Desarrollan nanopartículas que iluminan diferencias químicas ocultas en muestras

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Toronto presentó un avance significativo en el campo de la detección química al desarrollar nanopartículas de alto brillo que pueden identificar concentraciones extremadamente bajas de sustancias químicas y diferenciar moléculas que son casi idénticas en estructura.

Estas diminutas partículas generan una señal luminosa al unirse a los compuestos que están diseñadas para detectar. Absorben fotones de baja energía y convierten esa energía en fotones de mayor energía, creando una señal óptica brillante que puede ser medida por los investigadores.

Esta capacidad única podría tener aplicaciones prácticas en diversas áreas. Por ejemplo, los fabricantes farmacéuticos podrían utilizar estas nanopartículas para identificar impurezas no deseadas en los medicamentos. Asimismo, investigadores ambientales podrían emplearlas para buscar contaminantes químicos en aguas subterráneas en cantidades mínimas.

Conversión de luz infrarroja en una señal verde brillante

El profesor Kai Huang, autor principal del estudio publicado en el Journal of the American Chemical Society, explicó que las moléculas orgánicas llamadas fluoróforos han sido utilizadas durante décadas para absorber luz y convertirla en emisiones coloridas, pero este proceso solo funciona en una dirección. "Con los fluoróforos, la frecuencia de excitación debe ser mayor que la frecuencia de emisión, lo que significa que convierten fotones de alta energía en fotones de baja energía. Lo que hace que nuestras nanopartículas sean especiales es que pueden absorber luz en forma de fotones de baja energía y emitir fotones de mayor energía", indicó Huang.

Por ejemplo, al excitarlas con luz infrarroja, que se puede producir fácilmente con láseres de bajo costo, estas nanopartículas emiten un brillo verde brillante. Este proceso, conocido como upconversion, proporciona una ventaja significativa, ya que la luz utilizada para activarlas tiene una frecuencia diferente a la de la luz que emiten, permitiendo a los investigadores separar más fácilmente la señal deseada de la luz de fondo generada por la muestra.

Huang comparó este efecto con observar el cielo nocturno. "Es como la diferencia entre observar las estrellas de noche y durante el día. Las estrellas brillan con la misma intensidad todo el tiempo, pero durante el día el sol es tan potente que las abruma. Al bajar la frecuencia de excitación, se elimina el fondo de autofluorescencia en las muestras analizadas, mientras que las nanopartículas luminiscentes siguen brillando; es como apagar el sol para ver mejor las estrellas", explicó.

El desafío de hacer nanopartículas más brillantes

Las nanopartículas dependen de iones de ytterbio y erbio, que pertenecen a la familia de elementos químicos de los lantánidos, para llevar a cabo el proceso de upconversion. Las versiones anteriores de estas nanopartículas sensoras se fabricaron típicamente en estructuras hexagonales planas. Los iones de ytterbio y erbio se distribuyeron a través de un material anfitrión compuesto de sodio, itrio y flúor. Los investigadores compararon esta disposición con chispas de chocolate incrustadas en una galleta, mientras que las moléculas de tinte orgánico que cubren el exterior se asemejan a un glaseado.

Sin embargo, al intentar aumentar el brillo de este sistema, surgió un problema. "Si se empaquetan los átomos de ytterbio demasiado densamente, comienzan a absorber no solo la energía que entra, sino también la energía que sale", comentó Jiaze Wu, estudiante de doctorado en el laboratorio de Huang y autor principal del nuevo artículo. Este fenómeno se conoce como transferencia de energía inversa, lo que significa que la energía que debería haber sido emitida por los iones de erbio como luz verde regresa al relé de ytterbio y nunca alcanza la superficie.

Un diseño en capas crea un camino de energía unidireccional

Para superar esta limitación, Wu, Huang y sus colegas rediseñaron tanto la composición como la estructura de las nanopartículas. En lugar de construir la matriz anfitriona a partir de sodio, itrio y flúor, los investigadores crearon una nueva matriz utilizando litio, lutecio y flúor. También transformaron las partículas de hexágonos planos a estructuras tridimensionales en forma de diamante. Cada partícula contiene varias regiones distintas: un núcleo denso rodeado por una capa interna y luego una capa externa.

Wu explicó: "Creamos un bonito gradiente: la concentración de iones de ytterbio incrustados se vuelve más densa a medida que se avanza en cada capa, siendo el núcleo el más denso. Esta disposición nos permitió empaquetar mucho más ytterbio. En nuestras partículas, la energía luminosa que entra fluye casi completamente en una dirección, hacia el interior, hacia los iones de erbio".

En lugar de llegar a este diseño solo a través de prueba y error, el equipo utilizó en gran medida modelado por computadora. Los investigadores simularon docenas de formulaciones químicas y formas de partículas posibles antes de fabricar las versiones más prometedoras en el laboratorio.

Nanopartículas hasta 150 veces más brillantes

Las nanopartículas resultantes producen una señal mucho más fuerte que los diseños anteriores. Según Wu, su luz emitida es aproximadamente 150 veces más brillante que la de las nanopartículas de upconversion que no han sido sensibilizadas por tinte. En las mismas condiciones de excitación, también son unas 50 veces más brillantes que algunas de las estructuras convencionales más optimizadas reportadas anteriormente. Esta intensidad se traduce directamente en una mayor sensibilidad; dado que cada nanopartícula genera una señal óptica tan fuerte, incluso un número muy pequeño de partículas unidas a sus moléculas objetivo puede producir suficiente luz para ser detectada.

Los sensores también pueden distinguir entre isómeros estructurales. Estas moléculas contienen exactamente los mismos tipos y números de átomos, pero esos átomos están dispuestos de manera diferente. Tales diferencias estructurales sutiles pueden ser de gran importancia en química, especialmente en la fabricación de medicamentos.

Identificando la molécula incorrecta en un lote de medicamentos

Wu planteó un ejemplo: "Imagina que estás fabricando una molécula de medicamento, y tu proceso de fabricación funciona bien, excepto que el 10% del lote es el isómero estructural incorrecto. Eso es un gran problema: puede hacer que el medicamento sea menos efectivo o, peor aún, provocar efectos secundarios que definitivamente no deseas. El proceso actual para detectar esto se basa en pruebas analíticas muy costosas, pero con estas nanopartículas, podrías hacerlo utilizando láseres de bajo costo y una muestra muy pequeña".

Esta combinación de alta sensibilidad y selectividad molecular podría hacer que la tecnología sea valiosa para detectar impurezas que son difíciles o costosas de identificar mediante métodos convencionales. El mismo enfoque básico también podría adaptarse para el monitoreo ambiental, donde los investigadores a menudo necesitan detectar concentraciones extremadamente pequeñas de contaminantes mezclados en volúmenes de agua mucho mayores.

El siguiente paso hacia el uso comercial

Aunque la tecnología todavía se encuentra en la etapa de prueba de concepto, antes de que las nanopartículas puedan ser adoptadas de manera generalizada, los investigadores tendrían que desarrollar una forma práctica de fabricarlas en grandes cantidades. Huang aseguró que ese trabajo ya está en marcha. "Estamos trabajando en esto, de hecho. Creemos que es factible, pero requiere un largo camino por recorrer. Mientras tanto, este modelo sirve como prueba de concepto; con esta técnica, podemos producir una nanopartícula de upconversion de alto rendimiento que podría ser personalizada para cualquier molécula que desees detectar. Eso es algo completamente nuevo".