Dat koolstofnanobuisjes fluoresceren is geen verrassing meer. Het vinden van een tweede niveau van fluorescentie is verrassend en mogelijk nuttig.

Hoe werkt het? Wacht erop.

Het Rice University-lab van Bruce Weisman, een professor in de chemie die in 2002 de baanbrekende ontdekking van nanobuisfluorescentie leidde, ontdekte dat enkelwandige nanobuisjes een vertraagde secundaire fluorescentie afgeven wanneer ze worden geactiveerd door een meerstapsproces in een oplossing met kleurstofmoleculen en opgeloste zuurstof.

De vertraging is slechts microseconden, maar het is genoeg om met enige moeite te worden gedetecteerd.

Het complexe proces wordt gedetailleerd door Weisman, hoofdauteur en Rice-alumnus Ching-Wei Lin, en onderzoekswetenschapper Sergei Bachilo in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De reactie begint wanneer licht een oplossing opwekt die een kleurstof bevat die Bengaalse roos wordt genoemd. Zuurstofmoleculen opgelost in de oplossing vangen energie uit de kleurstof, vormen een energetische vorm van O2. Deze dragen vervolgens hun energie over aan nanobuisjes, waar excitonen - quasideeltjes gemaakt van elektronen en elektronengaten - worden gegenereerd in hun triplettoestand. Met een beetje toegevoegde thermische energie, die excitonen worden gepromoveerd tot een singlet-toestand met hogere energie die de waargenomen fluorescentie uitzendt.

"Voor een aantal jaar, we hebben gekeken naar interessante effecten met nanobuisjes en zuurstof, Weisman zei. "We hebben een hele reeks dingen gevonden die kunnen gebeuren, van fysieke effecten zoals deze energieoverdracht of de omkeerbare uitdoving van fluorescentie, tot het op gang brengen van chemische reacties tussen nanobuisjes en DNA. Dus deze studie maakte deel uit van een groter onderzoeksprogramma."

Hun vermogen om opgeloste zuurstofmoleculen te exciteren, bracht de onderzoekers ertoe om te zien hoe dat aangrenzende nanobuisjes zou beïnvloeden, zei Weisman.

"We maken singlet-zuurstof door een kleurstofmolecuul te prikkelen met zichtbaar licht, en dan deactiveert de zuurstof de kleurstof en wordt zelf opgewonden, " zei hij. "Dat idee gaat tientallen jaren terug in de fotofysica en is zeer conventioneel. Wat hier ongebruikelijk is, is dat de singlet-zuurstof een interactie aangaat met de nanobuis om direct triplet-state-excitaties in de buis te maken. Die triplet-toestanden waren behoorlijk ongrijpbaar.

"Drievoudige toestanden van organische moleculen zijn de langstlevende aangeslagen toestanden, Weisman zei. "Hun levensduur is orden van grootte groter dan de aangeslagen toestanden van het singlet, zodat ze lang genoeg kunnen rondhangen om tegen iets anders aan te botsen en chemische reacties te ondergaan.

"Maar omdat triplettoestanden van nanobuisjes geen licht uitstralen of licht direct absorberen, ze zijn lastig te bestuderen en er is niet te veel over bekend, " zei hij. "Wat we hebben gedaan is proberen ze een beetje beter te begrijpen."

Het triggeren van fluorescentie vereiste nog een extra stap. "Gewoon door willekeurige thermische agitatie in hun omgeving, deze jongens kunnen soms tot de heldere singlet-staat worden geschopt, en dan kunnen ze je vertellen dat ze er zijn door een foton uit te spugen, ' zei Weisman.

Omdat de triplettoestand ongeveer 10 microseconden kan duren, die omhooggeconverteerde emissie wordt vertraagde fluorescentie genoemd.

De onderzoekers moesten een manier vinden om het relatief zwakke effect te midden van de heldere primaire fluorescentie van de nanobuisjes te detecteren. "Het was alsof ik een zwak voorwerp probeerde te zien direct nadat het werd verblind door een heldere cameraflits, "Zei Weisman. "We moesten een speciaal instrumentarium bedenken."

Eén apparaat "is in feite een snelle mechanische sluiter" die de kortegolf-infraroodspectrometer (SWIR) bedekt tijdens de felle flits en vervolgens snel wordt geopend, een soort achteruitrijcamera die in zeven microseconden van afgedekt naar open gaat. Het andere apparaat, hij zei, is een gevoelige detector die wordt getriggerd met een elektronisch signaal en meet hoe de zwakke emissie na verloop van tijd vervaagt. "Deze systemen zijn beide gebouwd door Ching-Wei, wie is een geweldige experimentator, " hij zei.

Weisman en collega's hebben nanobuisfluorescentie gebruikt in medische beeldvormingstechnologieën en in op nanobuisjes gebaseerde slimme huid om spanning in oppervlakken te meten, onder andere toepassingen. Hij zei dat de nieuwe ontdekking uiteindelijk zijn weg zou kunnen vinden naar opto-elektronica en zonne-energie.

"Er is geen directe stap waar iemand dit gaat lezen en een nieuwe, efficiënter apparaat, "Zei Weisman. "Maar deze fundamentele kennis van processen en eigenschappen is de basis waarop nieuwe technologieën worden gebouwd."