Le marquage de biomolécules avec des nanoparticules électroluminescentes est une technique puissante pour observer le mouvement cellulaire et la signalisation sous réaliste, conditions in vivo. La petite taille de ces sondes, cependant, limite souvent leurs capacités optiques. En particulier, de nombreuses nanoparticules ont du mal à produire une lumière à haute énergie avec des longueurs d'onde allant du violet à l'ultraviolet, qui peuvent déclencher des réactions biologiques critiques.

Maintenant, une équipe internationale dirigée par Xiaogang Liu de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR et de l'Université nationale de Singapour a découvert une nouvelle classe de nanocristaux de terres rares qui préservent l'énergie excitée à l'intérieur de leur structure atomique, entraînant des émissions violettes inhabituellement intenses.

Nanocristaux infusés sélectivement, ou "dopé", avec des ions de terres rares ont attiré l'attention des chercheurs, en raison de leur faible toxicité et de leur capacité à convertir la lumière laser de faible énergie en émissions de luminescence de couleur violette, un processus connu sous le nom de conversion ascendante de photons. Les efforts pour améliorer l'intensité de ces émissions se sont concentrés sur les dopants des terres rares ytterbium (Yb), car ils sont facilement excitables avec des lasers standard. Malheureusement, des quantités élevées de dopants Yb peuvent rapidement diminuer, ou « éteindre », la lumière générée.

Cette trempe résulte probablement de la migration à longue distance d'états d'énergie excités par laser à partir de Yb et vers des défauts dans le nanocristal. La plupart des nanocristaux de terres rares ont des distributions de dopants relativement uniformes, mais Liu et ses collaborateurs ont estimé qu'un arrangement cristallin différent - le regroupement de dopants dans des réseaux multi-atomes séparés par de grandes distances - pourrait produire des états excités localisés qui ne subissent pas d'extinction migratoire.

L'équipe a passé au crible de nombreux nanocristaux de symétries différentes avant de découvrir un matériau répondant à leurs critères :un cristal de fluorure de potassium dopé à l'Yb et aux terres rares à l'europium (KYb2F7:Eu). Des expériences ont révélé que les « groupes d'énergie » d'Yb isolés à l'intérieur de ce nanocristal en forme de pilule (voir l'image) permettaient des concentrations de dopant sensiblement plus élevées que d'habitude - Yb représentait jusqu'à 98 % de la masse du cristal - et aidaient à initier une conversion ascendante multiphotonique qui produisait de la lumière violette. avec une intensité huit fois plus élevée qu'auparavant.

Les chercheurs ont ensuite exploré les applications biologiques de leurs nanocristaux en les utilisant pour détecter les phosphatases alcalines, enzymes qui indiquent fréquemment des maladies osseuses et hépatiques. Lorsque l'équipe a rapproché les nanocristaux d'une réaction catalysée par un phosphate alcalin, ils ont vu les émissions de violet diminuer en proportion directe d'un indicateur chimique produit par l'enzyme. Cette approche permet une détection rapide et sensible de cette biomolécule critique à des niveaux de concentration microscopiques.

"Nous pensons que les aspects fondamentaux de ces découvertes - que les structures cristallines peuvent grandement influencer les propriétés de luminescence - pourraient permettre aux nanocristaux de conversion ascendante de surpasser les biomarqueurs fluorescents conventionnels, " dit Liu.