В России разработали наноразмерные оптические сенсоры, способные измерять температуру клетки человека
Наноразмерные оптические температурные сенсоры, позволяющие контролировать температуру в локальной области человеческого организма, создали ученые подведомственного Минобрнауки России Казанского федерального университета (КФУ). Разработка позволит качественнее проводить гипертермию (нагревание) раковых опухолей.
«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 кандидат физико-математических наук Максим Пудовкин, руководитель молодежной лаборатории гибридных оптических сенсоров, созданной в рамках нацпроекта «Наука и университеты».
На фото: лаборант НИЛ «Гибридные оптические сенсоры» Института физики КФУ Екатерина Олейникова, старший научный сотрудник НИЛ «Гибридные оптические сенсоры» Института физики КФУ Максим Пудовкин, младший научный сотрудник НИЛ «Гибридные оптические сенсоры» Института физики КФУ Анна Докудовская, старший научный сотрудник НИЛ «Гибридные оптические сенсоры» Института физики КФУ Алексей Низамутдинов.
Возможным решением проблемы могут стать наноразмерные люминофоры (сенсоры), созданные физиками КФУ. В их основе лежат наночастицы ионов неодима (Nd3+), иттербия (Yb3+) и фторида азота (YF3), а сигнал их люминесценции зависит от температуры организма.
«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 Максим Пудовкин.
По словам авторов, биологические ткани живых существ не пропускают ультрафиолетовый и видимый свет на глубину более 2 миллиметров. Однако красное и инфракрасное излучение может проникать в кожу на глубину от 1 до 5 сантиметров. Эти типы излучения лежат в диапазоне 650–1300 нанометров, его и называют биологическим окном. В таком «окне» работает ряд оптических терапевтических и диагностических систем, например, фотодинамическая терапия.
На фото: криостат.
«Согласно нашим предыдущим исследованиям сенсоры на основе наночастиц Nd3+/Yb3+:YF3 показали высокие характеристики, однако механизм температурной чувствительности остается не вполне ясным. Соединение YF3 здесь является оптически инертной матрицей, в которую как бы помещаются ионы активаторы Nd3+ и Yb3+. 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+, 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 кристаллических матриц, активированных ионами редкоземельных элементов», – говорит ученый.
В ходе дальнейших исследований физикам удалось зафиксировать ряд необычных явлений, причиной которых они считают 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. При этом для других матриц фторидов, по-видимому, этот эффект если и присутствует, то он не очень существенный по сравнению с YF3», — прокомментировал Михаил Пудовкин.
Далее исследователи планируют построить математическую модель процесса, а также провести детальную апробацию сенсоров.
«Мы 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. Среди них — высокая абсолютная температурная чувствительность в физиологическом диапазоне температур, высокая стабильность и многофункциональность», — подчеркивает ученый.
Исследования выполняются в рамках федерального проекта «Развитие человеческого капитала в интересах регионов, отраслей и сектора исследований и разработок» нацпроекта «Наука и университеты», результаты опубликованы в одном из международных изданий.
Напомним, что молодежные лаборатории создаются при поддержке Минобрнауки России в рамках нацпроекта «Наука и университеты».