Les nanoparticules de conversion ascendante - de nouveaux types de nanomatériaux luminescents qui libèrent des photons de haute énergie après stimulation par la lumière laser - peuvent pénétrer plus profondément dans les tissus et sont plus stables photochimiquement que les agents de bio-imagerie conventionnels, tels que les points quantiques et les colorants organiques. Les nanocristaux luminescents dopés ou imprégnés de petites quantités d'ions ytterbium (Yb) de terres rares sont particulièrement efficaces pour la conversion ascendante des photons. Les lasers spécifiques utilisés pour exciter les dopants Yb, cependant, peut également chauffer des molécules d'eau dans des échantillons biologiques provoquant la mort cellulaire ou des dommages aux tissus.

Maintenant, Xiaogang Liu de l'Institut A*STAR de recherche et d'ingénierie des matériaux à Singapour et ses collègues ont synthétisé un nanocristal dopé aux terres rares qui peut être excité à des longueurs d'onde dans une « fenêtre biologique » plus sûre, grâce à une couche, conception noyau-coque.

Les nanocristaux luminescents nécessitent des composants « sensibilisateurs » pour absorber les photons et transférer l'énergie aux sites d'activation, qui émettent le rayonnement lumineux souhaité. Liu et ses collègues ont enquêté sur un autre dopant des terres rares, néodyme (Nd), qui absorbe la lumière laser à courte longueur d'onde qui excite les molécules d'eau, évitant ainsi les effets de surchauffe. Malheureusement, Le Nd ne peut être dopé en nanocristaux qu'à de très faibles concentrations avant que des interactions croisées avec des activateurs ne commencent à éteindre la luminescence. Cela rend les nanoparticules dopées au Nd de faibles émetteurs par rapport aux biomarqueurs à base d'Yb.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont produit des nanoparticules sphériques contenant des couches avec des concentrations très différentes d'ions Nd. Ils ont dopé de petites quantités de Nd, Yb, et des ions activateurs en nanocristaux de fluorure de sodium et d'yttrium (NaYF4), un matériau avec une forte efficacité de conversion ascendante. Ils ont ensuite synthétisé une couche d'enveloppe autour du noyau faiblement dopé contenant une concentration de dopant Nd significativement plus élevée de 20 %. Dans cette disposition, la couche de coquille récolte efficacement la lumière et transfère ensuite l'énergie au noyau, où de faibles concentrations de sensibilisateur minimisent la réduction de la luminescence (voir image).

Les expériences ont révélé que la conception cœur-coque améliorait considérablement les capacités de bio-imagerie des nanocristaux - le nouveau matériau avait de meilleures capacités de récolte de lumière que les nanoparticules dopées avec du Nd ou Yb pur et atteignait des intensités d'émission sept fois plus élevées que le NaYF4 pur. Des études mécanistiques ont montré que le transfert d'énergie entre les ions Nd et Yb dans le cœur des nanoparticules était essentiel pour surmonter les limites des faibles concentrations de dopant.

Prochain, l'équipe a testé ses nouveaux matériaux en imageant un ensemble de cellules cancéreuses du col de l'utérus. Alors que l'irradiation laser typique pour les biomarqueurs dopés à l'Yb a tué les cellules en cinq minutes, les longueurs d'onde plus courtes utilisées pour les nanoparticules core-shell dopées au Nd ont maintenu les cellules viables pendant le même temps.

"Nous prévoyons d'améliorer encore l'efficacité de conversion ascendante de nos nanoparticules et de les utiliser à la fois pour la bio-imagerie et l'administration de médicaments, " dit Liu.