Інженери з Університету Торонто розробили новий тип чутливих до барвника наночастинок, які можуть виявляти хімічні речовини в дуже низьких концентраціях, а також розділяти молекули майже однакової форми.
Крихітні частинки створюють світловий сигнал після зв’язування з хімічними речовинами, які вони мають виявити. Вони поглинають фотони низької енергії та перетворюють цю енергію на фотони вищої енергії, створюючи яскравий оптичний сигнал, який дослідники можуть вимірювати.
Цю надзвичайну здатність можна використовувати в кількох сферах. Наприклад, фармацевтичні виробники можуть використовувати частинки для виявлення небажаних домішок у ліках. Дослідники навколишнього середовища можуть використовувати їх для пошуку дуже малих кількостей хімічних забруднювачів у підземних водах.
Перетворення інфрачервоного світла в яскраво-зелений сигнал
«Органічні молекули, які називаються флуорофорами, десятиліттями використовувалися для поглинання світла та перетворення його на кольорове випромінювання, але цей процес працює лише в одному напрямку», — каже професор Кай Хуан, старший автор статті, опублікованої в журналі. Журнал Американського хімічного товариства який описує нові частинки.
«Для флуорофорів частота збудження має бути вищою за частоту випромінювання, що означає, що вони перетворюють фотони високої енергії в фотони низької енергії. Те, що роблять наші сенсибілізовані до барвника наночастинки, це те, що вони здатні перетворювати світло, тобто вони можуть сприймати світло у формі фотонів низької енергії та випромінювати фотони вищої енергії.
«Наприклад, ви можете збудити їх за допомогою ближнього інфрачервоного світла, яке можна легко генерувати за допомогою недорогих лазерів, і у відповідь вони будуть світитися яскраво-зеленим».
Цей процес, відомий як підвищення конверсії, дає наночастинкам важливу перевагу. Оскільки світло, яке використовується для їх активації, має іншу частоту, ніж світло, яке вони випромінюють, дослідники можуть виділити потрібний сигнал від фонового світла самого зразка.
Хуанг порівнює ефект із поглядом на нічне небо.
«Це як різниця між спостереженням за зірками вночі та вдень», — каже він.
«Зірки завжди сяють однаковою яскравістю, але вдень сонце настільки яскраве, що закриває їх. Зміна частоти збудження в зразках, які ви аналізуєте, створює фон нульової автофлуоресценції, тоді як люмінесцентні нанозонди світяться; це як вимкнути сонце, щоб ви могли краще бачити зірки».
Проблема прояснення наночастинок
Для завершення процесу перетворення частинки покладаються на іони ітербію та ербію, які належать до сімейства хімічних елементів лантаноїдів.
Попередні версії цих сенсорних наночастинок зазвичай складалися як плоскі гексагональні структури. Іони ітербію та ербію були розділені основним матеріалом з натрію, ітрію та фтору. Дослідники порівнюють цей процес із шоколадною стружкою, вкладеною в печиво, а молекули органічних барвників, що покривають зовні, нагадують глазур.
Коли інфрачервоне світло потрапляє на наночастинки, барвники першими поглинають вхідну енергію. Ця енергія передається іонам ітербію, які служать реле, а потім іонам ербію. Іони ербію виконують описаний вище крок і дозволяють збереженій енергії виглядати як зелене світло.
Однак уточнення цієї системи історично породило інші проблеми.
«Але є проблема: якщо ви упакуєте атоми ітербію занадто щільно, вони поглинають не лише вхідну, але й вихідну енергію», — каже Цзязе Ву, аспірант лабораторії Хуанга та провідний автор нової статті.
«Це називається зворотною передачею енергії: це означає, що енергія, яка була б випромінювана іонами ербію як зелене світло, замість цього повертається до ітербієвого реле і ніколи не досягає поверхні».
Багатошарова конструкція створює односторонній 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 перетворили частинки з гладких шестикутників у тривимірні структури у формі ромба. Кожна частинка має кілька окремих областей: щільне ядро, оточене внутрішньою оболонкою, а потім зовнішню оболонку.
«Ми змогли створити гарний градієнт: концентрація вбудованих іонів ітербію стає щільнішою, коли ми проходимо через кожен шар, і ядро є найщільнішим», — каже Ву.
«Це розташування дозволило нам накопичити більше ітербію. У наших частинках світлова енергія, яка входить до них, тече майже повністю в одному напрямку, до іонів ербію».
Замість того, щоб прийти до цього дизайну лише методом проб і помилок, команда більше покладалася на комп’ютерне моделювання. Дослідники змоделювали десятки можливих хімічних складів і форм частинок, перш ніж створити найбільш перспективні версії в лабораторії.
«Ми використовували моделювання Монте-Карло та теорію функціоналу щільності, щоб змоделювати, як енергія взаємодіє між різними частинами наночастинки, аж до атомного чи навіть субатомного рівня», — говорить студент Вейсіан Бен, який очолював обчислювальну роботу.
«Таким чином, ми показали, що ця структура коричневого кокона насправді може функціонувати як односторонній енергетичний тунель для вхідного світла».
Наночастинки в 150 разів яскравіші
Отримані наночастинки створюють сильніший сигнал, ніж попередні конструкції.
За словами Ву, світло, яке вони випромінюють, приблизно в 150 разів яскравіше, ніж світло від нечутливих до барвника перетворюючих наночастинок. За тих самих умов збудження вони також приблизно в 50 разів яскравіші, ніж деякі оптимізовані звичайні структури, про які повідомлялося раніше.
Ця яскравість безпосередньо перетворюється на більшу чутливість. Оскільки кожна наночастинка генерує такий сильний оптичний сигнал, навіть дуже невелика кількість частинок, приєднаних до їхніх цільових молекул, може генерувати достатньо світла для виявлення.
Датчики також можуть розрізняти структурні ізомери. Ці молекули містять абсолютно однакову кількість атомів, але ці атоми розташовані по-різному. Такі тонкі структурні відмінності можуть бути дуже важливими в хімії, особливо у виробництві ліків.
Ідентифікація неправильної молекули в партії препарату
«Припустімо, ви створюєте молекулу ліків, і ваш виробничий процес працює добре, за винятком того, що 10% партії становить неправильний структурний ізомер», — каже Ву.
«Це велика проблема: це може зробити препарат менш ефективним або гіршим, що призведе до побічних ефектів, яких ви точно не хочете. Поточний процес виявлення цього залежить від дуже дорогих аналітичних тестів, але з цими наночастинками ви можете зробити це за допомогою недорогих лазерів і дуже маленького зразка».
Це поєднання високої чутливості та молекулярної селективності може зробити технологію цінною для виявлення домішок, які важко або дорого виявити звичайними методами.
Той самий базовий підхід також можна адаптувати для моніторингу навколишнього середовища, де дослідникам часто потрібно виявляти надзвичайно малі концентрації забруднюючих речовин, змішаних у великій кількості води.
Наступний крок до комерційного використання
Технологія все ще знаходиться на стадії перевірки концепції. Перш ніж наночастинки отримають широке застосування, дослідники повинні розробити практичний спосіб їх виробництва у великих кількостях.
Хуан каже, що робота вже триває.
“Ми вже працюємо над цим. Ми вважаємо, що це можливо, але для цього потрібна дорожня карта”, – сказав Хуан.
«Тим часом ця модель служить доказом концепції; за допомогою цієї техніки ми можемо виготовити дуже високоефективну конверсійну наночастинку, яку можна адаптувати до будь-якої молекули, яку ви хочете виявити. Це щось абсолютно нове».
