(Phys.org) —De term 'een betere toekomst' is misschien een cliché, maar in het geval van ultrakleine sondes voor het oplichten van individuele eiwitten, het is nu het meest geschikt. Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben verrassende nieuwe regels ontdekt voor het maken van ultraheldere lichtgevende kristallen met een diameter van minder dan 10 nanometer. Deze ultrakleine maar ultraheldere nanosondes zouden een grote aanwinst moeten zijn voor biologische beeldvorming, vooral diepe weefsel optische beeldvorming van neuronen in de hersenen.

Werken bij de Molecular Foundry, een DOE nationaal nanowetenschapscentrum gehost in Berkeley Lab, een multidisciplinair team van onderzoekers onder leiding van James Schuck en Bruce Cohen, beide met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, gebruikte geavanceerde karakterisering van enkelvoudige deeltjes en theoretische modellering om wat bekend staat als "upconverting nanodeeltjes" of UCNP's te bestuderen. Upconversie is het proces waarbij een molecuul twee of meer fotonen absorbeert met een lagere energie en ze uitzendt met hogere energieën. Het onderzoeksteam heeft vastgesteld dat de regels die gelden voor het ontwerp van UCNP-probes voor ensembles van moleculen niet van toepassing zijn op UCNP-probes die zijn ontworpen voor enkelvoudige moleculen.

"De algemeen aanvaarde conventionele wijsheid voor het ontwerpen van heldere UCNP's is dat je een hoge concentratie sensibiliserende ionen en een relatief kleine concentratie emitter-ionen wilt gebruiken, aangezien te veel emitters zal resulteren in zelfdovende die leidt tot lagere helderheid, zegt Schuk, die de Imaging and Manipulation of Nanostructures Facility van de Molecular Foundry leidt. "Onze resultaten laten zien dat onder de hogere excitatiekrachten die worden gebruikt voor het afbeelden van afzonderlijke deeltjes, emitterconcentraties moeten zo hoog mogelijk zijn zonder de structuur van het nanokristal in gevaar te brengen, terwijl sensibiliserende inhoud mogelijk kan worden geëlimineerd."

Schuck en Cohen zijn de corresponderende auteurs van een paper waarin dit onderzoek in Nature Nanotechnology wordt beschreven. Het artikel is getiteld "Engineering bright sub-10-nm upconverting nanocrystals for single-molecule imaging." Co-auteurs zijn Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginia Altoe, Eduard Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban en Delia Milliron.

Eiwitten zijn een van de fundamentele bouwstenen van de biologie. De cellen waaruit weefsels en organen bestaan, zijn opgebouwd uit samenstellingen van eiwitten die interageren met andere biomoleculen, terwijl andere eiwitten bijna elk chemisch proces in een cel controleren. Het bestuderen van de locatie, samenkomst, en beweging van specifieke eiwitten is essentieel om te begrijpen hoe cellen functioneren en wat er mis gaat in zieke cellen. Wetenschappers bestuderen vaak eiwitten in cellen door ze te labelen met lichtgevende sondes, maar het vinden van sondes die helder genoeg zijn voor beeldvorming, maar niet zo groot dat ze de functie van het eiwit verstoren, was een uitdaging. Fluorescerende organische kleurstofmoleculen en halfgeleiderkwantumdots voldoen aan de grootte-eisen, maar leggen andere beperkingen op.

"Organische kleurstoffen en kwantumstippen zullen knipperen, wat betekent dat ze willekeurig aan en uit gaan, wat nogal problematisch is voor beeldvorming met één molecuul, en zal fotobleken, permanent uitschakelen, meestal na minder dan 10 seconden onder de meeste beeldvormingsomstandigheden, ' zegt Schuk.

Vijf jaar geleden, Cohen en Schuck en hun collega's van de Molecular Foundry hebben enkele UCNP's gesynthetiseerd en afgebeeld die zijn gemaakt van nanokristallen van natriumyttriumfluoride (NaYF4) gedoteerd met sporenhoeveelheden van de lanthanide-elementen ytterbium, voor de sensibiliserende ionen, en erbium, voor de emitter-ionen. Deze UCNP's waren in staat om nabij-infrarode fotonen om te zetten in groen of rood zichtbaar licht, en hun fotostabiliteit maakt ze potentieel ideale luminescente sondes voor beeldvorming met één molecuul.

