s) XPS spectra and fitted peaks obtained using Gaussian function:nonoxygenated ring (C–C/C=C), C–O bond, and C=O bond, respectively. The atomic ratio and bonding composition of fullerenol are shown as summarized in the table. The O(1s)/C(1s) atomic ratio is 35.8%

ROS Generation of Water-Soluble Fullerenol Under TPE

A PS absorbs and transfers light energy to other nonabsorbing molecules to generate ROS, which kill targeted cells, damage tumor vasculature, and activate an antitumor immune response. PSs have a particular arrangement of electrons in their molecular orbitals. Similar to nearly all molecules, at ground (singlet) state, PSs have couples of electrons with opposite spins in low-energy molecular orbitals. The absorption of light at an appropriate wavelength lifts an electron to a high-energy orbital without changing its spin. This is a short-lived (nanoseconds) excited singlet (S1 ) state, and the PS can lose its energy and return to the ground state by emitting light (fluorescence) or heat. Alternatively, intersystem crossing, wherein the spin of the excited electron is inverted, can occur in the S1 state. This electron spin inversion is responsible for the relatively long life (lasting microseconds) of the excited triplet (T1 ) state. Radiative triplet-to-singlet transitions are inhibited because they require a change in electron spin, which is a slow process. From the T1 state, the PS can return to the ground state by emitting light (phosphorescence) or transferring energy to another molecule. It can also lose energy through internal conversion or radiationless transitions when colliding with other molecules. The longer the life of the PS in the T1 state is, the higher are its chances of colliding with another molecule, resulting in ROS production [57,58,59]. The photosensitization of water-soluble fullerenols results in their transition to a long-lived T1 state and subsequent energy or electron transfer to molecular oxygen, yielding ROS such as 1 O2 and O2 . , which have major roles in PDT. Therefore, 1 O2 and O2 . produced by water-soluble C60 (OH)46 must be detected directly using laser irradiation. To detect 1 O2 and O2 . formation during PDT, in this study, PDT was initiated by combining excited the triplet water-soluble C60 (OH)46 , oxygen, and light configured to a suitable wavelength and energy as well as by introducing SOSG, t -MVP, XTT, and GSH reagents [33, 34, 49,50,51]. To exploit the potential bactericidal capability of the materials, a wavelength of approximately 760 nm was determined to be the most efficient for deriving the relative maximum TPA ratio of the water-soluble C60 (OH)46 under TPE (Fig. 3a); this is attributable to the interband transitions involved [52]. This wavelength was used in subsequent experiments in this study. The water-soluble C60 (OH)46 was photoexcited through TPE at a power of 211.2 nJ pixel −1 with 800 scans (Ex, 760 nm; total effective exposure time, ~ 3.2621 s) and delivered dose of 3 or 6 μg mL −1 (Additional file 1:Table S2). Furthermore, to confirm the involvement of ROS in the PDT effects of the water-soluble C60 (OH)46 , α -tocopherol was used for ROS neutralization [49, 53]. The quantity of generated ROS was reduced after the addition of α -tocopherol, but the observed bacterial viability increased as expected. Additionally, the quantity of generated ROS depended on the delivered dose. To prevent 1 O2 and O2 . production possibly engendered by inadvertent exposure of water-soluble C60 (OH)46 to white light—which could have compromised the experiments in this study [60]—subsequent PDT experiments were conducted in the dark. This study focused on the quantities of generated 1 O2 and O2 . . The water-soluble C60 (OH)46 exhibited considerable antibacterial effects, demonstrating its potential for application in PDT. Notably, after the same experiment, the water-soluble C60 (OH)21 (Additional file 1:Figs. S3, S4; Fig. 3a) was less effective in forming 1 O2 and O2 . when compared with the water-soluble C60 (OH)46 (Additional file 1:Table S2). The water-soluble C60 (OH)46 generated more 1 O2 and O2 . than did the water-soluble C60 (OH)21; additionally, the water-soluble C60 (OH)46 and water-soluble C60 (OH)21 had Φ Δ values of approximately 0.93 and 0.85, respectively (for reference, Φ Δ =0.64 is the QY of TSPP dissolved in D2 O [29, 30]).

