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，他是率先合成和開發(fā)含有這些元素的納米顆粒的研究人員之一。該實驗室目前正在開發(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特的光學(xué)和發(fā)光特性，可以通過化學(xué)方式定制以分散在非極性溶劑以及生物系統(tǒng)中。鑭系元素可以通過較長波長的上轉(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)換過程與光激活應(yīng)用相關(guān)，例如用于癌癥治療的光動力療法。

博士生 Gabi Mandl 與我們分享了她在實驗室研究的見解，重點是生產(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，放射發(fā)光顆粒會發(fā)出紫外線到可見光波長范圍的光，這使得它們成為放射治療的可行候選者。

光譜學(xué)對于表征鑭系納米粒子的發(fā)射特性和動力學(xué)起著重要作用。不同的合成工藝會產(chǎn)生不同的化學(xué)性質(zhì)，需要針對特定應(yīng)用進行優(yōu)化和定制。具體來說，光譜學(xué)探測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和發(fā)射光譜。光譜顯示了調(diào)節(jié)至不同發(fā)射波長的納米粒子的不同發(fā)射峰。

挑戰(zhàn)

該實驗室運行多個激光系統(tǒng)和高性能單色儀來執(zhí)行高靈敏度光譜分析。基于 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，光譜解決方案應(yīng)能夠快速適應(yīng)實驗室中進行的各種研究項目的不同要求，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，需要高檢測靈敏度。發(fā)射動態(tài)的測量還需要能夠在高光譜速率下運行以及與外部設(shè)備精確同步光譜采集。微型，“令我震驚的是，如此強大的設(shè)備竟然比一張紙還小?！?/p>

解決方案

Gabi 的輻射發(fā)光測量裝置使用 FERGIE 攝譜儀(現(xiàn)在稱為 Isoplane-81)，該攝譜儀接收來自光纖電纜的光，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)為測量從 210 nm 發(fā)射到可見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 實驗所需的光譜分辨率的情況下測量稀土納米粒子光譜。此外，該系統(tǒng)還可供實驗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)采集軟件來控制光譜儀，并允許使用實驗所需的設(shè)置自定義用戶界面，以便更有效地進行實驗。為了檢查光譜線是否存在或比較不同波段之間的強度比，LightField 能夠通過疊加光譜或快速導(dǎo)出到所選文件格式進行快速數(shù)據(jù)可視化，以進行更深入的分析。

Gabi 提到，該設(shè)備的設(shè)置非常簡單，而且萬無一失，同時提供了她測量所需的高質(zhì)量。

審核編輯 黃宇