Редкоземельные нанолюминофоры помогут бесконтактно измерять температуру

Люминесцентные наночастицы, содержащие редкоземельные ионы, с помощью которых можно бесконтактно и с высокой точностью измерять температуру в диапазоне от 50 до 600 °C, разработали вместе с финскими коллегами ученые из Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого, 10 февраля сообщает научно-информационный портал «Поиск».

Физической основой такой термометрии является изменение интенсивности свечения ионов неодима при изменении температуры. Так как свет, возбуждающий их и испускаемый ими, может беспрепятственно проходить в биологических тканях, разработка ученых будет востребованной для проведения фототермической терапии. Но возможных сфер ее применения гораздо больше.

Точное измерение температуры нужно при решении множества прикладных и научных задач, но даже бесконтактные термометры не всегда могут удовлетворить такую потребность.

Так, например, в процессе бесконтактной фототермической терапии опухолей (по сути, их выжигании) необходимо контролировать нагрев здоровых тканей. Однако невозможно поместить внутрь термометр, как и определить температуру с помощью инфракрасных устройств. Вот для таких задач и подходят бесконтактные люминесцентные методы

Руководитель проекта, поддержанного РНФ, кандидат физико-математических наук, специалист Научного парка Санкт-Петербургского государственного университета Илья Колесников пояснил суть методов:

«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».

Разработанный петербургскими учеными метод синтеза таких люминесцентных наночастиц, излучение которых соответствуют этому диапазону, не требует дорогих реагентов и сложного оборудования: в качестве исходных веществ используются оксиды ванадия и лантаноидов — лютеция, неодима и иттербия. Именно ионы неодима и иттербия служат основой термочувствительного компонента.

Согласно законам физики, испускаемый после облучения люминофора свет из-за потерь всегда обладает меньшей энергией, чем облучающий и, соответственно, большей длиной волны.

Однако, когда ионы неодима и иттербия «работают» в паре, иттербий после возбуждения светом с длиной волны 980 нм передает неодиму энергию колебаний кристаллической решетки, и тот испускает свет в диапазоне 700–950 нм. Таким образом, весь важный для термометрии свет находится в биологическом окне прозрачности.

При этом интенсивность свечения неодима в таком процессе зависит от температуры системы, позволяя определить ее с субмикронным пространственным и субградусным тепловым разрешением.

Илья Колесников подчеркнул, что с учетом экономичности предложенного метода получения люминофоров и их уникальных свойств они могут найти широкое применение «в качестве люминесцентных термометров в большом количестве прикладных задач — в микроэлектронике, микрофлюидике, катализе и контролируемой фототермической терапии».