El etiquetado de biomoléculas con nanopartículas emisoras de luz es una técnica poderosa para observar el movimiento celular y la señalización en condiciones realistas, condiciones in vivo. El pequeño tamaño de estas sondas, sin embargo, a menudo limita sus capacidades ópticas. En particular, muchas nanopartículas tienen problemas para producir luz de alta energía con longitudes de onda en el rango de violeta a ultravioleta, que puede desencadenar reacciones biológicas críticas.

Ahora, un equipo internacional dirigido por Xiaogang Liu del Instituto A * STAR de Investigación e Ingeniería de Materiales y la Universidad Nacional de Singapur ha descubierto una nueva clase de nanocristales de tierras raras que preservan la energía excitada dentro de su marco atómico, resultando en emisiones violetas inusualmente intensas.

Nanocristales infundidos selectivamente, o 'dopado', con iones de tierras raras han atraído la atención de los investigadores, debido a su baja toxicidad y capacidad para convertir la luz láser de baja energía en emisiones de luminiscencia de color violeta, un proceso conocido como conversión ascendente de fotones. Los esfuerzos para mejorar la intensidad de estas emisiones se han centrado en los dopantes de tierras raras de iterbio (Yb), ya que son fácilmente excitables con láseres estándar. Desafortunadamente, cantidades elevadas de dopantes Yb pueden disminuir rápidamente, o 'apagar', la luz generada.

Esta extinción probablemente se deba a la migración de largo alcance de estados de energía excitados por láser desde Yb hacia defectos en el nanocristal. La mayoría de los nanocristales de tierras raras tienen distribuciones de dopantes relativamente uniformes, pero Liu y sus colaboradores consideraron que una disposición de cristal diferente —agrupar dopantes en arreglos de múltiples átomos separados por grandes distancias— podría producir estados excitados localizados que no experimentan extinción migratoria.

El equipo examinó numerosos nanocristales con diferentes simetrías antes de descubrir un material que cumplía con sus criterios:un cristal de fluoruro de potasio dopado con Yb y tierras raras de europio (KYb2F7:Eu). Los experimentos revelaron que los 'grupos de energía' aislados de Yb dentro de este nanocristal en forma de píldora (ver imagen) permitieron concentraciones de dopantes sustancialmente más altas de lo habitual (Yb representó hasta el 98 por ciento de la masa del cristal) y ayudaron a iniciar la conversión ascendente multifotónica que produjo luz violeta. con una intensidad ocho veces superior a la vista anteriormente.

Luego, los investigadores exploraron las aplicaciones biológicas de sus nanocristales usándolos para detectar fosfatasas alcalinas. enzimas que con frecuencia indican enfermedades óseas y hepáticas. Cuando el equipo acercó los nanocristales a una reacción catalizada por fosfato alcalino, vieron disminuir las emisiones de violeta en proporción directa a un indicador químico producido por la enzima. Este enfoque permite la detección rápida y sensible de esta biomolécula crítica a niveles de concentración a microescala.

"Creemos que los aspectos fundamentales de estos hallazgos (que las estructuras cristalinas pueden influir en gran medida en las propiedades de luminiscencia) podrían permitir que los nanocristales de conversión ascendente superen eventualmente a los biomarcadores fluorescentes convencionales". "dice Liu.