Porous and nonporous silicon (Si) nanoparticles (NPs) prepared by ball-milling of electrochemically etched porous Si layers and crystalline Si wafers were studied as potential agents for enhancement of the proton spin relaxation in aqueous media. While nonporous Si NPs did not significantly influence the spin relaxation, the porous ones resulted in strong shortening of the transverse relaxation times. In order to investigate an effect of the electron spin density in porous Si NPs on the proton spin relaxation, we use thermal annealing of the NPs in vacuum or in air. The transverse relaxation rate of about 0.5 l/(g s) was achieved for microporous Si NPs, which were thermally annealing in vacuum to obtain the electron spin density of the order of 1017 g−1. The transverse relaxation rate was found to be almost proportional to the concentration of porous Si NPs in the range from 0.1 to 20 g/l. The obtained results are discussed in view of possible biomedical applications of Si NPs as contrast agents for magnetic resonance imaging.

1.
G. J.
Strijkers
,
W. J. M.
Mulder
,
G. A. F.
van Tilborg
, and
K.
Nicolay
,
Anticancer Agents Med. Chem.
7
,
291
(
2007
).
2.
3.
H. S.
Thomsen
,
S. K.
Morcos
, and
P.
Dawson
,
Clin. Radiol.
61
,
905
(
2006
).
4.
J.-M.
Idee
,
M.
Port
,
I.
Raynal
,
M.
Schaefer
,
S.
Le Greneur
, and
C.
Corot
,
Fundam. Clin. Pharmacol.
20
,
563
(
2006
).
5.
M. F.
Bellin
,
M.
Vasile
, and
S.
Morel-Precetti
,
Eur. Radiol.
13
,
2688
(
2003
).
6.
M.
Mahmoudi
,
H.
Hofmann
,
B.
Rothen-Rutishauser
, and
A.
Petri-Fink
,
Chem. Rev.
112
,
2323
(
2012
).
7.
L. T. J. H.
Park
,
L.
Gu
,
G.
von Maltzahn
,
E.
Ruoslahti
,
S. N.
Bhatia
, and
M. J.
Sailor
,
Nat. Mater.
8
,
331
(
2009
).
8.
L. A.
Osminkina
,
K. P.
Tamarov
,
A. P.
Sviridov
,
R. A.
Galkin
,
M. B.
Gongalsky
,
V. V.
Solovyev
,
A. A.
Kudryavtsev
, and
V. Y.
Timoshenko
,
J. Biophotonics
5
(
7
),
529
(
2012
).
9.
A. P.
Sviridov
,
L. A.
Osminkina
,
A. Y.
Kharin
,
M. B.
Gongalsky
,
J. V.
Kargina
,
A. A.
Kudryavtsev
,
Y. I.
Bezsudnova
,
T. S.
Perova
,
A.
Geloen
,
V.
Lysenko
, and
V. Y.
Timoshenko
,
Nanotechnology
28
,
105102
(
2017
).
10.
A. D.
Durnev
,
A. S.
Solomina
,
N. O.
Daugel-Dauge
,
A. K.
Zhanataev
,
E. D.
Shreder
,
E. P.
Nemova
,
O. V.
Shreder
,
V. A.
Veligura
,
L. A.
Osminkina
, and
V. Y.
Timoshenko
,
Bull. Exp. Biol. Med.
149
,
445
(
2010
).
11.
S.
Murugadoss
,
D.
Lison
,
L.
Godderis
,
S.
Van Den Brule
,
J.
Mast
,
F.
Brassinne
,
N.
Sebaihi
, and
P. H.
Hoet
,
Arch. Toxicol.
91
,
2967
(
2017
).
12.
H.
Bahadar
,
F.
Maqbool
,
K.
Niaz
, and
M.
Abdollahi
,
Iran Biomed. J.
20
,
1
(
2016
).
13.
L. A.
Osminkina
,
A. L.
Nikolaev
,
A. P.
Sviridov
,
N. V.
Andronova
,
K. P.
Tamarov
,
M. B.
Gongalsky
,
A. A.
Kudryavtsev
,
H. M.
Treshalina
, and
V. Yu.
Timoshenko
,
Microporous Mesoporous Mater.
210
,
169
(
2015
).
14.
15.
J.
Salonen
and
V. P.
Lehto
,
Chem. Eng. J.
137
,
162
(
2008
).
16.
L.
Xiao
,
L.
Gu
,
S. B.
Howell
, and
M. J.
Sailor
,
ACS Nano
5
,
3651
(
2011
).
17.
A. P.
Sviridov
,
V. G.
Andreev
,
E. M.
Ivanova
,
L. A.
Osminkina
,
K. P.
Tamarov
, and
V. Y.
Timoshenko
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
193110
(
2013
).
18.
