Uppkonverteringsemissionsmaterial är idealiska för bioavbildning på grund av dess effektivitet som kontrastmedel för detektion av cancerceller, mer så när bakgrundsemissionen av icke-cancerösa vävnader kan minimeras. Dessa material skulle kunna användas som biomarkörer för självlysande märkning av cancerceller. Ogenomskinliga vävnader kan förvandlas till glasiga, genomskinliga ämnen genom att använda dessa biomarkörer som är beroende av nära-infraröd excitation.

Forskargruppen i Singapore ledd av docent Xiaogang Liu och dess medforskare från Saudiarabien och Kina lyckades utveckla en effektiv uppkonverteringsprocess i nanopartiklar, säkerställer en bred inställning av ljusemission som kan användas i bildbehandlingstillämpningar. De hittade en kemisk struktur som kan uppvisa effektiva uppkonverteringsegenskaper genom ett speciellt arrangemang av energinivåer. Deras syntes av lantaniddopade kärna-skal nanokristaller som resulterade i avancerade optiska egenskaper som kan kontrollera ljus, visade sig vara ett nytt tillvägagångssätt.

För avkänningsapplikationer, Det kan vara svårt att separera optiska signaler från bakgrunden när signalen och bruset uppstår vid samma våglängd. Detta problem kan lösas med uppkonvertering – en olinjär optisk process – där två lågenergifotoner av en infallande stråle kan omvandlas till en enda foton med högre energi, som sedan lätt kan särskiljas från bakgrunden.

Möjligheten att omvandla ljus med dessa nanomaterial för uppvärmning erbjuder också lovande tillämpningar inom fotodynamisk terapi och läkemedelsleverans.

Arbetet av Assoc Prof Liu och team rapporterades i Naturmaterial tidning, en av de mest kända materialforskningsrelaterade tidskrifterna i världen, den 23 oktober 2011. Hans team består av forskare Dr Feng Wang och doktorander Renren Deng och Juan Wang från National University of Singapores (NUS) Department of Chemistry. De arbetade tillsammans med forskare från King Abdullah University of Science and Technology och Fujian Institute of Research on the Structure of Matter. Assoc Prof Liu och Dr Feng Wang är också forskare vid Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), ett forskningsinstitut från Singapores Agency for Science, Teknik och forskning (A*STAR).

Det publicerade forskningsarbetet finansierades av Singapores A*STAR och utbildningsministeriet.

En ny metod för att upptäcka cancer

Teamet av forskare fokuserar på att kontrollera de optiska egenskaperna hos nanomaterial genom att dopa sällsynta jordartsmetaller i begränsade lager-för-lager-strukturer. Nanopartikelskalet kan vara dopat med olika sällsynta jordartsmetaller, vilket resulterar i en bred inställning av det uppkonverterade utsläppet.

Genom att producera nanopartiklar med inställbar emission som också bör ha en låg toxicitet, forskarna har tagit ett stort steg i utvecklingen av uppkonverterande material.

Deras nya tillvägagångssätt involverar utformningen av kärna-skal nanopartiklar som skiljer uppkonverteringsprocessen från den för ljusemission. Fotoner absorberas i kärnan av nanopartiklarna och omvandlas till exciterade elektroner, varefter de kaskaderar från kärnan av nanopartiklarna till det exciterade tillståndet av sällsynta jordartsmetaller i skalet. Medan där, dessa elektroner slappnar av och avger ljus.

Även om sådan sekventiell energiöverföring har undersökts för vissa halvledarnanopartiklar och nanotrådar för solenergitillämpningar, det har inte gjorts tidigare för sällsynta jordartsmetalldopade nanopartiklar.

Assoc Prof Liu påpekade att försök att hitta uppkonverterande joner som sänder ut i ett vidsträckt spektralområde har varit misslyckat tills nu. Detta beror på att en effektiv fotonuppkonvertering i allmänhet har begränsats till ett litet antal lantanidjoner med emitterad ljussignal som kan detekteras med blotta ögat.

Förklara hans framgångsrika tillvägagångssätt, Assoc Prof Liu sa:"Vi utför fotonuppkonvertering på en rad sällsynta jordartsmetaller. Fotonuppkonvertering förvandlar lågenergi nära-infrarött ljus till högre energi som görs synlig med den rationella designen och kemiska syntesen av en kärna-skal nanostruktur."

Assoc Prof Liu och team förberedde nanopartiklar som kunde visa en uppkonverteringsemission som sträcker sig från violett, blå, grön till röd gul, med betydligt längre infraröda excitationsvåglängder på upp till 980 nm. En viktig aspekt av att använda ljus med 980 nm våglängd är sådan att genomskinligheten av levande vävnader är hög i infrarött. Detta ökar möjligheten att använda dessa nanopartiklar för att upptäcka cancer. Vidare, de multipla emissionsfärgerna som visas i denna forskning kan potentiellt användas för en mer tillförlitlig biologisk diagnostikapplikation, till exempel, flera cellmarkörer.

Möjligheter till bredare användning

Förmågan att omvandla lågenergi nära-infrarött ljus till högre energi synliga emissioner, tillsammans med låga nivåer av toxicitet för celler, och enkel bearbetning, kommer att förvandla nanometerstora lantaniddopade kristaller till idealiska material för många applikationer.

Enligt gruppen från NUS, resultaten indikerar att ett stort "bibliotek" av luminiscerande uppkonverteringsnanokristaller med urskiljbara spektroskopiska fingeravtryck nu kan etableras. När de kopplas till biologiska molekyler, dessa nanomaterial skulle ge en plattform för en snabb och tillförlitlig väg till multiplexdetektering av cancer eller andra sjukdomar. Förmågan hos dessa nanomaterial att inducera ljuskontrollerande frisättning av läkemedel för platsspecifik leverans bådar också gott för framtida medicin – färre eller minskade biverkningar kan förväntas eftersom lantaniddopade kristaller har testats vara icke-toxiska.

"Detta arbete gjorde mig säker på att vi snart kommer att se spännande nya tillämpningar för dessa partiklar, säger Thomas Nann, en forskningsprofessor från University of South Australia vars forskning är inom samma område. Prof Nann tillägger att "Uppkonverterande nanopartiklar är material med en enorm potential för tillämpning. på grund av behovet av ett rigoröst urval av användbara uppkonverterande joner, Vetenskapen verkade inte ha gjort några framsteg på ett tag innan denna upptäckt."

Assoc Prof Liu och medforskare noterade det unika med deras design, vilket är användningen av kärn-skal nanostrukturer och gadoliniumjoner för energimigrering som förbättrar förmågan att producera ett brett utbud av lantaniddopade nanokristaller för att ge uppkonverterad luminescens.

"Att dra nytta av undergittret av gadoliniumjoner som ett nätverk för energimigrering, dessa klokt utformade nanopartiklar lyser upp de mindre vanliga lantanidjonerna som terbium, europium, och samarium under nära-infraröd excitation, " förklarar professor Chun-Hua Yan, en kemiprofessor och välkänd vetenskapsman inom samma område vid Peking University, Kina. Lägger till, Prof Yan säger "Jag tror att den här modellen, med sin unika och mångsidighet, kommer att avsevärt berika det för närvarande tillgängliga uppkonverteringsmaterialet, och kommer att påverka relevanta områden som luminiscerande biomärkning, multiplexerad datalagring och visning."

Singapore-gruppen har nyligen lämnat in ett relaterat patent för sin banbrytande upptäckt. För närvarande, de arbetar med kliniker för att utveckla kliniska diagnostiska modeller för användning på ett praktiskt sätt.