更快、更高效的納米粒子成像系統(tǒng)

研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的納米粒子成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)由一種高精度、短波紅外成像技術(shù)組成，能夠捕捉微毫秒范圍內(nèi)稀土摻雜納米粒子的光致發(fā)光壽命。

這一發(fā)現(xiàn)以“使用全光學(xué)條紋成像的稀土摻雜納米顆粒的短波紅外光致發(fā)光壽命測(cè)繪”為標(biāo)題，發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》雜志上，為有前景的應(yīng)用鋪平了道路，特別是在生物醫(yī)學(xué)和信息安全領(lǐng)域。

稀土元素是具有獨(dú)特發(fā)光特性的戰(zhàn)略金屬，使其成為尖端科學(xué)中非常有吸引力的研究工具。此外，摻雜這些離子的納米粒子的光致發(fā)光壽命具有受外部條件影響最小的優(yōu)點(diǎn)。因此，通過(guò)成像測(cè)量可以提供準(zhǔn)確和高度可靠的信息。雖然該領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但用于這種測(cè)量的現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)并不理想。

研究人員由法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院 (INRS) 能源材料與電信研究中心的Jin Yang Liang和Fiorenzo Vetron 教授領(lǐng)導(dǎo)。

超快成像和生物光子學(xué)專家Jinyang Liang解釋道：“到目前為止，由于光子檢測(cè)效率低、成像速度有限和靈敏度低，現(xiàn)有的光學(xué)系統(tǒng)提供了有限的可能性”。

迄今為止，測(cè)量稀土摻雜納米顆粒的光致發(fā)光壽命的最常用技術(shù)涉及計(jì)算時(shí)間相關(guān)的單光子。

該研究的第一作者M(jìn)iao Liu說(shuō)：“這種方法需要在同一位置進(jìn)行大量重復(fù)的激發(fā)，因?yàn)?a target="_blank">探測(cè)器每次只能處理有限數(shù)量的光子”，他是一名能源和材料科學(xué)專業(yè)的博士生，由梁教授和維特羅尼教授指導(dǎo)。

然而，稀土摻雜納米粒子在紅外光譜中的長(zhǎng)光致發(fā)光壽命(從數(shù)百微秒到數(shù)毫秒)限制了激發(fā)的重復(fù)率。因此，構(gòu)建光致發(fā)光強(qiáng)度衰減曲線所需的像素駐留時(shí)間要長(zhǎng)得多。

挑戰(zhàn)極限

為了克服這一挑戰(zhàn)，Liang 和 Vetrone的團(tuán)隊(duì)將條紋光學(xué)與高靈敏度相機(jī)相結(jié)合。由此產(chǎn)生的設(shè)備稱為SWIR-PLIMASC(SWIR為短波紅外，PLIMASC為使用全光條紋相機(jī)的光致發(fā)光壽命成像顯微鏡)。它極大地改善了短波紅外光致發(fā)光壽命的光學(xué)特性測(cè)繪。它是光學(xué)領(lǐng)域第一個(gè)高靈敏度、高速的SWIR成像系統(tǒng)。

Liu表示：“它有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，它對(duì)從900納米到1700納米的寬光譜范圍有反應(yīng)，允許在不同波長(zhǎng)和/或光譜帶檢測(cè)光致發(fā)光?！?/p>

這位博士生補(bǔ)充說(shuō)，借助這種設(shè)備，紅外光譜中的光致發(fā)光壽命，從微秒到毫秒，可以直接在一幅快照中捕獲，其1D成像速度可以從10.3 kHz調(diào)諧到138.9 kHz。

最后，將光致發(fā)光的時(shí)間信息分配到不同空間位置的操作確保了可以在一次快照中記錄1D光致發(fā)光強(qiáng)度衰減的整個(gè)過(guò)程，而不需要重復(fù)激發(fā)。Liu說(shuō)：“這節(jié)省了時(shí)間，但仍然具有高靈敏度?！?/p>

生物醫(yī)學(xué)和安全應(yīng)用

作為這項(xiàng)研究的一部分所開(kāi)展的工作將產(chǎn)生非常實(shí)際的影響。Vetrone說(shuō)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，SWIR-PLIMASC所取得的進(jìn)展可以用于對(duì)抗癌癥，他的專業(yè)知識(shí)在于納米醫(yī)學(xué)。

Vetrone說(shuō)：“由于我們的系統(tǒng)適用于稀土離子基于溫度的光致發(fā)光壽命成像，我們相信，例如，所獲得的數(shù)據(jù)有助于更早、更準(zhǔn)確地檢測(cè)癌細(xì)胞。這些細(xì)胞的代謝會(huì)提高周圍組織的溫度?！薄?/p>

該創(chuàng)新系統(tǒng)還可以用于以更高的安全級(jí)別存儲(chǔ)信息，更具體地說(shuō)，是防止文件和數(shù)據(jù)被偽造。最后，在基礎(chǔ)科學(xué)中，這些前所未有的結(jié)果將使科學(xué)家能夠合成具有更有趣的光學(xué)性質(zhì)的稀土納米粒子。

審核編輯 黃宇