Dalam dunia farmasi, nanopartikel ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi cemaran yang tidak diinginkan dalam obat-obatan. Setiap batch obat harus melalui pengujian ketat untuk memastikan keamanan dan efektivitasnya. Namun, seringkali ada 10% dari batch yang tidak sesuai dengan struktur kimia yang diharapkan, yang dapat menyebabkan efek samping atau mengurangi efektivitas obat. Dengan menggunakan nanopartikel ini, peneliti dapat mendeteksi kemungkinan kemurnian obat dengan cara yang lebih murah dan efisien.
Di bidang lingkungan, nanopartikel ini dapat membantu dalam pencarian polutan kimia dalam jumlah sangat kecil di air tanah. Polutan ini seringkali sulit dideteksi karena terkandung dalam jumlah yang sangat kecil di dalam volume air yang sangat besar. Dengan menggunakan nanopartikel ini, peneliti dapat mendeteksi polutan ini dengan lebih mudah dan akurat.
Profesor Kai Huang, penulis senior makalah yang diterbitkan di Journal of the American Chemical Society, menjelaskan bahwa molekul organik bernama fluorofor telah lama digunakan untuk menyerap cahaya dan mengubahnya menjadi emisi berwarna, tetapi prosesnya hanya bekerja satu arah. Dengan fluorofor, frekuensi eksitasi harus lebih tinggi daripada frekuensi emisi, yang berarti mereka mengubah foton berenergi tinggi menjadi foton berenergi rendah. Nanopartikel peka pewarna yang dikembangkan tim ini istimewa karena mampu melakukan konversi ke atas, yaitu menyerap foton berenergi rendah dan memancarkan foton berenergi lebih tinggi.
Proses konversi ke atas memberikan keuntungan penting. Karena cahaya pemicu berbeda frekuensi dari cahaya yang dipancarkan, sinyal yang diinginkan lebih mudah dipisahkan dari cahaya latar yang dihasilkan oleh sampel itu sendiri. "Ini seperti perbedaan antara bintang di langit malam dengan matahari siang hari," katanya. "Bintang-bintang itu selalu bersinar dengan kecerahan yang sama, tetapi selama siang hari matahari yang sangat kuat menutupi mereka. Dengan memindahkan frekuensi eksitasi ke bawah, kita dapat mematikan latar belakang autofluoresensi dalam sampel yang kita analisis, sementara nanoprobe luminesen tetap bersinar; ini seperti mematikan matahari, sehingga kita dapat melihat bintang dengan lebih baik."
Partikel ini mengandalkan ion ytterbium dan erbium dari keluarga lantanida untuk menjalankan proses tersebut. Versi awal nanopartikel sensor biasanya berbentuk struktur heksagonal datar dengan ion ytterbium dan erbium tersebar dalam bahan inang dari natrium, yttrium, dan fluorin. Tim peneliti mengumpamakan susunan itu seperti cokelat butir di dalam kue, sementara molekul pewarna organik di bagian luar menyerupai lapisan krim.
Ketika cahaya inframerah mengenai nanopartikel, pewarna organik pertama kali menangkap energi yang masuk. Energi tersebut kemudian diteruskan ke ion ytterbium, yang berfungsi sebagai relai, dan kemudian diteruskan ke ion erbium. Ion erbium melakukan langkah konversi ke atas, memungkinkan energi yang disimpan untuk muncul sebagai cahaya hijau. Namun, membuat sistem ini lebih terang telah menyebabkan masalah lain. "Tetapi ada masalah: jika atom ytterbium dipadatkan dengan terlalu padat, mereka mulai menyerap tidak hanya energi yang masuk, tetapi juga energi yang keluar," katanya Jiaze Wu, seorang mahasiswa doktoral di laboratorium Huang dan penulis utama pada makalah baru ini. "Ini disebut transfer energi mundur: berarti energi yang akan dipancarkan oleh ion erbium sebagai cahaya hijau sebenarnya dikembalikan ke relai ytterbium dan tidak pernah mencapai permukaan."
