ES2684057B1 - USE OF A COMPOSITION THAT INCLUDES A COMBINATION OF FLUORESCENT NANOPARTICLES - Google Patents
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Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
USO DE UNA COMPOSICIÓN QUE COMPRENDE UNA COMBINACIÓN DE NANOPARTÍCULAS FLUORESCENTESUSE OF A COMPOSITION THAT INCLUDES A COMBINATION OF FLUORESCENT NANOPARTICLES
CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF THE INVENTION
La presente invención se refiere a una composición que comprende una combinación de nanopartículas fluorescentes que puede ser aplicada en la detección de profundidad aplicada en diferentes campos científicos tales como: Medicina, Química, ciencia de superficies y Botánica. Específicamente, la presente invención se refiere al uso de la composición para determinar grosor de láminas de materiales porosos, para determinar la estructura radicular de una planta o para elaborar un agente de diagnóstico para el diagnóstico de cáncer de piel en un sujeto humano.The present invention relates to a composition comprising a combination of fluorescent nanoparticles that can be applied in the detection of depth applied in different scientific fields such as: Medicine, Chemistry, surface science and Botany. Specifically, the present invention relates to the use of the composition to determine sheet thickness of porous materials, to determine the root structure of a plant or to develop a diagnostic agent for the diagnosis of skin cancer in a human subject.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Los trazadores fluorescentes tienen la capacidad de fluorecer en diferentes longitudes de onda del rango visible del espectro electromagnético, en función de su composición química, textura, estructura y morfología, cuando son expuestos a una radiación coherente, típicamente en el rango del infrarrojo cercano. En los últimos años se han propuesto técnicas que utilizan “quantum dots”; pero estos compuestos muestran problemas: necesitan radiación ultravioleta (que causa potenciales daños sobre los tejidos) y se produce una reducción de la eficiencia de la fluorescencia.Fluorescent tracers have the ability to fluoresce at different wavelengths of the visible range of the electromagnetic spectrum, depending on their chemical composition, texture, structure and morphology, when they are exposed to coherent radiation, typically in the near infrared range. In recent years, techniques that use “quantum dots” have been proposed ; but these compounds show problems: they need ultraviolet radiation (which causes potential tissue damage) and a reduction in fluorescence efficiency occurs.
Se han descrito compuestos basados en matrices inorgánicas dopadas con elementos de tierras raras, conocidos como “upconversion". Compounds based on inorganic matrices doped with rare earth elements, known as "upconversion" have been described.
El proceso upconversion es un proceso intrínseco de los lantánidos, mediante el que se produce una excitación en cadena de los electrones tras la radiación del compuesto con infrarrojo cercano, para posteriormente dar lugar a una relajación de los electrones y por lo tanto una emisión de la energía acumulada en dicha excitación.The upconversion process is an intrinsic process of the lanthanides, by means of which a chain excitation of the electrons occurs after the radiation of the compound with near infrared, to later give rise to a relaxation of the electrons and therefore an emission of the energy accumulated in said excitation.
La relajación de estos electrones, desde el estado excitado al fundamental, da lugar a la emisión de una radiación electromagnética con longitudes de onda cortas. Para que este proceso pueda llevarse a cabo, son necesarios tres elementos que formaran parte de la red cristalina del compuesto, actuando cada uno para un determinado fin en el proceso:The relaxation of these electrons, from the excited to the fundamental state, results in the emission of electromagnetic radiation with short wavelengths. For this process can be carried out, three elements that will be part of the crystalline network of the compound are necessary, each acting for a certain purpose in the process:
- Estabilizador: Son los materiales que forma la matriz cristalina del compuesto. Siendo esta la base de la estructura cristalina del mismo.- Stabilizer: They are the materials that form the crystalline matrix of the compound. This being the basis of its crystalline structure.
- Sensibilizador: Tierra rara que actúa donando energía a los activadores, siendo los elementos lantánidos trivalente los que muestran mayor eficiencia upconversion. - Sensitizer: Rare earth that acts by donating energy to activators, with the trivalent lanthanide elements showing the highest upconversion efficiency .
- Activador: Este elemento acumula la energía del sensibilizador y emite radiación con longitudes de onda más cortas que las de la energía recibida.- Activator: This element accumulates sensitizer energy and emits radiation with shorter wavelengths than the energy received.
Este proceso es observado en todos los metales de transición. Sin embargo, aquellos con mayor eficiencia son los lantánidos, debido a su configuración electromagnética.This process is observed in all transition metals. However, those with greater efficiency are lanthanides, due to their electromagnetic configuration.
Los lantánidos que muestran mayor eficiencia upconversion son los iones trivalentes. Por ello, la configuración habitual de nanopartículas fluorescentes upconversion se forma con los iones trivalentes de lantánidos unidos a compuestos inocuos que actúan como estabilizadoresThe lanthanides that show the highest upconversion efficiency are trivalent ions. Therefore, the usual configuration of upconversion fluorescent nanoparticles is formed with the trivalent ions of lanthanides bound to harmless compounds that act as stabilizers
En el estado de la técnica existen pocos métodos descritos para la medida del grosor de las capas de pasivación de materiales metálicos. La técnica más utilizada es la llamada espectroscopía de impedancia electroquímica, que supone una acción negativa sobre el material estudiado que puede dañar la capa medida.In the state of the art there are few methods described for measuring the thickness of the passivation layers of metallic materials. The most commonly used technique is the so-called electrochemical impedance spectroscopy, which involves a negative action on the material studied that can damage the measured layer.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓNDESCRIPTION OF THE INVENTION
La presente invención proporciona el uso de una composición que comprende una combinación de nanopartículas fluorescentes, donde dicha composición comprende nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al azul, nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al verde, nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al rojo y nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al rojo/morado para determinar profundidades de materiales porosos, para determinar grosor de láminas de materiales porosos, para determinar la estructura radicular de una planta o para elaborar un agente de diagnóstico para el diagnóstico de cáncer de piel en un sujeto humano, donde dicho uso comprende:The present invention provides the use of a composition comprising a combination of fluorescent nanoparticles, wherein said composition comprises nanoparticles that emit radiation at a wavelength corresponding to blue, nanoparticles that emit radiation at a wavelength corresponding to green, nanoparticles that emit radiation at a wavelength that corresponds to red and nanoparticles that emit radiation at a wavelength that corresponds to red / purple to determine depths of porous materials, to determine thickness of sheets of porous materials, to determine the root structure of a plant or to make a diagnostic agent for the diagnosis of skin cancer in a human subject, where said use comprises:
(a) aplicar sobre dicho material poroso dicha composición o aplicar sobre el medio de crecimiento de dicha planta dicha composición o administrar dicha composición a dicho sujeto humano,(a) applying said composition on said porous material or applying said composition on the growth medium of said plant or administering said composition to said human subject,
(b) irradiar el material poroso o el medio de crecimiento de dicha planta o la piel de dicho sujeto humano con radiación de longitud de onda en el infrarrojo cercano en el rango 800 1000 nm o con radiación de longitud de onda en el visible en el rango 500-700 nm,(b) irradiating the porous material or the growth medium of said plant or the skin of said human subject with near-infrared wavelength radiation in the 800 1000 nm range or with wavelength radiation in the visible in the 500-700 nm range,
(c) detectar la radiación emitida por dichas nanopartículas y(c) detect the radiation emitted by said nanoparticles and
(d) determinar profundidades de materiales porosos, grosor de láminas de materiales, estructura radicular de una planta o profundidad de la piel a la que se encuentra el tumor a partir de la determinación de la profundidad a la que se encuentran las nanopartículas.(d) determine depths of porous materials, thickness of sheets of materials, root structure of a plant or depth of the skin to which the tumor is based on the determination of the depth at which the nanoparticles are found.
