Учёные Университета Торонто разработали новый тип наночастиц, синтезированных с красителем на поверхности, которые способны распознавать химические вещества при极 низких концентрациях и различать молекулы с почти идентичной геометрией. По словам главы проекта профессора Kai Huang, эти наночастицы светятся после связывания с целевым веществом и обеспечивают сигнал, который можно измерить на фоне окружающего света.

Особенность разработок — upconversion: частицы поглощают слабый энергодатый фотон и переизлучают фотон более высокой энергии, создавая яркий зелёный сигнал. Так, возбуждать их можно инфракрасным светом, который несложно получить с недорогих лазеров, после чего они светятся зелёным цветом и дадут явный сигнал

Такое свойство позволяет легче отделять искомый сигнал от фоновых полей образца. Поясняя аналогией, учёные сравнивают эффект с наблюдением звёзд ночью: при дневном свете звезды почти не различимы, а при снижении возбуждения фон исчезает, а звезды остаются яркими.

Однако прежние версии наночастиц имели ограничение: если в кристалле слишком плотно разместить итербий иytterbium-ионов, энергия возвращается обратно и не достигает поверхности. Чтобы решить проблему, команда пересмотрела состав и архитектуру наночастиц, создав многослойную структуру «ядро-оболочка-оболочка» и поменяв матрицу на литий-лютий-фторид. Эти изменения позволили направлять энергию почти целиком к эрбию, минимизируя обратную передачу энергии.

Новые наночастицы оказались до 150 раз ярче по выходному свету по сравнению с ранее существовавшими аналогами, а под теми же условия возбуждения их светимость превышает старые образцы в десятки раз. Это повышает чувствительность, и даже небольшое число частиц, прикреплённых к целевым молекулам, может дать заметимый сигнал.

Новую способность также демонстрируют различение структурных изомеров — молекул с одинаковым составом и числом атомов, но разным порядком их соединения. По словам Wu, подобная селективность важна в химии и может быть полезна на фармацевтическом производстве для выявления неправильных изомеров в партиях. В производственных условиях это может потребовать обычного низкозатратного лазера и очень малого объёма образца.

На данный момент технология остаётся доказательством концепции. Прежде чем наночастицы найдут широкое применение, необходимо разработать практический способ их массового производства. По словам Huang, работа над этим уже идёт, и такой путь возможен, хотя он потребует длного дорожного плана.