L'etichettatura di biomolecole con nanoparticelle che emettono luce è una tecnica potente per osservare il movimento cellulare e la segnalazione in condizioni realistiche, condizioni in vivo. Le piccole dimensioni di queste sonde, però, spesso limita le loro capacità ottiche. In particolare, molte nanoparticelle hanno difficoltà a produrre luce ad alta energia con lunghezze d'onda nella gamma dal viola all'ultravioletto, che possono innescare reazioni biologiche critiche.

Ora, un team internazionale guidato da Xiaogang Liu dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e della National University of Singapore ha scoperto una nuova classe di nanocristalli di terre rare che conservano l'energia eccitata all'interno della loro struttura atomica, con conseguente emissioni viola insolitamente intense.

Nanocristalli selettivamente infusi, o "drogato", con ioni di terre rare hanno attirato l'attenzione dei ricercatori, a causa della loro bassa tossicità e capacità di convertire la luce laser a bassa energia in emissioni di luminescenza di colore viola, un processo noto come conversione di fotoni. Gli sforzi per migliorare l'intensità di queste emissioni si sono concentrati sui droganti delle terre rare di itterbio (Yb), in quanto facilmente eccitabili con laser standard. Sfortunatamente, quantità elevate di droganti Yb possono diminuire rapidamente, o "spegnere", la luce generata.

Questo quenching deriva probabilmente dalla migrazione a lungo raggio di stati energetici eccitati dal laser da Yb e verso difetti nel nanocristallo. La maggior parte dei nanocristalli di terre rare ha distribuzioni di droganti relativamente uniformi, ma Liu e collaboratori hanno ritenuto che una diversa disposizione dei cristalli - raggruppamento di droganti in array multi-atomo separati da grandi distanze - potrebbe produrre stati eccitati localizzati che non subiscono l'estinzione migratoria.

Il team ha vagliato numerosi nanocristalli con diverse simmetrie prima di scoprire un materiale che soddisfaceva i loro criteri:un cristallo di fluoruro di potassio drogato con Yb e terre rare di europio (KYb2F7:Eu). Gli esperimenti hanno rivelato che i "gruppi energetici" isolati di Yb all'interno di questo nanocristallo a forma di pillola (vedi immagine) consentivano concentrazioni di drogante sostanzialmente più elevate del solito - Yb rappresentava fino al 98% della massa del cristallo - e aiutava ad avviare la conversione multifotonica che produceva luce viola con un'intensità otto volte superiore a quella vista in precedenza.

I ricercatori hanno quindi esplorato le applicazioni biologiche dei loro nanocristalli utilizzandoli per rilevare le fosfatasi alcaline, enzimi che spesso indicano malattie ossee ed epatiche. Quando il team ha avvicinato i nanocristalli a una reazione alcalina catalizzata da fosfato, videro diminuire le emissioni violette in proporzione diretta ad un indicatore chimico prodotto dall'enzima. Questo approccio consente il rilevamento rapido e sensibile di questa biomolecola critica a livelli di concentrazione su microscala.

"Riteniamo che gli aspetti fondamentali di questi risultati - che le strutture cristalline possono influenzare notevolmente le proprietà di luminescenza - potrebbero consentire ai nanocristalli di conversione superiore di superare eventualmente i biomarcatori fluorescenti convenzionali, "dice Liù.