Otra realización es el uso de la invención, donde la composición comprende:Another embodiment is the use of the invention, wherein the composition comprises:
- nanopartículas que comprenden el estabilizador NaYF4, el sensibilizante Yb y un activador, donde dicho activador es Er o Ho (NaYF4:Yb, activador), que emiten radiación a longitudes de onda que corresponden al azul, verde y rojo,- nanoparticles comprising the NaYF 4 stabilizer, the Yb sensitizer and an activator, wherein said activator is Er or Ho (NaYF 4 : Yb, activator), which emit radiation at wavelengths corresponding to blue, green and red,
- nanopartículas que comprenden el estabilizador NaYF4, el sensibilizante Yb y el activador Tm (NaYF4:Yb, Tm), que emiten radiación a longitudes de onda que corresponden al azul y rojo/morado,- nanoparticles comprising the NaYF 4 stabilizer, the Yb sensitizer and the Tm activator (NaYF 4 : Yb, Tm), which emit radiation at wavelengths corresponding to blue and red / purple,
- nanopartículas que comprenden el estabilizador LaF3 , el sensibilizante Tm y un activador, donde dicho activador es Er o Ho (LaF3 :Tm, activador), que emiten radiación a longitudes de onda que corresponden al rojo y- nanoparticles comprising the LaF 3 stabilizer, the Tm sensitizer and an activator, wherein said activator is Er or Ho (LaF 3 : Tm, activator), which emit radiation at wavelengths corresponding to red and
- nanopartículas que comprenden el estabilizador Y2O3 , el sensibilizante Yb y un activador, donde dicho activador es Er o Ho (Y2O3 :Yb, activador), que emiten radiación a longitudes de onda que corresponden al rojo.- nanoparticles comprising the Y 2 O 3 stabilizer, the Yb sensitizer and an activator, wherein said activator is Er or Ho (Y 2 O 3 : Yb, activator), which emit radiation at wavelengths corresponding to red.
Otra realización es el uso de la invención, donde dichas nanopartículas comprenden moléculas específicas contra tumores de piel.Another embodiment is the use of the invention, wherein said nanoparticles comprise specific molecules against skin tumors.
Otra realización es el uso de la invención, donde dichas moléculas específicas contra tumores de piel son anticuerpos.Another embodiment is the use of the invention, wherein said specific molecules against skin tumors are antibodies.
Otra realización es el uso de la invención, donde dichos tumores de piel están seleccionados del grupo compuesto por melanomas, carcinomas, linfomas y sarcomas. Another embodiment is the use of the invention, wherein said skin tumors are selected from the group consisting of melanomas, carcinomas, lymphomas and sarcomas.
El uso de la composición de la invención para elaborar un agente de diagnóstico para el diagnóstico de cáncer de piel en un sujeto humano permite realizar un diagnóstico por imagen de cáncer epitelial, permitiendo determinar la profundidad de las áreas afectadas. Este uso no necesita trazadores radiactivos ni radiación ionizante, que se utiliza en el estado de la técnica.The use of the composition of the invention to make a diagnostic agent for the diagnosis of skin cancer in a human subject allows an imaging diagnosis of epithelial cancer, allowing to determine the depth of the affected areas. This use does not require radioactive tracers or ionizing radiation, which is used in the state of the art.
El uso de la composición de la invención para elaborar un agente de diagnóstico para el diagnóstico de cáncer de piel en un sujeto humano utiliza marcadores fluorescentes que no suponen ninguna toxicidad para el organismo. Una ventaja de este uso de la invención es que no requiere equipos de gran coste económicos ni de gran complejidad tecnológica.The use of the composition of the invention to make a diagnostic agent for the diagnosis of skin cancer in a human subject uses fluorescent markers that do not pose any toxicity to the organism. An advantage of this use of the invention is that it does not require equipment of great economic cost or of great technological complexity.
En el uso de la composición de la invención para elaborar un agente de diagnóstico para el diagnóstico de cáncer de piel en un sujeto humano se pueden utilizar diferentes formulaciones que permiten su utilización en diversas condiciones de diagnóstico.In the use of the composition of the invention to make a diagnostic agent for the diagnosis of skin cancer in a human subject, different formulations can be used that allow its use in various diagnostic conditions.
Otra realización alternativa es una composición que comprende una combinación de nanopartículas fluorescentes, donde dicha composición comprende nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al azul, nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al verde, nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al rojo y nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al rojo/morado para su uso en un procedimiento de diagnóstico de cáncer de piel en un sujeto humano, donde dicho procedimiento comprende:Another alternative embodiment is a composition comprising a combination of fluorescent nanoparticles, wherein said composition comprises nanoparticles that emit radiation at a wavelength that corresponds to blue, nanoparticles that emit radiation at a wavelength that corresponds to green, nanoparticles that emit radiation at a wavelength corresponding to red and nanoparticles that emit radiation at a wavelength corresponding to red / purple for use in a method of diagnosing skin cancer in a human subject, wherein said procedure comprises:
(a) administrar dicha composición a dicho sujeto humano,(a) administering said composition to said human subject,
(b) irradiar la piel de dicho sujeto humano con radiación de longitud de onda en el infrarrojo cercano en el rango 800-1000 nm o con radiación de longitud de onda en el visible en el rango 500-700 nm,(b) irradiating the skin of said human subject with near-infrared wavelength radiation in the 800-1000 nm range or with visible wavelength radiation in the 500-700 nm range,
(c) detectar la radiación emitida por dichas nanopartículas y(c) detect the radiation emitted by said nanoparticles and
(d) determinar profundidad de la piel a la que se encuentra el tumor a partir de la determinación de la profundidad a la que se encuentran las nanopartículas.(d) determine the depth of the skin at which the tumor is based on the determination of the depth at which the nanoparticles are found.
Otra realización alternativa es un método de diagnóstico de cáncer de piel en un sujeto humano que comprende:Another alternative embodiment is a method of diagnosing skin cancer in a human subject comprising:
(a) administrar una composición que comprende una combinación de nanopartículas fluorescentes, donde dicha composición comprende nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al azul, nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al verde, nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al rojo y nanopartículas que emiten radiación a una longitud de onda que corresponde al rojo/morado a dicho sujeto humano,(a) administering a composition comprising a combination of fluorescent nanoparticles, wherein said composition comprises nanoparticles that emit radiation at a wavelength corresponding to blue, nanoparticles that emit radiation at a wavelength that corresponds to green, nanoparticles that emit radiation at a wavelength that corresponds to red and nanoparticles that emit radiation at a wavelength that corresponds to red / purple to said human subject,
(b) irradiar la piel de dicho sujeto humano con radiación de longitud de onda en el infrarrojo cercano en el rango 800-1000 nm o con radiación de longitud de onda en el visible en el rango 500-700 nm,(b) irradiating the skin of said human subject with near-infrared wavelength radiation in the 800-1000 nm range or with visible wavelength radiation in the 500-700 nm range,
(c) detectar la radiación emitida por dichas nanopartículas y(c) detect the radiation emitted by said nanoparticles and
(d) determinar profundidad de la piel a la que se encuentra el tumor a partir de la determinación de la profundidad a la que se encuentran las nanopartículas.(d) determine the depth of the skin at which the tumor is based on the determination of the depth at which the nanoparticles are found.
Las nanopartículas de la composición de la invención tienen una alta eficiencia de emisión de radiación en el rango visible.The nanoparticles of the composition of the invention have high radiation emission efficiency in the visible range.
La combinación de nanopartículas de la invención muestra un espectro diferenciado en el rango visible a diferentes profundidades del tejido biológico. Esto se debe a una diferente respuesta a diferentes longitudes de onda del tejido biológico.The combination of nanoparticles of the invention shows a differentiated spectrum in the visible range at different depths of the biological tissue. This is due to a different response to different wavelengths of biological tissue.
En la presente invención, la radiación en el infrarrojo cercano genera una excitación en cadena de los elementos (tierras raras) que conforman dichas nanopartículas, lo que permite una respuesta de fluorescencia en la región del visible.In the present invention, near-infrared radiation generates a chain excitation of the elements (rare earths) that make up said nanoparticles, which allows a fluorescence response in the visible region.
