Uno studio apre nuove prospettive per i sensori chimici e il controllo delle impurità. La tecnologia è ancora sperimentale.
Una differenza nella disposizione degli atomi può cambiare le proprietà di una sostanza. Riconoscerla è una delle sfide dell’analisi chimica. Un gruppo dell’Università di Toronto ha sviluppato nanoparticelle luminose che aiutano a distinguere molecole molto simili: un risultato che potrebbe trovare applicazione nei controlli farmaceutici e nella ricerca di contaminanti nelle acque.
Il lavoro di Jiaze Wu e colleghi, pubblicato sul Journal of the American Chemical Society, riguarda nanoparticelle a conversione ascendente, o upconversion, sensibilizzate mediante coloranti organici.
Come funzionano le nanoparticelle luminose
Queste particelle ricevono luce nel vicino infrarosso e restituiscono un’emissione verde. Il processo di upconversion combina l’energia assorbita in modo da emettere fotoni più energetici di quelli utilizzati per l’eccitazione. La separazione tra luce di stimolazione ed emissione facilita la lettura del segnale rispetto all’autofluorescenza del campione.
Per capirne il valore analitico, bisogna distinguere due obiettivi: rilevare una sostanza presente in piccole quantità e riconoscerla tra altre sostanze. Sono problemi diversi. Un segnale intenso aiuta la misura, ma da solo non garantisce che il sistema identifichi esclusivamente la molecola cercata.
Una struttura a strati per limitare le perdite di energia
Gli autori hanno progettato una struttura con un nucleo e due gusci, sfruttando un reticolo del tipo LiLuF4. Il guscio esterno, ricco di neodimio, raccoglie l’eccitazione proveniente dal colorante; quello intermedio, ricco di itterbio, favorisce il trasferimento verso il nucleo, riducendo la dissipazione superficiale.
Lo studio riporta un aumento superiore a 150 volte della luminescenza verde, con eccitazione a 808 nanometri, rispetto alle nanoparticelle di riferimento sensibilizzate con colorante e con basso contenuto di itterbio. Il confronto riguarda una specifica prestazione ottica: non equivale a dimostrare una sensibilità analitica 150 volte maggiore in qualsiasi applicazione.
Il test sulle molecole quasi identiche
Nella prova sperimentale, risposte luminose dipendenti dai prodotti di reazione hanno permesso di distinguere tre isomeri dell’acido mercaptobenzoico, nelle forme orto, meta e para, alla concentrazione di un microgrammo per millilitro. Gli isomeri condividono la formula molecolare, ma differiscono nella disposizione degli atomi.
È una dimostrazione su composti definiti. Non significa che le nanoparticelle riconoscano automaticamente ogni impurità o che la concentrazione utilizzata rappresenti un limite di rilevazione universale.
Le prospettive per farmaci e monitoraggio ambientale
Il gruppo indica come possibili sviluppi l’identificazione di impurità nella produzione farmaceutica e la ricerca di tracce di inquinanti nelle acque sotterranee. L’impiego di laser economici potrebbe contribuire a rendere più accessibile la lettura ottica.
In prospettiva, il valore di un sensore dipenderà però dall’intero procedimento: preparazione del campione, selettività, calibrazione, riproducibilità e costi. Un risultato ottenuto in condizioni controllate deve mantenersi affidabile anche quando il campione contiene molte sostanze che possono interferire.
Dal laboratorio a un sensore utilizzabile
La tecnologia è ancora una prova di principio. Secondo i ricercatori, uno dei prossimi passaggi sarà sviluppare la produzione delle nanoparticelle su larga scala.
La prospettiva più interessante è collegare una differenza chimica a un segnale ottico leggibile. Per trasformarla in uno strumento di routine servirà dimostrare, per ciascun impiego, quali sostanze riconosce, con quale precisione e in quali condizioni. È su queste verifiche che si misurerà la sua utilità nei laboratori.
