Los materiales de emisión de conversión ascendente son ideales para la obtención de imágenes biológicas debido a su eficacia como agentes de contraste para la detección de células cancerosas. más aún cuando se puede minimizar la emisión de fondo de tejidos no cancerosos. Estos materiales podrían usarse como biomarcadores para el marcaje luminiscente de células cancerosas. Los tejidos opacos se pueden convertir en vidriosos, sustancias transparentes mediante el uso de estos biomarcadores que se basan en la excitación del infrarrojo cercano.
El equipo de investigación de Singapur dirigido por el profesor asociado Xiaogang Liu y sus co-investigadores de Arabia Saudita y China logró desarrollar un proceso de conversión ascendente eficiente en nanopartículas. asegurando una amplia capacidad de sintonización de la emisión de luz que podría usarse en aplicaciones de imágenes. Encontraron una estructura química que puede exhibir propiedades de conversión ascendente eficientes a través de una disposición especial de niveles de energía. Su síntesis de nanocristales núcleo-capa dopados con lantánidos que dio como resultado propiedades ópticas avanzadas que pueden controlar la luz, resultó ser un enfoque novedoso.
Para aplicaciones de detección, separar las señales ópticas del fondo puede resultar complicado cuando la señal y el ruido se producen en la misma longitud de onda. Este problema se puede resolver con la conversión ascendente, un proceso óptico no lineal, en el que dos fotones de baja energía de un haz incidente se pueden convertir en un solo fotón de mayor energía. que luego se pueden distinguir fácilmente del fondo.
La capacidad de convertir la luz utilizando estos nanomateriales para calentar también ofrece aplicaciones prometedoras en la terapia fotodinámica y la administración de fármacos.
El trabajo de Assoc Prof Liu y su equipo se informó en el Materiales de la naturaleza diario, una de las revistas relacionadas con la investigación de materiales más conocidas del mundo, el 23 de octubre de 2011. Su equipo está compuesto por el investigador Dr. Feng Wang y los estudiantes graduados Renren Deng y Juan Wang del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Singapur (NUS). Trabajaron junto a investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah y del Instituto de Investigación de Fujian sobre la Estructura de la Materia. El profesor asociado Liu y el Dr. Feng Wang también son científicos del Instituto de Investigación e Ingeniería de Materiales (IMRE), un instituto de investigación de la Agencia de Ciencias de Singapur, Tecnología e Investigación (A * STAR).
El trabajo de investigación publicado fue financiado por A * STAR de Singapur y el Ministerio de Educación.
Un enfoque novedoso para la detección del cáncer
El equipo de investigadores se centra en controlar las propiedades ópticas de los nanomateriales mediante el dopado de metales de tierras raras en estructuras confinadas capa por capa. La cubierta de nanopartículas se puede dopar con diferentes metales de tierras raras, resultando en una amplia sintonización de la emisión convertida.
Al producir nanopartículas con emisión ajustable que también deberían tener una baja toxicidad, los investigadores han dado un gran salto en el desarrollo de materiales de conversión ascendente.
Su enfoque novedoso implica el diseño de nanopartículas núcleo-capa que separa el proceso de conversión ascendente del de emisión de luz. Los fotones se absorben en el núcleo de las nanopartículas y se convierten en electrones excitados. después de lo cual caen en cascada desde el núcleo de las nanopartículas al estado excitado de los dopantes de tierras raras en la cáscara. Mientras que hay, estos electrones se relajan y emiten luz.
Aunque dicha transferencia de energía secuencial se ha investigado para determinadas nanopartículas y nanocables semiconductores para aplicaciones de energía solar, no se ha hecho así antes para las nanopartículas dopadas con tierras raras.
El profesor asociado Liu señaló que el esfuerzo por encontrar iones de conversión ascendente que se emiten en una región espectral de amplio rango no ha tenido éxito hasta ahora. Esto se debe a que una conversión ascendente de fotones eficiente generalmente se ha restringido a un pequeño número de iones lantánidos con una señal de luz emitida detectable a simple vista.
