Forscher der University of Toronto haben Nanopartikel konstruiert, die in der Lage sind, infinitesimal kleine Mengen an Chemikalien zu erfassen und nahezu identische Moleküle zu unterscheiden. Wenn die Partikel an der Chemikalie haften, die sie erkennen sollen, geben sie ein helles grünes Licht ab. Was sie auszeichnet, ist ihre Fähigkeit, Infrarotlicht in ein grünes Signal umzuwandeln.
Die Partikel sind farbstoffsensibilisierte Nanopartikel, die wenig energiereiche Photonen aufnehmen und diese Energie in höherenergetische Photonen umwandeln. Dieser Prozess wird als Upconversion bezeichnet.
Funktionsweise der Partikel
Der Upconversion-Prozess wird von Nanopartikeln durchgeführt, die Ionen von Ytterbium und Erbium enthalten, zwei chemischen Elementen innerhalb der Lanthanide-Familie. Die Forscher haben eine Analogie zwischen dem Design dieser Nanopartikel und Schokoladen-Cookies gezogen, wobei die Ytterbium- und Erbium-Ionen wie Chips in ein Trägermaterial aus Natrium, Yttrium und Fluor eingebettet sind. Organische Farbstoffmoleküle bedecken die Außenseite und funktionieren ähnlich wie Zuckerguss.
Wenn die Partikel von Infrarotlicht getroffen werden, fangen die Farbstoffmoleküle die ankommende Energie zuerst ein. Sie gelangt durch Ytterbium-Ionen, die als Relais dienen, und wandert dann zu Erbium-Ionen. Die Erbium-Ionen führen den Upconversion-Schritt durch, wodurch gespeicherte Energie als grünes Licht freigesetzt wird.
Das Problem besteht darin, wie dicht Ytterbium-Atome gepackt sind. Wenn sie zu eng zusammendrücken, absorbieren die Atome nicht nur ankommende Energie, sondern auch austretende Energie – ein Phänomen, das als Rückwärtsenergieübertragung bezeichnet wird. Anstatt dass die Erbium-Ionen grünes Licht abgeben, wird diese Energie zurück zum Ytterbium-Relais gelenkt und entweicht nie an die Oberfläche.
Das Schichtdesign
Um dieses Problem zu lösen, bauten die Forscher die Nanopartikel von Grund auf neu um und änderten sowohl ihre Zusammensetzung als auch ihre Organisation. Das neue Trägermaterial kombiniert Lithium, Lutetium und Fluor. Die Partikel selbst bekamen ein Form-Makeover und wechselten von flachen Hexagonen zu dreidimensionaleren, diamantförmigen Formen.
Ein Partikel besteht aus separaten Regionen: einem dichten Kern, gefolgt von einer inneren Schicht, dann einer äußeren Schicht. Die Konzentration von Ytterbium-Ionen nimmt mit jeder Schicht von innen nach außen zu.
Der Erstautor der neuen Arbeit, Jiaze Wu, ein Doktorand in Huangs Labor, sagt: „Wir konnten einen schönen Verlauf erzeugen: die Konzentration der eingebetteten Ytterbium-Ionen verdichtet sich, wenn man durch jede Schicht geht, wobei der Kern am dichtesten ist.“
„Diese Anordnung ermöglichte es uns, viel mehr Ytterbium zu packen. In unseren Partikeln fließt die Lichtenergie, die hereinkommt, fast ausschließlich in eine Richtung, nach innen zu den Erbium-Ionen.“
Um zu diesem Design zu gelangen, hat das Team nicht einfach Dinge ausprobiert, bis sie funktionierten. Stattdessen stützten sie sich stark auf die Computermodellierung und simulierten Dutzende möglicher chemischer Formulierungen und Partikelformen, bevor sie die vielversprechendsten Versionen im Labor herstellten.
„Wir haben Monte-Carlo-Simulationen und Dichtefunktionaltheorie verwendet, um zu simulieren, wie die Energie zwischen den verschiedenen Teilen des Nanopartikels interagiert, bis hin zum atomaren oder sogar subatomaren Niveau“, sagt der Student Weixiang Ben, der die rechnerische Arbeit leitete.
„So konnten wir zeigen, dass diese Kern-Schalen-Schalen-Struktur tatsächlich als einwegige Energieleitung für einfallendes Licht fungieren kann.“
Hellere Nanopartikel
Die Schichtenstruktur löst das Problem der Rückwärtsenergieübertragung. Im Kern nehmen Ytterbium-Ionen Infrarotlicht auf und übertragen diese Energie dann über Erbium-Ionen. Das grüne Signal tritt dann aus, ohne von dem umliegenden Ytterbium wieder absorbiert zu werden.
Laut den Forschern können diese Partikel bis zu 150-mal heller sein als frühere Versionen derselben Art von Nanopartikel.
In der Zeitschrift des American Chemical Society liefert der leitende Autor, Professor Kai Huang, eine Erklärung, die den Nutzen leicht erkennen lässt.
„Es ist wie der Unterschied zwischen dem Sternbeobachten bei Nacht und am Tag“, sagt er.
„Die Sterne strahlen immer gleich hell, aber tagsüber ist die Sonne so stark, dass sie sie überstrahlt. Durch die Absenkung der Anregungsfrequenz wird ein Null-Autofluoreszenz-Hintergrund in den Proben erzeugt, die Sie analysieren, während die lumineszierenden Nanoproben weiterhin leuchten; es ist wie das Ausschalten der Sonne, damit man die Sterne besser sehen kann.“
| Particle Design | Older Versions | New Design |
|---|---|---|
| Shape | Flat hexagonal | Diamond-shaped |
| Host matrix | Sodium, yttrium, fluorine | Lithium, lutetium, fluorine |
| Ytterbium arrangement | Embedded like chips | Dichte Kerne, dann Schalen ( |
| Leichter Fluss ( | Rein und raus ( | Fast ausschließlich nach innen ( |
| Helligkeit ( | Nicht angegeben ( | Bis zu 150-mal heller ( |
Eines Tages könnten Teilchen wie diese ein günstigeres Mittel bieten, um gefährliche Verunreinigungen von Drogen oder Spurenverunreinigungen einzufangen, wobei nur einfache, kostengünstige Laser verwendet werden. Das Design wurde offengelegt, und die Forschung wurde veröffentlicht. (
Was hier zählt, ist die Anordnung der Schichten. Das Packen von mehr Ytterbium-Ionen in den Kern erzeugte einen Gradienten, der die Energie in eine Richtung leitet. Die Ytterbium-Ionen im Kern absorbieren das einfallende Infrarotlicht und leiten es an die Erbium-Ionen weiter, die es in grünes Licht umwandeln. (
Das grüne Licht erscheint, ohne von dem umliegenden Ytterbium wieder aufgenommen zu werden, ein Problem, das frühere Versionen nicht vermeiden konnten. Dies erzeugt ein helleres Signal. (
Quelle: “New nanoparticles make hidden chemical differences light up,” ScienceDaily. (
Das Notizbuch abonnieren.
Die besten Geschichten des Tages und jedes neue Urteil, in klarem Deutsch, um sieben im Postfach. Eine Mail am Tag, nicht mehr.