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Fullerenol soluble en agua con dependencia del grupo hidroxilo para una eficaz inactivación fotodinámica excitada por dos fotones de microbios infecciosos

Resumen

Preparamos con éxito fullerenol soluble en agua [C 60 (OH) 46 ] que exhibió un alto rendimiento cuántico de oxígeno singlete y generó de manera eficiente especies reactivas de oxígeno. Además, el C 60 soluble en agua (OH) 46 con una composición más alta de grupos hidroxilo expuestos tenía una estabilidad y características de dos fotones superiores en comparación con la que tenía una composición más baja de tales grupos. Por tanto, el fullerenol preparado puede ser un fotosensibilizador de dos fotones eficaz. El C 60 soluble en agua (OH) 46 tenía propiedades favorables de dos fotones. Durante la terapia fotodinámica de dos fotones, el C 60 soluble en agua (OH) 46 tenía una actividad antimicrobiana sustancial contra Escherichia coli a un nivel de energía ultrabaja de 211,2 nJ píxeles −1 con 800 escaneos y una longitud de onda fotoexcitada de 760 nm.

Introducción

En las últimas décadas se han sintetizado varias moléculas fotosensibilizadoras (PS) [1]. Sin embargo, las aplicaciones clínicas de los PS existentes implican varios problemas. La mayoría de las moléculas de PS son hidrófobas y pueden agregarse fácilmente en medios acuosos, reduciendo así su rendimiento cuántico (QY) [2]. Además, los PS agregados no pueden inyectarse simplemente por vía intravenosa. También se requiere la acumulación selectiva de moléculas de PS en los tejidos muertos para evitar daños en las células sanas. Debido a estos problemas, el desarrollo de un portador de PS eficaz sigue siendo un desafío importante para la terapia fotodinámica (TFD). En consecuencia, está aumentando el interés en el uso de nanopartículas como portadores de PS.

Los avances en nanobiotecnología han estimulado el interés en las aplicaciones biomédicas de una nueva clase de nanoestructuras [3,4,5,6,7,8,9,10,11] que están compuestas exclusivamente por átomos de carbono, a saber, fullereno C 60 , que son moléculas esferoidales (0,72 nm de diámetro) que no son tóxicas y tienen propiedades fisicoquímicas únicas. El pequeño tamaño del C 60 lipofílico moléculas es responsable de su compatibilidad estérica con moléculas biológicas y promueve su integración en regiones hidrófobas de membranas [12, 13]. Debido a la extensión π -sistema conjugado de sus orbitales moleculares, fullereno C 60 absorbe la luz ultravioleta-visible (UV-vis) y puede generar especies reactivas de oxígeno (ROS) con casi un 100% de oxígeno singlete QY ( Φ Δ ). Además, las propiedades fisicoquímicas del fullereno C 60 habilítelo para generar ROS y servir como un PS para PDT. Los fullerenos también pueden inducir efectos prooxidantes, y esto podría estar dictado por el fullereno utilizado, el tipo de célula investigado y la configuración experimental [14, 15, 16, 17]. C 60 tiene una solubilidad extremadamente baja en soluciones polares, lo que limita considerablemente sus aplicaciones en medicina. Sin embargo, debido a la presencia de dobles enlaces, C 60 se puede modificar fácilmente utilizando grupos químicos para aumentar su solubilidad en agua. Por lo tanto, C 60 soluble en agua Los derivados tienen mayores oportunidades para aplicaciones médicas, incluida la neuroprotección, la administración de fármacos y genes, la fotosensibilización y la biodetección.

