Антистоксовая защита: Антистокс – последнее слово в борьбе с подделками

alexxlab | 26.03.1986 | 0 | Разное

Содержание

Детекторы валют DORS – новый интеллект антистоксовой защиты

Детекторы валют DORS – новый интеллект антистоксовой защиты

Инновационные технологии значительно продвинули возможности фальшивомонетчиков не только в России, но и во всем мире. Создаваемые ими имитации максимально приблизились к подлинным банкнотам. Фальшивомонетчики освоили искусство подделки основных видов защиты: магнитная, ультрафиолетовая защита, микроперфорация, полимерная лента, цветопеременные краски, водяные знаки. Антистоксовая протекция признана единственной современной функцией контроля, не поддающейся имитации.

Антистоксовые метки

Антистоксовая защита заключается в люминесценции, состав которой имеет вещества с содержанием двух и более атомов. Серая краска с такими частицами обладает свойством, при котором пучок инфракрасного излучения вызывает свечение красного, синего, белого, зеленого окраса. Ингредиенты такой метки тяжелодоступны. Технология находится под наблюдением и защитой органов правоохранительной системы.

Области меток

Антистоксовые метки легко различимы при визуальном осмотре: достаточно направить полупроводниковый лазер. Рублевые банкноты Российской Федерации, находящиеся в обращении с 1998 года, имеют такую серую краску на нескольких зонах. С лицевой стороны это два нижних угла с цифровым обозначением номинала. Банкноты серии «Города России» не имеют такой защиты, но они редко сегодня встречаются в обороте.

Антистоксовые детекторы

Самые простые лазеры китайского производства вполне справляются со своей функцией. Но эти нехитрые устройства представляют собой опасность человеческому глазу. Лазер настолько мощный, что может при неосторожном обращении повредить сетчатку. Внимательный визуальный осмотр не гарантирует стопроцентной проверки.

Существует несколько видов антистоксового люминофора. Все они имеют уникальные физические свойства, которые для человеческого глаза не различимы. Физический метод улучшает качество контроля подлинности.

Разработанные детекторы валют DORS применяются при проектировании массовой техники. Пульсирующим лазерным излучением считывается параметр антистоксового люминофора. Счетчик или детектор определяет вид защитной метки. Для каждой банкноты такой параметр является доказательством подлинности, подписью эмитента физико-химического характера.

Определения поддельной банкноты

Если фальшивомонетчик использовал антистоксовый люминофор, применяемый для другой банкноты, то глазом этого не определить. Измененные параметры, определяющие фальшивку, сможет увидеть только прибор DORS. Уникальность прибора определяется прогрессивностью. Пока не зафиксированы случаи подделки визуальной защиты. Но ее популярность позволяет делать прогнозы в сторону возможных прецедентов.

Принцип работы детектора и счетчика

Для облегчения эффективности работы предлагается купить детекторы валют в СПб, проведя предварительную консультацию. Выявится потребность в простых просмотровых аппаратах или в автоматизированном оборудовании.

Конструкция детектора защищает человека от получения дозы лазерного излучения. Кроме облегченного зрительного контроля, определяется вид люминофора, о чем выдается полная информация.

В счетчике пользователь не может провести визуализацию, все происходит автоматизировано с высокой скоростью. Аппаратура с высокой точностью самостоятельно принимает решение подлинности банкнот. Это результат алгоритмического анализа интеллектуального антистокс-контроля IAS. Производитель гарантирует эффективный отсев фальшивых денег при невысоких затратах на защитную аппаратуру.

Чем мощнее ультрафиолетовая лампа, тем легче экспедировать купюру, что снижает нагрузку на глаза. Безошибочный результат гарантирован в комплексе детекторов меток, ламп свечения, линз увеличения, УФ излучения. Практика показывает, что такие приборы обеспечивают стопроцентную защиту от поддельных денежных купюр.

Сфера применения

Просмотровые детекторы применяются сферой торговли и услуг. Среди положительных характеристик компактность, устойчивость, удобство конструкции. Дисплей обладает высокой точностью. Кассир может проверить быстро сразу несколько банкнот веером. Для работы купюра вставляется в экспертную зону, сразу анализируется тип антистоксового люминофора. На экран выводится изображение с десятикратным увеличением, что позволяет оператору детально рассмотреть все участки защиты.

Автоматическая модель не требует от кассира глубоких знаний видов защиты. Эту работу проделывает аппарат, что сводит к минимуму потери организации, исключается человеческий фактор. Особенно такая модель востребована кредитными организациями. Предусмотрено включение режима звукового сигнала подтверждения. Некоторые модели определяют геометрические размеры купюры, проводят суммирование.

Дополнительная защита бизнеса

Каждая компания, имеющая дело с наличностью, требует первичную обработку банкнот. Широко представлены детекторы валют PRO, среди которых имеются простые, универсальные, ультрафиолетовые, мультивалютные, автоматические, профессиональные, с LCD-дисплеем. Некоторые автоматические модели за один прием предусматривают прием пачки. Выбирается несколько режимов подачи: прямая, обратная. Обратная подача удобна при расположении детектора у стены. Производители учитывают особенности рабочего места кассира, которое часто бывает ограниченно пространством. Консультант поможет выбрать оптимальную модель, предложит форму оплаты и доставку.

Детекторы валют PRO признаны лучшими среди банковского оборудования, применяемого в финансовых и торговых организациях. Пользователь может оценить высокие характеристики аппаратуры, определяющей подлинность российской и иностранной валюты. Применение аппаратуры препятствует появлению на рынке поддельных банкнот. Современные разработчики значительно усложнили жизнь фальшивомонетчиков, которые не переводятся с момента появления первых денежных знаков.

Регула 8003 М аппаратно-программный мобильный комплекс

Регула 8003 М – это экспертное исследование и оперативный контроль паспортов, идентификационных карт и прочих документов, удостоверяющих личность и дающих право на пересечение границы; визовых марок и оттисков печати, в том числе для разрешения на въезд; водительских удостоверений, сертификатов на транспортные средства, иных документов, связанных с автотранспортом; банкнот; акцизных и специальных марок; ценных бумаг и иных документов со средствами защиты от подделки.

Мобильный комплекс в защитном кейсе. Состоит из портативного персонального компьютера, модель которого согласуется с заказчиком; двух предметных столов с просветными экранами и лупы спектральной люминесцентной «Регула» 4177 с оптическим модулем «Регула» 4178, работающими под управлением программного обеспечения «Regula Forensic Studio»; прибора компактного «Регула» 1025. Используется в мобильном (питание от внутреннего аккумулятора) и стационарном (питание от сети переменного тока) вариантах. Опционально комплектуется визуализатором магнитных свойств документов «Регула» 4197 и информационно-справочными системами.

Функциональные возможности

  • Получение и обработка изображений
  • Исследования на уровнях:
    • защиты основы документа:
      • облачность бумаги; водяной знак; защитные волокна; планшетки и плашки; конфетти; защитные нитии полосы безопасности; голограмма, кинеграмма; тиснение фольгой; покрытия с поляризационным эффектом; все разновидности окон;  прозрачное лаковое покрытие; теневое изображение; сквозное отверстие и др.
    • полиграфической защиты:
      • ‌глубокая металлографская печать: тексты; гильоширныерамки, розетки и виньетки, микротекст, все виды скрытых и муаровых изображений; метки для людей с ослабленным зрением; бескрасочное тиснение; элементы защиты, выполненные цветопеременной краской, в том числе с тиснением и скрытыми изображениями и др. 
      • ‌высокая печать: серийный номер; тексты; штрихкоди др.
      • ‌плоская печать: Орловская печать, все разновидности офсета, в том числе с ирисовым раскатом: тексты; все виды микропечати и микротекстов, муаровые узоры; все виды фоновых сетоки антикопировальных средств защиты и иные средства защиты на уровне полиграфии
      • ‌трафаретная печать: элементы защиты с оптически переменными эффектами, различные изображения и тексты и др.
      • совмещаемые и совмещающиеся изображенияи иные элементы и средства защиты
      • перфорация
    • физико-химической защиты:
      • ‌антистоксовая люминесценция
      • все виды ультрафиолетовой люминесценциина разных длинах волн
      • ‌ИК-люминесценция
      • магнитные карты, элементы защиты с магнитными свойствамии др.
    • комплексных средств защиты:
      • ‌голографические изображения, а также OVD-элементы
      • ретрорефлективная защита
      • элементы и средства защиты, выполненные; ИК-метамерными красками
      • специальные полимерные покрытия защитных ламинатов
      • все виды металлизированных покрытий
      • лазерные гравировки по пластику и др.
    • Дополнительные исследования:
      • материалов отдельных фрагментов изображений документов по степени поглощения или отражения ИК диапазона спектра
      • изменений подчисткой, травлением и смыванием
      • следов технической подготовки при подделке подписи
      • посторонних штрихов, не относящихся к исследуемому объекту, выполненных красками, не прозрачными для ИК-излучения
      • залитых, замазанных, зачеркнутых записей, текстов, изображений
      • механических повреждений документов: надрезов, надрывов, сгибов и др.
    • Опционально: определение элементов, выполненных краской с магнитными свойствами; в том числе залитых, зачеркнутых и замазанных текстов для модели «Регула» 4197

Комплектация

  • Ноутбук
  • Зарядное устройство
  • Спектральная люминесцентная лупа «Регула» 4177
  • Прибор компактный «Регула» 1025
  • Оптический модуль «Регула» 4178
  • Специализированное программное обеспечение «Regula Forensic Studio»
  • Опционально:
    • Визуализатор магнитных свойств документов «Регула» 4197
    • Информационно-справочная система  «Frontline Documents System»
    • Информационно-справочная система «Currency»

 

Предметные столы с просветным экраном 1 2
Источники света белый донный ультрафиолетовый донный, нм ― 365
инфракрасный донный, нм ― 870
Размер просветного экрана, мм 200×135 80×55

 

Лупа видеоспектральная люминесцентная «Регула» 4177 
Источники света белый верхний
косопадающий
ультрафиолетовый верхний 365 нм
инфракрасный, нм верхний 870
940
косопадающий 880
высокоинтенсивный 980
высокоинтенсивный зеленый верхний 530 нм

 

Модуль оптический «Регула» 4178
Источники света белый верхний
4 косопадающих с разных сторон
24 косопадающих для исследования голограмм
ультрафиолетовый, нм 254
313
365
4 инфракрасных косопадающих 870 нм с разных сторон

 

Прибор компактный «Регула» 1025
Источники света белый верхний
косопадающий
для визуализации OVD
коаксиальный
регулируемый белый/ультрафиолетовый
ультрафиолетовый, нм 254
313
365
400
высокоинтенсивный инфракрасный 980 нм

 

 

 

 

Габаритные размеры (Д×Ш×В) 500×385×135 мм
Масса в полной комплектации 10,5 кг
Питание:

·       от аккумуляторной батареи комплекса:

·       от сети

  

·       питающее напряжение, В — 14,4

·
Потребляемая мощность Не более 70 Вт
Время автономной работы комплекса Более 5 ч
Время зарядки аккумуляторной батареи при полной разрядке Не более 2 ч
Время готовности комплекса с момента включения питания Не более  3 мин

 

Лупы спектральные люминесцентные «Регула» 40X7

Экспертное исследование паспортов, идентификационных карт и прочих документов, удостоверяющих личность и дающих право на пересечение границы; визовых марок и оттисков печати, в том числе для разрешения на въезд; банкнот; водительских удостоверений, сертификатов на транспортные средства, иных документов, связанных с автотранспортом; подписей и кратких рукописных записей; акцизных и специальных марок; ценных бумаг и иных документов со средствами защиты от подделки.

Компактные устройства, выполненные в виде компьютерной мыши. Корпус из пластмассы. Используются совместно с приборами «Регула» 4007, 4105, 4305/М/МН.

Функциональные возможности

  • Исследования на уровнях:
    • защиты основы документа:
      • ‌защитные волокна; планшетки и плашки; конфетти; защитные нитии полосы безопасности; голограмма, кинеграмма; тиснение фольгой; покрытия с поляризационным эффектом; прозрачное лаковое покрытие и др.
    • полиграфической защиты:
      • ‌глубокая металлографская печать: тексты; гильоширныерамки, розетки и виньетки, микротекст, все виды скрытых и муаровых изображений; метки для людей с ослабленным зрением; бескрасочное тиснение; элементы защиты, выполненные цветопеременной краской, в том числе с тиснением и скрытыми изображениями и др.
      • ‌высокая печать: серийный номер; тексты; штрихкоди др.
      • ‌плоская печать: Орловская печать, все разновидности офсета, в том числе с ирисовым раскатом: тексты; все виды микропечати и микротекстов, муаровые узоры; все виды фоновых сетоки антикопировальных средств защиты и иные средства защиты на уровне полиграфии
      • ‌трафаретная печать: элементы защиты с оптически переменными эффектами, различные изображения и тексты и др.
      • перфорация
    • физико-химической защиты:
      • ‌антистоксовая люминесценция
      • ‌ультрафиолетовая люминесценция
      • ‌ИК-люминесценция
    • комплексных средств защиты:
      • фрагменты элементов и средств защиты, выполненных ИК-метамерными красками
      • специальные полимерные покрытия защитных ламинатов
      • все виды металлизированных покрытий
      • лазерные гравировки по пластику и др.
    • Дополнительные исследования:
      • материалов отдельных фрагментов изображений документов по степени поглощения или отражения ИК диапазона спектра
      • изменений подчисткой, травлением и смыванием
      • следов технической подготовки при подделке подписи
      • посторонних штрихов, не относящихся к исследуемому объекту, выполненных красками, не прозрачными для ИК-излучения
      • залитых, замазанных, зачеркнутых записей, текстов, изображений
      • механических повреждений документов: надрезов, надрывов, сгибов и др.

Область применения

  • Экспертно-криминалистические подразделения
  • Судебно-экспертные организации
  • Банковские учреждения
  • Пограничные и миграционные службы
  • Таможенные органы
  • Правоохранительные органы
  • Иные ведомства и организации, имеющие полномочия по проверке документов
ФункциональностьМодель
401740274037
Источники светабелыйверхний+
2 косопадающих+
ультрафиолетовый верхний 365 нм+
инфракрасный, нмверхний870+
940+
косопадающий8704 источника2 источника4 источника
высокоинтенсивный верхний, нмголубой470+
зеленый530+++
желтый590+
красный660+
инфракрасный980+
Видеокамера
Тип видеосигнала:

·       «Регула» 4017, 4037

·       «Регула» 4027

 

·       CCIR

·       PAL

Разрешение

·       «Регула» 4017, 4037

·       «Регула» 4027

 

·       480 ТВЛ

·       400 ТВЛ

Разрешающая способность

·       «Регула» 4017

·       «Регула» 4037

 

·       2000 ppi

·       1200 ppi

Поле зрения

·       «Регула» 4017

·       «Регула» 4027

·       «Регула» 4037

 

·       7×5 мм

·       12,5×10 мм

·       15×11 мм

Фильтры

·       инфракрасный пропускающий с порогом

·       видимой области с полосой

 

·       700 нм

·       370–660 нм для модели «Регула» 4027

Габаритные размерыНе более 94×62×52 мм
МассаНе более 0,15 кг
Питающее напряжение12 В
Потребляемая мощностьНе более 3 Вт

Техника для спецслужб , Лупа видеоспектральная люминесцентная «Регула 4177».

Лупа видеоспектральная люминесцентная «Регула 4177» предназначена для экспертного исследования паспортов, идентификационных карт и прочих документов, удостоверяющих личность и дающих право на пересечение границы; визовых марок и оттисков печати, в том числе для разрешения на въезд; банкнот; водительских удостоверений, сертификатов на транспортные средства, иных документов, связанных с автотранспортом; подписей и кратких рукописных записей; акцизных и специальных марок; ценных бумаг и иных документов со средствами защиты от подделки.

Компактное USB-устройство, выполненное в виде компьютерной мыши. Корпус из пластмассы. Питание, управление, вывод и обработка результатов работы прибора осуществляется с помощью персонального компьютера и специального программного обеспечения «Regula Forensic Studio».

Используется как самостоятельное средство контроля исследуемых объектов, так и в комплексе со столиком просмотровым «Регула» 4167, оптическим модулем «Регула» 4178, информационно-справочными системами.

Функциональные возможности

  • Получение и обработка изображений

    • Исследования на уровнях: ● защиты основы документа:

  • защитные волокна; планшетки и плашки; конфетти; защитные нити и полосы безопасности; голограмма, кинеграмма; тиснение фольгой; покрытия с поляризационным эффектом; прозрачное лаковое покрытие и др.

    • ● полиграфической защиты:

  • глубокая металлографская печать: тексты; гильоширные рамки, розетки и виньетки, микротекст, все виды скрытых и муаровых изображений; метки для людей с ослабленным зрением; бескрасочное тиснение; элементы защиты, выполненные цветопеременной краской, в том числе с тиснением и скрытыми изображениями и др.
  • высокая печать: серийный номер; тексты; штрихкод и др.
  • плоская печать: Орловская печать, все разновидности офсета, в том числе с ирисовым раскатом: тексты; все виды микропечати и микротекстов, муаровые узоры; все виды фоновых сеток и антикопировальных средств защиты и иные средства защиты на уровне полиграфии
  • трафаретная печать: элементы защиты с оптически переменными эффектами, различные изображения и тексты и др.
  • перфорация

    • ● физико-химической защиты:

  • антистоксовая люминесценция
  • ультрафиолетовая люминесценция
  • ИК-люминесценция

    • ● комплексных средств защиты:

  • фрагменты элементов и средств защиты, выполненных ИК-метамерными красками
  • специальные полимерные покрытия защитных ламинатов
  • все виды металлизированных покрытий
  • лазерные гравировки по пластику и др.

    • Дополнительные исследования:

  • материалов отдельных фрагментов изображений документов по степени поглощения или отражения ИК диапазона спектра
  • изменений подчисткой, травлением и смыванием
  • следов технической подготовки при подделке подписи
  • посторонних штрихов, не относящихся к исследуемому объекту, выполненных красками, не прозрачными для ИК-излучения
  • залитых, замазанных, зачеркнутых записей, текстов, изображений
  • механических повреждений документов: надрезов, надрывов, сгибов и др.

    • Область применения

  • Экспертно-криминалистические подразделения
  • Судебно-экспертные организации
  • Банковские учреждения
  • Пограничные и миграционные службы
  • Таможенные органы
  • Правоохранительные органы
  • Иные ведомства и организации, имеющие полномочия по проверке документов

    • Комплектация

  • Программное обеспечение «Regula Forensic Studio» для вывода видео на монитор, управления прибором, сохранения и обработки изображений

    • Источники света

    белый верхний
    косопадающий
    ультрафиолетовый верхний 365 нм
    инфракрасный, нм верхний 870
    940

    косопадающий

    		 880
    высокоинтенсивный 980
    высокоинтенсивный зеленый верхний 530 нм

    Технические характеристики

    Поле зрения, мм — 11,1-8,1
    Увеличение, крат, не более — 4

    Сенсор:
    • тип — КМОП
    • количество мегапикселов — 3,1:
    • разрешение, ppi — 4700
    • размер кадра, пикселов — 2048-1536
    • динамический диапазон, дБ — 61

    Светофильтры:
    • ИК-пропускающий с порогом, нм — 700
    • ИК-отсекающий с порогом, нм — 660

    Увеличение для монитора 21 дюйм, крат — 35–110
    Интерфейс связи — USB 2. 0
    Операционная система — Microsoft Windows XP (SP3), Windows Vista, Windows 7, Windows 8
    Габаритные размеры (длина-ширина-высота), мм, не более — 94-62-52
    Масса, кг, не более — 0,2
    Питающее напряжение, В — 5
    Потребляемая мощность, Вт, не более — 2,5

    Использование видеоспектральной лупы

    Белый верхний свет Х1
    Белый верхний свет Х3
    Белый верхний свет Х5
    Белый косопадающий свет Х1
    Ультрафиолетовый верхний свет (365 нм) Х1
    Инфракрасный верхний свет (870 нм) Х1
    Инфракрасный верхний свет (940 нм) Х1
    Инфракрасный косопадающий свет (880 нм) Х1
    Инфракрасный высокоинтенсивный свет (980 нм) Х1
    Высокоинтенсивный зеленый верхний свет (530 нм) Х1

    Изучение антистоксовой флуоресценции цианобактериальных фикобилипротеинов

    Тема работы посвящена изучению особенностей антистоксовой флуоресценции фикобилипротеинов и возможности применения метода спектрального анализа антистоксовой флуоресценции для изучения белок-белковых взаимодействий в цианобактериальных фикобилисомных комплексах. Фикобилисомы – светособирающие комплексы цианобактерий и красных водорослей, содержащие сотни билиновых хромофоров и десятки линкерных белков, связывающих фикобилипротеины таким образом, чтобы обеспечить эффективную миграцию энергии возбуждения на хлорофиллы фотосистем. Основными частями этих комплексов являются фикоцианиновые стержневые и аллофикоцианиновые ядерные структуры. Для защиты фотосинтетического аппарата от избыточного освещения цианобактерии имеют систему нефотохимического тушения на основе оранжевого каротиноидного белка (ОСР). Предполагается, что ОСР взаимодействует с ядрами фикобилисом, хромофоры которых способны поглощать более красный свет, чем стержневые фикобилины. Тем не менее, точный механизм ОСР-зависимого нефотохимического тушения энергии возбуждения неизвестен, как неизвестен и сайт взаимодействия ОСР с фикобилисомой. Стандартные методы флуоресцентной спектроскопии в значительной степени помогли продвинуться в изучении этого вопроса, однако имеются значительные ограничения этих методов, связанные с перераспределением энергии возбуждения в системе и двусмысленностью получаемых результатов. В этой работе был разработан принципиально новый подход к применению флуоресцентной спектроскопии для изучения белок-белковых взаимодействий в цианобактериальных светособирающих комплексах на основе возбуждения антистоксовой флуоресценции. Впервые было предложено использовать ИК-излучение 770 нм для наиболее селективного возбуждения ядер фикобилисом и изучения особенностей взаимодействия фикобилисомы с ОСР, а также белок-белковых взаимодействий в фикобилисомных комплексах. Возможность возбуждения антистоксовой флуоресценции была показана еще в 30х годах прошлого века научной группой Каутского. Сейчас известно о нескольких механизмах такого возбуждения, в том числе однофотонном возбуждении по механизму «горячей полосы поглощения». В работе подробно изучены механизмы возбуждения антистоксовой флуоресценции фикобилипротеинов и фикобилисом ИК-светом. Впервые была показана возможность возбуждения антистоксовой флуоресценции цианобактериальных фикобилисомных комплексов и отдельных фикобилипротеинов инфракрасным светом в однофотонном режиме по механизму «горячей полосы поглощения». В работе подробно изучены свойства антистоксовой флуоресценции фикобилипротеинов с точки зрения как эффективности такого возбуждения, так и т.н. эффектов возбуждения на красном краю поглощения, а также эффектов фотоселективности по основному электронному состоянию вследствие конформационной подвижности билиновых хромофоров. На примере гексамеров фикоцианина мы показали возможность избирательного возбуждения различных состояний хромофоров в гетерогенном растворе цианобактериальных фикобилипротеинов, ранее определяемых только методами спектроскопии единичных молекул. Было проведено сравнительное исследование свойств антистоксовой флуоресценции фикобилипротеинов и их комплексов для исследования характера белок-белковых взаимодействий, в частности между отдельными фикобилипротеинами, фикобилипротеинами и линкерными белками, а также их комплесов с оранжевым каротиноидным белком. На основании анализа фикобилипротеинов разной степени олигомеризации были выдвинуты предположения о (1) влиянии степени олигомеризации и целостности фикобилипротеинов на диэлектрическое окружение фикобилиновых хромофоров, и, соответственно, на спектральные свойства антистоксовой флуоресценции, в частности на батохромные сдвиги спектров антистоксовой флуоресценции, а также о (2) возможности селективного возбуждения ИК-излучением низкоэнергетических хромофоров, в частности ядерных хромофоров фикобилисом. Были проведены исследования фикобилисомных комплексов с ОСР при селективном возбуждении ядерных хромофоров. Полученные данные свидетельствуют о значительном изменении диэлектрического окружения части фикобилинов в составе фикобилисомы при взаимодействии с ОСР, а также о расположении сайта тушения в области между стержнями и ядром фикобилисомы. Результаты данной работы открывают новые возможности для исследования фотофизики флуоресцентных белковых комплексов, в частности, цианобактериальных фикобилисом и фикобилипротеинов, а также особенностей белок-белковых и белок-хромофорных взаимодействий.

    Биология

    Дипломы

    Вуз: Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ имени М.В. Ломоносова)

    ID: 62766246e4dde5000144b92d

    UUID: f254c9f0-b02c-013a-4104-0242ac180005

    Язык: Русский

    Опубликовано: 5 месяцев назад

    Просмотры: 39

    Рецензии:

      Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

    – у работы пока нет рецензий –

    Открытое образование – Люминесценция

    Select the required university:

    ———

    Закрыть

    Log in and enroll

    • About
    • Format
    • Requirements
    • Course program
    • Knowledge
    • Skills
    • Abilities
    • Education directions

    About

    Цель курса – в увлекательной форме познакомить слушателей с основами как полезного,
    так и очень красивого явления люминесценции. Курс формирует у слушателей научные
    основы восприятия как фундаментальных основ этого явления, так и его применения в
    реальной жизни.
    Занятия включают лекции и задачи, среди которых как контрольные вопросы, так и
    задания, требующие аналитического подхода. Будут включены в курс и несложные, но
    наглядные и красочные эксперименты, а также практикум, во время которого будет
    продемонстрировано, какие люминесцентные характеристики могут быть исследованы и
    как. Будет продемонстрирован процесс получения данных и их обработка.
    Предполагается интенсивная работа слушателей с преподавателями в рамках форума,
    проведения онлайн встреч и т.д.
    Люминесценция существует задолго до появления человека, и только совсем недавно
    началось ее бурное развитие и широкое применение. Сегодня практически невозможно
    представить себе нашу жизнь без люминесценции.
    Стоксова и антистоксова люминесценция используются для защиты ценных бумаг
    (например, денег). Изобретение белого светодиода, отмеченное Нобелевской премией,
    положило начало целой сферы новых применений: светодиодные фонари, вспышки,
    лампы, интеллектуальные системы освещения.
    Органические светодиоды сейчас можно найти во всех современных AMOLED дисплеях
    телефонов, и год за годом именно AMOLED-дисплеи признаются лучшими.
    Люминесценция используется в биологии и медицине для точной диагностике, в том
    числе совмещенной с терапией. Пульс-оксиметрия, значение которой невозможно
    переоценить после возникновения вируса COVID-19, основано на применении
    органических светодиодов.
    Наконец, люминесценция – это просто красиво: Мальдивы, например, славятся не только
    белоснежным песком и теплым морем, но и люминесцентным планктоном в его водах.
    Благодаря каким достижениям науки это стало возможно; каковы основные тенденции
    развития этой науки и какие новые направления использования люминофорорв мы
    можем ожидать – об этом вы узнаете в нашем курсе.

