(Phys.org) - Le terme "un avenir meilleur" pourrait être un cliché, mais dans le cas de sondes ultra-petites pour éclairer des protéines individuelles, c'est maintenant le plus approprié. Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont découvert de nouvelles règles surprenantes pour créer des cristaux électroluminescents ultra-brillants de moins de 10 nanomètres de diamètre. Ces nanosondes ultra petites mais ultra lumineuses devraient être un gros atout pour l'imagerie biologique, en particulier l'imagerie optique des tissus profonds des neurones du cerveau.

Travaillant à la Fonderie Moléculaire, un centre national de nanosciences du DOE hébergé au Berkeley Lab, une équipe multidisciplinaire de chercheurs dirigée par James Schuck et Bruce Cohen, tous deux avec la Division Sciences des Matériaux de Berkeley Lab, ont utilisé la caractérisation avancée de particules uniques et la modélisation théorique pour étudier ce que l'on appelle les « nanoparticules à conversion ascendante » ou UCNP. La conversion ascendante est le processus par lequel une molécule absorbe deux photons ou plus à une énergie inférieure et les émet à des énergies plus élevées. L'équipe de recherche a déterminé que les règles régissant la conception de sondes UCNP pour des ensembles de molécules ne s'appliquent pas aux sondes UCNP conçues pour des molécules uniques.

"La sagesse conventionnelle largement acceptée pour la conception de UCNP brillants a été que vous souhaitez utiliser une concentration élevée d'ions sensibilisateurs et une concentration relativement faible d'ions émetteurs, étant donné que trop d'émetteurs entraîneront une auto-extinction qui entraînera une diminution de la luminosité, dit Schuck, qui dirige l'installation d'imagerie et de manipulation de nanostructures de la fonderie moléculaire. "Nos résultats montrent que sous les puissances d'excitation plus élevées utilisées pour l'imagerie de particules uniques, les concentrations en émetteur doivent être aussi élevées que possible sans compromettre la structure du nanocristal, tandis que le contenu sensibilisant peut potentiellement être éliminé.

Schuck et Cohen sont les auteurs correspondants d'un article décrivant cette recherche dans Nature Nanotechnology. L'article s'intitule « Ingénierie de nanocristaux de conversion ascendante lumineux inférieurs à 10 nm pour l'imagerie d'une molécule unique ». Les co-auteurs sont Daniel Gargas, Emory Chan, Alexis Ostrowski, Shaul Aloni, Virginie Altoe, Edouard Barnard, Babak Sanii, Jeffrey Urban et Delia Milliron.

Les protéines sont l'un des éléments fondamentaux de la biologie. Les cellules qui composent les tissus et les organes sont construites à partir d'assemblages de protéines interagissant avec d'autres biomolécules, tandis que d'autres protéines contrôlent presque tous les processus chimiques à l'intérieur d'une cellule. Étudier l'emplacement, Assemblée, et le mouvement de protéines spécifiques est essentiel pour comprendre comment les cellules fonctionnent et ce qui ne va pas dans les cellules malades. Les scientifiques étudient souvent les protéines dans les cellules en les marquant avec des sondes électroluminescentes, mais trouver des sondes suffisamment lumineuses pour l'imagerie mais pas assez grandes pour perturber la fonction de la protéine a été un défi. Les molécules de colorant organique fluorescent et les points quantiques semi-conducteurs répondent aux exigences de taille mais imposent d'autres limitations.

"Les colorants organiques et les points quantiques clignoteront, ce qui signifie qu'ils s'allument et s'éteignent au hasard, ce qui est assez problématique pour l'imagerie de molécule unique, et va photoblanchir, éteindre définitivement, généralement après moins de 10 secondes dans la plupart des conditions d'imagerie, " dit Schuck.

Il y a cinq ans, Cohen et Schuck et leurs collègues de la Molecular Foundry ont synthétisé et imagé des UCNP uniques fabriqués à partir de nanocristaux de fluorure de sodium et d'yttrium (NaYF4) dopés avec des traces d'éléments lanthanides ytterbium, pour les ions sensibilisateurs, et de l'erbium, pour les ions émetteurs. Ces UCNP étaient capables de convertir des photons du proche infrarouge en lumière visible verte ou rouge, et leur photostabilité en fait des sondes luminescentes potentiellement idéales pour l'imagerie d'une molécule unique.

