Les matériaux d'émission de conversion ascendante sont idéaux pour la bio-imagerie en raison de leur efficacité en tant qu'agents de contraste pour la détection des cellules cancéreuses, d'autant plus lorsque l'émission de fond des tissus non cancéreux peut être minimisée. Ces matériaux pourraient être utilisés comme biomarqueurs pour le marquage luminescent des cellules cancéreuses. Les tissus opaques peuvent être transformés en vitreux, substances transparentes en utilisant ces biomarqueurs qui reposent sur une excitation dans le proche infrarouge.
L'équipe de recherche de Singapour dirigée par le professeur agrégé Xiaogang Liu et ses co-chercheurs d'Arabie saoudite et de Chine ont réussi à développer un processus de conversion ascendante efficace dans les nanoparticules, assurant une large accordabilité de l'émission lumineuse qui pourrait être utilisée dans les applications d'imagerie. Ils ont trouvé une structure chimique qui peut présenter des propriétés de conversion ascendante efficaces grâce à un arrangement spécial des niveaux d'énergie. Leur synthèse de nanocristaux core-shell dopés au lanthanide qui a abouti à des propriétés optiques avancées capables de contrôler la lumière, s'est avérée être une nouvelle approche.
Pour les applications de détection, séparer les signaux optiques de l'arrière-plan peut être délicat lorsque le signal et le bruit se produisent à la même longueur d'onde. Ce problème peut être résolu avec la conversion ascendante - un processus optique non linéaire - où deux photons de faible énergie d'un faisceau incident peuvent être convertis en un seul photon d'énergie plus élevée, qui peut alors être facilement distingué de l'arrière-plan.
La capacité de convertir la lumière à l'aide de ces nanomatériaux pour le chauffage offre également des applications prometteuses en thérapie photodynamique et en administration de médicaments.
Le travail de l'Assoc Prof Liu et de son équipe a été rapporté dans le Matériaux naturels journal, l'une des revues liées à la recherche sur les matériaux les plus connues au monde, le 23 octobre 2011. Son équipe comprend le chercheur Dr Feng Wang et les étudiants diplômés Renren Deng et Juan Wang du département de chimie de l'Université nationale de Singapour (NUS). Ils ont travaillé aux côtés de chercheurs de l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah et de l'Institut de recherche du Fujian sur la structure de la matière. Assoc Prof Liu et Dr Feng Wang sont également des scientifiques à l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE), un institut de recherche de l'Agence pour la science de Singapour, Technologie et recherche (A*STAR).
Les travaux de recherche publiés ont été financés par l'A*STAR de Singapour et le ministère de l'Éducation.
Une nouvelle approche pour la détection du cancer
L'équipe de chercheurs se concentre sur le contrôle des propriétés optiques des nanomatériaux en dopant les métaux des terres rares dans des structures confinées couche par couche. La coque nanoparticulaire peut être dopée avec différents métaux de terres rares, résultant en une large accordabilité de l'émission convertie.
En produisant des nanoparticules à émission réglable qui devraient également avoir une faible toxicité, les chercheurs ont fait un grand pas dans le développement de matériaux de conversion ascendante.
Leur nouvelle approche implique la conception de nanoparticules cœur-coquille qui séparent le processus de conversion ascendante de celui de l'émission de lumière. Les photons sont absorbés au cœur des nanoparticules et transformés en électrons excités, après quoi ils cascadent du cœur des nanoparticules dans l'état excité des dopants des terres rares dans la coquille. Tandis que là-bas, ces électrons se détendent et émettent de la lumière.
Bien qu'un tel transfert d'énergie séquentiel ait été étudié pour certaines nanoparticules et nanofils semi-conducteurs pour des applications d'énergie solaire, cela n'a jamais été fait auparavant pour les nanoparticules dopées aux terres rares.
Assoc Prof Liu a souligné que les efforts pour trouver des ions de conversion ascendante qui émettent dans une large région spectrale ont été infructueux jusqu'à présent. En effet, une conversion ascendante efficace des photons a généralement été limitée à un petit nombre d'ions lanthanides avec un signal lumineux émis détectable à l'œil nu.