    Format

    Форма обучения заочная (дистанционная)
    Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видео-лекций и
    выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.
    Важным элементом изучения дисциплины является участие в обязательном задание –
    творческой работе.

    Requirements

    Курс является общеобразовательным, и рассчитан на широкую аудиторию слушателей.

    Course program

    Раздел 1. Люминесценция – определение и общие понятия
    Раздел 2. Люминесценция в животном мире
    Раздел 3. Основы органической люминесценции
    Раздел 4. Люминесценция координационных соединений РЗЭ
    Раздел 5. Строение неорганических светодиодов
    Раздел 6. Строение органических светодиодов
    Раздел 7. Применения фотолюминесценции: биовизуализация
     Подраздел 7.1. Применения фотолюминесценции: биовизуализация
     Подраздел 7.2. Применения фотолюминесценции: метки
    Раздел 8. Апконверсия и Лазеры
     Подраздел 8.1. Апконверсия
     Подраздел 8.2. Лазеры
    Раздел 9. Измерение и анализ люминесцентных характеристик
     Подраздел 9.1. Измерение люминесцентных характеристик
     Подраздел 9.2. Анализ люминесцентных характеристик.
    Итоговый контроль. Тестирование

    Education directions

    04.03.01 Химия
    04.04.02 Химия, физика и механика материалов
    04.05.01 Фундаментальная и прикладная химия
    22.00.00 Технологии материалов
    22.03.01 Материаловедение и технологии материалов
    28.03.03 Наноматериалы

    Knowledge

    Знать:

    • Основные понятия люминесценции
    • Механизм люминесценции соединений разных классов
    • Измерение и анализ люминесцентных характеристик
    • Способы применения люминофоров в медицине, оптоэлектронике, быту

    Skills

    Уметь:

    • Провести анализ люминесцентных свойств люминофора
    • Предлагать дизайн люминофора для заданного применения

    Abilities

    Владеть:

    • Навыками анализа научной литературы по теме курса
    • Навыками решения задач по курсу

    Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова

    Уточникова Валентина Владимировна

    Доктор химических наук
    Position: Ведущий научный сотрудник химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова

    Certificate

    It is possible to get a certificate for this course.

    The cost of passing the procedures for assessing learning outcomes with personal identification – 2800 Р.

    Similar courses

    7 September 2020 – 15 August 2030 г.

    Общая социология

    НИУ ВШЭ

    14 September 2020 – 15 August 2023 г.

    Основные направления развития охраны труда в современном мире

    НИУ ВШЭ

    15 February 2021 – 31 December 2023 г.

    Строение вещества: от атомов и молекул до материалов и наночастиц

    СПбГУ

    К сожалению, мы не гарантируем корректную работу сайта в вашем браузере. Рекомендуем заменить его на один из предложенных.

    Также советуем ознакомиться с полным списком рекомендаций.

    Google Chrome

    Mozilla Firefox

    Apple Safari

    Антистоксовое фотолюминесцентное исследование k-сохранения и термализации неосновных носителей в полупроводниках с вырожденным легированием

    Антистоксовое фотолюминесцентное исследование k-сохранения и термализации неосновных носителей заряда в полупроводниках с вырожденным легированием

    Скачать PDF

    Скачать PDF

    • Артикул
    • Открытый доступ
    • Опубликовано:
    • K. Mergenthaler 1 ,
    • N. Anttu 1 ,
    • N. Vainorius 1 ,
    • M. Aghaeipour 1 ,
    • S. Lehmann 1 ,
    • M. T. Borgström ORCID: orcid.org/0000-0001-8061-0746 1 ,
    • Л. Самуэльсон 1 и
    • …
    • М.-Э. Пистолет 1  

    Связь с природой том 8 , Номер статьи: 1634 (2017) Процитировать эту статью

    • 2027 Доступов

    • 4 Цитаты

    • Сведения о показателях

    Предметы

    • Физика конденсированного состояния
    • Полупроводники
    • Оптическая спектроскопия

    Abstract

    Недавно было обнаружено, что антистоксова фотолюминесценция может наблюдаться в вырожденных n-легированных нанопроволоках фосфида индия при возбуждении непосредственно в электронный газ. Этот антистоксовый механизм ранее не наблюдался и позволяет изучать релаксацию и рекомбинацию носителей с использованием стандартных методов фотолюминесценции. Важно знать, возникает ли эта антистоксова фотолюминесценция в объемных полупроводниках, а также какова ее связь с рекомбинацией и релаксацией носителей. Здесь мы показываем, что подобная антистоксова фотолюминесценция действительно может наблюдаться в вырожденно легированных объемных фосфиде индия и арсениде галлия и вызвана рассеянием неосновных носителей на высоких импульсах на фононах. Кроме того, мы обнаружили, что излучательная электронно-дырочная рекомбинация сильно сохраняет импульс и что фотогенерированные неосновные носители рекомбинируют, прежде чем релаксировать к краю зоны при низких температурах. Эти наблюдения бросают вызов использованию моделей, предполагающих термализацию неосновных носителей заряда, при анализе высоколегированных устройств.

    Введение

    Антистоксова фотолюминесценция, при которой фотолюминесценция происходит при энергиях выше, чем энергия фотонов возбуждения, может происходить по различным физическим механизмам 1 и имеет большое технологическое значение для различных областей исследований, от медицины и биологии до оптоэлектроники и фотоники 2,3,4,5,6 . Для биологической визуализации антистоксова фотолюминесценция позволяет повысить чувствительность при уменьшении фотоповреждений 2,7 . Были продемонстрированы лазеры, использующие этот эффект 4,8 . Антистоксова фотолюминесценция обеспечивает улучшенное обнаружение инфракрасных фотонов 3 , которые могут использоваться для генерации белого света 9 и могут повысить эффективность солнечных элементов 5 .

    Антистоксова люминесценция в полупроводниковых материалах наблюдалась в нульмерных системах, таких как квантовые точки; 10,11 в двумерных системах, таких как гетеропереходы типа II 12 , наноленты CdS 13 и квантовые ямы GaAs; 14 и в объемных материалах с широкой запрещенной зоной, таких как GaN 15 и ZnO 6,16 .

    В большинстве сообщений об антистоксовой фотолюминесценции в полупроводниках требуются состояния ниже края зоны и возбуждение оже-процессами 12,17,18 или двухфотонное поглощение (фотонное преобразование с повышением частоты) 6,11,15,16,19,20 . Два других антистоксовых механизма связаны с фононами. В одном случае одновременное поглощение фотонов и фононов обеспечивает поглощение ниже ширины запрещенной зоны 21,22 и может привести к люминесценции края полосы с преобразованием частоты. В качестве альтернативы, фотогенерированные носители заряда могут быть возбуждены до более высоких состояний за счет поглощения фононов, что может привести к рекомбинации с участием этих высокоэнергетических возбужденных состояний 23 .

    Для эффективной антистоксовой фотолюминесценции выгодны двухстадийные процессы с промежуточным состоянием из-за (обычно) более низкой вероятности процессов, включающих взаимодействие между большим числом частиц. В объемных полупроводниках для двухступенчатой ​​антистоксовой фотолюминесценции требуются дефектные состояния в пределах запрещенной зоны. Недавно мы сообщили об антистоксовой фотолюминесценции в вырожденных n-легированных нанопроволоках InP 24,25 , где антистоксовый механизм основан на поглощении фотонов с энергиями меньше энергии Ферми вырожденно-легированного материала с последующим фононным рассеянием фотовозбужденной дырки до более высоких k -значений (где k – импульс носителей заряда). О такой антистоксовой фотолюминесценции для объемных полупроводников до сих пор не сообщалось.

    В этой работе мы показываем, что такая антистоксова фотолюминесценция с участием фононов не ограничивается наноразмерными материалами, а является более общим свойством полупроводников с прямой запрещенной зоной. Во время этой экспериментальной демонстрации антистоксовой фотолюминесценции мы также определили важные аспекты k – сохранение при излучательной рекомбинации, а также термализация фотогенерированных неосновных носителей. Мы обнаружили, что в излучательной рекомбинации в наших образцах сильно преобладают k -сохраняющие вертикальные переходы, несмотря на сильное легирование. Напротив, в литературе часто предполагается, что в сильно легированных полупроводниках правило k -отбора нарушается. Будем утверждать, что форма линии фотолюминесценции определяется распределением дырок, рекомбинирующих по вертикали (с сохранением k ) с морем электронов Ферми. Кроме того, мы находим, что носители заряда рекомбинируют до того, как дырки термализуются до максимума валентной зоны. Это означает, что форма линии фотолюминесценции не определяется дырками, релаксировавшими до максимума валентной зоны перед рекомбинацией, что привело бы к пику фотолюминесценции в запрещенной зоне.

    Результаты

    Антистоксовая фотолюминесценция в объемных полупроводниках

    Антистоксовая фотолюминесценция в высоколегированных полупроводниках впервые наблюдалась в легированных серой нанопроволоках InP 24,25 . Это было интерпретировано как специфический атрибут нанопроволок из-за усиленной связи носителей заряда с оптическими фононами в наноразмерных материалах 13 и эффективного нагрева электронного газа возбуждающим лазером. Однако результаты, представленные на рис. 1, показывают, что антистоксова фотолюминесценция также может наблюдаться в объемном InP с вырожденным n-легированием. Ширина запрещенной зоны собственного InP при комнатной температуре составляет 1,35 эВ 26 , а энергия Ферми образца оценивается в 1,50 эВ. Для возбуждения с 1,49фотонов с энергией 4 эВ при комнатной температуре мы наблюдали люминесценцию по обе стороны от лазерной энергии. Аналогичные результаты, как и для n-легированного InP, были также получены для n-легированного и p-легированного GaAs, что указывает на то, что наши результаты являются довольно общими. Несмотря на обширный литературный поиск, мы не нашли никаких предыдущих сообщений об этом антистоксовом эффекте, что немного удивительно, поскольку эксперимент можно проводить на коммерчески доступных образцах.

    Рис. 1

    Фотолюминесценция фосфида индия при комнатной температуре. Фосфид индия легирован серой, и для возбуждения при 1,494 эВ (830 нм) мы наблюдаем фотолюминесценцию как на низкоэнергетической, так и на высокоэнергетической стороне возбуждающей лазерной линии, что соответствует стоксовой и антистоксовой фотолюминесценции соответственно

    Полноразмерное изображение

    Схематическое изображение нашей модели Механизм антистоксовой фотолюминесценции в прямозонных полупроводниках с вырожденным n-легированием показан на рис. 2. Заштрихованные серым области изображают состояния, заполненные электронами, а вертикальные стрелки изображают поглощение и испускание фотона. На рисунке 2а показана ситуация для низких температур электронного газа, когда поглощение фотонов запрещено для энергий фотонов намного ниже энергии Ферми ( Е F ), так как нет доступных пустых электронных состояний. Например, при 4 K, на 5 мэВ ниже энергии Ферми, менее доли 10 −6 состояний незаняты, а 98% состояний заняты при 4 k . B T  = 1,4 мэВ ниже энергии Ферми. На рисунке 2b показана ситуация при более высокой температуре электронов, когда повышенная температура электронного газа позволяет поглощать при гораздо более низких энергиях (при 300 K, 4 к B T  = 103 мэВ). Высокая температура электронного газа может быть результатом высокой температуры образца или прямым нагревом электронного газа фотовозбуждающим лазером 25 .

    Рис. 2

    Поглощение и излучательная рекомбинация в полупроводнике. Полупроводник вырожденно n-легирован, имеет прямую запрещенную зону и переходы k -сохраняющие. Здесь и находятся при низкой температуре, а b находится при высокой температуре. -Стоксова фотолюминесценция требует рассеяния фотовозбужденной дырки до более высоких значений k . Сильная температурная зависимость большинства процессов рассеяния дырок 27 приводит к незначительному k возрастанию скоростей рассеяния при низких температурах. Это означает, что при низкой температуре, рис. 2а, происходит незначительное рассеяние фотовозбужденной дырки в более высокие k -значения и, таким образом, антистоксова фотолюминесценция не наблюдается. На рис. 2b повышенная температура образца позволяет рассеивать дырки до более высоких значений k и можно обнаружить антистоксову фотолюминесценцию. Рассеяние дырок в сторону более низких значений k приводит к стоксовой фотолюминесценции, которая может быть обнаружена при обеих температурах, показанных на рис. 2.

    Антистоксовая фотолюминесценция в вырожденно легированном n-InP за антистоксовой фотолюминесценцией мы измерили зависимость энергии возбуждения и температурную зависимость антистоксовой фотолюминесценции в вырожденном n-легированном InP. Результаты при 4 K, 100 K и комнатной температуре представлены в виде изолиний энергии фотонов на рис. 3a, c, e соответственно. Обратите внимание, что разрез горизонтальной линии соответствует одному измерению ФЛ (приведенные спектры нормированы на максимум люминесценции для таких линий разреза). Вертикальная линия разреза в необработанных данных, в свою очередь, соответствует измерению спектроскопии возбуждения фотолюминесценции (PLE), если ее рассматривать до нормализации. Из-за нормировки на максимум люминесценции энергия возбуждающего лазера видна на рис. 3 в виде белых диагональных линий, а люминесценция ниже диагональной белой линии эквивалентна антистоксовой фотолюминесценции.

    Рис. 3

    Зависимость фотолюминесценции от энергии возбуждения. Образцы представляют собой n-легированный фосфид индия. На рисунке показаны графики изолиний энергии фотонов, измеренные при 4 К ( и ), при 100 К ( и ) и при комнатной температуре ( и ). Энергия возбуждающего лазера видна как диагональная белая линия. b , d , f показаны спектры возбуждения фотолюминесценции для выбранных энергий детектирования при 4 K, 100 K и комнатной температуре соответственно вместе со спектром фотолюминесценции для 1,66 эВ при соответствующей температуре (серым цветом). Спектры светлого цвета показывают необработанные данные, а спектры темного цвета — сглаженные данные. Энергия регистрации спектров возбуждения фотолюминесценции указана вертикальными стрелками

    Полноразмерное изображение

    Для измерений при 4 K (рис. 3a) люминесценция регистрируется только для энергий лазерных фотонов выше примерно 1,48 эВ (в то время как собственная энергия запрещенной зоны E г, внутреннее , составляет 1,424 эВ при 4 K). При энергиях лазерных фотонов ниже 1,48 эВ мы не наблюдаем стоксовой или антистоксовой ФЛ. Из этого отсутствия сигнала ФЛ мы заключаем, что при энергии лазера < 1,48 эВ межзонное поглощение незначительно. Отметим, что для нанопроволок InP, легированных n, ситуация была иной, и поглощение в электронный газ было возможно и при температуре образца 4 K 24 , дающий начало Stokes PL. Низкоэнергетическое поглощение в нанопроволоках объяснялось лазерным нагревом электронного газа.

    При измерениях при 100 K как антистоксова, так и стоксова фотолюминесценция видна при энергиях лазера примерно от 1,44 до 1,48 эВ (рис. 3c), что указывает на то, что поглощение ниже энергии Ферми возможно, как и ожидалось. При комнатной температуре люминесценцию можно наблюдать при энергиях возбуждения примерно до 1,32  эВ (рис. 3e).

    Спектроскопия возбуждения фотолюминесценции

    Известным методом изучения поглощения в слабопоглощающих полупроводниках является ВФЭ, при котором измеряется зависимость интенсивности ФЛ от энергии возбуждения. На рис. 3b, d, f показаны такие спектры ВФЛ для выбранных энергий детектирования при 4 K, 100 K и комнатной температуре соответственно. Наши спектры ВФЭ охватывают как антистоксов режим, так и стоксов режим, в отличие от обычных измерений ВФЭ, которые почти исключительно охватывают только стоксов режим.

    Сдвиг начала спектров ВФЛ в зависимости от температуры подтверждает, что высокие температуры позволяют возбуждать волны ниже энергии Ферми. Важно помнить, что при выбранных энергиях детектирования ВФЛ измеряет только межзонное поглощение, приводящее к образованию дырок в валентной зоне. Межподзонное поглощение, поглощение на свободных носителях и другие подобные процессы поглощения не обнаружены. Спектры серого на рис. 3b, d, f представляют собой нормированные спектры ФЛ, возбужденные при 1,66 эВ.

    На рис. 3c, e показано, что при поглощении ниже энергии Ферми энергия пика излучения смещается в сторону более низких энергий с уменьшением энергии возбуждения до тех пор, пока образец не перестанет поглощать. Эффект также виден в спектрах ФЛ, показанных на рис. 4. Этот сдвиг вызван уменьшением излучения на высокоэнергетической стороне спектра ФЛ при уменьшении энергии лазера. Постепенное уменьшение поглощения при уменьшении энергий возбуждения снижает общую интенсивность ФЛ, но для антистоксовой ФЛ это уменьшение сильнее, чем для стоксовой ФЛ. Отметим, что в нанопроволоках ситуация была иной, где не наблюдалось спектрального изменения антистоксова пика в зависимости от энергии лазера 24 .

    Рис. 4

    Спектры фотолюминесценции n-легированного фосфида индия. Спектры и измерены при 4 K с использованием различных энергий возбуждения. Эти спектры нормированы. Вертикальная черная линия указывает индуцированную легированием энергию Ферми, оцененную по фотолюминесценции для возбуждения 1,66 эВ. В b – d спектры измерены при 4, 100 и 300 K соответственно. Эти спектры не нормированы. Соответствующая энергия возбуждающего лазера указана вертикальными серыми линиями

    Изображение в полный размер

    Свидетельство k-сохранения при излучательной рекомбинации

    В некоторых случаях обсуждалось, что в полупроводниках с вырожденным n-легированием фотовозбужденные дырки релаксируют/термализуются к потолку валентной зоны, а затем рекомбинируют с электрон из электронного газа с возможным изменением k -вектора 28 . Тогда ослабление k -правила отбора вызвано либо несовершенствами кристалла, вносимыми примесями, либо импульсом, воспринимаемым электронным газом 29 . Затем форма линии фотолюминесценции определяется заселенностью электронных состояний и переходными матричными элементами между дырками на вершине валентной зоны и электронами 29 .

    В наших образцах ситуация совсем другая. Правило k -отбора строго соблюдается для излучательной рекомбинации. Мы знаем это, поскольку при низких температурах, 4 K, нет антистоксовой ФЛ, которую мы можем измерить при возбуждении ниже энергии Ферми, см. рис. 4a. Поглощение при 1,49эВ приводит исключительно к стоксовой ФЛ, хотя энергия Ферми находится на уровне 1,50 эВ. (обратите внимание, что интенсивность пика ФЛ увеличивается почти в 3 раза при увеличении энергии лазера от 1,50 до 1,51 эВ на рис. 4b. Это убедительно указывает на то, что вырожденное легирование ограничивает возбуждение при 1,50 эВ. Следовательно, для дырок, генерируемых лазера на 1,49 эВ должны быть доступны такие более высокие k электронов, и рекомбинация с такими электронами должна приводить к рекомбинации с испусканием фотонов с энергией > 1,49эВ. Однако мы не обнаруживаем такой люминесценции в спектре возбуждения 1,49 эВ и, следовательно, делаем вывод, что k -несохраняющая рекомбинация, которая привела бы к антистоксовой ФЛ, несущественна).

    Далее отметим, что имеется PL Стокса и, как утверждалось выше, выполняется правило k -отбора. Таким образом, мы знаем, что имеет место рассеяние дырок на меньшие значения k , в том числе и при низких температурах.

    Важно отметить, что мы утверждаем, что фотовозбужденные дырки рекомбинируют с электронами до того, как они успевают релаксировать/термализоваться до вершины валентной зоны. Обратите внимание, что выше мы утверждали, что k – правило выбора соблюдается. Мы также отметили, что дырки могут релаксировать к потолку валентной зоны. В этом случае, если дырки рассеиваются до вершины валентной зоны перед рекомбинацией, мы ожидаем, что фотолюминесценция будет иметь пик при энергии запрещенной зоны. В наших измерениях это не так (см., например, рис. 4c, где пики люминесценции находятся намного выше ширины запрещенной зоны 1,34  эВ объемного InP при комнатной температуре). Кроме того, мы видим, что положение пика зависит от энергии лазера, как показано, например, на рис. 4c. Такая зависимость положения пика от энергии лазера свидетельствует о влиянии начального состояния отверстия на результирующую люминесценцию. Поэтому полной термализации фотогенерированных дырок до люминесценции не произошло.

    В настоящее время точный механизм рассеяния дыр неизвестен. Либо перед рекомбинацией происходит только одно событие рассеяния, либо существует набор событий низкоэнергетического рассеяния. Кроме того, рассеяние может происходить как в зонные, так и в дефектные состояния. Эта неопределенность препятствует точному моделированию формы линии излучения. Однако даже при такой неопределенности в точной динамике рассеяния и рекомбинации теперь можно изобразить антистоксову ФЛ. При высоких температурах дырки разлетаются от низких k – значения до более высоких k – значений, вызывающих антистоксову PL, как показано на рис.  2b. Этот процесс должен активироваться температурой, и это именно то, что мы наблюдаем на рис. 4. , k -сохраняющие переходы и (2) рекомбинация происходит до того, как дырки релаксируют/термализуются до максимума валентной зоны.

    Антистоксова фотолюминесценция в GaAs

    Наша интерпретация наблюдаемой антистоксовой ФЛ предполагает аналогичные процессы в других прямозонных полупроводниках с вырожденным легированием. На рис. 5 показана зависимость нормированной люминесценции собственных и вырожденно-легированных образцов GaAs от энергии возбуждения, измеренная при комнатной температуре. Оба вырожденно легированных образца (рис. 5а с легированием n-типа и рис. 5с с легированием p-типа) демонстрируют значительную антистоксову ФЛ, и для обоих образцов энергия пика ФЛ смещается в сторону более низких энергий с уменьшением энергии возбуждения для возбуждения в пик люминесценции. . На рисунке 5b показано, что для номинально нелегированного GaAs антистоксова ФЛ менее выражена и не наблюдается значительного сдвига пика.

    Рис. 5

    Фотолюминесценция арсенида галлия. На рисунке показаны графики изолиний энергии фотонов для a n-легированного арсенида галлия, b номинально нелегированного арсенида галлия и c p-легированного арсенида галлия. Температура 300 K, энергия возбуждения варьировалась.0133 к – сохраняющие рекомбинации горячих неосновных носителей заряда.

    Обсуждение

    Таким образом, мы продемонстрировали, что антистоксова ФЛ может быть достигнута в вырожденно легированных InP и GaAs, и что лежащим в их основе процессом является рассеяние фотовозбужденных неосновных носителей до более высоких значений k . Мы утверждаем, что излучательная электронно-дырочная рекомбинация является k -сохраняющей и что скорость рекомбинации выше скорости рассеяния с изменением k . Таким образом, мы полагаем, что форма спектральной ФЛ не определяется косвенными (не k -сохраняющие) излучательные рекомбинации Γ-точечных неосновных носителей заряда (как это принято считать), но скоростью релаксации энергии неосновных носителей заряда относительно скорости рекомбинации. Сходство результатов для InP n-типа, GaAs n-типа и GaAs p-типа позволяет предположить, что наша модель может быть общей для всех прямозонных полупроводников AIIIBV.

    Наши результаты позволяют более точно описать излучательную рекомбинацию в полупроводниках и показывают, что антистоксова фотолюминесценция может влиять на поведение оптоэлектронных полупроводниковых устройств. Будущие эксперименты должны исследовать временную зависимость стоксовой и антистоксовой фотолюминесценции, чтобы получить дополнительное представление о лежащей в основе динамике рассеяния и рекомбинации неосновных носителей. Сравнение подробного моделирования с экспериментами по ФЛЭ и поглощению должно дать важную информацию о динамике рассеяния дырок.

    Наконец, мы хотели бы подчеркнуть, что мы видели в нашем стационарном эксперименте явный признак отсутствия термализации фотогенерированных неосновных носителей. Такое наблюдение ставит под сомнение использование упрощенных моделей, основанных на допущении термализации, для описания динамики носителей при анализе полупроводниковых устройств с сильно легированными областями, таких как вырожденно легированные p + n + -элементы на основе переходов. Хотя наши результаты относятся только к физике сильно легированных объемных InP и GaAs, мы отмечаем, что ап-конверсия изучалась в связи с ее актуальностью для устройств. Например, фототок, преобразованный с помощью Оже, был изучен для солнечных элементов промежуточного диапазона 9.0020 30 и фотохимическое преобразование с повышением частоты для других фотоэлектрических устройств 31 .

    Методы

    Мы изучили широко используемый коммерчески доступный объемный монокристаллический субстрат, выращенный методом вертикального градиентного замораживания (VGF), который является модификацией метода Бриджмена 32 . Исследуемый образец InP был легирован серой вырожденно, т. е. n-типа, с концентрацией легирования около 10 19  см −3 . Исследуемые образцы GaAs были легированы кремнием n-типа (около 4 × 10 18   см −3 ), легированный цинком р-тип (около 1   ×   10 19   см −3 ) и номинально нелегированный GaAs.

    Для измерения фотолюминесценции образцы устанавливали на холодный палец криостата с жидким гелием непрерывного действия. Образцы оптически возбуждались непрерывным (непрерывным) перестраиваемым Ti:Sapphire лазером с оптической накачкой. Лазерный свет фокусировался на образце, а плотность оптической мощности поддерживалась постоянной около 40 кВт см −2 . Фотолюминесценция собиралась объективом микроскопа × 50, рассеивалась одним монохроматором и регистрировалась научной CMOS-камерой Andor Neo. Чтобы обеспечить измерения, близкие к энергии лазерной линии, использовалась кросс-поляризованная установка ФЛ в темном поле 33 , где состояние поляризации возбуждающего света ортогонально поляризации обнаружения. В нашей установке удалось добиться подавления обратно рассеянной лазерной линии примерно в 10 5 раз, что позволило измерять лазерную линию одновременно с фотолюминесценцией.

    Доступность данных

    Данные, подтверждающие результаты этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

    Ссылки

    1. Auzel, F. Ап-конверсия и антистоксовы процессы с ионами f и d в твердых телах. Хим. Ред. 104 , 139–173 (2004).

      КАС Статья пабмед Google ученый

    2. Брюс, Э. Коэн, за пределами флуоресценции. Природа 467 , 407–407 (2010).