a Relative TPA spectra of the material. TPE as a function of the wavelength (720–820 nm) at 98.56 nJ pixel −1 that was used to monitor the signals. Delivered dose, 3 μg mL −1 water-soluble C60 (OH)46 or C60 (OH)21 fullerenol. The number of surviving b material-treated bacteria was determined by CFU counting assay and is expressed as the percentage (%) for c bacteria that corresponds to the unit of CFU mL −1 . Delivered dose, OD600 ~ 0.05 of E. koli and 0–9 μg mL −1 water-soluble fullerenol. d Measurement of phosphorescence spectra at 1270 nm for material. Delivered dose, 3 μg mL −1 water-soluble fullerenol. Data are means ± SD (n =6)

Antimicrobial Ability Determination Using TPE

Before the execution of antimicrobial experiments, the toxicity of water-soluble fullerenols must be examined to exclude factors that could contribute to bacterial elimination and confound experimental results. In addition, to prevent possible ROS production engendered by the inadvertent exposure of experimental materials to white light, which could confound experimental results [35], PDT experiments must be conducted in the dark. This study applied Gram-negative E. koli as the experimental template. A CFU counting assay was conducted to determine the number of surviving bacteria (expressed herein as a percentage, corresponding to CFU mL −1 ). The bacteria were treated with two types of the prepared water-soluble fullerenols (dose range, 0 to 9 μg mL −1 ) and incubated in the dark for 3 h at 37 °C to determine absorbance at 600 nm (OD600 ~ 0.05; Additional file 1:Fig. S1). The growth levels of the bacteria treated with the water-soluble fullerenols were first monitored by measuring absorbance at 600 nm. The initial absorbance was 0.05 OD600 , and the absorbance associated with both materials reached approximately 0.37 over time. Accordingly, neither material inhibited bacterial proferation. Moreover, the materials engendered a nearly 0 log10 reduction in the number of surviving bacteria (Fig. 3b), corresponding to a viability of approximately 100% (Fig. 3c). Accordingly, the materials were determined to exhibit excellent biocompatibility with the bacteria. Consequently, the materials subjected to 3 h of incubation in the dark at 37 °C were used to conduct experiments. Although the water-soluble fullerenol could generate ROS, interactions between materials and reagents (i.e., SOSG, t -MVP, XTT, and GSH) may result in false-positive ROS signals, thereby confounding PDT results [52]. Therefore, to exclude this possibility, bacteria were introduced and treated with materials in the present study. The amount of ROS generated from the photoexcited material-treated E. koli was observed. Table 2 presents the observed amount of ROS, revealing a similar trend to that in Tables S2–S3 (Additional file 1:materials alone and material-treated-Gram-positive Bacillus subtilis (B. subtilis )); these results were consistent with the 1 O2 phosphorescence signal emitted from the materials at 1270 nm (Fig. 3d). PDT against E. koli was performed using irradiation with a low dose of energy (211.2 nJ pixel −1 with 800 scans, total effective exposure time ~ 3.2621 s; Ex, 760 nm). The effects PDT on the viability of E. koli treated with two-photon photoexcited materials were then determined (Fig. 4). No bactericidal effects were observed on bacteria alone (with or without laser exposure) or on the panel of material-treated bacteria without laser treatment (Fig. 4a). After TPE, bacterial viability was relatively low; specifically, the viability observed for the panel that was treated with the water-soluble C60 (OH)21 was nearly 15%, corresponding to an approximately 0.823 log10 reduction (Fig. 4b). By contrast, the bacterial viability observed for the panel treated with the water-soluble C60 (OH)46 was approximately 0 (100% elimination efficiency, corresponding to a ~ 7.736 log10 reduction). When the dose was increased, complete bactericidal effects were observed for both materials (Fig. 4c, d). However, antimicrobial effects did not differ by bacteria type (Gram-negative E. coli or Gram-positive B. subtilis ) after photoexcitation (Additional file 1:Fig. S5). In addition, regarding the fullerenols that eliminated bacteria, a higher composition of hydroxyl groups increased bactericidal capability when compared with a lower composition under identical treatment conditions.

