(Phys.org) - El término "un futuro más brillante" podría ser un cliché, pero en el caso de sondas ultrapequeñas para iluminar proteínas individuales, ahora es el más apropiado. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto nuevas reglas sorprendentes para crear cristales emisores de luz ultrabrillantes de menos de 10 nanómetros de diámetro. Estas nanosondas ultra pequeñas pero ultrabrillantes deberían ser un gran activo para la obtención de imágenes biológicas, especialmente la obtención de imágenes ópticas de tejido profundo de neuronas en el cerebro.

Trabajando en Molecular Foundry, un centro nacional de nanociencia del DOE alojado en Berkeley Lab, un equipo multidisciplinario de investigadores dirigido por James Schuck y Bruce Cohen, ambos con la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab, utilizó la caracterización avanzada de una sola partícula y el modelado teórico para estudiar lo que se conoce como "nanopartículas de conversión ascendente" o UCNP. La conversión ascendente es el proceso por el cual una molécula absorbe dos o más fotones a una energía más baja y los emite a energías más altas. El equipo de investigación determinó que las reglas que rigen el diseño de sondas UCNP para conjuntos de moléculas no se aplican a las sondas UCNP diseñadas para moléculas individuales.

"La sabiduría convencional ampliamente aceptada para diseñar UCNP brillantes ha sido que desea utilizar una alta concentración de iones sensibilizadores y una concentración relativamente pequeña de iones emisores, Dado que demasiados emisores producirán un autoapagado que conducirá a un brillo más bajo, dice Schuck, quien dirige la Instalación de Imágenes y Manipulación de Nanoestructuras de Molecular Foundry. "Nuestros resultados muestran que bajo los mayores poderes de excitación utilizados para obtener imágenes de partículas individuales, Las concentraciones de emisores deben ser lo más altas posible sin comprometer la estructura del nanocristal. mientras que el contenido del sensibilizador puede potencialmente eliminarse ".

Schuck y Cohen son los autores correspondientes de un artículo que describe esta investigación en Nature Nanotechnology. El artículo se titula "Ingeniería de nanocristales brillantes de conversión ascendente por debajo de 10 nm para obtener imágenes de una sola molécula". Los coautores son Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginia Altoe, Edward Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban y Delia Milliron.

Las proteínas son uno de los componentes fundamentales de la biología. Las células que forman los tejidos y órganos se construyen a partir de conjuntos de proteínas que interactúan con otras biomoléculas, mientras que otras proteínas controlan casi todos los procesos químicos dentro de una célula. Estudiando la ubicación, montaje, y el movimiento de proteínas específicas es esencial para comprender cómo funcionan las células y qué va mal en las células enfermas. Los científicos a menudo estudian las proteínas dentro de las células etiquetándolas con sondas emisoras de luz, pero encontrar sondas que sean lo suficientemente brillantes para obtener imágenes pero no tan grandes como para interrumpir la función de la proteína ha sido un desafío. Las moléculas de colorante orgánico fluorescente y los puntos cuánticos semiconductores cumplen los requisitos de tamaño pero imponen otras limitaciones.

"Los tintes orgánicos y los puntos cuánticos parpadearán, lo que significa que se encienden y apagan aleatoriamente, que es bastante problemático para las imágenes de una sola molécula, y fotoblanqueará, apagar permanentemente, generalmente después de menos de 10 segundos en la mayoría de las condiciones de obtención de imágenes, "Dice Schuck.

Hace cinco años, Cohen y Schuck y sus colegas de Molecular Foundry sintetizaron y obtuvieron imágenes de UCNP individuales hechas de nanocristales de fluoruro de sodio ytrio (NaYF4) dopado con trazas de los elementos lantánidos iterbio, para los iones sensibilizadores, y erbio, para los iones emisores. Estos UCNP pudieron convertir los fotones del infrarrojo cercano en luz visible verde o roja, y su fotoestabilidad las convierte en sondas luminiscentes potencialmente ideales para la obtención de imágenes de una sola molécula.

