Opconversie-emissiematerialen zijn ideaal voor bio-imaging vanwege de doeltreffendheid ervan als contrastmiddelen voor de detectie van kankercellen, te meer wanneer de achtergrondemissie van niet-kankerachtige weefsels kan worden geminimaliseerd. Deze materialen kunnen worden gebruikt als biomarkers voor luminescente labeling van kankercellen. Ondoorzichtige weefsels kunnen worden omgezet in glazig, transparante stoffen door gebruik te maken van deze biomarkers die afhankelijk zijn van nabij-infrarood excitatie.

Het Singaporese onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Xiaogang Liu en zijn medeonderzoekers uit Saoedi-Arabië en China zijn erin geslaagd een efficiënt opconversieproces in nanodeeltjes te ontwikkelen, zorgen voor een brede afstembaarheid van lichtemissie die kan worden gebruikt in beeldvormingstoepassingen. Ze vonden een chemische structuur die efficiënte opconversie-eigenschappen kan vertonen door een speciale rangschikking van energieniveaus. Hun synthese van met lanthanide gedoteerde kern-schaal nanokristallen wat resulteerde in geavanceerde optische eigenschappen die licht kunnen beheersen, bleek een nieuwe benadering te zijn.

Voor detectietoepassingen, het scheiden van optische signalen van de achtergrond kan lastig zijn wanneer het signaal en de ruis op dezelfde golflengte voorkomen. Dit probleem kan worden opgelost met opconversie - een niet-lineair optisch proces - waarbij twee fotonen met lage energie van een invallende bundel kunnen worden omgezet in een enkel foton met hogere energie, die dan gemakkelijk van de achtergrond te onderscheiden is.

Het vermogen om licht om te zetten met behulp van deze nanomaterialen voor verwarming biedt ook veelbelovende toepassingen in fotodynamische therapie en medicijnafgifte.

Het werk van Assoc Prof Liu en team werd gerapporteerd in de Natuurmaterialen logboek, een van de bekendste materiaalonderzoekgerelateerde tijdschriften ter wereld, op 23 oktober 2011. Zijn team bestaat uit onderzoekscollega dr. Feng Wang en afgestudeerde studenten Renren Deng en Juan Wang van de afdeling Scheikunde van de National University of Singapore (NUS). Ze werkten samen met onderzoekers van de King Abdullah University of Science and Technology en het Fujian Institute of Research on the Structure of Matter. Assoc Prof Liu en Dr Feng Wang zijn ook wetenschappers aan het Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), een onderzoeksinstituut van Singapore's Agency for Science, Technologie en Onderzoek (A*STAR).

Het gepubliceerde onderzoekswerk werd gefinancierd door A*STAR uit Singapore en het Ministerie van Onderwijs.

Een nieuwe benadering van kankerdetectie

Het team van onderzoekers richt zich op het beheersen van de optische eigenschappen van nanomaterialen door zeldzame aardmetalen te doteren in beperkte laag-voor-laagstructuren. De schaal van nanodeeltjes kan worden gedoteerd met verschillende zeldzame aardmetalen, wat resulteert in een brede afstembaarheid van de opgeconverteerde emissie.

Door nanodeeltjes te produceren met afstembare emissie die ook een lage toxiciteit zouden moeten hebben, de onderzoekers hebben een grote sprong gemaakt in de ontwikkeling van upconverting materialen.

Hun nieuwe benadering omvat het ontwerpen van kern-schaal nanodeeltjes die het opconversieproces scheidt van dat van lichtemissie. Fotonen worden geabsorbeerd in de kern van de nanodeeltjes en omgezet in geëxciteerde elektronen, waarna ze vanuit de kern van de nanodeeltjes cascaderen in de aangeslagen toestand van zeldzame aarddoteringsmiddelen in de schaal. Terwijl daar, deze elektronen ontspannen en zenden licht uit.

Hoewel dergelijke sequentiële energieoverdracht is onderzocht voor bepaalde halfgeleider nanodeeltjes en nanodraden voor zonne-energietoepassingen, dat is nog niet eerder gedaan voor nanodeeltjes die met zeldzame aarde zijn gedoteerd.

Prof. Liu van Assoc wees erop dat pogingen om opwaartse conversie-ionen te vinden die in een breed spectraal gebied uitzenden tot nu toe niet succesvol zijn geweest. Dit komt omdat een efficiënte foton-upconversie over het algemeen beperkt is tot een klein aantal lanthanide-ionen met uitgezonden lichtsignaal dat met het blote oog kan worden gedetecteerd.

