Upconversie-nanodeeltjes - nieuwe soorten luminescente nanomaterialen die hoogenergetische fotonen vrijgeven na stimulatie met laserlicht - kunnen dieper in het weefsel doordringen en zijn fotochemisch stabieler dan conventionele bioimaging-middelen, zoals quantum dots en organische kleurstoffen. Luminescerende nanokristallen gedoteerd of geïmpregneerd met kleine hoeveelheden zeldzame-aarde-ytterbium (Yb) -ionen zijn bijzonder effectief bij foton-upconversie. De specifieke lasers die worden gebruikt om Yb-doteermiddelen te exciteren, echter, kan ook watermoleculen in biologische monsters verwarmen en celdood of weefselbeschadiging veroorzaken.

Nutsvoorzieningen, Xiaogang Liu van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering in Singapore en collega's hebben een met zeldzame aarde gedoteerd nanokristal gesynthetiseerd dat kan worden geëxciteerd bij golflengten binnen een veiliger 'biologisch venster', dankzij een gelaagde, kern-schaal ontwerp.

Luminescerende nanokristallen hebben 'sensitizer'-componenten nodig om fotonen te absorberen en energie over te dragen naar activatorplaatsen, die de gewenste lichtstraling afgeven. Liu en collega's hebben een andere zeldzame-aarde doteringsstof onderzocht, neodymium (Nd), die het laserlicht met korte golflengte absorbeert dat watermoleculen opwekt, waardoor oververhittingseffecten worden vermeden. Helaas, Nd kan alleen in zeer lage concentraties in nanokristallen worden gedoteerd voordat kruisinteracties met activatoren de luminescentie beginnen te doven. Dit maakt Nd-gedoteerde nanodeeltjes zwakke emitters in vergelijking met op Yb gebaseerde biomarkers.

Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers produceerden bolvormige nanodeeltjes met daarin lagen met sterk verschillende concentraties Nd-ionen. Ze hebben kleine hoeveelheden Nd gedoteerd, Yb, en activatorionen in nanokristallen van natriumyttriumfluoride (NaYF4), een materiaal met een sterke opconversie-efficiëntie. Vervolgens synthetiseerden ze een schillaag rond de laaggedoteerde kern met een significant hogere Nd-doteringsconcentratie van 20 procent. Bij deze regeling de schaallaag oogst effectief licht en brengt vervolgens energie over naar de kern, waar lage sensibilisatorconcentraties de vermindering van luminescentie minimaliseren (zie afbeelding).

Uit de experimenten bleek dat het ontwerp van de kern en de schaal de bio-imaging-mogelijkheden van de nanokristallen drastisch verbeterde - het nieuwe materiaal had betere lichtoogstmogelijkheden dan nanodeeltjes gedoteerd met pure Nd of Yb en bereikte emissie-intensiteiten die zeven keer hoger waren dan die van puur NaYF4. Mechanistische studies toonden aan dat energieoverdracht tussen Nd- en Yb-ionen in de kern van nanodeeltjes de sleutel was om de beperkingen van lage doteringsconcentraties te overwinnen.

Volgende, het team testte hun nieuwe materialen door een reeks baarmoederhalskankercellen in beeld te brengen. Terwijl typische laserbestraling voor met Yb gedoteerde biomarkers de cellen binnen vijf minuten doodde, de kortere golflengten die werden gebruikt voor Nd-gedoteerde kern-schaal nanodeeltjes hielden de cellen gedurende dezelfde tijd levensvatbaar.

"We zijn van plan om de opconversie-efficiëntie van onze nanodeeltjes verder te verbeteren en ze te gebruiken voor zowel bio-imaging als medicijnafgifte, ' zegt Liu.