Международная команда ученых синтезировала новые люминесцентные наночастицы. Они позволят измерять температуру в диапазоне от 50 до 600 °C бесконтактным способом. Разработка будет полезна в медицине и промышленности. Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.
Многие задачи (прикладные или же научные) зачастую требуют точного измерения температуры. Однако в большинстве случаев обычные термометры просто не смогут помочь. Например, существует фототермическая терапия, при которой важно контролировать температуру здоровых тканей вокруг нужного участка. Инфракрасные устройства не могут «пробиться» вглубь, а обычные термометры здесь и вовсе бесполезны. Встает вопрос — что делать в таких ситуациях?
«Для решения таких задач очень привлекательны бесконтактные люминесцентные методы. Их суть заключается в том, чтобы ввести в изучаемые системы вещества, которые начинают светиться в ответ на облучение, при этом характеристики свечения зависят от температуры. Подход не нов, однако в медицине и биологии мы сталкиваемся с тем, что живые ткани "прозрачны" для излучения лишь в довольно узком диапазоне длин волн — 700–1000 нанометров. Если в это окно прозрачности не попадет возбуждающий луч, то молекулярный термометр не сможет активироваться, а если в нем не окажется испускаемый свет, то мы просто не увидим обратный сигнал», — рассказывает Илья Колесников, руководитель исследования.
Российские и финские ученые объединили усилия, чтобы синтезировать наночастицы для бесконтактной люминесцентной термометрии. В качестве исходных веществ выступили оксиды ванадия и лантаноидов — лютеция, неодима и иттербия. Ионы последних двух послужили основой для чувствительного к температуре компонента. Вместе они представляют собой весьма необычные люминофоры: в сравнении с возбуждающим светом испускаемый всегда обладает меньшей энергией — это происходит из-за потерь. Следовательно, он обладает большей длиной волны. Однако после возбуждения светом с длиной волны 980 нанометров иттербий передает неодиму энергию, которая получается за счет колебаний кристаллической решетки, а тот испускает излучение в диапазоне 700–950 нанометров. В результате весь свет остается в окне прозрачности.
Чем выше температура системы, тем чаще происходит перенос энергии с иттербия на неодим. Из-за этого в качестве температурно-чувствительного параметра можно применять соотношение интенсивностей люминесцентных полос ионов неодима. Их свечение и является результатом передачи подобной энергии — чтобы доказать это, команда ученых провела соответствующие эксперименты. Авторы регистрировали люминесценцию наночастиц, нагревая их от 50 до 600 °C. Анализ получившихся спектров позволил выяснить, что соотношение интенсивности полос неодима изменяется в зависимости от температуры по закону Больцмана. При измерении спектра люминесценции частиц в любой системе можно определить ее температуру с субмикронным пространственным и субградусным тепловым разрешением.
Новая разработка достаточно проста и недорога, при этом будет полезна во многих задачах и процессах. Она обладает уникальными свойствами и широким температурным диапазоном, что позволяет использовать полученные наночастицы в промышленных сферах. Результаты проведенной работы помогут в создании нового класса наносистем, применяемых для бесконтактной термометрии.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
