Uppkonverteringsnanopartiklar – nya typer av självlysande nanomaterial som frigör högenergifotoner efter laserljusstimulering – kan penetrera djupare in i vävnaden och är mer fotokemiskt stabila än konventionella bioavbildningsmedel, som quantum dots och organiska färgämnen. Luminescerande nanokristaller dopade eller impregnerade med små mängder ytterbiumjoner av sällsynta jordartsmetaller (Yb) är särskilt effektiva vid fotonuppkonvertering. De specifika lasrarna som används för att excitera Yb-dopanter, dock, kan också värma vattenmolekyler i biologiska prover och orsaka celldöd eller vävnadsskada.

Nu, Xiaogang Liu från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering i Singapore och medarbetare har syntetiserat en sällsynt jordartsmetalldopad nanokristall som kan exciteras vid våglängder inom ett säkrare "biologiskt fönster", tack vare en skiktad, kärna-skal design.

Luminescerande nanokristaller kräver "sensibiliserande" komponenter för att absorbera fotoner och överföra energi till aktivatorplatser, som avger den önskade ljusstrålningen. Liu och medarbetare undersökte ett annat dopningsmedel för sällsynta jordartsmetaller, neodym (Nd), som absorberar det kortvågiga laserljuset som exciterar vattenmolekyler, på så sätt undviker överhettningseffekter. Tyvärr, Nd kan dopas in i nanokristaller endast vid mycket låga koncentrationer innan korsinteraktioner med aktivatorer börjar släcka luminescensen. Detta gör Nd-dopade nanopartiklar till svaga utsändare jämfört med Yb-baserade biomarkörer.

För att lösa detta problem, forskarna producerade sfäriska nanopartiklar som innehöll lager med starkt olika koncentrationer av Nd-joner. De dopade små mängder Nd, Yb, och aktivatorjoner till nanokristaller av natriumyttriumfluorid (NaYF4), ett material med en stark uppkonverteringseffektivitet. De syntetiserade sedan ett skalskikt runt den lågdopade kärnan som innehöll en betydligt högre Nd-dopantkoncentration på 20 procent. I detta arrangemang, skalskiktet skördar effektivt ljus och överför sedan energi till kärnan, där låga sensibilisatorkoncentrationer minimerar luminescensreduktion (se bild).

Experimenten avslöjade att kärnan-skaldesignen dramatiskt förbättrade nanokristallernas bioavbildningsförmåga - det nya materialet hade bättre ljusskördningsförmåga än nanopartiklar dopade med ren Nd eller Yb och uppnådde emissionsintensiteter sju gånger högre än ren NaYF4. Mekanistiska studier visade att energiöverföring mellan Nd- och Yb-joner i nanopartikelkärnan var nyckeln till att övervinna begränsningarna med låga dopningskoncentrationer.

Nästa, teamet testade sina nya material genom att avbilda en rad livmoderhalscancerceller. Medan typisk laserbestrålning för Yb-dopade biomarkörer dödade cellerna inom fem minuter, de kortare våglängderna som används för Nd-dopade kärna-skal nanopartiklar höll cellerna livskraftiga under samma tid.

"Vi planerar att ytterligare förbättra uppkonverteringseffektiviteten för våra nanopartiklar och använda dem för både bioavbildning och läkemedelsleverans, säger Liu.