Esta fluorescencia visible permite localizar tumores. Para ello, la superficie de las nanopartículas es modificada con moléculas específicas contra tumores de piel de manera que las nanopartículas se unirán a las células tumorales al ser introducidas en el torrente sanguíneo. Dichas moléculas específicas contra tumores de piel pueden ser anticuerpos.This visible fluorescence allows to locate tumors. For this, the surface of the nanoparticles is modified with specific molecules against skin tumors so that the nanoparticles will bind to the tumor cells when they are introduced into the bloodstream. Such specific molecules against skin tumors may be antibodies.
Las diferentes longitudes de onda de la región visible del espectro presentan diferente atenuación a las capas del tejido. Conociendo dicha atenuación se determina la profundidad a la que se encuentra las nanopartículas y por lo tanto el tumor.The different wavelengths of the visible region of the spectrum show different attenuation to the tissue layers. Knowing said attenuation determines the depth at which the nanoparticles are located and therefore the tumor.
La presente invención proporciona el uso de la composición de la invención para determinar grosor de láminas de materiales porosos. Este uso permite medir el grosor de las capas generadas en pasivación, debido a que son compuestos inertes que permitirían mantener intacto el material tras su medida. The present invention provides the use of the composition of the invention to determine sheet thickness of porous materials. This use allows to measure the thickness of the layers generated in passivation, because they are inert compounds that would keep the material intact after its measurement.
Para ello se coloca una capa de nanopartículas fluorescentes upconversion sobre el material y se obtiene la posterior pasivación del mismo. Mediante la incisión de radiación infrarroja sobre la lámina de pasivación se obtiene una respuesta lumínica que dependiendo del material estudiado y el grosor de la capa correspondería a una longitud de onda del rango del visible, es decir, se obtendría una respuesta discriminativa en color.To this end, a layer of upconversion fluorescent nanoparticles is placed on the material and subsequent passivation is obtained. Through the incision of infrared radiation on the passivation sheet, a light response is obtained which, depending on the material studied and the thickness of the layer, would correspond to a wavelength of the visible range, that is, a discriminative response in color would be obtained.
La pasivación más común es la del aluminio, que forma una capa de óxido de aluminio conocida como alúmina y protege al material de la acción de agentes externos. La alúmina es un material que comienza a degradarse con frecuencias menores a 1MHz lo que determina que la radiación infrarroja y visible sería inerte para la misma.The most common passivation is that of aluminum, which forms a layer of aluminum oxide known as alumina and protects the material from the action of external agents. Alumina is a material that begins to degrade with frequencies below 1 MHz, which determines that infrared and visible radiation would be inert to it.
Aparece la señal discriminativa en color debido a que la absorbancia del material disminuye del azul al rojo en el espectro visible (M. S. Aw et al., Transition metal pairs on ceriapromoted, ordered mesoporous alumina as catalyst for methane-CO2 reforming reaction. Catalysis Science & Technology., 2016,6, 3797-3805).The discriminative color signal appears because the absorbance of the material decreases from blue to red in the visible spectrum (MS Aw et al., Transition metal pairs on ceriapromoted, ordered mesoporous alumina as catalyst for methane-CO2 reforming reaction. Catalysis Science & Technology., 2016.6, 3797-3805).
Para poder comprender dicha señal de salida, siguiendo la premisa de que las capas de pasivación son porosas, se aplica la ley de extinción exponencial desarrollada en los modos de realización preferente (ecuaciones 7-11), teniendo en cuenta el coeficiente de atenuación efectivo que será específico de cada material y cada señal de atenuación del mismo con respecto a la longitud de onda.In order to understand said output signal, following the premise that the passivation layers are porous, the exponential extinction law developed in the preferred embodiments (equations 7-11) is applied, taking into account the effective attenuation coefficient that It will be specific to each material and each attenuation signal of the same with respect to the wavelength.
La presente invención proporciona el uso de una composición que comprende una combinación de nanopartículas fluorescentes para determinar la estructura radicular de una planta.The present invention provides the use of a composition comprising a combination of fluorescent nanoparticles to determine the root structure of a plant.
Existen varios estudios en los que se han elaborado diversos experimentos basados en el crecimiento de plantas en un medio que contiene disueltas cantidades elevadas de nanopartículas fluorescentes upconversion, resultando los mismos en un crecimiento y desarrollo igual al de plantas de control (Peng, J. et al., Upconversion Nanoparticles Dramatically Promote Plant Growth Without Toxicity. Nano Researchs. November 2012, Volume 5, Issue 11, pp 770-782). Además al crecer en dicho medio, las nanopartículas fluorescentes upconversion pasan a estar en el sistema vascular de la planta, eliminando la necesidad de incorporar posteriormente las nanopartículas fluorescentes upconversion a las mismas para elaborar las medidas de crecimiento pertinentes. Por otra parte, la ventaja que presentan las nanopartículas fluorescentes upconversion es que son inocuas para los vegetales.There are several studies in which various experiments based on plant growth have been developed in a medium that contains high amounts of upconversion fluorescent nanoparticles , resulting in growth and development equal to that of control plants (Peng, J. et. al., Upconversion Nanoparticles Dramatically Promote Plant Growth Without Toxicity. Nano Researchs. November 2012, Volume 5, Issue 11, pp 770-782). In addition to growing in said medium, the upconversion fluorescent nanoparticles become in the vascular system of the plant, eliminating the need to subsequently incorporate upconversion fluorescent nanoparticles to them to develop growth measures relevant. On the other hand, the advantage of upconversion fluorescent nanoparticles is that they are harmless to plants.
Es bien conocido que, debido a la fotosíntesis, los elementos que conforman las plantas tales como clorofila y carotenoides, tienen bandas de absorción en el azul y el rojo en la región del visible, estás diferencias de absorción de la luz visible permitirían observar el crecimiento de las raíces de las plantas mediante la evaluación del grosor de las mismas según la respuesta lumínica que generen.It is well known that, due to photosynthesis, the elements that make up plants such as chlorophyll and carotenoids, have absorption bands in the blue and red in the region of the visible, these differences of absorption of visible light would allow to observe the growth of the roots of the plants by evaluating their thickness according to the light response they generate.
Al igual que para el tejido biológico, se tiene que estudiar dicha respuesta lumínica para conocer la profundidad de la señal de emisión, lo que se llevará a cabo conociendo la extinción exponencial que sufre el espectro de emisión de las nanopartículas introducidas en la planta.As with the biological tissue, this light response must be studied to know the depth of the emission signal, which will be carried out knowing the exponential extinction suffered by the emission spectrum of the nanoparticles introduced into the plant.
Para ello, hay que tener en cuenta que a diferencia del tejido biológico, en el vegetal, el porcentaje de agua se encuentra entre el 70% y el 90%, y está en su mayoría en las raíces. Por lo que los cálculos de profundidad de la señal, se tendrán que elaborar con respecto al coeficiente de atenuación efectivo del agua que afectaría sobre todo a la señal infrarroja.For this, it must be taken into account that, unlike the biological tissue, in the plant, the percentage of water is between 70% and 90%, and is mostly in the roots. As for the calculations of the depth of the signal, they will have to be elaborated with respect to the effective attenuation coefficient of the water that would mainly affect the infrared signal.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURASBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Figura 1: Imágenes de microscopía electrónica de barrido de diferentes compuestos en polvo: NaYF4 : Yb, Er (primera imagen, empezando por arriba), NaYF4 : Yb, Tm (segunda imagen, empezando por arriba), LaF3 : Tm, Er (tercera imagen, empezando por arriba) y Y2O3 : Yb, Er (cuarta imagen, empezando por arriba).Figure 1: Scanning electron microscopy images of different powder compounds: NaYF 4 : Yb, Er (first image, starting at the top), NaYF 4 : Yb, Tm (second image, starting at the top), LaF 3 : Tm, Er (third image, starting at the top) and Y 2 O 3 : Yb, Er (fourth image, starting at the top).
Figura 2: La curva discontinua representa la emisión o fluorescencia del compuesto y la curva continua la absorción de los compuestos: NaYF4 : Yb, Er (primera gráfica, empezando por arriba), NaYF4 : Yb, Tm (segunda gráfica, empezando por arriba), LaF3 : Tm, Er (tercera gráfica, empezando por arriba) y Y2O3 : Yb, Er (cuarta gráfica, empezando por arriba).Figure 2: The dashed curve represents the emission or fluorescence of the compound and the curve continues the absorption of the compounds: NaYF 4 : Yb, Er (first graph, starting at the top), NaYF 4 : Yb, Tm (second graph, beginning with above), LaF 3 : Tm, Er (third graph, starting at the top) and Y 2 O 3 : Yb, Er (fourth graph, starting at the top).
