(Phys.org) – Ett internationellt forskarlag har skapat unika fotoluminescerande nanopartiklar som lyser tydligt genom mer än 3 centimeter av biologisk vävnad – ett djup som gör dem till ett lovande verktyg för optisk bioavbildning i djup vävnad.

Även om optisk bildbehandling är en robust och billig teknik som vanligtvis används i biomedicinska tillämpningar, nuvarande teknologier saknar förmågan att titta djupt in i vävnad, sa forskarna.

Detta skapar en efterfrågan på utveckling av nya tillvägagångssätt som ger hög upplösning, optisk bioavbildning med hög kontrast som läkare och forskare kan använda för att identifiera tumörer eller andra anomalier djupt under huden.

De nyskapade nanopartiklarna består av en nanokristallin kärna som innehåller thulium, natrium, ytterbium och fluor, allt inneslutet i en kvadrat, kalciumfluorid skal.

Partiklarna är speciella av flera anledningar. Först, de absorberar och avger nära-infrarött ljus, där det emitterade ljuset har en mycket kortare våglängd än det absorberade ljuset. Detta skiljer sig från hur molekyler i biologiska vävnader absorberar och avger ljus, vilket innebär att forskare kan använda partiklarna för att få djupare, bildbehandling med högre kontrast än traditionella fluorescensbaserade tekniker.

Andra, materialet för nanopartiklarnas skal – kalciumfluorid – är ett ämne som finns i ben- och tandmineral. Detta gör partiklarna kompatibla med mänsklig biologi, minska risken för negativa effekter. Skalet visar sig också väsentligt öka fotoluminescenseffektiviteten.

Att avge ljus, partiklarna använder en process som kallas nära-infraröd-till-nära-infraröd uppkonvertering, eller "NIR-till-NIR." Genom denna process, partiklarna absorberar par av fotoner och kombinerar dessa till en enda, fotoner med högre energi som sedan sänds ut.

En anledning till att NIR-till-NIR är idealiskt för optisk avbildning är att partiklarna absorberar och avger ljus i det nära-infraröda området av det elektromagnetiska spektrumet, som hjälper till att minska bakgrundsstörningar. Denna region av spektrumet är känd som "fönstret för optisk transparens" för biologisk vävnad, eftersom den biologiska vävnaden absorberar och sprider ljus minst i detta intervall.

Forskarna testade partiklarna i experiment som inkluderade avbildning av dem injicerade i möss, och avbilda en kapsel full av partiklarna genom en skiva fläsk som är mer än 3 centimeter tjock. I varje fall, forskarna kunde få fram levande, högkontrastbilder av partiklarna som lyser genom vävnaden.

Resultaten av studien dök upp online den 28 augusti i ACS Nano tidning. Det internationella samarbetet inkluderade forskare från universitetet i Buffalo och andra institutioner i USA, Kina, Sydkorea och Sverige. Det leddes tillsammans av Paras N. Prasad, en SUNY Distinguished Professor och verkställande direktör för UB:s Institute for Lasers, Fotonik och biofotonik (ILPB), och Gang Han, en biträdande professor vid University of Massachusetts Medical School.

"Vi förväntar oss att de oöverträffade egenskaperna i de kärna/skal nanokristaller som vi designade kommer att överbrygga många avbrott mellan in vitro och in vivo studier, och så småningom leda till nya upptäckter inom biologi och medicin, sa Han, uttrycker sin entusiasm över forskningsresultaten.

Studiens medförfattare Tymish Y. Ohulchanskyy, en biträdande direktör för ILPB, tror att det 3-centimeters optiska bilddjupet är oöverträffat för nanopartiklar som ger så hög kontrastvisualisering.

"Medicinsk bildbehandling är ett framväxande område, och optisk bildbehandling är en viktig teknik inom detta område, ", sa Ohulchanskyy. "Att utveckla denna nya nanoplattform är ett verkligt steg framåt för djupare optisk bioavbildning av vävnad."

Tidningens första författare var Guanying Chen, forskarassistent vid ILPB och forskare vid Kinas Harbin Institute of Technology och Sveriges Royal Institute of Technology och Jie Shen från University of Massachusetts Medical School. Andra institutioner som bidrog var Roswell Park Cancer Institute, University of North Carolina vid Chapel Hill och Korea University i Seoul.

Nästa steg i forskningen är att utforska sätt att rikta nanopartiklarna till cancerceller och andra biologiska mål som skulle kunna avbildas. Chen, Shen och Ohulchanskyy sa att förhoppningen är att nanopartiklarna ska bli en plattform för multimodal bioavbildning.