High Accuracy Relative Luminescence Quantum Yield Measurements of Upconverting Nanoparticles

Abstract

The name Upconverting nanoparticles refers to a novel category of luminescence emitters that are capable of generating visible luminescence upon excitation with noncoherent and longer wavelength monochromatic near-infrared light, at excitation fluence rates as low as 1-103 W/cm2. This unique optical behaviour is of great interest to researchers as it could potentially allow for virtually autofluorescence free luminescence imaging of living tissue. With them also exhibiting other advantageous properties such as a low toxicity to living cells, a high resistance to photobleaching and a small size, these nanocrystals show great potential for replacing or complementing conventional fluorophores in a wide selection of imaging applications.

For this thesis, a system based on a conventional fluorometer concept, is designed and assembled which allows for the full characterization of the quantum yield of dilute samples of Upconverting nanoparticles as a function of the excitation radiation fluence rate. In addition to this, a proof-of-concept experiment is carried out with the aim to demonstrate how this dependence of the upconversion process on the excitation power density can be utilized to extract additional spatial information with a nanoparticle tomography measurement that would not be obtainable if conventional fluorophores instead had been probed.

Popular Abstract (Swedish)

I dagens moderna samhälle har människan numera tillgång till en alltmer kapabel sjukvård, med en längre livslängd och en ökad levnadskvalitet, världen över, som följd. Det är inte bara så att vår kunskap om kroppens funktioner och åkommor har förbättras med tiden utan det är även så att läkare numera har tillgång till avancerad teknik som hjälper dem att ställa träffsäkra diagnoser och utvärdera huruvida en behandlingsmetod har önskad verkan. Eftersom kroppens mjuka vävnad men inte själva benstommen är mer eller mindre genomskinlig för kortare ljusvåglängder är det till exempel möjligt att avgöra om en arm är bruten genom att studera hur röntgenstrålning påverkas då den färdas genom kroppen. Å andra sidan innebär detta att någon annan typ av ljus måste användas för att undersöka andra detaljer så som blodkärl och organ.

Inom det synliga området är avbildningssituationen betydligt mer komplicerad. Om du någon gång hållit en ficklampa mot din handflata och sett hur handen på andra sidan tycks lysa rött kan du föreställa dig hur svårt det är att ta fram en bild av insidan av kroppen. Visst tar det röda ljuset sig igenom till andra sidan men det går inte att urskönja något spår från handens ben. Situation påminner väldigt mycket om hur ljus beter sig i ett glas mjölk. Oavsett ljusets våglängd så är sannolikheten stor för ljusstrålar utifrån att de ska lyckas undkomma vätskan, något som ger upphov till glasets vita färg. All information om vad som fanns på andra sidan glaset döljs dock av den stora mängden riktningsförändringar som strålarna utsätts för under passagen.

För att ta sig runt det här problemet vid medicinsk avbildning drar användare nytta av statistik och datorsimuleringar för att ändå kunna ta fram en bild av det som är svårt att se direkt med blotta ögat. Ett annat knep är att också använda sig av något som kallas för biomarkörer. Dessa små partiklar kan designas så att de då de belyses med synligt ljus svarar och skickar tillbaka något mindre energirik strålning, något som kallas för fluorescens. Genom att samla in den här signalen kan man med ett sådant beteende öka kontrasten mellan intressanta partiklar och bakgrunden under avbildningsprocessen, vilket kan förbättra bildkvaliteten avsevärt. Utveckling av tekniken har idag nått så pass långt att vissa biomarkörer nu kan behandlas på ett speciellt sätt så att de efter att ha tagits upp av kroppen automatiskt ansamlas vid ett visst ställe som forskare är nyfikna på. Den här egenskapen kan i sin tur till exempel användas för att upptäcka cancerceller hos en patient eller hos ett försöksdjur, även om tumörens utseende ursprungligen inte skiljer sig åt från dess omgivning.

I dagsläget är det möjligt att skapa mycket ljusstarka biomarkörer och att avbilda dessa på ett sätt som är betydligt billigare än andra alternativ som till exempel magnetröntgen (MRI). Teknikens svaghet, åtminstone för tillfället, är istället att de allra flesta partiklar kräver ljus med relativt hög energi för att kunna generera fluorescens. Som exemplet med ficklampan ovan visar har sådant blått eller ultraviolett ljus dock det svårt att färdas längre sträckor i levande vävnad, något som gör den fluorescenssignal som kan uppnås utan att skada celler och organ betydligt svagare. Det är dessutom så att strålning inom det här våglängdsområdet tenderar att aktivera andra fluorescerande partiklar som förekommer naturligt i vävnaden så att även de börjar skicka ut ljus som åtminstone till viss del kan dränka den intressanta signalen.