Figura 3: Diferentes fases cristalinas presentes en cada compuesto, determinado por difracción de rayos X: NaYF4 : Yb, Er (primera gráfica, empezando por arriba), NaYF4 : Yb, Tm (segunda gráfica, empezando por arriba), LaF3 : Tm, Er (tercera gráfica, empezando por arriba) y Y2O3 : Yb, Er (cuarta gráfica, empezando por arriba). Figure 3: Different crystalline phases present in each compound, determined by X-ray diffraction: NaYF 4 : Yb, Er (first graph, starting at the top), NaYF 4 : Yb, Tm (second graph, starting at the top), LaF 3 : Tm, Er (third graph, starting at the top) and Y 2 O 3 : Yb, Er (fourth graph, starting at the top).
Figura 4: Representación esquemática de la transferencia de radiación hacia y desde nanopartículas fluorescentes en un tejido biológico.Figure 4: Schematic representation of the transfer of radiation to and from fluorescent nanoparticles in a biological tissue.
Figura 5: Modelo de melanoma a diferentes profundidades. Primera fila, epidermis (0-0,04 mm); segunda fila, dermis (0,04-4 mm); tercera fila, subdermis (4-60 mm). Primera columna, posición del melanoma respecto a la superficie de la piel; segunda columna, nanopartículas fluorescentes unidas de forma aleatoria a la superficie del melanoma, las nanopartículas representadas en tono claro son aquellas que están iluminadas, las representadas en tono oscuro indica nanopartículas en zona oscura o no iluminada. La tercera columna representa el patrón de color de luz visible resultante en la superficie de la piel relativo a la profundidad de las nanopartículas fluorescentes. El patrón de color para determinar la profundidad se establece mediante las longitudes de onda de luz visible A1 y A2.Figure 5: Melanoma model at different depths. First row, epidermis (0-0.04 mm); second row, dermis (0.04-4 mm); third row, subdermis (4-60 mm). First column, position of the melanoma with respect to the surface of the skin; second column, fluorescent nanoparticles randomly attached to the surface of the melanoma, the nanoparticles represented in a light tone are those that are illuminated, those represented in a dark tone indicate nanoparticles in a dark or unlit area. The third column represents the resulting visible light color pattern on the surface of the skin relative to the depth of the fluorescent nanoparticles. The color pattern to determine the depth is established by the wavelengths of visible light A 1 and A 2 .
Figura 6: Modelo de estructura radicular de una planta. La diferenciación colorimétrica se establece con las longitudes de onda de la luz visible A1 , A2 y A3 así ordenadas debido al coeficiente de absorción efectivo del agua, mayoritaria en las raíces.Figure 6: Root structure model of a plant. The colorimetric differentiation is established with the wavelengths of visible light A 1 , A 2 and A 3 thus ordered due to the effective absorption coefficient of water, mostly in the roots.
Figura 7: Modelo de determinación de grosor de láminas de pasivación. A1 y A2 representan la longitud de onda de la luz visible que emiten las nanopartículas, representando las longitudes de onda que permiten atravesar la capa de pasivación en función de su grosor.Figure 7: Model for determining the thickness of passivation sheets. A 1 and A 2 represent the wavelength of the visible light emitted by the nanoparticles, representing the wavelengths that allow the passivation layer to be traversed based on its thickness.
MODOS DE REALIZACIÓN PREFERENTEPREFERRED EMBODIMENTS
Ejemplo 1. Síntesis de nanopartículas fluorescentes upconversion Example 1. Synthesis of upconversion fluorescent nanoparticles
Los parámetros más relevantes de las nanopartículas que afectan directamente al proceso físico y pueden ser modificados en la síntesis son:The most relevant parameters of nanoparticles that directly affect the physical process and can be modified in the synthesis are:
- Tamaño.- Size
- Pureza de la fase cristalina.- Purity of the crystalline phase.
- Morfología.- Morphology.
- Monodispersidad.- Monodispersity.
Los métodos más estudiados para el control de estos parámetros son: método de coprecipitación; descomposición térmica, proceso sol-gel y método solvotérmico. Todos estos procesos tienen limitaciones, sobretodo en cuanto a dispersión de las nanopartículas y las distribuciones de tamaño, excepto el método solvotérmico. Este método permite la síntesis de nanocristales con un tamaño, morfología, propiedades ópticas y magnéticas controladas a través de la temperatura y el tiempo de reacción, la concentración de reactivos, el valor del pH y los distintos precursores de la reacción. Por ello, será usado el método solvotérmico para la síntesis de nanopartículas fluorescentes upconversion presentadas en este trabajo.The most studied methods for the control of these parameters are: coprecipitation method; thermal decomposition, sol-gel process and solvothermic method. Everyone These processes have limitations, especially in terms of dispersion of nanoparticles and size distributions, except for the solvothermic method. This method allows the synthesis of nanocrystals with a size, morphology, optical and magnetic properties controlled through temperature and reaction time, reagent concentration, pH value and different reaction precursors. Therefore, the solvothermic method for the synthesis of upconversion fluorescent nanoparticles presented in this work will be used.
Para poder sintetizar dichas nanopartículas se han llevado a cabo los siguientes pasos:In order to synthesize these nanoparticles, the following steps have been carried out:
- Preparación de la disolución madre: esta disolución contiene las tierras raras (lantánidos) que actúan como: estabilizador, sensibilizador (donador de energía) y activador (emisor de energía) para llevar a cabo el proceso upconversion. La disolución usada tiene 0.5 M Ln(NO3) donde el porcentaje de cada lantánido es:- Preparation of the stock solution: this solution contains the rare earths (lanthanides) that act as: stabilizer, sensitizer (energy donor) and activator (energy emitter) to carry out the upconversion process . The solution used has 0.5 M Ln (NO 3 ) where the percentage of each lanthanide is:
- Porcentaje X de estabilizador.- Percentage X of stabilizer.
- Porcentaje 0.2X de sensibilizador.- 0.2X percentage of sensitizer.
- Porcentaje 0.002X de activador.- 0.002X percentage of activator.
Todos estos porcentajes son calculados relativos al número de moles. Finalmente, cuando la solución está preparada, es agitada a una temperatura entre 40-50 °C hasta la disolución total de los componentes y el cambio de la misma de un color blanco a transparente.All these percentages are calculated relative to the number of moles. Finally, when the solution is prepared, it is stirred at a temperature between 40-50 ° C until the components dissolve completely and change it from a white to transparent color.
- Preparación de la disolución A: se trata de una mezcla de ácido oleico y etanol, los que actúan respectivamente como controlador del crecimiento y la solubilidad de las partículas en la mezcla. La cantidad (en moles) de estos compuestos es calculada como sigue:- Preparation of solution A: it is a mixture of oleic acid and ethanol, which act respectively as a growth controller and the solubility of the particles in the mixture. The amount (in moles) of these compounds is calculated as follows:
- Ácido oleico, relativo a la cantidad de estabilizador:- Oleic acid, relative to the amount of stabilizer:
Molácido oléico- 81,5 Molestabilizador (1)Oleic Molácido- 81.5 Molestabilizer (1)
- Etanol, relativo a la cantidad de ácido oleico:- Ethanol, relative to the amount of oleic acid:
MolEtOH _ 8,2 Molácido oléico (2)MolEtOH _ 8.2 Oleic Molácido (2)
- Preparación de la disolución B: Esta mezcla está formada por NaF y NaOH. El primero de estos componentes es usado para formar la matriz del cristal. El segundo se usa como- Preparation of solution B: This mixture is formed by NaF and NaOH. The first of these components is used to form the crystal matrix. The second is used as
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agente de precipitación para dar lugar a las partículas sólidas. La cantidad de los mismos (en moles) es calculada como:precipitation agent to give rise to solid particles. The amount thereof (in moles) is calculated as:
- NaF: Es necesario un exceso de compuesto con respecto al estabilizador. En este caso será usada una cantidad tres veces mayor.- NaF: An excess of compound is necessary with respect to the stabilizer. In this case an amount three times greater will be used.
