Инженеры Университета Торонто разработали сенсорные наночастицы с красителем, способные обнаруживать химические вещества в крайне малых концентрациях и различать почти одинаковые по форме молекулы. После соединения с заданным веществом частицы начинают испускать световой сигнал. Результаты работы опубликованы в Journal of the American Chemical Society, о чём сообщает ScienceDaily.
Наночастицы поглощают фотоны низкой энергии, а затем преобразуют их в фотоны более высокой энергии. Благодаря этому возникает яркое оптическое свечение, которое можно измерить. Технологию потенциально можно применять для поиска примесей в лекарственных препаратах и выявления небольших объёмов загрязняющих веществ в грунтовых водах.
В основе разработки лежит процесс апконверсии — преобразования низкоэнергетического излучения в высокоэнергетическое. Профессор Кай Хуан, старший автор исследования, отметил, что частицы можно возбуждать ближним инфракрасным светом от недорогих лазеров, после чего они начинают ярко светиться зелёным. Разница между частотой возбуждения и частотой излучения помогает отделить полезный сигнал от фонового свечения исследуемого образца.
Для усиления эффекта учёные изменили состав и форму частиц. Вместо матрицы из натрия, иттрия и фтора они использовали литий, лютеций и фтор, а плоскую шестиугольную конструкцию заменили объёмной ромбовидной. Частицы получили плотное ядро, внутреннюю оболочку и внешнюю оболочку, причём концентрация ионов иттербия увеличивается по направлению к центру.
В системе участвуют ионы иттербия и эрбия. Краситель принимает инфракрасную энергию, передаёт её иттербию, который работает как промежуточное звено, а затем энергия поступает к эрбию и выходит в виде зелёного света. Компьютерное моделирование с использованием метода Монте-Карло и теории функционала плотности позволило проверить десятки вариантов состава и формы до изготовления наиболее перспективных образцов.
Новые частицы оказались примерно в 150 раз ярче не сенсибилизированных красителем наночастиц с апконверсией и примерно в 50 раз ярче некоторых наиболее совершенных традиционных конструкций. Сильный сигнал позволяет обнаруживать даже небольшое количество частиц, связанных с целевыми молекулами, а также различать структурные изомеры — вещества с одинаковым составом, но разным расположением атомов. Технология пока остаётся на стадии подтверждения концепции, однако исследователи уже работают над её массовым производством и считают, что сенсоры можно будет настраивать для обнаружения разных молекул.