Et hurtigere og mere effektivt billeddannelsessystem for nanopartikler

Forskere har udviklet et nyt system til billeddannelse af nanopartikler. Den består af en højpræcision, kortbølget infrarød billedbehandlingsteknik, der er i stand til at fange fotoluminescenslevetiderne for sjældne jordarters dopede nanopartikler i mikro- til millisekundersområdet.

Denne opdagelse, som har titlen "Short-wave Infrared Photoluminescence Lifetime Mapping of Rare-Earth Doped Nanoptics Using All-Optical Streak Imaging" og offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science , baner vejen for lovende applikationer, især inden for biomedicinske og informationssikkerhedsområder.

Sjældne jordarters grundstoffer er strategiske metaller, der besidder unikke lys-emitterende egenskaber, der gør dem til meget attraktive forskningsværktøjer inden for banebrydende videnskab. Desuden har fotoluminescenslevetiden for nanopartikler dopet med disse ioner den fordel, at de er minimalt påvirket af eksterne forhold. Som et resultat heraf giver måling af det gennem billeddannelse data, hvorfra nøjagtige og yderst pålidelige oplysninger kan udledes. Selvom dette felt oplever bemærkelsesværdige fremskridt, er eksisterende optiske systemer til denne type måling mindre end ideelle.

Forskerne blev ledet af professorerne Jinyang Liang og Fiorenzo Vetrone fra Énergie Matériaux Télécommunications Research Center ved Institut national de la recherche scientifique (INRS).

"Indtil nu har eksisterende optiske systemer tilbudt begrænsede muligheder på grund af ineffektiv fotondetektion, begrænset billedhastighed og lav følsomhed," forklarer Liang, specialist i ultrahurtig billeddannelse og biofotonik.

Til dato har den mest almindelige teknik til måling af fotoluminescenslevetiden for sjældne jordarters dopede nanopartikler involveret tælling af tidskorrelerede enkeltfotoner.

"Denne metode kræver et stort antal gentagne excitationer på samme sted, fordi detektoren kun kan behandle et begrænset antal fotoner for hver excitation," siger undersøgelsens første forfatter Miao Liu, en ph.d. studerende i energi- og materialevidenskab vejledt af prof. Liang og Vetrone.

Imidlertid begrænser den lange fotoluminescenslevetid for sjældne jordarters dopede nanopartikler i det infrarøde spektrum, fra hundredvis af mikrosekunder til adskillige millisekunder, excitationens gentagelseshastighed. Som følge heraf er den pixel-opholdstid, der er nødvendig for at opbygge fotoluminescensintensitets-henfaldskurven, meget længere.

Skub grænserne

For at overkomme denne udfordring har Liang og Vetrones hold kombineret streakoptik med et højfølsomt kamera. Den resulterende enhed kaldes SWIR-PLIMASC (SWIR for kortbølget infrarød og PLIMASC til fotoluminescens levetid billeddannelsesmikroskopi ved hjælp af et helt optisk streak-kamera). Det forbedrer i høj grad kortlægningen af ​​de optiske egenskaber af kortbølget infrarød fotoluminescenslevetid. Det er det første højfølsomme SWIR-billeddannelsessystem med høj hastighed i optikområdet.

"Det har flere fordele," siger Liu. "For eksempel reagerer den på et bredt spektralområde, fra 900 nm til 1700 nm, hvilket gør det muligt at detektere fotoluminescens ved forskellige bølgelængder og/eller spektralbånd."

Ph.D. studerende tilføjer, at ved hjælp af denne enhed kan fotoluminescenslevetider i det infrarøde spektrum, fra mikrosekunder til millisekunder, optages direkte i ét snapshot med en 1D-billedhastighed, der kan indstilles fra 10,3 kHz til 138,9 kHz.

Endelig sikrer operationen, der allokerer den tidsmæssige information om fotoluminescens til forskellige rumlige positioner, at hele processen med 1D-fotoluminescensintensitetsforfald kan optages i et enkelt snapshot uden gentagen excitation. "Du sparer tid, men får stadig høj følsomhed," siger Liu.

Biomedicinske og sikkerhedsapplikationer

Det arbejde, der udføres som led i denne forskning, vil have en meget håndgribelig effekt. På det biomedicinske område kunne de fremskridt, som SWIR-PLIMASC muliggjorde, bruges til at bekæmpe kræft, siger Vetrone, hvis ekspertise ligger inden for nanomedicin.

"Da vores system gælder for den temperaturbaserede fotoluminescens-livstidsbilleddannelse af sjældne jordarters ioner, mener vi, at de opnåede data f.eks. kan hjælpe med at opdage kræftceller endnu tidligere og mere præcist. Disse cellers metabolisme hæver temperaturen af det omgivende væv," siger Vetrone.

Det innovative system kan også bruges til at gemme information på forbedrede sikkerhedsniveauer, mere specifikt for at forhindre, at dokumenter og data bliver forfalsket. Endelig vil disse hidtil usete resultater inden for grundlæggende videnskab gøre det muligt for forskere at syntetisere sjældne jordarters nanopartikler med endnu mere interessante optiske egenskaber.

Flere oplysninger: Miao Liu et al., Kortbølget infrarød fotoluminescens livstidskortlægning af sjældne jordarters dopede nanopartikler ved hjælp af All-Optical Streak Imaging, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202305284

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Institut national de la recherche scientifique—INRS