La microscopía láser multifotónica (también conocida como microscopía láser de dos fotones) implica el uso de excitación "no lineal" localizada para excitar la fluorescencia dentro de un plano delgado escaneado por trama. La microscopía láser de dos fotones se ha utilizado en varios estudios de imagen [18]. Por lo general, se combina con la excitación láser de infrarrojo cercano (NIR) para capitalizar la transmisión máxima inherente al tejido para la obtención de imágenes biológicas; esto se debe a que NIR tiene las ventajas de una ligera dispersión, una absorción de baja energía, una penetración óptima de la irradiación y una reducción del fotoblanqueo de las muestras. El acoplamiento de microscopía láser de dos fotones con excitación láser NIR se ha convertido en la técnica preferida para la microscopía de fluorescencia en tejido grueso y muestras biológicas más profundas [19, 20] y se ha aplicado ampliamente en otras terapias de fotoexcitación [21, 22]. Además, debido a su energía ultrabaja y fotoexcitación corta, la microscopía láser de dos fotones se considera un enfoque alternativo para realizar la TFD [23]. Aunque algunos PS son tóxicos [24, 25], aquellos con un alto Φ Δ tienen prioridad para la realización de PDT. Un alto Φ Δ El valor es particularmente deseable cuando se usan técnicas de dos fotones para evaluar actividades moleculares en fotopropiedades y realizar estudios microscópicos no lineales de manera eficiente; Este valor es deseable porque la relación entre la energía absorbida y el flujo de energía de entrada a una muestra es alta, lo que minimiza el posible daño solar a la muestra [26]. Sin embargo, la literatura no incluye estudios que hayan considerado el uso de materiales con propiedades de dos fotones para PDT. Para llenar este vacío de investigación, el presente estudio aplicó fullerenol hidroxilado soluble en agua con una fuerte capacidad de donación de electrones y una gran π -sistema conjugado para aumentar la eficiencia de transferencia de carga, mejorando así las propiedades de dos fotones. Específicamente, C 60 hidroxilado soluble en agua (OH) 46 se derivó y aplicó como un PS de dos fotones para la eliminación efectiva de microbios utilizando irradiación láser de femtosegundos de energía ultrabaja y solo 800 exploraciones bajo excitación de dos fotones (TPE; longitud de onda de excitación, 760 nm). Para la irradiación láser de femtosegundos de energía ultrabaja, la energía fue de 211,2 nJ píxeles −1 y la potencia fue 2.112 mW (con respecto al cálculo de la potencia del láser después del objetivo, consulte la sección "Materiales y métodos" y la Fig. 1a, donde la x - y punto focal y z -La resolución del eje del sistema láser es de aproximadamente 0,37538 y 0,90159 μm, respectivamente); Además, para el proceso de escaneo, el tiempo de exposición efectivo total fue de aproximadamente 3.2621 s, la velocidad de escaneo fue de 4.0776 ms escaneo −1 , y el área de escaneo fue de 200 × 200 μm 2 (Consulte la sección "Materiales y métodos" para obtener detalles sobre el cálculo). El C 60 hidroxilado soluble en agua (OH) 46 logró una eliminación de casi el 100% de Escherichia coli ( E. coli , una cepa bacteriana Gram-negativa). Además, el C 60 soluble en agua (OH) 46 con una composición más alta de grupos hidroxilo exhibió fotopropiedades de dos fotones superiores en comparación con aquella con una composición más baja de grupos hidroxilo bajo TPE; por lo tanto, el C 60 soluble en agua derivado (OH) 46 se puede considerar que tiene un potencial considerable para su uso en TFD simultánea para eliminar microbios malignos.

un Según la z -Eje de exploración de una película fina de oro que se utiliza para medir la señal de la generación del segundo armónico en diferentes posiciones, la z -La resolución del eje del sistema láser (ancho completo a la mitad del máximo) es de aproximadamente 0,90159 μm (ajuste utilizando la función gaussiana). b Dependencia de la intensidad de TPL de la potencia de excitación (logaritmo) de los materiales y fluoróforos; Exposición a TPE de 704,0 a 2816,0 nJ píxeles −1 para rodamina B y fluoresceína, de 1408,0 a 2816,0 nJ píxeles −1 para C 60 soluble en agua (OH) 21 fullerenol, y de 1760.0 a 2816.0 nJ píxel −1 para C 60 soluble en agua (OH) 46 fullerenol. Longitud de onda de excitación, 760 nm. Dosis administrada:OD 600 0,05 de E. coli y 3 μg mL −1 materiales. Los datos se presentan como medias ± DE ( n =6)

Materiales y métodos

Preparación y caracterización de fullerenoles solubles en agua, C 60 (OH) 21 y C 60 (OH) 46 [27]

