Ученые нашли медицинское приложение для алмазов с дефектами

Физики из МФТИ и ФИАН исследовали люминесцентные свойства промышленных алмазов с примесями никеля. Ученые показали, как по характерным особенностям люминесценции с помощью таких микрокристаллов измерять температуру окружающих объектов. Алмазы с никелевыми центрами могут применяться для термометрических измерений в медицине и биологии. Работа опубликована в Physica status solidi — Rapid Research Letters. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-29-01046).

Люминесцентная термометрия — один из неинвазивных методов определения температуры. Благодаря этому он используется в биологических структурах, микросхемах и двигателях — везде, где особенно важно не повредить исследуемый объект. Например, чтобы измерить температуру процессов внутри какого-то участка организма, можно доставить туда люминесцентную частицу в качестве датчика и осветить лазером эту область. По форме спектра свечения частицы и времени люминесценции определяют температуру ее окружения. Для исследования биологических объектов необходимо, чтобы этот спектр попадал в небольшой диапазон длин волн (ближний инфракрасный от 750 до 1000 нанометров), иначе излучение будет сильно поглощаться тканями. Кроме того, такой нанодатчик должен быть достаточно прочным и химически стойким, чтобы не разрушаться при долгой работе, простым в изготовлении, а его показания не должны зависеть от магнитных и электрических полей среды. Один из подходящих материалов для медицинской термометрии — алмаз с различными центрами окраски — примесями и дефектами в кристалле, которые люминесцируют.

В поисках оптимального материала физики решили проверить свойства алмаза с никелевыми центрами. Эти кристаллы просты в производстве — получаются в промышленности при создании алмазного порошка с использованием никелевого катализатора. Кроме того, их диапазон люминесценции оптимален для биологических исследований, в отличие от известных NV-центров. Интересно, что алмазы с никелевыми центрами окраски изначально были популярны у ювелиров и только в последние 30 лет привлекли внимание ученых.

В работе ученые исследовали пространственные и временные характеристики спектров люминесценции никелевых центров при различных температурах.

Старший научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ Никита Курочкин комментирует: «Сила люминесцентной термометрии в том, что мы механически никак не воздействуем на объект. Мы помещаем зонд, возбуждаем люминесценцию в нем и регистрируем излучение, измеряя спектральные и временные характеристики. Преимущество алмазов как материалов для термометрии — они достаточно “живучие”, мало подвержены деградации. А никелевые центры достаточно просты в изготовлении, и их спектральная область лежит в биологическом окне прозрачности, поэтому они представляют большой интерес».

При люминесценции — свечении после поглощения излучения, например, от лазера, — электроны переходят из основного в возбужденное состояние, а затем возвращаются обратно, испуская фотоны. Этот процесс по меркам микрофизики занимает длительное время — более десятков наносекунд. С ростом температуры в окружающей среде увеличивается вероятность безызлучательного (без излучения фотона) перехода электрона в основное состояние, что, как правило, приводит к уменьшению времени нахождения электрона в возбужденном состоянии, иными словами — времени жизни этого возбужденного состояния. В то же время электроны активнее взаимодействуют с атомами вещества, что влияет на форму спектра люминесценции, который регистрируют физики.

Ученые исследовали обе характеристики спектра — пространственную (форму и положение пика) и время жизни. В первой части работы микрокристаллы алмаза размерами 4 и 30 микрометров поочередно возбуждали лазером при различной температуре. С ее ростом пики спектров уменьшались и смещались в область более коротких длин волн (сдвиг в синюю область). Кроме того, ученые обнаружили так называемую изоэмиссионную точку, в которой интенсивность свечения конкретного алмаза оставалась постоянной вне зависимости от нагрева. Это положение удобно использовать для калибровки температурных измерений других объектов.

Во второй части физики облучали микрокристаллы в импульсном режиме, чтобы снять временную характеристику излучения. Ученые получили линейную зависимость длительности люминесценции от температуры. Также они измерили чувствительность метода, составившую порядка 1% на градус Цельсия, что сравнимо с другими люминесцентными примесями в кристаллах алмаза. Исследование временной зависимости оказалось важно, потому что, зная лишь ее, можно определить температуру объекта. Достаточно измерить длительность свечения, а не строить спектральные линии.

Никелевые центры в алмазах показали сильную температурную зависимость при люминесценции. Благодаря этому такие микрокристаллы можно применять в термометрии, а их спектральный диапазон свечения оптимален для биологических и медицинских исследований. Физики продемонстрировали, что определять температуру можно не только по форме и положению спектра, но и по длительности люминесценции. Ученые планируют исследовать более мелкие частицы, чтобы с помощью распыления их по поверхности строить температурные карты объектов.

Планами делится Александр Грициенко, младший научный сотрудник лаборатории технологий 3D-печати функциональных микроструктур МФТИ: «Мы впервые провели такие температурные исследования спектров именно никелевых центров. Они продемонстрировали довольно сильный отклик, поэтому их можно считать перспективными для термометрии, в частности, в медицине и биологии. Дальнейшая наша цель — исследовать наноалмазы размерами меньше 500 нанометров, с помощью которых потенциально можно картировать поверхность. Если нанести такие наночастицы на какие-то объекты, можно будет получить не только информацию о температуре в отдельных точках, но и большое изображение — температурную карту, получая информацию о времени люминесценции по всем алмазам».