更快、更高效的纳米粒子成像系统

研究人员开发了一种新的纳米粒子成像系统。该系统由一种高精度、短波红外成像技术组成，能够捕捉微毫秒范围内稀土掺杂纳米粒子的光致发光寿命。

这一发现以“使用全光学条纹成像的稀土掺杂纳米颗粒的短波红外光致发光寿命测绘”为标题，发表在《先进科学》杂志上，为有前景的应用铺平了道路，特别是在生物医学和信息安全领域。

稀土元素是具有独特发光特性的战略金属，使其成为尖端科学中非常有吸引力的研究工具。此外，掺杂这些离子的纳米粒子的光致发光寿命具有受外部条件影响最小的优点。因此，通过成像测量可以提供准确和高度可靠的信息。虽然该领域取得了显著进展，但用于这种测量的现有光学系统并不理想。

研究人员由法国国家科学研究院 (INRS) 能源材料与电信研究中心的Jin Yang Liang和Fiorenzo Vetron 教授领导。

超快成像和生物光子学专家Jinyang Liang解释道：“到目前为止，由于光子检测效率低、成像速度有限和灵敏度低，现有的光学系统提供了有限的可能性”。

迄今为止，测量稀土掺杂纳米颗粒的光致发光寿命的最常用技术涉及计算时间相关的单光子。

该研究的第一作者Miao Liu说：“这种方法需要在同一位置进行大量重复的激发，因为探测器每次只能处理有限数量的光子”，他是一名能源和材料科学专业的博士生，由梁教授和维特罗尼教授指导。

然而，稀土掺杂纳米粒子在红外光谱中的长光致发光寿命(从数百微秒到数毫秒)限制了激发的重复率。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。

挑战极限

为了克服这一挑战，Liang 和 Vetrone的团队将条纹光学与高灵敏度相机相结合。由此产生的设备称为SWIR-PLIMASC(SWIR为短波红外，PLIMASC为使用全光条纹相机的光致发光寿命成像显微镜)。它极大地改善了短波红外光致发光寿命的光学特性测绘。它是光学领域第一个高灵敏度、高速的SWIR成像系统。

Liu表示：“它有几个优点。例如，它对从900纳米到1700纳米的宽光谱范围有反应，允许在不同波长和/或光谱带检测光致发光。”

这位博士生补充说，借助这种设备，红外光谱中的光致发光寿命，从微秒到毫秒，可以直接在一幅快照中捕获，其1D成像速度可以从10.3 kHz调谐到138.9 kHz。

最后，将光致发光的时间信息分配到不同空间位置的操作确保了可以在一次快照中记录1D光致发光强度衰减的整个过程，而不需要重复激发。Liu说：“这节省了时间，但仍然具有高灵敏度。”

生物医学和安全应用

作为这项研究的一部分所开展的工作将产生非常实际的影响。Vetrone说，在生物医学领域，SWIR-PLIMASC所取得的进展可以用于对抗癌症，他的专业知识在于纳米医学。

Vetrone说：“由于我们的系统适用于稀土离子基于温度的光致发光寿命成像，我们相信，例如，所获得的数据有助于更早、更准确地检测癌细胞。这些细胞的代谢会提高周围组织的温度。”。

该创新系统还可以用于以更高的安全级别存储信息，更具体地说，是防止文件和数据被伪造。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性质的稀土纳米粒子。

审核编辑 黄宇