      Артикул КАС Google ученый

    3. Аббас, М. М., Костюк, Т. и Оливи, К. В. Инфракрасное преобразование с повышением частоты для астрономических приложений. Заяв. Опц. 15 , 961–970 (1976).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья пабмед Google ученый

    4. Бхавалкар, Дж. Д. и др. Эффективная генерация на зеленом резонаторе с двухфотонной накачкой на новом красителе. Опц. коммун. 124 , 33–37 (1996).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    5. Gan, Z., Wu, X., Zhou, G., Shen, J. & Chu, P.K. Существует ли реальная фотолюминесценция с повышением частоты от графеновых квантовых точек? Доп. Опц. Матер. 1 , 554–558 (2013).

      Артикул Google ученый

    6. Stehr, J. E. et al. Превращение ZnO в эффективный материал для преобразования энергии с повышением частоты путем создания дефектов. Доп. Функц. Матер. 24 , 3760–3764 (2014).

      КАС Статья Google ученый

    7. Li, Z., Zhang, Y. & Jiang, S. Многоцветные флуоресцентные наночастицы со структурой ядра/оболочки с повышением частоты. Доп. Матер. 24 , 4765–4769 (2008).

      Артикул КАС Google ученый

    8. Correa, O.S. et al. Производные перилена с большими сечениями двухфотонного поглощения для применения в оптическом ограничении и ап-конверсии. Доп. Матер. 15 , 1890–1893 (2005).

      Google ученый

    9. Сивакумар, С., ван Вегель, Ф. К. Дж. М. и Раудсепп, М. Яркий белый свет за счет преобразования с повышением частоты одного источника NIR из тонкой пленки, полученной из золь-геля, изготовленной из наночастиц LaF3, легированных Ln3+. Дж. Ам. хим. соц. 127 , 12464–12465 (2005 г.).

      КАС Статья пабмед Google ученый

    10. Игнатьев И.В., Козин И. Е., Рен Х.-В., Сугоу С. и Масумото Ю. Антистоксовая фотолюминесценция самоорганизующихся квантовых точек InP в присутствии электрического тока. Физ. Версия B 20 , R14001–R14004 (1999).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

    11. Пасков П.П. и др. Оптические процессы ап-конверсии в квантовых точках InAs. Jpn J. Appl. физ. 40 , 2080–2083 (2001).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    12. Зайдель, В., Титков, А., Андре, Дж. П., Вуазен, П. и Воос, М. Высокоэффективное преобразование энергии с повышением частоты с помощью «фонтана Оже» на гетеропереходе InP-AlInAs типа II. Физ. Преподобный Летт. 73 , 2356–2359 (1994).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья пабмед Google ученый

    13. “>

      Чжан, Дж., Ли, Д.Х., Чен, Р.Дж. и Сюн, К.Х. Лазерное охлаждение полупроводника до 40 кельвинов. Природа 493 , 504–508 (2013).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья пабмед Google ученый

    14. Vinattieri, A. et al. Динамика экситонов в квантовых ямах GaAs при резонансном возбуждении. Физ. Версия B 50 , 10868–10879 (1994).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    15. Чайн З., Пириу Б., Уэслати М., Буфаден Т. и Эль Джани Б. Антистоксовая фотолюминесценция желтой полосы в GaN: свидетельство процесса двухфотонного возбуждения. Дж. Люмин. 82 , 81–84 (1999).

      КАС Статья Google ученый

    16. Chen, S.L. et al. Эффективное преобразование фотолюминесценции с повышением частоты за счет двухфотонного поглощения в объеме и наностержнях ZnO. Заяв. физ. Б 108 , 919–924 (2012).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    17. Cheong, H.M., Kim, D., Hanna, M.C. & Mascarenhas, A. Влияние легирования на ап-конверсию фотолюминесценции в гетероструктурах GaAs/AlxGa1-xAs. Заяв. физ. лат. 81 , 58–60 (2002).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    18. Driessen, F.A.J.M. et al. Индуцированное интерфейсом преобразование инфракрасного света в видимый на полупроводниковых интерфейсах. Физ. Версия B 8 , R5263–R5266 (2002 г.).

      Google ученый

    19. “>

      Цао, В., Ду, В., Су, Ф. и Ли, Г. Антистоксовая фотолюминесценция в микрокристалле ZnO. Заяв. физ. лат. 89 , 031902 (2006 г.).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья КАС Google ученый

    20. Hylton, N. P. Преобразование с повышением частоты фотолюминесценции на интерфейсах GaAs/InGaP 2 , управляемое последовательным двухфотонным механизмом поглощения. Физ. Ред. B93 , 2235303 (2016).

      Google ученый

    21. Трипати, С. К., Дин, Ю. Дж. и Хургин, Дж. Б. Антистоксовая фотолюминесценция из отдельно стоящего GaN n-типа при комнатной температуре на основе конкуренции между фононным и двухфотонным поглощением. Полуконд. науч. Технол. 24 , 055010 (2009 г.).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья КАС Google ученый

    22. “>

      Ракович, Ю. П. и Донеган, Дж. Ф. Полупроводниковые нанокристаллы, квантовые точки, синтез, сборка, спектроскопия и применение (Springer Verlag, Wien, 2008).

    23. Шейк-Бахае, М. и Эпштейн, Р. И. Может ли лазерный свет охлаждать полупроводники? Физ. Преподобный Летт. 92 , 247403–1 (2004).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья пабмед КАС Google ученый

    24. Mergenthaler, K. et al. Преобразование фотонов с большим сдвигом энергии в вырожденно легированных нанопроволоках InP путем прямого возбуждения в электронный газ. Нано рез. 6 , 752 (2013).

      КАС Статья Google ученый

    25. Mergenthaler, K. et al. Ап-конверсия фотонов в нанопроволоках InP с вырожденным легированием серой. Наномасштаб 7 , 20503–20509 (2015).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья пабмед Google ученый

    26. Вургафтман И., Мейер Дж. Р. и Рам-Мохан Л. Р. Параметры зон для составных полупроводников III–V и их сплавов. J. Appl. физ. 89 , 5815–5875 (2001).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    27. Брудеволл Т., Фьелдли Т. А., Бэк Дж. и Шур М. С. Скорость рассеяния дырок вблизи края валентной зоны в полупроводниках. J. Appl. физ. 67 , 7373–7382 (1990).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    28. Jiang De-Sheng, Y., Makita, K., Ploog, HJ, & Queisser, N. Электрические свойства и фотолюминесценция GaAs, легированного Te, выращенного методом молекулярно-лучевой эпитаксии. J. Appl. физ. 53 , 999–1006 (1982).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

    29. Бугайски М. и Левандовски В. Зависимое от концентрации поглощение и фотолюминесценция InP n-типа. J. Appl. физ. 57 , 521–530 (1985).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый

    30. Текс, Д. М., Камия, И. и Канемицу, Ю. Эффективное преобразование фототока с повышением частоты посредством оже-процесса в дископодобных квантовых структурах InAs для промежуточных солнечных элементов. Физ. Версия B 87 , 245305 (2013).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья КАС Google ученый

    31. Шульце, Т. Ф. и Шмидт, Т. В. «Фотохимическое преобразование с повышением частоты: текущее состояние и перспективы его применения для преобразования солнечной энергии». Энергетика Окружающая среда. науч. 8 (№ 1), 103–125 (2015).

      КАС Статья Google ученый

    32. Клеманс, Дж. Э., Эджим, Т. И., Голт, В. А. и Монберг, Э. М. Рост полупроводниковых кристаллов соединений III-V. AT&T Тех. Дж. 68 , 29–42 (1989).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый

    33. Kuhlmann, A.V. et al. Темнопольный микроскоп для безфонового обнаружения резонансной флуоресценции одиночных полупроводниковых квантовых точек, работающий в режиме «установил и забыл». Rev. Sci. Инструм. 84 , 073905 (2013).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья пабмед КАС Google ученый

    Скачать ссылки

    Благодарности

    Эта работа была выполнена в рамках NanoLund в Лундском университете при поддержке NanoLund, Шведского исследовательского совета VR и Шведского фонда стратегических исследований, SSF.

    Информация об авторе

    Авторы и организации

    1. Кафедра физики твердого тела и наноземли, Лундский университет, Box 118, 221 00, Лунд, Швеция

      К. Мергенталер, Н. Антту, Н. Вайнориус, М. , С. Леманн, М. Т. Боргстрем, Л. Самуэльсон и М.-Э. Пистолет

    Авторы

    1. К. Мергенталер

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    2. N. Anttu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    3. N. Vainorius

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

    4. M. Aghaeipour

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    5. S. Lehmann

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    6. M. T. Borgström

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    7. L. Samuelson

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    8. М.-Э. Пистолет

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    Взносы

    К.М. провел измерения, проанализировал данные и написал первый черновик рукописи. Н.А. помогал анализировать данные и участвовал в написании рукописи. Н.В. построил экспериментальную установку, использованную в исследовании. М.А. провел контрольные измерения поглощения. С.Л. предоставил образцы и участвовал в написании рукописи. МТБ поставляемые образцы. Л.С. участвовал в обсуждении результатов. М.-Э.П. инициировал проект, помог проанализировать данные и участвовал в написании рукописи. Все авторы прочитали и одобрили рукопись.

    Авторы переписки

    Переписка с К. Мергенталер или М.-Э. Пистолет.

    Заявление об этике

    Конкурирующие интересы

    Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Дополнительный электронный материал

    Файл рецензирования

    Права и разрешения

    Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    Комментарии

    Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

    Скачать PDF

    Сверхмощная антистоксова генерация за счет тандемного преобразования с повышением частоты

    Abstract

    Когерентный ультрафиолетовый свет важен для приложений в науках об окружающей среде и жизни. Однако прямое ультрафиолетовое излучение ограничено сложностью изготовления и стоимостью эксплуатации. Здесь мы представляем стратегию непрямой генерации глубокого ультрафиолетового излучения посредством тандемного процесса преобразования с повышением частоты. Наночастица ядро-оболочка-оболочка разработана для достижения глубокого ультрафиолетового излучения при 290 нм при возбуждении в телекоммуникационном диапазоне длин волн 1550 нм. Сверхбольшой антистоксовый сдвиг 1260 нм (~ 3,5 эВ) возникает из-за тандемной комбинации различных процессов ап-конверсии, которые интегрированы в отдельные слои структуры ядро-оболочка-оболочка. Путем включения наночастиц ядро-оболочка-оболочка в качестве усиливающей среды в тороидальный микрорезонатор реализуется одномодовая генерация на длине волны 289,2 нм за счет накачки на длине волны 1550 нм. Поскольку различные оптические компоненты легко доступны в зрелой телекоммуникационной отрасли, наши результаты обеспечивают жизнеспособное решение для создания миниатюрных коротковолновых лазеров, подходящих для приложений в устройствах.

    Введение

    Люминесцентные материалы, которые преобразуют фотоны возбуждения в заданное излучение, лежат в основе многих технологий фотоники, таких как разноцветные дисплеи и программируемая фотоактивация 1,2 . Среди различных процессов люминесценции исключительный интерес представляет ап-конверсия фотонов, характеризующаяся излучением высокой энергии при возбуждении фотонов меньшей энергии. Преобразование с повышением частоты в первую очередь использует преимущества материалов, легированных лантанидами, в которых ступенчатое возбуждение через энергетические уровни активаторов лантанидов приводит к излучению в видимом и ультрафиолетовом диапазоне путем последовательного поглощения нескольких фотонов ближнего инфракрасного диапазона 9.0020 3,4,5,6,7 . Уникальный процесс преобразования с повышением частоты позволил использовать множество приложений, от биоимиджинга до преобразования солнечной энергии и оптического хранения 8,9,10,11,12,13 . В частности, преобразование с повышением частоты рассматривается как многообещающее решение для генерации коротковолновой генерации путем накачки более длинноволновыми источниками света, которые легче приобрести 14,15 .

    Преобразование частоты с повышением частоты имеет потенциал для рентабельного создания миниатюрных устройств для излучения глубокого ультрафиолета (УФ), которые находят широкое применение в медицине и промышленности, например, для микробной стерилизации и биомедицинских инструментов 16,17,18,19 . Однако реализация такого метода была ограничена ограниченной спектральной перестраиваемостью ап-конверсии, которая происходит в специальных ионах лантанидов, содержащих фиксированные наборы энергетических уровней. Например, важным классом источников света являются лазеры, работающие на длинах волн телекоммуникаций (от 1260 до 1675 нм) 20,21 , которые широко используются в волоконно-оптической связи и фотонных схемах из-за минимального оптического затухания, легкой доступности в различных формы и низкая стоимость изготовления устройства. Кроме того, длины волн попадают во второе окно ближнего инфракрасного диапазона (NIR-II), что благоприятно для биовизуализации с высоким разрешением in vivo благодаря максимальной прозрачности ткани и минимальной аутофлуоресценции 22,23 . Однако лишь небольшое количество материалов, сенсибилизированных Er 3+ , способны преобразовывать возбуждающий свет с повышением частоты в этом диапазоне длин волн, в котором преобладает излучение Er 3+ в ограниченном спектре 24,25,26,27,28 . Достижение глубокого УФ-излучения за счет возбуждения в телекоммуникационных длинах волн остается сложной задачей.

    Чтобы расширить спектральную настраиваемость преобразования с повышением частоты, здесь мы предлагаем схему преобразования с повышением частоты домино (DU), в которой энергия, накопленная в одном процессе преобразования с повышением частоты, запускает другой последующий процесс преобразования с повышением частоты (рис. 1). Тандемной комбинацией Er 3+ – и Tm 3+ на основе ап-конверсии в наноструктуре ядро-оболочка-оболочка глубокое ультрафиолетовое излучение реализуется при возбуждении на 1550 нм со сверхбольшим антистоксовым сдвигом до 1260 нм. Мы систематически исследуем энергетические каскадные процессы в наноструктурах ядро-оболочка-оболочка и демонстрируем генерацию в глубоком ультрафиолете на длине волны 289,2 нм по схеме DU при возбуждении на телекоммуникационной длине волны.

    Рис. 1: Сравнение обычного преобразования с повышением частоты при передаче энергии (ETU) и предлагаемого преобразования с повышением частоты по принципу домино (DU).

    a В процессе ETU энергия возбуждения накапливается только в одном типе иона лантанида, преобразующего с повышением частоты. b В процессе DU энергия возбуждения, накопленная в одном повышающем преобразовании ионе, вызывает накопление энергии во втором повышающем преобразовании ионе, что приводит к сверхбольшому антистоксовому сдвигу.

    Полноразмерное изображение

    Результаты

    Синтез и характеристика

    В качестве эксперимента для проверки концепции мы построили NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce @NaYF 4 наночастица ядро-оболочка-оболочка с процессами повышающей конверсии на основе Tm 3+ – и Er 3+ , включенными отдельно в ядро ​​и промежуточный слой наночастицы соответственно (рис. 2а). ). Внешняя оболочка NaYF 4 была разработана для защиты наночастиц от поверхностного тушения 29,30 . Пространственное разделение ионов легирующей примеси было предназначено для минимизации перекрестных помех между различными процессами ап-конверсии 31,32 , которые были независимо оптимизированы в соответствующих доменах легирования. Чтобы облегчить процесс ОУ за счет межфазного переноса энергии, мы также использовали высокие концентрации примесей Er 3+ и Yb 3+ , которые обладают высокой устойчивостью к концентрационному тушению (рис. 2а) 25,33,34 .

    Рис. 2. Сверхмощное антистоксово излучение через DU в наночастицах ядро–оболочка–оболочка.

    a Схема NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 наночастица ядро-оболочка-оболочка для DU (левая панель) и предлагаемый механизм передачи энергии в наночастице. b HAADF-STEM изображение наночастиц NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 , подчеркивающее слоистую структуру. c Цифровая обработка ПЭМ-изображения с высоким разрешением NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 наночастиц, показывающая монокристаллическую природу. д Увеличенный вид выбранной области в c , обозначенной белой рамкой, показывающий гексагональную структуру решетки в соответствии с кристаллом NaYF 4 (правая панель). e Схематическое изображение волновода для возбуждения апконверсионных наночастиц. Из-за схождения лазерного луча плотность мощности в цепи волновода ( I Вт ) была увеличена по сравнению с плотностью мощности в падающем волокне ( I Ф ). f Спектр излучения наночастиц NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 при возбуждении волноводного контура на длине волны 1550 0 нм с высокой плотностью мощности 2073 см0 9кВт  .

    Изображение полного размера

    Наночастицы были синтезированы по протоколу послойного эпитаксиального роста 35 , который включал получение наночастицы ядра NaYF 4 :Yb/Tm с последующим эпитаксиальным ростом NaErF 4 : прослойка Ce и оболочка NaYF 4 (дополнительный рис. 1a). На рисунке 2b показано изображение образца, полученное с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в темном поле под большим углом (HAADF-STEM), на котором видно очень однородный размер и морфология наночастиц с заметным контрастом Z между NaErF 4 : Промежуточный слой Ce (30%) и самый внешний слой NaYF 4 . Измерения с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HR-TEM) и порошковой рентгеновской дифракции (XRD) дополнительно подтвердили высокую кристалличность наночастиц с одной гексагональной фазой (рис. 2c, d и дополнительные рисунки 1b, 2).

    Сверхбольшое антистоксово излучение через DU

    Затем мы измерили спектр излучения наночастиц при возбуждении 1550 нм. Наночастицы были нанесены на верхнюю часть волноводной структуры, которая функционировала как источник возбуждения (рис. 2e). Цепь волновода была полузаглублена в подложку SiO 2 с верхней поверхностью, открытой для контакта с наночастицами (дополнительный рисунок 3a, b). Благодаря своим небольшим размерам волноводная структура пространственно ограничивает падающий свет и, таким образом, увеличивает плотность мощности поля возбуждения 36 . В конкретном случае мы оценили высокую плотность мощности возбуждения 2073 кВт см 90 020 -2 при входной мощности 311 мВт (дополнительный рисунок 3c). Спектр излучения состоит из характеристических пиков излучения Tm 3+ , которые можно отнести к 1 D 2  →  3 H 6 и 3 F 4 (362 и 453 нм), 1 G 4  →  3 H 6 and 3 F 4 (478 and 649 nm), and 3 H 4  →  3 H 6 (803 nm) переходы соответственно (рис. 2f). Наблюдение сильного ап-конверсионного излучения в коротковолновой ультрафиолетовой области свидетельствует об эффективной ап-конверсии Tm 3+ , сенсибилизированной Er 3+ . Обратите внимание, что слой преобразования с повышением частоты, легированный Yb / Tm, сам по себе не реагирует на возбуждение 1550 нм (дополнительный рисунок 4).

    Следует отметить, что включение присадок Ce 3+ в слой NaErF 4 имеет важное значение для достижения процесса DU. На рисунке 3а сравниваются спектры излучения наночастиц без добавок Ce 3+ и с ними в прослойке, которые выявили существенное ослабление эмиссии Tm 3+ в отсутствие Ce 3+ . Ионы Ce 3+ внесли свой вклад в DU, ингибируя ап-конверсию высокого порядка в ионах Er 3+ посредством кросс-релаксации (дополнительный рисунок 5), что привело к предпочтительной популяции 4 I 11/2 состояние 28 . Большая популяция 4 I 11/2 способствовала передаче энергии ионам Yb 3+ и последующему преобразованию с повышением частоты в ионах Tm 3+ (рис. 3b, c и дополнительный рис. 6a). Без примесей Ce 3+ ионы Er 3+ прямо возбуждались в более высокие возбужденные состояния с последующими излучательными переходами в основное состояние, что приводило к преобладающему излучению Er 9Ионы 0020 3+ (дополнительный рис. 6b).

    Рис. 3: Исследование механизма перекрестной релаксации, индуцированной Ce 3+ .

    A Эмиссионные спектры NAYF 4 : YB/TM@NAYF 4 : CE/ER@NAYF 4 Наночастиц в возрасте 1550 нм в 2073 кВт CM 2020 2 . 3+ концентрация легирования в прослойке. b , c Предлагаемые пути передачи энергии в NaYF 4 :Yb/Tm@NaYF 4 :(Ce/)Er@NaYF 4 наночастиц без и с добавками Ce 3+ соответственно. d Эмиссионные спектры наночастиц NaYF 4 @NaYF 4 :(Ce/)Er@NaYF 4 без и с примесями Ce 3+ при возбуждении 1550 см кВт2007нм при высокой ) и малой (5 кВт см −2 ) мощности соответственно. e Интенсивность излучения при 346 нм (Tm 3+ ) в зависимости от плотности мощности возбуждения в NaYF 4 :Yb/Tm@NaYF 4 :(Ce/)Er@NaYF 4 наночастиц без и с добавками Ce 3+ соответственно. f Схематические иллюстрации преимущественного заселения энергетических уровней в зависимости от мощности возбуждения в ионах Er 3+ посредством кросс-релаксации с добавками Ce 3+ . g Смоделированные заселенности 4 I 11/2 уровней энергии как функция плотности мощности возбуждения в NaYF 4 :(Ce/)Er без и с Ce 3+ легирующих примесей соответственно. Механистические расчеты путем формулирования уравнений скорости, как в дополнительных методах.

    Изображение полного размера

    На процесс ОУ сильное влияние оказывает содержание ионов Ce 3+ . Путем сопоставления интенсивности излучения с концентрацией Ce 3+ в прослойке была определена оптимальная концентрация легирования Ce 3+ , составляющая 30% (дополнительный рисунок 7b). Уменьшение апконверсионного излучения при существенно высоком Ce 9Концентрация 0020 3+ (> 30%) частично объясняется большими несоответствиями решеток между компонентами ядра / оболочки, что привело к неравномерным процессам эпитаксиального роста (дополнительный рисунок 7a) 37,38,39 .

    Для обоснования роли ионов Ce 3+ в селективном тушении ионов Er 3+ мы сравнили эмиссию NaYF 4 @NaErF 4 :Ce@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 с и без Ce 3+ легирующие примеси (дополнительный рисунок 8). Ионы Yb 3+ и Tm 3+ были удалены во избежание нарушения эмиссии Er 3+ . Как и ожидалось, мы наблюдали усиление NIR-излучения в ионах Er 3+ за счет видимого излучения из-за включения примесей Ce 3+ (рис. 3d). Кроме того, времена распада состояний 4 S 3/2 и 4 F 9/2 ионов Er 3+ были сокращены ионами Ce 3+ , что указывает на безызлучательный перенос энергии от Er 3+ к ионам Ce 3+ (дополнительный рисунок 9).

    Следует отметить, что высокая плотность мощности возбуждения также необходима для достижения процесса DU 40,41 . Мы наблюдали, что излучение Er 3+ на длине волны около 980 нм ( 4 I 11/2  →  4 I 15/2 ) гасится примесями Ce 3+ 900 при низких мощностях возбуждения. 3d, нижняя панель). Соответственно эмиссия ОУ в Tm 9Ионы 0020 3+ также гасятся Ce 3+ при маломощном возбуждении (рис. 3e и дополнительный рис. 10). Результаты приписаны кросс-релаксации в ионах Er 3+ , индуцированной Ce 3+ . Высокая мощность возбуждения способствует процессу возбуждения, который впоследствии увеличивает заселенность0170 через перекрестную релаксацию 4 I 9/2  →  4 I 11/2 (рис. 3f). Численное моделирование, основанное на скоростных уравнениях, подтвердило, что примеси Ce 3+ увеличивают заселенность в состоянии 4 I 11/2 Er 3+ только при высоких мощностях возбуждения (рис. 3g).

    В следующей серии экспериментов мы демонстрируем критическую роль Yb 3+ в передаче энергии от Er 3+ к ионам Tm 3+ через интерфейс ядро/оболочка. Когда ионы Yb 3+ на уровне ядра были заменены оптически инертными ионами Lu 3+ (дополнительный рис. 11), эмиссия Tm 3+ практически не регистрировалась даже при высокой плотности мощности возбуждения 2073 кВт. см −2 (рис. 4а). Наблюдение было приписано большому физическому расстоянию между ионами Er 3+ и Tm 3+ . Из-за низкой концентрации примеси Tm 3+ (1%), их среднее расстояние от границы раздела ядро/оболочка было слишком большим для передачи энергии. Введение высокой концентрации (40 %) ионов Yb 3+ создавало энергетический канал к ионам Tm 3+ за счет формирования сетки решетки Yb 3+ , которая обеспечивает быструю миграцию энергии на большие расстояния. расстояние 42,43 .

    Рис. 4: Исследование механизма передачи энергии в процессе DU.

    a Эмиссионные спектры NaYF 4 :Yb(Lu)/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 наночастиц при возбуждении 1550 нм при 2073 кВт см −2 , демонстрируя необходимость энергии 0 0 0 9 0 ионов Yb 90+ передача через интерфейс ядро/оболочка. b Эмиссионные спектры NaYF 4 :Yb/Tm@@NaYF 4 ( d )@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 :Ce@NaYF 4 :Ce@NaYF 4 подтверждение участия наночастиц в межслоевом переносе энергии,5m n0170 процесс ДУ. c Спектры излучения NaYF, зависящие от плотности мощности . d Схема неуправляемых энергообменных взаимодействий в однородно легированной наночастице.

    Увеличить

    Ионы Yb 3+ способствовали отбору энергии из прослойки также благодаря своим относительно большим сечениям поглощения (~10 −20  cm 2 ) и резонансного уровня энергии с донорами Er 3+ 44 , что приводило к большому критическому расстоянию передачи энергии. Наши контрольные эксперименты показали, что передача энергии, опосредованная Yb 3+ , все еще может происходить, когда оболочка Er / Ce была изолирована от ядра Yb / Tm промежуточным слоем NaYF 4 толщиной 2,5 нм (рис. 4b и дополнительный рис. 12). Расстояние передачи энергии заметно больше, чем наблюдаемое для других ионных систем, таких как Gd 3+ и Tb 3+ (~1,1 нм) 45 .

    Структура ядро-оболочка-оболочка также важна для достижения процесса DU. Поскольку мы однородно легировали все ионы лантаноидов в основном слое наночастицы NaYF 4 :Yb/Tm/Er/Ce@ NaYF 4 ядро-оболочка (рис. 4c, d и дополнительный рис. 13), общий эмиссия была довольно слабой, и эмиссию Tm 3+ практически невозможно обнаружить. Результат был приписан обширным и неконтролируемым энергообменным взаимодействиям между Yb 3+ , Tm 3+ , Ce 3+ и Er 3+ , что приводило к значительной диссипации возбужденной энергии. Обратите внимание, что процессы тушения в системе с четырехкратным легированием были слишком сильными, чтобы их можно было смягчить мощным возбуждением в наших экспериментах (рис. 4c).

    Глубокая УФ генерация через DU

    Лазерные характеристики наночастиц NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 исследованы при импульсном возбуждении Длительность частоты 6 нс и частота повторения 10 Гц. Синтезированные наночастицы были включены в тороидальный микрорезонатор в качестве резонатора лазера (рис. 5а), который поддерживает режим шепчущей галереи на внутренних границах микротороидального резонатора, легированного наночастицами (рис. 5б) 46,47 . Частично из-за высокой технологичности и небольшого размера наночастиц ап-конверсии композитная микрополость имела одинаковый размер и гладкую поверхность (рис. 5с). Соответственно, фактор высокого качества ( Q -коэффициент) около 2 × 10 5 был определен путем оценки характеристики передачи диодного лазера с диапазоном 1550 нм (Santec, TSL-710), который был связан с микрорезонатором через суженное волокно (рис.  5d).

