В научно-исследовательской лаборатории «Гибридные оптические сенсоры» Института физики Казанского федерального университета создали наноразмерные оптические температурные сенсоры, позволяющие осуществлять точный температурный контроль в локальной области организма человека.

Эта молодежная лаборатория – одна из шести открытых в КФУ 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».  

О том, что представляют собой сенсоры, и где они могут быть использованы, рассказал руководитель лаборатории Максим Пудовкин.

«Сейчас одной из актуальных задач является точный температурный контроль в локальной области организма с характерными линейными размерами в несколько микрометров, к примеру, в клетке. Это необходимо, в частности, для гипертермии раковых опухолей. Во время данной процедуры происходит нагрев опухоли лазерным излучением. При этом температура внутри опухоли не должна превышать 40–42 градуса Цельсия, так как перегрев может оказать сильное угнетающее действие на здоровые ткани. В то же время неэффективный нагрев не будет производить должного терапевтического действия. Таким образом, необходимо строго контролировать температуру внутри разогреваемого объекта. Это довольно сложно. А поскольку делать это нужно бесконтактно, то традиционные методы измерения температуры в данной ситуации неэффективны», – рассказал М. Пудовкин.

Одним из возможных решений проблемы является использование особых наноразмерных люминофоров (сенсоров), сигнал люминесценции которых зависит от температуры.  

«Если эти сенсоры ввести в исследуемую область, то, анализируя сигнал люминесценции, можно получить информацию о температуре. Для подобных применений, особенно для гипертермии, очень важно, чтобы оптическое детектирование проводилось в так называемом окне прозрачности биологических тканей. Также актуально повышение температурной чувствительности параметров люминесценции люминофоров для более точного детектирования температуры», – сообщил он.

Молодой ученый пояснил, что означает термин «биологическое окно».

«Биологические ткани живых существ практически не пропускают ультрафиолетовый и видимый свет (глубина проникновения не более 2 миллиметров), однако красное и инфракрасное излучение способно проникать в кожу на глубину от 1 до 5 сантиметров. Эти типы излучений лежат в диапазоне 700–1300 нанометров. Этот диапазон и называют "биологическим окном". В данном "окне" функционируют ряд оптических, терапевтических и диагностических систем», – проинформировал он.

Для повышения эффективности разрабатываемых сенсоров необходимо тщательно изучить физические основы их функционирования, уверен молодой физик.

«Согласно нашим предыдущим исследованиям, сенсоры на основе наночастиц Nd3+/Yb3+:YF3 показали высокие характеристики, однако механизм температурной чувствительности остается не вполне ясным, – рассказывает Максим Пудовкин. – Соединение YF3 здесь является оптически инертной матрицей, в которую как бы помещаются ионы-активаторы Nd3+ и Yb3+.  Ион неодима Nd3+ способен поглощать лазерное излучение на длине волны 790 нанометров и переизлучать его в виде сигнала люминесценции, а также передавать полученную от лазерного излучения энергию иону Yb3+ (иттербий), который, в свою очередь, излучает свой сигнал люминесценции. Эффективность обмена энергией между ионами-активаторами зависит от температуры Таким образом, параметры люминесценции сенсоров зависят также от температуры. Этим явлением обычно объясняется температурная чувствительность ряда существующих сенсоров на основе ионной пары  Nd3+/Yb3+ и других матриц».

В ходе дальнейших исследований ученым лаборатории «Гибридные оптические сенсоры» удалось зафиксировать ряд необычных явлений.

«С помощью экспериментальных методов мы продемонстрировали, что в матрице YF3 наблюдается ряд необычных явлений, которые нельзя объяснить только механизмом, о котором я говорил», – сказал Пудовкин и отметил, что об этом сообщается в статье, опубликованной сотрудниками лаборатории в журнале Materials.

Исследователи считают, что причиной необычных явлений является эффект температурного расширения.

«При охлаждении Nd3+/Yb3+:YF3 нанокристаллы сжимаются, и расстояния между ионами-активаторами уменьшаются, что ведет к увеличению эффективности их взаимодействия. На это указывает ряд проведенных нами экспериментов, – сказал физик. – При этом у других матриц фторидов, по-видимому, этот эффект если и присутствует, он не очень существенный по сравнению с YF3».

В ближайшем будущем планируется, по словам руководителя лаборатории, построить математическую модель процесса, а также провести детальную апробацию сенсоров.

«Сенсоры представляют собой наночастицы Nd3+, Yb3+:YF3 с размерами примерно 200 нанометров, – поясняет ученый КФУ. – Для их практического применения необходима разработка соответствующей стационарной экспериментальной установки, включающей  в общем случае:  лазер, детекторы и компьютер, над ней мы и будем работать в 2023 и 2024 годах в рамках НИЛ "Гибридные оптические сенсоры"».  

Научные сотрудники лаборатории первыми в мире, используя спектроскопические методы, смогли доказать, что температурное расширение YF3 влияет на температурную чувствительность сигнала люминесценции наночастиц Nd3+, Yb3+:YF3.

На основании полученных данных были определены оптимальные концентрации ионов-активаторов и созданы сенсоры, обладающие следующими конкурентными преимуществами: относительно высокая абсолютная температурная чувствительность в физиологическом диапазоне температур (максимальное значение 0,5 процентов/К); высокая стабильность (за 12 циклов охлаждения до – 196 градусов/ нагревания – до 45 градусов не происходит деградации спектрально-кинетических характеристик наночастиц Nd3+, Yb3+:YF3); многофункциональность (сенсоры показывают высокие значения чувствительности в широком диапазоне температур  от 196 до 45 градусов, что делает их перспективным материалом для сенсорики и в других сферах, включая космическую промышленность); сенсоры функционируют в  «биологическом окне».