一文淺談放射發(fā)光、光致發(fā)光、稀土納米粒子的研究

背景

John A. Capobianco 教授的鑭系元素研究小組專注于基于鑭系元素的材料的研究。Capobianco 教授最初是在塊狀晶體和玻璃中研究這些材料，他是率先合成和開(kāi)發(fā)含有這些元素的納米顆粒的研究人員之一。該實(shí)驗(yàn)室目前正在開(kāi)發(fā)稀土納米粒子，特別關(guān)注在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)中的應(yīng)用。

鑭系元素顆粒具有獨(dú)特的光學(xué)和發(fā)光特性，可以通過(guò)化學(xué)方式定制以分散在非極性溶劑以及生物系統(tǒng)中。鑭系元素可以通過(guò)較長(zhǎng)波長(zhǎng)的上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生發(fā)光，并且可以表現(xiàn)出從紫外線到紅外線的寬發(fā)射光譜。在醫(yī)學(xué)中，這些上轉(zhuǎn)換過(guò)程與光激活應(yīng)用相關(guān)，例如用于癌癥治療的光動(dòng)力療法。

博士生 Gabi Mandl 與我們分享了她在實(shí)驗(yàn)室研究的見(jiàn)解，重點(diǎn)是生產(chǎn)摻鐠的放射發(fā)光納米顆粒。當(dāng)暴露于 X 射線等電離輻射時(shí)，放射發(fā)光顆粒會(huì)發(fā)出紫外線到可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的光，這使得它們成為放射治療的可行候選者。

光譜學(xué)對(duì)于表征鑭系納米粒子的發(fā)射特性和動(dòng)力學(xué)起著重要作用。不同的合成工藝會(huì)產(chǎn)生不同的化學(xué)性質(zhì)，需要針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化和定制。具體來(lái)說(shuō)，光譜學(xué)探測(cè)鑭系元素離子中的占據(jù)電子態(tài)以及它們?nèi)绾翁畛?、它們發(fā)光的速度、能量如何轉(zhuǎn)移到其他離子以及與材料缺陷的相互作用如何影響它們的特性。

圖 1：稀土納米粒子的能級(jí)和發(fā)射光譜。光譜顯示了調(diào)節(jié)至不同發(fā)射波長(zhǎng)的納米粒子的不同發(fā)射峰。

挑戰(zhàn)

該實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行多個(gè)激光系統(tǒng)和高性能單色儀來(lái)執(zhí)行高靈敏度光譜分析?；?CCD 的光譜儀可以更快、更有效地獲取數(shù)據(jù)，但不應(yīng)犧牲靈敏度和光譜分辨率。同時(shí)，光譜解決方案應(yīng)能夠快速適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的各種研究項(xiàng)目的不同要求，并且集成 CCD 和光譜儀的系統(tǒng)被認(rèn)為易于使用。放射發(fā)光通常比其他形式的發(fā)光弱得多，需要高檢測(cè)靈敏度。發(fā)射動(dòng)態(tài)的測(cè)量還需要能夠在高光譜速率下運(yùn)行以及與外部設(shè)備精確同步光譜采集。微型，“令我震驚的是，如此強(qiáng)大的設(shè)備竟然比一張紙還小。”

解決方案

Gabi 的輻射發(fā)光測(cè)量裝置使用 FERGIE 攝譜儀(現(xiàn)在稱為 Isoplane-81)，該攝譜儀接收來(lái)自光纖電纜的光，該光纖電纜收集輻射安全室中樣品的光。Isoplane-81 將光譜儀與高靈敏度、背照式 CCD 集成在緊湊的外殼中，并且相機(jī)傳感器的深度冷卻可避免熱噪聲并提高靈敏度。該系統(tǒng)為測(cè)量從 210 nm 發(fā)射到可見(jiàn)能量范圍的納米粒子的放射發(fā)光提供了極高的靈敏度。

Isoplane-81 系統(tǒng)的像差校正光學(xué)設(shè)計(jì)還意味著，盡管光譜儀的外形尺寸很小，但可以在不影響 Gabi 實(shí)驗(yàn)所需的光譜分辨率的情況下測(cè)量稀土納米粒子光譜。此外，該系統(tǒng)還可供實(shí)驗(yàn)室的其他研究人員使用，適應(yīng)不同的光纖和自由空間光學(xué)設(shè)置，并且在分辨率要求發(fā)生變化時(shí)能夠快速更改入口狹縫和光柵。

Gabi 使用 LightField 數(shù)據(jù)采集軟件來(lái)控制光譜儀，并允許使用實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)置自定義用戶界面，以便更有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了檢查光譜線是否存在或比較不同波段之間的強(qiáng)度比，LightField 能夠通過(guò)疊加光譜或快速導(dǎo)出到所選文件格式進(jìn)行快速數(shù)據(jù)可視化，以進(jìn)行更深入的分析。

Gabi 提到，該設(shè)備的設(shè)置非常簡(jiǎn)單，而且萬(wàn)無(wú)一失，同時(shí)提供了她測(cè)量所需的高質(zhì)量。

審核編輯 黃宇