Представьте себе сенсор, который видит одну «неправильную» молекулу в огромной партии лекарств — и сигнализирует об этом вспышкой зелёного света. Именно это умеют делать новые наночастицы, разработанные инженерами Университета Торонто (University of Toronto). И это не фантастика — это химия.
Звёзды среди дня: почему обычные флуоресцентные красители проигрывают
Десятилетиями учёные использовали органические молекулы — флуорофоры — чтобы обнаруживать химические вещества. Принцип простой: молекула поглощает свет и переизлучает его другим цветом. Но есть ограничение: флуорофоры работают «сверху вниз», превращая высокоэнергетические фотоны в низкоэнергетические, и при этом образец самостоятельно излучает фоновую автофлуоресценцию, которая заглушает полезный сигнал.
«Органические молекулы, называемые флуорофорами, применяются уже несколько десятилетий для поглощения света и его преобразования в цветное излучение, но этот процесс работает только в одном направлении. С флуорофорами частота возбуждения должна быть выше частоты излучения, то есть они преобразуют высокоэнергетические фотоны в низкоэнергетические. Особенность наших наночастиц с сенсибилизированными красителями — способность к апконверсии: они поглощают свет в виде низкоэнергетических фотонов и испускают более высокоэнергетические», — объясняет профессор Кай Хуан, старший автор статьи в Journal of the American Chemical Society.
Инфракрасный вход — зелёный выход
«Это похоже на разницу между наблюдением звёздного неба ночью и днём. Звёзды светят с одинаковой яркостью всегда, но днём солнце настолько мощное, что подавляет их. Смещение частоты возбуждения вниз даёт нулевую автофлуоресценцию фона в образцах, тогда как люминесцентные нанозонды продолжают светиться — это всё равно что выключить солнце, чтобы лучше видеть звёзды», — говорит Кай Хуан.
Проблема увеличения яркости
В классических наночастицах на базе иттербия и эрбия в матрице из натрия, иттрия и фтора («шоколадное тесто» с «вкраплениями» и «глазурью» из органических красителей) увеличение плотности иттербия приводило к обратному переносу энергии: электроны эрбия не успевали испускать зелёный свет, а энергия возвращалась иттербию и гасилась.
«Но есть проблема: если слишком плотно упаковать атомы иттербия, они начинают поглощать не только входящую энергию, но и исходящую, возвращая её обратно и не позволяя ей достичь поверхности», — объясняет аспирант Цзяцзе Ву, ведущий автор новой работы.
Многослойная структура обеспечивает односторонний путь энергии
Чтобы обойти это ограничение, команда Хуана заменила матрицу натрий-иттрий-фтор на новую — литий-лютеций-фтор и изменила форму частиц с плоских шестиугольников на трёхмерные ромбовидные.
Каждая частица состоит из трёх областей: плотного ядра, внутренней и внешней оболочек. Концентрация ионов иттербия возрастает от внешнего слоя к ядру, создавая градиент, направляющий энергию внутрь к ионам эрбия.
«Мы смоделировали десятки химических составов и форм частиц с помощью Монте-Карло и теории функционала плотности, чтобы убедиться, что такая структура будет работать как односторонний туннель для энергии», — рассказывает студент-исследователь Вэйсян Бэнь, руководивший вычислительной частью проекта.
150 раз ярче и высокая чувствительность к изомерам
Новая конструкция и сенсибилизирующие красители сделали наночастицы примерно в 150 раз ярче по сравнению с несенсибилизированными аналогами и в 50 раз ярче по сравнению с лучшими ранее оптимизированными структурами при тех же условиях возбуждения.
Благодаря этому даже малое количество связавшихся с целевыми молекулами частиц даёт достаточный оптический сигнал. Сенсоры способны различать структурные изомеры — молекулы с теми же атомами, но разным расположением, что критично для фармацевтической промышленности.
«Представьте, что 10% партии лекарственного вещества оказались «неправильным» изомером. Это может снизить эффективность препарата или вызвать нежелательные побочные эффекты. Текущие методы требуют дорогого оборудования, а с нашими наночастицами достаточно доступного лазера и небольшого образца», — поясняет Цзяцзе Ву.
Дорога к коммерческому применению
Технология всё ещё на уровне доказательства концепции. Учёным предстоит наладить массовое производство частиц. По словам Кая Хуана, работа уже идёт, но потребует долгосрочной дорожной карты.
«Мы считаем, что масштабирование возможно, но для этого потребуется время. Пока что наша модель демонстрирует принцип: с её помощью можно создавать высокоэффективные наночастицы с апконверсией, настраиваемые под любые аналитические задачи», — заключает профессор Хуан.
