(Phys.org) —Il termine "futuro più luminoso" potrebbe essere un cliché, ma nel caso di sonde ultrapiccole per illuminare singole proteine, ora è più appropriato. I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto nuove regole sorprendenti per la creazione di cristalli ultra-luminosi che emettono luce con un diametro inferiore a 10 nanometri. Queste nanosonde ultra-piccole ma ultra-luminose dovrebbero essere una grande risorsa per l'imaging biologico, in particolare l'imaging ottico dei tessuti profondi dei neuroni nel cervello.

Lavorando alla Fonderia Molecolare, un centro nazionale di nanoscienze DOE ospitato presso il Berkeley Lab, un team multidisciplinare di ricercatori guidati da James Schuck e Bruce Cohen, entrambi con la divisione di scienze dei materiali di Berkeley Lab, ha utilizzato la caratterizzazione avanzata di una singola particella e la modellazione teorica per studiare le cosiddette "nanoparticelle che convertono verso l'alto" o UCNP. L'upconversion è il processo mediante il quale una molecola assorbe due o più fotoni a un'energia inferiore e li emette a energie più elevate. Il team di ricerca ha stabilito che le regole che disciplinano la progettazione delle sonde UCNP per insiemi di molecole non si applicano alle sonde UCNP progettate per singole molecole.

"La saggezza convenzionale ampiamente accettata per la progettazione di UCNP luminosi è stata che si desidera utilizzare un'alta concentrazione di ioni sensibilizzatori e una concentrazione relativamente piccola di ioni emettitori, poiché troppi emettitori comporteranno un auto-estinguente che porta a una luminosità inferiore, dice Schuck, che dirige l'Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility della Molecular Foundry. "I nostri risultati mostrano che sotto i maggiori poteri di eccitazione utilizzati per l'imaging di singole particelle, le concentrazioni degli emettitori dovrebbero essere le più elevate possibile senza compromettere la struttura del nanocristallo, mentre il contenuto del sensibilizzante può essere potenzialmente eliminato".

Schuck e Cohen sono gli autori corrispondenti di un articolo che descrive questa ricerca in Nature Nanotechnology. Il documento è intitolato "Ingegneria di nanocristalli luminosi sub-10-nm upconverting per l'imaging a singola molecola". I coautori sono Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginia Alto, Edoardo Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban e Delia Milliron.

Le proteine ​​sono uno dei mattoni fondamentali della biologia. Le cellule che compongono i tessuti e gli organi sono costituite da insiemi di proteine ​​che interagiscono con altre biomolecole, mentre altre proteine ​​controllano quasi tutti i processi chimici all'interno di una cellula. Studiare la posizione, assemblea, e il movimento di proteine ​​specifiche è essenziale per capire come funzionano le cellule e cosa va storto nelle cellule malate. Gli scienziati spesso studiano le proteine ​​all'interno delle cellule etichettandole con sonde emettitrici di luce, ma trovare sonde sufficientemente luminose per l'imaging ma non così grandi da interrompere la funzione della proteina è stata una sfida. Le molecole di colorante organico fluorescente e i punti quantici di semiconduttori soddisfano i requisiti di dimensione ma impongono altre limitazioni.

"Coloranti organici e punti quantici lampeggeranno, nel senso che si accendono e si spengono casualmente, che è abbastanza problematico per l'imaging a singola molecola, e sarà fotodecolorante, spegnimento permanente, di solito dopo meno di 10 secondi nella maggior parte delle condizioni di imaging, " dice Schuck.

Cinque anni fa, Cohen e Schuck e i loro colleghi della Molecular Foundry hanno sintetizzato e ripreso singoli UCNP realizzati da nanocristalli di sodio fluoruro di ittrio (NaYF4) drogati con tracce di elementi lantanidi itterbio, per gli ioni sensibilizzanti, ed erbio, per gli ioni emettitori. Questi UCNP sono stati in grado di convertire i fotoni del vicino infrarosso in luce visibile verde o rossa, e la loro fotostabilità le rende sonde luminescenti potenzialmente ideali per l'imaging di singole molecole.