El fullereno crudo se obtuvo comercialmente (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.), Y el C 60 (OH) 12 se produjo el precursor, como se describió anteriormente. Primero, se añadió una solución de peróxido de hidrógeno al 30% (100 ml; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) Al material de partida, 0,5-1,0 g de C 60 (OH) 12 y la mezcla se agitó vigorosamente a 60ºC bajo aire. Después de enfriar, se añadió a la solución una mezcla de disolventes que comprendía 2-propanol, éter dietílico y hexano (100-200 ml para cada uno; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.), Que posteriormente se centrifugó y decantó. El sólido restante se lavó dos veces con 200 ml de éter dietílico mediante los procedimientos de centrifugación y decantación. Finalmente, los productos finales de C 60 soluble en agua (OH) 21 y C 60 (OH) 46 se obtuvieron secando el residuo al vacío a temperatura ambiente durante la noche, respectivamente. El peso del producto final se calibró mediante análisis termogravimétrico. La morfología del producto final se observó mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM, JEOL 3010, Akishima, Tokio, Japón) a una resolución de aproximadamente 1,11 ± 0,03 nm y 1,13 ± 0,04 nm para C 60 (OH) 21 y C 60 (OH) 46 , respectivamente. La dispersión de luz dinámica (DLS, Malvern Nano-ZS90, Worcestershire, West Midlands, Reino Unido) también se utilizó para determinar el tamaño de los materiales. Los grupos funcionales expuestos de los materiales preparados se examinaron primero mediante espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) (RX1, PerkinElmer, Waltham, MA, EE. UU.). La espectroscopia UV-vis de los materiales se realizó utilizando un espectrómetro (U-4100, Hitachi, Chiyoda-ku, Tokio, Japón). La química de la superficie del fullerenol se examinó mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (espectrómetro XPS, PHI 5000 (VersaProbe, Chanhassen, MN, EE. UU.)). El peso molecular del fullerenol se determinó utilizando un espectrómetro de masas de desorción de campo (FD) (AccuTOF, GCx-plus, JEOL, Akishima, Tokio, Japón), y se confirmó que el número de grupos hidroxilo era 21 y 46 según los resultados. respectivamente.

Cultivos bacterianos [28]

E. coli , obtenidos de nuestro propio laboratorio se cultivaron en agar nutritivo de LB (por litro:triptona 10 g, extracto de levadura 5 g, cloruro de sodio 8 g, agar 15 gy pH ajustado a 7.5) (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) Y se incubó a 37 ° C.

Ensayo de biocompatibilidad con el método de recuento de unidades formadoras de colonias (UFC) [28]

E. coli (OD 600 ~ 0.05) con material (0-9 μg mL −1 ), y se incubó durante 3 ha 37 ° C (archivo adicional 1:Fig. S1). Después de la incubación, la mezcla se centrifugó y los sedimentos de bacterias se diluyeron (DO 600 ~ 0,05). Un factor de dilución de 10 −5 a 10 −8 A continuación, se llevó a cabo en las bacterias incubadas y se sembró en placas de agar. Las placas permanecen en una incubadora (a 37 ° C) durante la noche. El número de bacterias supervivientes se determinó y expresó como un porcentaje (%) que correspondía a la unidad de UFC mL −1 después de la incubación. Los datos son medias ± DE ( n =6).

ψ Δ Medición [29, 30]

Según el estudio anterior, ψ Δ Puede ser obtenido. ψ Δ las medidas se realizaron en D 2 O a 355 nm, usando meso -tetra (4-sulfonatofenil) porfina diclorhidrato (TSPP; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) como referencia ( ψ Δ =0,64).

Medición de fluorescencia QY [31, 32]

La fotoluminiscencia relativa (PL) QY del agente de contraste suele ser la relación entre los fotones emitidos y los fotones absorbidos y se da de la siguiente manera:

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

donde QY ref =0,28 es el QY de Cy5.5 disuelto en dimetilsulfóxido (DMSO; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) Como referencia, η es el índice de refracción de ddH 2 O =1,33 ( η ref de DMSO =1,48), I es la intensidad de fluorescencia integrada y A es la absorbancia a la longitud de onda de excitación. La excitación de un fotón (OPE) o TPE produce el mismo QY.

