Інженери з Університету Торонто розробили новий тип чутливих до барвника наночастинок, які можуть виявляти надзвичайно низькі концентрації хімічних речовин, а також розрізняти молекули, які мають подібну форму.

Маленькі частинки генерують світловий сигнал після приєднання до хімічних речовин, які вони призначені для виявлення. Вони поглинають фотони низької енергії та перетворюють їхню енергію у фотони високої енергії, виробляючи яскраві світлові сигнали, які дослідники можуть вимірювати.

Його незвичайні здібності можуть бути використані на практиці в різних сферах. Наприклад, виробники фармацевтичних препаратів можуть використовувати частинки для виявлення небажаних домішок у ліках. Екологи потенційно можуть використовувати їх для дослідження слідів хімічних забруднень у підземних водах.

Перетворює інфрачервоне світло в яскраво-зелений сигнал

«Органічні молекули, які називаються флуорофорами, десятиліттями використовувалися для поглинання світла та перетворення його на кольорову люмінесценцію, але процес працює лише в одному напрямку», — сказав професор Цай Хуан, старший автор статті, опублікованої в Fluorophores. Журнал Американського хімічного товариства Він описує нові частинки.

«Для флуорофорів частота збудження має бути вищою за частоту випромінювання. Це означає, що флуорофор перетворює фотони високої енергії в фотони нижчої енергії. Що робить наші сенсибілізовані до барвника наночастинки особливими, так це те, що флуорофор може перетворювати світло, тобто він може поглинати світло у формі фотонів нижчої енергії та випромінювати фотони вищої енергії.

«Наприклад, якщо ми збуджуємо їх світлом ближнього інфрачервоного діапазону, який можна легко отримати за допомогою недорогих лазерів, вони відповідно світяться яскраво-зеленим кольором».

Цей процес, відомий як підвищення конверсії, забезпечує важливі переваги для наночастинок. Світло, яке використовується для їх активації, має іншу частоту, ніж світло, яке вони випромінюють, що дозволяє дослідникам легше відокремити цікавий сигнал від фонового світла, створеного самим зразком.

Хуан порівнює цей ефект із поглядом на нічне небо.

«Це як різниця між спостереженням за зірками вночі та спостереженням за зірками вдень», — каже він.

«Зірки сяють з однаковою яскравістю весь час, але протягом дня сонце настільки потужне, що воно перекриває зірки. Завдяки зниженню частоти збудження фон автофлуоресценції у зразку, який ми аналізуємо, зникає, але емісійні нанозонди продовжують світити. Це схоже на вимикання сонця, щоб ми могли краще бачити зірки».

Проблема зробити наночастинки яскравішими

Частинки покладаються на іони ітербію та ербію, які належать до сімейства хімічних елементів лантаноїдів, для здійснення процесу підвищення.

Ранні версії цих сенсорних наночастинок зазвичай виготовлялися як плоскі шестикутні структури. Іони ітербію та ербію були розсіяні через основний матеріал, виготовлений з натрію, ітрію та фтору. Дослідники порівнюють цю структуру з шоколадною стружкою, вбудованою в печиво, з молекулами органічного барвника, що покривають зовнішню сторону, схожу на глазур.

Коли інфрачервоне світло потрапляє на наночастинку, барвник спочатку вловлює вхідну енергію. Ця енергія передається іонам ітербію, які діють як повторювачі, а потім передається іонам ербію. Іони ербію виконують етап підвищення, дозволяючи збереженій енергії виглядати як зелене світло.

Однак історично створення яскравішої системи призводило до інших проблем.

«Але є проблема: якщо ви упакуєте атоми ітербію занадто щільно, вони почнуть поглинати не лише енергію, що надходить, але й енергію, що виходить», — каже Цзязе Ву, докторант лабораторії Хуанга та провідний автор нової статті.

«Це називається зворотним перенесенням енергії. Це означає, що енергія, яка випромінювалася б іонами ербію у вигляді зеленого світла, натомість відбивається від ітербієвого реле й ніколи не досягає поверхні».

Багатошаровий дизайн створює односпрямований шлях енергії

Щоб подолати це обмеження, Ву, Хуанг та їхні колеги переробили як склад, так і структуру наночастинок.