"Les cellules ne contiennent pas naturellement de lanthanides, donc ils ne convertissent pas du tout la lumière, ce qui signifie que nous pouvons imager sans aucun arrière-plan mesurable, " dit Cohen. " Et nous pouvons exciter avec la lumière proche infrarouge, ce qui est beaucoup moins dommageable pour les cellules que la lumière visible ou ultraviolette. Ce sont de grandes propriétés, mais pour rendre nos UCNPs plus compatibles avec l'imagerie cellulaire, nous avons dû développer de nouvelles méthodes synthétiques pour les rendre plus petites."

Cependant, lorsque les scientifiques de la fonderie ont réduit la taille de l'UCNP, suivant les règles de conception conventionnelles, ils ont découvert que la perte de luminosité est devenue un problème majeur. Les UCNP de moins de 10 nanomètres n'étaient plus assez brillants pour l'imagerie d'une seule molécule. Cela a incité la nouvelle étude, qui a montré que les facteurs connus pour augmenter la luminosité dans les expériences en masse perdent de l'importance à des puissances d'excitation plus élevées et que, paradoxalement, les sondes les plus brillantes sous excitation d'une seule molécule sont à peine luminescentes au niveau de l'ensemble.

"Cette découverte est vraiment le fruit de l'environnement collaboratif multidisciplinaire de la Fonderie Moléculaire, " dit Daniel Gargas, co-auteur principal de l'article Nature Nanotechnology. "En utilisant nos contacts quotidiens et nos amitiés avec les scientifiques de la Fonderie, nous avons pu effectuer des recherches très avancées sur des matériaux à l'échelle nanométrique qui comprenaient l'étude de la photophysique à molécule unique, la capacité de synthétiser des nanocristaux à conversion ascendante ultra-petits de presque toutes les compositions, et la modélisation/simulation avancée des propriétés optiques de l'UCNP. Il n'y a pas beaucoup d'installations dans le monde qui peuvent égaler cette atmosphère de collaboration avec des niveaux aussi élevés de caractérisation scientifique. »

Les UCNP utilisent des ions sensibilisateurs, comme l'ytterbium, avec des sections efficaces d'absorption de photons relativement grandes, absorber la lumière entrante et transférer cette énergie absorbée aux ions émetteurs, comme l'erbium, qui luminescent. Les UCNP d'origine dopés aux lanthanides contenaient 20 % d'ytterbium et 2 % d'erbium, qui étaient considérées comme les concentrations optimales pour la luminosité à la fois dans la masse et dans les nanocristaux. Cependant, la nouvelle étude de Molecular Foundry a montré que pour les UCNPs inférieures à 10 nanomètres, la concentration en erbium pourrait être portée à 20 % et la concentration en ytterbium pourrait être réduite à 2 %, voire éliminé pour les UCNP approchant les cinq nanomètres.

"Les gens supposent souvent que les particules qui sont les plus brillantes à faible puissance seront également les plus brillantes à haute puissance, mais nous avons trouvé que nos ultra-petits UCNP étaient un exemple classique de tortue et de lièvre, " dit Emory Chan, l'autre co-auteur principal de l'article Nature Nanotechnology. "Les UCNP fortement dopés à l'erbium démarrent lentement, étant incroyablement faible à faible puissance, mais au moment où l'intensité du laser atteint une puissance élevée, ils ont laissé passer les UCNP dopés de manière conventionnelle qui sont les plus puissants à faible puissance. »

Les modèles informatiques de Chan prédisent que les nouvelles règles sont universelles pour les hôtes de nanocristaux dopés au lanthanide et il utilise maintenant le robot WANDA de la fonderie (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis), qu'il a développé avec la co-auteur Delia Milliron, pour créer et sélectionner les meilleures compositions UCNP en fonction de différentes considérations et critères d'opération/d'application.

Au cours de la découverte des nouvelles règles de conception des ultra-petits UCNP, l'équipe de recherche a également découvert que des niveaux complexes d'hétérogénéité existent dans les spectres d'émission de ces UCNP. Cela suggère que les émissions des UCNP peuvent provenir d'un petit sous-ensemble des émetteurs totaux.

"De futures études pourraient déterminer comment concevoir des particules constituées uniquement de ces super-émetteurs, ce qui entraînerait des émissions encore plus lumineuses des ultra-petits UCNP, " dit Gargas.