"Las células no contienen lantánidos de forma natural, para que no conviertan la luz en absoluto, lo que significa que podemos crear imágenes sin un fondo medible, "Dice Cohen." Y podemos excitar con luz infrarroja cercana, que es mucho menos dañino para las células que la luz visible o ultravioleta. Estas son excelentes propiedades, pero para hacer que nuestros UCNP sean más compatibles con las imágenes celulares, tuvimos que desarrollar nuevos métodos sintéticos para hacerlos más pequeños ".

Sin embargo, cuando los científicos de Foundry redujeron el tamaño de UCNP, siguiendo las reglas de diseño convencionales, descubrieron que la pérdida de brillo se convirtió en un problema importante. Los UCNP de menos de 10 nanómetros ya no eran lo suficientemente brillantes para obtener imágenes de una sola molécula. Esto motivó el nuevo estudio, que mostró que los factores que se sabe que aumentan el brillo en los experimentos a granel pierden importancia a mayores poderes de excitación y que, paradójicamente, las sondas más brillantes bajo excitación de una sola molécula son apenas luminiscentes a nivel de conjunto.

"Este descubrimiento se produjo realmente como consecuencia del entorno de colaboración multidisciplinar en Molecular Foundry, "dice Daniel Gargas, coautor principal del artículo Nature Nanotechnology. "Al utilizar nuestro contacto diario y nuestras amistades con científicos de toda la Fundición, pudimos realizar una investigación muy avanzada en materiales a nanoescala que incluyó el estudio de la fotofísica de una sola molécula, la capacidad de sintetizar nanocristales ultra pequeños de conversión ascendente de casi cualquier composición, y el modelado / simulación avanzado de propiedades ópticas UCNP. No hay muchas instalaciones en el mundo que puedan igualar esta atmósfera colaborativa con niveles tan altos de caracterización científica ".

Los UCNP utilizan iones sensibilizadores, como el iterbio, con secciones transversales de absorción de fotones relativamente grandes, para absorber la luz entrante y transferir esta energía absorbida a los iones emisores, como el erbio, que luminiscencia. Los UCNP originales dopados con lantánidos contenían un 20 por ciento de iterbio y un 2 por ciento de erbio, que se creía que eran las concentraciones óptimas para el brillo tanto en masa como en nanocristales. Sin embargo, el nuevo estudio de Molecular Foundry mostró que para UCNPs menores de 10 nanómetros, la concentración de erbio podría elevarse al 20 por ciento y la concentración de iterbio podría reducirse al 2 por ciento, o incluso eliminado para UCNP que se acercan a los cinco nanómetros.

"La gente a menudo asume que las partículas que son más brillantes a bajas potencias también serán más brillantes a altas potencias, pero descubrimos que nuestros UCNP ultrapequeños son un ejemplo clásico de la liebre y la tortuga, "dice Emory Chan, el otro coautor principal del artículo Nature Nanotechnology. "Los UCNP fuertemente dopados con erbio comienzan lentamente a salir por la puerta, siendo increíblemente tenue a bajas potencias, pero cuando la intensidad del láser aumenta a alta potencia, han pasado por alto los UCNP dopados convencionalmente que son los de alto vuelo a baja potencia ".

Los modelos informáticos de Chan predicen que las nuevas reglas son universales para los hosts de nanocristales dopados con lantánidos y ahora está utilizando el robot WANDA de Foundry (Estación de trabajo para el descubrimiento y análisis automatizados de nanomateriales), que desarrolló junto con la coautora Delia Milliron, para crear y seleccionar las mejores composiciones UCNP basadas en diferentes consideraciones y criterios de operación / aplicación.

En el curso de descubrir las nuevas reglas para diseñar UCNP ultrapequeños, el equipo de investigación también descubrió que existen niveles complejos de heterogeneidad dentro de los espectros de emisión de estos UCNP. Esto sugiere que las emisiones de los UCNP pueden provenir de solo un pequeño subconjunto del total de emisores.

"Los estudios futuros pueden determinar cómo diseñar partículas que constan solo de estos súper emisores, lo que da como resultado emisiones aún más brillantes de UCNP ultrapequeños, "Dice Gargas.