Российские ученые из Санкт-Петербурга совместно с коллегами из Финляндии разработали люминесцентные наночастицы, содержащие редкоземельные ионы.
С помощью этих частиц они планируют измерять температуру в диапазоне от 50 до 600 градусов Цельсия. Эта технология основана на интенсивности свечения ионов неодима в зависимости от температуры. При этом благодаря особенностям способа его можно применять при проведении фототермической терапии – испускаемый наночастицами свет беспрепятственно проходит в биологические ткани.
По словам ученых, метод был разработан в ответ на существующие проблемы измерения температур – прикладные и научные задачи требуют точного измерения температуры, но не всегда удается использовать обычные или бесконтактные термометры. Например, при проведении фототермической терапии опухолей медикам важно контролировать нагрев здоровых тканей вокруг: термометр внутрь поместить нельзя, а инфракрасные устройства не смогут «пробиться» вглубь.
По словам руководителя гранта Ильи Колесникова, кандидата физико-математических наук, специалиста Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета, для решения этой и других похожих по смыслу задач были переосмыслены 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 просвечиваются 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», – объяснил Колесников.
Для решения этой задачи ученые не использовали дорогие реагенты – исходными веществами послужили оксиды ванадия и лантаноидов – лютеция, неодима и иттербия. Ионы неодима и иттербия как раз и легли в основу компонента, чувствительного к температуре. В паре эти два вещества работают как 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».
Также благодаря переносу энергии с иттербия на неодим в условиях нагрева системы ученые смогли создать «калибровочные» кривые, используемые для измерения спектра люминесценции частиц в любой системе, определить ее температуру с субмикронным пространственным и субградусным тепловым разрешением. Учитывая рабочий температурный диапазон, такие люминесцентные бесконтактные термометры могут использоваться в производстве и промышленности, а также в прикладных задачах микроэлектроники, микрофлюидике и т.д.
Простота синтеза наночастиц, обладающих уникальными оптическими свойствами, дает ученым возможность разработать новый класс наносистем, используемых для бесконтактной термометрии.
Работа международной группы ученых была поддержана грантом Российского научного фонда.
Источник: «Научная Россия»
распечатать статью
