03/09/2012 - Laserentwicklung für Anwendungen in der Biomedizin

Menéame

Die Wissenschaftler haben zum ersten Mal eine effiziente und dauerhafte rotes Laserlicht durch den Einbau von zwei Farbmolekülen, die in geschlossenen Systemen enthalten sind, Latex-Nanopartikel in Wasser zerstreut. Die Wellenlänge des roten Lichts ist der Schlüssel zur photodynamischen Therapie mit Anwendungen, z.B. in der Augenheilkunde und Dermatologie.

Diese Disziplin, die auf der Erstellung von Bildern, der Erkennung, Analyse und Manipulation biologischer Systeme durch das Licht beruht, hat Anwendungen in so unterschiedlichen Bereichen wie Medizin, Landwirtschaft oder Umweltwissenschaften. Die Arbeit erscheint in der Zeitschrift Nature Photonics.

"Die Verwendung von rotem Licht mit einer Wellenlänge von mehr als 650 Nanometern in Biomedizin hat gewisse Vorteile, da die biologischen Gewebe für sie transparenter sind und das Licht noch weiter vertieft werden kann, was ihre Verwendung in der Chirurgie und in photodynamischen Therapien erleichtert, die auf der Lichtaktivierung von eingenommenen Arzneimitteln beruhen," erklärt der Forscher des CSIC Luis Cerdan, der am Institut für Physik Rocascalano arbeitet und zu der Gruppe gehört, die die Laser-Charakterisierung und die theoretische Studie durchgeführt hat.

Bislang war der Einsatz von kommerziellen Farbstoffen für diese Anwendungen durch das geringe Erregungslicht, das sie absorbierten, eingeschränkt, was ihre Effizienz schmälerte. Andererseits werden Farbstoffe oft leicht beschädigt, wenn sie erregt werden, wodurch ihre technologische Nützlichkeit verringert wird und die wirtschaftlichen Kosten steigen.

Um diese Probleme zu lösen, beschlossen Wissenschaftler, einen Energietransfer-Prozess namens Förster Resonance Energy Transfer (FRET) in Anspruch zu nehmen, der sich auf zwei Farbstoffe stützt: einen Spender, der die Erregung effizient absorbieren kann und kaum beschädigt wird, und einen anderen Empfänger, der Licht ausstrahlt, nachdem er die Energie des ersten Menschen erhalten hatte.

"Wir haben Rhodamina 6G Farbstoffe als Spender und Nilblau als Akzepter eingesetzt. Um die Nähe der Farbstoffe und damit eine höhere Effizienz zu gewährleisten, werden sie in polymeren Nanopartikeln mit 50 Nanometern mit einem Durchmesser von 50 Durchmessern in Wasser eingegrenzt," so der Forscher der Complutense University of Madrid Eduardo Enciso, der die Synthese der Nanopartikel durchgeführt und an der theoretischen Analyse mitgearbeitet hat. Nach Ansicht dieses Wissenschaftlers werden durch die Integration von Farbstoffen in diese Strukturen die Prozesse reduziert, die ihre Moleküle nach ihrer Erregung durch das Licht degradieren, eine "besonders ernste" Situation in den Farbstoffen mit roter Emission, wodurch der Verlust ihrer Emissionseigenschaften vermieden und ihre Lebensdauer um acht erhöht wird.

Dieses neue Lasermaterial beseitigt die Notwendigkeit, große Mengen an organischen Lösungsmitteln zu verwenden, die meisten Giftstoffe

Die photophysikalische Charakterisierung hat es ermöglicht, den Prozess der Übertragung von Energie in das System zu untersuchen, der sehr schnell auftritt, unter 500 Picósekunden (eine Picicosekunde ist ein Billionstel eines Sekunde). Nach Angaben der Forscher Jorge Bañuelos und Inñigo López Arbeloa, die diesen Teil der Forschung an der Fakultät für Wissenschaft und Technologie der Universität des Baskenlandes durchgeführt haben, "ist der Mechanismus für den Energietransfer sehr komplex, vor allem durch die Wechselwirkung der elektrischen Dipole von Spender- und Akzeptorenfarbstoffen und wird in einem mittleren Abstand von drei Nanometern hergestellt."

Die Forscher weisen darauf hin, dass dieses neue Lasermaterial die Notwendigkeit beseitigt, große Mengen an organischen Lösungsmitteln, die meistens toxisch und karzinogen sind, zu verwenden, was die konventionelle Verwendung dieser in Lösung befindlichen Farbstoffe erfordert und somit die Entstehung gesundheits- und umweltschädlicher Abfälle verhindert.

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Bibliographische Referenz:

Luis Cerdán, Eduardo Enciso, Virginia Martín, Jorge Bañuelos, Iñigo López-Arbeloa, Ángel Costela, e Inmaculada García-Moreno. "FRET-assisted laser emission in colloidal suspensions of dye-doped latex nanoparticles". Nature Photonics. DOI: 10.1038/nphoton.2012.201.

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