Zijn succesvolle aanpak uitleggend, Assoc Prof Liu zei:"We voeren foton-upconversie uit op een reeks zeldzame aardmetalen. Foton-upconversie verandert nabij-infraroodlicht met lage energie in hogere energie die zichtbaar wordt gemaakt met het rationele ontwerp en de chemische synthese van een kern-schil nanostructuur."

Assoc Prof Liu en team bereidden nanodeeltjes voor die een opwaartse conversie-emissie konden aantonen variërend van violet, blauw, groen tot rood geel, met aanzienlijk langere infrarood-excitatiegolflengten tot 980 nm. Een belangrijk aspect van het gebruik van licht met een golflengte van 980 nm is dat de transparantie van levende weefsels hoog is in infrarood. Dit vergroot de mogelijkheid voor het gebruik van deze nanodeeltjes voor kankerdetectie. Verder, de meerdere emissiekleuren die in dit onderzoek zijn aangetoond, kunnen mogelijk worden gebruikt voor een betrouwbaardere toepassing voor biologische diagnostiek, bijvoorbeeld, meerdere celmarkeringen.

Mogelijkheden voor breder gebruik

Het vermogen om nabij-infraroodlicht met lage energie om te zetten in zichtbare emissie met hogere energie, samen met lage niveaus van toxiciteit voor cellen, en gemak van verwerking, zal nanometergrote met lanthanide gedoteerde kristallen veranderen in ideale materialen voor tal van toepassingen.

Volgens de groep van NUS, de resultaten geven aan dat er nu een grote "bibliotheek" van oplichtende opconversie-nanokristallen met onderscheidbare spectroscopische vingerafdrukken kan worden opgezet. In combinatie met biologische moleculen, deze nanomaterialen zouden een platform bieden voor een snelle en betrouwbare route naar multiplexdetectie van kanker of andere ziekten. Het vermogen van deze nanomaterialen om lichtgestuurde afgifte van geneesmiddelen voor plaatsspecifieke toediening te induceren, is ook een goed voorteken voor toekomstige geneeskunde - er kunnen minder of minder bijwerkingen worden verwacht, aangezien is getest dat met lanthanide gedoteerde kristallen niet-toxisch zijn.

"Dit werk gaf me het vertrouwen dat we binnenkort spannende nieuwe toepassingen voor deze deeltjes zullen zien, " zegt Thomas Nann, een onderzoeksprofessor van de Universiteit van Zuid-Australië wiens onderzoek zich op hetzelfde gebied afspeelt. Prof Nann voegt eraan toe dat "Up-converting nanodeeltjes materialen zijn met een enorm toepassingspotentieel. vanwege de noodzaak van een strenge selectie van bruikbare up-converting ionen, De wetenschap leek enige tijd vóór deze ontdekking geen vooruitgang te hebben geboekt."

Assoc Prof Liu en co-onderzoekers merkten het unieke van hun ontwerp op, dat is het gebruik van core-shell nanostructuren en gadoliniumionen voor energiemigratie die het vermogen verbetert om een ​​breed scala aan met lanthanide gedoteerde nanokristallen te produceren om upconverted luminescentie op te leveren.

"Profiterend van het subrooster van gadoliniumionen als netwerk voor energiemigratie, deze oordeelkundig ontworpen nanodeeltjes verlichten die minder vaak gebruikte lanthanide-ionen zoals terbium, europium, en samarium onder nabij-infrarood excitatie, " legt professor Chun-Hua Yan uit, een scheikundeprofessor en een bekende wetenschapper op hetzelfde gebied aan de Universiteit van Peking, China. toevoegen, Prof Yan zegt:"Ik geloof echt dat dit model, met zijn uniekheid en veelzijdigheid, zal het momenteel beschikbare upconversiemateriaal enorm verrijken, en zal gevolgen hebben voor relevante gebieden zoals luminescente biolabeling, gemultiplexte gegevensopslag en weergave."

De Singapore-groep heeft onlangs een gerelateerd patent aangevraagd voor hun baanbrekende ontdekking. Momenteel, ze werken samen met clinici om klinische diagnostische modellen te ontwikkelen voor gebruik op een praktische manier.