Инженеры Университета Торонто разработали сенсорные наночастицы, способные обнаруживать химические вещества в чрезвычайно малых концентрациях и различать молекулы с почти одинаковой формой. При соединении с целевой молекулой частицы начинают испускать световой сигнал, который можно измерить. Технология может найти применение при контроле качества лекарств и поиске загрязнителей в подземных водах.
Основой разработки стал процесс преобразования света с повышением энергии — апконверсия. Наночастицы поглощают низкоэнергетическое ближнее инфракрасное излучение, которое можно получать с помощью недорогих лазеров, а затем испускают более энергичный зелёный свет. Поскольку частоты возбуждающего и испускаемого излучения различаются, сигнал легче отделить от фонового свечения исследуемого образца.
«Органические молекулы, называемые флуорофорами, десятилетиями использовались для поглощения света и преобразования его в цветное излучение, но этот процесс работает только в одном направлении», — сказал старший автор исследования профессор Кай Хуан. По его словам, новая конструкция позволяет получать яркое зелёное свечение при воздействии ближнего инфракрасного света. Учёный сравнил эффект с наблюдением за звёздами ночью, когда солнечный свет не мешает различать их на небе.
Для апконверсии в частицах используются ионы иттербия и эрбия. В прежних моделях они находились в плоских гексагональных структурах, а энергия передавалась от органического красителя к иттербию, затем к эрбию, который испускал зелёный свет. Однако при слишком высокой концентрации иттербия часть энергии возвращалась к нему и не достигала поверхности. «Это называется обратной передачей энергии: энергия, которая должна была излучиться ионами эрбия в виде зелёного света, вместо этого возвращается к иттербиевому реле и не достигает поверхности», — пояснил ведущий автор работы, аспирант Джазе Ву.
Исследователи заменили матрицу из натрия, иттрия и фтора на состав из лития, лютеция и фтора, а плоскую форму — на объёмную ромбовидную. Частицы получили структуру из плотного ядра, внутренней и внешней оболочек, причём концентрация ионов иттербия увеличивается по направлению к центру. Компьютерное моделирование, включая методы Монте-Карло и теорию функционала плотности, помогло выбрать наиболее перспективные варианты состава и формы до их изготовления в лаборатории. Результаты опубликованы в ScienceDaily со ссылкой на исследование в Journal of the American Chemical Society.
Новые частицы светятся примерно в 150 раз ярче обычных апконверсионных наночастиц без сенсибилизации красителем и примерно в 50 раз ярче некоторых наиболее оптимизированных традиционных конструкций. Благодаря этому они могут обнаруживать очень небольшое число частиц, присоединившихся к целевым молекулам, а также различать структурные изомеры — соединения с одинаковым составом, но разным расположением атомов. В фармацевтике это позволит выявлять примесь нежелательного изомера, которая способна снизить эффективность препарата или вызвать побочные эффекты, с помощью недорогого лазера и небольшого образца. Технология пока остаётся на стадии подтверждения концепции, а для её широкого применения потребуется наладить массовое производство наночастиц.