Les chercheurs ont développé un nouveau système d’imagerie des nanoparticules. Il s'agit d'une technique d'imagerie infrarouge à ondes courtes de haute précision, capable de capturer les durées de vie de photoluminescence de nanoparticules dopées aux terres rares dans la plage des microsecondes à la milliseconde.
Cette découverte, intitulée "Cartographie de la durée de vie de la photoluminescence infrarouge à ondes courtes de nanoparticules dopées aux terres rares à l'aide de l'imagerie par séquences entièrement optiques" et publiée dans la revue Advanced Science , ouvre la voie à des applications prometteuses, notamment dans les domaines biomédical et de la sécurité de l'information.
Les éléments des terres rares sont des métaux stratégiques qui possèdent des propriétés électroluminescentes uniques qui en font des outils de recherche très attractifs pour la science de pointe. De plus, la durée de vie de photoluminescence des nanoparticules dopées avec ces ions présente l’avantage d’être peu affectée par les conditions extérieures. En conséquence, sa mesure par imagerie fournit des données à partir desquelles des informations précises et hautement fiables peuvent être dérivées. Bien que ce domaine connaisse des progrès remarquables, les systèmes optiques existants pour ce type de mesure sont loin d'être idéaux.
Les chercheurs étaient dirigés par les professeurs Jinyang Liang et Fiorenzo Vetrone du Centre de recherche Énergie Matériaux Télécommunications de l'Institut national de la recherche scientifique (INRS).
"Jusqu'à présent, les systèmes optiques existants offraient des possibilités limitées en raison d'une détection inefficace des photons, d'une vitesse d'imagerie limitée et d'une faible sensibilité", explique Liang, spécialiste de l'imagerie ultrarapide et de la biophotonique.
À ce jour, la technique la plus courante pour mesurer la durée de vie de photoluminescence de nanoparticules dopées aux terres rares consistait à compter les photons uniques corrélés dans le temps.
"Cette méthode nécessite un grand nombre d'excitations répétées au même endroit car le détecteur ne peut traiter qu'un nombre limité de photons pour chaque excitation", explique le premier auteur de l'étude, Miao Liu, titulaire d'un doctorat. étudiant en sciences de l'énergie et des matériaux encadré par les Profs. Liang et Vetrone.
Cependant, les longues durées de vie de photoluminescence des nanoparticules dopées aux terres rares dans le spectre infrarouge, de quelques centaines de microsecondes à plusieurs millisecondes, limitent le taux de répétition de l'excitation. En conséquence, le temps de séjour des pixels nécessaire pour construire la courbe de décroissance de l'intensité de la photoluminescence est beaucoup plus long.
Pour relever ce défi, les équipes de Liang et Vetrone ont combiné une optique à stries avec une caméra haute sensibilité. Le dispositif résultant est appelé SWIR-PLIMASC (SWIR pour infrarouge à ondes courtes et PLIMASC pour la microscopie d'imagerie à vie par photoluminescence utilisant une caméra à traînée entièrement optique). Il améliore considérablement la cartographie des propriétés optiques des durées de vie de photoluminescence infrarouge à ondes courtes. Il s'agit du premier système d'imagerie SWIR haute sensibilité et haute vitesse dans le domaine de l'optique.
"Cela présente plusieurs avantages", explique Liu. "Par exemple, il répond à une large gamme spectrale, de 900 nm à 1 700 nm, permettant de détecter la photoluminescence à différentes longueurs d'onde et/ou bandes spectrales."
Le doctorat. L'étudiant ajoute qu'avec l'aide de cet appareil, les durées de vie de photoluminescence dans le spectre infrarouge, de quelques microsecondes à millisecondes, peuvent être directement capturées en un seul instantané avec une vitesse d'imagerie 1D pouvant être réglée de 10,3 kHz à 138,9 kHz.
Enfin, l’opération qui attribue les informations temporelles de la photoluminescence à différentes positions spatiales garantit que l’ensemble du processus de décroissance de l’intensité de la photoluminescence 1D peut être enregistré en un seul instantané, sans excitation répétée. "Vous gagnez du temps, tout en bénéficiant d'une sensibilité élevée", explique Liu.
Les travaux menés dans le cadre de cette recherche auront un impact très tangible. Dans le domaine biomédical, les avancées rendues possibles par SWIR-PLIMASC pourraient être utilisées pour lutter contre le cancer, estime Vetrone, dont l'expertise réside dans la nanomédecine.
"Comme notre système s'applique à l'imagerie de la durée de vie par photoluminescence des ions de terres rares basée sur la température, nous pensons que les données obtenues pourraient, par exemple, aider à détecter les cellules cancéreuses encore plus tôt et avec plus de précision. Le métabolisme de ces cellules augmente la température de les tissus environnants", explique Vetrone.
Le système innovant peut également être utilisé pour stocker des informations avec des niveaux de sécurité renforcés, notamment pour empêcher la falsification de documents et de données. Enfin, en science fondamentale, ces résultats sans précédent permettront aux scientifiques de synthétiser des nanoparticules de terres rares aux propriétés optiques encore plus intéressantes.
Plus d'informations : Miao Liu et al, Cartographie de la durée de vie de la photoluminescence infrarouge à ondes courtes de nanoparticules dopées aux terres rares à l'aide de l'imagerie par stries entièrement optiques, Science avancée (2024). DOI : 10.1002/advs.202305284
Informations sur le journal : Science avancée
Fourni par l'Institut national de la recherche scientifique—INRS
