Onderzoekers hebben een nieuw systeem ontwikkeld voor het afbeelden van nanodeeltjes. Het bestaat uit een zeer nauwkeurige kortegolf-infraroodbeeldvormingstechniek die in staat is de fotoluminescentielevensduur van met zeldzame aardmetalen gedoteerde nanodeeltjes in het bereik van micro- tot milliseconden vast te leggen.

Deze ontdekking, getiteld "Short-wave Infrared Photoluminescentie Lifetime Mapping of Rare-Earth Doped Nanoparticles Using All-Optical Streak Imaging" en gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Science , maakt de weg vrij voor veelbelovende toepassingen, vooral op het gebied van biomedische informatie en informatiebeveiliging.

Zeldzame aardmetalen zijn strategische metalen 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 nauwkeurige en zeer betrouwbare informatie kan worden afgeleid. Hoewel er op dit gebied opmerkelijke vooruitgang wordt geboekt, zijn de bestaande optische systemen voor dit soort metingen verre van ideaal.

De onderzoekers werden geleid door professoren Jinyang Liang en Fiorenzo Vetrone van het Énergie Matériaux Télécommunications Research Center van het Institut national de la recherche scientifique (INRS).

"Tot nu toe boden bestaande optische systemen beperkte mogelijkheden vanwege inefficiënte fotonendetectie, beperkte beeldsnelheid en lage gevoeligheid", legt Liang uit, een specialist in ultrasnelle beeldvorming en biofotonica.

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

"Deze methode vereist een groot aantal herhaalde excitaties op dezelfde locatie, omdat de detector voor elke excitatie slechts een beperkt aantal fotonen kan verwerken", zegt de eerste auteur van het onderzoek, Miao Liu, een Ph.D. student energie- en materiaalkunde onder begeleiding van Profs. Liang en Vetrone.

De lange fotoluminescentielevensduur van met zeldzame aardmetalen gedoteerde nanodeeltjes in het infraroodspectrum, van honderden microseconden tot enkele milliseconden, beperkt echter de herhalingssnelheid 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, hebben de teams van Liang en Vetrone streak-optiek gecombineerd met een zeer gevoelige camera. Het resulterende apparaat heet SWIR-PLIMASC (SWIR voor kortegolf-infrarood en PLIMASC voor fotoluminescentie-levensduur-beeldvormingsmicroscopie met behulp van een volledig optische streak-camera). Het verbetert enorm het in kaart brengen van de optische eigenschappen van de kortegolf-infraroodfotoluminescentielevensduur. Het is het eerste zeer gevoelige, snelle SWIR-beeldvormingssysteem op het gebied van de optica.

"Het heeft verschillende voordelen", zegt Liu. "Het reageert bijvoorbeeld op een breed spectraal bereik, van 900 nm tot 1700 nm, waardoor fotoluminescentie kan worden gedetecteerd op verschillende golflengten en/of spectrale banden."

De Ph.D. student voegt eraan toe dat met behulp van dit apparaat de levensduur van fotoluminescentie in het infraroodspectrum, van microseconden tot milliseconden, direct kan worden vastgelegd in één momentopname met een 1D-beeldsnelheid die kan worden afgestemd van 10,3 kHz tot 138,9 kHz.

Ten slotte zorgt de operatie die de temporele informatie van fotoluminescentie toewijst aan verschillende ruimtelijke posities ervoor dat het hele proces van 1D-fotoluminescentie-intensiteitsverval in één momentopname kan worden vastgelegd, zonder herhaalde excitatie. "Je bespaart tijd, maar krijgt toch een hoge gevoeligheid", zegt Liu.

Biomedische en veiligheidstoepassingen

Het werk dat in het kader van dit onderzoek wordt uitgevoerd, zal een zeer tastbare impact hebben. Op biomedisch gebied zouden de vorderingen die mogelijk worden gemaakt door SWIR-PLIMASC kunnen worden gebruikt om kanker te bestrijden, zegt Vetrone, wiens expertise op het gebied van nanogeneeskunde ligt.

"Aangezien ons systeem van toepassing is op de op temperatuur gebaseerde fotoluminescentie-levensduurbeeldvorming van zeldzame aardionen, zijn we van mening dat de verkregen gegevens bijvoorbeeld kunnen helpen om kankercellen nog eerder en nauwkeuriger te detecteren. Het metabolisme van die cellen verhoogt de temperatuur van de omliggende weefsels", zegt Vetrone.

Het innovatieve systeem kan ook worden gebruikt om informatie op een verhoogd beveiligingsniveau op te slaan, meer specifiek om te voorkomen dat documenten en gegevens vervalst worden. Ten slotte zullen deze ongekende resultaten wetenschappers in de fundamentele wetenschap in staat stellen zeldzame aardmetalen nanodeeltjes met nog interessantere optische eigenschappen te synthetiseren.

Meer informatie: Miao Liu et al., Kortegolf-infraroodfotoluminescentie Levensduur in kaart brengen van met zeldzame aardmetalen gedoteerde nanodeeltjes met behulp van volledig optische beeldvorming van strepen, Geavanceerde wetenschap (2024). DOI:10.1002/advs.202305284

Journaalinformatie: Geavanceerde wetenschap

Aangeboden door Institut national de la recherche scientifique –INRS