Sistema óptico láser de femtosegundos para las mediciones de absorción de dos fotones (TPA) y luminiscencia de dos fotones (TPL) [23, 28, 33,34,35 , 36,37,38]

Se utilizó el sistema óptico de láser de femtosegundo titanio-zafiro (ti-sa) casero (una tasa de repetición de 80 MHz; Tsunami, Spectra-Physics, Santa Clara, CA, EE. UU.) De acuerdo con los estudios anteriores.

Medición de TPA

Con una velocidad de escáner de galvanómetro de 2 m ms −1 , el espectro de excitación se midió como 720–820 nm con una potencia de excitación de 2.8 mW [esta es la potencia antes del objetivo; la potencia después del objetivo (o en la muestra) es 0,9856 mW o 98,56 nJ píxeles −1 ]. Por lo tanto, se midieron los espectros relativos de TPA como función de la longitud de onda de excitación para los fullerenoles.

Medición de espectros de TPL

El material se expuso a TPE del láser de femtosegundos a una longitud de onda de excitación de 760 nm, un área de escaneo de 200 × 200 μm 2 , una frecuencia de 10 kHz, un tiempo de exposición de 1.638 s / (escaneo, píxel) =100 μs, escaneo de 128 × 128 píxeles −1 y un área de píxeles de 1562,5 × 1562,5 nm 2 . El área del punto focal se calculó como π d 2 / 4, donde d =0,61 λ / apertura numérica ( NA ) es el ancho total a la mitad del máximo de la cintura de la viga. Por ejemplo, en x - y punto focal del eje con excitación de 760 nm y un objetivo de inmersión en aceite × 40 con un NA de 1.3, d =0,61 × 800 nm / 1,3 =375,38 nm =0,37538 μm, y la z Se midió que la resolución del eje era de 0,90159 µm. Para la excitación de 760 nm, el tiempo de exposición por escaneo para un nanomaterial individual se expresa como (área de punto focal / área de píxel) × 100 =4.0776 ms, y el tiempo de exposición total t =4.0776 ms × número de escaneos. Un objetivo de inmersión en aceite × 40 ( NA 1.3) se utilizó para recopilar las señales, y el rango de detección del fotómetro de espectro fue de 300 a 695 nm.

Además, los cálculos de la potencia del láser (mW o nJ píxel −1 ) utilizados en la muestra fueron los siguientes. Para el objetivo de inmersión en aceite × 40 ( NA 1.3), la tasa de transmisión a 760 nm en longitud de onda es aproximadamente del 88% en este sistema óptico, y la potencia del láser pasó de la salida al objetivo con solo el 40% de la potencia de salida original debido a la pérdida de potencia. Como resultado, la energía calculada después del objetivo (en la muestra) es P salida (mW) * 40% * 88% =0.352 × P salida (mW). Por ejemplo, P salida =2.8 mW, la energía calculada después del objetivo (en la muestra) es 3.0 mW * 40% * 88% =0.9856 mW. Con 10 kHz de frecuencia de exploración (cada pulso se mantiene en 0,1 ms por píxel −1 ), la energía calculada en la muestra (J píxel −1 ) fue alrededor de P salida (mW) * 40% * 88% * 0,1 ms =0,0352 * P salida (J píxel −1 ). Por ejemplo, P salida =2,8 mW, la energía (J píxel −1 ) en la muestra =2,8 mW * 40% * 88% * 0,1 ms =0,09856 μJ píxel −1 =98,56 nJ píxeles −1 . Se utilizó el poder después del objetivo (en la muestra) y se marcó el rendimiento de este manuscrito.

Medición de la sección transversal absoluta de TPE [24, 36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47, 48]