Expliquant son approche réussie, Assoc Prof Liu a déclaré:"Nous effectuons une conversion ascendante de photons sur un réseau de métaux des terres rares. La conversion ascendante de photons transforme la lumière proche infrarouge à faible énergie en une énergie plus élevée rendue visible grâce à la conception rationnelle et à la synthèse chimique d'une nanostructure noyau-coque."
Assoc Prof Liu et son équipe ont préparé des nanoparticules qui pourraient démontrer une émission de conversion ascendante allant du violet, bleu, vert à rouge jaune, avec des longueurs d'onde d'excitation infrarouge nettement plus longues allant jusqu'à 980 nm. Un aspect important de l'utilisation de la lumière avec une longueur d'onde de 980 nm est que la transparence des tissus vivants est élevée dans l'infrarouge. Cela améliore les possibilités d'utilisation de ces nanoparticules pour la détection du cancer. Par ailleurs, les multiples couleurs d'émission démontrées dans cette recherche peuvent potentiellement être utilisées pour une application de diagnostic biologique plus fiable, par exemple, plusieurs marqueurs cellulaires.
Possibilités d'utilisation plus large
La capacité de convertir la lumière proche infrarouge à faible énergie en une émission visible à plus haute énergie, ainsi que de faibles niveaux de toxicité pour les cellules, et facilité de traitement, transformera des cristaux dopés aux lanthanides de taille nanométrique en matériaux idéaux pour de nombreuses applications.
Selon le groupe de NUS, les résultats indiquent qu'une grande « bibliothèque » de nanocristaux de conversion ascendante luminescents avec des empreintes digitales spectroscopiques distinctes peut maintenant être établie. Couplée à des molécules biologiques, ces nanomatériaux fourniraient une plate-forme pour une voie rapide et fiable vers la détection multiplex du cancer ou d'autres maladies. La capacité de ces nanomatériaux à induire la libération de médicaments en contrôlant la lumière pour une administration spécifique à un site est également de bon augure pour la médecine future - on peut s'attendre à des effets secondaires moins nombreux ou réduits, car les cristaux dopés aux lanthanides ont été testés pour être non toxiques.
"Ce travail m'a permis de croire que nous verrons bientôt de nouvelles applications passionnantes pour ces particules, " dit Thomas Nann, un professeur de recherche de l'Université d'Australie du Sud dont la recherche est dans ce même domaine. Le professeur Nann ajoute que « les nanoparticules à conversion ascendante sont des matériaux avec un potentiel d'application énorme. Cependant, en raison de la nécessité d'une sélection rigoureuse des ions de conversion ascendants utilisables, La science semblait n'avoir fait aucun progrès pendant un certain temps avant cette découverte."
Assoc Prof Liu et les co-chercheurs ont noté le caractère unique de leur conception, qui est l'utilisation de nanostructures cœur-coquille et d'ions gadolinium pour la migration d'énergie qui améliore la capacité de produire une large gamme de nanocristaux dopés au lanthanide pour produire une luminescence convertie.
"Bénéficier du sous-réseau d'ions gadolinium comme réseau de migration d'énergie, ces nanoparticules judicieusement conçues éclairent les ions lanthanides moins couramment utilisés comme le terbium, europium, et samarium sous excitation proche infrarouge, " explique le professeur Chun-Hua Yan, professeur de chimie et scientifique bien connu dans le même domaine à l'Université de Pékin, Chine. Ajouter, Le professeur Yan dit "Je crois que ce modèle, avec son caractère unique et sa polyvalence, enrichira considérablement les matériaux de conversion ascendante actuellement disponibles, et aura un impact sur des domaines pertinents tels que le biomarquage luminescent, stockage et affichage de données multiplexées."
Le groupe de Singapour a récemment déposé un brevet connexe pour leur découverte révolutionnaire. Actuellement, ils travaillent avec des cliniciens pour développer des modèles de diagnostic clinique à utiliser de manière pratique.
