Een polymeer dat speciaal is ontworpen om licht te produceren dat doordringt in duistere omgevingen, is veelbelovend gebleken in bioimaging-onderzoeken, waar het nanodeeltjes kan detecteren onder het oppervlak van realistische weefselmodellen.

Recente studies hebben aangetoond dat fluorescerende sondes - lichtemitterende materialen die hechten aan kleine doelen zoals cellen - bijzonder nuttig zijn voor biobeeldvorming wanneer ze uitstralen in het kortegolf-infrarood (SWIR) -gebied van het optische spectrum. Omdat dit type fluorescerend licht dieper in biologische objecten doordringt zonder te worden geabsorbeerd of verstrooid, SWIR-sondes kunnen verder in het weefsel worden gespot dan conventionele zenders. Deze functies hebben SWIR-sondes in staat gesteld om beelden met hoge resolutie vast te leggen van structuren die zich diep in het lichaam bevinden, zoals hersenweefsel, zonder de gevaren van röntgenstralen.

Satoshi Habuchi en zijn collega's werken aan het verbeteren van fluorescerende beeldvorming door het type sondes dat SWIR-straling kan produceren uit te breiden. Momenteel, de meeste heldere SWIR-stralers zijn ofwel halfgeleider kwantumdots of met zeldzame aarde gedoteerde nanodeeltjes die voor veel exemplaren ongeschikt zijn vanwege hun giftige bijwerkingen. Anderzijds, materialen die meer biocompatibel zijn, zoals organische kleurstoffen, zijn meestal niet intens genoeg om in het weefsel te worden gezien.

Om dit probleem op te lossen, KAUST-onderzoekers wendden zich tot polymeren met "donor-acceptor" -structuren, een lay-out waar elektronenrijke componenten worden afgewisseld met elektronenarme delen langs een geleidende moleculaire keten. "Deze verdeling bevordert de ladingsoverdracht langs de polymeerruggengraat, wat een zeer effectieve manier is om SWIR-licht te verkrijgen, " legt Hubert Piwoński uit, hoofdauteur van de studie.

Het team koos twee donor-acceptorpolymeren met ideale eigenschappen voor SWIR-emissie en ontwikkelde vervolgens een precipitatieprocedure die de verbindingen samensmolt tot kleine polymeerbolletjes, of "stippen", slechts enkele nanometers breed. Optische karakteriseringen onthulden dat deze materialen uitzonderlijk heldere SWIR-emissies hadden die gemakkelijk te zien waren in biologische weefselmodellen. "Per deel, onze deeltjes hebben een helderheidswaarde die groter is dan bijna alle andere tot nu toe gerapporteerde SWIR-stralers, ", zegt Habuchi. "Hierdoor konden polymeerstippen van nanometerformaat worden gedetecteerd in monsters van één millimeter dik."

In aanvulling, de nieuwe polymeerdots die slechts een nanoseconde fluoresceren, kunnen ruisarme beelden produceren met een gevoeligheid voor één molecuul dankzij de hoge doorvoerdetectie van uitgezonden fluorescentie. De mogelijkheid om afzonderlijke sondes met hoge acquisitiesnelheden te visualiseren, zou voordelen kunnen bieden aan onderzoekers die processen in weefsels en organen willen vastleggen terwijl ze zich voordoen.

"Er zijn enorme kansen voor nieuwe sondes en beeldvormingsmodaliteiten die in staat zijn om de dynamiek van moleculen in levende systemen aan te pakken, en onze polymeerdots zijn een grote stap in de richting van beeldvorming van enkelvoudige weefsels, ", zegt Piwoński.