Untuk mengatasi batasan ini, Wu, Huang, dan rekan-rekan mereka merancang ulang komposisi dan struktur nanopartikel. Mereka mengganti matriks inang dari natrium, yttrium, dan fluorin dengan matriks baru yang menggunakan litium, lutetium, dan fluorin. Mereka juga mengubah partikel dari bentuk heksagonal datar menjadi struktur berbentuk berlian yang lebih tiga dimensi. Setiap partikel mengandung beberapa region yang berbeda: inti yang padat, dilapisi oleh selaput dalam, dan kemudian selaput luar. "Kita berhasil menciptakan gradien yang baik: konsentrasi ion ytterbium yang tertanam menjadi lebih padat saat melewati setiap lapisan, dengan inti yang paling padat," katanya Wu. "Susunan ini memungkinkan kita untuk memadatkan ytterbium dengan sangat banyak. Dalam partikel kami, energi cahaya yang masuk mengalir hampir seluruhnya dalam satu arah, menuju ion erbium."
Tim ini tidak mencapai desain ini melalui percobaan dan kesalahan saja. Mereka sangat bergantung pada pemodelan komputer. Peneliti menyimulasikan puluhan formulasi kimia dan bentuk partikel yang mungkin sebelum memproduksi versi yang paling menjanjikan di laboratorium. "Kami menggunakan simulasi Monte Carlo dan teori fungsional densitas untuk mensimulasikan bagaimana interaksi energi akan terjadi antara bagian-bagian nanopartikel, sampai ke tingkat atomik atau bahkan subatomik," katanya Weixiang Ben, seorang mahasiswa sarjana yang memimpin pekerjaan komputasi. "Itulah cara kami menunjukkan bahwa struktur inti-selaput-selaput ini sebenarnya dapat berfungsi sebagai terowongan energi satu arah untuk cahaya masuk."
Nanopartikel yang dihasilkan menghasilkan sinyal yang jauh lebih kuat daripada desain sebelumnya. Menurut Wu, cahaya yang dipancarkan oleh nanopartikel ini sekitar 150 kali lebih terang daripada nanopartikel konversi ke atas yang tidak disensitifkan oleh pewarna. Di bawah kondisi eksitasi yang sama, mereka juga sekitar 50 kali lebih terang daripada struktur konvensional yang paling dioptimalkan yang telah dilaporkan sebelumnya. Kecerahan ini langsung berhubungan dengan sensitivitas yang lebih tinggi. Karena setiap nanopartikel menghasilkan sinyal optik yang sangat kuat, bahkan jumlah kecil partikel yang menempel pada molekul sasaran dapat menghasilkan cukup cahaya untuk dideteksi.
Sensor ini juga dapat membedakan antara isomer struktural. Molekul-molekul ini mengandung jenis dan jumlah atom yang sama, tetapi atom-atom tersebut disusun dengan cara yang berbeda. Perbedaan struktural yang sangat halus ini dapat sangat penting dalam kimia, terutama dalam pembuatan obat. "Bayangkan sedang membuat molekul obat, dan proses pembuatan pembaca berjalan dengan baik, kecuali 10% dari batch adalah isomer struktural yang salah," katanya Wu. "Itu adalah masalah besar: itu dapat membuat obat kurang efektif, atau bahkan menyebabkan efek samping yang tidak diinginkan. Proses saat ini untuk mendeteksi ini bergantung pada tes analitis yang sangat mahal, tetapi dengan nanopartikel ini, pembaca dapat melakukannya menggunakan laser murah dan sampel yang sangat kecil."
Kombinasi sensitivitas tinggi dan selektivitas molekul ini dapat membuat teknologi ini berharga untuk mendeteksi impuritas yang sulit atau mahal untuk diidentifikasi menggunakan metode konvensional. Pendekatan dasar yang sama juga dapat disesuaikan untuk pemantauan lingkungan, di mana peneliti seringkali perlu mendeteksi konsentrasi polutan yang sangat kecil yang bercampur dalam volume air yang sangat besar.
Teknologi ini masih berada di tahap bukti konsep. Sebelum nanopartikel ini dapat digunakan secara luas, peneliti perlu mengembangkan cara untuk memproduksinya dalam jumlah besar. "Kami sedang bekerja pada ini, sebenarnya. Kami pikir ini memungkinkan, tetapi membutuhkan rencana yang sangat panjang," katanya Huang. "Sementara itu, model ini berfungsi sebagai bukti konsep; dengan teknik ini, kami dapat menghasilkan nanopartikel konversi ke atas dengan kinerja sangat tinggi yang dapat disesuaikan untuk mendeteksi molekul apa pun yang pembaca inginkan. Itu sesuatu yang sepenuhnya baru."
Sumber: ScienceDaily, September 2026.
Tidak ada komentar
Posting Komentar