研究人员开发了一种用于纳米颗粒成像的新系统。它由一种高精度的短波红外成像技术组成，能够捕获稀土掺杂纳米颗粒在微秒到毫秒范围内的光致发光寿命。
这一发现题为“Short-wave Infrared Photoluminescence Lifetime Mapping of Rare-Earth Doped Nanoparticles Using All-Optical Streak Imaging”，发布在《Advanced Science》杂志上，为有前途的应用铺平了道路，特别是在生物医学和信息安全领域。
稀土元素是一种战略金属，具有独特的发光特性，使其成为尖端科学中极具吸引力的研究工具。此外，掺杂这些离子的纳米粒子的光致发光寿命具有受外界条件影响最小的优点。因此，通过成像进行测量可提供数据，从中可以得出准确且高度可靠的信息。尽管该领域取得了显著进展，但用于此类测量的现有光学系统并不理想。
研究人员由来自国家科学研究所能源材料电信研究中心的Jinyang Liang教授和Fiorenzo Vetrone教授领导。
“到目前为止，由于光子检测效率低下、成像速度有限和灵敏度低，现有的光学系统提供的可能性有限，”超快成像和生物光子学专家 Liang 解释道。
迄今为止，测量稀土掺杂纳米粒子光致发光寿命的最常见技术涉及计数时间相关的单光子。
“这种方法需要在同一位置进行大量重复激发，因为探测器每次激发只能处理有限数量的光子，”该研究的第一作者、能源与材料科学博士生刘淼说。Liang 和 Vetrone。
然而，稀土掺杂纳米颗粒在红外光谱中的长光致发光寿命限制了激发的重复频率。因此，构建光致发光强度衰减曲线所需的像素驻留时间要长得多。
为了克服这一挑战，Liang 和 Vetrone 的团队将条纹光学器件与高灵敏度相机相结合。由此产生的设备称为 SWIR-PLIMASC。它极大地改善了短波红外光致发光寿命的光学特性。它是光学领域首创的高灵敏度、高速SWIR成像系统。
“它有几个优点，”刘说。“例如，它响应从900 nm到1700 nm的宽光谱范围，允许在不同的波长和/或光谱波段下检测光致发光。
这位博士生补充说，借助该设备，可以在一张快照中直接捕获红外光谱中的光致发光寿命，从微秒到毫秒，其一维成像速度可以从10.3 kHz调整到138.9 kHz。
最后，将光致发光的时间信息分配到不同的空间位置的操作，保证了一维光致发光强度衰减的整个过程可以记录在单个快照中，无需重复激发。“这样可以节省时间，但仍然能获得高灵敏度，”刘说。
作为这项研究的一部分，所开展的工作将产生非常切实的影响。在生物医学领域，SWIR-PLIMASC所取得的进步可用于对抗癌症，Vetrone说，他的专长在于纳米医学。
“由于我们的系统应用于稀土离子的基于温度的光致发光寿命成像，我们相信获得的数据可以帮助更早、更准确地检测癌细胞。这些细胞的新陈代谢提高了周围组织的温度，“Vetrone说。
该创新系统还可用于以增强的安全级别存储信息，更具体地说，以防止文档和数据被伪造。最后，在基础科学中，这些前所未有的结果将使科学家能够合成具有更有趣的光学特性的稀土纳米粒子。