    Рис. 5: Генерация глубокого УФ излучения в микрорезонаторе с включением наночастиц обедненного урана.

    a Схема микротороидальной резонаторной платформы для генерации с повышением частоты. b Моделирование возбужденных МШГ (приведенных в двумерной геометрии поперечного сечения) на поверхности микрополости диаметром 4 мкм и шириной кольца 0,2 мкм соответственно. c СЭМ-изображение типичного микрорезонатора, легированного UCNP. d Спектр пропускания микрорезонатора, легированного UCNP, с коэффициентом Q около 2 × 10 5 . Вставка: схема измерительной установки (слева) и фотография измеряемой системы сверху (справа). e Спектры излучения микрорезонатора с D m  = 17 мкм при различных мощностях возбуждения. f Логарифмическая зависимость выходной интенсивности от мощности возбуждения для микрорезонатора. г Спектры генерации микрорезонаторов с различными D м . h Графики измеренного расстояния между модами (Δ λ ) и пороговой мощности накачки ( P th ) микрорезонатора в зависимости от D м . Точки данных для пороговой мощности накачки представляют собой среднее значение ± стандартное отклонение (SD, n  = 3). Столбики погрешностей указывают SD.

    Увеличить

    Для исследования генерации были сняты спектры излучения типичного микрорезонатора диаметром 17 мкм в зависимости от мощности накачки. Как показано на рис. 5e, острый пик излучения (ширина линии <0,05 нм) с центром на 289,2 нм поднимается из спектра излучения, когда мощность возбуждения увеличивается выше пороговой мощности накачки ( P й , около 0,28 Дж см −2 ). Кроме того, зависимость выходной интенсивности от мощности возбуждения имела S-образную форму с тремя отчетливыми областями (рис. 5f), представляющими переход от спонтанного излучения через усиленное спонтанное излучение к насыщению усиления 48,49 . Вместе эти результаты подтверждают начало одномодовой генерации с апконверсией.

    Мы также продемонстрировали, что такими характеристиками генерации, как расстояние между модами, номера мод и пороговая мощность, можно точно управлять, настраивая размер микрорезонатора (дополнительный рисунок S14). С увеличением диаметра микрорезонатора число мод генерации увеличивалось за счет уменьшения межмодового расстояния (рис. 5ж, з). Наблюдаемое расстояние между модами хорошо коррелировало с параметрами микрорезонаторов согласно следующему уравнению 9{2}/{n}_{{{{{{\mathrm{eff}}}}}}}}L$$

    (1)

    где Δ λ – межмодовое расстояние, λ 0 — центральная длина волны пика, n eff (=1,52) — эффективный показатель преломления и L — длина периметра микрорезонаторов. Все приведенные выше результаты подтверждают, что при накачке 1550 нм тороидальных микрорезонаторов было достаточно для создания инверсии населенностей вышележащего возбужденного состояния ионов Tm 3+ через DU для генерации ультрафиолетового излучения. Следует отметить, что многоволновое генеративное действие может быть зарегистрировано на разных пиках излучения Tm 9Легирующие примеси 0020 3+ и Er 3+ (дополнительный рисунок S15). Замечательная перестраиваемость лазерного излучения в продуманно спроектированных наночастицах NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 , безусловно, расширяет возможности будущих исследований.

    Генерация на длине волны 289 нм из микрорезонатора, легированного UCNP, со сверхбольшим антистоксовым сдвигом чувствительна к Q -фактору резонатора, что позволяет чувствительно обнаруживать мелкие биологические виды путем мониторинга P й смена. В качестве доказательства принципа мы использовали сферу из полистирола (ПС, диаметр 300 нм) в качестве имитатора секреции раковых клеток для проведения сенсорных измерений. Как и ожидалось, P th значения генерации на длине волны 290 нм значительно увеличились с 0,13 до 2,34 Дж см −2 за счет прикрепления одной сферы PS к микрорезонатору из-за уменьшения Q -фактора с 2 × от 10 5 до примерно 4 × 10 4 (дополнительный рисунок S16). Результаты показывают, что наше устройство, интегрирующее среду усиления с повышающим преобразованием с высоким коэффициентом усиления 9Структура микрорезонатора 0167 Q перспективна для создания высококачественных сенсорных платформ.

    Обсуждение

    Таким образом, мы разработали схему DU, которая позволяет преобразовывать возбуждающий свет на длине волны телекоммуникаций с повышением частоты в глубокое ультрафиолетовое излучение со сверхбольшим антистоксовым сдвигом 1260 нм (~3,5 эВ). DU был реализован путем взаимодействия двух различных процессов преобразования с повышением частоты, которые объединены в один NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 наночастица за счет Yb-опосредованного переноса энергии на границе ядро/оболочка. Используя наночастицы DU в качестве усиливающей среды, мы разработали новый тороидальный лазер с микрорезонаторами, который генерировал одномодовое излучение на длине волны 289,2 нм. Наши результаты инициируют эффективную тактику получения ап-конверсионных лазеров, работающих в глубоком ультрафиолетовом режиме, путем возбуждения на телекоммуникационной длине волны, которая минимизирует оптическое затухание в фотонных схемах на основе SiO 2 . Кроме того, изучение тандемного сочетания различных процессов ап-конверсии с помощью легирования тяжелыми лантанидами также открывает новые возможности для создания ап-конверсионных нанокристаллов с точно настраиваемыми спектрами возбуждения и излучения для передовых биологических и фотонных приложений.

    Методы

    Синтез наночастиц

    Многослойные наночастицы NaYF 4 :Yb/Tm@NaErF 4 :Ce@NaYF 4 были синтезированы в соответствии с методом в ссылке. 35 . Дополнительные подробности эксперимента приведены в дополнительной информации.

    Изготовление тороидальной микрополости, содержащей наночастицы с повышающей конверсией

    Сначала была изготовлена ​​золь-гелевая пленка кремнезема, легированная наночастицами с повышающей конверсией, с использованием реакции гидролиза-конденсации, катализируемой кислотой. Затем были изготовлены тороидальные микрорезонаторы из только что синтезированного золь-гелевого кремнезема с повышающей конверсией с использованием последовательности фотолитографии, травления и лазерно-индуцированного оплавления. Дополнительные подробности эксперимента приведены в дополнительной информации.

    Теоретическое моделирование

    Электрическое поле в волноводной структуре моделировалось трехмерным методом конечных разностей во временной области (3D-FDTD). Процесс ап-конверсии в системе Er 3+ -Ce 3+ моделировался с помощью скоростных уравнений прямого возбуждения и межионной кросс-релаксации.

    Физические измерения

    Изображения HAADF-STEM и изображения HR-TEM были измерены с помощью FEI Tecnai G2 F30 при 300 кВ. Спектры излучения с повышением частоты регистрировали на спектрометрах Ocean Optics USB 2000 и Maya 2000 PRO. Излучение генерации измерялось монохроматором (iHR-320), соединенным с фотоумножителем. Все измерения проводились при комнатной температуре.

    Сводка отчета

    Дополнительную информацию о дизайне исследования можно найти в Сводке отчета об исследовании природы, связанной с этой статьей.

    Доступность данных

    Данные, полученные и проанализированные в ходе этого исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

    Ссылки

    1. Панфил Ю. Э., Одед М. и Банин У. Коллоидные квантовые наноструктуры: новые материалы для дисплеев. Анжю. хим. Междунар. Эд. 57 , 4274–4295 (2018).

      КАС Google ученый

    2. Zhang, Z. et al. Супершарики с повышением частоты для программируемой фотоактивации терапевтических препаратов. Нац. коммун. 10 , 4586 (2019).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    3. Озель, Ф. Ап-конверсионные и антистоксовые процессы с ионами f и d в твердых телах. Хим. 104 , 139–174 (2004).

      КАС пабмед Google ученый

    4. Чен, X., Пэн, Д., Джу, К. и Ван, Ф. Преобразование фотонов с повышением частоты в наночастицах ядро-оболочка. Хим. соц. 44 , 1318–1330 (2015).

      ПабМед Google ученый

    5. Чан, Э. М., Леви, Э. С. и Коэн, Б. Э. Рационально спроектированный перенос энергии в повышающих преобразование наночастиц. Доп. Матер. 27 , 5753–5761 (2015).

      КАС пабмед Google ученый

    6. Хаазе М. и Шефер Х. Преобразование наночастиц с повышением частоты. Анжю. хим. Междунар. Эд. 50 , 5808–5829 (2011).

      КАС Google ученый

    7. Хан, С. и др. Неорганические наночастицы, легированные лантаноидами, делают молекулярные триплетные экситоны яркими. Природа 587 , 594–599 (2020).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

    8. Park, Y. I., Lee, K.T., Suh, Y.D. & Hyeon, T. Преобразующие наночастицы с повышением частоты: универсальная платформа для широкопольной двухфотонной микроскопии и мультимодальной визуализации in vivo. Хим. соц. Ред. 44 , 1302–1317 (2015).

      КАС пабмед Google ученый

    9. Rieffel, J. et al. Гексамодальная визуализация с помощью наночастиц с повышающей конверсией, покрытых порфирин-фосфолипидом. Доп. Матер. 27 , 1785–1790 (2015).

      КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    10. Лю, Ю. и др. Усиленное стимулированное излучение в наночастицах с повышением частоты для наноскопии сверхвысокого разрешения. Природа 543 , 229–233 (2017).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

    11. Wang, J. et al. Преобразование энергии фотонов с повышением частоты за счет теплового излучения с энергоэффективностью, достигающей 16%. Нац. коммун. 5 , 5669 (2014).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

    12. Гольдшмидт, Дж. К. и Фишер, С. Преобразование с повышением частоты для фотогальваники — обзор материалов, устройств и концепций для повышения производительности. Доп. Опц. Матер. 3 , 510–535 (2015).

      КАС Google ученый

    13. Чжэн, К. и др. Перезаписываемая оптическая память посредством ортогонального преобразования с повышением частоты. Доп. Матер. 30 , 1801726 (2018).

      Google ученый

    14. Fernandez-Bravo, A. et al. Сверхнизкопороговая непрерывная генерация с повышающим преобразованием волны на субволновых плазмонах. Нац. Матер. 18 , 1172–1176 (2019 г.)).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

    15. Лю, Ю. и др. Контролируемая сборка ап-конвертирующих наночастиц для низкопороговых микролазеров и их визуализация в рассеивающих средах. ACS Nano 14 , 1508–1519 (2020 г.).

      КАС пабмед Google ученый

    16. Chen, X. et al. Ограничение миграции энергии в наночастицах с преобразованием частоты в сторону генерации в глубоком ультрафиолете. Нац. коммун. 7 , 10304 (2016).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    17. Кейтс Э.Л., Чиннапонгсе С.Л., Ким Дж.-Х. и Ким, Дж.-Х. Технический свет: достижения в области материалов для преобразования длины волны для энергетических и экологических технологий. Окружающая среда. науч. Технол. 46 , 12316–12328 (2012).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

    18. De Jong, C.J. et al. Флуоресцентная визуализирующая микроскопия жизни в глубоком УФ-излучении. Фотоника рез. 3 , 283–288 (2015).

      Google ученый

    19. Кумамото, Ю., Тагучи, А., Смит, Н. И. и Кавата, С. Глубокая УФ-резонансная спектроскопия комбинационного рассеяния для характеристики фотоповреждений в клетках. Биомед. Опц. Эксп. 2 , 927–936 (2011).

      КАС Google ученый

    20. Agrawal, G. P. Волоконно-оптические системы связи . 3-е изд. (Wiley, 2002).

    21. Zhu, Z. et al. Плазмонные 2D-полуметаллы ближнего инфракрасного диапазона для приложений в области связи и биологии. Доп. Функц. Матер. 26 , 1793–1802 (2016).

      КАС Google ученый

    22. Zhong, Y. et al. Усиление понижающей люминесценции редкоземельных нанокристаллов для биологической визуализации за пределами 1500 нм. Нац. коммун. 8 , 737 (2017).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    23. Сан, К. и др. J – агрегаты цианинового красителя для динамической визуализации сосудов NIR-II in vivo за пределами 1500 нм. Дж. Ам. хим. соц. 141 , 19221–19225 (2019).

      КАС пабмед Google ученый

    24. Сан, Т. и др. Интеграция временного и пространственного управления электронными переходами для яркого многофотонного преобразования с повышением частоты. Нац. коммун. 10 , 1811 (2019).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    25. Cheng, X. et al. Er 3+ сенсибилизированные нанокристаллы с преобразованием фотонов с повышением частоты. Доп. Функц. Матер. 28 , 1800208 (2018).

      Google ученый

    26. Chen, Q. et al. Ограничение энергии возбуждения в Er 3+ -сенсибилизированных нанокристаллах с повышением частоты через Tm 3+ – опосредованное улавливание переходной энергии. Анжю. хим. Междунар. Эд. 56 , 7605–7609 (2017).

      КАС Google ученый

    27. Лю, Л. и др. Er 3+ Сенсибилизированные нанокристаллы с преобразованием второго окна ближней инфракрасной области от 1530 до 1180 нм для биосенсорного анализа in vivo . Анжю. хим. Междунар. Эд. 57 , 7518–7522 (2018).

      КАС Google ученый

    28. Чжоу, Б. и др. Преобразование фотонов с повышением частоты, реагирующее на NIR II, за счет миграции энергии в подрешетке иттербия. Нац. Фотоника 14 , 760–766 (2020).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

    29. Вюрт, С., Фишер, С., Грауэль, Б., Аливисатос, А. П. и Реш-Генгер, У. Квантовый выход, поверхностное тушение и эффективность пассивации для сверхмалых ядер/оболочек, преобразующих наночастицы с повышением частоты. Дж. Ам. хим. соц. 140 , 4922–4928 (2018).

      ПабМед Google ученый

    30. Johnson, N.J. et al. Прямые доказательства связанной динамики поверхностного и концентрационного тушения в нанокристаллах, легированных лантанидами. Дж. Ам. хим. соц. 139 , 3275–3282 (2017).

      КАС пабмед Google ученый

    31. Wang, F. & Liu, X. Многоцветная настройка наночастиц, легированных лантаноидами, путем возбуждения на одной длине волны. Согл. хим. Рез. 47 , 1378–1385 (2014).

      КАС пабмед Google ученый

    32. Лян, Л., Цинь, X., Чжэн, К. и Лю, X. Управление потоком энергии в наносистемах с преобразованием частоты. Согл. хим. Рез. 52 , 228–236 (2018).

      ПабМед Google ученый

    33. Гаргас, Д. Дж. и др. Разработка ярких нанокристаллов размером менее 10 нм с преобразованием с повышением частоты для визуализации одиночных молекул. Нац. нанотехнологии. 9 , 300–305 (2014).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед Google ученый

    34. “>

      Тиан, Б. и др. Многофотонная визуализация с низкой освещенностью с помощью легированных нанокристаллов лантанидов. Нац. коммун. 9 , 3082 (2018).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    35. Wang, F., Deng, R. & Liu, X. Приготовление ядра-оболочки NaGdF 4 наночастицы, легированные люминесцентными ионами лантанидов, для использования в качестве зондов на основе ап-конверсии. Нац. протокол 9 , 1634 (2014).

      КАС пабмед Google ученый

    36. Аадхи, А. и др. Гибридный лазер с широкими возможностями реконфигурации на основе интегрированного нелинейного волновода. Опц. Эксп. 27 , 25251–25264 (2019).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

    37. Чжао, Дж. и др. Точный контроль наночастиц с преобразованием ядра в оболочку с повышением частоты с помощью инженерии анизотропной деформации. Доп. Функц. Матер. 29 , 1

      5 (2019).

      КАС Google ученый

    38. Лю, Д. и др. Трехмерный контролируемый рост монодисперсных гетерогенных нанокристаллов размером менее 50 нм. Нац. коммун. 7 , 10254 (2016).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    39. Чжао Дж., Чен Б. и Ван Ф. Пролить свет на роль деформации несоответствия в контроле нанокристаллов ядро-оболочка. Доп. Матер. 32 , 2004142 (2020).

      КАС Google ученый

    40. Benz, F. & Strunk, H.P. Люминесценция редкоземельных элементов: способ преодолеть концентрационное тушение. AIP Adv. 2 , 181901 (2012).

      Google ученый

    41. Чен Б. и Ван Ф. Новые возможности наночастиц с повышающей конверсией. Тренды Хим. 2 , 427–439 ​​(2020).

      Google ученый

    42. Вен, С. и др. Достижения в области высоколегированных наночастиц с повышающей конверсией. Нац. коммун. 9 , 2415 (2018).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    43. Chen, B. & Wang, F. Борьба с концентрационным гашением в наночастицах с повышающей конверсией. Согл. хим. Рез. 53 , 358–367 (2019).

      ПабМед Google ученый

    44. Strohhöfer, C. & Polman, A. Абсорбционная и эмиссионная спектроскопия в Er 3+ -Yb 3+ волноводах из легированного оксида алюминия. Опц. Матер. 21 , 705–712 (2003).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ Google ученый

    45. “>

      Су, К. и др. Влияние поверхностного покрытия на преобразование с повышением частоты, опосредованное миграцией энергии. Дж. Ам. хим. соц. 134 , 20849–20857 (2012).

      КАС пабмед Google ученый

    46. Tamboli, A.C. et al. Непрерывная генерация при комнатной температуре в микродисках GaN/InGaN. Нац. Фотоника 1 , 61–64 (2007).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

    47. Поллингер, М., О’Ши, Д., Уоркен, Ф. и Раушенбойтель, А. Перестраиваемый микрорезонатор в режиме шепчущей галереи со сверхвысокой добротностью. Физ. Преподобный Летт. 103 , 053901 (2009).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ пабмед Google ученый

    48. Tatebayashi, J. et al. Генерация при комнатной температуре в одиночном нанопроволоке с квантовыми точками. Нац. Фотоника 9 , 501–505 (2015).

      ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Google ученый

    49. Zhu, H. et al. Усиленное спонтанное излучение и генерация нанокристаллах с повышающей конверсией, легированных лантаноидами. ACS Nano 7 , 11420–11426 (2013).

      КАС пабмед Google ученый

    50. Гу, Ф. и др. Генерация одной моды шепчущей галереи в микрорезонаторах из полимерных бутылок с помощью пространственной накачки. Легкие науки. заявл. 7 , 38 (2018).

      Google ученый

    Ссылки для скачивания

    Благодарности

    Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (№№ 21773200, 21573185, 61805058 и 62105291), Советом по исследовательским грантам Гонконга (112105210, -1S03) и Шэньчжэньского фонда фундаментальных исследований (JCYJ20180306171700036).

    Информация об авторе

    Примечания автора

    1. Эти авторы внесли равный вклад: Tianying Sun, Bing Chen.

    Авторы и организации

    1. Факультет материаловедения и инженерии, Городской университет Гонконга, 83 Tat Chee Avenue, Hong Kong SAR, China

      Tianying Sun, Bing Chen, Yang Guo, Qi Zhu, Jianxiong Zhao & Feng Wang

    2. Школа химического машиностроения и технологий Университета Сунь Ятсена, Чжухай, 519082, Китай

      Тяньин Сунь и Яобинь Гао

    3. Городской университет Гонконга, Шэньчжэньский научно-исследовательский институт, Шэньчжэнь, 51800, Китай

      Тяньин Сунь, Бин Чен, Ян Го, Ци Чжу, Цзяньсюн Чжао и Фэн Ван

    4. Факультет физики, Городской университет Гонконга, 83 Тат Чи Авеню, САР Гонконг, Китай

      Юхуа Ли и Сай Так Chu

    5. Колледж материаловедения и инженерии Шэньчжэньского университета, Шэньчжэнь, 518060, Китай

      Xian Chen

    6. Ключевая государственная лаборатория перестраиваемых лазерных технологий, Министерство промышленности и информационных технологий Ключевая лаборатория микро-нано-оптоэлектронной информации Система, Харбинский технологический институт (Шэньчжэнь), Шэньчжэнь, 518055, Китай

      Yunkai Wu & Limin Jin

    Авторы

    1. Tianying Sun

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    2. Bing Chen

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    3. Yang Guo

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

    4. Qi Zhu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    5. Jianxiong Zhao

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    6. Yuhua Li

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    7. Сиань Чен

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    8. Yunkai Wu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    9. Yaobin Gao

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    10. Limin Jin

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    11. Sai Tak Chu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    12. Feng Wang

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    Вклады

    TS, BC и F. W. задумали проекты, разработали эксперименты и написали статью. TS, BC, Y.Guo, QZ, JZ, XC и Y.Gao провели эксперименты и проанализировали данные. Ю.Л. и С.Т.К. подготовил схему волновода. Ю.В. и LJ изготовили и испытали лазеры. Все авторы внесли свой вклад в анализ этой рукописи.

    Авторы переписки

    Переписка с Лимин Джин, Сай Так Чу или Фэн Ван.

    Заявление об этике

    Конкурирующие интересы

    Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Рецензирование

    Информация о рецензировании

    Nature Communications благодарит анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы. Доступны отчеты рецензентов.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Дополнительная информация

    Дополнительная информация

    Сводка отчетности

    Файл рецензирования

    Права и разрешения

    Открыть доступ . , совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете первоначальных авторов и источник, предоставите ссылку на лицензию Creative Commons и укажете, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    Дополнительная литература

    • Инженерный нанозонд с повышающим преобразованием ядра и оболочки для измерения скорости жидкости с учетом спектра

      • Хай Хуанг
      • Шаосюн Ван
      • Дацин Чен

      Наноисследования (2022)

    Комментарии

    Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

    Гибкий малоинвазивный метод измерения методом когерентной антистоксовой рамановской спектроскопии (CARS) с коническим волоконно-оптическим датчиком для исследования отдельных клеток | PhotoniX

    • Исследования
    • Открытый доступ
    • Опубликовано:
    • Тонг Ван 1,2,3 ,
    • Цзюньфэн Цзян 1,2,3 ,
    • Kun Liu 1,2,3 ,
    • Shuang Wang 1,2,3 ,
    • Panpan NIU 1,2,3 ,
    • Yize Liu 1,2,3 и
    • …
    • Тиген Лю 1,2,3  

    Фотоникс том 3 , Номер статьи: 11 (2022) Процитировать эту статью

    • 896 доступов

    • 1 Цитаты

    • Сведения о показателях

    Abstract

    Мы предложили и продемонстрировали гибкий, эндоскопический и минимально инвазивный метод измерения когерентного комбинационного рассеяния Стокса (CARS) для одноклеточного применения с использованием конического волоконно-оптического зонда. Маломодовое волокно (FMF), генерируемая полоса четырехволнового смешения которого выходит за пределы сигналов CARS, было выбрано для изготовления конических волоконно-оптических зондов, доставки импульсов возбуждения CARS и сбора сигналов CARS. Адиабатический конический волоконный зонд диаметром 11,61 мкм может фокусировать свет возбуждения CARS без рассогласования в точке фокусировки. Измерения для проверки концепции проводились с метанолом, этанолом, циклогексаном и ацетоном, введенными в моделируемые клетки. Экспериментальные результаты показывают, что конический волоконно-оптический зонд может обнаруживать вещества с высоким содержанием углерод-водородных (C–H) связей и их концентрацию. Насколько нам известно, этот оптоволоконный зонд имеет минимальный размер среди зондов для обнаружения сигналов CARS. Эти результаты открывают путь к минимально инвазивному обнаружению живых клеток в будущем.

    Введение

    Способность обнаруживать внутриклеточные биомолекулы и отслеживать изменения их концентрации имеет важное значение для выявления многих распространенных заболеваний человека. Например, липиды в пенистых клетках играют важную роль в определении уязвимости бляшек к атеросклерозу [1], а повышенный синтез липидов de novo в клетках является распространенным признаком злокачественных новообразований человека из-за нарушения регуляции метаболических путей [2]. Обнаружение присутствия и концентрации биомолекул в живых клетках имеет важное значение для изучения прогрессирования заболевания и ранней диагностики. Когерентное антистоксово комбинационное рассеяние (CARS) — это метод, подходящий для обнаружения внутриклеточных биомолекул из-за его преимуществ химической селективности с обнаружением без меток, что является результатом исследования целевой информации о колебаниях молекул [3,4,5]. CARS является идеальным инструментом для обнаружения биомолекул с высоким содержанием углерод-водородных (C–H) связей, таких как липиды, которые демонстрируют отчетливые колебательные характеристики в диапазоне 2700 см 9.0020 −1  ~ 3200 см −1 спектра КАРС.

    В обычных системах CARS используются объективы с высокой числовой апертурой (ЧА) для сведения света накачки и света Стокса на образцы. Такие системы позволяют проводить исследования высокоискусственной изоляции отдельных клеток и количественную характеристику внутриклеточных биомолекул [6,7,8,9]. Хотя изучение одиночных клеток полезно, клетки в биологических тканях также нуждаются в большом изучении, поскольку хорошо известно, что клетки ведут себя в биологических тканях совершенно иначе, чем при отделении в искусственных средах [10]. Однако из-за неоднородного показателя преломления (RI) биологических тканей сфокусированные возбуждающие световые лучи сильно рассеиваются и, таким образом, не могут достичь клеток глубоко в биологических тканях. Кроме того, обычные системы CARS требуют идеальной коллимации, которую сложно поддерживать.

    Оптическое волокно как носитель лазерной передачи преодолевает некоторые из этих ограничений, что позволяет доставлять свет возбуждения непосредственно и близко к образцу [11]. Благодаря гибкости и портативности оптическое волокно подходит для эндоскопического оптического обнаружения клеток CARS глубоко внутри тканей. Для уменьшения размеров волоконно-оптических эндоскопических зондов CARS применяются микросканеры и системы малых линз, заменяющие объективы с высокой числовой апертурой для фокусировки возбуждающего света [12,13,14,15,16]. Хотя эти подходы были продемонстрированы при эндоскопическом обнаружении сигналов CARS глубоко в ткани, миллиметровый размер этих эндоскопов не позволяет использовать инструменты химического анализа in vivo, не разрушающие ткани [17]. Достижения в области оптического дизайна, в том числе использование метаматериалов, новых конструкций волокон и оптики, напечатанной на 3D-принтере или произвольной формы, позволяют еще больше миниатюризировать волоконно-оптические эндоскопические датчики CARS [10]. Ломбардини и др. вставил микросферу кремнезема в выходной торец оптического волокна с помощью CO 2 Лазерный сварочный аппарат для изготовления компактного оптоволоконного зонда CARS. Микросфера кремнезема служила линзой и фокусировала на образцы два выходных света возбуждения [18]. Однако микросфера кремнезема фокусировала свет накачки и свет Стокса в разных положениях из-за присущей им хроматической аберрации, что приводило к снижению эффективности возбуждения CARS. Между тем, сферическая форма затрудняет прокол клеточной мембраны и осуществление внутриклеточного обнаружения, а процесс фиксации стеклянных микросфер на поверхности волокна сложен.