Viability (%) was quantified according to the determined viable count of material-treated bacteria through a CFU assay conducted using short excitation with a TPE power of 211.2 nJ pixel −1 with 800 scans (approximately 3.2621 s of total effective exposure time; Ex, 760 nm) to deliver a dose of a , b 3 or c , d 6 μg mL −1 . Delivered dose, OD600 0.05 of E. koli . Data are presented as means ± SD (n =6). For C60 (OH)46 - and C60 (OH)21 -treated E. koli with photoexcitation, a p <0.001 and p =0.662, b p <0.001 and p =0.658, c p <0.001 and p <0.001, and d p <0.001 and p <0.001. *p value obtained by Student’s t test

Observation of Water-Soluble Fullerenol-Treated E. koli Using TEM and Investigation of Two-Photon Properties

To observe the disruption of material-treated bacteria after photoexcitation, the water-soluble C60 (OH)46 with high PDT efficiency was selected, and bacteria were imaged using TEM. Bare E. koli (Fig. 5a) were incubated with the water-soluble fullerenol for 3 h, resulting in the substantial adsorption of materials on the bacterial surfaces. Nevertheless, no unusual morphologies were observed, indicating normal live bacterial morphology (Fig. 5b). Uptake assay results revealed the adsorption of materials onto the bacterial surface, with the corresponding burst rate being approximately 85% within the first 3 h of incubation (Fig. 5c); the rate reached saturation from the 3rd to the 10th hour. Therefore, the materials were adsorbed and formed an external barrier on the bacterial surface. However, the E. koli exhibited a distorted appearance and severe morphological changes over 3 days of incubation (Fig. 5d), resulting in a 0.940 log10 reduction that corresponded to a nearly 18% viability (Fig.5f; Additional file 1:Fig. S6). Material absorption and coating on the bacterial surface suppressed the absorption of nutrients essential for microbial growth and engendered changes in membrane (wall) permeability, thereby inducing internal osmotic imbalances and inhibiting microbial growth. In other words, the water-soluble fullerenol had antibacterial (bacteriostatic or bactericidal) effects after 3 days of incubation. Furthermore, the photoexcited material-treated bacteria, particularly E. koli , exhibited unique morphologies with severe damage after 3 h of incubation (Fig. 5e, f; Additional file 1:Fig. S6). No heat-generated bubbles formed on the bacterial surface incurred damage, indicating that the water-soluble fullerenol did not have photothermal-mediated heat properties after photoexcitation (Additional file 1:Fig. S7). The viability of E. koli was also determined through fluorescence and quantification (Fig. 6). The green fluorescence indicative of living bacteria in Fig. 6a reveals that the bacteria exposed to laser treatment alone were largely undamaged, which is consistent with the results presented in Fig. 5a. Dead bacteria were detectable after treatment with the materials and laser exposure (red fluorescence in Fig. 6b), a finding that is also consistent with that in Fig. 5e. Bacterial viability was quantified for further antimicrobial testing. Nearly complete elimination of the material-treated bacteria (Fig. 6c) was observed. Viability was also quantified using a CFU assay (Figs. 4a, b and 5f, and Additional file 1:Fig. S6) to demonstrate the antibacterial efficiency of the water-soluble C60 (OH)46 in PDT. According to the results in Figs. 4, 5, and 6; Table 2; and Table S2 (Additional file 1), E. koli treated with the water-soluble C60 (OH)46 was susceptible to photoexcitation, leading to a higher death rate, increased ROS generation, and more severe morphological collapse compared with E. koli treated with the water-soluble C60 (OH)21 . In general, the absolute cross section for TPE makes fluorophores efficient for nonlinear microscopic studies because the ratio of the energy absorbed to the input energy flux to a specimen is high, thereby minimizing possible photodamage to specimens [39, 40]. When two-photon techniques are used to image molecular activities in living biological preparations and turbid tissues, a favorable cross section is desirable [61]. In the present study, the absolute cross section for TPE calculated for the water-soluble C60 (OH)46 was approximately 1037 GM (Goeppert-Mayer unit, with 1 GM =10 −50 cm 4 s photon −1 ) at a 760-nm excitation wavelength (fluorescein was the standard reference for the cross section [39, 40]; Fig. 1b and Tables 1 and 3); the absolute cross section calculated for the water-soluble C60 (OH)21 was approximately 1230 GM, which is similar to values obtained in relevant studies [62, 63]. These absolute cross sections could facilitate the two-photon process. Moreover, the fluorescence of the water-soluble C60 (OH)46 was illuminated through a two-photon process (Fig. 1b). The relative fluorescence QY was approximately 0.02 (the QY of Cy5.5 in dimethyl sulfoxide [31] served as a reference:QYref =0.28); similarly, the absolute QY [64] was approximately 0.01, and the same QYs were derived for one-photon excitation and TPE [31]. By contrast, the water-soluble C60 (OH)21 had lower relative and absolute QYs (0.06 and 0.05, respectively). In addition, this study investigated the lifetime of the fullerenols. The effects of radiative and nonradiative decay rates on QY and lifetime were calculated. The average lifetime of the water-soluble C60 (OH)46 was approximately 7.797 ns, as calculated from observed lifetimes of 0.149, 1.775, and 19.679 ns; the average lifetime of the water-soluble C60 (OH)21 was approximately 5.251 ns (Fig. 7 and Table 4). Therefore, the ratio of radiative to nonradiative decay rates of the water-soluble C60 (OH)46 was approximately0.020 (derived from rates of approximately 2.565 × 10 6 s −1 to 1.257 × 10 8 s −1 ), whereas that of the water-soluble C60 (OH)21 was approximately 0.064 (approximately 1.143 × 10 7 s −1 and 1.790 × 10 8 s −1 ; Additional file 1:Table S4). This finding is attributable to the existence of a hydroxyl group on the surface of the water-soluble fullerenol, which induced the nonradiative recombination of electron–hole pairs, leading to the inhibition of intrinsic state emission. However, hydroxylgroups at the edge of the water-soluble fullerenol may have a high occupied molecular orbital. This can be attributed to the strong orbital interaction between hydroxyl groups, which could thus increase the efficiency of intersystem crossing (rather than fluorescence generation) and generate numerous nanomaterial triplets with a high composition of hydroxyl groups; therefore, this would result in a high Φ Δ value for the water-soluble fullerenol and induce the fullerenol to react with oxygen according to the Jablonski diagram [65]. Consequently, two-photon PDT can be effectively performed using ultralow energy in an extremely short time, thereby providing an alternative approach to killing malignant species.

