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Bastano poche molecole sparse in un liquido e queste nanoparticelle si accendono, letteralmente. Un gruppo di ingegneri dell’Università di Toronto ha messo a punto particelle sensibilizzate con coloranti organici capaci di individuare sostanze chimiche presenti in quantità minime e, cosa ancora più interessante, di distinguere tra molecole che a prima vista sembrano identiche. Il risultato è un sensore ottico che promette di sostituire analisi costose con un laser a basso prezzo e un campione grande quanto una goccia.
Il meccanismo è tutto sommato semplice da raccontare. Le particelle si agganciano alla molecola bersaglio, assorbono fotoni a bassa energia e restituiscono fotoni a energia più alta, generando un segnale luminoso brillante che gli strumenti riescono a leggere senza fatica. Il lavoro è stato descritto sul Journal of the American Chemical Society.
Perché l’upconversion cambia le carte in tavola
Per decenni i sensori ottici si sono affidati ai fluorofori, molecole organiche che assorbono luce e la riemettono colorata. Il limite è che funzionano in una sola direzione, come spiega il professor Kai Huang, autore senior dello studio. La frequenza di eccitazione deve essere più alta di quella di emissione, quindi si parte da fotoni energetici e si arriva a fotoni più deboli.
Le nuove nanoparticelle fanno l’esatto contrario. Il fenomeno si chiama upconversion e consente di illuminare il campione con luce vicino all’infrarosso, prodotta da laser economici, ottenendo in risposta un bagliore verde intenso. Il vantaggio pratico è enorme, perché la luce in entrata e quella in uscita hanno frequenze diverse e il segnale utile si separa facilmente dal rumore di fondo generato dal campione stesso.
Huang usa un paragone efficace: è come guardare le stelle di notte invece che di giorno. Le stelle brillano sempre allo stesso modo, ma il sole le cancella. Abbassando la frequenza di eccitazione si azzera l’autofluorescenza di fondo mentre le sonde continuano a splendere. In pratica, si spegne il sole per vedere meglio le stelle.
Un tunnel energetico a senso unico
Il cuore del sistema sono gli ioni di itterbio ed erbio, appartenenti alla famiglia dei lantanidi. Le versioni precedenti di queste sonde erano esagoni piatti, con gli ioni distribuiti dentro una matrice di sodio, ittrio e fluoro, un po’ come gocce di cioccolato in un biscotto, mentre le molecole di colorante rivestivano l’esterno come una glassa. La luce infrarossa viene catturata dai coloranti, passa all’itterbio che fa da staffetta e finisce all’erbio, che si occupa di trasformarla in verde.
Il problema, racconta Jiaze Wu, dottorando nel laboratorio di Huang e primo autore del lavoro, è che aumentando troppo la densità di itterbio gli ioni iniziano ad assorbire anche l’energia in uscita. Si chiama trasferimento inverso di energia e significa che la luce verde dell’erbio rimbalza indietro senza mai raggiungere la superficie.
La soluzione è arrivata da una doppia modifica. Prima la matrice, costruita con litio, lutezio e fluoro al posto della combinazione tradizionale. Poi la forma, passata dall’esagono piatto a una struttura tridimensionale a losanga, con un nucleo denso circondato da un guscio interno e da uno esterno. La concentrazione di itterbio cresce strato dopo strato, con il massimo al centro, e l’energia finisce per scorrere quasi interamente in una sola direzione, verso l’interno.
Il progetto non è nato per tentativi. Il team ha simulato decine di formulazioni e geometrie prima di sintetizzare le più promettenti. Weixiang Ben, studente universitario che ha guidato la parte computazionale, ha usato simulazioni Monte Carlo e teoria del funzionale della densità per modellare gli scambi energetici fino al livello atomico e subatomico.
Centocinquanta volte più luminose
I numeri parlano chiaro. La luce emessa è circa 150 volte più intensa rispetto alle nanoparticelle a upconversion non sensibilizzate con coloranti, e circa 50 volte superiore a quella delle strutture convenzionali più ottimizzate finora descritte, a parità di condizioni di eccitazione.
Maggiore luminosità significa maggiore sensibilità, perché bastano pochissime particelle agganciate al bersaglio per produrre un segnale leggibile. C’è poi la capacità di distinguere gli isomeri strutturali, molecole con gli stessi atomi disposti in modo diverso. Wu fa un esempio concreto: se durante la produzione di un farmaco il 10% del lotto risulta essere l’isomero sbagliato, il medicinale può perdere efficacia o causare effetti collaterali. Oggi servono test analitici molto costosi, mentre con queste particelle basterebbero un laser economico e un campione minuscolo.
Lo stesso approccio potrebbe servire al monitoraggio ambientale, dove capita spesso di dover cercare tracce di inquinanti in grandi volumi d’acqua. La tecnologia resta però allo stadio di dimostrazione di principio e manca ancora un metodo per produrla su larga scala. Huang conferma che il lavoro è già iniziato e lo considera fattibile, pur con una tabella di marcia lunga, aggiungendo che il modello attuale permette di ottenere una nanoparticella ad altissime prestazioni personalizzabile su qualsiasi molecola da rilevare.
Fonte: TecnoAndroid
