Märkning av biomolekyler med ljusemitterande nanopartiklar är en kraftfull teknik för att observera cellrörelser och signalering under realistiska, in vivo-förhållanden. Den lilla storleken på dessa sonder, dock, begränsar ofta deras optiska kapacitet. Särskilt, många nanopartiklar har problem med att producera högenergiljus med våglängder i det violetta till ultravioletta området, som kan utlösa kritiska biologiska reaktioner.

Nu, ett internationellt team under ledning av Xiaogang Liu från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och National University of Singapore har upptäckt en ny klass av sällsynta jordartsmetaller nanokristaller som bevarar exciterad energi i deras atomära ramverk, vilket resulterar i ovanligt intensiva violetta utsläpp.

selektivt infunderade nanokristaller, eller "dopad", med joner av sällsynta jordartsmetaller har uppmärksammats av forskare, på grund av deras låga toxicitet och förmåga att omvandla lågenergilaserljus till violettfärgade luminiscensemissioner - en process som kallas fotonuppkonvertering. Ansträngningar för att förbättra intensiteten av dessa utsläpp har fokuserat på ytterbium (Yb) dopämnen av sällsynta jordartsmetaller, eftersom de är lätta att excitera med standardlasrar. Tyvärr, förhöjda mängder Yb-dopanter kan snabbt minska, eller "släcka", det genererade ljuset.

Denna släckning uppstår troligen från långdistansmigreringen av laserexciterade energitillstånd från Yb och mot defekter i nanokristallen. De flesta nanokristaller från sällsynta jordartsmetaller har relativt likformiga dopningsfördelningar, men Liu och hans medarbetare ansåg att ett annat kristallarrangemang – klustring av dopämnen i fleratomsuppsättningar åtskilda av stora avstånd – kunde producera lokala exciterade tillstånd som inte genomgår migrerande släckning.

Teamet screenade många nanokristaller med olika symmetri innan de upptäckte ett material som uppfyllde deras kriterier:en kaliumfluoridkristall dopad med Yb och europium sällsynta jordartsmetaller (KYb2F7:Eu). Experiment avslöjade att de isolerade Yb-'energiklustren' inuti denna pillerformade nanokristall (se bild) möjliggjorde avsevärt högre dopningskoncentrationer än vanligt - Yb stod för upp till 98 procent av kristallens massa - och hjälpte till att initiera multifotonuppkonvertering som gav violett ljus med en intensitet åtta gånger högre än tidigare sett.

Forskarna undersökte sedan de biologiska tillämpningarna av deras nanokristaller genom att använda dem för att detektera alkaliska fosfataser, enzymer som ofta indikerar ben- och leversjukdomar. När teamet förde nanokristallerna nära en alkalisk fosfatkatalyserad reaktion, de såg de violetta utsläppen minska i direkt proportion till en kemisk indikator som produceras av enzymet. Detta tillvägagångssätt möjliggör snabb och känslig detektering av denna kritiska biomolekyl vid koncentrationsnivåer i mikroskala.

"Vi tror att de grundläggande aspekterna av dessa fynd - att kristallstrukturer i hög grad kan påverka luminescensegenskaper - kan tillåta uppkonvertering av nanokristaller att så småningom överträffa konventionella fluorescerande biomarkörer, säger Liu.