Een sneller en efficiënter beeldvormingssysteem voor nanodeeltjes

Deze baanbrekende ontdekking, die in het tijdschrift werd gepubliceerd Geavanceerde wetenschapHet maakt de weg vrij voor veelbelovende toepassingen, vooral op het gebied van biogeneeskunde en informatiebeveiliging.

Zeldzame aardelementen zijn strategische mineralen die unieke lichtuitstralende eigenschappen bezitten, waardoor ze zeer aantrekkelijke onderzoeksinstrumenten zijn in de allernieuwste wetenschap. Bovendien heeft de fotoluminescentielevensduur van nanodeeltjes die met deze ionen zijn gedoteerd het voordeel dat deze minimaal wordt beïnvloed door externe omstandigheden. Als gevolg hiervan levert het meten ervan via beeldvorming gegevens op waaruit zeer nauwkeurige en betrouwbare informatie kan worden afgeleid.

Hoewel er op dit gebied aanzienlijke vooruitgang wordt geboekt, zijn de bestaande optische systemen voor dit soort metingen niet bepaald ideaal geweest.

“Tot nu toe hebben de huidige optische systemen beperkte mogelijkheden geboden vanwege inefficiënte fotonendetectie, beperkte beeldsnelheid en lage gevoeligheid”, legt professor Jinyang Liang uit, een specialist in ultrasnelle beeldvorming en biofotonica.

Tot nu toe omvat de meest gebruikelijke techniek voor het meten van de fotoluminescentielevensduur van met zeldzame aardmetalen gedoteerde nanodeeltjes het tijdgecorreleerd tellen van afzonderlijke fotonen.

“Deze methode vereist een groot aantal herhaalde excitaties op dezelfde locatie, omdat de detector slechts een beperkt aantal fotonen per excitatie kan verwerken”, zegt de eerste auteur van het onderzoek, Miao Liu, Ph.D. Student energie- en materiaalwetenschappen onder begeleiding van Prof. Dr. Liang en Vitron.

De lange levensduur van fotoluminescentie van met zeldzame aarde gedoteerde nanodeeltjes in het infraroodspectrum, van honderden microseconden tot enkele milliseconden, beperkt echter de herhalingsfrequentie van de excitatie. Als gevolg hiervan is de pixelverblijftijd die nodig is om de vervalcurve van de fotoluminescentie-intensiteit op te bouwen veel langer.

De grenzen verleggen

Om deze uitdaging het hoofd te bieden, combineerde het team van Liang en Vetrone cascade-optica met een hooggevoelige camera. Het resulterende apparaat heet SWIR-PLIMASC (SWIR voor kortegolf-infrarood en PLIMASC voor fotoluminescentie-levensduur-beeldvormingsmicroscopie met een volledig optische lijncamera). Het verbetert aanzienlijk de mapping van optische eigenschappen naar de levensduur van kortegolf-infraroodfotoluminescentie. Het is het eerste zeer gevoelige, snelle SWIR-beeldvormingssysteem op het gebied van de optica.

“Het heeft veel voordelen”, zegt Miao Liu. “Het reageert bijvoorbeeld op een breed spectraal bereik, van 900 nm tot 1.700 nm, waardoor fotoluminescentie kan worden gedetecteerd op verschillende golflengten en/of spectrale bereiken.”

Ph.D. De student voegt eraan toe dat met behulp van dit apparaat de levensduur van fotoluminescentie in het infraroodspectrum, van microseconden tot milliseconden, direct in één opname kan worden vastgelegd met een eendimensionale beeldsnelheid die kan worden aangepast van 10,3 kHz tot 138,9 kHz. .

Ten slotte zorgt een proces dat temporele informatie van fotoluminescentie toewijst aan verschillende ruimtelijke locaties ervoor dat het hele proces van 1D-fotoluminescentie-intensiteit in één opname kan worden vastgelegd, zonder herhaalde excitatie. “Je bespaart tijd, maar je bent nog steeds hooggevoelig”, vat Miao Liu samen.

Biomedische en veiligheidstoepassingen

Het werk dat in het kader van dit onderzoek wordt verricht, zal een zeer tastbare impact hebben. Op het gebied van de biogeneeskunde zou de vooruitgang van SWIR-PLIMASC kunnen worden gebruikt in de strijd tegen kanker, meent professor Fiorenzo Vetrone, wiens expertise op het gebied van de nanogeneeskunde ligt.

“Aangezien ons systeem van toepassing is op temperatuurafhankelijke optische beeldvorming over de levensduur van zeldzame aardionen, denken we dat de verkregen gegevens bijvoorbeeld kankercellen nog eerder en met grotere nauwkeurigheid kunnen helpen detecteren. Het metabolisme van die cellen verhoogt de temperatuur van kankercellen.” Omringend weefsel”, zegt professor Vitrone.

Het innovatieve systeem kan ook worden gebruikt om informatie op te slaan met verbeterde beveiligingsniveaus, meer specifiek om vervalsing van documenten en gegevens te voorkomen. Ten slotte zullen deze ongekende resultaten wetenschappers in de fundamentele wetenschap in staat stellen zeldzame aardnanodeeltjes met nog interessantere optische eigenschappen te synthetiseren.