纳米粒子激光器的革新可减少对生物组织的损伤

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激光制造网Laser    2020-12-14    75

来自悉尼科技大学(University of Technology Sydney (UTS) )的研究人员为大家展示了如何利用微腔激光来产生节能和使用安全的激光发射所需要的低泵浦功率.这一研究工作将会在纳米尺度的生物学领域得到应用.这一研究成果发表在Nature子刊

作为生物传感和生物影像研究所需要的深入了解生物组织的内部情况直至达到细胞内的水平,小型化的激光装置在面临和解决这类纳米尺度的生物学应用的领域时具有独特的作用.通过控制包含单个的纳米粒子的相互作用来控制发光发射器,可以使得当前的电子来加速到特定的能量水平,研究人员克服了通常的低泵浦功率不足以产生可以产生激光的纳米粒子的限制,Jiajia Zhou说到,他是悉尼科技大学的一位研究人员.

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图解:作为生物传感和生物影像研究所需要的深入了解生物组织的内部情况直至达到细胞内的水平,小型化的激光装置在面临和解决这类纳米尺度的生物学应用的领域具有独特的作用.

这就意味着,Zhou说到,在新的系统中的纳米粒子将会使得激光仍然在比较低的泵浦功率下工作.研究人员展示了在低功率泵浦门槛值的两倍数量级的前提下同典型的可以达到的结果进行了对比.

为了使这一现象能够发生,研究团队从纳米粒子基材的键合表面来形成一个均匀的单层腔体表面.

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图解:CR在促进低门槛值激光的流行的装置模式建立过程中所起到的作用

依据Zhou的研究结果,近红外微腔激光可以潜在的植入到较厚的组织和单个细胞中,此时的环境会显示出温度,pH值和折射率.

监控这些显示值的变化可以告诉我们组织或细胞的健康情况,这些都属于早期疾病的诊断范围,Zhou说到.

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图解:功率变化的时候上转换纳米粒子在可调制掺杂浓度的以及自组装的UCNPs在增益介质在聚苯乙烯微球作为微腔的条件下的发射特征

目前这一发现对人体生物学的应用非常重要, Dayong Jin教授说到,他是UTS生物医学材料和器件研究所的主任:我认为这一发现在实现我们的梦想上迈出了重要的一步,如同幻灯片上的激光笔的应用一样,我们可以在细胞内部植入一个小器件,然后照射细胞内部,从而实现监测.

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图解: 低的门槛值上转换粒子从在聚苯乙烯微球中的一个单层的自组装UCNPs中进行激光发射的特征

降低泵浦功率的需求可以减少当激光穿透样品时对组织的损伤.此外,激光感知的显示结果可以更加精确,这是因为它具有非常窄的光束.目前常用的荧光传感,与此相反,常常由于干涉而产生负面影响.

我们已经展示了单个纳米粒子,这一单个纳米的尺寸小于细胞内室的尺寸,可以像激光一样,在非常低的功率进行工作.但它仍然可以发射出一个比较尖锐的信号.换言之,将其作为"激光笔",,足够的小以至于可以进入到癌症细胞的内部和照射它来停止癌症细胞的工作,Jin说到.

图4 当在微腔中的单层纳米粒子由于散射

图5 单层纳米晶的及该功能发射结果

文章来源:Shang, Y., Zhou, J., Cai, Y. et al. Low threshold lasing emissions from a single upconversion nanocrystal. Nat Commun 11, 6156 (2020).


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