Теперь Сяоган Лю из Института исследований и инженерии материалов A * STAR в Сингапуре и его коллеги синтезировали нанокристалл, легированный редкоземельными элементами, который можно возбуждать на длинах волн в более безопасном « биологическом окне » благодаря слоистой сердцевине. -конструкция корпуса1.
Люминесцентным нанокристаллам требуются компоненты «сенсибилизатора» для поглощения фотонов и передачи энергии к участкам активатора, которые испускают желаемое световое излучение. Лю и его сотрудники исследовали другую примесь редкоземельных элементов, неодим (Nd), который поглощает коротковолновый лазерный свет, возбуждающий молекулы воды, тем самым избегая эффектов перегрева. К сожалению, Nd может быть допирован в нанокристаллы только при очень низких концентрациях, прежде чем перекрестные взаимодействия с активаторами начнут гасить люминесценцию.
Это делает наночастицы, легированные неодимом, слабыми эмиттерами по сравнению с биомаркерами на основе Yb.
Чтобы решить эту проблему, исследователи создали сферические наночастицы, содержащие слои с совершенно разными концентрациями ионов Nd. Они легировали небольшое количество ионов Nd, Yb и активатора в нанокристаллы фторида натрия иттрия (NaYF4), материала с высокой эффективностью преобразования с повышением частоты. Затем они синтезировали слой оболочки вокруг низколегированной сердцевины, содержащий значительно более высокую концентрацию примеси неодима — 20%.
При таком расположении слой оболочки эффективно собирает свет, а затем передает энергию сердцевине, где низкие концентрации сенсибилизатора минимизируют снижение люминесценции (см. Изображение).
Эксперименты показали, что конструкция ядро-оболочка кардинально улучшила возможности нанокристаллов в области биоизображения — новый материал имел лучшую способность собирать свет, чем наночастицы, легированные чистым Nd или Yb, и достигал интенсивности излучения в семь раз выше, чем чистый NaYF4.
Механистические исследования показали, что передача энергии между ионами Nd и Yb в ядре наночастиц является ключом к преодолению ограничений, связанных с низкими концентрациями примесей.
Затем команда проверила свои новые материалы, визуализировав массив клеток рака шейки матки.
В то время как типичное лазерное облучение для биомаркеров, легированных Yb, убивает клетки в течение пяти минут, более короткие длины волн, используемые для наночастиц ядро-оболочка, легированные неодимом, сохраняли жизнеспособность клеток в течение того же времени.
«Мы планируем и дальше повышать эффективность преобразования наших наночастиц и использовать их как для биоимиджинга, так и для доставки лекарств», — говорит Лю.