La sección transversal absoluta de TPE se midió con la señal de luminiscencia vía Sistema óptico láser de femtosegundos según estudios previos. Se tuvo que verificar el TPL de fluoresceína y rodamina B (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.). Los resultados se muestran en la Fig. 1b y se obtuvieron midiendo la dependencia de la intensidad de emisión con un rango de potencia de excitación de 704 nJ píxeles −1 (7,04 mW) a 2816 nJ píxeles −1 (28,16 mW). Se midió la dependencia cuadrática con los exponentes de 2,03 para la fluoresceína y 2,02 para la rodamina B para aumentar la potencia de excitación para determinar la luminiscencia de TPE. Según estudios anteriores, las secciones transversales de acción de TPE para la fluoresceína y la rodamina B son 36,4 y 68,0 GM (1 GM =10 −50 cm 4 s fotón −1 ), respectivamente, para una excitación de 760 nm. También hicimos referencia al sitio web gratuito http://www.drbio.cornell.edu/cross_sections.html, amablemente proporcionado por el Prof. Chris Xu (Universidad de Cornell, NY, EE. UU.). Se calculó que las secciones transversales de la acción de TPE para la fluoresceína y la rodamina B eran 36,5 y 66,1 GM, respectivamente (Tabla 1), lo que indica un error de menos del 5% en comparación con las del laboratorio del Prof. Xu. En este estudio, se eligió rodamina B como referencia estándar para determinar la sección transversal, y las secciones transversales absolutas calculadas de TPE para el C 60 soluble en agua (OH) 21 y C 60 (OH) 46 los fullerenoles eran aproximadamente 1230,51 GM y 1037,21 GM, respectivamente. Los parámetros medidos para calcular las secciones transversales absolutas de TPE de las muestras se muestran en la Tabla 3. No se observó variación de un lote a otro para los materiales en las propiedades de dos fotones y la capacidad fotodinámica de dos fotones.

Sistema óptico láser de femtosegundos (para microscopía de imágenes de fluorescencia de por vida, FLIM) [39, 45]

Se utilizó el sistema óptico de láser ti-sa de femtosegundo casero (tasa de repetición de 80 MHz; Tsunami, Spectra-Physics, Santa Clara, CA, EE. UU.) De acuerdo con los estudios previos. Los datos y parámetros de la vida útil se generan utilizando el ajuste de la ecuación triple exponencial mientras se monitorea la emisión bajo TPE (Ex, 760 nm).

Cálculo de tasas de desintegración radiativa y no radiativa [46]

PL QY y la vida útil son los dos parámetros principales cuando se investigan las características de emisión de tintes fluorescentes en diversos entornos. El QY ( Q ) se puede expresar de la siguiente manera:

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

donde Γ es la tasa de desintegración radiativa y k es la tasa de desintegración no radiativa. La vida útil de la fluorescencia se define generalmente como el tiempo promedio requerido para que un electrón en el estado excitado decaiga al estado fundamental. La vida útil de TPL τ también puede ser relativo a las tasas de descomposición y se describe de la siguiente manera:

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

Siguiendo las ecuaciones. (2) y (3), se pueden calcular las tasas de desintegración radiativa y no radiativa.

Tras la absorción de un fotón, uno de los electrones débilmente unidos de la molécula fluorescente, un fluoróforo, se promueve a un nivel de energía más alto. El fluoróforo está entonces en un estado excitado, A * . Este estado es metaestable; por lo tanto, el fluoróforo volverá a su estado fundamental estable, A . Puede hacerlo radiativamente emitiendo un fotón de fluorescencia

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

o no radiativamente disipando la energía del estado excitado como calor:

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

La despoblación del estado excitado depende de las vías de desexcitación disponibles. La fluorescencia es la desactivación radiativa del nivel de energía vibracional más bajo del primer estado singlete excitado electrónicamente, S 1 , de vuelta al estado básico electrónico, S 0 . Los estados singlete son los niveles de energía que pueden ser poblados por el electrón débilmente ligado sin un giro de giro. Los procesos de absorción y emisión se ilustran mediante un diagrama de niveles de energía que lleva el nombre de Aleksander Jablonski.

La vida útil de la fluorescencia, τ , es el tiempo promedio que un fluoróforo permanece en el estado excitado electrónicamente S 1 después de la excitación. τ se define como la inversa de la suma de los parámetros de velocidad para todos los procesos de despoblación en estado excitado:Eq. (3), donde la constante de tasa no radiativa k es la suma de la constante de velocidad para la conversión interna k ic y la constante de velocidad para el cruce entre sistemas al estado triplete k isc tal que k = k ic + k isc . La emisión de fluorescencia siempre ocurre desde el nivel vibratorio más bajo de S 1 , una regla conocida como la regla de Kasha, que indica que el fluoróforo no tiene memoria de su vía de excitación; por ejemplo, OPE y TPE producen el mismo espectro de fluorescencia, QY y vida útil.

