En strategi för att producera mycket fluorescerande nanopartiklar genom noggrann molekylär design av konjugerade polymerer har utvecklats av KAUST -forskare. Sådana små polymerbaserade partiklar kan erbjuda alternativ till konventionella organiska färgämnen och oorganiska halvledarkvantumspunkter som fluorescerande taggar för medicinsk bildbehandling.

Konjugerade polymer-härledda nanopartiklar, kallas Pdots, förväntas förändra flera områden, inklusive optoelektronik, bioavbildning, bio-sensing och nanomedicin, på grund av deras intensiva fluorescens, hög stabilitet under exponering för ljus och låg cytotoxicitet. Deras spektroskopiska egenskaper kan justeras genom att finjustera polymerstrukturerna. Detta gör det viktigt att överväga deras design på molekylär nivå.

Bio-imaging-applikationer kräver att nanopartiklar är tillräckligt små för att kunna elimineras från kroppen och avger starkt ljus i det långt röda till nära-infraröda området. Dock, nuvarande design och tillverkning av Pdots har mestadels förlitat sig på empiriska tillvägagångssätt, hindrar försök att tillverka dessa ultralåga nanopartiklar.

För att möta denna utmaning, Dr Hubert Piwoski och docent Satoshi Habuchi kom med en systematisk metod som förbättrar prestandan för Pdots. Habuchi förklarade att hans team siktade på att skapa Pdots av mindre storlek och ljusare fluorescens genom att använda konjugerade polymerer, vars ryggrad av alternerande enkel- och multipelbindningar gör det möjligt för så kallade π-elektroner att röra sig fritt genom hela strukturen.

För första gången, forskarna valde twisted, istället för plan, konjugerade polymerer som byggstenar för att generera sina Pdots. Befintliga Pdots uppvisar vanligtvis lägre fluorescensintensitet än deras föregångare till följd av komplexa fotofysiska interaktioner mellan och inom kedjan.

Enligt Habuchi, denna rättegång var ett skott i mörkret - hans team initierade projektet utan att riktigt veta vad som skulle hända - men de blev fortfarande förvånade över fluorescensbeteenden hos dessa Pdots jämfört med deras tidigare undersökta analoger.

Preliminära resultat tyder på att de nysyntetiserade nanopartiklarna var de minsta och ljusaste Pdots som rapporterats hittills. "Därför, vi antog att molekylernas vridna form är ansvarig för den mycket ljusa fluorescensen på grund av undertryckandet av π-π-interaktioner inuti partiklarna, "förklarade Habuchi.

Forskarna validerade sin hypotes genom omfattande fotofysiska och strukturella karakteriseringar. "Det var det mest spännande ögonblicket i vårt projekt, "tillade Habuchi, noterar att denna demonstration har öppnat en ny dörr för korrekt förutsägelse av fluorescensegenskaperna hos Pdots.

"Vi försöker nu införa funktionella grupper i dessa Pdots för biokonjugering, "Habuchi fortsatte. Teamet designar och tillverkar också nanopartiklar nära infrarött.