TEM images. a Showing bare bacteria without any treatment. Bacteria treated with material for b 3 h and d 3 days of incubation. e The photoexcited material-treated bacteria (3 h of incubation) with a TPE power of 211.2 nJ pixel −1 with 800 scans (approximately 3.2621 s of total effective exposure time; Ex, 760 nm). c Uptake assay of bacteria and material at 37 °C. f Viability (%) was quantified following the determined viable count of material-treated bacteria via CFU assay by short excitation with the same treatment. Delivered dose OD600 ~ 0.05 of E. koli and 3 μg mL −1 water-soluble fullerenol C60 (OH)46 . Data are means ± SD (n =6)

Images obtained after laser photoexcitation exposure (211.2 nJ pixel −1 ) with 800 scans (approximately 3.2621 s of total effective exposure time; Ex, 760 nm) of a , b material-treated bacteria. The Live/Dead kit was used to stain bacteria before images were obtained. Scale bar, 50 μm. c Viability (%) determination results. Delivered dose, OD600 ~ 0.05 of E. koli and 3 μg mL −1 water-soluble fullerenol C60 (OH)46 . For the percentages alive and dead, p <0.001. *p value obtained using Student’s t test. Data are presented as mean ± SD (n =6)

Time-resolved room-temperature PL decay profiles of material (98.56 nJ pixel −1 ). Excitation wavelength, 760 nm. Delivered dose, OD600 ~ 0.05 of E. koli and 3 μg mL −1 bahan. Data are presented as means ± SD (n =6)

