Het labelen van biomoleculen met lichtemitterende nanodeeltjes is een krachtige techniek voor het observeren van celbewegingen en signalering onder realistische, in vivo omstandigheden. De kleine omvang van deze sondes, echter, beperkt vaak hun optische mogelijkheden. Vooral, veel nanodeeltjes hebben moeite met het produceren van hoogenergetisch licht met golflengten in het violette tot ultraviolette bereik, die kritische biologische reacties kunnen veroorzaken.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van Xiaogang Liu van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en de National University of Singapore heeft een nieuwe klasse van zeldzame-aarde nanokristallen ontdekt die opgewonden energie behouden binnen hun atomaire raamwerk, resulterend in ongewoon intense violette emissies.

Nanokristallen selectief toegediend, of 'gedoopt', met zeldzame-aarde-ionen hebben de aandacht getrokken van onderzoekers, vanwege hun lage toxiciteit en het vermogen om laag-energetisch laserlicht om te zetten in violetkleurige luminescentie-emissies - een proces dat bekend staat als foton-upconversie. Pogingen om de intensiteit van deze emissies te verbeteren waren gericht op ytterbium (Yb) zeldzame-aarde doteringsmiddelen, omdat ze gemakkelijk prikkelbaar zijn met standaard lasers. Helaas, verhoogde hoeveelheden Yb-doteermiddelen kunnen snel afnemen, of 'quench', het gegenereerde licht.

Deze uitdoving komt waarschijnlijk voort uit de migratie over lange afstand van door laser opgewekte energietoestanden van Yb en naar defecten in het nanokristal. De meeste zeldzame-aarde-nanokristallen hebben relatief uniforme doteringsverdelingen, maar Liu en collega's waren van mening dat een andere kristalrangschikking - het clusteren van doteerstoffen in arrays met meerdere atomen gescheiden door grote afstanden - gelokaliseerde aangeslagen toestanden zou kunnen produceren die geen migrerende uitdoving ondergaan.

Het team screende talloze nanokristallen met verschillende symmetrieën voordat ze een materiaal ontdekten dat aan hun criteria voldeed:een kaliumfluoridekristal gedoteerd met Yb en europium zeldzame aarden (KYb2F7:Eu). Experimenten onthulden dat de geïsoleerde Yb 'energieclusters' in dit pilvormige nanokristal (zie afbeelding) aanzienlijk hogere doteringsconcentraties mogelijk maakten dan normaal - Yb vertegenwoordigde tot 98 procent van de massa van het kristal - en hielpen bij het initiëren van multifoton-upconversie die violet licht opleverde met een intensiteit die acht keer hoger is dan eerder gezien.

De onderzoekers onderzochten vervolgens de biologische toepassingen van hun nanokristallen door ze te gebruiken om alkalische fosfatasen te detecteren, enzymen die vaak wijzen op bot- en leverziekten. Toen het team de nanokristallen in de buurt van een door alkalische fosfaat gekatalyseerde reactie bracht, ze zagen de violette emissies afnemen in directe verhouding tot een chemische indicator die door het enzym wordt geproduceerd. Deze aanpak maakt een snelle en gevoelige detectie van dit kritische biomolecuul mogelijk op concentratieniveaus op microschaal.

"Wij zijn van mening dat de fundamentele aspecten van deze bevindingen - dat kristalstructuren de luminescentie-eigenschappen enorm kunnen beïnvloeden - ertoe kunnen leiden dat opconversie-nanokristallen uiteindelijk beter presteren dan conventionele fluorescerende biomarkers, " zegt Liu.