Determinación de las tasas de viabilidad de las bacterias después de la exposición al láser [28]

Método de recuento de CFU

Bacterias (DO 600 ~ 0.05) con material (3 o 6 μg mL −1 ) incubando durante 3 ha 37 ° C en la oscuridad. Después de la incubación, la mezcla se centrifugó y los sedimentos de bacterias se diluyeron (DO 600 ~ 0.05) y expuesto a una potencia de TPE de 211.2 nJ píxeles −1 con 800 exploraciones (aproximadamente 3,2621 s de tiempo de exposición efectivo total; Ex, 760 nm). Luego, un factor de dilución de 10 −5 a 10 −8 A continuación, se llevó a cabo en las bacterias incubadas y se sembró en placas de agar. Las placas permanecen en una incubadora (a 37 ° C) durante la noche. El número de bacterias supervivientes se determinó y expresó como un porcentaje (%) que correspondía a la unidad de UFC mL −1 después de la incubación. Los datos son medias ± DE ( n =6).

Kit LIVE / DEAD

Bacterias (DO 600 ~ 0.05) con material (3 o 6 μg mL −1 ) incubando durante 3 ha 37 ° C en la oscuridad. Después de la incubación, la mezcla se centrifugó y los sedimentos de bacterias se diluyeron (DO 600 ~ 0.05) y expuesto a una potencia de TPE de 211.2 nJ píxeles −1 con 800 exploraciones (aproximadamente 3,2621 s de tiempo de exposición efectivo total; Ex, 760 nm). Luego, los gránulos se tiñeron usando un LIVE (SYTO 9, como se muestra con fluorescencia verde) / DEAD ( yoduro de propidio, PI, como se muestra con fluorescencia roja) (Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU.) De acuerdo con las instrucciones. La viabilidad de las bacterias se cuantificó mediante pruebas antimicrobianas, que mostraron que casi todas las bacterias tratadas con nanomateriales estaban muertas después del tratamiento. Se cuantificó una viabilidad similar mediante el método de recuento de UFC para determinar los efectos antibacterianos eficientes de los materiales en la TFD. Los datos se presentan como media ± DE ( n =6).

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

Singlet Oxygen ( 1 O 2 )

(a) Material (3 o 6 μg mL −1 ) fue tratado con bacterias (OD 600 ~ 0.05), luego de lo cual se sometió a 3 h de incubación a 37 ° C en la oscuridad. Posteriormente, la mezcla se expuso a fotoexcitación de TPE (211,2 nJ píxeles −1 , 800 exploraciones; Ex, 760 nm) y finalmente se mezcló con el reactivo Singlet Oxygen Sensor Green (SOSG) (1 μM; Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU.) (Ex / Em:488/525 nm). Se empleó un espectrómetro de fluorescencia para las mediciones. Para la neutralización de ROS, la mezcla se mezcló con 30 ppm de antioxidante α -tocoferol / linoleato de metilo (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) en oscuridad y expuesto a fotoexcitación de TPE con el mismo tratamiento. (b) Material (3 o 6 μg mL −1 ) fue tratado con bacterias (OD 600 ~ 0.05), luego de lo cual se sometió a 3 h de incubación a 37 ° C en la oscuridad. Posteriormente, la mezcla se expuso a fotoexcitación de TPE (211,2 nJ píxeles −1 , 800 exploraciones; Ej., 760 nm) y finalmente se mezcla con 10 μM de trans-1- (2′-metoxivinil) pireno ( t -MVP, Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA, EE. UU.) / SDS de 0,10 M (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) (Ex / Em:352/465 nm). Para la neutralización de ROS, la mezcla se mezcló con 30 ppm de antioxidante α -tocoferol / linoleato de metilo (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) en la oscuridad. Reacción de t -MVP con 1 O 2 produce un intermedio de dioxetano que emite fluorescencia mientras se descompone en 1-pirenocarboxaldehído. Además, esta sonda fluorescente altamente selectiva no reacciona con otras especies de oxígeno activado como radicales hidroxilo, superóxido o peróxido de hidrógeno. Se empleó un espectrómetro de fluorescencia para las mediciones. La neutralización de ROS se realizó con el mismo tratamiento descrito anteriormente.

