(Phys.org) - Termen en "ljusare framtid" kan vara en klyscha, men när det gäller ultrasmå sonder för att tända enskilda proteiner, det är nu mest lämpligt. Forskare vid US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har upptäckt överraskande nya regler för att skapa ultralätta ljusemitterande kristaller som är mindre än 10 nanometer i diameter. Dessa extremt små men ultralätta nanoprober borde vara en stor tillgång för biologisk avbildning, särskilt djupvävnad optisk avbildning av neuroner i hjärnan.

Jobbar på Molecular Foundry, ett nationellt nanovetenskapscenter från DOE som värd vid Berkeley Lab, ett tvärvetenskapligt team av forskare under ledning av James Schuck och Bruce Cohen, båda med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, använde avancerad enkelpartikelkaraktärisering och teoretisk modellering för att studera vad som kallas "uppkonverterande nanopartiklar" eller UCNP. Uppkonvertering är den process genom vilken en molekyl absorberar två eller flera fotoner vid en lägre energi och avger dem vid högre energier. Forskargruppen fastställde att reglerna för utformning av UCNP-sonder för ensembler av molekyler inte gäller UCNP-prober avsedda för enkelmolekyler.

"Den allmänt accepterade konventionella visdomen för att designa ljusa UCNP har varit att du vill använda en hög koncentration av sensibiliserande joner och en relativt liten koncentration av emitterjoner, eftersom för många sändare kommer att resultera i självkylning som leder till lägre ljusstyrka, säger Schuck, som leder Molecular Foundry's Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility. "Våra resultat visar att under de högre excitationskrafter som används för avbildning av enstaka partiklar, emitterkoncentrationer bör vara så höga som möjligt utan att äventyra strukturen i nanokristallen, medan sensibiliserande innehåll potentiellt kan elimineras. "

Schuck och Cohen är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning inom Nature Nanotechnology. Papperet har titeln "Engineering bright sub-10-nm upconverting nanocrystals for single-molecule imaging." Medförfattare är Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginia Altoe, Edward Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban och Delia Milliron.

Proteiner är en av de grundläggande byggstenarna i biologin. Cellerna som utgör vävnader och organ är konstruerade av proteiner som samverkar med andra biomolekyler, medan andra proteiner styr nästan varje kemisk process inuti en cell. Studerar platsen, hopsättning, och rörelse av specifika proteiner är avgörande för att förstå hur celler fungerar och vad som går fel i sjuka celler. Forskare studerar ofta proteiner i celler genom att märka dem med ljusemitterande sonder, men att hitta sonder som är tillräckligt ljusa för avbildning men inte så stora att de stör proteinets funktion har varit en utmaning. Fluorescerande organiska färgämnen och halvledarkvantumspunkter uppfyller storlekskraven men ställer andra begränsningar.

"Organiska färgämnen och kvantprickar kommer att blinka, vilket betyder att de slås på och av slumpmässigt, vilket är ganska problematiskt för enmolekylär avbildning, och kommer att fotbleka, stänga av permanent, vanligtvis efter mindre än 10 sekunder under de flesta avbildningsförhållanden, "Säger Schuck.

Fem år sedan, Cohen och Schuck och deras kollegor vid Molecular Foundry syntetiserade och avbildade enkla UCNP tillverkade av nanokristaller av natrium yttriumfluorid (NaYF4) dopade med spårmängder av lantanidelementen ytterbium, för sensibiliserande joner, och erbium, för emitterjonerna. Dessa UCNP:er kunde omvandla nära-infraröda fotoner till grönt eller rött synligt ljus, och deras fotostabilitet gör dem till potentiellt ideala självlysande sonder för avbildning med en molekyl.

"Celler innehåller inte naturligt lantanider, så att de inte omvandlar ljuset alls, vilket innebär att vi kan avbilda utan någon mätbar bakgrund, "Säger Cohen." Och vi kan excitera med nära-infrarött ljus, vilket är mycket mindre skadligt för celler än synligt eller ultraviolett ljus. Det här är fantastiska egenskaper, men för att göra våra UCNP mer kompatibla med cellulär bildbehandling, vi var tvungna att utveckla nya syntetiska metoder för att göra dem mindre. "

Dock, när gjuteriforskare minskade UCNP -storleken, efter konventionella konstruktionsregler, de fann att förlust av ljusstyrka blev en stor fråga. UCNP:er mindre än 10 nanometer var inte längre tillräckligt ljusa för avbildning av en enda molekyl. Detta föranledde den nya studien, som visade att faktorer som är kända för att öka ljusstyrkan i bulkförsök tappar betydelse vid högre excitationskrafter och att, paradoxalt, de ljusaste sonderna under enmolekylerad excitation är knappt självlysande på ensemblenivå.

"Denna upptäckt kom till som en konsekvens av den tvärvetenskapliga samarbetsmiljön vid Molecular Foundry, "säger Daniel Gargas, medförfattare till Nature Nanotechnology paper. "Genom att utnyttja vår dagliga kontakt och vänskap med forskare i hela gjuteriet, vi kunde utföra mycket avancerad forskning om nanoskala material som inkluderade studier av enmolekylär fotofysik, förmågan att syntetisera extremt små uppkonverterande nanokristaller av nästan vilken komposition som helst, och den avancerade modelleringen/simuleringen av UCNP optiska egenskaper. Det finns inte många anläggningar i världen som kan matcha denna samarbetsatmosfär med så höga nivåer av vetenskaplig karakterisering. "

UCNP använder sensibiliserande joner, såsom ytterbium, med relativt stora fotonabsorptionstvärsnitt, för att absorbera inkommande ljus och överföra denna absorberade energi till emitterjoner, såsom erbium, som lyser. De ursprungliga lantanid-dopade UCNP:erna innehöll 20 procent ytterbium och 2 procent erbium, som antogs vara de optimala koncentrationerna för ljusstyrka i både bulk och nanokristaller. Dock, den nya Molecular Foundry -studien visade att för UCNP mindre än 10 nanometer, erbiumkoncentrationen kan höjas till 20 procent och ytterbiumkoncentrationen kan reduceras till 2 procent, eller till och med eliminerat för UCNP som närmar sig fem nanometer.

"Människor antar ofta att partiklar som är de ljusaste vid låga effekter också kommer att vara de ljusaste vid höga krafter, men vi fann att våra extremt små UCNP var ett klassiskt exempel på sköldpaddor och hare, "säger Emory Chan, den andra medförfattaren till Nature Nanotechnology-papperet. "UCNP:er som är starkt dopade med erbium börjar långsamt ut ur porten, vara otroligt svag vid låga krafter, men när laserintensiteten vrids upp till hög effekt, de har glömt bort de konventionellt dopade UCNP:erna som är högflygare med låga krafter. "

Chans datormodeller förutspår att de nya reglerna är universella för lantanid-dopade nanokristallvärdar och han använder nu gjuteriets WANDA-robot (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis), som han utvecklade tillsammans med medförfattaren Delia Milliron, att skapa och screena för de bästa UCNP -kompositionerna baserat på olika överväganden och kriterier för drift/applikationer.

Under upptäckten av de nya reglerna för att designa extremt små UCNP:er, forskargruppen upptäckte också att det finns komplexa heterogenitetsnivåer inom dessa UCNP:s emissionsspektra. Detta tyder på att utsläpp från UCNP kan komma från endast en liten delmängd av de totala utsläpparna.

"Framtida studier kan avgöra hur man ska konstruera partiklar som består av endast dessa supersändare, vilket resulterar i ännu ljusare utsläpp från extremt små UCNP, "Säger Gargas.