제약 발광 나노입자 강화, 오염 감소

토론토 공과대학 연구진은 매우 낮은 농도에서 표적 화학물질을 감지하는 동시에 매우 유사한 모양을 가진 분자를 구별할 수 있는 새로운 유형의 염료 감응 나노입자를 개발했습니다.

나노입자는 표적 분자에 결합할 때 저에너지 광자 형태의 빛을 흡수하고 이를 사용하여 고에너지 광자를 방출합니다. 이 화학 감지 기능은 제약 제조업체가 불순물을 감지하거나 연구자가 지하수에서 작은 흔적의 화학적 오염 물질을 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

“형광단이라고 불리는 유기 분자는 빛을 흡수하여 다채로운 방출로 변환하기 위해 수십 년 동안 사용되어 왔지만 그 과정은 한 방향으로만 작동합니다.”라고 새로운 입자를 설명하는 미국 화학 학회지(Journal of the American Chemical Society)에 발표된 논문의 주저자인 Kai Huang 교수는 말했습니다.

“형광단의 경우 여기 주파수는 방출 주파수보다 높아야 합니다. 이는 고에너지 광자를 저에너지 광자로 변환한다는 의미입니다. 염료 감응 나노입자를 특별하게 만드는 것은 상향 변환이 가능하다는 것입니다. 즉, 저에너지 광자의 형태로 빛을 흡수하고 고에너지 광자를 방출할 수 있다는 의미입니다.

“예를 들어 저렴한 레이저로 쉽게 생성할 수 있는 근적외선으로 자극할 수 있으며 이에 반응하여 밝은 녹색으로 빛날 것입니다.”

Huang은 여기 주파수와 방출 주파수의 차이로 인해 신호와 잡음을 더 쉽게 분류할 수 있다고 말합니다.

“그것은 밤에 별을 관찰하는 것과 낮에 관찰하는 것의 차이와 같습니다”라고 그는 말합니다.

“별은 항상 같은 밝기로 빛나지만 낮에는 태양이 너무 강력해서 빠져버릴 정도입니다. 여기 주파수를 낮추면 분석 중인 샘플의 자가형광 배경이 0이 되고, 발광 나노프로브는 계속해서 빛납니다. 이는 마치 태양을 끄는 것과 같기 때문에 별을 더 잘 볼 수 있습니다.”

나노입자에서 상향변환은 란탄족 원소로 알려진 화학 원소 계열의 일부인 이테르븀 및 에르븀 이온에 의해 가능합니다.

이전에는 이러한 화학적 감지제를 제조하는 일반적인 접근 방식으로 평면 육각형 모양의 나노입자가 만들어졌습니다. 이 입자에서 이테르븀과 에르븀 이온은 쿠키의 초콜릿 칩처럼 나트륨, 이트륨, 불소로 구성된 호스트 매트릭스에 내장되어 있습니다. 염료는 얼음이 형성되는 것과 유사하게 외부에 코팅된 유기 분자입니다.

적외선이 입자에 닿으면 염료는 빛 에너지를 흡수하여 이테르븀 이온으로 전달합니다. 이터븀 이온은 이를 에르븀 이온으로 전달하는 에너지 중계 역할을 합니다. 에르븀 이온은 상향 변환을 수행하고 에너지는 녹색광으로 다시 방출됩니다.

“그러나 문제가 있습니다. 이테르븀 원자를 너무 조밀하게 포장하면 들어오는 에너지뿐만 아니라 나가는 에너지도 흡수하기 시작합니다”라고 Huang 연구실의 박사과정 학생이자 새 논문의 주요 저자인 Jiaze Wu는 말합니다.

“이것을 역에너지 전달이라고 합니다. 이는 에르븀 이온에 의해 녹색광으로 방출되는 에너지가 대신 이테르븀 계전기에서 반사되어 표면에 도달하지 않는다는 것을 의미합니다.”

