En kraftfuld teknik til at observere cellebevægelser og signalering in vivo

Mærkning af biomolekyler med lysemitterende nanopartikler er en kraftfuld teknik til at observere cellebevægelser og signalering under realistiske, in vivo-betingelser. Den lille størrelse af disse sonder, imidlertid, begrænser ofte deres optiske muligheder. I særdeleshed, mange nanopartikler har problemer med at producere højenergilys med bølgelængder i det violette til ultraviolette område, som kan udløse kritiske biologiske reaktioner.

Nu, et internationalt hold ledet af Xiaogang Liu fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og National University of Singapore har opdaget en ny klasse af sjældne jordarters nanokrystaller, der bevarer ophidset energi inde i deres atomare rammer, resulterer i usædvanligt intense violette emissioner.

Nanokrystaller selektivt infunderet, eller 'dopet', med sjældne jordarters ioner har tiltrukket sig forskernes opmærksomhed, på grund af deres lave toksicitet og evne til at omdanne lavenergilaserlys til violetfarvede luminescensemissioner - en proces kendt som fotonopkonvertering. Bestræbelser på at forbedre intensiteten af ​​disse emissioner har fokuseret på ytterbium (Yb) sjældne jordarters dopingmidler, da de let kan exciteres med standardlasere. Desværre, forhøjede mængder af Yb-dotering kan hurtigt aftage, eller 'quench', det genererede lys.

Denne quenching opstår sandsynligvis fra den lange migration af laser-exciterede energitilstande fra Yb og mod defekter i nanokrystallen. De fleste sjældne jordarters nanokrystaller har relativt ensartede dopantfordelinger, men Liu og medarbejdere mente, at et andet krystalarrangement - at klynge dopingmidler i multi-atomarrays adskilt af store afstande - kunne producere lokaliserede exciterede tilstande, der ikke gennemgår migrerende slukning.

Holdet screenede adskillige nanokrystaller med forskellige symmetrier, før de opdagede et materiale, der opfyldte deres kriterier:en kaliumfluoridkrystal dopet med Yb og europium sjældne jordarter (KYb2F7:Eu). Eksperimenter afslørede, at de isolerede Yb-'energiklynger' inde i denne pilleformede nanokrystal (se billede) muliggjorde væsentligt højere dopantkoncentrationer end normalt - Yb tegnede sig for op til 98 procent af krystallens masse - og hjalp med at igangsætte multifoton-opkonvertering, der gav violet lys med en intensitet otte gange højere end tidligere set.

Forskerne udforskede derefter de biologiske anvendelser af deres nanokrystaller ved at bruge dem til at detektere alkaliske fosfataser, enzymer, der ofte indikerer knogle- og leversygdomme. Da holdet bragte nanokrystallerne tæt på en alkalisk fosfat-katalyseret reaktion, de så de violette emissioner aftage i direkte forhold til en kemisk indikator produceret af enzymet. Denne tilgang muliggør hurtig og følsom påvisning af dette kritiske biomolekyle på mikroskalakoncentrationsniveauer.

"Vi mener, at de grundlæggende aspekter af disse fund - at krystalstrukturer i høj grad kan påvirke luminescensegenskaber - kunne tillade opkonvertering af nanokrystaller til i sidste ende at udkonkurrere konventionelle fluorescerende biomarkører, " siger Liu.