Более быстрая и эффективная система визуализации наночастиц

Это новаторское открытие, которое было опубликовано в журнале Передовая наукаЭто открывает путь для многообещающих приложений, особенно в области биомедицины и информационной безопасности.

Редкоземельные элементы — это стратегические минералы, обладающие уникальными светоизлучающими свойствами, которые делают их очень привлекательными исследовательскими инструментами в передовой науке. Более того, время жизни фотолюминесценции наночастиц, легированных этими ионами, имеет то преимущество, что на него минимально влияют внешние условия. В результате измерение его с помощью визуализации дает данные, из которых можно получить очень точную и надежную информацию.

Хотя в этой области наблюдается значительный прогресс, существующие оптические системы для этого типа измерений далеки от идеала.

«До сих пор современные оптические системы предлагали ограниченные возможности из-за неэффективного обнаружения фотонов, ограниченной скорости получения изображений и низкой чувствительности», — объясняет профессор Цзиньян Лян, специалист в области сверхбыстрой визуализации и биофотоники.

На сегодняшний день наиболее распространенный метод измерения времени жизни фотолюминесценции наночастиц, легированных редкоземельными элементами, включает коррелированный во времени подсчет одиночных фотонов.

«Этот метод требует большого количества повторных возбуждений в одном и том же месте, поскольку детектор может обрабатывать только ограниченное количество фотонов на одно возбуждение», — говорит первый автор исследования, Мяо Лю, доктор философии. Студентка факультета энергетики и материаловедения под руководством проф. доктора. Лян и Витрон.

Однако длительное время жизни фотолюминесценции наночастиц, легированных редкоземельными элементами, в инфракрасном спектре, от сотен микросекунд до нескольких миллисекунд, ограничивает частоту повторения возбуждения. В результате время пребывания пикселя, необходимое для построения кривой затухания интенсивности фотолюминесценции, значительно увеличивается.

Раздвигая границы

Чтобы решить эту проблему, команда Ляна и Ветрона объединила каскадную оптику с высокочувствительной камерой. Полученное устройство получило название SWIR-PLIMASC (SWIR для коротковолнового инфракрасного излучения и PLIMASC для фотолюминесцентной микроскопии с изображением времени жизни с полностью оптической линейной камерой). Это значительно улучшает сопоставление оптических свойств со временем жизни коротковолновой инфракрасной фотолюминесценции. Это первая высокочувствительная и высокоскоростная система SWIR-изображения в области оптики.

«У него много преимуществ», — говорит Мяо Лю. «Например, он реагирует на широкий спектральный диапазон, от 900 нм до 1700 нм, что позволяет обнаруживать фотолюминесценцию на разных длинах волн и/или спектральных диапазонах».

Кандидат наук. Студент добавляет, что с помощью этого устройства время жизни фотолюминесценции в инфракрасном спектре, от микросекунд до миллисекунд, можно зафиксировать непосредственно за один снимок со скоростью одномерного изображения, которую можно регулировать от 10,3 кГц до 138,9 кГц. .

Наконец, процесс, который присваивает временную информацию фотолюминесценции различным пространственным местоположениям, гарантирует, что весь процесс интенсивности одномерной фотолюминесценции может быть записан за один раз без повторного возбуждения. «Вы экономите время, но сохраняете высокую чувствительность», — резюмирует Мяо Лю.

Биомедицинские приложения и приложения безопасности

Работа, проделанная в рамках этого исследования, будет иметь весьма ощутимый эффект. В области биомедицины прогресс, достигнутый SWIR-PLIMASC, может быть использован в борьбе с раком, считает профессор Фиоренцо Ветроне, чей опыт лежит в области наномедицины.

«Поскольку наша система применяется для оптического изображения редкоземельных ионов в зависимости от температуры, мы считаем, что полученные данные могут, например, помочь обнаружить раковые клетки еще раньше и с большей точностью. Метаболизм этих клеток увеличивает температуру раковых клеток. Окружающие ткани», — говорит профессор Витроне.

Инновационную систему также можно использовать для хранения информации с повышенным уровнем безопасности, в частности, для предотвращения подделки документов и данных. Наконец, в фундаментальной науке эти беспрецедентные результаты позволят ученым синтезировать наночастицы редкоземельных элементов с еще более интересными оптическими свойствами.