"Le cellule non contengono naturalmente lantanidi, quindi non convertono affatto la luce, il che significa che possiamo immaginare senza alcuno sfondo misurabile, " dice Cohen. "E possiamo eccitare con la luce nel vicino infrarosso, che è molto meno dannoso per le cellule rispetto alla luce visibile o ultravioletta. Queste sono grandi proprietà, ma per rendere i nostri UCNP più compatibili con l'imaging cellulare, abbiamo dovuto sviluppare nuovi metodi sintetici per ridurli".

Però, quando gli scienziati della fonderia hanno ridotto le dimensioni dell'UCNP, seguendo le regole di progettazione convenzionali, hanno scoperto che la perdita di luminosità è diventata un grosso problema. Gli UCNP più piccoli di 10 nanometri non erano più abbastanza luminosi per l'imaging di singole molecole. Ciò ha spinto il nuovo studio, che ha mostrato che i fattori noti per aumentare la luminosità negli esperimenti di massa perdono importanza a potenze di eccitazione più elevate e che, paradossalmente, le sonde più luminose sotto eccitazione a singola molecola sono appena luminescenti a livello di insieme.

"Questa scoperta è avvenuta proprio come conseguenza dell'ambiente collaborativo multidisciplinare presso la Molecular Foundry, "dice Daniel Gargas, co-autore principale del documento Nature Nanotechnology. "Utilizzando il nostro contatto quotidiano e le nostre amicizie con gli scienziati di tutta la Fonderia, siamo stati in grado di eseguire ricerche molto avanzate su materiali su scala nanometrica che includevano lo studio della fotofisica a singola molecola, la capacità di sintetizzare nanocristalli ultra-piccoli di conversione di quasi tutte le composizioni, e la modellazione/simulazione avanzata delle proprietà ottiche dell'UCNP. Non ci sono molte strutture al mondo in grado di eguagliare questa atmosfera collaborativa con livelli così elevati di caratterizzazione scientifica".

Gli UCNP fanno uso di ioni sensibilizzanti, come l'itterbio, con sezioni trasversali di assorbimento dei fotoni relativamente grandi, per assorbire la luce in entrata e trasferire questa energia assorbita agli ioni emettitori, come l'erbio, che si illumina. Gli UCNP originali drogati con lantanidi contenevano il 20% di itterbio e il 2% di erbio, che si riteneva fossero le concentrazioni ottimali per la luminosità sia nella massa che nei nanocristalli. Però, il nuovo studio Molecular Foundry ha mostrato che per UCNP inferiori a 10 nanometri, la concentrazione di erbio potrebbe essere aumentata al 20% e la concentrazione di itterbio potrebbe essere ridotta al 2%, o addirittura eliminati per gli UCNP che si avvicinano ai cinque nanometri.

"La gente spesso presume che le particelle che sono le più luminose a basse potenze saranno anche le più luminose ad alte potenze, ma abbiamo scoperto che i nostri UCNP ultra piccoli sono un classico esempio di tartaruga e lepre, "dice Emory Chan, l'altro co-autore principale del documento Nature Nanotechnology. "Gli UCNP pesantemente drogati con erbio iniziano lentamente fuori dal cancello, essendo incredibilmente debole a basse potenze, ma nel momento in cui l'intensità del laser viene portata a una potenza elevata, hanno rinunciato agli UCNP convenzionalmente drogati che sono gli high-flyer a basse potenze."

I modelli al computer di Chan prevedono che le nuove regole sono universali per gli host di nanocristalli drogati con lantanidi e ora sta usando il robot WANDA della fonderia (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis), che ha sviluppato insieme alla coautrice Delia Milliron, per creare e selezionare le migliori composizioni UCNP in base a diverse considerazioni e criteri di funzionamento/applicazione.

Nel corso della scoperta delle nuove regole per la progettazione di UCNP ultra-piccoli, il team di ricerca ha anche scoperto che esistono livelli complessi di eterogeneità all'interno degli spettri di emissione di questi UCNP. Ciò suggerisce che le emissioni degli UCNP potrebbero provenire solo da un piccolo sottoinsieme degli emettitori totali.

"Studi futuri potrebbero determinare come ingegnerizzare particelle costituite solo da questi super-emettitori con conseguente emissioni ancora più luminose da UCNP ultra-piccoli, "dice Garga.