Conclusions

This study revealed that a water-soluble fullerenol material with a higher composition of hydroxyl groups had superior photoproperties to those of a fullerenol material with a lower composition of hydroxyl groups; the superior photoproperties can be attributed to the reduced laser exposure and materials used for treatment. Furthermore, the water-soluble fullerenol with a higher composition of hydroxyl groups exhibited high TPA, a favorable absolute cross section for TPE, and high two-photon stability. Therefore, this fullerenol has potential as a two-photon PS in two-photon PDT coupled with TPE. This property is probably due to the presence of a hydroxyl group on the surface of the water-soluble fullerenol, which caused the nonradiative recombination of electron–hole pairs, leading to the inhibition of intrinsic state emission. Moreover, hydroxyl groups at the edge of the water-soluble fullerenol may have a high occupied molecular orbital; this may be ascribed to the strong orbital interaction between the hydroxyl groups, thereby increasing intersystem crossing (rather than fluorescence generation) efficiency and generating numerous material triplets with a high composition of hydroxyl groups. Therefore, the water-soluble fullerenol would have a high Φ Δ value and react with oxygen according to the Jablonski diagram. Consequently, two-photon PDT can be effectively performed using ultralow energy in an extremely short time. Accordingly, this efficient alternative approach to managing malignant species presents possibilities for future clinical applications.

Ketersediaan Data dan Materi

All datasets are presented in the main paper.

Singkatan

PS:

Photosensitizers

QY:

Quantum yield

PDT:

Photodynamic therapy

UV–vis:

Ultraviolet–visible

ROS:

Reactive oxygen species

ψ Δ :

Singlet oxygen QY

NIR:

Inframerah dekat

TPE:

Two-photon excitation

E. koli :

Escherichia coli

HR-TEM:

High-resolution transmission electron microscopy

DLS:

Hamburan cahaya dinamis

FTIR:

Inframerah transformasi Fourier

XPS:

Spektroskopi fotoelektron sinar-X

FD:

Field desorption

CFU:

Colony forming unit

TSPP:

Meso -tetra(4-sulfonatophenyl)porphine dihydrochloride

PL:

Fotoluminesensi

DMSO:

Dimetil sulfoksida

OPE:

One-photon excitation

TPA:

Two-photon absorption

TPL:

Two-photon luminescence

ti-sa:

Titanium-sapphire

NA :

Numerical aperture

FLIM:

Fluorescence lifetime imaging microscopy

1 O2 :

Singlet oxygen

SOSG:

Singlet Oxygen Sensor Green

t -MVP:

Trans-1-(2′-methoxyvinyl)pyrene

O2 . :

Superoxide radical anion

XTT:

2, 3-Bis (2-methoxy-4-nitro-5-sulfophenyl)-2H-tetrazolium-5-carboxanilide

GSH:

Glutathione, γ -l-glutamyl-l-cysteinyl-glycine

S1 :

Singlet

T1 :

Triplet

B. subtilis :

Bacillus subtilis

GM:

Goeppert-Mayer


bahan nano

  1. MoS2 dengan Ketebalan Terkendali untuk Evolusi Hidrogen Elektrokatalitik
  2. S, N Co-Doped Graphene Quantum Dot/TiO2 Komposit untuk Pembangkitan Hidrogen Fotokatalitik yang Efisien
  3. Electrospun Polymer Nanofibers Dihiasi dengan Nanopartikel Logam Mulia untuk Penginderaan Kimia
  4. Nanospheres Karbon Monodisperse dengan Struktur Berpori Hierarki sebagai Bahan Elektroda untuk Superkapasitor
  5. Eksplorasi Kerangka Zr–Logam–Organik sebagai Fotokatalis Efisien untuk Produksi Hidrogen
  6. Heterostruktur Hierarki Bola Berongga ZnO@TiO2 untuk Evolusi Hidrogen Fotokatalitik yang Sangat Efisien
  7. Desain Kawat Nano InP yang Efisien dan Efektif untuk Pemanenan Energi Matahari yang Maksimal
  8. S-Doped Sb2O3 Nanocrystal:Katalis Cahaya Terlihat Efisien untuk Degradasi Organik
  9. Fox Chase Bermitra Dengan Grup Rodon untuk Mengembangkan Swab Pengujian COVID untuk Kesehatan Bait Suci
  10. Volvo Group bermitra dengan Nvidia pada platform AI untuk truk otonom