University of Toronto Uygulamalı Bilim ve Mühendislik Fakültesi
Bilim insanları, son derece parlak nanoparçacıklar geliştirdi. Bu parçacıklar kimyasalların çok küçük miktarlarını tespit edebiliyor ve birbirine neredeyse özdeş görünen molekülleri ayırt edebiliyor. Teknoloji, bir gün tehlikeli ilaç safsızlıklarını veya iz miktardaki kirleticileri basit ve düşük maliyetli lazerlerle yakalamanın daha ucuz bir yolunu sunabilir.
University of Toronto’daki mühendisler, son derece düşük konsantrasyonlardaki kimyasalları tespit edebilen ve şekilleri neredeyse aynı olan molekülleri birbirinden ayırt edebilen yeni bir tür boya duyarlı nanoparçacık geliştirdi.
Minik parçacıklar, tasarlandıkları kimyasal maddeye bağlandıktan sonra ışık sinyali üretiyor. Düşük enerjili fotonları absorbe edip bu enerjiyi daha yüksek enerjili fotonlara dönüştürüyor ve araştırmacıların ölçebileceği parlak bir optik sinyal oluşturuyor.
Bu sıra dışı yetenek, birkaç alanda pratik kullanıma sahip olabilir. Örneğin ilaç üreticileri, bu parçacıkları ilaçlardaki istenmeyen safsızlıkları tanımlamak için kullanabilir. Çevre araştırmacıları, bunları yeraltı suyundaki çok küçük miktarlarda kimyasal kirleticiyi aramak için potansiyel olarak kullanabilir.
Kızılötesi Işığı Parlak Yeşil Sinyale Dönüştürmek
“Organik moleküller olan floroförler on yıllardır ışık absorbe edip renkli emisyonlara dönüştürmek için kullanılıyor, ancak süreç tek yönlü işliyor,” diyor makalenin kıdemli yazarı Profesör Kai Huang. “Floroförlerde uyarma frekansı emisyon frekansından daha yüksek olmak zorunda, yani yüksek enerjili fotonları düşük enerjili fotonlara dönüştürüyorlar. Boya duyarlı nanoparçacıklarımızı özel yapan şey, yukarı dönüşüm yapabilme yetenekleri; yani düşük enerjili fotonlar şeklinde ışık absorbe edip daha yüksek enerjili olanları yayabiliyorlar.”
“Örneğin onları kolayca düşük maliyetli lazerlerle üretilebilen yakın kızılötesi ışıkla uyarabilirsiniz ve buna karşılık parlak yeşil parlarlar.”
Upconversion olarak bilinen bu süreç, nanoparçacıklara önemli bir avantaj sağlıyor. Onları aktive etmek için kullanılan ışığın frekansı, yaydıkları ışıktan farklı olduğu için araştırmacılar, istenen sinyali örneğin kendisinin ürettiği arka plan ışığından daha kolay ayırabilir.
Huang bu etkiyi gece gökyüzüne benzetiyor.
“Gece gökyüzüne bakmakla gündüz gökyüzüne bakmak arasındaki fark gibi,” diyor. “Yıldızlar her zaman aynı parlaklıkta parlar, ancak gündüz güneş o kadar güçlüdür ki onları bastırır. Uyarma frekansını daha aşağı kaydırmak, analiz ettiğiniz örneklerde sıfır otofloresan arka plan üretirken, lüminesans nanoproblar parlamaya devam eder; bu da güneşi kapatmak gibidir, böylece yıldızları daha iyi görebilirsiniz.”
Nanoparçacıkları Daha Parlak Yapma Zorluğu
Parçacıklar yukarı dönüşüm sürecini gerçekleştirmek için itriyum ve erbiyum iyonlarına, yani lantanid ailesine ait kimyasal elementlere güveniyor.
Bu algılama nanoparçacıklarının daha önceki versiyonları tipik olarak düz altıgen yapılar olarak üretiliyordu. İtriyum ve erbiyum iyonları, sodyum, itriyum ve flor içeren bir ana malzeme içinde dağıtılıyordu. Araştırmacılar bu düzenlemeyi çikolata parçacıklarıyla kaplanmış bir kurabiye ile karşılaştırıyor, dışını kaplayan organik boya molekülleri ise şeker hamuruna benziyor.
Kızılötesi ışık nanoparçacıklara çarptığında, boyalar önce gelen enerjiyi yakalıyor. Bu enerji itriyum iyonlarına aktarılıyor, bunlar bir röle görevi görüyor ve ardından erbiyum iyonlarına geçiyor. Erbiyum iyonları yukarı dönüşüm adımını gerçekleştiriyor ve depolanan enerjinin yeşil ışık olarak ortaya çıkmasına izin veriyor.
Bu sistemi daha parlak hale getirmek tarihsel olarak başka bir sorun yaratıyordu.
“Ama bir sorun var: itriyum atomlarını çok yoğun paketlerseniz, sadece gelen enerjiyi değil, çıkan enerjiyi de absorbe etmeye başlıyorlar,” diyor Huang’ın laboratuvarında doktora öğrencisi ve yeni makalenin baş yazarı Jiaze Wu. “Buna geri enerji transferi deniyor: erbiyum iyonlarının yeşil ışık olarak yayması gereken enerji bunun yerine itriyum rölesine geri yansıyor ve yüzeye hiç ulaşmıyor.”