Замість створення основної матриці з натрію, ітрію та фтору дослідники створили нову матрицю з використанням літію, лютецію та фтору.

Вони також змінили частинки з плоскої шестикутної форми на більш тривимірну ромбовидну структуру. Кожна частинка містить кілька різних областей. Тобто це щільне ядро, оточене внутрішньою оболонкою і зовнішньою оболонкою.

«Ми змогли створити гарний градієнт, де концентрація вбудованих іонів ітербію стає густішою, коли ми проходимо через кожен шар, причому ядро ​​є найщільнішим», — говорить Ву.

«Це розташування дозволило нам упакувати більше ітербію. У нашій частинці вхідна світлова енергія тече майже повністю в одному напрямку, всередину до іонів ербію».

Замість того, щоб прийти до цього дизайну лише методом проб і помилок, команда значною мірою покладалася на комп’ютерне моделювання. Дослідники змоделювали десятки можливих хімічних складів і форм частинок, перш ніж створити найбільш багатообіцяючу версію в лабораторії.

«Ми використовували моделювання за методом Монте-Карло та теорію функціоналу густини, щоб змоделювати, як енергія взаємодіє між різними частинами наночастинки, аж до атомного та навіть субатомного рівня», — каже Вейсянь Бен, студент бакалаврату, який керував обчислювальною роботою.

«Таким чином ми показали, що ця структура «ядро-оболонка-оболонка» справді може діяти як односпрямований енергетичний тунель для падаючого світла».

Наночастинки в 150 разів яскравіші

Отримані наночастинки створюють набагато сильніший сигнал, ніж попередні конструкції.

За словами Ву, їх випромінюване світло приблизно в 150 разів яскравіше, ніж у наночастинок з підвищенням частоти, які не сенсибілізовані до барвника. За тих самих умов збудження він приблизно в 50 разів яскравіший, ніж деякі з найбільш оптимізованих традиційних структур, про які повідомлялося раніше.

Його яскравість безпосередньо пов’язана з покращеною чутливістю. Кожна наночастинка генерує дуже сильний оптичний сигнал, тому навіть якщо кількість частинок, приєднаних до цільової молекули, дуже мала, може бути згенеровано достатньо світла для виявлення.

Сенсори також можуть розрізняти структурні ізомери. Ці молекули містять абсолютно однаковий тип і кількість атомів, але розташування цих атомів різне. Такі тонкі структурні відмінності можуть мати велике значення в хімії, особливо у фармацевтичному виробництві.

Знайти неправильну молекулу в фармацевтичній партії

«Припустімо, ви створюєте молекулу ліків. Виробничий процес працює добре, за винятком того, що 10% партії — це неправильний структурний ізомер», — каже Ву.

«Це велика проблема; це може зробити ліки менш ефективними або, що ще гірше, спричинити побічні ефекти, які є абсолютно небажаними. Сучасні процеси виявлення цього залежать від дуже дорогих аналітичних тестів, але з цими наночастинками ми можемо зробити це за допомогою недорогих лазерів і дуже невеликої кількості зразків».

Поєднання високої чутливості та молекулярної селективності може зробити цей метод цінним для виявлення домішок, які важко або дорого ідентифікувати традиційними методами.

Такий самий базовий підхід можна також застосувати до екологічного моніторингу. Під час моніторингу навколишнього середовища дослідникам часто доводиться виявляти невеликі кількості забруднюючих речовин у набагато більших об’ємах води.

Наступний крок до комерційного використання

Ця технологія все ще знаходиться на стадії перевірки концепції. Перш ніж наночастинки отримають широке застосування, дослідникам необхідно розробити практичні способи їх виробництва у великих кількостях.

Хуан сказав, що робота вже почалася.

“Насправді ми вже працюємо над цим. Ми вважаємо, що це можливо, але для цього потрібна дуже довга дорожня карта”, – сказав Хуан.

«Тим часом ця модель служить доказом концепції. Використовуючи цю техніку, ми можемо генерувати дуже високоефективні наночастинки з підвищенням конверсії, які можна налаштувати під молекули, які ми хочемо виявити. Це щось абсолютно нове».