    Конический волоконно-оптический датчик является многообещающим решением этих проблем. Во-первых, конический волоконно-оптический зонд можно легко изготовить с помощью самодельного или промышленного станка для сужения. Во-вторых, конические волоконно-оптические датчики не причинят значительного вреда клеткам из-за их небольшого размера, а процессы введения, опроса и извлечения экономят время. Кроме того, внеклеточные события, такие как секреция клеток, могут быть легко обнаружены благодаря гибкости конических волоконно-оптических зондов [19].]. Конические волоконно-оптические зонды широко используются в биоанализе и приложениях, связанных с клетками, таких как обнаружение внутриклеточного PH [19, 20], обнаружение клеточных белков [21, 22] и обнаружение метаболических соединений рака [23]. Кроме того, световое поле с большим градиентом интенсивности, излучаемое коническими волоконными зондами, может быть использовано для волоконных пинцетов [24]. Другими словами, обнаружение сигналов CARS и оптический захват клеточных органелл могут быть интегрированы в один конический волоконно-оптический датчик.

    В этой статье мы предложили и продемонстрировали гибкий эндоскопический малоинвазивный метод измерения CARS с помощью конического волоконно-оптического датчика, как показано на рис. 1a. Маломодовое волокно (FMF) с генерируемой полосой четырехволнового смешения (FWM) из сигналов CARS было выбрано для изготовления адиабатического конусного оптоволоконного зонда и линии подачи волокна. Адиабатический конический волоконно-оптический датчик был использован для реализации фокусировки возбуждающего света CARS без рассогласования в фокальной точке. Мы теоретически проанализировали долю оптической мощности в волокне, а также дисперсию и нелинейность волоконно-оптического зонда, что указывает на то, что изготовленный конический волоконно-оптический зонд с диаметром дистальной оболочки 11,61 мкм позволяет доставлять и фокусировать свет возбуждения. , и не вызывают значительного расширения временной области или спектрального сдвига импульсов возбуждения. Измерения для проверки концепции проводились с метанолом, этанолом, циклогексаном и ацетоном, введенными в моделируемые клетки. Экспериментальные результаты показывают, что конический волоконно-оптический зонд может обнаруживать вещества, богатые связью С–Н, и их концентрацию. Насколько нам известно, оптоволоконный зонд обеспечивает минимальный размер среди зондов для обнаружения сигналов CARS. Предлагаемый конический волоконно-оптический зонд обещает стать инструментом химического анализа in vivo, не разрушающим ткани, и открывает значительный путь к минимально инвазивному обнаружению сигналов CARS живых клеток глубоко в тканях.

    Рис.1

    Принцип работы конических волоконно-оптических зондов CARS для одноклеточной малоинвазивной эндоскопии. a Иллюстрация и (b) фотография изготовленного устройства, включающего конический наконечник волокна. c Увеличенный вид наконечника волокна

    Изображение в натуральную величину

    Материалы и методы

    Системы возбуждения и сбора сигналов CARS

    Наш самодельный источник возбуждения CARS может генерировать две последовательности ультракоротких импульсов с чирпом, которые можно использовать в качестве накачки свет Стокса, а источник возбуждения CARS показан на рис. 2а. Оптоволоконный лазерный источник (C-fiber 780, MenloSystems) обеспечивает сверхкороткие импульсы с ограниченным преобразованием с 80,49длительность импульса фс, центральная длина волны 780 нм и спектральная ширина 12,82 нм. Жидкокристаллический регулируемый замедлитель (LCVR, LCC1113-B, Thorlabs) и поляризационный светоделитель (PBS, PBS052, Thorlabs) разделяют фемтосекундные импульсы на две ветви с регулируемой оптической мощностью. Передаваемая ветвь вводится в сохраняющее поляризацию фотонно-кристаллическое волокно длиной 2,81 м (PM-PCF, NL-PM-750, NKT Photonics) для генерации перестраиваемых оптических солитонов за счет эффекта солитонного собственного сдвига частоты (SSFS). Фундаментальный солитон, длина волны которого может быть настроена примерно на 1100 нм, проходит через 30-сантиметровый стеклянный стержень SF10 и служит стоксовым импульсом. Напряжение, подаваемое на LCVR, управляет длиной волны стоксова импульса. Отраженная ветвь проходит через оптическую линию задержки (ODL, ODL100/M, Thorlabs) и стеклянный стержень SF10 длиной 20 см, а затем действует как импульс накачки. Стеклянные стержни SF10 разной длины, вставленные в тракты накачки и стоксова светового потока, создают одинаковую частоту чирпа накачки и стоксова импульсов для улучшения спектрального разрешения КАРС [25]. В конце концов импульсы накачки и стоксовы импульсы объединяются длиннопроходным дихроичным зеркалом (DM, длина волны отсечки: 900 нм, DMLP900, Thorlabs) и вводили в зонд FMF с помощью коллиматора (COL, PAF-X-7-B, Thorlabs). Средние мощности на образце составляют ∼13 мВт для накачки и ∼0,7 мВт для стоксова.

    Рис.2

    a Принципиальная схема системы CARS на основе SSFS с комбинированной перестройкой длины волны. LCVR: жидкокристаллический переменный замедлитель, PBS: поляризационный светоделитель, HWP: полуволновая пластина, BE: расширитель луча, FP: оптоволоконный порт, PM-PCF: фотонно-кристаллическое волокно с сохранением поляризации, COL: коллиматор, SF10: дисперсия SF10 стеклянная палочка, л 1  = 5 см, l 2  = 15 см, l 3  = 15 см, M: зеркало, ODL: оптическая линия задержки, VA: регулируемый оптический аттенюатор, DM: длиннопроходное дихроичное зеркало, SPF: короткий -проходной фильтр, ФЭУ: фотоумножители. b Схематическая диаграмма настройки разности частот линейно-чирпированной накачки и стоксова импульса при спектральной фокусировке путем настройки относительной временной задержки

    Изображение в натуральную величину ) сигналы образцов, включая FMF в качестве собирающего волокна, коллиматор, фильтр короткого пропускания (длина волны среза 750 нм, FESH0750, Thorlabs) и фотоумножитель (ФЭУ, PMM02, Thorlabs). FMF для сбора сигналов CARS такой же, как и для изготовления конического волокна. Сигналы F-CARS образцов собираются собирающим волокном, отфильтровываются от импульсов возбуждения фильтром и обнаруживаются ФЭУ. Сигнал от ФЭУ отправляется на карту сбора данных (NI 6356, National Instruments). Входной диапазон составляет  ± 2 В, а разрешение АЦП – 16 бит. Время нарастания ФЭУ в эксперименте составляет 15 мкс.

    На рисунке 2b представлена ​​схема настройки разности частот линейно-чирпированной накачки и стоксова импульса при спектральной фокусировке путем настройки относительной временной задержки. Разность частот между линейно чирпированными импульсами можно настроить, регулируя относительную оптическую задержку. Стеклянные стержни СФ10 обладают положительной дисперсией на частоте импульса возбуждения. В результате передний фронт импульса представляет собой низкочастотную составляющую, а задний фронт — высокочастотную составляющую. Когда высокочастотная составляющая импульса накачки перекрывается с низкочастотной составляющей стоксова импульса, разность частот оказывается наибольшей, и возбуждаются сигналы CARS с высоким волновым числом. Когда низкочастотная составляющая импульса накачки перекрывается с высокочастотной составляющей стоксова импульса, разность частот наименьшая, и возбуждаются сигналы КАРС с низким волновым числом.

    Конструкция конического волоконно-оптического датчика CARS

    Конический волоконно-оптический датчик CARS был изготовлен с помощью FMF. Поскольку диаметр поля моды FMF больше, чем у одномодового волокна (SMF), нелинейные эффекты в сердцевине волокна FMF слабее. По сравнению со ступенчатым FMF и многомодовым волокном (MMF), FMF с градиентным показателем преломления поддерживает меньше мод и эффективно снижает влияние интермодальной дисперсии на возбуждающие огни CARS. Таким образом, мы изготовили конический волоконно-оптический датчик с использованием FMF с градиентным показателем преломления (FM GI-4, YOFC). Диаметры сердцевины и оболочки FMF составляют 23 мкм и 125 мкм соответственно. Более того, использование FMF с градуированным показателем преломления обеспечивает эффективность связи 86% и 78% для света накачки и света Стокса соответственно. В случае SMF эффективность связи составляет  ~ 70% и  ~ 60% для света накачки и света Стокса соответственно. Эффективность связи представляет собой отношение оптической мощности возбуждающего света, выходящего из стеклянного стержня СФ10 длиной L 3 к оптической мощности возбуждающего света, выводимого из оптического волокна. Схема измерения эффективности связи и результаты измерений показаны на рис. S1.

    Кроме того, система конических волоконных зондов на основе FMF может реализовать доставку возбуждения CARS и обнаружение сигналов CARS без фоновых сигналов FWM. Спектральная область от 2700 см -1 до 3200 см -1 представляет собой «окно C – H» в рамановской спектроскопии. В этой области различные биологические внутриклеточные молекулы, такие как липиды и белки, обладают уникальными характеристиками. Однако конические волоконно-оптические зонды и системы доставки волокна для обнаружения CARS могут столкнуться с проблемой генерации сигналов FWM в самом волокне в той же спектральной области, которые невозможно отличить от полезных сигналов CARS. ЧВВ-сигналы ММП с градуированным показателем преломления показаны сплошной красной линией на рис. 3. ЧВВ-сигналы ММП охватывают диапазон от  ~ 2700 см -1 до 2900 см -1 и мешают обнаружению колебаний связи C - H. Таким образом, волоконный зонд и системы доставки волокна, использующие такое волокно, должны подавлять или устранять генерируемые сигналы FWM для обнаружения без фонового шума. Хотя микродихроичные зеркала, фильтры и волновые пластины с двумя длинами волн можно использовать для подавления или устранения сигналов ЧВВ [13, 16, 26, 27], эти элементы пространственной оптики сделают волоконные зонды громоздкими, что несовместимо с обнаружением глубоких тканей in vivo. . Датчики FMF могут обеспечить бесшумное обнаружение CARS без фильтрующих элементов и уменьшить размер датчиков по той причине, что фон FWM используемого нами FMF охватывает от   ~   3400 см -1 до 3800 см -1 , как показано на рис. 3. Возможное объяснение FWM сигналов FMF в конкретном диапазоне (~ 3400 см -1 до 3800 см -1 ) таково: примеси, легированные в волокне. Примеси добавляются в сердечник для регулировки RI, а резонансные пики некоторых уникальных примесей находятся в диапазоне от 3400 см -1 до 3800 см -1 , таких как оксид бора [28]. Различные условия обработки и подготовки волокна также могут привести к появлению резонансных пиков примесей в диапазоне 3400 см -1 до 3800 см -1 . Например, обычно легированные примеси внутри оптического волокна, такие как диоксид германия, могут быть получены различными способами. Резонансный пик гидротермально выращенного диоксида германия составляет около 3500 волновых чисел [29].

    Рис.3

    ЧВВ-сигналы ММП охватывают диапазон от  ~ 2700 см −1 до 2900 см −1 и мешают регистрации колебаний связи C–H. ЧВМ-сигналы ЧМП покрывают от ~ 3400 см −1 до 3800 см −1 и избежать помех при обнаружении колебаний связи C–H. По сравнению с неадиабатическим конусом, адиабатический конус, который мы приняли в этой работе, имеет плавную область перехода конуса, в результате чего основная часть оптической энергии остается в основной моде без перехода в моды более высокого порядка, избегая эффектов интермодальная дисперсия на процесс возбуждения КАРС. Когда волокно сужается, свет больше не может удерживаться в сердцевине и затем направляется границей оболочка-внешняя среда, когда разница между показателями преломления (RI) сердцевины и оболочки недостаточно велика. По мере дальнейшего сужения волокна свет больше не может удерживаться в волокне и просачивается во внешнюю среду, если диаметр дистального конуса слишком мал, что приводит к увеличению вносимых потерь и снижению эффективности возбуждения CARS. Чтобы выбрать правильный диаметр дистальной оболочки, мы рассчитали долю η оптической мощности, удерживаемой в волокне с различными диаметрами оболочки волокна, используя метод конечных разностей во временной области (FDTD). Диаметр поперечного сечения оболочки FMF находится в диапазоне 4 мкм ~ 125 мкм. Поскольку длина конуса адиабатического волокна намного больше радиуса волокна, можно считать, что диаметр конуса уменьшается приблизительно линейно. Диаметр сердцевины волокна варьируется в зависимости от диаметра конической оболочки с фиксированной пропорцией в следующих симуляциях, а соотношение сердцевины волокна и оболочки волокна составляет 23:125. В качестве RI внешней среды в расчетах используется RI тканей человека. Однако RI тканей человека сложны, и разные ткани обладают разными RI. Большинство мягких тканей человека имеют более высокий RI, чем вода (1,33), в диапазоне 1,35 ~ 1,45 [30]. RI воды и жировых тканей человека (ATs) используются в качестве RI внешних сред, представляя нижний и верхний пределы RI большинства мягких тканей человека. Потому что RI AT относительно высок в организме человека. Как и для любых других материалов, RI тканей человека сильно зависит от длины волны света. Согласно литературным данным [31], RI AT человека при температуре тела 37 °C оценивается как 1,455 при 780 нм и 1,452 при 1030 нм.

    Расчетное η показано на рис. 4. Синие сплошные и пунктирные линии представляют η при 780 нм и 1030 нм, когда в качестве RI внешней среды используется RI воды. Красные сплошные и пунктирные линии представляют η при 780 нм и 1030 нм, когда RI AT используется в качестве RI внешней среды. Когда внешней средой является вода, более 90% энергии может удерживаться в оптическом волокне с диаметром оболочки 4 мкм ~ 125 мкм. Тогда как при использовании внешней среды в качестве АТ во внешнюю среду происходит утечка более 20% световой энергии при диаметре оболочки менее 11 мкм, что приводит к потерям световой энергии и снижению эффективности возбуждения сигнала КАРС. . При внешней среде Ats и диаметре волокна 12 мкм η равно 92,4% при 780 нм и 85,3% при 1030 нм. Учитывая долю мощности в волокне и прочность волоконного зонда, конический волоконно-оптический зонд с дистальным диаметром  ~ 12 мкм подходит для конического волоконно-оптического зонда CARS.

    Рис.4

    Результаты расчета доли оптической мощности в волокне η с диаметром оболочки от 4 мкм до 125 мкм. Синяя линия обозначает, что внешней средой является вода, а красная линия обозначает, что внешней средой являются АЦ. η равно 92,4% на 780 нм и 85,3% на 1030 нм при диаметре оболочки 12 мкм и внешней среде АЦ

    Изображение в натуральную величину

    Изготовление конического волоконно-оптического зонда КАРС

    Техника кислородной чистки пламенем. Процесс сужения: во-первых, закрепите FMF на приспособлении и снимите слой покрытия с области, которую нужно сужать. Во-вторых, FMF непрерывно нагревается и растягивается пламенем. В-третьих, система сращивания волокон (LDS 2.5, 3SAE) используется для нахождения самой тонкой точки суженного волокна, измерения диаметра сужения и разделения его на две части. Процесс подготовки конического оптоволоконного зонда показан на рис. S2. Длина конуса составляет 7 мм, а диаметр конуса – 11,61 мкм. Изготовленный конический волоконно-оптический зонд CARS имеет длинный косичку (~   50 см) для быстрого подключения к устройству связи оптической мощности и облегчения работы. Изготовленный конический волоконно-оптический зонд показан на рис. 1b.

    Расчет влияния конических волоконно-оптических зондов на импульсы возбуждения CARS

    Для анализа и оценки расширения временной области и спектрального сдвига, вызванных коническим оптическим волокном, мы рассчитали дисперсию и нелинейность FMF с 4 мкм ~ 125 мкм диаметры поперечного сечения оболочки, и результаты показаны на рис.  5а. Красная сплошная линия и красная пунктирная линия представляют дисперсию при 780 нм и 1030 нм соответственно. В зависимости от диаметра оболочки дисперсия при 780 нм следует той же тенденции, что и при 1030 нм. Во-первых, дисперсия на 780 нм и 1030 нм стабильно остается -103,9.1 пс/нм·км и -25,73 пс/нм·км при диаметре оболочки более 30 мкм соответственно. Во-вторых, дисперсия постепенно уменьшается по мере уменьшения диаметра оболочки. Дисперсия на 780 нм достигает минимума -124,04 пс/нм·км при диаметре оболочки 18 мкм, а на 1030 нм достигает минимума -41,44 пс/нм·км при диаметре оболочки 21 мкм. В-третьих, дисперсия увеличивается по мере дальнейшего уменьшения диаметра оболочки из-за увеличения доли световой энергии, передаваемой в оболочке, и большего диаметра поля мод оптического волокна. На рис. 5b синяя сплошная линия и синяя пунктирная линия представляют нелинейность при 780 нм и 1030 нм соответственно. Во-первых, нелинейность на 780 нм и 1030 нм постоянно остается 0,16 Вт -1 /км и 0,12 Вт -1 /км, а затем постепенно увеличивается. Нелинейность на 780 нм достигает максимума 14,52 Вт -1 /км при диаметре оболочки 19 мкм, а на 1030 нм достигает максимума 6,66 Вт -1 /км при диаметре оболочки 22 мкм. Во-вторых, нелинейность уменьшается с уменьшением диаметра оболочки. Нелинейность на 780 нм достигает минимума 4,98 Вт -1 /км при диаметре оболочки 9 мкм и 1,38 Вт -1 /км на 1030 нм при диаметре оболочки 12 мкм. В-третьих, по мере дальнейшего уменьшения диаметра оболочки нелинейность возрастает. По мере уменьшения диаметра оболочки нелинейность сначала увеличивается, затем уменьшается и, наконец, снова увеличивается, поскольку мода распространения переходит от основной моды к оболочке. При этом свет распространяется и перераспределяется в оболочке, что приводит к изменению эффективной площади моды и, в конечном счете, к изменению нелинейности.

    Рис.5

    a Расчетная дисперсия оптического волокна с диаметром оболочки 4 мкм ~ 125 мкм. Дисперсия на 780 нм и 1030 нм достигает минимальных значений -124,04 пс/нм·км и -41,44 пс/нм·км при диаметрах оболочки 18 мкм и 21 мкм соответственно. b Расчетная нелинейность оптического волокна с диаметром оболочки 4 мкм ~ 125 мкм. Нелинейность на 780 нм и 1030 нм достигает максимальных значений 14,52 Вт -1 /км и 6,66 Вт -1 /км при диаметрах оболочки 19 мкм и 22 мкм соответственно, а минимальных значений достигает 4,9.8 Вт -1 /км и 1,38 Вт -1 /км при диаметрах оболочки 9 мкм и 12 мкм соответственно уширение временной области и спектральный сдвиг ультракоротких импульсов через конический волоконно-оптический зонд. Длина конуса составляет 7 мм, а диаметр конуса – 11,61 мкм. Мы используем рассчитанные дисперсию и нелинейность с диаметром оболочки 11,61 мкм ~ 125 мкм на рис. 5, чтобы аппроксимировать характеристики волокна в произвольных положениях вдоль волокна. Результаты расчетов показаны на рис. 6. Красные сплошные и пунктирные линии представляют расширение временной области при 780 нм и 1030 нм соответственно. Согласно результатам расчетов, уширение временной области увеличивается с увеличением временной ширины падающих ультракоротких импульсов, общий коэффициент уширения низкий (< 1,02). Поскольку длина используемого конического оптоволоконного зонда составляет 7 мм, а дисперсия и нелинейность значительно изменяются только при диаметре оболочки менее 20 мкм. Таким образом, расширение временной области ультракоротких импульсов, передаваемых в коническом волоконно-оптическом зонде, в основном вызвано дисперсией. Синие сплошные и пунктирные линии на рис. 6 представляют спектральный сдвиг для 780 нм и 1030 нм соответственно. Сплошная и пунктирная линии перекрываются, и обе остаются равными нулю по мере увеличения ширины временной области сверхкоротких импульсов. Когда ультракороткий импульс передается в сужающемся оптоволоконном зонде, общий коэффициент нелинейности сужающегося волоконно-оптического зонда низкий. Конический волоконно-оптический зонд не приводит к значительному спектральному сдвигу ультракоротких импульсов, поскольку длина взаимодействия ультракоротких импульсов и части сужающегося волоконно-оптического зонда с высокой нелинейностью ограничена.

    Рис.6

    Расчетное расширение временной области и спектральный сдвиг ультракоротких импульсов с различной шириной импульса, передаваемых 7-миллиметровым конусным оптоволоконным датчиком. Общий коэффициент расширения во временной области составляет  < 1,02 для импульсов 780 нм и  < 1,005 для импульсов 1030 нм. Благодаря конструкции, полностью состоящей из волокна, волоконный датчик может быть переработан после дезинфекции и стерилизации.

    Результаты

    Сначала мы продемонстрировали способность различать различные спектры комбинационного рассеяния света нашего конического волоконно-оптического зонда, используя два образца микросфер. Один образец представлял собой полистироловые микросферы размером 15 мкм (ПС, ПСМС-1.07, Cospheric), а другой образец представлял собой полиметилметакрилатные микросферы диаметром 15 мкм (ПММА, ПМПМС-1.2, Cospheric). На рисунке 7а показано микроскопическое изображение микросфер PS и ПММА. Обе микросферы были нанесены на предметные стекла. Измеренные спектры КАРС были получены для темного фона (синий квадрат на рис. 7а), микросфер ПММА (зеленый квадрат на рис. 7а) и микросферы ПС (красный квадрат на рис. 7а), и результаты представлены на графике с тот же цветовой код, что и на рис. 7b. Пик рамановского резонанса приходится на 29Видны 12 см -1 и 3064 см -1 для микросфер ПС и 2953 см -1 для микросфер ПММА. Эти экспериментальные результаты демонстрируют способность конических волоконно-оптических зондов выполнять специфическое для химических веществ обнаружение путем регистрации спектров CARS.

    Рис.7

    a Микроскопическое изображение образцов микросфер PS и микросфер PMMA, синие, красные и зеленые квадраты представляют фон слайда, микросферы PS и микросферы PMMA соответственно. b Сигналы CARS, обнаруженные оптоволоконным зондом и c элементами свободного пространства. Синие, красные и зеленые сплошные линии представляют сигналы фона слайда, микросфер PS и микросфер PMMA, соответственно.

    Полноразмерное изображение

    свет на образцы и собирать сигналы F-CARS. Обнаруженные спектры CARS показаны на рис. 7c. Спектральные положения пиков CARS микросфер PS и PMMA согласуются со спектрами CARS, полученными с помощью зонда с коническим волокном. Два сигнала CARS похожи, что свидетельствует о том, что интермодальная дисперсия в FMF не влияет на свойства волоконного зонда.

    Затем мы перешли к смоделированным клеткам, чтобы продемонстрировать возможность эндоскопического обнаружения одиночных клеток. Здесь имитацией ячеек служили полые стеклянные микропузырьки, закрепленные на трюмном волокне. Диаметр полого стеклянного микропузырька, использованного в эксперименте, составляет 75 мкм, что близко к некоторым интересным клеткам, таким как пенистые клетки макрофагов, вызывающие атеросклероз, и клетки гепатоцеллюлярной карциномы [32,33,34]. Микропробирку диаметром 12 мкм подсоединяли к шприцевому насосу. С микропробиркой манипулировали трехмерным (3D) микроманипулятором, чтобы можно было легко вводить различные жидкости, имитирующие цитоплазму, в моделируемую клетку. Конический волоконно-оптический зонд, установленный на другом 3D-микроманипуляторе, осторожно вставляли в смоделированную ячейку и доставляли возбуждающие лучи. Сигналы F-CARS собирались собирающим волокном и обнаруживались ФЭУ. Физическая микрофотография конического волоконно-оптического зонда, исследующего смоделированную клетку, показана на рис. 8а. На рис. 8b и c показано, что смоделированная ячейка заполнялась жидкостью и была заполнена жидкостью соответственно.

    Рис.8

    a Физическая микрофотография конического оптоволоконного зонда, исследующего смоделированную клетку. b Жидкость вводилась в смоделированную ячейку. c Заполненная жидкостью имитационная ячейка

    Полноразмерное изображение

    На рисунке 9а показаны измеренные спектры КАРС метанола, введенного в имитируемую ячейку, и два пика, соответствующие рамановскому резонансу при 2835 см, −1, и 2945 см −1 успешно обнаружены. Рисунок 9б — спектры КАРС инжектированного этанола в микропузырьке. Из-за ограниченного разрешения резонансного спектра системы CARS и слабой энергии пика рамановского резонанса этанола при 2973 см -1 отображаются пики рамановского резонанса при 2927 см -1 и 2973 см -1 . в один пик. На рисунке 9c показаны спектры CARS введенного циклогексана. Сигналы первого пика соответствуют рамановскому резонансу циклогексана при 2853 см -1 , а сигналы второго пика содержат рамановский резонанс при 2923 см -1 и 2938 см -1 .

    Рис. 9

    Спектры CARS метанола a , b этанола и c циклогексана, обнаруженные волоконным зондом CARS

    Полноразмерное изображение

    обнаруживать сигналы CARS жидких образцов в смоделированной ячейке, демонстрируя ее применимость для установки эндоскопического обнаружения CARS. Конический волоконно-оптический зонд может измерять спектры рамановского резонанса с разрешением  ~ 50 см −1 .

    В дополнение к качественному измерению образцов в смоделированных клетках конический волоконно-оптический зонд также можно использовать для определения локальной концентрации определенной молекулы в клетке, что полезно для отслеживания поглощения и метаболизма молекул. Чтобы продемонстрировать возможности количественного обнаружения конического волоконно-оптического зонда, мы ввели ацетон с различными концентрациями в моделируемую ячейку. Мощность сигнала CARS в режиме CH 3 теоретически обеспечивает возможность определения концентрации ацетона. Интенсивность сигналов КАРС, соответствующих разным концентрациям ацетона, показана на рис. 10а. Мы калибруем интенсивность CARS, измеренную на 2921 см -1 в зависимости от концентрации ацетона в воде, и результаты показаны на рис. 10b. Линейная аппроксимация выполняется в диапазоне концентраций 50 ~ 100%, а расчетное разрешение измерения составляет 0,113% (16 мМ), как показано на рис. 10b. Зависимость между сигналами КАРС и концентрацией ацетона имеет примерно квадратичный характер. Такие явления обусловлены свойством когерентности КАРС, то есть квадратичной зависимостью интенсивности сигналов от числа колебательных мод [35]. На вставке к рис. 10а показаны спектры CARS 10 об.% ацетона и воды, демонстрирующие способность конического оптоволоконного зонда различать CH 3 и связи ОН в растворе.