Tek Yönlü Enerji Yolu Yaratmak İçin Katmanlı Tasarım
Bu sınırlamayı aşmak için Wu, Huang ve meslektaşları nanoparçacıkların hem bileşimini hem de yapısını yeniden tasarladı.
Ana matrisi sodyum, itriyum ve flor yerine araştırmacılar yeni bir matris oluşturdu; lityum, lutesyum ve flor kullanıldı.
Ayrıca parçacıkları düz altıgenlerden daha üç boyutlu, elmas şeklinde yapılara dönüştürdüler. Her parçacık birkaç farklı bölge içeriyor: yoğun bir çekirdek, onu çevreleyen bir iç kabuk ve ardından bir dış kabuk.
“Her katmandan geçerken gömülü itriyum iyonlarının konsantrasyonunun giderek yoğunlaştığı güzel bir gradyan oluşturabildik, çekirdek en yoğun olanı,” diyor Wu. “Bu düzenleme sayesinde çok daha fazla itriyum yerleştirebildik. Parçacıklarımızda gelen ışık enerjisi neredeyse tamamen tek yönde, içeri doğru erbiyum iyonlarına akıyor.”
Bu tasarıma sadece deneme yanılmayla ulaşmak yerine ekip bilgisayar modellemesine büyük ölçüde güvendi. Araştırmacılar, laboratuvarda en umut verici versiyonları üretmeden önce onlarca olası kimyasal formülasyon ve parçacık şeklini simüle etti.
“Enerji etkileşimini nanoparçacığın farklı bölümleri arasında atomik hatta alt atomik seviyeye kadar simüle etmek için Monte Carlo simülasyonları ve yoğunluk fonksiyonel teorisi kullandık,” diyor hesaplamalı çalışmaları yöneten lisans öğrencisi Weixiang Ben. “Bu sayede bu çekirdek-kabuk-kabuk yapısının aslında gelen ışık için tek yönlü bir enerji tüneli olarak işlev görebileceğini gösterdik.”
Nanoparçacıklar 150 Kat Daha Parlak
Ortaya çıkan nanoparçacıklar, daha önceki tasarımlardan çok daha güçlü bir sinyal üretiyor.
Wu’ya göre yaydıkları ışık, boya duyarlı hale getirilmemiş yukarı dönüşüm nanoparçacıklarınınkinden yaklaşık 150 kat daha parlak. Aynı uyarma koşullarında, daha önce bildirilen en iyi optimize edilmiş geleneksel yapılardan da yaklaşık 50 kat daha parlak.
Bu parlaklık doğrudan daha yüksek duyarlılığa dönüşüyor. Her nanoparçacık bu kadar güçlü bir optik sinyal ürettiği için, hedef moleküllerine bağlanan çok küçük sayıda parçacık bile algılanabilecek kadar ışık üretebiliyor.
Sensörler ayrıca yapısal izomerler arasında da ayrım yapabiliyor. Bu moleküller tamamen aynı tür ve sayıda atom içeriyor, ancak bu atomların dizilimi farklı. Bu ince yapısal farklılıklar kimyada, özellikle ilaç üretiminde son derece önemli olabilir.
İlaç Partisinde Yanlış Molekülü Yakalamak
“Bir ilaç molekülü ürettiğinizi ve üretim süreciniz iyi çalıştığını, ancak partinin yüzde 10’unun yanlış yapısal izomer olduğunu varsayalım,” diyor Wu. “Bu büyük bir sorun: ilacın etkinliğini azaltabilir ya da daha da kötüsü istemediğiniz yan etkilere yol açabilir. Bunu tespit etmenin mevcut süreci çok pahalı analitik testlere dayanıyor, ancak bu nanoparçacıklarla bunu düşük maliyetli lazerler ve çok küçük bir örnekle yapabilirsiniz.”
Yüksek duyarlılık ve moleküler seçiciliğin bu birleşimi, geleneksel yöntemlerle tespit edilmesi zor veya pahalı olan safsızlıkları tespit etmek için teknolojiyi değerli kılabilir.
Aynı temel yaklaşım, araştırmacıların genellikle çok daha büyük su hacimleri içinde karışmış son derece küçük kirletici konsantrasyonlarını tespit etmesi gereken çevresel izleme için de uyarlanabilir.
Ticari Kullanıma Doğru Sonraki Adım
Teknoloji hâlâ kanıt-olanak aşamasında. Nanoparçacıkların yaygın olarak benimsenebilmesi için araştırmacıların onları büyük miktarlarda pratik olarak üretmenin bir yolunu geliştirmesi gerekecek.
Huang, bu çalışmanın zaten devam ettiğini söylüyor.
“Bunu zaten üzerinde çalışıyoruz. Uygulanabilir olduğunu düşünüyoruz, ancak çok uzun bir yol haritası gerektiriyor,” diyor Huang. “Bu arada, bu model kanıt-olanak olarak hizmet ediyor; bu teknikle, tespit etmek istediğiniz herhangi bir moleküle uyarlanabilecek çok yüksek performanslı bir yukarı dönüşüm nanoparçacığı üretebiliyoruz. Bu tamamen yeni bir şey.”
