نانوذرات جدید تفاوت‌های شیمیایی پنهان را روشن می‌کنند

مهندسان دانشگاه تورنتو نوع جدیدی از نانوذرات حساس به رنگ را ابداع کرده‌اند که می‌تواند مواد شیمیایی را در غلظت‌های بسیار پایین شناسایی کند و در عین حال مولکول‌هایی را که شکل تقریبا یکسانی دارند، از هم جدا کند.

ذرات ریز پس از اتصال به ماده شیمیایی که برای شناسایی طراحی شده اند، سیگنال نوری تولید می کنند. آنها فوتون های کم انرژی را جذب می کنند و آن انرژی را به فوتون های با انرژی بالاتر تبدیل می کنند و سیگنال نوری درخشانی ایجاد می کنند که محققان می توانند اندازه گیری کنند.

این توانایی غیرمعمول می تواند در چندین زمینه کاربرد عملی داشته باشد. برای مثال، تولیدکنندگان دارو می‌توانند از این ذرات برای شناسایی ناخالصی‌های ناخواسته در داروها استفاده کنند. محققان محیط زیست به طور بالقوه می توانند از آنها برای جستجوی مقادیر بسیار کمی از آلاینده های شیمیایی در آب های زیرزمینی استفاده کنند.

تبدیل نور مادون قرمز به سیگنال سبز روشن

پروفسور کای هوانگ، نویسنده ارشد در مقاله منتشر شده در مجله انجمن شیمی آمریکا که ذرات جدید را توصیف می‌کند، می‌گوید: «مولکول‌های آلی به نام فلوروفورها برای دهه‌ها برای جذب نور و تبدیل آن به گسیل‌های رنگارنگ استفاده شده‌اند، اما این فرآیند تنها در یک جهت کار می‌کند.

در مورد فلوروفورها، فرکانس تحریک باید بیشتر از فرکانس انتشار باشد، به این معنی که آنها فوتون‌های پرانرژی را به فوتون‌های کم انرژی تبدیل می‌کنند. چیزی که نانوذرات حساس به رنگ ما را خاص می‌کند این است که آنها قادر به تبدیل مجدد هستند، به این معنی که می‌توانند نور را به شکل فوتون‌های کم انرژی جذب کنند و فوتون‌هایی با انرژی بالاتر منتشر کنند.

به عنوان مثال، شما می توانید آنها را با نور مادون قرمز نزدیک تحریک کنید، که به راحتی می توان با لیزرهای کم هزینه تولید کرد و در پاسخ به آنها سبز روشن می درخشند.

این فرآیند که به عنوان تبدیل مجدد شناخته می شود، مزیت مهمی به نانوذرات می دهد. از آنجایی که نور مورد استفاده برای فعال کردن آنها فرکانس متفاوتی با نوری که ساطع می کنند دارد، محققان می توانند سیگنال مورد نظر را به راحتی از نور پس زمینه تولید شده توسط خود نمونه جدا کنند.

هوانگ این اثر را با نگاه کردن به آسمان شب مقایسه می کند.

او می‌گوید: «این مثل تفاوت بین تماشای ستارگان در شب و روز است.

ستارگان همیشه درخشش یکسانی دارند، اما در طول روز، خورشید آنقدر قدرتمند است که بر آنها غلبه می‌کند. جابجایی فرکانس تحریک به پایین‌تر، پس‌زمینه اتوفلورسانس صفر را در نمونه‌هایی که در حال تجزیه و تحلیل هستید، تولید می‌کند، در حالی که نانوکاوشگرهای درخشان همچنان می‌درخشند؛ مانند خاموش کردن خورشید است، بنابراین می‌توانید ستاره‌ها را بهتر ببینید.»

چالش روشن تر کردن نانوذرات

این ذرات به یون‌های ایتربیوم و اربیوم که متعلق به خانواده عناصر شیمیایی لانتانید هستند، برای انجام فرآیند تبدیل متکی هستند.

هنگامی که نور مادون قرمز به نانوذرات برخورد می کند، رنگ ها ابتدا انرژی دریافتی را جذب می کنند. این انرژی به یون های ایتربیوم که به عنوان رله عمل می کنند، منتقل می شود و سپس به یون های اربیوم منتقل می شود. یون‌های اربیوم مرحله تبدیل را انجام می‌دهند و به انرژی ذخیره‌شده اجازه می‌دهند تا به صورت نور سبز ظاهر شود.

با این حال روشن‌تر کردن این سیستم از لحاظ تاریخی مشکل دیگری ایجاد کرده است.

جیازه وو، دانشجوی دکترا در آزمایشگاه هوانگ و نویسنده اصلی مقاله جدید می‌گوید: «اما یک مشکل وجود دارد: اگر اتم‌های ایتربیوم را خیلی متراکم در خود ببندید، نه تنها انرژی وارد شده، بلکه انرژی خارج‌شده را نیز جذب می‌کنند».

به این انتقال انرژی برگشتی می گویند: به این معنی است که انرژی که از یون های اربیوم به عنوان نور سبز ساطع می شود، در عوض به رله ایتربیوم برگشته و هرگز به سطح نمی رسد.

طراحی لایه ای یک مسیر انرژی یک طرفه ایجاد می کند

وو، هوانگ و همکارانشان برای غلبه بر این محدودیت، ترکیب و ساختار نانوذرات را دوباره طراحی کردند.

به جای ساخت ماتریس میزبان از سدیم، ایتریوم و فلوئور، محققان ماتریس جدیدی با استفاده از لیتیوم، لوتسیم و فلوئور ایجاد کردند.