Anión radical superóxido (O 2 .− )

(a) Material (3 o 6 μg mL −1 ) fue tratado con bacterias (OD 600 ~ 0.05), luego de lo cual se sometió a 3 h de incubación a 37 ° C en la oscuridad. Posteriormente, la mezcla se expuso a fotoexcitación de TPE (211,2 nJ píxeles −1 , 800 exploraciones; Ej., 760 nm) y finalmente se mezcla con 2,3-bis (2-metoxi-4-nitro-5-sulfofenil) -2H-tetrazolio-5-carboxanilida (XTT, 0,45 mM; Sigma-Aldrich, St. Louis, MO , EE.UU). El propósito de este material fue interactuar con O 2 . - y produjo XTT-formazán, lo que resultó en una fuerte absorción (470 nm de longitud de onda). Se empleó un espectrómetro UV-vis para monitorear esta absorción. Para la neutralización de ROS, la mezcla se mezcló con 30 ppm de antioxidante α -tocoferol / linoleato de metilo (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) en oscuridad y expuesto a fotoexcitación de TPE con el mismo tratamiento. (b) Material (3 o 6 μg mL −1 ) fue tratado con bacterias (OD 600 ~ 0.05), luego de lo cual se sometió a 3 h de incubación a 37 ° C en la oscuridad. Posteriormente, la mezcla se expuso a fotoexcitación de TPE (211,2 nJ píxeles −1 , 800 exploraciones; Ej., 760 nm) y finalmente se mezcla con tampón de bicarbonato 50 mM (pH 8.60) y glutatión ( γ -l-glutamil-l-cisteinil-glicina, GSH, Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, EE. UU.) / Tampón de bicarbonato de 0,80 mM (el ensayo de Ellman para O 2 . - detección). Posteriormente, se llevaron a cabo los siguientes experimentos de acuerdo con el procedimiento de un estudio anterior. La pérdida de GSH (%) se calculó como la diferencia de absorbancia entre la muestra y el control negativo dividida por la absorbancia del control negativo. La señal del O 2 generado . - se obtuvo como se describe en el cálculo anterior. Los datos son medias ± DE ( n =6).

Ensayo de absorción [35]

E. coli (OD 600 ~ 0.05) se incubaron con 3 μg mL −1 material. La absorbancia de una cantidad de 3 μg mL −1 el material se registró mediante espectroscopía UV-vis (Abs, aproximadamente 203 nm). Los materiales se mezclaron con E. coli (OD 600 ~ 0.05) a 37 ° C desde la 1ª hora hasta la 10ª hora, respectivamente, y se centrifugaron (1200 rpm) para eliminar el exceso de material y conservar el sobrenadante y medir su absorbancia. Se estimó la diferencia de absorbancia entre el sobrenadante recolectado y los materiales originales, lo que resultó en el porcentaje de absorción en cada punto de tiempo. Los datos son medias ± DE ( n =6).

Análisis estadístico [56]

La significancia estadística fue por el análisis de varianza. La p El valor se consideró estadísticamente significativo para todos los tratamientos.

