这些微小颗粒在与它们被设计用来检测的化学物质结合后会产生光信号。它们吸收低能光子并将该能量转化为高能光子，从而产生研究人员可以测量的明亮光学信号。
这种不寻常的能力可能在多个领域具有实际用途。例如，制药企业可以使用这些颗粒来识别药物中不需要的杂质。环境研究人员可能使用它们来寻找地下水中极微量的化学污染物。
将红外光转化为明亮的绿色信号
“被称为荧光团的有机分子几十年来一直被用于吸收光并将其转化为彩色发射光，但该过程只能单向进行，”发表在《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)上描述这些新颗粒的论文的资深作者黄凯（Kai Huang）教授说。
“对于荧光团，激发频率必须高于发射频率，这意味着它们将高能光子转化为低能光子。我们的染料敏化纳米颗粒的特别之处在于它们能够进行上转换，这意味着它们可以吸收低能光子形式的光并发射出高能光子。
“例如，你可以用近红外光激发它们，这种光很容易用低成本的激光器产生，而它们会发出明亮的绿光作为响应。”
这一被称为上转换的过程赋予了纳米颗粒一个重要优势。由于用于激活它们的光与其发射的光具有不同的频率，研究人员可以更容易地将所需信号与样品本身产生的背景光分离开来。
黄将这种效果比作观看夜空。
“这就像在夜晚观星与在白天观星的区别，”他说。
“恒星一直以相同的亮度发光，但在白天太阳的光太强，掩盖了它们。将激发频率降低会在你分析的样品中产生零自发荧光背景，而发光纳米探针却继续发光；这就像关掉太阳，这样你就能更好地看到星星。”
让纳米颗粒更亮的挑战
这些颗粒依靠属于镧系化学元素的镱离子和铒离子来执行上转换过程。
早期版本的这些传感纳米颗粒通常被制成扁平的六边形结构。镱离子和铒离子分布在由钠、钇和氟制成的主基质材料中。研究人员将这种排列比作嵌在饼干里的巧克力豆，而覆盖在外部的有机染料分子则类似于糖霜。
当红外光照射到纳米颗粒上时，染料首先捕获入射的能量。该能量被转移到作为中继的镱离子上，然后传递给铒离子。铒离子执行上转换步骤，使储存的能量以绿光的形式释放出来。
然而，从历史上看，让这个系统变得更亮却引发了另一个问题。
“但有一个问题：如果你把镱原子排列得太密集，它们不仅开始吸收进入的能量，还会吸收输出的能量，”黄实验室的博士生、也是这篇新论文的第一作者吴嘉泽（Jiaze Wu）说。
“这被称为能量回传：这意味着原本会由铒离子以绿光形式发射的能量反而被反弹回镱中继，永远无法到达表面。”
分层设计创造单向能量路径
为了克服这一限制，吴、黄及其同事重新设计了纳米颗粒的成分和结构。
研究人员没有使用钠、钇和氟来构建主基质，而是使用锂、镥和氟创建了一种新基质。
他们还将颗粒从扁平的六边形改变为更具三维感的菱形结构。每个颗粒包含几个不同的区域：一个致密的核心，被内壳包围，然后是外壳。
“我们能够创造出很好的梯度：嵌入的镱离子浓度在穿过每一层时变得越来越密集，其中核心最为密集，”吴说。
“这种排列使我们能够装入更多的镱。在我们的颗粒中，进入的光能几乎完全单向流动，向内流向铒离子。”
该团队并非仅仅通过试错法得出这一设计，而是严重依赖计算机建模。研究人员在实验室制造最有希望的版本之前，模拟了数十种可能的化学配方和颗粒形状。
“我们使用了蒙特卡洛模拟和密度泛函理论来模拟能量在纳米颗粒不同部分之间是如何相互作用的，精确到原子甚至亚原子水平，”主导这项计算工作的本科生本伟翔（Weixiang Ben）说。
“这就是我们展示这种核-壳-壳结构如何能够真正作为入射光的单向能量隧道的方式。”
亮度提升高达150倍的纳米颗粒
由此产生的纳米颗粒产生了比早期设计强得多的信号。
据吴介绍，它们发射的光比未经染料敏化的上转换纳米颗粒亮约150倍。在相同的激发条件下，它们也比先前报道的一些高度优化的传统结构亮约50倍。
这种亮度直接转化为更高的灵敏度。因为每个纳米颗粒都能产生如此强烈的光学信号，即使附着在目标分子上的颗粒数量非常少，也能产生足够被检测到的光。
这些传感器还可以区分结构异构体。这些分子包含完全相同类型和数量的原子，但这些原子的排列方式不同。这种微小的结构差异在化学中可能具有极其重要的意义，特别是在药物制造中。
在药物批次中发现错误分子
“假设你正在制造一种药物分子，你的制造过程运行良好，但该批次中有10%是错误的结构异构体，”吴说。
“这是一个巨大的问题：它可能降低药效，或者更糟，导致你绝对不想要的副作用。目前用于检测这一情况的过程依赖于非常昂贵的分析测试，但有了这些纳米颗粒，你可以使用低成本的激光器和非常小的样本来完成。”
高灵敏度和分子选择性的结合可能使这项技术在检测那些使用传统方法难以或昂贵识别的杂质方面具有价值。
同样的基本方法也可以适用于环境监测，在这些监测中，研究人员通常需要检测混入大体积水中的极微量污染物。
迈向商业用途的下一步
该技术仍处于概念验证阶段。在纳米颗粒能够被广泛采用之前，研究人员需要开发出一种大量制造它们的实用方法。
黄表示这项工作已经在进行中。
“事实上，我们已经在进行这项工作了。我们认为这是可行的，但这需要一个很长的路线图，”黄说。
“同时，这个模型作为概念验证；利用这项技术，我们可以生产出一种高性能的上转换纳米颗粒，可以针对你可能想要检测的任何分子进行定制。这是全新的事物。”