آنها همچنین ذرات را از شش ضلعی مسطح به ساختارهای سه بعدی تر و الماسی شکل تغییر دادند. هر ذره شامل چندین ناحیه مجزا است: یک هسته متراکم که توسط یک پوسته داخلی و سپس یک پوسته بیرونی احاطه شده است.

وو می گوید: "ما توانستیم گرادیان خوبی ایجاد کنیم: غلظت یون های ایتربیوم جاسازی شده با عبور از هر لایه متراکم تر می شود و هسته آن متراکم ترین است."

"این ترتیب ما را قادر ساخت که ایتربیوم بسیار بیشتری را بسته بندی کنیم. در ذرات ما، انرژی نوری وارد شده تقریبا به طور کامل در یک جهت و به سمت داخل به سمت یون های اربیوم جریان می یابد."

به جای رسیدن به این طرح تنها از طریق آزمون و خطا، تیم به شدت بر مدل سازی کامپیوتری متکی بود. محققان ده ها فرمول شیمیایی احتمالی و شکل ذرات را قبل از تولید امیدوارکننده ترین نسخه ها در آزمایشگاه شبیه سازی کردند.

ویشیانگ بن، دانشجوی کارشناسی، که کار محاسباتی را رهبری می‌کرد، می‌گوید: ما از شبیه‌سازی‌های مونت کارلو و تئوری تابعی چگالی برای شبیه‌سازی نحوه تعامل انرژی بین بخش‌های مختلف نانوذره، دقیقا تا سطح اتمی یا حتی زیراتمی، استفاده کردیم.

به این ترتیب ما نشان دادیم که این ساختار هسته-پوسته-پوسته می تواند به عنوان یک تونل انرژی یک جهته برای نور ورودی عمل کند.

نانوذرات به دست آمده سیگنال بسیار قوی تری نسبت به طرح های قبلی تولید می کنند.

به گفته وو، نور ساطع شده آنها تقریبا 150 برابر روشن تر از نانوذرات تبدیل شونده است که به رنگ حساس نشده اند. تحت شرایط تحریک یکسان، آنها همچنین حدود 50 برابر روشن تر از برخی از بهینه ترین سازه های معمولی هستند که قبلا گزارش شده بودند.

این روشنایی مستقیما به حساسیت بیشتر ترجمه می شود. از آنجا که هر نانوذره چنین سیگنال نوری قوی تولید می کند، حتی تعداد بسیار کمی از ذرات متصل به مولکول های هدف خود می توانند نور کافی برای شناسایی تولید کنند.

حسگرها همچنین می توانند بین ایزومرهای ساختاری تمایز قائل شوند. این مولکول‌ها دقیقا دارای انواع و تعداد اتم‌های مشابهی هستند، اما این اتم‌ها به‌طور متفاوتی مرتب شده‌اند. چنین تفاوت‌های ساختاری ظریفی می‌تواند در شیمی، به‌ویژه در تولید دارو، اهمیت زیادی داشته باشد.

وو می‌گوید: فرض کنید در حال ساخت یک مولکول دارویی هستید و فرآیند تولید شما به خوبی کار می‌کند، با این تفاوت که 10 درصد از این دسته ایزومر ساختاری اشتباهی است.

این یک مشکل بزرگ است: می‌تواند اثربخشی دارو را کم‌تر کند، یا بدتر از آن، منجر به عوارض جانبی شود که قطعا نمی‌خواهید. فرآیند کنونی برای تشخیص این موضوع به آزمایش‌های تحلیلی بسیار گران‌قیمتی بستگی دارد، اما با این نانوذرات، می‌توانید این کار را با استفاده از لیزرهای کم‌هزینه و یک نمونه بسیار کوچک انجام دهید.»

ترکیبی از حساسیت بالا و گزینش پذیری مولکولی می تواند این فناوری را برای تشخیص ناخالصی هایی که شناسایی آنها با استفاده از روش های مرسوم دشوار یا گران است، ارزشمند کند.

همین رویکرد اساسی را می‌توان برای پایش محیطی نیز تطبیق داد، جایی که محققان اغلب نیاز دارند غلظت‌های بسیار کمی از آلاینده‌ها را که در حجم‌های بسیار بزرگ‌تری از آب مخلوط شده‌اند، شناسایی کنند.

این فناوری هنوز در مرحله اثبات مفهوم است. قبل از اینکه نانوذرات به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند، محققان باید راهی عملی برای تولید آنها در مقادیر زیاد ایجاد کنند.

هوانگ می‌گوید: «در واقع، در حال حاضر روی این موضوع کار می‌کنیم. ما فکر می‌کنیم که امکان‌پذیر است، اما به یک نقشه راه بسیار طولانی نیاز دارد.

در عین حال، این مدل به عنوان اثبات مفهوم عمل می‌کند؛ با این تکنیک، ما می‌توانیم یک نانوذره با کارایی بالا تولید کنیم که می‌تواند برای هر مولکولی که ممکن است بخواهید شناسایی کنید، سفارشی شود. این چیزی کاملا جدید است.

مواد ارائه شده توسط دانشکده علوم و مهندسی کاربردی دانشگاه تورنتو. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

پروتئین کمی شناخته شده می تواند به راه جدیدی برای درمان آلزایمر اشاره کند

دانشمندان پروانه ای را کشف کردند که به نظر می رسد به سختی پیر می شود

تنها 20 دقیقه پیاده روی باعث تغییر فوری در روده شد