(a) Diagrama de circuito y (b) Imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) del diseño de conversión optoelectrónica, que incluye un LED rojo InGaP y un fotodiodo de doble unión GaAs con conexión en serie. (c) Diagrama esquemático del dispositivo de conversión ascendente para detección de temperatura. Crédito: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
La detección de temperatura de alta precisión resuelta espacial y temporalmente es crítica y tiene amplias aplicaciones en diversos campos, como la fabricación industrial, la protección ambiental y el monitoreo de la atención médica. Los sensores ópticos ofrecen soluciones atractivas para el control de la temperatura en el diagnóstico biomédico, debido a sus ventajas de detección remota, mínima intrusión, inmunidad a las interferencias electromagnéticas y alta resolución. Estas modalidades de detección óptica pueden basarse en la intensidad luminosa, la longitud de onda, el ancho máximo y/o la vida útil de decaimiento. El mecanismo de conversión ascendente mitiga la autofluorescencia biológica, facilita la penetración en los tejidos y produce señales de luz visible que se visualizan convenientemente y se capturan fácilmente, presentando un método más adecuado para la detección en sistemas biológicos.
En un nuevo artículo publicado en Light Science &Application , un equipo de científicos, dirigido por el Dr. He Ding de la Escuela de Óptica y Fotónica del Instituto de Tecnología de Beijing, el Prof. Xing Sheng del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Tsinghua y sus colaboradores han desarrollado un NIR optoelectrónico a visible dispositivo de conversión ascendente basado en heteroestructuras de semiconductores diseñadas, que exhibe una respuesta lineal, dinámica rápida y baja potencia de excitación. Las características de fotoluminiscencia dependientes de la temperatura del dispositivo optoelectrónico de conversión ascendente se investigan sistemáticamente y se demuestra su capacidad de detección térmica.
La estrategia de detección de temperatura propuesta se basa en un dispositivo optoelectrónico de conversión ascendente completamente integrado que consta de un fotodiodo de doble unión basado en arseniuro de galio (GaAs) de banda prohibida baja y un diodo emisor de luz (LED) basado en fosfuro de indio y galio (InGaP) de banda prohibida grande. conectado en serie. Como se demostró anteriormente, los dispositivos de microescala definidos litográficamente y liberados epitaxialmente (tamaño ~300×300 μm 2 ) realizan una conversión ascendente eficiente de NIR a visible con una respuesta lineal y una dinámica ultrarrápida.
( a ) Espectros de la excitación y la emisión de fotoluminiscencia (PL) convertida ascendentemente a temperaturas variadas (25–90 ºC). (b) Longitud de onda máxima calculada (línea discontinua) y medida (puntos) e intensidad PL de la emisión roja convertida ascendentemente en función de la temperatura, y el rango sombreado representa la desviación estándar medida entre 10 muestras. Crédito: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
Bajo excitación de luz infrarroja cercana en el rango de longitud de onda de 770 a 830 nm, la emisión roja del dispositivo optoelectrónico de conversión ascendente se acompaña de una disminución de la intensidad y un desplazamiento hacia el rojo del pico de emisión de 625 nm a 637 nm con el aumento de la temperatura. Basado en factores sinérgicos atribuidos a las características de los materiales y al diseño de la estructura, una sensibilidad de intensidad-temperatura de ~1,5 % °C -1 y una sensibilidad espectro-temperatura de ~0,18 nm °C -1 se alcanzan.
Con un termómetro óptico optoelectrónico de conversión ascendente tan robusto, los científicos proponen varias aplicaciones:
"A través de una matriz de dispositivos optoelectrónicos de conversión ascendente de área grande, podemos realizar una detección térmica resuelta espacialmente. Por ejemplo, usamos pistolas de aire para generar un flujo de aire caliente que sopla sobre la muestra, perturba y finalmente extingue la emisión de conversión ascendente. De acuerdo con la relación entre la intensidad de las emisiones y la temperatura, podemos obtener la distribución espacial y los cambios de temperatura en tiempo real", dijo He Ding del Instituto de Tecnología de Beijing.
(a) Respuestas PL resueltas espacialmente de una matriz de dispositivos bajo calentamiento no uniforme (izquierda) y el mapeo de temperatura correspondiente (derecha). (b) Izquierda:Fotografía de la detección de la temperatura de exhalación con el sensor de fibra. Derecha:Señales dinámicas de temperatura durante actividades de exhalación cíclica obtenidas por el sensor de fibra en función de los cambios de longitud de onda del pico de emisión y los cambios de intensidad de PL, en comparación con los resultados registrados simultáneamente por el termopar. Las regiones grises representan acciones de exhalación. (c) Izquierda:Fotografía del comportamiento de un ratón con un sensor de fibra y un termopar implantado en el cerebro para detectar la temperatura. Derecha:señales de temperatura dinámicas obtenidas en el cerebro del ratón por el sensor de fibra en función de los cambios de longitud de onda del pico de emisión y los cambios de intensidad de PL, en comparación con los resultados registrados simultáneamente por el termopar. La región sombreada en gris representa el período de tiempo en el que el ratón se coloca en un ambiente cálido a alrededor de 40 ºC. Crédito: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
"El dispositivo de conversión ascendente puede liberarse del sustrato cultivado e integrarse aún más con la fibra óptica para formar sensores térmicos guiados por luz. Complementariamente con los sensores eléctricos conectados, esta técnica basada en la óptica es más adecuada para su uso en entornos con fuertes interferencias electromagnéticas, y en particular, capaz de obtener señales durante la formación de imágenes por resonancia magnética (MRI).Este sistema portátil acoplado a fibra se puede aplicar convenientemente para aplicaciones biomédicas, por ejemplo, monitorear el comportamiento de exhalación cerca de la boca del tejido humano y profundo con la implantación en el cerebro del ratón, como una demostración de prueba de concepto", dijo Xing Sheng de la Universidad de Tsinghua.
"Los sensores implantables compatibles con MRI combinados con fibra óptica ofrecen importancia clínica y de investigación, con un potencial para el control de temperatura localizado en la parte profunda del cuerpo. Estos materiales y conceptos de dispositivos establecen un conjunto de herramientas poderosas con amplias aplicaciones en el medio ambiente y la atención médica. Xing Sheng concluyó. Estrategia antitumoral precisa lograda a través de nanopartículas dopadas con lantánidos fotoconmutables
