I ricercatori hanno sviluppato un nuovo sistema per l'imaging delle nanoparticelle. Consiste in una tecnica di imaging a infrarossi a onde corte ad alta precisione in grado di catturare la durata della fotoluminescenza delle nanoparticelle drogate con terre rare nell'intervallo dai micro ai millisecondi.
Questa scoperta, intitolata "Mappatura a vita di fotoluminescenza a infrarossi a onde corte di nanoparticelle drogate di terre rare utilizzando All-Optical Streak Imaging" ed è stata pubblicata sulla rivista Advanced Science , apre la strada ad applicazioni promettenti, in particolare nei settori biomedico e della sicurezza informatica.
Gli elementi delle terre rare sono metalli strategici che possiedono proprietà uniche di emissione di luce che li rendono strumenti di ricerca molto interessanti nella scienza all’avanguardia. Inoltre, la durata della fotoluminescenza delle nanoparticelle drogate con questi ioni ha il vantaggio di essere minimamente influenzata dalle condizioni esterne. Di conseguenza, misurarlo attraverso l’imaging fornisce dati da cui è possibile ricavare informazioni accurate e altamente affidabili. Sebbene questo campo stia registrando notevoli progressi, i sistemi ottici esistenti per questo tipo di misurazione sono tutt'altro che ideali.
I ricercatori sono stati guidati dai professori Jinyang Liang e Fiorenzo Vetrone del Centro di ricerca Énergie Matériaux Télécommunications presso l'Institut national de la recherche scientifique (INRS).
"Fino ad ora, i sistemi ottici esistenti hanno offerto possibilità limitate a causa del rilevamento inefficiente dei fotoni, della velocità di imaging limitata e della bassa sensibilità", spiega Liang, specialista in imaging ultraveloce e biofotonica.
Ad oggi, la tecnica più comune per misurare la durata della fotoluminescenza delle nanoparticelle drogate con terre rare ha comportato il conteggio di singoli fotoni correlati nel tempo.
"Questo metodo richiede un gran numero di eccitazioni ripetute nella stessa posizione perché il rilevatore può elaborare solo un numero limitato di fotoni per ciascuna eccitazione", afferma il primo autore dello studio Miao Liu, Ph.D. studente in Scienze dell'energia e dei materiali sotto la supervisione dei Proff. Liang e Vetrone.
Tuttavia, la lunga durata della fotoluminescenza delle nanoparticelle drogate con terre rare nello spettro infrarosso, da centinaia di microsecondi a diversi millisecondi, limita la velocità di ripetizione dell'eccitazione. Di conseguenza, il tempo di permanenza dei pixel necessario per costruire la curva di decadimento dell'intensità della fotoluminescenza è molto più lungo.
Per superare questa sfida, i team di Liang e Vetrone hanno combinato l'ottica a strisce con una fotocamera ad alta sensibilità. Il dispositivo risultante è chiamato SWIR-PLIMASC (SWIR per infrarossi a onde corte e PLIMASC per microscopia con imaging a fotoluminescenza che utilizza una streak camera completamente ottica). Migliora notevolmente la mappatura delle proprietà ottiche della durata della fotoluminescenza infrarossa a onde corte. È il primo sistema di imaging SWIR ad alta sensibilità e alta velocità nel campo dell'ottica.
"Ha diversi vantaggi", afferma Liu. "Ad esempio, risponde a un'ampia gamma spettrale, da 900 nm a 1700 nm, consentendo di rilevare la fotoluminescenza a diverse lunghezze d'onda e/o bande spettrali."
Il dottorato Lo studente aggiunge che con l'aiuto di questo dispositivo, la durata della fotoluminescenza nello spettro infrarosso, da microsecondi a millisecondi, può essere catturata direttamente in un'istantanea con una velocità di imaging 1D che può essere regolata da 10,3 kHz a 138,9 kHz.
Infine, l'operazione che assegna l'informazione temporale della fotoluminescenza a diverse posizioni spaziali garantisce che l'intero processo di decadimento dell'intensità della fotoluminescenza 1D possa essere registrato in un'unica istantanea, senza ripetute eccitazioni. "Risparmi tempo, ma ottieni comunque un'elevata sensibilità", afferma Liu.
Il lavoro svolto nell’ambito di questa ricerca avrà un impatto molto tangibile. Nel campo biomedico, i progressi resi possibili da SWIR-PLIMASC potrebbero essere utilizzati per combattere il cancro, afferma Vetrone, la cui esperienza risiede nella nanomedicina.
"Poiché il nostro sistema si applica all'imaging della durata della fotoluminescenza basata sulla temperatura degli ioni delle terre rare, riteniamo che i dati ottenuti potrebbero, ad esempio, aiutare a rilevare le cellule tumorali anche prima e in modo più accurato. Il metabolismo di quelle cellule aumenta la temperatura di i tessuti circostanti", afferma Vetrone.
L'innovativo sistema può essere utilizzato anche per archiviare informazioni a livelli di sicurezza elevati, più specificamente per impedire la falsificazione di documenti e dati. Infine, nella scienza fondamentale, questi risultati senza precedenti consentiranno agli scienziati di sintetizzare nanoparticelle di terre rare con proprietà ottiche ancora più interessanti.
Ulteriori informazioni: Miao Liu et al, Mappatura della durata della fotoluminescenza a infrarossi a onde corte di nanoparticelle drogate con terre rare utilizzando l'imaging di striature completamente ottiche, Scienza avanzata (2024). DOI:10.1002/advs.202305284
Informazioni sul giornale: Scienza avanzata
Fornito dall'Institut national de la recherche scientifique—INRS
