Наноразмерные оптические температурные сенсоры, позволяющие контролировать температуру в локальной области человеческого организма, создали ученые научно-исследовательской лаборатории «Гибридные оптические сенсоры» Института физики Казанского федерального университета. Лабораторию открыли в 2022 году в рамках федерального проекта «Развитие человеческого капитала в интересах регионов, отраслей и сектора исследований и разработок» национального проекта «Наука и университеты» по направлению «Новая медицина» при поддержке Минобрнауки России.
«Обычно такие идеи не рождаются внезапно, а являются неким следствием работы целой научной группы, – рассказал нам кандидат физико-математических наук Максим Пудовкин, руководитель молодёжной лаборатории гибридных оптических сенсоров.– Изначально мы часто исследуем спектральные свойства наших образцов (кристаллов и наночастиц фторидов лантаноидов) при низких температурах (10 К и выше). Это позволяет, если говорить максимально просто, гораздо чётче наблюдать определённые физические свойства материала, которые не проявляются при более высоких температурах. Так мы обратили внимание, что спектр люминесценции (его форма) наночастицы Pr3+:LaF3 сильно зависит от температуры. Изучив научную литературу, мы поняли, что на таком принципе в мире уже конструируются сенсоры. Так, коллегиально зародилась идея создание оптических температурных сенсоров на базе различных материалов».
В основе наноразмерных люминофоров (сенсоров) лежат наночастицы ионов неодима (Nd3+), иттербия (Yb3+) и фторида азота (YF3), сигнал люминесценции которых зависит от температуры организма. Технология может быть применена для визуализации температурных полей интегральных схем с целью проверки их стабильности, гипертермии раковых опухолей. Точный температурный контроль в локальной области организма с характерными линейными размерами сейчас является одной из актуальных задач.
Во время гипетермии раковых опухолей происходит нагрев опухоли лазерным излучением, во время которого необходимо следить за тем, чтобы температура области не превышала допустимых значений, так как это может оказать сильное угнетающее действие на здоровые ткани. В то же время неэффективный нагрев не будет производить должного терапевтического действия, следовательно есть необходимость точного контроля температуры разогреваемого объекта. Традиционные методы измерения температуры в данной ситуации неэффективны, поэтому возможным решением проблемы могут стать наноразмерные сенсоры. Если эти сенсоры ввести в исследуемую область, то, анализируя сигнал люминесценции, можно получить информацию о температуре.
Кроме того, знания о том, как меняются спектральные характеристики материала в зависимости от температуры могут быть полезными при проектировании различных устройств: лазеров, покрытий для солнечных батарей, синциляторов с целью оптимизации их работы.
Учёные первыми в мире, используя спектроскопические методы, смогли доказать, что температурное расширение YF3 влияет на температурную чувствительность сигнала люминесценции наночастиц Nd3+, Yb3+ и YF3. На основании полученных данных были определены оптимальные концентрации ионов-активаторов и созданы сенсоры, обладающие конкурентными преимуществами.
«Сейчас работы ведутся по двум направлениям, первое – это поиск и проектирование новых материалов с повышенными характеристиками, а именно чувствительностью спектральных свойств к температуре. Второе, разработка технологии визуализации температурных полей, что является более сложной задачей, так как здесь требуются новые компетенции и знания», – рассказал Максим Пудовкин.
Фото: Алиса Черкасова
ГОР