    Рис.10

    a Спектры КАРС ацетона с различной объемной долей в воде. Вставка: Спектр CARS 10 об.% ацетона и воды. b Относительная интенсивность КАРС на 2921 см −1 для увеличения объемной доли ацетона в воде конический волоконно-оптический зонд для одноклеточных исследований. Адиабатический конический волоконно-оптический зонд использовался для реализации фокусировки возбуждающего света CARS без рассогласования в фокусной точке. FMF с генерируемой полосой FWM в 3400 см -1  ~ 3800 см -1 , который находится вне диапазона сигналов CARS (2700 см -1  ~ 3200 см -1 ), выбирается для изготовления адиабатических конических волоконно-оптических зондов, доставки возбуждающих ламп CARS, сбор сигналов CARS. Мы теоретически проанализировали долю оптической мощности в волокне, дисперсию и нелинейность волоконно-оптического зонда, которые показали, что изготовленные конические волоконно-оптические зонды с диаметром дистальной оболочки 11,61 мкм позволяют эффективно доставлять и фокусировать возбуждающий свет и не вызывают значительной временной области. уширение или спектральный сдвиг импульсов возбуждения. Измерения для проверки концепции проводились с метанолом, этанолом, циклогексаном и ацетоном, введенными в моделируемые клетки. Мы считаем, что волоконный зонд открывает захватывающие перспективы для интраоперационного обнаружения без меток для гистопатологической диагностики в реальном времени.

    Наличие данных и материалов

    Данные и соответствующие методы доступны по запросу у соответствующих авторов.

    Сокращения

    АВТОМОБИЛИ:

    Когерентное антикомбинационное стоксово рассеяние

    FMF:

    Маломодовое волокно

    C–H:

    Углерод-водород

    Нет данных:

    Числовая апертура

    РИ:

    Показатель преломления

    FWM:

    Четырехволновое смешение

    LCVR:

    Жидкокристаллический переменный замедлитель

    PBS:

    Поляризационный светоделитель

    HWP:

    Полуволновая пластина

    BE:

    Расширитель луча

    ВА:

    Регулируемый оптический аттенюатор

    PM-PCF:

    Фотонно-кристаллическое волокно с сохранением поляризации

    SSFS:

    Солитонный собственный сдвиг частоты

    ODL:

    Оптическая линия задержки

    DM:

    Дихроичное зеркало

    ФП:

    Оптоволоконный порт

    F-CARS:

    Вперед-АВТОМОБИЛИ

    SPF:

    Фильтр короткого пропускания

    PMT:

    Фотоэлектронный умножитель

    SMF:

    Одномодовое волокно

    ММФ:

    Многомодовое волокно

    РИ:

    Показатели преломления

    FDTD:

    Конечно-разностная временная область

    АТС:

    Жировая ткань

    GNLSE:

    Общее нелинейное уравнение Шрёдингера

    PS:

    Полистирол

    ПММА:

    Полиметилметакрилат

    3D:

    Трехмерный

    Ссылки

    1. “>

      Kellner-Weibel G, et al. Кристаллизация свободного холестерина в модельных пенистых клетках макрофагов. Atertio Thromb Vasc Biol. 1999; 19:1891–8. https://doi.org/10.1161/01.ATV.19.8.1891.

      Артикул Google ученый

    2. Юэ С. и др. Накопление эфира холестерина, вызванное потерей PTEN и активацией PI3K/AKT, лежит в основе агрессивности рака предстательной железы человека. Клеточный метаб. 2014;19:393–406. https://doi.org/10.1016/j.cmet.2014.01.019.

      Артикул Google ученый

    3. Zumbusch A, Holtom GR, Xie XS. Трехмерное изображение колебаний с помощью когерентного антистоксова комбинационного рассеяния. Phys Rev Lett. 1999;82:4142. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.4142.

      Артикул Google ученый

    4. Ченг JX, Се XS. Когерентная антистоксова микроскопия комбинационного рассеяния: аппаратура, теория и приложения. J Phys Chem B. 2004;108:827–40. https://doi.org/10.1021/jp035693м.

      Артикул Google ученый

    5. Юэ С., Ченг Дж.С. Расшифровка метаболизма отдельных клеток с помощью микроскопии когерентного комбинационного рассеяния. Curr Opin Chem Biol. 2016; 33:46–57. https://doi.org/10.1016/j.cbpa.2016.05.016.

      Артикул Google ученый

    6. Lee YJ, et al. Количественная характеристика дифференцировки стволовых клеток без использования меток на уровне отдельных клеток с помощью широкополосной когерентной микроскопии антистоксова комбинационного рассеяния. Tissue Eng, часть C. 2014; 20: 562–9.. https://doi.org/10.1089/ten.tec.2013.0472.

      Артикул Google ученый

    7. Di Napoli C, et al. Количественное пространственно-временное химическое профилирование отдельных липидных капель с помощью гиперспектральной микроскопии CARS в живых стволовых клетках, полученных из жировой ткани человека. Анальная хим. 2016; 88: 3677–85. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b04468.

      Артикул Google ученый

    8. Hofemeier AD, et al. Безметочная нелинейная оптическая микроскопия выявляет ранние маркеры остеогенной дифференцировки стволовых клеток человека. Научный доклад 2016; 6: 26716. https://doi.org/10.1038/srep26716.

      Артикул Google ученый

    9. Capitaine E, et al. Быстрая эпидетектируемая широкополосная мультиплексная визуализация CARS и SHG клеток черепа мыши. Биомед Опт Экспресс. 2018;9:245–53.

      Артикул Google ученый

    10. Унтрахт Г.Р., Карновски К., Сэмпсон Д.Д. Визуализация малого с помощью малого: перспективы фотоники в микроэндомикроскопии для минимально инвазивной биовизуализации с клеточным разрешением. АПЛ Фотоника. 2021;6: 060901.

      Артикул Google ученый

    11. “>

      Ван Х., Хафф Т.Б., Ченг Дж.С. Получение изображения когерентного антистоксова комбинационного рассеяния с лазерным источником, доставляемым по фотонно-кристаллическому волокну. Опция Летт. 2006; 31:1417–9. https://doi.org/10.1364/OL.31.001417.

      Артикул Google ученый

    12. Балу М., Лю Г.Дж., Чен З.П., Тромберг Б.Дж., Потма Э.О. Оптоволоконный зонд для эффективной визуализации тканей методом CARS. Выбрать Экспресс. 2010;18:2380–8. https://doi.org/10.1364/OE.18.002380.

      Артикул Google ученый

    13. Смит Б. и др. Портативный миниатюрный мультимодальный экзоскоп CARS с доставкой по оптоволокну. Выбрать Экспресс. 2013;21:17161–75. https://doi.org/10.1364/OE.21.017161.

      Артикул Google ученый

    14. Chen X, Xu X, McCormick DT, Wong K, Wong ST. Мультимодальная нелинейная эндомикроскопическая конструкция зонда для интраоперационной визуализации с высоким разрешением без маркировки. Биомед Опт Экспресс. 2015;6:2283–93. https://doi.org/10.1364/BOE.6.002283.

      Артикул Google ученый

    15. Лукич А. и др. Волоконный зонд для приложений нелинейной визуализации. J Биофотоника. 2016;9: 138–43.

      Артикул Google ученый

    16. Лукич А. и др. Эндоскопический волоконный зонд для нелинейной спектроскопической визуализации. Оптика. 2017; 4: 496–501. https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000496.

      Артикул Google ученый

    17. Ким С.Х. и др. Мультиплексная когерентная антистоксовая спектроскопия комбинационного рассеяния позволяет визуализировать интактные атероматозные поражения и одновременно идентифицирует различные химические профили атеросклеротических липидов. Циркуляр Рез. 2010; 106:1332–41. https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.109.208678.

      Артикул Google ученый

    18. “>

      Ломбардини, А. и др. Мультимодальный гибкий когерентный рамановский эндоскоп высокого разрешения. Легкие научные приложения. 2018; 7 :1–8. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0003-3.

    19. Ван Дж. и др. SERS-активный наконечник волокна для внутриклеточного и внеклеточного определения pH в живых одиночных клетках. Приводы Sens B: Chem. 2019; 290: 527–34. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.03.149.

      Артикул Google ученый

    20. Ян Кью и др. Волоконно-оптический микрозонд с шестиугольной конфигурацией волокна 1-в-6 для внутриклеточного измерения pH в одиночных клетках. Анальная хим. 2015; 87: 7171–9. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5b01040.

      Артикул Google ученый

    21. Kasili PM, Song JM, Vo-Dinh T. Оптический датчик для обнаружения каспазы-9активности в одной клетке. J Am Chem Soc. 2004; 126: 2799–806. https://doi.org/10.1021/ja037388t.

      Артикул Google ученый

    22. Лян Ф. и др. Прямое отслеживание динамики амилоида и тау в клетках нейробластомы с использованием зондов на кончиках наноплазмонных волокон. Нано Летт. 2016;16:3989–94. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b00320.

      Артикул Google ученый

    23. Чжэн XT, Ян HB, Ли CM. Оптическое обнаружение высвобождения лактата одиночными клетками для метаболического анализа рака. Анальная хим. 2010;82:5082–7. https://doi.org/10.1021/ac100074n.

      Артикул Google ученый

    24. Liu Z, Guo C, Yang J, Yuan L. Оптический пинцет с коническим волокном для улавливания микроскопических частиц: изготовление и применение. Выбрать Экспресс. 2006; 14:12510–6. https://doi.org/10. 1364/OE.14.012510.

      Артикул Google ученый

    25. Коул Р., Слепков А. Взаимодействие ширины полосы импульса и спектрального разрешения в КАРС-микроскопии со спектральной фокусировкой. ХОСА Б. 2018; 35:842–50. https://doi.org/10.1364/JOSAB.35.000842.

      Артикул Google ученый

    26. Ван З и др. Когерентная микроскопия комбинационного рассеяния света с подавлением четырехволнового смешения в оптических волокнах. Выбрать Экспресс. 2011;19:7960–70. https://doi.org/10.1364/OE.19.007960.

      Артикул Google ученый

    27. Wang Z, et al. Использование многомодовых оптических волокон для получения изображений микроэндоскопии с когерентным антистоксовым комбинационным рассеянием света на основе волокон. Опция Летт. 2011;36:2967–9. https://doi.org/10.1364/OL.36.002967.

      Артикул Google ученый

    28. Кипчак А., Сенбербер Ф., Дерун Э.М., Пискин С. Оценка отходов магния с оксидом бора в синтезе бората магния. J Mater Metall Eng. 2012;6:610–4. https://doi.org/10.5281/zenodo.1056553.

      Артикул Google ученый

    29. Armand P, Lignie A, Beaurain M, Papet P. Пьезоэлектрические материалы, выращенные из флюса: применение к аналогам α-кварца. Curr Computed Drug Des. 2014; 4:168–89. https://doi.org/10.3390/cryst4020168.

      Артикул Google ученый

    30. Хан Р., Гул Б., Хан С., Нисар Х., Ахмад И. Показатель преломления биологических тканей: обзор, методы измерения и приложения. Фотодиагност Фотодин Тер. 2021;33:102192. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2021.102192.

      Артикул Google ученый

    31. “>

      Ю.И., Лазарева Е.Н., Тучин В.В. Показатель преломления жировой ткани и липидной капли измеряют в широком спектральном и температурном диапазонах. Прил. опт. 2018; 57: 4839–4848. https://doi.org/10.1364/AO.57.004839.

    32. Геррити Р.Г. Роль моноцита в атерогенезе: I. Переход кровяных моноцитов в пенистые клетки при жировых поражениях. Ам Джей Патол. 1981;103:181–90.

      Google ученый

    33. Такаку М. и др. Модель совместного культивирования in vitro трансмигрирующих моноцитов и образования пенистых клеток. Atertio Thromb Vasc Biol. 1999;19:2330–9.

      Артикул Google ученый

    34. Li Y, et al. Создание клеточных клонов с различным метастатическим потенциалом из линии клеток метастатической гепатоцеллюлярной карциномы MHCC97. Мир J Гастроэнтерол. 2001; 7: 630–6. https://doi.org/10.3748/wjg.v7.i5.630.

      Артикул Google ученый

    35. Cheng JX, Potma EO, Xie SX. Когерентная антистоксова рамановская корреляционная спектроскопия: исследование динамических процессов с химической селективностью. J Phys Chem A. 2002;106:8561–8. https://doi.org/10.1021/jp025774b.

      Артикул Google ученый

    Ссылки на скачивание

    Благодарности

    В данный момент не применимо.

    Финансирование

    Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (№ 61735011), Национальными проектами разработки ключевых научных инструментов и оборудования Китая (№ 2013YQ030915), Государственной ключевой лабораторией информационной фотоники и оптических коммуникаций (№ 2021KFKT006), Тяньцзиньский специальный план развития талантов для высокоуровневой команды инноваций и предпринимательства, а также первое место в Тяньцзиньской программе развития инновационных талантов 131.

    Информация об авторе

    Авторы и филиалы

    1. Школа точного приборостроения и оптоэлектроники, Тяньцзиньский университет, Тяньцзинь, 300072, Китай

      Тонг Ван, Цзюньфэн Цзян, Кун Лю, Шуанг Ван, 90 Панпан Лю, Йизе

    2. Ключевая лаборатория оптоэлектронных информационных технологий, Министерство образования, Тяньцзиньский университет, Тяньцзинь, 300072, Китай

      Тонг Ван, Цзюньфэн Цзян, Кун Лю, Шуанг Ван, Панпан Ню, Йизе Лю и Тиген Лю

    3. Тяньцзиньский инженерный центр датчиков оптического волокна, Институт датчиков оптического волокна Тяньцзиньского университета, Тяньцзиньский университет, Тяньцзинь, 300072, Китай

      Тонг Ван, Цзюньфэн Цзян, Кун Лю, Шуан Ван, Панпан Ню, Йизе Лю и Тиген Лю

    Авторы

    1. Тонг Ван

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    2. Цзюньфэн Цзян

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    3. Kun Liu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    4. Shuang Wang

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    5. Panpan Niu

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    6. Yize Liu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    7. Tiegen Liu

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    Contributions

    T. W. задумал исследование и спроектировал эксперименты, а также провел оптические эксперименты. П.Н. и Ю.Л. дал полезные советы. Дж.Дж., К.Л., С.В. и Т.Л. курировал проект. Все авторы внесли свой вклад в обсуждение и написание рукописи. Авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

    Автор, ответственный за переписку

    Переписка с Цзюньфэн Цзян.

    Декларации этики

    Утверждение этических норм и согласие на участие

    В этой статье нет вопросов этики.

    Согласие на публикацию

    Все авторы согласились опубликовать эту статью.

    Конкурирующие интересы

    Конкурирующие интересы для этой бумаги отсутствуют.

    Дополнительная информация

    Примечание издателя

    Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

    Дополнительная информация

    Дополнительный файл 1:

    Рис. S1. Схематическая диаграмма измерения эффективности соединения волокна. Эффективность связи представляет собой отношение оптической мощности P2 возбуждающего света, выходящего с торца плоского световода, к оптической мощности P1 возбуждающего света, выходящего из стеклянного стержня СФ10 длиной L3. Оптическая мощность определяется измерителем мощности (S145C+PM100D, Thorlabs).

    Дополнительный файл 2:

    Рис. S2 . Процесс подготовки конического оптоволоконного зонда.

    Права и разрешения

    Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

    Перепечатки и разрешения

    Об этой статье

    Когерентное антистоксово комбинационное рассеяние изображений липидов при метастазах рака | BMC Cancer

    • Исследовательская статья
    • Открытый доступ
    • Опубликовано:
    • Тук Т Ле 1 ,
    • Терри Б. Хафф 2 и
    • Цзи-Синь Ченг 1,2,3  

    Рак BMC том 9 , номер статьи: 42 (2009) Процитировать эту статью

    • 15 тыс. обращений

    • 133 Цитаты

    • 5 Альтметрический

    • Сведения о показателях

    Abstract

    История вопроса

    Опухоли, богатые липидами, связаны с повышенным метастазированием рака и агрессивным клиническим поведением. Тем не менее патологоанатомы не могут классифицировать богатые липидами опухоли как клинически отличительную форму карциномы из-за отсутствия механистического понимания роли липидов в развитии рака.

    Методы

    Когерентная антистоксова комбинационная микроскопия (CARS) используется для изучения поведения раковых клеток в среде с избытком липидов in vivo и in vitro . Влияние диеты с высоким содержанием жиров на развитие рака оценивают на модели рака мышей Balb/c. Прижизненная проточная цитометрия и гистология используются для подсчета выхода раковых клеток в кровоток и метастазирования в ткани легких соответственно. Подвижность раковых клеток и способность к инвазии в ткани также оценивают в среде с избытком липидов.

    Результаты

    Визуализация CARS показывает, что внутриклеточное накопление липидов вызвано избытком свободных жирных кислот (FFA). Избыточное включение СЖК в мембрану раковой клетки вызывает разделение фаз мембраны, уменьшает межклеточный контакт, увеличивает поверхностную адгезию и способствует проникновению в ткани. Повышенный уровень СЖК в плазме и висцеральное ожирение связаны с ранним ростом циркулирующих опухолевых клеток и повышенным метастазированием в легкие. Кроме того, визуализация CARS выявляет вызванное FFAs накопление липидов в первичных, циркулирующих и метастазирующих раковых клетках.

    Заключение

    Опухоли, богатые липидами, связаны с метастазированием рака через вызванные СЖК физические возмущения на мембране раковых клеток. Самое главное, обнаружение циркулирующих опухолевых клеток, богатых липидами, предполагает возможную разработку прижизненной проточной цитометрии CARS для безметочного обнаружения метастазов рака на ранней стадии.

    Отчеты экспертной оценки

    Исходная информация

    Было показано, что избыток липидов в организме усугубляет рак. Исследования на животных показали, что диеты с высоким содержанием жиров и ожирение усиливают метастазирование рака [1]. У человека индекс массы тела выше 30 кг/м 2 сильно коррелирует с повышенным риском развития различных видов рака [2]. Общепризнано, что диета и ожирение являются причиной 30% предотвратимых причин рака [2]. Действительно, диета, питание и физическая активность широко пропагандируются как эффективные средства профилактики рака Всемирным фондом исследования рака и Американским институтом исследования рака [3]. Тем не менее связь между диетой и заболеваемостью раком и смертностью у человека остается спорной из-за противоречивых экспериментальных результатов клинических исследований [4, 5]. В настоящее время отсутствует консенсус в отношении преимуществ определенного типа жирных кислот или пищевых ингредиентов для профилактики рака [6]. Фактором, способствующим разногласиям, является отсутствие механистического понимания того, как избыток липидов или ожирение влияет на развитие рака [2, 6].

    Избыток липидов на клеточном уровне также связан с агрессивностью рака. Накопление внутриклеточных липидов наблюдается при многих типах рака, включая рак молочной железы, головного мозга, надпочечников и др. [7-9]. Ранние клинические исследования, проведенные в 1970-х годах у пациентов с богатой липидами карциномой молочных желез, выявили высокую частоту смертности от рака, метастатических опухолей и других агрессивных клинических проявлений [7]. С тех пор богатые липидами карциномы продолжали широко регистрироваться у людей и животных [10, 11]. Тем не менее связь между накоплением внутриклеточных липидов и поведением рака не исследовалась. Без механистического понимания роли липидов в развитии рака патологоанатомы воздерживаются от классификации богатых липидами опухолей как морфологически и клинически отличительной формы карциномы [10].

    Чтобы исследовать роль липидов в развитии рака, мы используем липид-чувствительный метод визуализации, называемый микроскопией когерентного антистоксова комбинационного рассеяния (CARS) [12]. CARS представляет собой процесс четырехволнового смешения, в котором два синхронизированных лазера, накачки и стоксова, плотно сфокусированы в фокусном объеме, ограниченном дифракцией. Взаимодействие поля накачки на частоте ω p и стоксова поля на частоте ω S со средой порождает антистоксово поле на частоте 2ω р -ω S . Сигнал CARS значительно усиливается, когда ω p – ω S совпадает с рамановской активной колебательной полосой. Кроме того, внутреннее когерентное свойство позволяет сигналу CARS увеличиваться квадратично по отношению к числу молекулярных колебаний в фокальном объеме. Такое свойство делает CARS высокочувствительным к богатым липидами структурам, когда ω p – ω S соответствует симметричной вибрации растяжения CH 2 при 2840 см -1 . КАРС-микроскопия широко применяется в качестве безметочного метода визуализации для визуализации липидных бислоев, клеточных мембран, адипоцитов, миелиновых оболочек, пенистых клеток атеромы и др. [13, 14]. Дополнительным уникальным преимуществом микроскопии CARS является присущая ей возможность мультимодальной визуализации. Типичный микроскоп CARS с пикосекундным импульсным возбуждением способен одновременно выполнять CARS, генерацию суммарной частоты (SFG) и визуализацию флуоресценции с двухфотонным возбуждением (TPEF). Такая возможность мультимодальной визуализации позволила охарактеризовать влияние ожирения на состав и архитектуру стромы опухоли молочной железы [15]. Здесь микроскопия CARS используется для выяснения механистической связи между опухолями, богатыми липидами, и агрессивным поведением опухоли.

    Методы

    Мультимодальная нелинейная оптическая микроскопия

    Ранее был описан мультимодальный нелинейно-оптический (НЛО) микроскоп, способный выполнять визуализацию CARS, SFG и TPEF на одной платформе [15]. Для визуализации CARS разность волновых чисел ω p – ω S была настроена на 2840 см -1 , что соответствует комбинационному сдвигу симметричной вибрации растяжения CH 2 . Для визуализации SFG и TPEF использовались одни и те же лазерные источники CARS. Сигналы CARS, SFG и TPEF (зеленая флуоресценция/DIOC18/FITC/GFP) собирали через 600/65 нм (Ealing Catalog, Rocklin, CA, кат. № 42-7336), 375/50 нм (Chroma, Rockingham, Vermont, кат. № HQ375/50) и полосовые фильтры 520/40 нм (Chroma, Rockingham, Vermont, кат. № HQ520/40) соответственно. Чтобы отобразить сигнал TPEF для красной флуоресценции (Rh-DOPE или RFP), лазерные источники CARS были десинхронизированы таким образом, чтобы не было вклада от сигнала CARS в сигнал флуоресценции. Сигнал TPEF красной флуоресценции собирали через полосовой фильтр 600/65 нм (Ealing Catalog, Rocklin, CA, кат. № 42-7336). Для визуализации SFG и TPEF собирали обратно отраженные сигналы. Для визуализации клеточных культур методом CARS собирали прямые сигналы (F-CARS). Для визуализации CARS образцов тканей собирали обратно отраженные сигналы (E-CARS). Суммарная мощность лазера на образце постоянно поддерживалась на уровне 40 мВт.

    Опухолевая клеточная линия и питательная среда

    Мэдисон (M109) клеточная линия карциномы легкого от мышей Balb/c была щедрым подарком от P. Low (онкологический центр Purdue, Университет Purdue, Западный Лафайет, Индиана). Клетки М109 выращивали в среде RPMI-1640 с добавлением 10% эмбриональной бычьей сыворотки и антибиотиков пенициллин (50 ЕД)/стрептомицин (50 мкг). Линию клеток М109, меченную двойным цветом, создавали путем стабильной трансфекции клеток М109 плазмидой с двойным репортером, которая экспрессирует как GFP, так и RFP.

    Животная модель

    Для оценки влияния диеты на метастазирование опухоли мышам Balb/c (возраст 6–8 недель) подкожно вводили клетки M109 (1 миллион клеток в 0,1 мл буфера PBS на мышь) в область задних конечностей. . Затем мышей (неделя 0) переводили на два типа диеты: постную диету (20 мышей) и диету с высоким содержанием жиров (12 мышей). Постная диета (Harlan Teklad, Индианаполис, Индиана, № по каталогу 7001) содержит 4,25% жира и 3,82 ккал/г. Диета с высоким содержанием жиров (Research Diets, New Brunswick, New Jersey, кат. № D1249).2) имеет 34,9% жира и 5,24 ккал/г. На 2 неделе умерщвляли по 4 мыши из каждой диетической группы и измеряли массу висцерального жира. У остальных мышей отслеживали вес, размер опухоли и количество циркулирующих опухолевых клеток в течение 4 недель после имплантации опухоли. Через 4 недели у 8 мышей из каждой диетической группы были взяты образцы терминальной крови для анализа на циркулирующие опухолевые клетки и уровни жирных кислот. Ткани легкого и первичной опухоли также собирали и анализировали с помощью нелинейной оптической визуализации или гистологии. 8 мышей на обычном рационе содержали до 5-й недели, затем собирали ткани легких для анализа метастазов в легкие. Кроме того, 4 мышам на обычном рационе и 4 мышам на рационе с высоким содержанием жиров вводили стерилизованный буфер PBS (0,1 мл) в область задних конечностей для контрольных экспериментов. Все эксперименты на животных были одобрены Комитетом по уходу и использованию животных Purdue.

    Плазмида с двумя репортерами для мечения клеток M109

    Плазмида с двумя репортерами была сконструирована для мечения клеток M109 как GFP, так и RFP. Фрагмент ДНК размером ~3,5 т.п.н. получают с помощью полного синтеза (Genscript, Piscataway, NJ) и клонируют в плазмиду pDSRed-Express-DR (кат. № 632423, Clontech, Mountain View, CA) между сайтами рестрикции XhoI и BamHI. Этот фрагмент ДНК содержит фрагмент промотора фактора роста эндотелия сосудов (VEGF) длиной 1,4 т.п.н. (нуклеотиды от -963 до +404), контролирующий экспрессию GFP (0,8 т.п.о., кат. № 632428, Clontech, Mountain View, CA), Сигнал терминации транскрипции полиА SV40 (0,25 т.п.н.) и фрагмент промотора коллагена типа I (col1a1) длиной 1 т. п.н. (нуклеотиды -9от 15 до +116). В конечной плазмидной конструкции экспрессия GFP контролируется промотором VEGF, а экспрессия RFP контролируется промотором col1a1. Максимумы возбуждения и испускания для GFP составляют 496 нм и 506 нм, для RFP — 557 нм и 579 нм соответственно.

