Οι χημικές αναλύσεις συχνά σκοντάφτουν σε ένα δύσκολο πρόβλημα: ορισμένα μόρια έχουν τα ίδια άτομα, στην ίδια αναλογία, αλλά διαφορετική διάταξη. Μια νέα κατηγορία νανοσωματιδίων υπόσχεται να κάνει αυτές τις μικροσκοπικές διαφορές ορατές, μετατρέποντας ένα αδύναμο σήμα σε έντονο πράσινο φως.
Ένα φωτεινό σήμα από αόρατες ποσότητες
Ερευνητές του University of Toronto ανέπτυξαν dye-sensitized νανοσωματίδια που προσκολλώνται στο χημικό μόριο-στόχο και εκπέμπουν φως. Η τεχνική μπορεί να ανιχνεύει εξαιρετικά μικρές συγκεντρώσεις και να ξεχωρίζει ακόμη και δομικά ισομερή — μόρια με τα ίδια είδη και τον ίδιο αριθμό ατόμων, αλλά διαφορετική χωροταξική διάταξη.
Το κλειδί είναι η upconversion φωταύγεια. Τα σωματίδια απορροφούν φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας από ένα κοντινό υπέρυθρο λέιζερ και εκπέμπουν φωτόνια υψηλότερης ενέργειας, με χαρακτηριστική πράσινη λάμψη. Επειδή το μήκος κύματος διέγερσης διαφέρει από εκείνο της εκπομπής, το σήμα ξεχωρίζει ευκολότερα από τον φωτισμό του ίδιου του δείγματος.
Η αρχιτεκτονική που οδηγεί την ενέργεια προς μία κατεύθυνση
Οι ερευνητές αντικατέστησαν τη συμβατική μήτρα νατρίου, υττρίου και φθορίου με μια νέα σύνθεση λιθίου, λουτεσίου και φθορίου. Παράλληλα, αντί για επίπεδα εξαγωνικά σωματίδια, δημιούργησαν τρισδιάστατες δομές σε σχήμα διαμαντιού, με πυρήνα, εσωτερικό κέλυφος και εξωτερικό κέλυφος.
Η συγκέντρωση ιόντων υττερβίου αυξάνεται προς τον πυρήνα. Έτσι, η ενέργεια που συλλέγεται από τις οργανικές χρωστικές μεταφέρεται προς τα ιόντα υττερβίου και στη συνέχεια προς τα ιόντα ερβίου, τα οποία ολοκληρώνουν τη μετατροπή σε πράσινο φως. Η πολυστρωματική διάταξη περιορίζει τη μεταφορά ενέργειας προς τα πίσω — ένα φαινόμενο που μέχρι τώρα αποδυνάμωνε την εκπομπή.
Για να επιλέξουν τη σύνθεση και το σχήμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προσομοιώσεις Monte Carlo και θεωρία συναρτησιακού πυκνότητας πριν κατασκευάσουν τις πιο υποσχόμενες εκδοχές στο εργαστήριο.
Έως 150 φορές φωτεινότερα
Σύμφωνα με τη μελέτη, το εκπεμπόμενο φως είναι περίπου 150 φορές ισχυρότερο από εκείνο μη ευαισθητοποιημένων νανοσωματιδίων upconversion και περίπου 50 φορές ισχυρότερο από ορισμένες από τις πιο βελτιστοποιημένες συμβατικές δομές που είχαν αναφερθεί προηγουμένως.
Η αυξημένη φωτεινότητα σημαίνει ότι χρειάζονται λιγότερα σωματίδια για να ανιχνευθεί ένας στόχος. Αυτό είναι σημαντικό όταν πρέπει να εντοπιστούν ανεπιθύμητες προσμίξεις σε μια φαρμακευτική παρτίδα, ειδικά αν η πρόσμιξη είναι δομικό ισομερές που μπορεί να μειώσει την αποτελεσματικότητα ή να προκαλέσει ανεπιθύμητες παρενέργειες.
Από το εργαστήριο στην πραγματική χρήση
Η ίδια προσέγγιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και για περιβαλλοντικούς ελέγχους, όπως η ανίχνευση πολύ μικρών ποσοτήτων ρύπων σε υπόγεια νερά. Η χρήση οικονομικών υπέρυθρων λέιζερ θα μπορούσε να μειώσει το κόστος σε σχέση με ορισμένες σημερινές αναλυτικές μεθόδους.
Ωστόσο, η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της απόδειξης αρχής. Το επόμενο μεγάλο βήμα είναι να βρεθεί πρακτικός τρόπος παραγωγής των νανοσωματιδίων σε μεγάλες ποσότητες και με σταθερή ποιότητα. Μέχρι τότε, το επίτευγμα δείχνει κυρίως ότι η σωστή χημική αρχιτεκτονική μπορεί να μετατρέψει ένα αμυδρό σήμα σε εργαλείο για πολύ πιο επιλεκτικές μετρήσεις.