Synthesis of rare earth nanoparticles and their use in in vivo biomedical applications

Abstract

Nanomaterials are an excellent alternative to conventional fluorescent probes (organic dyes and fluorescent proteins) because they overcome their main limitations. Thus, they increase resistance to photobleaching, photostability, enable multiplexing, extend lifetime, etc. Moreover, due to the versatility of nanomaterials and especially nanoparticles that can be modified on their surface, they increase biocompatibility in biological systems and specificity in targeting, which makes them an excellent option for in vivo and in vitro biomedical applications.Rare earth nanoparticles are of great interest for biomedical applications due to their unique physical and chemical properties. Ln3+ ions have highly degenerate electronic states and strongly favored f-f orbital transitions, which translate into specific optical properties such as large Stokes shifts, long lifetimes, sharp and intense emission bands, and considerable resistance to photobleaching and photochemical degradation. It is worth noting that in this type of nanoparticles, depending on the transitions that occur after the excitation process, light emission can occur through an upconversion process, in which multiple photons with lower energy produce emission with higher energy, or through a downshifting process. In this process, a photon with higher energy produces a lower emission. Thanks to this type of emission, rare earth nanoparticles can emit light in a wide range of the electromagnetic spectrum, from UV-vis emissions to near-infrared emissions, making them excellent fluorescent probes. Combining the above properties with the versatility these nanoparticles to bound biological molecules such as DNA, RNA proteins, etc., they are ideal candidates for theracnostic applications (detection and treatment) and are also suitable for bioimaging, as sensors and as drug carriers...

Los nanomateriales son una excelente alternativa a las sondas fluorescentes tradicionales (colorantes orgánicos y proteínas fluorescentes) ya que solucionan las principales limitaciones estas. Aumentando así, la resistencia al fotoblanqueo, la fotoestabilidad, permitiendo la multiplexación, mejorando los tiempos de vida, etc. Adicionalmente debido a la versatilidad que poseen los nanomateriales y más concretamente las nanopartículas para ser modificadas en su superficie, aumentan la biocompatibilidad en sistemas biológicos y la especificidad en la detección del objetivo, haciéndolas una excelente opción para aplicaciones biomédicas in vivo e in vitro.Las nanopartículas de tierras rara son de gran interés en aplicaciones biomédicas debido a sus propiedades físicas y químicas únicas. Los iones Ln3+ poseen estados electrónicos altamente degenerados y transiciones entre orbitales f-f altamente favorecidas, lo que se traduce en propiedades ópticas especificas como grandes desplazamientos de Stokes, largos tiempos de vida, bandas de emisiones intensas y nítidas, una resistencia considerable al fotoblanqueo y a la degradación fotoquímica. Cabe mencionar que en este tipo de nanopartículas dependiendo de las transiciones involucradas, luego del proceso de excitación, la emisión de luz puede darse siguiendo los procesos “upconversion”, donde múltiples fotones de baja energía producen una emisión de mayor energía o procesos de “downshifting” donde un fotón de mayor energía produce una emisión menor. Gracias a este tipo de emisiones las nanopartículas de tierras raras pueden generar luz en un amplio rango dentro del espectro electromagnético, que va desde emisiones en el UV-Vis hasta emisiones en el infrarrojo cercano, convirtiéndolas así en excelentes sondas fluorescentes. Combinando las propiedades ya mencionadas con la versatilidad que poseen estas nanopartículas para anclar moléculas biológicas como proteínas DNA, RNA, etc, son candidatos ideales para aplicaciones teracnósticas (de detección y tratamiento), así mismo son útiles en bioimagen, como sensores y como transportadores de medicamentos...