K. P.
Tamarov
,
L. A.
Osminkina
,
S. V.
Zinovyev
,
K. A.
Maximova
,
J. V.
Kargina
,
M. B.
Gongalsky
,
Y. V.
Ryabchikov
,
A.
Al-Kattan
,
A. P.
Sviridov
,
M.
Sentis
,
A. V.
Ivanov
,
V. N.
Nikiforov
,
A. V.
Kabashin
, and
V. Y.
Timoshenko
,
Sci. Rep.
4
,
7034
(
2014
).
19.
J. W.
Aptekar
,
M. C.
Cassidy
,
A. C.
Johnson
,
R. A.
Barton
,
M.
Lee
,
A. C.
Ogier
,
C.
Vo
,
M. N.
Anahtar
,
Y.
Ren
,
S. N.
Bhatia
,
C.
Ramanathan
,
D. G.
Cory
,
A. L.
Hill
,
R. W.
Mair
,
M. S.
Rosen
,
R. L.
Walsworth
, and
C. M.
Marcus
,
ACS Nano
3
,
4003
(
2009
).
20.
F.
Erogbogbo
,
C. W.
Chang
,
J. L.
May
,
L.
Liu
,
R.
Kumar
,
W. C.
Law
,
H.
Ding
,
K. T.
Yong
,
I.
Roy
,
M.
Sheshadri
,
M. T.
Swihart
, and
P. N.
Prasad
,
Nanoscale
4
,
5483
(
2012
).
21.
M. B.
Gongalsky
,
Y. V.
Kargina
,
L. A.
Osminkina
,
A. M.
Perepukhov
,
M. V.
Gulyaev
,
A. N.
Vasiliev
,
Y. A.
Pirogov
,
A. V.
Maximychev
, and
V. Y.
Timoshenko
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
233702
(
2015
).
22.
A.
Perepukhov
,
O.
Kishenkov
,
A.
Maximychev
,
S.
Gudenko
,
L.
Menshikov
, and
D.
Alexandrov
,
Microporous Mesoporous Mater.
205
,
7
(
2015
).
23.
A. G.
Cullis
,
L. T.
Canham
, and
P. D. J.
Calcott
,
J. Appl. Phys.
82
,
909
(
1997
).
24.
L. A.
Osminkina
and
V. Y.
Timoshenko
,
Mesoporous Biomater.
3
,
39
(
2016
).
25.
B. K.
Meyer
,
D. M.
Hofmann
,
W.
Stadler
,
V. P.
Koch
,
F.
Koch
,
P.
Omling
, and
P.
Emanuelsson
,
Appl. Phys. Lett.
63
,
2120
(
1993
).
26.
D.
Pierreux
and
A.
Stesmans
,
Phys. Rev. B
66
,
165320
(
2002
).
27.
Y.
Xiao
,
T. J.
McMahon
,
J. I.
Pankove
, and
Y. S.
Tsuo
,
J. Appl. Phys.
76
,
1759
(
1994
).
28.
J. L.
Cantin
,
M.
Schoisswohl
,
H. J.
von Bardeleben
,
N.
Hadj Zoubir
, and
M.
Vergnat
,
Phys. Rev. B
52
,
R11599(R)
(
1995
).
29.
H. J.
von Bardeleben
,
D.
Stievenard
,
A.
Grosman
,
C.
Ortega
, and
J.
Siejka
,
Phys. Rev. B
47
,
10899
(
1993
).
30.
R. N.
Pereira
,
S.
Niesar
,
H.
Wiggers
,
M. S.
Brandt
, and
M. S.
Stutzmann
,
Phys. Rev. B
88
,
155430
(
2013
).
31.
A.
Pavlikov
,
E.
Konstantinova
, and
V.
Timoshenko
,
Phys. Status Solidi C
8
,
1928
(
2011
).
32.
B. K.
Meyer
,
V.
Petrova Koch
,
T.
Muschik
,
H.
Linke
,
P.
Omling
 et al,
Appl. Phys. Lett.
63
,
1930
(
1993
).
33.
R. B.
Lauffer
,
Chem. Rev.
87
,
901
(
1987
).
34.
H. J.
Weinmann
,
R. C.
Brasch
,
W. R.
Press
, and
G. E.
Wesbey
,
Am. J. Roentgenol.
142
,
619
(
1984
).
35.
M.
Rohrer
,
H.
Bauer
,
J.
Mintorovitch
,
M.
Requardt
, and
H.-J.
Weinmann
,
Invest. Radiol.
40
,
715
(
2005
).
36.
M. K.
Uchiyama
,
S. H.
Toma
,
S. F.
Rodrigues
,
A. L.
Borges Shimada
,
R. A.
Loiola
,
H. J.
Cervantes Rodríguez
,
P. V.
Oliveira
,
M. S.
Luz
,
S. R.
Rabbani
,
H. E.
Toma
,
S. H.
Poliselli Farsky
, and
K.
Araki
,
Int. J. Nanomed.
10
,
4731
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.