I materiali ad emissione di conversione sono ideali per il bioimaging grazie alla sua efficacia come agenti di contrasto per il rilevamento di cellule tumorali, tanto più quando l'emissione di fondo dei tessuti non cancerosi può essere ridotta al minimo. Questi materiali potrebbero essere usati come biomarcatori per l'etichettatura luminescente delle cellule cancerose. I tessuti opachi possono essere trasformati in vetrosi, sostanze trasparenti utilizzando questi biomarcatori che si basano sull'eccitazione nel vicino infrarosso.

Il team di ricerca di Singapore guidato dal Professore Associato Xiaogang Liu e dai suoi co-ricercatori provenienti da Arabia Saudita e Cina è riuscito a sviluppare un efficiente processo di conversione in nanoparticelle, garantendo un'ampia sintonizzabilità dell'emissione di luce che potrebbe essere utilizzata nelle applicazioni di imaging. Hanno trovato una struttura chimica che può esibire proprietà di upconversion efficienti attraverso una speciale disposizione dei livelli di energia. La loro sintesi di nanocristalli core-shell drogati con lantanidi che ha portato a proprietà ottiche avanzate in grado di controllare la luce, si è rivelato un approccio innovativo.

Per applicazioni di rilevamento, separare i segnali ottici dallo sfondo può essere complicato quando il segnale e il rumore si verificano alla stessa lunghezza d'onda. Questo problema può essere risolto con l'upconversion - un processo ottico non lineare - in cui due fotoni a bassa energia di un raggio incidente possono essere convertiti in un singolo fotone di energia maggiore, che può quindi essere facilmente distinto dallo sfondo.

La capacità di convertire la luce utilizzando questi nanomateriali per il riscaldamento offre anche applicazioni promettenti nella terapia fotodinamica e nella somministrazione di farmaci.

Il lavoro di Assoc Prof Liu e del team è stato riportato nel Materiali della natura rivista, una delle riviste di ricerca sui materiali più conosciute al mondo, il 23 ottobre 2011. Il suo team comprende il ricercatore Dr Feng Wang e gli studenti laureati Renren Deng e Juan Wang del Dipartimento di Chimica dell'Università Nazionale di Singapore (NUS). Hanno lavorato a fianco dei ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology e del Fujian Institute of Research on the Structure of Matter. Assoc Prof Liu e Dr Feng Wang sono anche scienziati presso l'Istituto di ricerca e ingegneria dei materiali (IMRE), un istituto di ricerca dell'Agenzia per la scienza di Singapore, Tecnologia e Ricerca (A*STAR).

Il lavoro di ricerca pubblicato è stato finanziato dall'A*STAR di Singapore e dal Ministero dell'Istruzione.

Un nuovo approccio alla rilevazione del cancro

Il team di ricercatori si concentra sul controllo delle proprietà ottiche dei nanomateriali drogando i metalli delle terre rare in strutture confinate strato per strato. Il guscio delle nanoparticelle può essere drogato con diversi metalli delle terre rare, con conseguente ampia sintonizzabilità dell'emissione convertita.

Producendo nanoparticelle con emissione sintonizzabile che dovrebbe avere anche una bassa tossicità, i ricercatori hanno fatto un grande passo avanti nello sviluppo di materiali upconverting.

Il loro nuovo approccio prevede la progettazione di nanoparticelle core-shell che separano il processo di conversione da quello dell'emissione di luce. I fotoni vengono assorbiti nel nucleo delle nanoparticelle e trasformati in elettroni eccitati, dopo di che cadono a cascata dal nucleo delle nanoparticelle nello stato eccitato di droganti di terre rare nel guscio. mentre lì, questi elettroni si rilassano ed emettono luce.

Sebbene tale trasferimento di energia sequenziale sia stato studiato per alcune nanoparticelle di semiconduttori e nanofili per applicazioni di energia solare, non è mai stato fatto prima per le nanoparticelle drogate con terre rare.

Il prof Liu di Assoc ha sottolineato che lo sforzo per trovare ioni upconverting che emettono in una regione spettrale ad ampio raggio non ha avuto successo fino ad ora. Questo perché un'efficiente conversione di fotoni è stata generalmente limitata a un piccolo numero di ioni lantanidi con segnale luminoso emesso rilevabile ad occhio nudo.