Den här uppsatsen är inriktad på att undersöka en ny grupp av biomarkörer som, då de belyses med betydligt rödare ljus, har en förmåga att generera strålning som är mer energirik än den typ som de tar upp, genom ett komplicerat samarbete mellan de joner som finns inuti varje partikel. Det här fenomenet är möjligt utan att lagen om energins bevarande kringgås eftersom utsändandet av ljus föregås av en period med ett ansamlande av energi inom partikeln. På grund av det här beteendet och deras diameter som oftast är mindre än 100 nanometer, kallas de här biomarkörerna för Uppkonverterande nanopartiklar.

De här nanopartiklarna har en fördel gentemot mer konventionella biomarkörer eftersom deras optiska egenskaper kan anpassas under tillverkningsprocessen så att de är optimala för avbildning av levande vävnad. Genom att både ta emot och skicka ut rödare våglängder kan man i teorin få bägge signalerna att färdas betydligt längre utan att dö ut än vad som kan uppnås med andra alternativ. Detta innebär också att man inte på samma sätt måste ta hänsyn de fluorescerande partiklar som förekommer naturligt i kroppen eftersom dessa inte aktiveras av rött ljus.

Den stora nackdelen med att använda Uppkonverterande nanopartiklar tycks idag vara att de
partiklar som i nuläget kan tillverkas är relativt ineffektiva när det gäller att omvandla energin från insignalen till en stark utsignal. Visst är det lättare för det röda ljuset som sänds ut från nanopartikeln att nå detektorn men om det är alltför ljussvagt redan från början är de annars gynnsamma optiska egenskaperna inte längre särskilt betydelsefulla. På grund av detta handlar idag mycket utav forskningen kring Uppkonverterande nanopartiklar om att förbättra deras uppkonverteringseffektivitet och ljusstyrka. Trots detta är det just nu faktiskt inte helt självklart vilket det bästa sättet är att mäta dessa egenskaper. Det finns visserligen redan välutvecklade rutiner för att undersöka vanliga konventionella biomarkörer men eftersom det visat sig att nanopartiklarnas effektivitet, till skillnad från de andras, beror på insignalens energimängd per ytenhet, den så kallade excitationsintensiteten, är dessa inte direkt applicerbara.

För den här uppsatsen har ett unikt mätsystem tagits fram och byggts upp just för att kunna
utvärdera hur uppkonverteringseffektiviteten beror på insignalens intensitet hos prover med
Uppkonverterande nanopartiklar lösta i genomskinliga vätskor. Metoden, som går ut på att jämföra provets effektivitet med ett prov som innehåller vanliga nedkonverterande partiklar med en känd effektivitet då dessa belyses med laserstrålning, är visserligen i grunden baserad på teknik som redan används idag, men uppställningen har anpassats efter de speciella krav som nanopartiklarna för med sig. Uttryckligen så undersöks excitationsenergin för de två laserstrålarna, hur mycket av energin som tas upp av de olika partiklarna, diametern på tvärsnittet av den laserstrålen som träffar nanopartiklarna samt storleken på de signaler som sänds ut av de två proverna. Den här mätdatan analyseras sedan i datorprogrammet MatLab från företaget Mathworks.

Utöver detta har även ett avbildningsexperiment designats för att demonstrera hur nanopartiklarnas excitationsintensitetsberoende faktiskt kan användas till att samla in information som inte skulle vara möjlig att ta fram på samma sätt med hjälp av vanliga fluorescerande partiklar. För att åstadkomma detta förbereds en så kallad avbildningsfantom, en vätskevolym med optiska egenskaper som är tänkta att efterlikna de man kan förvänta sig i levande vävnad. Inuti fantomen placeras ett prov med nanopartiklar vars avstånd till volymens yta, provets så kallade djup, kan justeras med hög noggrannhet. Sedan undersöks hur utsignalen från nanopartiklarna påverkas av en förändring av excitationsintensiteten vid fantomens yta med hjälp av samma laser som användas för att bestämma partiklarnas uppkonverteringseffektivitet och biofotonikgruppen i Lunds avancerade avbildningskamera. Eftersom det finns ett samband mellan provets avstånd till ytan och vilken intensitet som den upplever men också ett mellan intensiteten och partiklarnas ljusgenereringseffektivitet kan provets djup bestämmas genom att undersöka hur systemets utsignal ändras då energin på laserstrålningen varieras.

• author: Thomasson, Björn
• supervisor: Stefan Andersson-Engels
• organization: Department of Physics; Atomic Physics
• course: PHYM01 20121
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Upconverting Nanoparticles, Biomedical imaging, Luminescence tomography, Luminescence imaging, Engineering, Physics, Engineering Physics, Photonics, Cancer, Cancer detection, Cancer diagnostics, Laser Engineering, quantum yield, imaging, upconverting, Biophotonics, Single Point Tomography, Relative Luminescence Quantum Yield Measurements, Energy transfer upconversion, Nanoscience, Luminescence, Imaging of biological tissue, Upconversion, Beam profile evaluation, Beam profile, UCNP, UCNPs, Nanoparticles
• other publication id: LRAP 515 (2016)
• language: English
• id: 8626374
• date added to LUP: 2016-02-23 16:07:10
• date last changed: 2016-02-23 16:07:10