"Cellen bevatten van nature geen lanthaniden, zodat ze helemaal geen licht omzetten, wat betekent dat we beelden kunnen maken zonder meetbare achtergrond, " zegt Cohen. "En we kunnen exciteren met nabij-infrarood licht, wat een stuk minder schadelijk is voor cellen dan zichtbaar of ultraviolet licht. Dit zijn geweldige eigenschappen, maar om onze UCNP's beter compatibel te maken met cellulaire beeldvorming, we moesten nieuwe synthetische methoden ontwikkelen om ze kleiner te maken."

Echter, toen Foundry-wetenschappers de UCNP-grootte verkleinden, volgens de conventionele ontwerpregels, ze ontdekten dat het verlies van helderheid een groot probleem werd. UCNP's kleiner dan 10 nanometer waren niet langer helder genoeg voor beeldvorming met één molecuul. Dit leidde tot de nieuwe studie, waaruit bleek dat factoren waarvan bekend is dat ze de helderheid verhogen in bulkexperimenten, hun belang verliezen bij hogere excitatievermogens en dat, paradoxaal genoeg, de helderste sondes onder excitatie van één molecuul zijn nauwelijks lichtgevend op ensembleniveau.

"Deze ontdekking kwam echt tot stand als gevolg van de multidisciplinaire samenwerkingsomgeving bij de Molecular Foundry, " zegt Daniël Gargas, co-lead auteur van het Nature Nanotechnology paper. "Door gebruik te maken van ons dagelijks contact en onze vriendschappen met wetenschappers in de hele Foundry, we waren in staat om zeer geavanceerd onderzoek uit te voeren naar materialen op nanoschaal, waaronder de studie van fotofysica met één molecuul, het vermogen om ultrakleine upconverting nanokristallen van bijna elke samenstelling te synthetiseren, en de geavanceerde modellering/simulatie van optische eigenschappen van UCNP. Er zijn niet veel faciliteiten in de wereld die deze samenwerkingssfeer kunnen evenaren met zo'n hoog niveau van wetenschappelijke karakterisering."

UCNP's maken gebruik van sensibiliserende ionen, zoals ytterbium, met relatief grote fotonabsorptiedoorsneden, om binnenkomend licht te absorberen en deze geabsorbeerde energie over te dragen aan emitter-ionen, zoals erbium, die oplichten. De originele met lanthanide gedoteerde UCNP's bevatten 20 procent ytterbium en 2 procent erbium, waarvan werd aangenomen dat het de optimale concentraties waren voor helderheid in zowel bulk als nanokristallen. Echter, de nieuwe Molecular Foundry-studie toonde aan dat voor UCNP's kleiner dan 10 nanometer, de erbiumconcentratie zou kunnen worden verhoogd tot 20 procent en de ytterbiumconcentratie zou kunnen worden verlaagd tot 2 procent, of zelfs geëlimineerd voor UCNP's die de vijf nanometer benaderen.

"Mensen gaan er vaak van uit dat deeltjes die het helderst zijn bij lage vermogens, ook het helderst zijn bij hoge vermogens, maar we vonden onze ultrakleine UCNP's een klassiek voorbeeld van een schildpad en een haas, " zegt Emory Chan, de andere co-hoofdauteur van het Nature Nanotechnology-paper. "UCNP's die zwaar gedoteerd zijn met erbium beginnen langzaam uit de poort, ongelooflijk zwak zijn bij lage vermogens, maar tegen de tijd dat de laserintensiteit op hoog vermogen staat, ze hebben de conventioneel gedoteerde UCNP's laten liggen die de hoogvliegers zijn bij lage vermogens."

De computermodellen van Chan voorspellen dat de nieuwe regels universeel zijn voor met lanthanide gedoteerde nanokristalgastheren en hij gebruikt nu de WANDA-robot van de Foundry (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis), die hij samen met co-auteur Delia Milliron ontwikkelde, om de beste UCNP-samenstellingen te creëren en te screenen op basis van verschillende overwegingen en criteria voor bediening/toepassing.

Tijdens het ontdekken van de nieuwe regels voor het ontwerpen van ultrakleine UCNP's, het onderzoeksteam ontdekte ook dat er complexe niveaus van heterogeniteit bestaan ​​binnen de emissiespectra van deze UCNP's. Dit suggereert dat emissies van de UCNP's afkomstig kunnen zijn van slechts een kleine subset van de totale emittenten.

"Toekomstige studies kunnen bepalen hoe deeltjes kunnen worden geconstrueerd die alleen uit deze superstralers bestaan, wat resulteert in nog helderdere emissies van ultrakleine UCNP's, ' zegt Gargas.