Nye nanokrystaller med avancerede optiske egenskaber udviklet til brug som selvlysende biomarkører

Opkonverteringsemissionsmaterialer er ideelle til biobilleddannelse på grund af dets effektivitet som kontrastmidler til påvisning af kræftceller, mere, når baggrundsemissionen af ​​ikke-cancerøst væv kan minimeres. Disse materialer kunne bruges som biomarkører til selvlysende mærkning af cancerceller. Uigennemsigtige væv kan forvandles til glasagtige, gennemsigtige stoffer ved at bruge disse biomarkører, som er afhængige af nær-infrarød excitation.

Forskerholdet i Singapore ledet af lektor Xiaogang Liu og dets medforskere fra Saudi-Arabien og Kina lykkedes med at udvikle en effektiv opkonverteringsproces i nanopartikler, sikring af en bred tunerbarhed af lysemission, der kan bruges i billedbehandlingsapplikationer. De fandt en kemisk struktur, der kan udvise effektive opkonverteringsegenskaber gennem et særligt arrangement af energiniveauer. Deres syntese af lanthanid-doterede kerne-skal nanokrystaller, hvilket resulterede i avancerede optiske egenskaber, der kan kontrollere lys, viste sig at være en ny tilgang.

Til registreringsapplikationer, Det kan være vanskeligt at adskille optiske signaler fra baggrunden, når signalet og støjen opstår ved samme bølgelængde. Dette problem kan løses med opkonvertering – en ikke-lineær optisk proces – hvor to lavenergifotoner af en indfaldende stråle kan omdannes til en enkelt foton med højere energi, som så let kan skelnes fra baggrunden.

Evnen til at konvertere lys ved hjælp af disse nanomaterialer til opvarmning byder også på lovende anvendelser inden for fotodynamisk terapi og lægemiddellevering.

Arbejdet fra Assoc Prof Liu og team blev rapporteret i Naturmaterialer tidsskrift, et af de bedst kendte materialeforskningsrelaterede tidsskrifter i verden, den 23. oktober 2011. Hans team består af forskningsstipendiat Dr. Feng Wang og kandidatstuderende Renren Deng og Juan Wang fra National University of Singapores (NUS) Department of Chemistry. De arbejdede sammen med forskere fra King Abdullah University of Science and Technology og Fujian Institute of Research on the Structure of Matter. Assoc Prof Liu og Dr Feng Wang er også videnskabsmænd ved Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), et forskningsinstitut fra Singapores Agency for Science, Teknologi og forskning (A*STAR).

Det offentliggjorte forskningsarbejde blev finansieret af Singapores A*STAR og undervisningsministeriet.

En ny tilgang til kræftdetektion

Forskerholdet fokuserer på at kontrollere de optiske egenskaber af nanomaterialer ved at dope sjældne jordarters metaller i afgrænsede lag-for-lag strukturer. Nanopartikelskallen kan være dopet med forskellige sjældne jordarters metaller, hvilket resulterer i en bred afstemning af den opkonverterede emission.

Ved at producere nanopartikler med justerbar emission, som også skulle have en lav toksicitet, forskerne har taget et stort spring i udviklingen af ​​opkonverterende materialer.

Deres nye tilgang involverer design af kerne-skal nanopartikler, der adskiller opkonverteringsprocessen fra lysemissionsprocessen. Fotoner absorberes i kernen af ​​nanopartiklerne og omdannes til exciterede elektroner, hvorefter de kaskade fra kernen af ​​nanopartiklerne til den exciterede tilstand af sjældne jordarters dopingmidler i skallen. Mens der, disse elektroner slapper af og udsender lys.

Selvom en sådan sekventiel energioverførsel er blevet undersøgt for visse halvledernanopartikler og nanotråde til solenergianvendelser, det er ikke blevet gjort før for sjældne jordarters dopede nanopartikler.

