Ученые получили молекулярный термометр с рекордной точностью

Ученые разработали светящиеся материалы, которые позволяют измерять температуру очень маленьких объектов, например отдельных клеток или микросхем, без контакта с ними. Новые соединения металлов европия и тербия работают в широком диапазоне от -196°C до 126°C, благодаря чему их можно использовать в медицине для измерения температуры в клетках, а также в микроэлектронике для выявления перегрева микросхем. При этом одна из молекул оказалась рекордной с точки зрения чувствительности к температуре и стабильности работы, превзойдя существующие материалы-аналоги. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Materials Chemistry C.

Измерить температуру живых клеток — например, при диагностике опухолей, — элементов микросхем при отслеживании их перегрева, а также других очень мелких объектов с помощью классических термометров невозможно. Помочь в таких случаях может люминесцентная термометрия — метод оценивания температуры по тому, как меняется свечение материалов, из которых состоит термометр. Для создания подобных устройств используют соединения с ионами редкоземельных металлов — например, трехвалентных европия, иттербия и тербия, — которые под действием ультрафиолета ярко светят различными цветами. При малейших изменениях температуры (около долей градуса) свечение таких материалов меняется, благодаря чему их и возможно использовать для измерений.

Ученые уже получили ряд подобных соединений и выяснили, что от органического компонента (лиганда) и используемого металла зависит яркость и спектр свечения, а потому, меняя их, можно тонко настраивать свойства будущих датчиков.

Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва), Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Москва) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) синтезировали два новых комплекса, в каждый из которых вошли ионы европия и тербия. Эти металлы связали с органическими группами в виде нескольких углеродных колец. При этом комплексы состояли из одних и тех же атомов, но немного отличались их взаимным расположением.

Чтобы исследовать свойства материалов, ученые охладили их до температуры жидкого азота (-196°C) и облучили ультрафиолетом. В таких условиях оба соединения испускали зеленое свечение, за которое отвечает тербий. При нагревании (до комнатной температуры, а затем до 126°C) энергия от иона тербия переходила к иону европия, и свечение становилось красным. При этом интенсивность как зеленого, так и красного света напрямую зависела от температуры, что позволяет использовать новые материалы в качестве термометров.

При сравнении материалов оказалось, что, если изменить положение в молекуле даже одного атома, диапазон температур, при которых работает материал, значительно смещается, а температурная чувствительность возрастает на 40%. При этом меняется и природа процессов, ответственных за перенос энергии. Это связано с тем, что укладка молекулы влияет на то, как атомы металлов взаимодействуют с окружающими их органическими фрагментами. От этого, в свою очередь, зависит перенос энергии в молекуле и характеристики свечения при разных температурах.

«Чтобы объективно сравнить полученные комплексы с существующими аналогами, мы предложили использовать новый универсальный показатель — Sensitivity−Range Integral (SRI, интегральная чувствительность). Он учитывает не только максимальную чувствительность материала, но и то, насколько стабильно она сохраняется во всем рабочем диапазоне температур. Таким способом можно сравнивать люминесцентные сенсоры разных классов и легко сопоставлять возможности применения того или иного термометра в реальных задачах. Расчеты показали, что для новых материалов значения SRI составили 970% и 734%. Мы обнаружили, что по предложенному параметру наш материал с более высоким показателем (970%) оказался лучше других существующих молекулярных термометров», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Тайдаков, доктор химических наук, заведующий лабораторией «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» отделения оптики ФИАН.