Los investigadores han desarrollado un nuevo sistema para obtener imágenes de nanopartículas. Consiste en una técnica de imágenes infrarrojas de onda corta de alta precisión capaz de capturar la vida útil de la fotoluminiscencia de nanopartículas dopadas con tierras raras en el rango de micro a milisegundos.
Este descubrimiento, que se titula "Mapeo de vida útil de fotoluminiscencia infrarroja de onda corta de nanopartículas dopadas con tierras raras mediante imágenes de racha totalmente óptica" y se publica en la revista Advanced Science. , allana el camino para aplicaciones prometedoras, particularmente en los campos biomédico y de seguridad de la información.
Los elementos de tierras raras son metales estratégicos que poseen propiedades únicas de emisión de luz que los convierten en herramientas de investigación muy atractivas para la ciencia de vanguardia. Además, la vida útil de la fotoluminiscencia de las nanopartículas dopadas con estos iones tiene la ventaja de verse mínimamente afectada por las condiciones externas. Como resultado, medirlo mediante imágenes proporciona datos de los que se puede derivar información precisa y altamente confiable. Aunque este campo está experimentando avances notables, los sistemas ópticos existentes para este tipo de medición no son ideales.
Los investigadores fueron dirigidos por los profesores Jinyang Liang y Fiorenzo Vetrone del Centro de Investigación Énergie Matériaux Télécommunications del Institut national de la recherche scientifique (INRS).
"Hasta ahora, los sistemas ópticos existentes ofrecían posibilidades limitadas debido a una detección de fotones ineficaz, una velocidad de imagen limitada y una sensibilidad baja", explica Liang, especialista en imágenes ultrarrápidas y biofotónica.
Hasta la fecha, la técnica más común para medir la vida útil de la fotoluminiscencia de nanopartículas dopadas con tierras raras ha implicado contar fotones individuales correlacionados en el tiempo.
"Este método requiere una gran cantidad de excitaciones repetidas en el mismo lugar porque el detector sólo puede procesar una cantidad limitada de fotones para cada excitación", dice el primer autor del estudio, Miao Liu, Ph.D. Estudiante de ciencias de la energía y materiales supervisado por los Profs. Liang y Vetrone.
Sin embargo, la larga vida útil de la fotoluminiscencia de las nanopartículas dopadas con tierras raras en el espectro infrarrojo, desde cientos de microsegundos hasta varios milisegundos, restringe la tasa de repetición de la excitación. Como resultado, el tiempo de permanencia del píxel necesario para construir la curva de caída de la intensidad de la fotoluminiscencia es mucho más largo.
Para superar este desafío, los equipos de Liang y Vetrone han combinado la óptica de rayas con una cámara de alta sensibilidad. El dispositivo resultante se llama SWIR-PLIMASC (SWIR para infrarrojos de onda corta y PLIMASC para microscopía de imágenes de fotoluminiscencia de por vida utilizando una cámara de rayas totalmente óptica). Mejora enormemente el mapeo de las propiedades ópticas de la vida útil de la fotoluminiscencia infrarroja de onda corta. Es el primer sistema de imágenes SWIR de alta sensibilidad y alta velocidad en el campo de la óptica.
"Tiene varias ventajas", afirma Liu. "Por ejemplo, responde a un amplio rango espectral, de 900 nm a 1700 nm, lo que permite detectar fotoluminiscencia en diferentes longitudes de onda y/o bandas espectrales".
El doctorado. El estudiante agrega que con la ayuda de este dispositivo, la duración de la fotoluminiscencia en el espectro infrarrojo, desde microsegundos hasta milisegundos, se puede capturar directamente en una instantánea con una velocidad de imagen 1D que se puede ajustar de 10,3 kHz a 138,9 kHz.
Finalmente, la operación que asigna la información temporal de la fotoluminiscencia a diferentes posiciones espaciales garantiza que todo el proceso de disminución de la intensidad de la fotoluminiscencia 1D pueda registrarse en una sola instantánea, sin excitaciones repetidas. "Ahorras tiempo, pero aun así obtienes una alta sensibilidad", afirma Liu.
El trabajo realizado como parte de esta investigación tendrá un impacto muy tangible. En el campo biomédico, los avances logrados gracias a SWIR-PLIMASC podrían utilizarse para combatir el cáncer, afirma Vetrone, cuya experiencia radica en la nanomedicina.
"Dado que nuestro sistema se aplica a la obtención de imágenes fotoluminiscentes de la vida útil de iones de tierras raras basadas en la temperatura, creemos que los datos obtenidos podrían, por ejemplo, ayudar a detectar células cancerosas incluso antes y con mayor precisión. El metabolismo de esas células eleva la temperatura de los tejidos circundantes", dice Vetrone.
El innovador sistema también se puede utilizar para almacenar información con niveles de seguridad mejorados, más específicamente para evitar que se falsifiquen documentos y datos. Finalmente, en ciencia fundamental, estos resultados sin precedentes permitirán a los científicos sintetizar nanopartículas de tierras raras con propiedades ópticas aún más interesantes.
Más información: Miao Liu et al, Mapeo de la vida útil de fotoluminiscencia infrarroja de onda corta de nanopartículas dopadas con tierras raras mediante imágenes de rayas totalmente ópticas, Ciencia avanzada (2024). DOI:10.1002/adv.202305284
Información de la revista: Ciencia avanzada
Proporcionado por el Institut national de la recherche scientifique—INRS
