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.
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.