Resultados y discusión

Caracterización del fullerenol soluble en agua

C 60 soluble en agua (OH) 46 (fullerenol), que se determinó que era circular y monodisperso, se sintetizó de acuerdo con un estudio anterior [27]. El tamaño lateral medio del fullerenol fue de aproximadamente 1,13 ± 0,04 nm, según se determinó utilizando imágenes de bajo aumento (Fig. 2a) e imágenes HR-TEM (Fig. 2b). Además, se observó que el fullerenol exhibía una cristalinidad favorable junto con un buen espaciado de celosía, que correspondía a la d -espaciado de las franjas de celosía de fullerenol {1 \ (\ overline {1} \) 00}. Sin embargo, estas partículas podrían formar agregados mediante enlaces de hidrógeno en una solución acuosa con un pH de 7,0. El tamaño medio de los agregados formados fue de aproximadamente 130 nm, según reveló un análisis DLS. Además, los agregados se mantuvieron muy estables durante 3 meses en diferentes entornos fisiológicos, como una solución acuosa de pH 7,0, solución salina tamponada con fosfato 1 × y medio de cultivo (archivo adicional 1:Tabla S1). En el espectro de absorción UV-vis del fullerenol, se observaron picos de absorbancia a aproximadamente 216 y 309 nm, y estos picos se atribuyeron al π - π * transición de enlaces aromáticos C =C y el n - π * transiciones del hombro C =O, respectivamente. El π -La transición de electrones en el fullerenol contenía oxígeno (Fig. 2c), como se observa típicamente para las dispersiones acuosas, lo que confirma la presencia del fullerenol. Se realizaron caracterizaciones adicionales utilizando FTIR, XPS y espectrometría de masas para confirmar las propiedades de los materiales preparados. Se utilizó FTIR para analizar los grupos funcionales expuestos de los materiales preparados. Los resultados del análisis revelaron las siguientes bandas de material características:una banda de estiramiento C – O a aproximadamente 1109 cm −1 (banda 1), banda de estiramiento de C – OH fenólico a aproximadamente 1271 cm −1 (banda 2), banda de estiramiento C =O alcohólico terciario a aproximadamente 1422 cm −1 (banda 3), C =C banda de estiramiento a aproximadamente 1674 cm −1 (banda 4), C =O banda de estiramiento a aproximadamente 1721 cm −1 (banda 5) y C-H intermolecular con enlaces de hidrógeno y banda de estiramiento de carboxilato O-H a aproximadamente 3318 cm −1 (banda 6). Además, una banda de CO 2 se observó interferencia. Estas bandas revelaron grupos hidroxilo y carbonilo expuestos, así como enlaces aromáticos C =C (Fig. 2d). Se realizó XPS para examinar la química de la superficie del fullerenol, que contiene predominantemente átomos de carbono en general. Los espectros deconvolucionados C (1s) del fullerenol revelaron un anillo no oxigenado (C – C / C =C, 286,1 eV), enlace C – O (286,9 eV) y enlace C =O (288,0 eV). Además, la relación O (1s) / C (1s) fue de aproximadamente 35,8% (Fig. 2e). The molecular weight of the fullerenol was also determined using FD mass spectrometry (Additional file 1:Fig. 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. un 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 O 2 y O 2 . - , which have major roles in PDT. Therefore, 1 O 2 y O 2 . - produced by water-soluble C60 (OH)46 must be detected directly using laser irradiation. To detect 1 O 2 y O 2 . - 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 O 2 y O 2 . - 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 O 2 y O 2 . - . 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 O 2 y O 2 . - when compared with the water-soluble C60 (OH)46 (Additional file 1:Table S2). The water-soluble C60 (OH)46 generated more 1 O 2 y O 2 . - 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]).

un 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. coli 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. coli 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. coli 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 O 2 phosphorescence signal emitted from the materials at 1270 nm (Fig. 3d). PDT against E. coli 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. coli 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. coli . Data are presented as means ± SD (n =6). Para C 60 (OH)46 - and C60 (OH)21 -treated E. coli 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 prueba

Observation of Water-Soluble Fullerenol-Treated E. coli 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. coli (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. coli 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. coli , 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. coli 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. coli 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. coli 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.

Imágenes TEM. un 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. coli 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. coli 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 prueba. 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. coli and 3 μg mL −1 materiales. 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.

Disponibilidad de datos y materiales

All datasets are presented in the main paper.

Abreviaturas

PS:

Photosensitizers

QY:

Rendimiento cuántico

PDT:

Photodynamic therapy

UV–vis:

Ultraviolet–visible

ROS:

Especies reactivas de oxígeno

ψ Δ :

Singlet oxygen QY

NIR:

Infrarrojo cercano

TPE:

Two-photon excitation

E. coli :

Escherichia coli

HR-TEM:

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución

DLS:

Dispersión de luz dinámica

FTIR:

Fourier-transform infrared

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

FD:

Field desorption

CFU:

Colony forming unit

TSPP:

Meso -tetra(4-sulfonatophenyl)porphine dihydrochloride

PL:

Fotoluminiscencia

DMSO:

Dimetilsulfóxido

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 O 2 :

Singlet oxygen

SOSG:

Singlet Oxygen Sensor Green

t -MVP:

Trans-1-(2′-methoxyvinyl)pyrene

O 2 . - :

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


Nanomateriales

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