MolNaF = 3 Molestablizador (3)MolNaF = 3 Annoying (3)
- NaOH: se calcula relativo a la cantidad de NaF considerando un exceso sobre la misma, se consideró suficiente tras varios ensayos un exceso de 2.5.- NaOH: calculated relative to the amount of NaF considering an excess over it, an excess of 2.5 was considered sufficient after several tests.
MolNaOH = 2,5 MolNaF (4)MolNaOH = 2.5 MolNaF (4)
El siguiente paso es la mezcla de las disoluciones A y B el tiempo necesario que asegure la acción de cada componente.The next step is the mixing of solutions A and B for the time required to ensure the action of each component.
Una vez se ha obtenido la disolución final, es introducida en un autoclave (el volumen de la disolución introducida dependerá del volumen del autoclave utilizado) el cual se introducirá a su vez en un horno mufla para generar las condiciones idóneas para la formación de las nanopartículas. En este caso las condiciones fueron 230 °C durante 24 horas. Cuando este proceso es finalizado, el precipitado resultante obtenido en el interior del autoclave es lavado con etanol y agua en varias ocasiones con la ayuda de una centrífuga.Once the final solution has been obtained, it is introduced into an autoclave (the volume of the solution introduced will depend on the volume of the autoclave used) which will be introduced in a muffle furnace to generate the ideal conditions for the formation of the nanoparticles . In this case the conditions were 230 ° C for 24 hours. When this process is finished, the resulting precipitate obtained inside the autoclave is washed with ethanol and water several times with the help of a centrifuge.
Para ello, el etanol y el agua, se introducirán en un tubo junto con el precipitado y la mezcla se llevará a una centrífuga a 6000 r.p.m. durante 5 min, tras lo cual se desechará la parte líquida quedando limpio el precipitado.To do this, ethanol and water will be introduced into a tube together with the precipitate and the mixture will be taken to a centrifuge at 6000 rpm. for 5 min, after which the liquid part will be discarded leaving the precipitate clean.
El paso final en la síntesis es la introducción de las partículas lavadas en un horno para eliminar posibles residuos que no se han podido eliminar con los lavados en centrifuga. Este proceso es denominado calcinación y sus condiciones son 400 °C durante 4 horas.The final step in the synthesis is the introduction of the particles washed in an oven to eliminate possible residues that could not be eliminated with centrifugal washing. This process is called calcination and its conditions are 400 ° C for 4 hours.
Las nanopartículas fluorescentes upconversion que se sintetizaron son:The upconversion fluorescent nanoparticles that were synthesized are:
NaYF4:Yb, ErNaYF 4 : Yb, Er
NaYF4:Yb,TmNaYF 4 : Yb, Tm
LaF3 :Tm,Er LaF 3 : Tm, Er
Y2O3:Yb,Er.Y2O3: Yb, Er.
Estás nanopartículas fueron seleccionadas debido a que presentan diferentes espectros de fluorescencia con los que se puede cubrir todo el rango del espectro visible.These nanoparticles were selected because they have different fluorescence spectra with which the entire range of the visible spectrum can be covered.
Ejemplo 2. Caracterización de las nanopartículas fluorescentes upconversion Example 2. Characterization of upconversion fluorescent nanoparticles
Para llevar a cabo la combinación de nanopartículas fluorescentes upconversion adecuada para conseguir una respuesta diferenciada en profundidad, primero hay que caracterizarlas individualmente. Las características que más afectan al proceso upconversion son:In order to carry out the combination of upconversion fluorescent nanoparticles suitable to achieve a differentiated response in depth, they must first be individually characterized. The characteristics that most affect the upconversion process are:
- Estructura de la nanopartícula: una elevada relación superficie volume favorece la eficiencia del proceso.- Structure of the nanoparticle: a high surface volume ratio favors the efficiency of the process.
- Espectro de absorción y emisión: son elementos clave para conocer la respuesta en profundidad de los materiales.- Spectrum of absorption and emission: they are key elements to know the response in depth of the materials.
Para poder caracterizar las nanopartículas se utilizó un microscopio electrónico de barrido (Scanning Electron Microscope (SEM)) (Hitachi TM-1000). Este genera una imagen a partir de un haz de electrones, el cual es detectado tras interaccionar con la muestra de observación, lo que permite definir la estructura, textura y posible composición química de la muestra.In order to characterize the nanoparticles, a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope (SEM)) (Hitachi TM-1000) was used. This generates an image from an electron beam, which is detected after interacting with the observation sample, which allows defining the structure, texture and possible chemical composition of the sample.
Se realizó una difracción de rayos X (X-Ray Diffraction (XRD)). Para ello se usó el equipo Philips PW 3040/00 X'Pert MPD/MRD.An X-ray diffraction (X-Ray Diffraction (XRD)) was performed. The Philips PW 3040/00 X'Pert MPD / MRD device was used for this.
Todo ello permitió caracterizar la estructura cristalina de las nanopartículas a nivel atómico y molecular.All this allowed to characterize the crystalline structure of the nanoparticles at the atomic and molecular level.
Para caracterizar el espectro de absorción es utilizado un equipo Perkin Elmer Lambda 1050 UV. Para ello, los compuestos son irradiados con un láser de 980 nm (potencia 1kW) y su respuesta es detectada con un espectrómetro StellarNet Inc calibrado que permite la visualización de los picos de emisión. Con todos estos resultados, se puede observar que relaciones afectan directamente a la potencia de emisión de los compuestos, y por lo tanto a la longitud de onda e intensidad de la misma. Esto haría posible (o no) la visualización del proceso upconversion de los compuestos a través de los diferentes materiales porosos. To characterize the absorption spectrum, a Perkin Elmer Lambda 1050 UV device is used. For this, the compounds are irradiated with a 980 nm laser (1kW power) and their response is detected with a calibrated StellarNet Inc spectrometer that allows the display of emission peaks. With all these results, it can be seen that relationships directly affect the emission power of the compounds, and therefore the wavelength and intensity thereof. This would make possible (or not) the visualization of the upconversion process of the compounds through the different porous materials.
La relación más importante es determinada por las imágenes obtenidas del SEM, donde se deduce que la intensidad de emisión es directamente dependiente del tamaño de las nanopartículas. Simultáneamente gracias al análisis de los espectros del XRD se observa que existen diferentes fases cristalinas y composiciones en las nanopartículas sintetizadas lo que nos determina que las diferentes morfologías, observadas en las imágenes del SEM, en un misma nanopartícula no corresponden a las mismas fases cristalinas y composiciones.The most important relationship is determined by the images obtained from the SEM, where it is deduced that the emission intensity is directly dependent on the size of the nanoparticles. Simultaneously, thanks to the analysis of the XRD spectra, it is observed that there are different crystalline phases and compositions in the synthesized nanoparticles, which determines that the different morphologies, observed in the images of the SEM, in the same nanoparticle do not correspond to the same crystalline phases and compositions
Se observó que en aquellos compuestos con picos representativos de la fase cristalina hexagonal de las nanopartículas fluorescentes upconversion, la intensidad de emisión es mayor que en los que aparecen mezclas de fases. Esta reducción de la intensidad de emisión puede ser debida a las diferentes emisiones presentadas por diferentes fases cristalinas y a la presencia de fases que no llevan a cabo el proceso upconversion como es el caso del NaF y que debilitan la absorción de infrarrojo por parte de las nanopartículas fluorescentes upconversion y por lo tanto también su emisión. Por lo que sería necesaria la búsqueda de nuevas condiciones de reacción que hicieran posible un total control de los compuestos resultantes, de esta forma, se podría generar compuestos concretos para medir la profundidad de materiales concretos.It was observed that in those compounds with representative peaks of the hexagonal crystalline phase of the upconversion fluorescent nanoparticles , the emission intensity is greater than those in which phase mixtures appear. This reduction in the emission intensity may be due to the different emissions presented by different crystalline phases and to the presence of phases that do not carry out the upconversion process as is the case of NaF and that weaken the infrared absorption by the nanoparticles. fluorescent upconversion and therefore also its emission. Therefore, it would be necessary to search for new reaction conditions that would allow a total control of the resulting compounds, in this way, concrete compounds could be generated to measure the depth of concrete materials.