Explicando su enfoque exitoso, El profesor asociado Liu dijo:"Realizamos una conversión ascendente de fotones en una serie de metales de tierras raras. La conversión ascendente de fotones convierte la luz infrarroja cercana de baja energía en una energía más alta que se hace visible con el diseño racional y la síntesis química de una nanoestructura núcleo-capa".
El profesor asociado Liu y su equipo prepararon nanopartículas que podrían demostrar una emisión de conversión ascendente que va desde violeta, azul, verde a rojo amarillo, con longitudes de onda de excitación infrarroja significativamente más largas de hasta 980 nm. Un aspecto importante del uso de luz con una longitud de onda de 980 nm es que la transparencia de los tejidos vivos es alta en el infrarrojo. Esto aumenta la oportunidad de utilizar estas nanopartículas para la detección del cáncer. Es más, los colores de emisión múltiple demostrados en esta investigación pueden potencialmente usarse para una aplicación de diagnóstico biológico más confiable, por ejemplo, múltiples marcadores celulares.
Oportunidades para un uso más amplio
La capacidad de convertir la luz del infrarrojo cercano de baja energía en una emisión visible de mayor energía, junto con bajos niveles de toxicidad para las células, y facilidad de procesamiento, convertirá cristales dopados con lantánidos de tamaño nanométrico en materiales ideales para numerosas aplicaciones.
Según el grupo de NUS, Los resultados indican que ahora se puede establecer una gran "biblioteca" de nanocristales luminiscentes de conversión ascendente con huellas dactilares espectroscópicas distinguibles. Cuando se combina con moléculas biológicas, estos nanomateriales proporcionarían una plataforma para una ruta rápida y confiable para la detección múltiple de cáncer u otras enfermedades. La capacidad de estos nanomateriales para inducir la liberación de fármacos con control de la luz para la administración en un sitio específico también es un buen augurio para la medicina futura; se pueden esperar menos o menos efectos secundarios, ya que se ha probado que los cristales dopados con lantánidos no son tóxicos.
"Este trabajo me hizo confiar en que pronto veremos nuevas y emocionantes aplicaciones para estas partículas, "dice Thomas Nann, un profesor de investigación de la Universidad de Australia del Sur cuya investigación se encuentra en este mismo campo. El profesor Nann añade que "las nanopartículas de conversión ascendente son materiales con un enorme potencial de aplicación. Sin embargo, debido a la necesidad de una selección rigurosa de iones de conversión ascendente utilizables, La ciencia parecía no haber hecho ningún progreso durante algún tiempo antes de este descubrimiento ".
El profesor asociado Liu y los co-investigadores notaron la singularidad de su diseño, que es el uso de nanoestructuras de núcleo-capa e iones de gadolinio para la migración de energía que mejora la capacidad de producir una amplia gama de nanocristales dopados con lantánidos para producir luminiscencia de conversión ascendente.
"Beneficiándose de la subred de iones de gadolinio como red para la migración de energía, estas nanopartículas cuidadosamente diseñadas iluminan los iones lantánidos menos utilizados como el terbio, europio, y samario bajo excitación infrarroja cercana, "explica el profesor Chun-Hua Yan, profesor de química y científico reconocido en el mismo campo en la Universidad de Pekín, Porcelana. Añadiendo, El profesor Yan dice:"Creo que este modelo, con su singularidad y versatilidad, enriquecerá enormemente los materiales de conversión ascendente disponibles actualmente, y tendrá un impacto en campos relevantes como el bioetiquetado luminiscente, almacenamiento y visualización de datos multiplexados ".
El grupo de Singapur ha presentado recientemente una patente relacionada por su descubrimiento innovador. En la actualidad, están trabajando con los médicos para desarrollar modelos de diagnóstico clínico para su uso de manera práctica.