Wu, Huang 및 팀은 레시피를 변경하여 이러한 절충안을 극복했습니다. 호스트 매트릭스에 나트륨, 이트륨, 불소를 사용하는 대신 리튬, 루테튬, 불소로 만들어진 새로운 매트릭스를 설계합니다.

그들은 또한 평평한 육각형에서 다이아몬드와 같은 3D 구조로 입자의 모양을 변경하고 여러 층을 제공했습니다. 밀도가 높은 코어는 내부 껍질로 둘러싸여 있으며 외부 껍질로 둘러싸여 있습니다.

“우리는 멋진 구배를 만들 수 있었습니다. 각 층을 통과할 때 통합된 이테르븀 이온의 농도가 더 조밀해지며, 코어가 가장 밀도가 높습니다”라고 Wu는 말했습니다.

“이 배열을 통해 훨씬 더 많은 이터븀을 담을 수 있었습니다. 입자에서 들어오는 빛 에너지는 거의 전적으로 한 방향, 즉 에르븀 이온을 향해 안쪽으로 흐릅니다.”

이러한 디자인 변경은 단지 행운의 추측이 아니었습니다. 팀은 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한 후 그곳에 도착했습니다. 이러한 방식으로 그들은 실제로 실험실에서 나노입자를 만들기 전에 수십 가지의 공식과 기하학적 구조를 테스트할 수 있었습니다.

계산 작업을 주도한 학부생 Weixiang Ben은 “우리는 몬테카를로 시뮬레이션과 밀도 함수 이론을 사용하여 에너지가 나노입자의 서로 다른 부분 사이에서 원자 또는 아원자 수준까지 상호 작용하는 방식을 시뮬레이션했습니다.”라고 말했습니다.

“그것이 우리가 이 코어-쉘-쉘 구조가 실제로 들어오는 빛을 위한 단방향 에너지 터널로 작동할 수 있다는 것을 보여준 방법입니다.”

Wu는 새로운 나노입자가 이전 나노입자보다 훨씬 더 밝다고 말했다. 방출된 빛은 염료로 민감화되지 않은 상향 변환 나노입자보다 약 150배 더 ​​밝으며, 동일한 여기 조건에서 이전에 보고된 보다 최적화된 기존 구조의 일부보다 약 50배 더 ​​밝다고 추정됩니다.

이러한 높은 감도 덕분에 나노입자는 매우 낮은 농도에서도 표적 분자를 감지할 수 있으며, 부착된 소수의 나노입자라도 감지할 수 있을 만큼 충분히 밝게 빛납니다.

그들은 또한 서로의 구조 이성질체인 분자, 즉 동일한 원자 세트로 만들어졌지만 약간 다른 방식으로 배열된 분자를 쉽게 구별할 수 있습니다.

Wu는 “약물 분자를 만들고 있고 제조 공정이 잘 작동하고 있지만 배치의 10%가 잘못된 구조 이성질체라는 점을 제외하고는”이라고 말했습니다.

“그것은 큰 문제입니다. 약물의 효과를 떨어뜨리거나 더 나쁘게는 원하지 않는 부작용을 유발할 수 있습니다. 이를 탐지하는 현재 프로세스는 매우 값비싼 분석 테스트에 의존하지만 이러한 나노입자를 사용하면 저렴한 레이저와 매우 작은 샘플을 사용하여 이를 수행할 수 있습니다.”

Huang은 상업적 개발을 향한 다음 단계는 나노입자를 대량 생산하는 기술을 개발하는 것이라고 말했습니다.

Huang은 “실제로 우리는 이미 이 작업을 진행하고 있습니다. 가능하다고 생각하지만 매우 긴 로드맵이 필요합니다”라고 말했습니다.

“그동안 이 모델은 개념 증명 역할을 합니다. 이 기술을 통해 우리는 검출하려는 모든 분자에 맞게 맞춤화할 수 있는 매우 높은 처리량의 상향 변환 나노입자를 생산할 수 있습니다. 이는 완전히 새로운 것입니다.”