Se han generado y caracterizado cuatro nanopartículas fluorescentes upconversion diferentes. Se ha caracterizado la estructura cristalina de las nanopartículas fluorescentes upconversion con base NaYF4 como largas varillas hexagonales, pero, debido al proceso de síntesis solvotermal, también encontramos productos (nanopartículas fluorescentes upconversion y no nanopartículas fluorescentes upconversion) con estructura cúbica. La estructura cristalina tanto de las nanopartículas fluorescentes upconversion LaF3 :Tm,Er como de las nanopartículas fluorescentes upconversion Y2O3 :Yb,Er es cúbica y los productos (no nanopartículas fluorescentes upconversion con estructura cúbica) también aparecen en el compuesto resultante. Estos productos parecen obstaculizar el proceso de upconversion de manera que se hace necesario el control del proceso de síntesis para que se eleve la pureza de las nanopartículas fluorescentes upconversion obtenidas.Four different upconversion fluorescent nanoparticles have been generated and characterized. The crystalline structure of the upconversion fluorescent nanoparticles with NaYF4 base has been characterized as long hexagonal rods, but, due to the solvotermal synthesis process, we also find products ( upconversion fluorescent nanoparticles and not upconversion fluorescent nanoparticles ) with cubic structure. The crystal structure of both fluorescent nanoparticles upconversion LaF 3: Tm, Er as fluorescent nanoparticles upconversion Y 2 O 3: Yb, Er is cubic and products (no fluorescent nanoparticles upconversion with cubic structure) also appear in the resulting compound. These products seem to hinder the upconversion process so that the control of the synthesis process is necessary so that the purity of the upconversion fluorescent nanoparticles obtained is raised .
Adicionalmente, las nanopartículas fluorescentes upconversion con bases de NaYF4 muestran mayor eficiencia al proceso upconversion que las que presentan fase cúbica. Como el proceso upconversion es un proceso de superficie, nanopartículas fluorescentes upconversion con mayor relación superficie volumen (Ej: varillas hexagonales largas y finas)Additionally, upconversion fluorescent nanoparticles with NaYF 4 bases show greater efficiency to the upconversion process than those with cubic phase. As the upconversion process is a surface process, upconversion fluorescent nanoparticles with greater surface volume ratio (Ex: long and thin hexagonal rods)
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serán más eficientes que aquellas que presenten bajas relaciones (Ej: nanoestructuras cúbicas).they will be more efficient than those with low relationships (eg, cubic nanostructures).
Aunque todas las nanopartículas fluorescentes upconversion presentan proceso upconversion, cuando son iluminadas con luz blanca ambiental (condiciones típicas de trabajo), aquellas con estructura hexagonal son más eficientes que las que presentan estructuras cúbicas.Although all upconversion fluorescent nanoparticles have an upconversion process , when they are illuminated with ambient white light (typical working conditions), those with hexagonal structure are more efficient than those with cubic structures.
Ejemplo 3. Diseño nanopartículas fluorescentes upconversion como agente de diagnósticoExample 3. Design upconversion fluorescent nanoparticles as a diagnostic agent
Los materiales UC son ideales para trabajar en la primera y segunda ventana biológica (Smith, A. M. et al., Second window for in vivo imaging, Nature Nanotechnology, 4(11): 710 711 (2009)). Estas están respectivamente localizadas en el espectro electromagnético en 650-950 nm y 1000-1350nm, la segunda ventana puede ser usada para la iluminación de la UCNP mientras que la primera es ideal para la trasmisión de la respuesta fluorescente. Además, el interés de las nanopartículas fluorescentes upconversion en el campo de la diagnosis del cáncer es que es posible establecer una unión directa de estos compuestos con las células cancerígenas. Gracias a la mutación de la superficie de estas células se producen cambios en su producción antigénica. Por lo tanto, en la superficie del tejido del tumor aparecen antígenos que no se encuentran con tal abundancia en el tejido sano. Por lo que sí se dopan las nanopartículas fluorescentes upconversion con anticuerpos relativos al antígeno del tumor, se permitirá la unión de las nanopartículas fluorescentes upconversion y las células cancerígenas debido a la formación del complejo antígeno-anticuerpo. Hay otras formas de unión de las células cancerígenas, ya sea a través de procesos físicos o por la unión de las nanopartículas fluorescentes upconversion con moléculas que imitan la estructura de biomoléculas presentes en el cuerpo humano.UC materials are ideal for working in the first and second biological window (Smith, AM et al., Second window for in vivo imaging, Nature Nanotechnology, 4 (11): 710 711 (2009)). These are respectively located in the electromagnetic spectrum at 650-950 nm and 1000-1350nm, the second window can be used for the illumination of the UCNP while the first one is ideal for the transmission of the fluorescent response. In addition, the interest of upconversion fluorescent nanoparticles in the field of cancer diagnosis is that it is possible to establish a direct union of these compounds with cancer cells. Thanks to the mutation of the surface of these cells changes occur in their antigenic production. Therefore, antigens that do not meet with such abundance in healthy tissue appear on the surface of the tumor tissue. Therefore, upconversion fluorescent nanoparticles are doped with antibodies related to the tumor antigen, the binding of upconversion fluorescent nanoparticles and cancer cells due to the formation of the antigen-antibody complex will be allowed. There are other ways of binding cancer cells, either through physical processes or by binding upconversion fluorescent nanoparticles with molecules that mimic the structure of biomolecules present in the human body.
El uso de estas nanopartículas está muy indicado en el campo de la diagnosis por las siguientes razones:The use of these nanoparticles is well indicated in the field of diagnosis for the following reasons:
- Posibilidad de uso de radiación tanto visible como infrarroja para generar imágenes en el tejido biológico que no provocan efectos nocivos ni a las células ni al tejido irradiado.- Possibility of using both visible and infrared radiation to generate images in biological tissue that do not cause harmful effects to cells or irradiated tissue.
- Además, el uso de ambas radiaciones tiene un efecto adicional que permite aumentar hasta cien veces la relación señal-ruido resultante. Este hecho se debe a la combinación de la presencia de ambas ventanas biológicas (canal de bajo nivel de ruido) y la ausencia de auto-florescencia por parte del tejido irradiado (ausencia de interferencias).- In addition, the use of both radiations has an additional effect that increases the resulting signal-to-noise ratio up to one hundred times. This fact is due to the combination of the presence of both biological windows (low noise channel) and the absence of self-flowering by irradiated tissue (absence of interference).
- Las nanopartículas fluorescentes upconversion no son tóxicas y son, de hecho, biológicamente inertes.- The upconversion fluorescent nanoparticles are not toxic and are, in fact, biologically inert.
A continuación se explicará como la transferencia de radiación tiene lugar en las dos ventanas biológicas del tejido. Adicionalmente se incluye el modelo para el tratamiento de imágenes en los procesos de detección de profundidad en diagnosis de tumores subcutáneos.Next, it will be explained how radiation transfer takes place in the two biological windows of the tissue. Additionally, the model for the treatment of images in the depth detection processes in the diagnosis of subcutaneous tumors is included.
Transferencia de radiación en medio biológicoRadiation transfer in biological medium
El espectro de interés estará directamente afectado por dos efectos: i) absorción y ii) dispersión de fotones en el tejido biológico. Ambos pueden modificar el número de fotones que van desde la Fuente (UCNP) hasta la superficie del tejido pero no modificará su energía, es decir, su longitud de onda.The spectrum of interest will be directly affected by two effects: i) absorption and ii) dispersion of photons in the biological tissue. Both can modify the number of photons that go from the Source (UCNP) to the surface of the tissue but will not change their energy, that is, their wavelength.
