Nasz artykuł został opublikowany w ACS Nano!

Nasz artykuł został opublikowany w czasopiśmie ACS Nano (doi: 10.1021/acsnano.5c13869). 

W niniejszej pracy grupa prof. Artura Bednarkiewicza we współpracy z grupą prof. Gorrisa z Uniwersytetu Masaryka w Brnie (Czechy) zbadała wpływ stężenia jonów  Tm³⁺ na efektywność FRET i porównała dwa klasyczne podejścia do oceny wydajności FRET: wygaszanie emisji jonów donora oraz skracanie czasów życia poziomów wzbudzonych jonów donora w obecności akceptora. Poprzez bezpośrednie przyłączenie barwników do powierzchni nanocząstek uzyskano wysoką wydajność transferu energii, wynoszącą odpowiednio około 90% i 40% dla barwnika ATTO 488.

Jednakże te podejścia dają różne wartości liczbowe ze względu na złożony charakter procesów konwersji energii w górę, migrację energii w sieci Yb³⁺ /Tm³⁺  oraz repopulację poziomów wzbudzonych jonów Tm³⁺, zatem nie mogą być interpretowane niezależnie. Najczulszą miarą FRET okazała się detekcja ratiometryczna, oparta na stosunku intensywności emisji akceptora do intensywności emisji donora w ściśle określonych przedziałach spektralnych (500–614 nm i 435–485 nm). Choć metoda ta nie dostarcza szczegółowego opisu mechanizmu FRET, pozwalała osiągnąć najniższe limity detekcji.

Szeroka przerwa spektralna pomiędzy niebieskimi i czerwonymi pasmami emisji Tm³⁺  została dodatkowo wykorzystana do opracowania prostego systemu multipleksowania, umożliwiającego rozróżnienie czterech barwników ATTO przy użyciu zaledwie jednej pary filtrów optycznych. Podejście to wykazało potencjał nanokryształów konwertujących energię w górę domieszkowanych jonami Tm³⁺ do budowy wielokolorowych, wysoce czułych platform biosensorycznych opartych na FRET.

ABSTRACT

Upconverting nanoparticles (UCNPs) have emerged as promising alternative donors for resonance energy transfer (FRET)-based biosensing. However, employing UCNPs in FRET assays remains challenging because they display relatively small absorption cross sections and are relatively large as compared to the Förster distance. Thousands of individual donor ions in each UCNP are located within various distances from surface-bound acceptors, complicating the data analysis. While previous studies have explored how the composition and architecture of UCNPs influence FRET, many reports remain qualitative, and multicolor UC-FRET systems involving a single donor and multiple acceptors are less commonly studied than single-donor-single-acceptor systems. To address these challenges, we synthesized UCNPs with an absorbing core (Yb³⁺-doped)/active shell (Yb³⁺, Tm³⁺-doped) nanoparticles systematically varying Tm³⁺ concentrations to optimize the FRET efficiency to surface-bound organic acceptors. A shell composition containing 4% Tm³⁺ yielded the highest FRET efficiency. Moreover, four distinct ATTO dyes showing spectral overlap with the blue emission of Tm³⁺ were used as acceptor dyes on the surface of UCNPs to evaluate FRET efficiencies in spectral and time domains. The differentiation of the four ATTO dyes on one type of upconverting donor nanoparticles using a simple ratiometric approach lays the foundation for the design of multiplexed bioassays. Our results offer a strategy for improving UC-FRET sensitivity through smart core–shell UCNPs designs, donor concentration tuning, and provide important insights into the rational design of more efficient, multicolor, and wash-free UC biosensing platforms.

Autor: Grzegorz Bękarski