Un nuevo material láser con potenciales aplicaciones en biofotónica

Los científicos han obtenido por primera vez una emisión eficiente y duradera de luz láser roja gracias a la incorporación de dos moléculas colorantes que se presentan confinadas en nanopartículas de látex dispersas en agua. La longitud de onda de la luz roja es clave para la terapia fotodinámica, con usos, por ejemplo, en oftalmología y dermatología.

Esta disciplina, basada en la creación de imágenes, detección, análisis y manipulación de sistemas biológicos a través de la luz, tiene aplicaciones en campos tan diversos como la medicina, la agricultura o las ciencias ambientales. El trabajo aparece publicado en la revista Nature Photonics.

“La utilización, en biomedicina, de emisores de luz roja, con una longitud de onda superior a 650 nanómetros, tiene ciertas ventajas ya que los tejidos biológicos son más transparentes a ella y la luz puede profundizar más, lo que facilita su uso en cirugía y en tratamientos de terapia fotodinámica, basados en la activación por luz de medicamentos ingeridos”, explica el investigador del CSIC Luis Cerdán, que trabaja en el Instituto de Química Física Rocasolano, y que pertenece al grupo que ha llevado a cabo la caracterización láser y el estudio teórico.

Hasta ahora, el uso de colorantes comerciales para estas aplicaciones estaba limitado por la poca luz de excitación que absorbían, un inconveniente que reducía su eficiencia. Por otro lado, los colorantes suelen dañarse con facilidad cuando son excitados, lo que reduce su utilidad tecnológica y hace aumentar el coste económico.

Para resolver estos problemas, los científicos decidieron recurrir a un proceso de transferencia de energía conocido como Förster Resonance Energy Transfer (FRET por sus siglas en inglés), basado en incorporar dos colorantes: uno donador, capaz de absorber eficientemente la excitación y que apenas se daña, y otro aceptor, que emite luz tras haber recibido la energía del primero.

“Empleamos los colorantes Rhodamina 6G como donador y Azul de Nilo como aceptor. Para garantizar la proximidad de los colorantes, y por tanto, una mayor eficiencia, los confinamos en nanopartículas poliméricas de 50 nanómetros de diámetro dispersas en agua”, detalla el investigador de la Universidad Complutense de Madrid Eduardo Enciso, que ha llevado a cabo la síntesis de las nanopartículas y colaborado en el análisis teórico. Según este científico, al integrar los colorantes en estas estructuras se reducen los procesos que degradan sus moléculas tras ser excitadas por la luz, una situación “especialmente grave” en los colorantes con emisión roja, lo que además evita la pérdida de sus propiedades de emisión y multiplica por ocho su vida útil.

La caracterización fotofísica ha permitido estudiar el proceso de transferencia de energía en el sistema, que se produce muy rápidamente, por debajo de los 500 picosegundos (un picosegundo es la billonésima parte de un segundo). Según los investigadores Jorge Bañuelos e Iñigo López Arbeloa, que han llevado a cabo esta parte de la investigación en la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del País Vasco, “el mecanismo de transferencia de energía es muy complejo, ocurre principalmente por la interacción de los dipolos eléctricos de los colorantes donadores y aceptores y se produce a una distancia media de tres nanómetros”.

Los investigadores destacan que este nuevo material láser elimina la necesidad de utilizar grandes volúmenes de disolventes orgánicos, la mayoría tóxicos y carcinogénicos, que exige el uso convencional de estos colorantes en disolución, evitando así la generación de residuos nocivos para la salud y el medio ambiente.