Løglignende lag hjælper denne effektive nye nanopartikel med at gløde

En ny, løglignende nanopartikel kunne åbne nye grænser inden for biomaging, høst af solenergi og lysbaserede sikkerhedsteknikker.

Partiklens innovation ligger i dens lag:en belægning af organisk farvestof, en neodym-holdig skal, og en kerne, der inkorporerer ytterbium og thulium. Sammen, disse lag konverterer usynligt nær-infrarødt lys til højere energi blåt og UV-lys med rekordhøj effektivitet, et trick, der kunne forbedre ydeevnen af ​​teknologier lige fra deep-tissue imaging og lysinduceret terapi til sikkerhedsblæk, der bruges til at udskrive penge.

Når det kommer til bioimaging, nær-infrarødt lys kunne bruges til at aktivere de lysemitterende nanopartikler dybt inde i kroppen, giver billeder med høj kontrast af interesseområder. Inden for sikkerhedens område, nanopartikel-infunderet blæk kunne inkorporeres i valutadesign; sådan blæk ville være usynlig for det blotte øje, men lyser blåt, når det bliver ramt af en lavenergi-laserpuls - en egenskab, der er meget svær at reproducere for falsknere.

"Det åbner op for flere muligheder for fremtiden, " siger Tymish Ohulchanskyy, vicedirektør for fotomedicin og forskningslektor ved Institut for Lasere, Fotonik, og biofotonik (ILPB) ved universitetet i Buffalo.

"Ved at skabe specielle lag, der hjælper med at overføre energi effektivt fra overfladen af ​​partiklen til kernen, som udsender blåt og UV-lys, vores design hjælper med at overvinde nogle af de langvarige forhindringer, som tidligere teknologier stod over for, " siger Guanying Chen, professor i kemi ved Harbin Institute of Technology og ILPB forskningslektor.

"Vores partikel er omkring 100 gange mere effektiv til at 'opkonvertere' lys end lignende nanopartikler skabt i fortiden, gør det meget mere praktisk, " siger Jossana Damasco, en UB kemi ph.d.-studerende, der spillede en nøglerolle i projektet.

Undersøgelsen blev offentliggjort online i Nano bogstaver den 21. oktober og ledet af Instituttet for Lasere, Fotonik, og biofotonik på UB, og Harbin Institute of Technology i Kina, med bidrag fra Kungliga Tekniska Högskolan i Sverige; Tomsk State University i Rusland; og University of Massachusetts Medical School.

Undersøgelsens seniorforfatter var Paras Prasad, ILPB administrerende direktør og SUNY Distinguished Professor i kemi, fysik, medicin og elektroteknik på UB.

Træk lagene tilbage

At konvertere lavenergilys til lys af højere energier er ikke let at gøre. Processen involverer indfangning af to eller flere bittesmå pakker af lys kaldet "fotoner" fra en lavenergi lyskilde, og kombinerer deres energi for at danne en enkelt, højere energi foton.

Den løgagtige nanopartikel udfører denne opgave smukt. Hvert af dets tre lag opfylder en unik funktion:

• Det yderste lag er en belægning af organisk farvestof. Dette farvestof er dygtig til at absorbere fotoner fra lavenergi nær-infrarøde lyskilder. Det fungerer som en "antenne" for nanopartikler, høste lys og overføre energi indeni, Ohulchanskyy siger.
• Det næste lag er en neodym-holdig skal. Dette lag fungerer som en bro, overføre energi fra farvestoffet til partiklens lysemitterende kerne.
• Inde i den lysemitterende kerne, ytterbium- og thuliumioner arbejder sammen. Ytterbium-ionerne trækker energi ind i kernen og sender energien videre til thulium-ionerne, som har særlige egenskaber, der gør dem i stand til at absorbere energien fra tre, fire eller fem fotoner på én gang, og udsender derefter en enkelt højere-energi foton af blåt og UV-lys.

Så hvorfor ikke bare bruge kernen? Hvorfor tilføje farvestoffet og neodymlaget overhovedet?

Som Ohulchanskyy og Chen forklarer, selve kernen er ineffektiv til at absorbere fotoner fra omverdenen. Det er her farvestoffet kommer ind.

Når du har tilføjet farvestoffet, det neodymholdige lag er nødvendigt for at overføre energi effektivt fra farvestof til kerne. Ohulchanskyy bruger analogien med en trappe til at forklare, hvorfor dette er:Når molekyler eller ioner i et materiale absorberer en foton, de går ind i en "ophidset" tilstand, hvorfra de kan overføre energi til andre molekyler eller ioner. Den mest effektive overførsel sker mellem molekyler eller ioner, hvis exciterede tilstande kræver en tilsvarende mængde energi for at opnå, men farvestoffet og ytterbium-ionerne har exciterede tilstande med meget forskellige energier. Så holdet tilføjede neodym - hvis ophidsede tilstand er mellem farvestoffets og thuliums - for at fungere som en bro mellem de to, skabe en "trappe", hvor energien kan rejse ned for at nå udsendende thuliumioner.