La probabilidad de la absorción de fotones por un medio por unidad de longitud de la trayectoria (en cm-1) es dada por el coeficiente de absorción o pe. La probabilidad de dispersión de fotones por un medio por unidad de longitud de la trayectoria (cm-1), es dada por el coeficiente de dispersión o ps. La probabilidad de dispersión en el tejido biológico es normalmente al menos tres órdenes de magnitud superior que la de absorción.The probability of photon absorption by a medium per unit of path length (in cm-1) is given by the absorption coefficient or pe. The probability of dispersion of photons by a medium per unit of path length (cm-1) is given by the dispersion coefficient or ps. The probability of dispersion in the biological tissue is normally at least three orders of magnitude greater than that of absorption.
Sin embargo, la dispersión en un medio biológico, que es altamente anisotrópico presenta notables diferencias a las encontradas en medios isotrópico considerados como estándar en este tipo de aplicaciones. Así, se tiene que considerar que el tipo de dispersión que tiene lugar es en régimen difusivo, en el cual la probabilidad de dispersión de un fotón por unidad de longitud de trayectoria se reduce al menos dos órdenes de magnitud con respecto al coeficiente de absorción, debido a la anisotropía. Este efecto se tiene en cuenta considerando el coeficiente de dispersión reducido, el cual estima la probabilidad equivalente de la dispersión de un fotón en medio isotrópico en régimen difusivo y es definido como:However, the dispersion in a biological medium, which is highly anisotropic, presents notable differences to those found in isotropic media considered as standard in this type of applications. Thus, it must be considered that the type of dispersion that takes place is in diffusive regime, in which the probability of dispersion of a photon per unit of path length is reduced by at least two orders of magnitude with respect to the absorption coefficient, due to anisotropy. This effect is taken into account considering the reduced dispersion coefficient, which estimates the equivalent probability of the dispersion of a photon in isotropic medium in diffusive regime and is defined as:
pS = ps( 1 - g ) (5)pS = ps (1 - g) (5)
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donde g es la media del coseno de dispersión del Angulo polar por dispersión única. where g is the average of the dispersion cosine of the polar angle per single dispersion.
La difusión se rige por la ley de Fick, la cual conduce al coeficiente de difusión, que se vincula con la influencia del gradiente, y puede definirse como (en unidades de cm-1):The diffusion is governed by Fick's law, which leads to the diffusion coefficient, which is linked to the influence of the gradient, and can be defined as (in units of cm-1):
Además, hay que tener en cuenta la ley de extinción exponencial que determina la intensidad del haz de fotones que pasa a través de una longitud z en un medio anisotrópico, definida como:In addition, the exponential extinction law that determines the intensity of the photon beam that passes through a length z in an anisotropic medium, defined as:
Donde lo e I son las intensidades de entrada y salida respectivamente, y pe el coeficiente de teauación efectivo, el cual cuantifica la influencia de la tasa de decaimiento a distancias alejadas de la fuente de emisión (definido en cm-1):Where lo and I are the input and output intensities respectively, and eg the effective coefficient of decay, which quantifies the influence of the decay rate at distances far from the emission source (defined in cm-1):
El coeficiente de atenuación efectivo puede también ser interpretado como la profundidad a la que la intensidad de la luz decrece a 1/e de la intensidad inicial, es decir, I » 36, 79% de lo. The effective attenuation coefficient can also be interpreted as the depth at which the intensity of the light decreases to 1 / e of the initial intensity, that is, I »36, 79% of it.
La extinción de la luz en medio biológico es experimentalmente medida como pe. El coeficiente de atenuación efectivo ha sido medido en diferentes medios biológicos, principalmente en hemoglobina oxigenada y desoxigenada, piel humana y grasa.The extinction of light in biological medium is experimentally measured as pe. The effective attenuation coefficient has been measured in different biological media, mainly in oxygenated and deoxygenated hemoglobin, human skin and fat.
Modelo de atenuación para tejido biológicoAttenuation model for biological tissue
Se utilizó un modelo de canal o modelo de atenuación. Dicho modelo permitió definir la atenuación para el espectro de las nanopartículas fluorescentes upconversion a diferentes profundidades en tejido biológico, teniendo en cuenta tanto la atenuación de la fuente emisora (NIR) como la de la fluorescencia en los diferentes tipos de medios biológicos del tejido (visible).A channel model or attenuation model was used. This model allowed to define the attenuation for the spectrum of the upconversion fluorescent nanoparticles at different depths in biological tissue, taking into account both the attenuation of the emitting source (NIR) and that of the fluorescence in the different types of biological media of the tissue (visible ).
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En las secciones previas se ha determinado que ye es el parámetro responsable de la atenuación de la luz en un medio anisotrópico. Si en este caso la luz es NIR o visible, será aplicado el ye de la primera y la segunda ventana biológica del tejido. Por ello se define una fuente de radiación de infrarrojo cercano en contacto con la piel, iluminando con una intensidad I0pump a las nanopartículas fluorescentes upconversion situadas a una profundidad z. Gracias a los rangos de segunda ventana biológica es conocido que la Ipump (I0pump es de 980 nm) será adecuada como para excitar las nanopartículas fluorescentes upconversion. La luz emitida por las partículas puede ser fenomenológicamente modelada en términos de intensidad de excitación del láser como:In previous sections it has been determined that ye is the parameter responsible for the attenuation of light in an anisotropic medium. If in this case the light is visible or NIR will be applied ye of the first and second biological tissue window. Therefore a source of near infrared radiation is defined in contact with the skin, illuminating with an intensity I0 pump to fluorescent nanoparticles upconversion located at a depth z. Thanks to the ranges of the second biological window, it is known that the Ipump (I 0 pump is 980 nm) will be suitable for exciting upconversion fluorescent nanoparticles . The light emitted by the particles can be phenomenologically modeled in terms of laser excitation intensity such as:
K($ump)K ($ ump)
iPU) = (9)iPU) = (9)
1+AIpump B{1 pump)1 + AIpump B {1 pump)
Donde A, B y K son constantes positivas. Sin embargo, como la iluminación tiene lugar a una determinada profundidad del tejido biológico, la atenuación del láser de infrarrojo cercano sigue la ley de atenuación exponencial que se puede observar en la Eq. 7:Where A, B and K are positive constants. However, since the illumination takes place at a certain depth of the biological tissue, the near infrared laser attenuation follows the exponential attenuation law that can be observed in Eq. 7:
iPU,z) = "^(Ipump) (10) iPU, z) = "^ (Ipump) (10)
1+AIp p+B ijpump)1 + AIp p + B ijpump)
Y1 I i pump = I I)Pump pc~Vez Y1 I i pump = I I ) P ump p c ~ Time
Si se aplica la ley de extinción exponencial también al espectro de emisión, la intensidad de la radiación emitida (con longitud de onda Af) de las nanopartículas fluorescentes upconversion situadas a una profundidad z dentro del tejido biológico (con un coeficiente de atenuación efectivo de y e(A)) iluminadas con un láser (con longitud de onda Ap) puede ser fácilmente calculada como:If the exponential extinction law is also applied to the emission spectrum, the intensity of the emitted radiation (with wavelength A f ) of upconversion fluorescent nanoparticles located at a depth z within the biological tissue (with an effective attenuation coefficient of and e (A)) illuminated with a laser (with wavelength A p ) can easily be calculated as:
e~zM¿ f)kIq (1 1 ) e ~ zM¿ f) kI q ( 1 1 )
h (A ,z) e^eí+^lp)+Big ( h (A, z) e ^ eí + ^ lp ) + B ig (
Donde ip = I pmmp Where ip = I pmmp
La ecuación previa será usada para calcular la respuesta esperada de las nanopartículas fluorescentes upconversion a diferentes profundidades con diferentes componentes del tejido biológico.The previous equation will be used to calculate the expected response of upconversion fluorescent nanoparticles at different depths with different components of biological tissue.
