Effect of the incorporation of defects in ZnO nanocrystals on the generation of reactive oxygen species for applications in photodynamic therapy

Abstract

Photodynamic therapy (PDT) is an alternative to traditional cancer treatments. This approach involves the use of photosensitizer (PS) agents and their interaction with light. As a consequence, cytotoxic reactive oxygen species (ROS) are generated that will kill cancer cells. On the other hand, ZnO is a biocompatible and nontoxic material with the capability to generate ROS, specifically singlet oxygen (SO), which makes this material a promising candidate for PDT. Unfortunately up to now, the photo-excitation of ZnO-based requires the use of ultraviolet (UV) light, which limits their biomedical applications. Doping of ZnO is expected to induce defects in the host oxide structure and favor the formation of trap states that should affect the electronic transitions related to the generation of SO. Accordingly, the present work reports the effect of the type and level of dopant element (Lithium, Li, and Titanium, Ti species) on the ZnO structure and its capability to generate SO. Pure and doped ZnO nanoparticles were synthesized under size-controlled conditions using a modified version of the polyol method. These modified version was conducive to the synthesis of highly monodisperse nanoparticles with a particle size in the 87-140 nm range. Photoluminescence (PL) spectroscopy measurements of pure and doped ZnO nanoparticles, excited by UV light (345 nm), revealed the characteristics emission peaks for ZnO as well as other peaks associated to defect states in the band gap. The observed increase of the emission intensity of the emission peak corresponding to defect states, relative to the intensity of the main emission peak, was attributed to the promotion of trap states associated to interstitial Zn or to the substitution of Zn ions by dopant species. Use of a sensor green kit evidenced the enhancing effect of the dopant type and concentration on the capability of the ZnO-based nanoparticles to generate SO species under UV illumination. This dopant-dependence of SO generation was attributed to the enhancement of the concentration of trap states in the host ZnO, a fact that was supported by PL measurements. The two-photon excitation of ZnO-based nanoparticles would enable the use of visible or NIR light to excite this material, opening actual possibilities to expand their use to the biomedical field. As an attempt to verify the capability of ZnO-based nanoparticles to be used in 2-photon PDT, a preliminary work based on the two-photon fluorescence microscopy (TPFM) technique, using near-infrared light of 690nm, was carried out. The observed PL transitions will favor triplet states formation necessary to yield cytotoxic reactive oxygen species. Accordingly, the fact that ZnO-based nanoparticles can be excited by the 2-photon approach using a 690nm light would enable this nanomaterial to become cytotoxic to cancer cells via photo-induced ROS generation.

La terapia fotodinámica (por sus siglas en inglés, PDT) es una alternativa a los tratamientos tradicionales contra el cáncer. Este enfoque implica el uso de agentes fotosensitizadores y su interacción con la luz. Como consecuencia, especies reactivas de oxigeno (por sus siglas en inglés, ROS) citotóxicas son generadas que destruirán las células cancerosas. Por otro lado, óxido de zinc (por sus siglas en inglés, ZnO) es un material biocompatible, no tóxico, biodegradable con la capacidad de generar ROS, específicamente oxígeno singlete (por sus siglas en inglés, SO), lo cual hace este material sea un candidato prometedor para PDT. Desafortunadamente, hasta ahora, los materiales basados en ZnO requieren la excitación bajo luz ultravioleta (UV), lo que limita sus aplicaciones biomédicas. Dopando ZnO es esperado inducir defectos en la estructura del ZnO y favorece la formación de estados trampas que deberían afectar las transiciones electrónicas relacionadas a la generación de SO. En consecuencia, el presente trabajo reporta el efecto del tipo y nivel de elemento dopante (Litio (Li) y Titanio (Ti)) en la estructura del ZnO y su capacidad para generar SO. Nanoparticulas de ZnO puros y dopados fueron sintetizadas bajo condiciones de tamaño controlado utilizando a una versión modificada del método de poliol. Esta versión modificada fue propicia para la síntesis de nanopartculas altamente monodispersas con un tamaño de particula en el rango de 87-140 nm. Mediciones de espectroscopia de nanoparticulas de ZnO puras y dopadas, bajo luz ultravioleta (345nm), revela los picos de emisión caracteristicos del ZnO, así como estados de defectos en la banda de energía prohibida. El incremento observado de la intensidad de emisión de los picos de emisión de los estados de defectos, relativo a la intensidad del pico principal de emisión del ZnO, fue atribuido a la promoción de estados trampas asociado a los zincs intersticiales o sustitución de iones de Zn por especies dopantes. El uso de un kit de verde sensor evidencia el efecto de incremento del tipo y concentración del dopante en la capacidad de las nanoparticulas basadas en ZnO para generar especies de SO bajo la iluminación de UV. Este elemento dopante depende de la generación de SO puede ser atribuido al aumento de concentración de estados trampas en la estructura del ZnO, un hecho que fue soportado por las mediciones de fotoluminiscencia. La foto excitación con 2 fotones de nanoparticulas basadas en ZnO permitiría el uso de luz visible o luz cercana al infrarrojo para excitar el material, abriendo posibilidades reales para ampliar su uso en el campo biomédico. Como intento de verificar la capacidad de las nanoparticulas basadas en ZnO para ser usados en PDT con 2 fotones, un trabajo preliminar basado en la técnica de microscopia de fluorescencia de dos fotones (por sus siglas en inglés, TPFM) usando luz cercana al infrarrojo de 690 nm, se llevó a cabo. Las transiciones de fotoluminiscencia observados favorecerán la formación de estados tripletes necesarios para producir especies reactivas de oxígeno. En consecuencia, el hecho que las nanoparticulas basadas en ZnO puedan ser excitadas por el enfoque de 2 fotones usando luz de 690 nm puede permitir este nanomaterial para convertirse citotóxico para las células del cáncer a través de la generación de ROS foto inducida.