Новости

10 февраля, 2022 15:12

Люминесцентные наночастицы с редкоземельными ионами помогут бесконтактно измерять температуру с высокой чувствительностью

Ученые из Санкт-Петербурга вместе с финскими коллегами разработали люминесцентные наночастицы, содержащие редкоземельные ионы. С их помощью можно бесконтактно измерять температуру в диапазоне от 50 до 600 градусов Цельсия. В основе такой термометрии лежит изменение интенсивности свечения ионов неодима в зависимости от температуры. Поскольку возбуждающий их и испускаемый ими свет беспрепятственно проходит в биологических тканях, разработка окажется полезной при проведении фототермической терапии, хотя потенциальные сферы ее применения гораздо шире. С работой, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться на страницах журнала ACS Applied Materials & Interfaces.
Источник: Rhoda Baer / Wikimedia Commons

Многие прикладные и научные задачи требуют точного измерения температуры, но не всегда удается использовать обычные и даже бесконтактные термометры. Например, при проведении фототермической терапии (по сути выжигании) опухолей важно контролировать нагрев здоровых тканей вокруг: термометр внутрь поместить нельзя, а инфракрасные устройства не смогут «пробиться» вглубь.

«Для решения таких задач очень привлекательны бесконтактные люминесцентные методы. Их суть заключается в том, чтобы ввести в изучаемые системы вещества, которые начинают светиться в ответ на облучение, при этом характеристики свечения зависят от температуры. Подход не нов, однако в медицине и биологии мы сталкиваемся с тем, что живые ткани "прозрачны" для излучения лишь в довольно узком диапазоне длин волн — 700-1000 нанометров. Если в это окно прозрачности не попадет возбуждающий луч, то молекулярный термометр не сможет активироваться, а если в нем не окажется испускаемый свет, то мы просто не увидим обратный сигнал», — рассказывает руководитель гранта Илья Колесников, кандидат физико-математических наук, специалист Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета.

Исследователи Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (Санкт-Петербург) вместе с коллегами из Финляндии разработали и синтезировали наночастицы для бесконтактной люминесцентной термометрии, которые не имеют таких проблем с биологическими тканями. Кроме того, принимая во внимание рабочий температурный диапазон, новые люминесцентные термометры могут использоваться для широкого круга задач в производстве и промышленности.

Реакция синтеза не требовала дорогих реагентов и сложного оборудования; исходными веществами послужили оксиды ванадия и лантаноидов — лютеция, неодима и иттербия. Ионы последних двух легли в основу чувствительного к температуре компонента. В паре они работают как «нарушающие» законы физики люминофоры: в сравнении с возбуждающим светом испускаемый из-за потерь всегда обладает меньшей энергией и, соответственно, большей длиной волны. Однако после возбуждения светом с длиной волны 980 нанометров иттербий передает неодиму энергию, получаемую в результате колебаний кристаллической решетки, а тот испускает излучение в диапазоне 700-950 нанометров. В итоге весь важный для термометрии свет остается в биологическом окне прозрачности.

Перенос энергии с иттербия на неодим происходит тем чаще, чем больше нагрев системы, а потому можно применять в качестве температурно-чувствительного параметра соотношение интенсивностей люминесцентных полос ионов неодима — их свечение, по сути, и есть результат такой передачи энергии. Чтобы показать это, авторы регистрировали люминесценцию наночастиц, постепенно нагревая их от 50 до 600 градусов Цельсия. После они проанализировали получившиеся спектры и выяснили, что соотношение интенсивности полос неодима изменяется в зависимости от температуры по закону Больцмана. Имея «калибровочные» кривые, можно при измерении спектра люминесценции частиц в любой системе определить ее температуру с субмикронным пространственным и субградусным тепловым разрешением.

«Полученные результаты помогут при создании нового класса наносистем, применяемых для бесконтактной люминесцентной термометрии. Наш способ синтеза довольно прост, а получающиеся наночастицы обладают уникальными оптическими свойствами. Это делает их привлекательными в качестве люминесцентных термометров в большом количестве прикладных задач — в микроэлектронике, микрофлюидике, катализе и контролируемой фототермической терапии», — подводит итог Илья Колесников.
18 мая, 2022
Новые графитоподобные катализаторы помогут с рекордной эффективностью получать топливо для солнечной водородной энергетики
Новосибирские ученые предложили метод синтеза высокоактивного фотокатализатора для получения водород...
16 мая, 2022
Ученые синтезировали стабильные светящиеся нанометки, перспективные для диагностики рака
Санкт-Петербургские физики вместе с коллегами из Городского университета Гонконга предложили способ ...