Os pesquisadores desenvolveram um novo sistema para gerar imagens de nanopartículas. Consiste em uma técnica de imagem infravermelha de ondas curtas de alta precisão, capaz de capturar os tempos de vida da fotoluminescência de nanopartículas dopadas com terras raras na faixa de micro a milissegundos.



Esta descoberta, intitulada "Mapeamento vitalício de fotoluminescência infravermelha de ondas curtas de nanopartículas dopadas com terras raras usando imagens totalmente ópticas" e publicada na revista Advanced Science , abre caminho para aplicações promissoras, especialmente nas áreas biomédica e de segurança da informação.

Os elementos de terras raras são metais estratégicos que possuem propriedades únicas de emissão de luz que os tornam ferramentas de pesquisa muito atraentes na ciência de ponta. Além disso, o tempo de vida da fotoluminescência das nanopartículas dopadas com estes íons tem a vantagem de ser minimamente afetado pelas condições externas. Como resultado, medi-lo através de imagens fornece dados a partir dos quais informações precisas e altamente confiáveis ​​podem ser derivadas. Embora este campo esteja observando um progresso notável, os sistemas ópticos existentes para este tipo de medição não são ideais.

Os pesquisadores foram liderados pelos professores Jinyang Liang e Fiorenzo Vetrone, do Centro de Pesquisa Énergie Matériaux Télécommunications do Institut national de la recherche scientifique (INRS).

“Até agora, os sistemas ópticos existentes ofereciam possibilidades limitadas devido à detecção ineficiente de fótons, velocidade de imagem limitada e baixa sensibilidade”, explica Liang, especialista em imagens ultrarrápidas e biofotônica.

Até o momento, a técnica mais comum para medir o tempo de vida da fotoluminescência de nanopartículas dopadas com terras raras envolveu a contagem de fótons únicos correlacionados com o tempo.

“Este método requer um grande número de excitações repetidas no mesmo local porque o detector só pode processar um número limitado de fótons para cada excitação”, diz o primeiro autor do estudo, Miao Liu, Ph.D. estudante em ciências de energia e materiais supervisionado pelos Profs. Liang e Vetrone.

No entanto, os longos tempos de vida da fotoluminescência das nanopartículas dopadas com terras raras no espectro infravermelho, de centenas de microssegundos a vários milissegundos, restringem a taxa de repetição da excitação. Como resultado, o tempo de permanência do pixel necessário para construir a curva de decaimento da intensidade da fotoluminescência é muito maior.

Ultrapassando os limites

Para superar esse desafio, as equipes de Liang e Vetrone combinaram a óptica de faixa com uma câmera de alta sensibilidade. O dispositivo resultante é chamado SWIR-PLIMASC (SWIR para infravermelho de ondas curtas e PLIMASC para microscopia de imagem fotoluminescente vitalícia usando uma câmera totalmente óptica). Melhora enormemente o mapeamento das propriedades ópticas da vida útil da fotoluminescência infravermelha de ondas curtas. É o primeiro sistema de imagem SWIR de alta sensibilidade e alta velocidade no campo óptico.

“Tem várias vantagens”, diz Liu. "Por exemplo, ele responde a uma ampla faixa espectral, de 900 nm a 1700 nm, permitindo que a fotoluminescência seja detectada em diferentes comprimentos de onda e/ou bandas espectrais."

O Ph.D. O aluno acrescenta que, com a ajuda deste dispositivo, os tempos de vida da fotoluminescência no espectro infravermelho, de microssegundos a milissegundos, podem ser capturados diretamente em um instantâneo com uma velocidade de imagem 1D que pode ser ajustada de 10,3 kHz a 138,9 kHz.

Por fim, a operação que aloca a informação temporal da fotoluminescência para diferentes posições espaciais garante que todo o processo de decaimento da intensidade da fotoluminescência 1D possa ser registrado em um único instantâneo, sem excitação repetida. “Você economiza tempo, mas ainda obtém alta sensibilidade”, diz Liu.

Aplicações biomédicas e de segurança

O trabalho realizado no âmbito desta investigação terá um impacto muito tangível. Na área biomédica, os avanços possibilitados pelo SWIR-PLIMASC poderão ser utilizados no combate ao câncer, afirma Vetrone, cuja especialidade está na nanomedicina.

"Como nosso sistema se aplica à imagem de fotoluminescência vitalícia baseada na temperatura de íons de terras raras, acreditamos que os dados obtidos poderiam, por exemplo, ajudar a detectar células cancerígenas ainda mais cedo e com mais precisão. O metabolismo dessas células aumenta a temperatura de os tecidos circundantes", diz Vetrone.

O sistema inovador também pode ser utilizado para armazenar informações com níveis de segurança reforçados, mais especificamente para evitar a falsificação de documentos e dados. Finalmente, na ciência fundamental, estes resultados sem precedentes permitirão aos cientistas sintetizar nanopartículas de terras raras com propriedades ópticas ainda mais interessantes.

Mais informações: Miao Liu et al, Mapeamento vitalício de fotoluminescência infravermelha de ondas curtas de nanopartículas dopadas com terras raras usando imagens de faixas totalmente ópticas, Advanced Science (2024). DOI:10.1002/advs.202305284
Informações do diário: Ciência Avançada

Fornecido pelo Instituto Nacional de Pesquisa Científica - INRS