Измерение температуры единичной живой клетки необходимо для многих современных биомедицинских приложений, например, для онкологии, поскольку детальное исследование распределения температур может вскрыть особенности метаболизма клетки и ее реакцию на различные внешние раздражители. Существует множество различных инновационных разработок, посвященных этой теме, и не может не удивлять широкий спектр объектов, применяемых в них: углеродные нанотрубки, серебряные наносферы и квантовые точки. Еще одним классом материалов, перспективных с этой точки зрения, являются флуоресцентные материалы, позволяющие быстро и с хорошим разрешением получить пространственное распределение температуры.
Чем же интересны наночастицы NaYF4:Er3+,Yb3+? Ответ кроется в возможности многофотонной люминесценции, таким образом, длина волны излученного света оказывается меньше длины волны возбуждающего. Используя лазеры с излучением в ближнем ИК-диапазоне, можно возбуждать люминесценцию частиц с минимальными технологическими сложностями. Еще одним ценным достоинством этих наночастиц является независимость положения максимума люминесценции и поглощения от размера частиц.
Измерение температуры становится возможным благодаря особенностям энергетической диаграммы (рис.1). Уровень 2F5 Yb3+ близок по энергии 4I11 Er3+, что обеспечивает возможность перехода электрона между ними, после чего этот электрон возбуждается до уровня 4F7. Далее происходит серия безызлучательных переходов, приводящая электрон на определенный уровень, после чего следует высвечивание кванта света. При этом безызлучательные переходы могут привести электрон на два возможных уровня: 2H11 и 4S3. Заселенность этих уровней может быть описана больцмановской статистикой, таким образом, измеряя относительную интенсивность люминесценции двух длин волн можно получить значение температуры.
На рис.2 изображена схема эксперимента: ИК-лазер нагревает воду и одновременно возбуждает люминесценцию, а перпендикулярно расположен детектор видимого излучения. На рис.3А приведена зависимость относительной интегральной люминесценции от координаты (профиль пучка ИК-лазерного излучения), а на рис.3B – рассчитанная по описанной методике температура. Таким образом наглядно демонстрируется способность определения температуры нанотермометрами.
Также были проведены эксперименты с живыми раковыми клетками HeLa. Их поместили на металлическую пластину, по которой протекал ток. Выделение джоулева тепла, соответствующее квадратичной зависимости T(V) было измерено с использованием нанотермометров (рис.4), таким образом, этот модельный эксперимент показал возможность проведения in vivo измерений.
Оригинальная статья «Temperature Sensing Using Fluorescent Nanothermometers» была опубликована 5 февраля 2010 года в ACSnano.
