(a) Schema elettrico e (b) Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) del progetto di upconversion optoelettronico, incluso un LED rosso InGaP e un fotodiodo a doppia giunzione GaAs con connessione seriale. (c) Diagramma schematico del dispositivo di upconversion per il rilevamento della temperatura. Crediti:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng
Il rilevamento della temperatura ad alta precisione risolta spazialmente e temporalmente è fondamentale e ha ampie applicazioni in diversi campi, come la produzione industriale, la protezione ambientale e il monitoraggio sanitario. I sensori ottici offrono soluzioni interessanti per il monitoraggio della temperatura nella diagnostica biomedica, grazie ai vantaggi di rilevamento remoto, intrusione minima, immunità alle interferenze elettromagnetiche e alta risoluzione. Queste modalità di rilevamento ottico possono essere basate su intensità luminosa, lunghezza d'onda, larghezza del picco e/o durata del decadimento. Il meccanismo di upconversion mitiga l'autofluorescenza biologica, facilita la penetrazione nei tessuti e produce segnali luminosi visibili comodamente visualizzati e facilmente catturabili, presentando un metodo più adatto per il rilevamento nei sistemi biologici
In un nuovo articolo pubblicato su Light Science &Application , un team di scienziati, guidato dal Dr. He Ding della School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, dal Prof. Xing Sheng dal Dipartimento di Ingegneria Elettronica, Tsinghua University, e colleghi hanno sviluppato un NIR optoelettronico-visibile dispositivo di upconversion basato su eterostrutture di semiconduttori progettate, che esibisce una risposta lineare, dinamica veloce e bassa potenza di eccitazione. Le caratteristiche di fotoluminescenza dipendenti dalla temperatura del dispositivo di upconversion optoelettronico vengono studiate sistematicamente e viene dimostrata la sua capacità di rilevamento termico.
La strategia di rilevamento della temperatura proposta si basa su un dispositivo optoelettronico di upconversion completamente integrato costituito da un fotodiodo a doppia giunzione a base di arseniuro di gallio (GaAs) a bassa banda proibita e un diodo a emissione di luce (LED) a base di fosfuro di indio gallio (InGaP) a banda larga collegati in serie. Come dimostrato in precedenza, i dispositivi in microscala litograficamente definiti e rilasciati epitassialmente (dimensioni ~300×300 μm 2 ) realizzare un'efficiente upconversion da NIR a visibile con una risposta lineare e una dinamica ultraveloce.
(a) Spettri dell'eccitazione e dell'emissione di fotoluminescenza (PL) upconverted a varie temperature (25–90 ºC). (b) Lunghezza d'onda di picco calcolata (linea tratteggiata) e misurata (punti) e intensità PL dell'emissione rossa convertita in funzione della temperatura e l'intervallo ombreggiato rappresenta la deviazione standard misurata tra 10 campioni. Crediti:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng
Sotto l'eccitazione della luce nel vicino infrarosso nell'intervallo di lunghezze d'onda di 770–830 nm, l'emissione rossa del dispositivo di upconversion optoelettronico è accompagnata da un'intensità ridotta e da uno spostamento verso il rosso del picco di emissione da 625 nm a 637 nm con l'aumento della temperatura. Sulla base di fattori sinergici attribuiti alle caratteristiche dei materiali e al design della struttura, una sensibilità intensità-temperatura di ~1,5% °C -1 e una sensibilità alla temperatura dello spettro di ~0,18 nm °C -1 sono raggiunti.
Con un termometro ottico optoelettronico così robusto, gli scienziati propongono diverse applicazioni:
"Attraverso una vasta area di dispositivi di upconversion optoelettronici, possiamo eseguire il rilevamento termico risolto nello spazio. Ad esempio, utilizziamo pistole ad aria compressa per generare un flusso d'aria calda che soffia sul campione, disturba e alla fine estingue l'emissione di upconversion. Secondo dal rapporto tra intensità di emissione e temperatura, possiamo ottenere la distribuzione spaziale e le variazioni di temperatura in tempo reale", ha affermato He Ding al Beijing Institute of Technology.
(a) Risposte PL risolte spazialmente di un array di dispositivi sotto riscaldamento non uniforme (a sinistra) e la corrispondente mappatura della temperatura (a destra). (b) A sinistra:fotografia del rilevamento della temperatura di espirazione con il sensore a fibra. A destra:segnali dinamici della temperatura durante le attività di espirazione ciclica ottenuti dal sensore a fibra in base agli spostamenti della lunghezza d'onda del picco di emissione e alle variazioni dell'intensità del PL, confrontati con i risultati registrati simultaneamente dalla termocoppia. Le regioni grigie rappresentano azioni di espirazione. (c) A sinistra:fotografia di un topo che si comporta con un sensore a fibra e una termocoppia impiantata nel cervello per il rilevamento della temperatura. A destra:segnali di temperatura dinamici ottenuti nel cervello del topo dal sensore a fibra in base agli spostamenti della lunghezza d'onda del picco di emissione e alle variazioni dell'intensità del PL, confrontati con i risultati registrati simultaneamente dalla termocoppia. La regione grigia ombreggiata rappresenta il periodo di tempo in cui il mouse viene posizionato in un ambiente caldo a circa 40 ºC. Crediti:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng
"Il dispositivo di upconversion può essere rilasciato dal substrato cresciuto e ulteriormente integrato con fibre ottiche per formare sensori termici guidati dalla luce. Complementare ai sensori elettrici collegati, tale tecnica basata sull'ottica è più adatta per l'uso in ambienti con forti interferenze elettromagnetiche e in particolare, in grado di ottenere segnali durante la risonanza magnetica (MRI).Un tale sistema portatile accoppiato in fibra può essere convenientemente applicato per applicazioni biomediche, ad esempio, monitoraggio del comportamento di espirazione in prossimità della bocca di tessuti umani e profondi con l'impianto nel cervello del topo, come dimostrazione di prova del concetto", ha affermato Xing Sheng della Tsinghua University.
"I sensori impiantabili compatibili con la risonanza magnetica combinati con la fibra ottica offrono sia ricerca che significato clinico, con un potenziale per il monitoraggio della temperatura localizzato nel corpo profondo. Questi materiali e concetti di dispositivo costituiscono un set di strumenti elettrici con vaste applicazioni nell'ambiente e nella sanità, "Xing Sheng ha concluso. + Esplora ulteriormente
