Denken außerhalb der box: ‚Sehen‘ klarer und tiefer in die live-Organe: die Wissenschaftler verwenden einen einzigartigen Ansatz entwickelt haben, eine neue biomedical imaging contrast agent

Wissenschaftler verwenden einen einzigartigen Ansatz entwickelt haben, eine neue biomedical imaging contrast agent. Sie sagen, der Durchbruch überwindet eine große Herausforderung, Sie zu „sehen“ tiefer in lebendem Gewebe und öffnet den Weg für bedeutende Verbesserungen in der optischen imaging-Technologie.

Die Entwicklung, die ein Ergebnis der internationalen Zusammenarbeit zwischen der Fudan-Universität in China und der University of Technology Sydney (UTS), hat das Potenzial, um bio-imaging-Auflösung über das hinaus, was derzeit möglich ist mit CT-und PET-imaging-Technologie. Die Forschung, veröffentlicht in „Nature Photonics“.

Professor Dayong Jin, senior-Autor auf der Studie und Direktor des UTS-Institut für Biomedizinische Materialien & Geräte (IBMD), sagte: „dieses Ergebnis ist ein gutes Beispiel, das zeigt, wie wir machen Fortschritte in der Photonik und Materialwissenschaften in revolutionären Biotechnologien auf IBMD.“

Optische Kontrastmittel verwendet werden in Erster Linie zur Verbesserung der Visualisierung und Differenzierung in Gewebe und Blutgefäße in beiden klinischen und Forschung Einstellungen.

Zur Optimierung der Helligkeit eines Kontrastmittels und effizient zu beleuchten einzelne Zellen und Biomolekülen, die Herausforderung liegt in der überwindung einer Einschränkung in der Physik, genannt „Konzentration abschrecken.“ Dies wird verursacht durch das Kreuz Entspannung der Energie zwischen Emittenten, wenn Sie zu nah an einander, so dass zu viele Emittenten führt zu einer Ausblendung der Helligkeit.

„Der neue Ansatz in dieser Studie wurde zum entsperren des Konzentrations-quenching-Effekt durch die Verwendung von reinen seltenen Erden element Yttrium, hat nur einen einzigen angeregten Zustand zu vermeiden, inter-system-cross-Entspannung“, erklärt Professor Jin, „so dass ein Netzwerk von über 5.000 reines ytterbium-Strahler sein kann, eng verdichtet in einem Bereich von 10 nm im Durchmesser erreicht, ein tausend mal kleiner als eine Zelle.“

An dieser emitter Dichte aller möglichen atomaren doping-Websites sind besetzt von ytterbium innerhalb des Kristall-Gitter-Struktur, und einmal ordnungsgemäß passiviert (nicht reagierend), durch eine dünne Schicht aus biokompatiblen Kalzium-Fluorid, das material ist frei von Konzentration abschrecken.

„Dies ermöglicht es, die Effizienz der Photonik Umwandlung der Annäherung an die theoretische Grenze von 100%. Dies nicht nur in benchmarks einen neuen Rekord in der Photonik und der Materialwissenschaften, sondern erschließt auch viele potenzielle Anwendungen“, Professor Jin sagte.

Blei-Autor auf dem Papier, Herr Yuyang Gu, PhD-Studentin an der Fudan-Universität, sagte: „mit dieser neuen Kontrastmittel in einem Maus-Modell erlaubt uns zu sehen, durch die ganzen Mäuse.“

Die grundlegende Physik der fluoreszierenden Sonden verwendet in der optischen Bildgebung bedeutet, dass es nur eine eng definierte nah-Infrarot (NIR) „Fenster“ [optische Transparenz-Fenster], jenseits derer das sichtbare Licht kann Gewebe durchdringen. Der Entwurf eines Kontrastmittels, die sowohl absorbiert und emittiert im NIR-ohne Verlust der Energie ist schwierig.

„Obwohl ytterbium hat eine ‚Reine Energie‘ – Ebene, die hilft, schützen die absorbierten Photonen im NIR-band, bevor Sie emittiert werden, mit vernachlässigbar Verlust von Energie, die einfach angeregten Zustand erlaubt nur die Emissionen in den sehr ähnlichen band von NIR, wodurch es unmöglich ist, die konventionellen Farbfilter zu unterscheiden, die Emissionen aus den stark streuenden Umgebung von laser-Anregung,“ Professor Jin sagte.

„Die Forschung benötigt ’neue Physik‘. Wir mussten wirklich denken außerhalb der box.“

Anstelle von Spektral „Filterung“ der signal-Emissionen, die Forscher weiter beschäftigte eine zeitaufgelöste Technik, angehalten, die Anregung Licht, und nutzten die „photon storage“ – Eigenschaft der ytterbium-Strahler, Verlangsamung der emission von Licht, lange genug, um eine klarere Trennung zwischen der Anregung und emission von Licht in der Zeit-Domäne. Professor Jin vergleicht dieses Phänomen, das Szenario, wenn, nach dem ausschalten von TV, die langlebige Fluoreszenz von einem „ghost“ – image gesehen wird, als ein afterglow in der Dunkelheit.

Für die letzten fünf Jahre Professor Jin und sein team entwickelt haben, eine Bibliothek mit Super Punkten ?-Dots -, Hyper-Dots und der Thermischen Punkte als multiphotonen-Lumineszenz-Sonden für die Sensorik und imaging-Anwendungen.

„Dieses Ergebnis ist ein weiterer Quantensprung, bringt uns eine neue Reihe von Forschungs-Kapazitäten in Richtung auf die Entwicklung effizienter und funktionale nanoskalige sensoren und biomolekulare Sonden“ Professor Jin Hinzugefügt.

Fudan-Universität, der leitende Prüfarzt, Professor Fuyou Li sagte: „Dies ist eine „neue“ leuchtende Prozess mit hoher Effizienz. Wir hoffen zu finden, mehr geeignete Bewerbungen auf der Grundlage der fine-tuning “ der Zerfall-Prozess diese Art von Sonden.“

Die kombinierte Nutzung von high-density von ytterbium-Strahler und zeitaufgelöste Ansatz bedeutete, war es möglich zu maximieren, die Anzahl der Strahler, der Licht-Wirkungsgrad und die Helligkeit des Kontrastmittels und damit wesentlich zur Verbesserung der Sensitivität, Auflösung und Tiefe.

Professor Jin sagte, dass es war ein weiteres Beispiel dafür, wie Durchbrüche in der Physik kann dazu führen, die Entwicklung von neuen und verbesserten medizinischen Technologien unter Berufung auf die evolution und revolution in der diagnostischen Methoden wie Röntgen -, CT-und PET-Bildgebung.