Cercetătorii de la University of Toronto au dezvoltat un nou tip de nanoparticule luminescente capabile să detecteze substanțe chimice în concentrații foarte mici și să diferențieze molecule cu structuri aproape identice. Tehnologia ar putea fi folosită în viitor pentru identificarea impurităților din medicamente sau a unor cantități foarte mici de poluanți din apă.
De până la 150 de ori mai multă lumină
Echipa condusă de profesorul Kai Huang a proiectat nanoparticule cu mai multe straturi, în care energia absorbită este direcționată către centrul particulei și sunt reduse pierderile care limitau eficiența unor variante anterioare.
Studiul publicat în Journal of the American Chemical Society arată o creștere de peste 150 de ori a luminescenței verzi în anumite condiții experimentale, comparativ cu nanoparticulele de referință folosite de cercetători. University of Toronto precizează că noile particule pot fi de aproximativ 150 de ori mai luminoase decât nanoparticulele de conversie ascendentă fără sensibilizarea corespunzătoare și de aproximativ 50 de ori mai luminoase decât unele dintre cele mai performante configurații convenționale testate în aceleași condiții.
Luminozitatea ridicată permite detectarea unui semnal chiar și atunci când numai un număr redus de nanoparticule se leagă de moleculele urmărite.
Pot diferenția molecule aproape identice
Una dintre caracteristicile demonstrate de cercetători este capacitatea nanoparticulelor de a distinge între izomeri structurali. Izomerii sunt molecule alcătuite din aceiași atomi, dar în care atomii sunt organizați diferit.
În experimentul prezentat în studiul științific, sistemul a diferențiat formele orto, meta și para ale acidului mercaptobenzoic la o concentrație de 1 microgram pe mililitru.
Diferențierea izomerilor poate avea aplicații în industria farmaceutică. În producerea unui medicament, două molecule cu aceeași compoziție chimică, dar cu structuri diferite, pot avea proprietăți biologice diferite.
Jiaze Wu, unul dintre cercetătorii implicați în proiect, explică faptul că identificarea unor asemenea impurități necesită în prezent tehnici analitice costisitoare. Nanoparticulele dezvoltate de echipă ar putea permite realizarea unor teste cu probe mici și lasere cu cost redus.
Posibile aplicații în detectarea poluanților
Sensibilitatea sistemului ar putea fi folosită și pentru identificarea unor urme de substanțe chimice din mediul înconjurător. University of Toronto indică printre posibilele aplicații detectarea unor cantități foarte mici de poluanți chimici în apele subterane.
Nanoparticulele conțin ioni din familia lantanidelor, inclusiv iterbiu și erbiu. Cercetătorii au modificat atât compoziția materialului, cât și distribuția ionilor între nucleul particulei și straturile exterioare pentru ca energia absorbită să fie transportată mai eficient spre zona în care este produsă lumina.
Proiectarea s-a bazat și pe simulări computerizate. Echipa a testat virtual mai multe combinații de materiale și forme înainte de fabricarea nanoparticulelor în laborator, folosind inclusiv simulări Monte Carlo și calcule bazate pe teoria funcționalei densității.
Nanoparticulele nu reprezintă deocamdată un sistem comercial de analiză. Kai Huang spune că una dintre etapele necesare pentru dezvoltarea tehnologiei este găsirea unei metode prin care particulele să poată fi produse la scară mare.
Cercetarea, intitulată „Breaking the Sensitization-Passivation Trade-Off in Dye-Sensitized Upconversion Nanoparticles through LiLuF4-Enabled Directional Energy Transfer”, a fost realizată de cercetători de la University of Toronto, University of Massachusetts Chan Medical School și McMaster University și a fost publicată în Journal of the American Chemical Society.