    Стабильная трансфекция клеток M109

    Клетки M109 с плотностью 1 × 10 5 в культуральных чашках диаметром 35 мм трансфицировали двойной репортерной плазмидной ДНК с использованием реагента для трансфекции Fugen6 (кат. № 118150, Roche Diagnostics, Indianapolis, IN ) при соотношении 6 мкл реагента Fugene6 на 1 мкг ДНК. Через 24 часа после трансфекции клетки отбирали с помощью 400 нг/мл сульфата генетицина G418 (кат. № 10131, Invitrogen, Карлсбад, Калифорния) до тех пор, пока под микроскопом не наблюдали отдельные колонии. Колонии отделяли от культуральных чашек путем инкубации с неферментативным реагентом для диссоциации клеток (кат. № 16769).49, MP Biomedicals, Solon, OH) в течение 5 минут при 37°C. Отдельные колонии осторожно удаляли с помощью наконечников пипеток под микроскопом. Чтобы гарантировать использование одного клона, выбранную колонию разводили в многолуночных планшетах с концентрацией одна клетка на лунку и повторно выращивали в 100 нг/мл сульфата генетицина G418 (кат. № 10131, Invitrogen, Карлсбад, Калифорния). ).

    Прижизненная проточная цитометрия

    Для подсчета количества циркулирующих опухолевых клеток в крови использовали прижизненную проточную цитометрию в поверхностных венах уха мыши. С помощью F-CARS или трансмиссионной микроскопии была выбрана вена диаметром ~8 мкм, которая имеет постоянную скорость потока ~1000 клеток/мин. Эта вена небольшого диаметра гарантирует, что клетки крови диаметром ~ 5 мкм проходят через вену одним файлом. Кроме того, колебания сигнала обнаружения из-за изменения положения клеток вдоль вертикальной оси объема обнаружения сведены к минимуму из-за ограниченного объема сосуда. Линия лазерного сканирования (~ 8 мкм), которая охватывает весь диаметр вены, была определена перпендикулярно направлению кровотока. Скорость лазерного сканирования ~1,3 мс/линия обеспечивала забор всех проточных клеток крови. У каждой мыши для измерения были выбраны две разные вены. Для подсчета циркулирующих опухолевых клеток у каждой мыши использовали четыре окна отбора проб продолжительностью ~1 минута в каждом. Среднее количество циркулирующих опухолевых клеток и стандартное отклонение между окнами отбора образцов наносили на график для каждой мыши в зависимости от времени после имплантации опухоли. Для визуализации циркулирующих опухолевых клеток с двойной меткой использовали аргоновый лазер 488 нм для возбуждения GFP и гелий-неоновый лазер 543 нм для одновременного возбуждения RFP. Эмиссия GFP и RFP собиралась через фильтры 520/40 нм и 600/65 нм соответственно. Мощность каждого лазера поддерживалась постоянно на уровне 100 мкВт на образце. Изображения были получены с использованием программного обеспечения Fluoview и обработаны с помощью программного обеспечения ImageJ. Высокочастотный шум был удален с помощью функций удаления пятен ImageJ и фильтра Гаусса. Точность обнаружения циркулирующих опухолевых клеток повышается за счет взаимной корреляции сигналов, возникающих как от GFP, так и от RFP в одной и той же клетке.

    Выделение и идентификация циркулирующих опухолевых клеток

    Через 4 недели после имплантации опухоли у мышей брали терминальную кровь. В среднем от каждой мыши собирали примерно 1 мл крови. Цельную кровь центрифугировали при 300×g в течение 10 минут при 4°C для отделения плазмы от клеток крови. После удаления плазмы для количественного определения свободных жирных кислот и анализа ГХ-МС осадок восстанавливали в 10 мл буфера для лизиса эритроцитов (eBioscience, Сан-Диего, Калифорния, каталожный номер 00-4333-57) и инкубировали в течение 5 минут при комнатной температуре. . Затем добавляли 20 мл буфера PBS для остановки реакции лизиса. Образец центрифугировали при 300×g в течение 10 минут при 4°C для удаления лизированных эритроцитов из других компонентов крови. Гранулы восстанавливали в среде RPMI с добавками и помещали в камеру со стеклянным дном для визуализации NLO. Для обнаружения циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК) выполняли одновременную визуализацию F-CARS для обнаружения липидов и визуализацию эпирефлекторного TPEF для обнаружения зеленого флуоресцентного белка (GFP). Клетки, признанные положительными в отношении сигналов липидов и GFP, дополнительно визуализировали в отношении красного флуоресцентного белка (RFP) с использованием десинхронизированных лазерных источников для возбуждения и фильтра 600/65 нм для эпи-отраженных сигналов излучения TPEF.

    Гистологический анализ метастазов в легкие

    Ткани легких собирали через 4 или 5 недель после имплантации опухоли и хранили в 10% забуференном формалине. Залитые парафином срезы размером ~5 мкм помещали на предметные стекла и окрашивали гематоксилином и эозином. Гистологические образцы анализировали с использованием микроскопа Eclipse E400 (Nikon, Токио, Япония) и камеры Spot Insight Camera (Diagnostic Instrument, Sterling Heights, Michigan). Опухолевые колонии идентифицировали по плотности окрашенных ядер.

    Оценка влияния кондиционированной среды VF на клетки M109

    Ткани висцерального жира (0,3 г) собирали у мышей Balb/c в возрасте от 8 до 12 недель, добавляли в чашку для культивирования, содержащую 2 мл среды RPMI, и инкубировали при 37 °C с 5% CO 2 в течение 4 дней. Кондиционированную среду (CM) удаляли и добавляли примерно к 1 миллиону клеток M109 в 35-миллиметровой культуральной чашке со стеклянным дном (MatTek, Ashland, MA, кат. № P35G-0-10-C). Клетки М109 в КМ хранили в инкубаторе при 37°С с 5% СО 2 . Воздействие CM на M109 контролировали с течением времени с помощью визуализации CARS и биохимических анализов.

    Выделение СЖК из СМ или плазмы крови

    4 мл гексана (Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, № по каталогу 296090) добавляли к 1 мл СМ или плазмы крови и перемешивали вортексом. Смесь центрифугировали при 300×g в течение 5 минут для отделения органической фазы (вверху) от водной фазы (внизу). Органическую фазу, содержащую гексан и жирные кислоты, удаляли в новую емкость. Постоянный поток газообразного азота использовали для выпаривания гексана в течение 2 часов. СЖК восстанавливали в среде RPMI с добавками и использовали немедленно или хранили при -80°C. Водную фазу, содержащую цитокины, использовали сразу или хранили при -80°С.

    Исследование жирных кислот, вызывающих разделение фаз на клеточной мембране

    Для оценки того, как различные типы СЖК нарушают мембрану опухолевых клеток, использовали два мембранных красителя: DIOC18 (3,3′-диоктадецилоксакарбоцианина перхлорат, Invitrogen, Карлсбад, Калифорния, номер по каталогу . D275) для исследования жидкостно-упорядоченной (L или ) фазы и Rh-DOPE (родамин B сульфонилдиолеоилфосфатидилэтаноламин, Avanti Polar Lipids, Alabaster, AL, Cat. No. 810150) для зондирования жидкостно-упорядоченной (L d ) фаза на клеточной мембране. Конечная концентрация используемых красителей DIOC18 и Rh-DOPE составляла 25 мкг/мл. Для визуализации меченой красителем мембраны для возбуждения DIOC18 использовали аргоновый лазер с длиной волны 488 нм, а для возбуждения Rh-DOPE использовали гелий-неоновый лазер с длиной волны 543 нм. Сигнал эмиссии собирали через фильтр 520/40 нм для DIOC18 и фильтр 600/65 нм для Rh-DOPE. Чтобы избежать перекрестного сигнала или возможной активности FRET, мембрану визуализировали последовательно, используя один лазерный источник за раз. Во-первых, для визуализации сигнала DIOC18 использовался только аргоновый лазер с длиной волны 488 нм. Затем аргоновый лазер был заблокирован, а гелий-неоновый лазер с длиной волны 543 нм использовался для визуализации сигнала Rh-DOPE. Мощность каждого лазера поддерживалась постоянно на уровне 80 мкВт на образце.

    Трехмерный анализ миграции клеток M109

    В этих анализах изучали миграцию клеток M109 в эксплантированную ткань висцерального жира (VF). VF (0,3 г) помещали непосредственно над областью изображения так, чтобы VF вступал в непосредственный контакт с клетками M109. Через 24 часа инкубации визуализировали VF на предмет инвазии клеток M109.

    Двумерный анализ миграции клеток M109

    В этих анализах изучали морфологию мембран и содержание липидов в мигрирующих клетках M109 вдоль нижней поверхности чашки для культивирования. В лунку диаметром 10 мм из полидиметилсилоксана (PDMS) было засеяно ~10 000 M109.клетки в 0,2 мл дополненной среды RPMI на чашку для культивирования на 24 часа. Высеянные клетки М109 несколько раз промывали свежей средой для удаления неприкрепившихся клеток, затем культуральную среду удаляли аспирацией. Лунку PDMS, содержащую засеянные клетки M109, удаляли, а культуральную чашку заполняли 2 мл среды RPMI с добавлением. VF (0,3 г) помещали в чашку для культивирования вдали от высеянных клеток М109. Клеткам M109 давали возможность мигрировать в сторону VF в течение 24 часов, затем визуализировали с помощью трансмиссионной и CARS-микроскопии.

    Анализ инвазии клеток М109 во внеклеточный матрикс (ECM)

    Способность клеток М109 проникать в восстановленную базальную мембрану оценивали с использованием набора QCM для анализа 96-луночной клеточной инвазии (Chemicon, Temecula, CA, кат. № ECM 555). Эксперименты проводились согласно протоколу производителя. Мы оценили способность инвазии ECM четырех различных предварительно обработанных клеток M109 по отношению к четырем различным хемоаттрактантам. Предварительно обработанные клетки M109: 1) M109: клетки M109, подвергнутые голоданию в течение 24 часов путем инкубации в бессывороточной среде RPMI, 2) M109./CM: клетки M109 в CM в течение 4 дней, 3) M109/FFA: клетки M109 инкубировали в течение 4 дней с экстрагированными FFA из CM, 4) M109/цитокины: клетки M109 инкубировали в течение 4 дней с экстрагированными цитокинами из CM. Все предварительно кондиционированные клетки M109 доводили до 1 миллиона клеток на мл перед анализом инвазии ECM. К хемоаттрактантам относятся: 1) RPMI: полная среда RPMI с добавлением 10% эмбриональной бычьей сыворотки, 2) CM: кондиционированная среда, полученная путем инкубации 0,3 г VF в 2 мл среды RPMI в течение 4 дней, 3) FFAs: экстрагированные FFAs из CM, 4 ) цитокины: экстрагированные цитокины из СМ. М109клеткам давали возможность мигрировать через мембрану ЕСМ в течение 24 часов, затем их собирали и анализировали с помощью красителя CyQuant GR. Показания флуоресценции регистрировали с помощью многолуночного ридера флуоресцентных планшетов (Gemini XPS, Molecular Devices, Sunnyvale, CA) с использованием набора фильтров 480/520 нм.

    Результаты и обсуждение

    Диета с высоким содержанием жиров не влияла на рост первичной опухоли

    Чтобы оценить влияние избытка липидов на развитие рака, мы использовали модель рака на мышах BALB/c, где клетки рака легкого M109 были имплантированы и выращены подкожно в первичные опухоли (рис. 1) [16]. Мышей на нежирной диете (мыши LD) переводили на диету с высоким содержанием жиров (мыши HD) сразу после имплантации опухоли. Развитие опухоли у мышей HD отслеживали и сравнивали с мышами LD с течением времени. Ожидаемо, что у мышей HD наблюдалось более высокое висцеральное ожирение и концентрация свободных жирных кислот (СЖК) в плазме, чем у мышей LD (рис. 2А, В). Мыши HD также имели более быстрое увеличение веса, чем мыши LD, в течение первых двух недель на диете с высоким содержанием жиров (рис. 2C). Однако у мышей HD неожиданно наблюдалось резкое снижение веса с третьей недели; тогда как мыши LD продолжали набирать вес до четвертой недели (рис. 2С). Удивительно, но скорость роста первичных опухолей у мышей HD и LD оставалась неразличимой, несмотря на поразительную разницу в массе тела (рис. 2D). Это наблюдение показало, что сильная потеря веса у мышей HD не может быть связана со скоростью роста первичных опухолей.

    Рисунок 1

    Модель мышей Balb/c для оценки влияния избытка липидов на развитие рака . Сразу после имплантации опухоли мышей разделили на две группы. Одна группа получала постную диету (Harlan Teklad, Indianapolis, IN, Cat. No. 7001) с содержанием жира 4,25% и 3,82 ккал/г, а другая группа получала диету с высоким содержанием жира (Research Diets, New Brunswick, New Jersey, № по каталогу D12492) жирностью 34,9% и калорийностью 5,24 ккал/г. Прижизненную проточную цитометрию и гистологический анализ использовали для подсчета циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК) в кровотоке и колоний метастазов в тканях легких соответственно. Кроме того, также измеряли размер первичной опухоли, вес животного, вес висцеральной жировой ткани и концентрацию свободных жирных кислот в плазме.

    Полноразмерное изображение

    Рисунок 2

    Рост первичной опухоли у мышей Balb/c не зависит от диеты с высоким содержанием жиров . ( A ) Вес висцеральной жировой ткани (VF) как функция постной (синий) и диеты с высоким содержанием жира (красный). Ткани VF извлекали и взвешивали через 2 недели после имплантации опухоли. ( B ) Концентрация свободных жирных кислот в зависимости от постной (синий) и жирной (красный) диеты. Плазму собирали через 4 недели после имплантации опухоли. ( C ) Масса тела и ( D ) объем опухоли в зависимости от времени после имплантации опухоли. Столбики погрешностей представляют собой стандартные отклонения для 8 мышей (4 мыши на рис. 2А), измеренные в каждой диетической группе.

    Изображение полного размера

    Диета с высоким содержанием жиров вызывает ранний рост циркулирующих опухолевых клеток

    Затем мы исследовали, как избыток липидов из-за диеты с высоким содержанием жиров влияет на другие стадии развития рака, включая метастазы рака. Чтобы отслеживать движение раковых клеток, мы создали линию раковых клеток с двойной меткой путем стабильной трансфекции M109. клетки с плазмидой, которая экспрессирует как зеленый флуоресцентный белок (GFP), так и красный флуоресцентный белок (RFP) (фиг. 3А). Эта схема двухцветной маркировки повысила точность обнаружения опухолевых клеток за счет минимизации ложного сигнала, возникающего из-за аутофлуоресценции, присущей многим типам клеток. Ранней и критической стадией метастазирования рака является выход раковых клеток в кровоток [17]. Для подсчета циркулирующих опухолевых клеток (ЦОК) мы использовали прижизненную проточную цитометрию, которая является проверенным надежным методом мониторинга ранних стадий метастазирования рака [16]. Поверхностные микрососуды в ушах анестезированных мышей впервые идентифицировали либо с помощью CARS, либо с помощью трансмиссионной микроскопии. Затем ЦОК были идентифицированы как с сигналами GFP, так и с RFP с использованием конфокальной микроскопии с двумя лазерами (рис. 3B и дополнительное видео S1, см. Дополнительный файл 1). Через две недели после имплантации опухоли мы наблюдали в 3 раза больше ЦОК у мышей HD, чем у мышей LD (рис. 3C). Однако разница в количестве ЦОК между двумя диетическими группами постепенно уменьшалась и становилась неразличимой к 4 неделе (рис. 3С). Интересно, что визуализация CARS показала, что все изолированные ЦОК из обеих диетических групп имели сильное внутриклеточное накопление липидов (рис. 3D). Однако, в то время как липидные и цитоплазматические флуоресцентные белки во всех ЦОК, выделенных от мышей LD, оказались равномерно распределенными по всей клетке, во всех ЦОК, выделенных от мышей HD, наблюдалось полярное распределение (рис. 3D, рис. S1 и рис. S2, см. Дополнительный файл 2). ). Интересно отметить, что в среднем диаметр СТС был в два раза меньше, чем у М109.клетка первичной опухоли. Кроме того, внутриклеточный липид появился в виде одной капли в ЦОК, а не в виде множества капель в клетках М109. Такие различия могут быть связаны с механическим напряжением, оказываемым на ЦОК при их протекании через микрососуды.

    Рисунок 3

    Диета с высоким содержанием жиров вызывает раннее увеличение числа ЦОК, обнаруживаемых с помощью прижизненной проточной цитометрии . ( A ) Двухцветная клеточная линия M109, которая экспрессирует как GFP, так и RFP. Клетки М109 в культуре ткани (верхние панели) и в первичной опухолевой ткани (нижние панели). ( B ) Прижизненная проточная цитометрия с использованием поверхностной вены уха мыши путем двухцветного конфокального обнаружения ЦОК. АВТОМОБИЛИ: серый, трансмиссия: голубой. ЦОК были положительно идентифицированы на основе сигналов GFP (зеленый) и RFP (красный), генерируемых однофотонными возбуждениями двойного лазера. Две крайние правые панели были обработаны с помощью программного обеспечения ImageJ для удаления некоррелированного фонового шума. ( C ) Диета с высоким содержанием жиров вызывала раннее увеличение ЦОК в кровотоке. Сплошные кружки и квадраты представляют собой среднее значение CTC/минуту, измеренное у каждой мыши HD и LD соответственно. Столбики погрешностей представляют распределение CTC/минуту по четырем повторным измерениям у каждой мыши. Незаштрихованные кружки и квадраты представляют среднее значение CTC/минуту для 8 мышей HD и LD соответственно. ЦОК не обнаруживались на 1-й неделе у мышей, получавших любую диету. ( D ) Изолированные богатые липидами ЦОК от мышей LD (верхние панели) и HD (нижние панели), идентифицированные с помощью визуализации CARS для липидов и визуализации TPEF для экспрессии GFP (зеленый) и RFP (красный).

    Изображение полного размера

    Диета с высоким содержанием жиров увеличивает метастазирование в ткани легких

    Еще одной критической стадией метастазирования рака является экстравазация ЦОК в отдаленные органы [17]. Для анализа метастазов в органы мы использовали стандартный гистологический анализ тканей легких и подсчитывали количество колоний с метастазами (рис. 4А). Мы обнаружили в 4 раза больше опухолевых колоний в тканях легких мышей HD, чем мышей LD через 4 недели после имплантации опухоли (рис. 4B). Чтобы свести к минимуму возможность увеличения метастазирования из-за раннего появления ЦОК, мы также проанализировали легочные ткани мышей LD на 5-й неделе. мыши на 5-й неделе оставались как минимум в 2 раза меньше, чем у мышей HD на 4-й неделе (рис. 4В). Примечательно, что визуализация CARS выявила значительное накопление липидов во всех метастазирующих раковых клетках как у мышей LD, так и у мышей HD (рис. 4C).

    Рисунок 4

    Диета с высоким содержанием жиров увеличивает метастазирование в легкие богатых липидами раковых клеток . ( A ) Гистологическая оценка тканей легких у контрольной мыши, мышей LD через 4 и 5 недель после имплантации опухоли и мыши HD через 4 недели после имплантации опухоли. Пунктирными кружками отмечены местоположения колоний с метастазами. ( B ) Метастазы в легкие (количество колоний с метастазами) как функция диеты. Столбики погрешностей представляют собой стандартное отклонение для 8 проанализированных мышей. ( C ) Раковые клетки, богатые липидами, в тканях легких мышей LD (верхняя панель) и HD (нижняя панель), идентифицированные с помощью визуализации CARS (серый). Шкала баров: 25 мкм.

    Изображение с полным размером

    СЖК индуцируют разделение мембранных фаз и накопление внутриклеточных липидов

    Присутствие внутриклеточных липидов в первичных, циркулирующих и метастазирующих раковых клетках подняло вопрос о том, как избыток липидов влияет на поведение раковых клеток, приводя к усилению метастазирования рака. Чтобы ответить на этот вопрос, мы изучили влияние повышенного уровня свободных жирных кислот в плазме и повышенного висцерального ожирения на культуры раковых клеток. Добавление плазмы (данные не показаны) или кондиционированной среды (CM) эксплантированных жировых тканей к M109клетки вызывали значительные нарушения, включая накопление цитоплазматических липидных капель, округление клеточной мембраны, уменьшение межклеточного контакта и полярность в распределении липидных капель (рис. 5А, В). Флуоресцентная визуализация меченых белков цитоплазмы и плазматической мембраны дополнительно выявила общую концентрацию клеточного содержимого в направлении одного полюса клетки (рис. 5B и рис. S3, см. Дополнительный файл 2). Интересно, что полярное распределение клеточного содержимого в культивируемых клетках сильно напоминало ЦОК, выделенные из мышей HD (Fig. 3D).

    Рисунок 5

    Среда, кондиционированная VF, вызывает внутриклеточное накопление липидов и полярность клеток . ( A ) CM индуцирует накопление липидов и полярность в распределении липидов в клетках M109. Белые стрелки отмечают клетки М109 с поляризованным распределением липидов. КМ получали путем инкубации 0,3 г ВФ в среде RPMI в течение 4 сут. ( B ) CM индуцирует полярность в распределении цитоплазматического GFP (крайняя левая панель) и поверхностных белков кадгерина (средняя панель) и молекулы I эндотелиальной адгезии сосудов, VCAM-1 (крайняя правая панель). Кадгерин и VCAM-1 визуализируются иммуно-мечеными антителами, конъюгированными с FITC. Два М109использовали клеточные линии: одну клеточную линию стабильно трансфицировали плазмидой, экспрессирующей GFP, а другую нетрансфицированную клеточную линию использовали для окрашивания на кадгерин и VCAM-1 CARS: серый; ТПЭФ: зеленый. Шкала баров: 25 мкм.

    Изображение полного размера

    С помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрического анализа мы определили содержание четырех свободных жирных кислот в плазме крови и в КМ: пальмитиновой, стеариновой, олеиновой и линолевой кислот (рис. S4, см. дополнительный файл 2). Чтобы изучить влияние каждой жирной кислоты на раковые клетки, мы отдельно добавили каждую жирную кислоту к M109.клеточные культуры. Используя пару флуоресцентных мембранных зондов DIOC18 и Rh-DOPE для мечения жидкоупорядоченной (L o ) и неупорядоченной (L d ) фаз мембраны [18], мы наблюдали полиненасыщенную линолевую кислоту и насыщенную пальмитиновую и стеариновую кислоты. индуцировал разделение клеточной мембраны на фазы L o и L d (рис. 6А–С). Клетки с добавлением полиненасыщенной кислоты имели форму крупных клеток с доминирующими фазами L d (фиг. 6В). И наоборот, клетки с добавлением насыщенной кислоты имели форму мелких клеток с преобладанием L9.0169 o фаз (рис. 6С). Эти наблюдения согласуются с сообщениями о низкой и высокой эффективности мембранной упаковки полиненасыщенных и насыщенных жирных кислот соответственно [19]. С другой стороны, при добавлении олеиновой кислоты не наблюдалось разделения мембранных фаз (рис. 6D). Это наблюдение можно объяснить способностью мононенасыщенных жирных кислот встраиваться как в фазы L o , так и в фазы L d [19]. В общем, включение избыточных жирных кислот любого типа в мембрану нарушает кривизну мембраны, что приводит к наблюдаемому эффекту округления мембраны [18, 19].].

    Рисунок 6

    Полиненасыщенные и насыщенные СЖК вызывают мембранное фазовое разделение . Клетки M109 окрашивали мембранными красителями DIOC18 (зеленый) для исследования жидкостно-упорядоченной (L o ) фазы и Rh-DOPE (красный) для зондирования жидкостно-упорядоченной (L d ) фазы. ( A ) Клетки M109 демонстрируют равномерное распределение фаз L o и L d . Желтый: наложение зеленого и красного сигналов. Клетки M109, предварительно обработанные ( B ) линолевой кислотой или ( C ) пальмитиновые кислоты в течение 4 дней проявляют мембранное фазовое разделение. ( D ) Клетки М109, предварительно обработанные олеиновой кислотой в течение 4 дней, демонстрируют равномерное распределение фаз L o и L d . ( E ) Визуализация CARS может различать разделение фаз мембраны, вызванное линолевой кислотой. Сильные и слабые контрасты CARS соответствуют фазе L o , где находится цитоплазматический GFP и другое клеточное содержимое, и фазе L d , где отсутствует какое-либо клеточное содержимое, соответственно. ( F ) Визуализация CARS не может различить разделение фаз мембраны, вызванное пальмитиновой кислотой, когда клеточное содержимое, как отмечено экспрессией цитоплазматического GFP, распределено равномерно. Конечная концентрация всех используемых СЖК поддерживалась на уровне 50 мкМ для минимизации липотоксичности по отношению к клеткам М109. Шкала баров: 25 мкм.

    Полноразмерное изображение

    В то время как все четыре свободные жирные кислоты индуцировали накопление внутриклеточных липидов, только полиненасыщенная линолевая кислота индуцировала клеточную полярность, наблюдаемую с помощью визуализации CARS (рис. S5, см. Дополнительный файл 2). Поскольку клеточное содержимое концентрировалось в направлении L o фаза мембраны, увеличение фазы L d за счет включения полиненасыщенной линолевой кислоты разделяет единственную клетку на два характерных полюса, один из которых богат, а другой беден клеточным содержимым. CARS-изображение полюсов клеток с высоким содержанием, которые включают клеточную мембрану и липидные капли, и полюсов клеток с низким содержанием, которые состоят в основном из клеточной мембраны, давало сильный и слабый контраст CARS, соответственно (рис. 6E). С другой стороны, разделение мембран, вызванное насыщенными FFAs, наблюдалось только при флуоресцентной визуализации красителей, исследующих фазу, но не при CARS-визуализации богатых липидами структур (рис. 6F). Следовательно, клеточная полярность, наблюдаемая с помощью CARS-изображения ЦОК, выделенных от мышей с БХ, четко указывает на включение полиненасыщенных СЖК в мембраны ЦОК (рис. 3D). Кроме того, присутствие внутриклеточных липидов в первичных, циркулирующих и метастазирующих клетках ясно указывало на воздействие на клетки избытка свободных жирных кислот.

    СЖК индуцируют полярность клеток и повышают способность к поверхностной адгезии

    Затем мы исследовали, как полярность ЦОК у мышей с БХ может способствовать наблюдаемому увеличению метастазирования в легкие путем изучения способности поляризованных клеток M109 связываться с поверхностью. Клетки М109, подвергшиеся воздействию линолевой кислоты в течение четырех дней, отделяли от культуральных чашек и добавляли в чашки со стеклянным дном. Мы наблюдали поверхности мембран на полюсах клеток L o как участки, которые прикреплялись к поверхности стекла во время повторного прикрепления (рис. 7А). Поскольку поверхностные белки сконцентрированы в L o полюсов клеток, а не по всей клеточной поверхности, наблюдалось увеличение плотности поверхностных белков в областях L o (рис. 7B и рис. S6, см. Дополнительный файл 2). Такое увеличение локальной плотности поверхностного белка может объяснить предпочтительное связывание полюсов клеток L или со стеклянными поверхностями. Далее мы сравнили способность к связыванию с поверхностью полярных клеток, обработанных линолевой кислотой, и необработанных клеток без полярности. Мы обнаружили примерно двукратное увеличение адгезии поляризованных клеток к поверхности стекла по сравнению с клетками без полярности (рис. 7С). Наши данные согласуются с предыдущим отчетом, в котором лечение линолевой кислотой увеличивало адгезию клеток карциномы молочной железы к поверхности, покрытой коллагеном [20]. Вполне возможно, что поляризованные ЦОК у мышей с БХ могли иметь более сильное сродство к поверхности, чем неполяризованные ЦОК у мышей с ЛД, что приводило к повышенной экстравазации ЦОК и метастазированию, наблюдаемым у мышей с БХ (рис. 4В).

