研究人員開發(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，通過成像測量可以提供準(zhǔn)確和高度可靠的信息。雖然該領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展，但用于這種測量的現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)并不理想。

研究人員由法國國家科學(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)涉及計算時間相關(guān)的單光子。

該研究的第一作者M(jìn)iao Liu說：“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間要長得多。

挑戰(zhàn)極限

為了克服這一挑戰(zhàn)，Liang 和 Vetrone的團(tuán)隊將條紋光學(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)特性測繪。它是光學(xué)領(lǐng)域第一個高靈敏度、高速的SWIR成像系統(tǒng)。

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

這位博士生補(bǔ)充說，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)度衰減的整個過程，而不需要重復(fù)激發(fā)。Liu說：“這節(jié)省了時間，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)研究的一部分所開展的工作將產(chǎn)生非常實(shí)際的影響。Vetrone說，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，SWIR-PLIMASC所取得的進(jìn)展可以用于對抗癌癥，他的專業(yè)知識在于納米醫(yī)學(xué)。

Vetrone說：“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)確地檢測癌細(xì)胞。這些細(xì)胞的代謝會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別存儲信息，更具體地說，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