Assoc Prof Liu påpegede, at bestræbelserne på at finde opkonverterende ioner, der udsender i et vidtspændende spektralområde, har været mislykket indtil nu. Dette skyldes, at en effektiv fotonopkonvertering generelt er blevet begrænset til et lille antal lanthanidioner med udsendt lyssignal, der kan detekteres med det blotte øje.

Forklarer hans succesfulde tilgang, Assoc Prof Liu sagde:"Vi udfører foton opkonvertering på en række sjældne jordarters metaller. Foton opkonvertering forvandler lavenergi nær-infrarødt lys til højere energi gjort synlig med det rationelle design og kemiske syntese af en kerne-skal nanostruktur."

Assoc Prof Liu og teamet forberedte nanopartikler, som kunne demonstrere en opkonverteringsemission lige fra violet, blå, grøn til rød gul, med betydeligt længere infrarøde excitationsbølgelængder på op til 980 nm. Et vigtigt aspekt ved at bruge lys med 980 nm bølgelængde er sådan, at gennemsigtigheden af ​​levende væv er høj i infrarød. Dette øger muligheden for at bruge disse nanopartikler til kræftdetektion. Desuden, de mange emissionsfarver, der er demonstreret i denne forskning, kan potentielt bruges til en mere pålidelig biologisk diagnostisk anvendelse, for eksempel, flere cellemarkører.

Muligheder for bredere brug

Evnen til at konvertere lavenergi nær-infrarødt lys til højere energi synlig emission, sammen med lave niveauer af toksicitet for celler, og nem behandling, vil forvandle nanometer-størrelse lanthanid-dopede krystaller til ideelle materialer til adskillige applikationer.

Ifølge gruppen fra NUS, resultaterne indikerer, at et stort "bibliotek" af luminescerende opkonverteringsnanokrystaller med skelnelige spektroskopiske fingeraftryk nu kan etableres. Når det kobles med biologiske molekyler, disse nanomaterialer ville udgøre en platform for en hurtig og pålidelig vej til multiplex påvisning af kræft eller andre sygdomme. Disse nanomaterialers evne til at inducere lysregulerende frigivelse af lægemidler til stedspecifik levering lover også godt for fremtidig medicin - færre eller reducerede bivirkninger kan forventes, da lanthanid-doterede krystaller er blevet testet for at være ikke-toksiske.

"Dette arbejde gjorde mig sikker på, at vi snart vil se spændende nye applikationer for disse partikler, siger Thomas Nann, en forskningsprofessor fra University of South Australia, hvis forskning er inden for samme område. Prof Nann tilføjer, at "Op-konverterende nanopartikler er materialer med et enormt potentiale for anvendelse. på grund af behovet for et strengt udvalg af brugbare opkonverterende ioner, Videnskaben så ud til ikke at have gjort fremskridt i nogen tid før denne opdagelse."

Assoc Prof Liu og medforskere bemærkede det unikke ved deres design, som er brugen af ​​kerne-skal nanostrukturer og gadoliniumioner til energimigration, der forbedrer evnen til at producere en bred vifte af lanthanid-dopede nanokrystaller for at give opkonverteret luminescens.

"Der fordel af undergitteret af gadoliniumioner som et netværk for energimigration, disse omhyggeligt designede nanopartikler oplyser de mindre almindeligt anvendte lanthanidioner som terbium, europium, og samarium under nær-infrarød excitation, " forklarer professor Chun-Hua Yan, en kemiprofessor og kendt videnskabsmand inden for samme felt ved Peking University, Kina. Tilføjer, Prof Yan siger "Jeg tror, ​​at denne model, med sin unikke og alsidighed, vil i høj grad berige de aktuelt tilgængelige opkonverteringsmaterialer, og vil have indflydelse på relevante områder såsom selvlysende biomærkning, multiplekset datalagring og visning."

Singapore-gruppen har for nylig indgivet et relateret patent for deres banebrydende opdagelse. I øjeblikket, de arbejder sammen med klinikere om at udvikle kliniske diagnostiske modeller til brug på en praktisk måde.