Forskare har utvecklat ett nytt system för att avbilda nanopartiklar. Den består av en högprecision, kortvågig infraröd avbildningsteknik som kan fånga fotoluminescenslivslängderna för sällsynta jordartsmetalldopade nanopartiklar i mikro- till millisekundersintervallet.
Denna upptäckt, som har titeln "Short-wave Infrared Photoluminescence Lifetime Mapping of Rare-Earth Doped Nanoparticles Using All-Optical Streak Imaging" och publicerad i tidskriften Advanced Science , banar väg för lovande tillämpningar, särskilt inom biomedicinska och informationssäkerhetsområden.
Sällsynta jordartsmetaller är strategiska metaller som har unika ljusavgivande egenskaper som gör dem till mycket attraktiva forskningsverktyg inom banbrytande vetenskap. Dessutom har fotoluminescenslivslängden för nanopartiklar dopade med dessa joner fördelen att de påverkas minimalt av yttre förhållanden. Som ett resultat ger mätning av den genom bildbehandling data från vilken korrekt och mycket tillförlitlig information kan härledas. Även om detta område ser anmärkningsvärda framsteg, är befintliga optiska system för denna typ av mätning mindre än idealiska.
Forskarna leddes av professorerna Jinyang Liang och Fiorenzo Vetrone från Énergie Matériaux Télécommunications Research Centre vid Institut national de la recherche scientifique (INRS).
"Tills nu har befintliga optiska system erbjudit begränsade möjligheter på grund av ineffektiv fotondetektion, begränsad bildhastighet och låg känslighet", förklarar Liang, specialist på ultrasnabb bildbehandling och biofotonik.
Hittills har den vanligaste tekniken för att mäta fotoluminescenslivslängden för sällsynta jordartsmetalldopade nanopartiklar innefattat räkning av tidskorrelerade enstaka fotoner.
"Denna metod kräver ett stort antal upprepade excitationer på samma plats eftersom detektorn bara kan behandla ett begränsat antal fotoner för varje excitation", säger studiens första författare Miao Liu, en Ph.D. student i energi- och materialvetenskap under handledning av prof. Liang och Vetrone.
Den långa fotoluminescenslivslängden för sällsynta jordartsmetalldopade nanopartiklar i det infraröda spektrumet, från hundratals mikrosekunder till flera millisekunder, begränsar dock excitationens upprepningshastighet. Som ett resultat är pixeluppehållstiden som behövs för att bygga kurvan för fotoluminescensintensitetsavklingningen mycket längre.
För att övervinna denna utmaning har Liang och Vetrones team kombinerat streakoptik med en högkänslig kamera. Den resulterande enheten kallas SWIR-PLIMASC (SWIR för kortvågig infraröd och PLIMASC för fotoluminescens livstidsavbildningsmikroskopi med en helt optisk streak-kamera). Det förbättrar avsevärt kartläggningen av de optiska egenskaperna för kortvågiga infraröda fotoluminescenslivslängder. Det är det första högkänsliga SWIR-bildsystemet med hög hastighet inom optikområdet.
"Det har flera fördelar", säger Liu. "Till exempel reagerar den på ett brett spektralområde, från 900 nm till 1700 nm, vilket gör att fotoluminescens kan detekteras vid olika våglängder och/eller spektralband."
Ph.D. student tillägger att med hjälp av denna enhet kan fotoluminescenslivslängder i det infraröda spektrumet, från mikrosekunder till millisekunder, fångas direkt i en ögonblicksbild med en 1D-bildhastighet som kan ställas in från 10,3 kHz till 138,9 kHz.
Slutligen säkerställer operationen som allokerar den tidsmässiga informationen om fotoluminescens till olika rumsliga positioner att hela processen med 1D-fotoluminescensintensitetsavklingning kan registreras i en enda ögonblicksbild, utan upprepad excitering. "Du sparar tid, men blir ändå högkänslig", säger Liu.
Det arbete som utförs som en del av denna forskning kommer att ha en mycket påtaglig effekt. Inom det biomedicinska området kan de framsteg som SWIR-PLIMASC gör möjliga användas för att bekämpa cancer, säger Vetrone, vars expertis ligger inom nanomedicin.
"Eftersom vårt system tillämpas på temperaturbaserad fotoluminescenslivstidsavbildning av joner av sällsynta jordartsmetaller, tror vi att de data som erhållits kan till exempel hjälpa till att upptäcka cancerceller ännu tidigare och mer exakt. Metabolismen av dessa celler höjer temperaturen på de omgivande vävnaderna", säger Vetrone.
Det innovativa systemet kan också användas för att lagra information på utökade säkerhetsnivåer, mer specifikt för att förhindra att dokument och data förfalskas. Slutligen, inom grundläggande vetenskap, kommer dessa oöverträffade resultat att tillåta forskare att syntetisera nanopartiklar av sällsynta jordartsmetaller med ännu mer intressanta optiska egenskaper.
Mer information: Miao Liu et al, Kortvågig infraröd fotoluminescens livstidskartering av sällsynta jordartsdopade nanopartiklar med användning av All-Optical Streak Imaging, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202305284
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Institut national de la recherche scientifique—INRS