Spiegando il suo approccio di successo, Il prof Liu di Assoc ha dichiarato:"Eseguiamo l'upconversion di fotoni su una serie di metalli delle terre rare. L'upconversion di fotoni trasforma la luce del vicino infrarosso a bassa energia in energia più elevata resa visibile con il design razionale e la sintesi chimica di una nanostruttura core-shell".

Assoc Prof Liu e il team hanno preparato nanoparticelle che potrebbero dimostrare un'emissione di conversione che va dal viola, blu, da verde a rosso giallo, con lunghezze d'onda di eccitazione infrarosse significativamente più lunghe fino a 980 nm. Un aspetto importante dell'uso della luce con una lunghezza d'onda di 980 nm è tale che la trasparenza dei tessuti viventi è elevata nell'infrarosso. Ciò aumenta l'opportunità per l'uso di queste nanoparticelle per il rilevamento del cancro. Per di più, i colori a emissione multipla dimostrati in questa ricerca possono essere potenzialmente utilizzati per un'applicazione di diagnostica biologica più affidabile, ad esempio, più marcatori cellulari.

Opportunità per un uso più ampio

La capacità di convertire la luce del vicino infrarosso a bassa energia in un'emissione visibile a più alta energia, insieme a bassi livelli di tossicità per le cellule, e facilità di elaborazione, trasformerà cristalli drogati con lantanidi di dimensioni nanometriche in materiali ideali per numerose applicazioni.

Secondo il gruppo di NUS, i risultati indicano che è ora possibile stabilire un'ampia "libreria" di nanocristalli luminescenti di conversione verso l'alto con impronte digitali spettroscopiche distinguibili. Quando accoppiato con molecole biologiche, questi nanomateriali fornirebbero una piattaforma per un percorso rapido e affidabile per il rilevamento multiplex del cancro o di altre malattie. La capacità di questi nanomateriali di indurre il rilascio di farmaci per il controllo della luce per la somministrazione sito-specifica è di buon auspicio anche per la medicina futura:si possono prevedere effetti collaterali minori o ridotti poiché i cristalli drogati con lantanidi sono stati testati per non essere tossici.

"Questo lavoro mi ha dato la certezza che vedremo presto nuove interessanti applicazioni per queste particelle, "dice Thomas Nann, un professore di ricerca della University of South Australia la cui ricerca è in questo stesso campo. La prof.ssa Nann aggiunge che "le nanoparticelle che convertono verso l'alto sono materiali con un enorme potenziale di applicazione. Tuttavia, a causa della necessità di una selezione rigorosa di ioni up-convertenti utilizzabili, La scienza sembrava non aver fatto alcun progresso per un po' di tempo prima di questa scoperta".

Assoc Prof Liu e co-ricercatori hanno notato l'unicità del loro design, che è l'uso di nanostrutture core-shell e ioni di gadolinio per la migrazione di energia che migliora la capacità di produrre un'ampia gamma di nanocristalli drogati con lantanidi per produrre luminescenza convertita.

"Sfruttando il sottoreticolo degli ioni gadolinio come rete per la migrazione di energia, queste nanoparticelle progettate con giudizio illuminano quegli ioni lantanidi meno comunemente usati come il terbio, europio, e samario sotto eccitazione nel vicino infrarosso, " spiega il professor Chun-Hua Yan, un professore di chimica e noto scienziato nello stesso campo all'Università di Pechino, Cina. aggiungendo, Il prof Yan afferma:"Credo che questo modello, con la sua unicità e versatilità, arricchirà notevolmente i materiali di upconversion attualmente disponibili, e avrà un impatto su campi rilevanti come la biomarcatura luminescente, memorizzazione e visualizzazione multiplex dei dati."

Il gruppo di Singapore ha recentemente depositato un relativo brevetto per la loro scoperta rivoluzionaria. Attualmente, stanno lavorando con i medici per sviluppare modelli diagnostici clinici da utilizzare in modo pratico.