Nanoparticule care transformă lumina infraroșie în semnal verde pentru detectarea impurităților
Cercetătorii de la University of Toronto Engineering au creat un nou tip de nanoparticule sensibilizate cu coloranți, capabile să detecteze substanțe chimice țintă la concentrații foarte scăzute și să distingă între molecule cu forme foarte asemănătoare. Atunci când se leagă de moleculele țintă, nanoparticulele absorb fotoni de energie joasă și emit fotoni de energie ridicată, un proces numit upconversion. Această capacitate ar putea ajuta producătorii de medicamente să identifice impuritățile sau cercetătorii să găsească urme de poluanți în apele subterane.
Un semnal mai clar decât fluorescenta clasică
Profesorul Kai Huang, autor principal al studiului publicat în Journal of the American Chemical Society, explică diferența față de fluoroforii clasici: „Moleculele organice numite fluorofori sunt folosite de zeci de ani pentru a absorbi lumina și a o transforma în emisii colorate, dar procesul funcționează doar într-o singură direcție. Cu fluoroforii, frecvența de excitație trebuie să fie mai mare decât frecvența de emisie. Ceea ce face speciale nanoparticulele noastre este capacitatea de upconversion: pot absorbi lumină de joasă energie, de exemplu infraroșu apropiat, și o pot emite ca lumină verde strălucitoare.”
Huang compară avantajul cu diferența dintre observarea stelelor noaptea și ziua: „Stelele strălucesc la fel, dar soarele le copleșește ziua. Trecând la o frecvență de excitație mai joasă, se obține un fundal zero de autofluorescență în probele analizate, în timp ce nanoparticulele luminescente continuă să strălucească.”
O nouă arhitectură a particulelor
Anterior, aceste agenți de detectare aveau formă de hexagoane plate, cu ioni de yterbiu și erbiu încorporați într-o matrice de sodiu, ytriu și fluor. Coloranții organici de la suprafață absorbeau lumina infraroșie și transmiteau energia ionilor de yterbiu, care acționau ca releu către ionii de erbiu, responsabili de upconversion și de emisia verde.
„Dacă înghesui prea dens atomii de yterbiu, aceștia absorb nu doar energia care intră, ci și pe cea care iese”, spune Jiaze Wu, doctorand și primul autor al lucrării. „Este vorba despre transfer invers de energie: lumina care ar fi trebuit emisă de erbiu ca lumină verde se întoarce la releul de yterbiu și nu mai ajunge la suprafață.”
Echipa a depășit acest compromis schimbând rețeta: au înlocuit matricea cu una din litiu, lutețiu și fluor, au modificat forma particulelor dintr-un hexagon plat într-o structură 3D asemănătoare diamantului și le-au construit în straturi multiple, cu un nucleu dens, înconjurat de o coajă interioară și una exterioară. „Am creat un gradient: concentrația ionilor de yterbiu devine mai densă cu fiecare strat, nucleul fiind cel mai dens. Astfel am putut împacheta mult mai mult yterbiu, iar energia luminoasă care intră curge aproape în întregime într-o singură direcție, spre ionii de erbiu”, explică Wu.
Simulările au indicat soluția
Modificările nu au fost ghicituri norocoase. Echipa a testat virtual zeci de formulări și geometrii prin simulări Monte Carlo și teoria funcționalei de densitate, înainte de a fabrica particulele în laborator. „Am simulat modul în care energia interacționează între diferite părți ale nanoparticulei, până la nivel atomic sau subatomic, și am arătat că structura nucleu-coajă-coajă poate funcționa ca un tunel unidirecțional pentru lumina incidentă”, spune Weixiang Ben, student la licență care a condus partea computațională.
Detectarea impurităților cu sonde mai strălucitoare
Nanoparticulele noi sunt mult mai strălucitoare: lumina emisă este de aproximativ 150 de ori mai intensă decât a nanoparticulelor de upconversion nesensibilizate cu coloranți și de circa 50 de ori mai puternică decât a unor structuri convenționale optimizate anterior, în aceleași condiții de excitație. Această sensibilitate ridicată permite detectarea moleculelor țintă la concentrații foarte mici și distingerea izomerilor structurali, molecule formate din aceiași atomi, dar aranjați diferit.
„Să presupunem că produci o moleculă de medicament și 10% din lot este izomerul structural greșit. Este o problemă uriașă: poate reduce eficacitatea medicamentului sau poate duce la efecte secundare nedorite. Metodele actuale de detectare se bazează pe teste analitice foarte scumpe, dar cu aceste nanoparticule ai putea folosi lasere ieftine și o probă foarte mică”, spune Wu.
Pași următori pentru producția de masă
Huang afirmă că următorul pas spre dezvoltarea comercială este elaborarea unei tehnici de producție de masă. „Lucrăm deja la asta. Credem că este fezabil, dar necesită o foaie de parcurs foarte lungă. Între timp, acest model servește drept dovadă de concept: putem produce o nanoparticulă de upconversion de înaltă performanță, care poate fi personalizată pentru orice moleculă de detectat. Este ceva complet nou”, spune el.