Adaptación de las nanopartículas fluorescentes upconversion para formar imágenes de tumoresAdaptation of upconversion fluorescent nanoparticles to form tumor images
Teniendo en cuenta ê(A) y la medida de los picos de emisión de las nanopartículas fluorescentes upconversion de la sección previa, se puede determinar que son líneas de emisión que se encuentran en la primera ventana biológica (entre 650 y 950 nm).Taking into account ê (A) and the measurement of the emission peaks of the upconversion fluorescent nanoparticles of the previous section, it can be determined that they are emission lines that are in the first biological window (between 650 and 950 nm).
Considerando los resultados obtenidos en los procesos de caracterización, se han determinado los parámetros de control y mejora de las propiedades de las nanopartículas fluorescentes upconversion para el proceso de interés. Las bases y los sensibilizadores pueden ser usados para obtener mayor intensidad de fluorescencia de emisión, mientras que la modificación del activador puede usarse para cambiar los picos de emisión que permitirían modificar el espectro. Se puede ver que es sencillo idear una estrategia de optimización mediante la combinación de diferentes nanopartículas fluorescentes upconversion, que daría lugar a combinaciones identificables de espectros resultantes. Esta estrategia de optimización puede ser desarrollada por medio de investigación química combinatoria o por simulación del espectro esperado.Considering the results obtained in the characterization processes, the control parameters and improvement of the properties of the upconversion fluorescent nanoparticles for the process of interest have been determined. Bases and sensitizers can be used to obtain higher emission fluorescence intensity, while modifying the activator can be used to change the emission peaks that would allow the spectrum to be modified. It can be seen that it is easy to devise an optimization strategy by combining different upconversion fluorescent nanoparticles, which would result in identifiable combinations of resulting spectra. This optimization strategy can be developed by means of combinatorial chemical research or by simulation of the expected spectrum.
En la presente solicitud se exploró el uso de una combinación simple de las nanopartículas fluorescentes upconversion sintetizadas con diferentes comportamientos en la emisión para predecir sus espectros de respuesta en la superficie de la piel. La combinación de los materiales seleccionados en cada caso da lugar a sistemas en los que aparece una combinación de diferentes líneas de emisión cada una de las cuales tiene asociada una atenuación relativa a los componentes del tejido biológico a diferentes profundidades, resultando en un patrón de colores que permite el diagnóstico a diferentes profundidades epiteliales.In the present application, the use of a simple combination of upconversion fluorescent nanoparticles synthesized with different emission behaviors to predict their response spectra on the skin surface was explored. The combination of the materials selected in each case gives rise to systems in which a combination of different emission lines appears, each of which has an associated attenuation relative to the components of the biological tissue at different depths, resulting in a pattern of colors which allows diagnosis at different epithelial depths.
Ejemplo 4. Resultados obtenidos con el modelo de atenuación para tejido biológicoExample 4. Results obtained with the attenuation model for biological tissue
Se han considerado a tres niveles de profundidad de diagnóstico a nivel de la piel (0 - 0.04 mm), a nivel de la dermis (0.04 - 4 mm) y a nivel de la subdermis (4 mm - 6 cm).They have been considered at three levels of diagnostic depth at the skin level (0 - 0.04 mm), at the level of the dermis (0.04 - 4 mm) and at the level of the subdermis (4 mm - 6 cm).
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El modelo del tumor ha sido extraído de un melanoma real y por simplicidad se ha ajustado a un modelo geométrico, tipo elipsoide.The tumor model has been extracted from a real melanoma and for simplicity has been adjusted to a geometric model, ellipsoid type.
La Figura 5 muestra los resultados obtenidos. En la primera y segunda columnas se muestra la posición y el modelo de tumor observado. En la tercera columna se observa la superficie del tumor expuesta. Asumiendo que las nanopartículas fluorescentes upconversion se adhieren aleatoriamente a la superficie del tumor, solamente las expuestas a iluminación infrarrojo cercano podrán sufrir el proceso upconversion. Así, las zonas de tonos grises claros, representan las nanopartículas fluorescentes upconversion susceptibles a upconversion y por lo tanto las que serán fluorescentes, mientras que tonos más oscuros están aquellas que no son irradiadas y por lo tanto no emitirán luz.Figure 5 shows the results obtained. The position and the tumor model observed are shown in the first and second columns. The exposed tumor surface is observed in the third column. Assuming that upconversion fluorescent nanoparticles randomly adhere to the tumor surface, only those exposed to near infrared illumination can undergo the upconversion process . Thus, the areas of light gray tones represent the upconversion fluorescent nanoparticles susceptible to upconversion and therefore those that will be fluorescent, while darker tones are those that are not irradiated and therefore will not emit light.
Finalmente, en la última columna se representa la imagen que se observará en la superficie de la piel de acuerdo con la combinación de nanopartículas fluorescentes upconversion previamente descrita y sufriendo la atenuación concordante con los diferentes componentes del tejido biológico a cada profundidad.Finally, the last column represents the image that will be observed on the surface of the skin according to the combination of upconversion fluorescent nanoparticles previously described and undergoing attenuation consistent with the different components of the biological tissue at each depth.
En la primera fila, se presenta un melanoma situado a nivel de superficie, por lo que el coeficiente de atenuación relevante a este nivel es únicamente el de la piel. En este nivel los capilares son extremadamente pequeños y la contribución de estos es irrelevante. Además, no hay grasa presente en la epidermis, por lo tanto la atenuación de la piel es muy débil y el espectro se puede observar en la superficie sin sufrir atenuación.In the first row, there is a melanoma located at the surface level, so the attenuation coefficient relevant to this level is only that of the skin. At this level the capillaries are extremely small and their contribution is irrelevant. In addition, there is no fat present in the epidermis, therefore skin attenuation is very weak and the spectrum can be observed on the surface without suffering attenuation.
En la segunda fila de la misma figura, se representa la situación en la que el melanoma con las mismas dimensiones que en el nivel previo, se encuentra en la dermis. Aquí, los coeficientes de atenuación relevantes son los de la piel y la sangre desoxigenada (se selecciona desoxigenada por tener un coeficiente de atenuación superior al de la oxigenada). Se considera un pe resultante fruto de la contribución de 2/3p (piel) y 1/3^ e(HGDeOx) debido al aumento de la presencia de capilares en esta región.In the second row of the same figure, the situation in which the melanoma with the same dimensions as in the previous level is in the dermis is represented. Here, the relevant attenuation coefficients are those of the skin and deoxygenated blood (deoxygenated is selected as having an attenuation coefficient higher than that of the oxygenated). Eg a resultant product of the contribution of 2 / 3p (skin) and 1/3 ^ e (HGDeOx) due to the increased presence of capillaries in the region is considered.
En este caso, se observan diferentes colores dependiendo de la profundidad. La intensidad de las longitudes de onda del verde es mayor en zonas más cercanas a la superficie. Sin embargo, las longitudes de onda del rojo comienzan a aparecer en regiones más profundas.In this case, different colors are observed depending on the depth. The intensity of the green wavelengths is greater in areas closer to the surface. However, red wavelengths begin to appear in deeper regions.
Finalmente, en la tercera fila, se muestra el caso de un melanoma a nivel subdérmico, donde el coeficiente de atenuación considerado en una contribución de piel, sangre y grasaFinally, in the third row, the case of a melanoma at the subdermal level is shown, where the attenuation coefficient considered in a contribution of skin, blood and fat
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en una proporción 1/3^e(piei), 1/3^e (HGüeOx) y 1/3 ê(grasa), debido a que en la subdermis aparece la grasa como componente del tejido. En este último caso, se observa sólamente el color rojo y esto es debido a la banda de paso existente en las ventanas biológicas para estas longitudes de onda.in a proportion 1/3 ^ e (piei), 1/3 ^ e (HGüeOx) and 1/3 ê (fat), because fat appears as a tissue component in the subdermis. In the latter case, only the red color is observed and this is due to the passage band existing in the biological windows for these wavelengths.
Los resultados presentados demuestran la factibilidad del uso de las nanopartículas fluorescentes upconversion para obtener patrones de colores diferenciados dependiendo de la profundidad del tejido a la que se encuentre un determinado tumor.The results presented demonstrate the feasibility of using upconversion fluorescent nanoparticles to obtain differentiated color patterns depending on the depth of tissue at which a particular tumor is found.
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