    Рисунок 7

    Поляризованные клетки, индуцированные полиненасыщенными СЖК, проявляют повышенное сродство к поверхности . ( A ) Поляризованные клетки демонстрируют предпочтительное поверхностное связывание в фазе L o мембраны. Клетки M109, подвергнутые воздействию 50 мкМ линолевой кислоты в течение 4 дней, сначала отделяли от чашек для культивирования, затем снова помещали на стеклянную поверхность, окрашивали фазовыми красителями и визуализировали. L o фаза: зеленый, L d фаза: красный, желтый: наложение зеленого и красного сигналов. Шкала баров: 25 мкм. Z = 0 мкм указывает на границу раздела клеточной мембраны со стеклянной поверхностью. ( B ) Поверхностная плотность белка в фазе L o поляризованных клеток выше, чем средняя поверхностная плотность белка неполяризованных клеток. Клетки M109, подвергнутые воздействию 50 мкМ линолевой кислоты в течение 4 дней, окрашивали FITC-конъюгированными антителами к молекулам адгезии сосудистых клеток, VCAM-1. Случайная флуоресцентная единица (RFU), которая представляет собой концентрацию VCAM-1, нанесена на график относительно положения клеток, обозначенного синими и красными линиями, которые обозначают неполяризованную и поляризованную клетку соответственно. Трехмерное сложенное изображение из 15 кадров с шагом 1 мкм по вертикальной оси. ( C ) Поляризованные клетки проявляют повышенное сродство к поверхности. Клетки M109, необработанные (синие) или обработанные 50 мкМ линолевой кислоты в течение 4 дней, сначала отделяли от культуральных чашек, а затем снова добавляли на стеклянную поверхность на 45 минут. Неприкрепленные клетки удаляли осторожной промывкой. Прикрепленные клетки лизировали и анализировали с помощью красителя CyQuant GR на нуклеиновые кислоты. Флуоресцентные сигналы (RFU) линейно коррелируют с количеством клеток и указывают на сродство к клеточной поверхности.

    Полноразмерное изображение

    СЖК снижают межклеточный контакт, что приводит к увеличению хемотаксической подвижности

    Ранее было показано, что включение СЖК в клеточную мембрану изменяет подвижность эндотелиальных клеток [21]. Чтобы изучить влияние СЖК на подвижность раковых клеток, мы провели несколько анализов хемотаксиса (рис. S7, см. Дополнительный файл 2). Во-первых, мы инкубировали клетки M109 с висцеральными жировыми тканями и визуализировали инвазивные клетки. Путем одновременной визуализации CARS клеток M109 и визуализации SFG коллагеновых фибрилл мы обнаружили M109, богатую липидами.клетки на расстоянии до 25 мкм от поверхности ткани после 24 часов инкубации (фиг. 8А). Во-вторых, мы использовали анализ двумерной миграции для наблюдения за движением раковых клеток к жировым тканям вдоль дна чашки для культивирования. Мы наблюдали миграцию клеток М109 в течение 24 часов после инкубации (фиг. 8В). Визуализация CARS выявила мигрирующие клетки M109 с округлой морфологией, высоким накоплением внутриклеточных липидов и клеточной полярностью (фиг. 8C). В-третьих, мы использовали анализ инвазии внеклеточного матрикса (ECM), чтобы оценить вклад FFAs в M109.миграция клеток. Клетки M109, необработанные или предварительно обработанные CM, цитокинами CM или свободными жирными кислотами CM, позволяли проникать в мембрану ECM в присутствии ростовой среды, CM, цитокинов CM или свободных жирных кислот CM (фиг. 8D). Мы обнаружили, что СЖК CM сами по себе не служат хемоаттрактантами для клеток M109. Вместо этого клетки M109 привлекались цитокинами CM (рис. S8, см. Дополнительный файл 2). Однако клетки M109, предварительно обработанные СЖК CM, имели значительно повышенную способность к инвазии ECM по отношению к цитокинам CM. Наши анализы хемотаксиса показали, что измененный M109подвижность клеток была следствием прямого действия СЖК на клеточную мембрану. Вполне возможно, что уменьшение межклеточного контакта из-за FFAs-индуцированного округления мембран делает клетки M109 более восприимчивыми к хемотаксической подвижности, индуцированной цитокинами CM (Fig. 8D).

    Рисунок 8

    Предварительная обработка клеток M109 FFA увеличивает способность к инвазии ECM . ( A ) Богатые липидами клетки M109 (стрелки) связываются с волокнами коллагена типа I (синие) в висцеральной жировой ткани (VF) после 24 часов совместной инкубации. Звездочками (*) отмечены адипоциты VF. АВТОМОБИЛИ: серый, SFG: синий. ( B ) Круглые раковые клетки, мигрирующие к ткани VF вдоль двумерного дна чашки для культивирования после 24 часов совместной инкубации. Изображения, полученные с помощью трансмиссионной микроскопии. ( C ) CARS-изображение двумерных мигрирующих раковых клеток с накоплением внутриклеточных липидов и клеточной полярностью. Шкала баров: 25 мкм. ( D ) Предварительная обработка клеток M109 FFA увеличивает инвазию ECM. Анализы инвазии внеклеточного матрикса для необработанных клеток M109 (синие) или клеток M109, предварительно обработанных CM (красный), предварительно обработанных только CM FFA (светло-серый) или предварительно обработанных только цитокинами CM (серый), движущихся к хемоаттрактантам: RPMI (питательная среда с добавками), CM (среда, кондиционированная VF), только CM FFA и только CM цитокины. RFU (относительная флуоресцентная единица) линейно коррелирует с количеством клеток. Столбики погрешностей представляют собой стандартное отклонение для 8 повторных анализов.

    Увеличить

    Висцеральные жировые ткани принято считать эндокринными органами, регулирующими липидный и энергетический гомеостаз организма [22, 23]. Увеличение массы висцерального жира тесно связано с гиперлипидемией, повышенным ожирением органов, измененным метаболизмом свободных жирных кислот и аномальной секрецией адипокинов [23]. Здесь мы показали, что секретируемые цитокины и СЖК из висцеральной жировой ткани оказывают сильное влияние на подвижность раковых клеток и инвазию в ткани. Секретируемые цитокины привлекали раковые клетки; тогда как секретируемые СЖК нарушают мембрану раковой клетки, что приводит к уменьшению межклеточного контакта. Прямым доказательством воздействия СЖК было накопление внутриклеточных липидов в мигрирующих раковых клетках. В то время как негативное влияние увеличения висцеральной жировой ткани на развитие рака было сосредоточено в основном на измененной химической передаче сигналов, вызванной секретируемыми цитокинами, мы показали, что физические возмущения на мембране раковой клетки, вызванные секретируемыми свободными жирными кислотами, также способствовали повышению агрессивности рака. В совокупности наши данные in vitro подтверждают корреляцию между повышенным висцеральным ожирением или повышенным уровнем свободных жирных кислот в плазме крови и повышенной агрессивностью рака за счет действия свободных жирных кислот на раковые клетки.

    Воздействие СЖК на клетки M109 наблюдалось при раке молочной железы

    Чтобы определить, остается ли воздействие, оказываемое СЖК, распространяющимся на другие линии раковых клеток, мы исследовали влияние СЖК на клеточную линию рака молочной железы человека. Мы также исследовали богатые липидами ткани опухоли молочной железы на модели рака крысы. Используя культуры клеток MCF-7, мы наблюдали добавление избытка СЖК, индуцированных возмущениями, подобными наблюдаемым в M109.культурах клеток, включая накопление внутриклеточных липидов и уменьшение межклеточных контактов (фиг. 9А). Используя биопсии тканей модели рака молочной железы крыс Sprague-Dawley, где диета с высоким содержанием жиров и ожирение были связаны с повышенным канцерогенезом и агрессивностью индуцированного метилнитрозомочевиной рака молочной железы [15], мы наблюдали, что раковые клетки, богатые липидами, демонстрировали дезорганизованное образование в резком контрасте с высокоупорядоченное образование, типичное для бедных липидами раковых клеток эпителиального происхождения (рис. 9В). Такая потеря тканевой организации ранее была описана как решающая для инвазии тканей и метастазирования раковыми клетками [17]. Поскольку СЖК индуцируют накопление липидов в раковых клетках, богатые липидами раковые клетки, наблюдаемые в биоптатах ткани рака молочной железы крыс, могут быть следствием избытка СЖК в микроокружении опухоли. Сопоставимые эффекты СЖК на клетки рака молочной железы свидетельствуют о неспецифичности воздействия СЖК на поведение раковых клеток.

    Рисунок 9

    Визуализация CARS показывает, что воздействие свободных жирных кислот на клетки M109 наблюдается при раке молочной железы . ( A ) СЖК индуцировали накопление липидов и снижали межклеточную адгезию в клеточной линии рака молочной железы человека MCF-7. Верхняя панель: клетки MCF-7 в день 0; нижняя панель: клетки MCF-7 после 4 дней обработки CM FFAs. ( B ) Богатые липидами раковые клетки карциномы молочной железы крыс имеют неупорядоченную организацию. Верхняя панель: карцинома молочной железы крысы с низким содержанием липидов; нижняя панель: богатая липидами карцинома молочной железы крысы. Положительные контрасты CARS возникают из богатой липидами мембраны и внутриклеточного липида. Отрицательные контрасты CARS указывают на ядра с низким содержанием липидов. Шкала баров: 25 мкм.

    Изображение в натуральную величину

    Заключение

    В этом исследовании мы представляем механистический анализ взаимосвязи между избытком липидов и агрессивностью рака. Используя модель рака у животных, мы наблюдаем, как мыши с избытком висцеральной жировой ткани или свободных жирных кислот плазмы из-за диеты с высоким содержанием жиров испытывают раннюю потерю массы тела, раннее появление большого количества ЦОК и повышенное метастазирование в легкие. Визуализация CARS выявляет значительное накопление липидов в первичных, циркулирующих и метастазирующих опухолевых клетках. Кроме того, ЦОК, выделенные от мышей HD, демонстрируют поляризованное распределение липидных тел и цитоплазматических белков. Использование M109клеточных культурах мы показываем, что СЖК индуцируют внутриклеточное накопление липидов. Включение СЖК в клеточную мембрану вызывает округление мембраны, что приводит к снижению межклеточной адгезии и усилению тканевой инвазии. Более того, полиненасыщенные СЖК индуцируют разделение мембранных фаз и поляризованное распределение поверхностных, цитоплазматических и цитоскелетных белков. Полярность клеток, индуцированная полиненасыщенными СЖК и наблюдаемая в ЦОК у мышей с БХ, увеличивает способность к поверхностному связыванию. Это наблюдение может объяснить повышенную экстравазацию и метастазирование ЦОК у мышей с БХ. В совокупности оба 9Исследования 0167 in vitro и in vivo тесно связывают воздействие избытка СЖК на мембрану раковых клеток с повышенным риском агрессивного поведения рака.

    В дополнение к раковым клеткам многие другие типы клеток также накапливают липиды в условиях повышенного содержания свободных жирных кислот в сыворотке [24]. Действительно, избыточное накопление внутриклеточных липидов в нежировых тканях связано с резистентностью к инсулину, гибелью клеток и сердечной недостаточностью [25]. В настоящее время предполагается, что накопление липидов является общим защитным механизмом от липотоксичности [24]. Направляя избыток жирных кислот на путь метаболизма липидов и в сторону от пути апоптоза, клетки улучшают свою выживаемость [24]. Было показано, что многие неадипоцитарные клетки, обладающие ограниченной способностью превращать СЖК в нейтральные липиды, альтернативно включают СЖК в клеточную мембрану, что приводит к повышению подвижности клеток [21], увеличению поверхностной адгезии [20] и изменению трансмембранной передачи сигналов [26]. ]. Разумно полагать, что раковые клетки также накапливают липиды для защиты от липотоксичности (рис. S9)., см. дополнительный файл 2). Однако непреднамеренные физические возмущения, вызванные СЖК на мембране раковых клеток, приводят к тому, что раковые клетки теряют адгезию к соседним клеткам, становятся более восприимчивыми к миграции и имеют повышенную возможность экстравазации из кровотока. Опухоли, богатые липидами, могут быть следствием избытка СЖК в микроокружении опухоли. Таким образом, лечение или классификация карциномы, богатой липидами, должны учитывать риски, вызванные избытком свободных жирных кислот.

    В наших исследованиях на животных, вызванное диетой повышение уровня свободных жирных кислот в плазме ускоряет метастазирование рака. Тем не менее, вклад СЖК в метастазирование рака следует рассматривать в контексте сложного in vivo среда, в которой взаимодействуют несколько факторов риска. Например, наши эксперименты по совместному культивированию показывают сильное влияние цитокинов СМ на миграцию раковых клеток (рис. 8D). Предыдущие исследования также выявили ряд других факторов риска метастазирования в микроокружении опухоли, включая стволовые клетки [27], фибробласты [28], макрофаги [29], коллагеновые волокна [30] и другие. Кроме того, было показано, что СЖК оказывают иммунодепрессивное действие, нарушая мембрану Т-клеток и ингибируя передачу сигнала Т-клетками [26]. Учитывая, что многие типы клеток могут аккумулировать внутриклеточные липиды, маловероятно, что СЖК оказывают свое влияние именно на раковые клетки. Чтобы полностью понять влияние СЖК на метастазирование рака, необходимо всесторонне исследовать влияние СЖК на другие типы клеток, особенно стромальные клетки опухоли.

    Наконец, обнаружение богатых липидами ЦОК с помощью визуализации CARS может позволить в будущем разработать прижизненную проточную цитометрию CARS без меток для ранней диагностики метастазов рака. Используя нашу текущую установку нелинейной оптической микроскопии, прижизненная проточная цитометрия CARS еще способна различать ЦОК, богатые липидами, от клеток крови с низким содержанием липидов в микрососуде. Возможные объяснения могут быть связаны с низкой чувствительностью CARS к движущимся клеткам [31], интерференцией богатых липидами компонентов кожи мышей [32], которые дешифруют сигналы CARS, исходящие от движущихся клеток, или неоптимизированным отношением скорости лазерного сканирования к скорости кровотока. 31]. Однако недавние достижения в области оптики позволяют предположить, что проблемы прижизненной проточной цитометрии CARS могут быть преодолены. Такие достижения включают в себя адаптивную оптику, которая сводит к минимуму оптические искажения в толстых тканях [33], генерацию сигнала CARS от одного параметрического генератора света с синхронной накачкой пикосекунды, который увеличивает глубину проникновения [34], и микроскопию CARS с видеочастотой, которая увеличивает скорость лазерного сканирования [32]. . Кроме того, успехи в КАРС-эндоскопии [35] также предполагают возможное клиническое применение КАРС-визуализации в ближайшем будущем. Открытие ЦОК, богатых липидами, представленное в этой статье, должно облегчить трансляционную разработку инструментов визуализации на основе CARS для клинической диагностики рака.

    Сокращения

    АВТОМОБИЛИ:

    когерентное антистоксово комбинационное рассеяние

    CTC:

    циркулирующие опухолевые клетки

    См:

    кондиционированная среда 0,3 г висцеральной жировой ткани

    ЕСМ:

    внеклеточный матрикс

    ФФА:

    свободные жирные кислоты

    GFP:

    зеленый флуоресцентный белок

    HD:

    диета с высоким содержанием жиров

    LD:

    постная диета

    Запрос предложений:

    красный флуоресцентный белок

    SFG:

    генерация суммарной частоты

    TPEF:

    двухфотонное возбуждение флуоресценции

    ВФ:

    висцеральная жировая ткань.

    Ссылки

    1. Роуз Д.П., Коннолли Дж.М., Мештер К.Л.: Влияние пищевого жира на рост рака молочной железы человека и метастазирование в легкие у голых мышей. J Natl Cancer Inst. 1991, 83 (20): 1491-1495. 10.1093/jnci/83.20.1491.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    2. Calle EE, Kaaks R: Избыточный вес, ожирение и рак: эпидемиологические данные и предлагаемые механизмы. Нат Рев Рак. 2004, 4 (8): 579-591. 10.1038/nrc1408.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    3. Всемирный фонд исследования рака/Американский институт исследования рака: продукты питания, физическая активность и профилактика рака: глобальная перспектива. 2007 г., Вашингтон, округ Колумбия: AICR

      Google ученый

    4. “>

      Thiebaut ACM, Schatzkin A, Ballard-Barbash R, Kipnis V: Пищевой жир и рак молочной железы: результаты исследования выживания. J Natl Cancer Inst. 2006, 98 (24): 1753-1755.

      Артикул пабмед Google ученый

    5. Fontham ETH: Диета и рак легких. Причины рака и борьба с ним. 1997, 8 (6): 819-820. 10.1023/А:10184320.

      КАС Статья Google ученый

    6. MacLean CH, Newberry SJ, Mojica WA, Khanna P, Issa AM, Suttorp MJ, Lim YW, Traina SB, Hilton L, Garland R, Morton Sc: Влияние омега-3 жирных кислот на риск развития рака – систематический анализ обзор. ДЖАМА. 2006, 295 (4): 403-415. 10.1001/jama.295.4.403.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    7. Ramos CV, Taylor HB: Богатый липидами рак молочной железы: клинико-патологический анализ 13 примеров. Рак. 1973, 33 (3): 812-819. 10.1002/1097-0142(197403)33:3<812::AID-CNCR2820330328>3.0.CO;2-4.

      Артикул Google ученый

    8. Metser U, Miller E, Lerman H, Lievshitz G, Avital S, Even-Sapir E: F-18-FDG ПЭТ/КТ в оценке образований надпочечников. Дж Нукл Мед. 2006, 47 (1): 32-37.

      ПабМед Google ученый

    9. Sijens PE, Levendag PC, Vecht CJ, vanDijk P, Oudkerk M: МР-спектроскопия H-1 для обнаружения липидов и лактата в метастатических опухолях головного мозга. ЯМР Биомед. 1996, 9 (2): 65-71. 10.1002/(SICI)1099-1492(199604)9:2<65::AID-NBM397>3.0.CO;2-N.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    10. Розен PP: Патология молочной железы Розена. 2008, Нью-Йорк: Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, 556–556. 3

      Google ученый

    11. “>

      de los Monteros AE, Hellmen E, Ramirez GA, Herraez P, Rodriguez F, Ordas J, Millan Y, Lara A, de las Mulas JM: Богатый липидами рак молочной железы у семи собак: клинико-патологический и иммуногистохимический Особенности. Вет Патол. 2003, 40 (6): 718-723. 10.1354/вп.40-6-718.

      Артикул Google ученый

    12. Cheng JX, Xie XS: Когерентная антистоксова микроскопия комбинационного рассеяния: аппаратура, теория и приложения. J Phys Chem B. 2004, 108 (3): 827-840. 10.1021/jp035693м.

      КАС Статья Google ученый

    13. Cheng JX: Когерентная антистоксова микроскопия комбинационного рассеяния. Прил Спектроск. 2007, 61 (9): 197-208.

      Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    14. Hellerer T, Axang C, Brackmann C, Hillertz P, Pilon M, Enejder A: Мониторинг накопления липидов у Caenorhabditis elegans с использованием микроскопии когерентного антистоксова рамановского рассеяния (CARS). Proc Natl Acad Sci USA. 2007, 104 (37): 14658-14663. 10.1073/пнас.07035

      .

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    15. Le TT, Rehrer CW, Huff TB, Nichols MB, Camarillo IG, Cheng JX: Нелинейная оптическая визуализация для оценки влияния ожирения на молочную железу и строму опухоли. Мол изображения. 2007, 6 (3): 205-211.

      ПабМед ПабМед Центральный Google ученый

    16. He W, Wang HF, Hartmann LC, Cheng JX, Low PS: количественный анализ in vivo редких циркулирующих опухолевых клеток с помощью многофотонной прижизненной проточной цитометрии. Proc Natl Acad Sci USA. 2007, 104 (28): 11760-11765. 10.1073/пнас.0703875104.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    17. Ханахан Д., Вайнберг Р.А. Признаки рака. Клетка. 2000, 100 (1): 57-70. 10.1016/S0092-8674(00)81683-9.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    18. Баумгарт Т., Хаммонд А.Т., Сенгупта П., Хесс С.Т., Холовка Д.А., Бэрд Б.А., Уэбб В.В.: Крупномасштабное разделение белков и липидов между жидкой и жидкой фазами в гигантских пузырьках плазматической мембраны. Proc Natl Acad Sci USA. 2007, 104 (9): 3165-3170. 10.1073/пнас.0611357104.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    19. Гувер Р.Л., Фудзивара К., Клауснер Р.Д., Бхалла Д.К., Такер Р., Карновский М.Дж.: Влияние свободных жирных кислот на организацию элементов цитоскелета в лимфоцитах. Мол Селл Биол. 1981, 1 (10): 939-948.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    20. Palmantier R, George MD, Akiyama SK, Wolber FM, Olden K, Roberts JD: цис-полиненасыщенные жирные кислоты стимулируют β(1)-интегрин-опосредованную адгезию клеток карциномы молочной железы человека к коллагену IV типа путем активации протеинкиназ C-e и -мк. Рак рез. 2001, 61 (6): 2445-2452.

      КАС пабмед Google ученый

    21. Ghosh PK, Vasanji A, Murugesan G, Eppell SJ, Graham LM, Fox PL: Микровязкость мембраны регулирует подвижность эндотелиальных клеток. Nat Cell Biol. 2002, 4 (11): 894-900. 10.1038/ncb873.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    22. Розен Э.Д., Шпигельман Б.М. Адипоциты как регуляторы энергетического баланса и гомеостаза глюкозы. Природа. 2006, 444 (7121): 847-853. 10.1038/природа05483.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    23. Despres JP, Lemieux I: Абдоминальное ожирение и метаболический синдром. Природа. 2006, 444 (7121): 881-887. 10.1038/природа05488.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    24. “>

      Listenberger LL, Han XL, Lewis SE, Cases S, Farese RV, Ory DS, Schaffer JE: Накопление триглицеридов защищает от липотоксичности, вызванной жирными кислотами. Proc Natl Acad Sci USA. 2003, 100 (6): 3077-3082. 10.1073/пнас.0630588100.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    25. Копельман П.Г. Ожирение как медицинская проблема. Природа. 2000, 404 (6778): 635-643.

      КАС пабмед Google ученый

    26. Stulnig TM, Berger M, Sigmund T, Raederstorff D, Stockinger H, Waldhausl W: Полиненасыщенные жирные кислоты ингибируют передачу сигнала Т-клеток путем модификации нерастворимых в детергенте мембранных доменов. Джей Селл Биол. 1998, 143 (3): 637-644. 10.1083/jcb.143.3.637.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    27. “>

      Karnoub AE, Dash AB, Vo AP, Sullivan A, Brooks MW, Bell GW, Richardson AL, Polyak K, Tubo R, Weinberg RA: Мезенхимальные стволовые клетки в строме опухоли способствуют метастазированию рака молочной железы. Природа. 2007, 449 (7162): 557-563. 10.1038/природа06188.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    28. Каллури Р., Зейсберг М.: Фибробласты при раке. Нат Рев Рак. 2006, 6 (5): 392-401. 10.1038/nrc1877.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    29. Wyckoff JB, Wang Y, Lin EY, Li JF, Goswami S, Stanley ER, Segall JE, Pollard JW, Condeelis J: Прямая визуализация интравазации опухолевых клеток с помощью макрофагов в опухоли молочной железы. Рак рез. 2007, 67 (6): 2649-2656. 10.1158/0008-5472.CAN-06-1823.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    30. “>

      Provenzano PP, Eliceiri KW, Campbell JM, Inman DR, White JG, Keely PJ: Реорганизация коллагена на границе опухоли и стромы способствует локальной инвазии. БМС Мед. 2006, 4: 38-10.1186/1741-7015-4-38.

      Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    31. Wang HW, Bao N, Le TT, Lu C, Cheng JX: Микрофлюидная цитометрия CARS. Выбрать Экспресс. 2008, 16 (8): 5782-5789. 10.1364/ОЭ.16.005782.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    32. Evans CL, Potma EO, Puoris’haag M, Cote D, Lin CP, Xie XS: Химическая визуализация тканей in vivo с помощью когерентной антистоксовой микроскопии рамановского рассеяния с видеоскоростью. Proc Natl Acad Sci USA. 2005, 102 (46): 16807-16812. 10.1073/пнас.0508282102.

      КАС Статья пабмед ПабМед Центральный Google ученый

    33. “>

      Wright AJ, Poland SP, Girkin JM, Freudiger CW, Evans CL, Xie XS: Адаптивная оптика для усиления сигнала в микроскопии CARS. Выбрать Экспресс. 2007, 15 (26): 18209-18219. 10.1364/ОЭ.15.018209.

      КАС Статья пабмед Google ученый

    34. Ганиханов Ф., Карраско С., Се Х.С., Кац М., Зейтц В., Копф Д.: Широко настраиваемый двухволновой источник света для микроскопии когерентного антистоксова комбинационного рассеяния. Опция Летт. 2006, 31 (9)): 1292-1294. 10.1364/ОЛ.31.001292.

      Артикул пабмед Google ученый

    35. Легар Ф., Эванс С.Л., Ганиханов Ф., Се Х.С.: На пути к эндоскопии CARS. Выбрать Экспресс. 2006, 14 (10): 4427-4432. 10.1364/ОЭ.14.004427.

      Артикул пабмед Google ученый

    История до публикации

    • С историей до публикации этой статьи можно ознакомиться здесь: http://www. biomedcentral.com/1471-2407/9/42/до публикации

    Ссылки для скачивания

    Благодарности

    Эта работа поддерживается постдокторской стипендией NIH F32HL089074 для TTL и грантом NIH R21 EB004966 для JXC. Авторы благодарят И. Г. Камарильо, К. Бумана и Р. Т. Фана за содержательное обсуждение.

    Информация об авторе

    Авторы и организации

    1. Школа биомедицинской инженерии Уэлдона, Университет Пердью, Западный Лафайет, Индиана 47907, США

      Thuc T Le & Ji-Xin Cheng

    2. Химический факультет, Университет Пердью, Западный Лафайет, IN 47907, США

      Терри Б. Хафф и Джи-Син Ченг

    3. Онкологический центр Пердью, Университет Пердью, Западный Лафайет, IN 479003, США Xin Cheng

    Авторы

    1. Thuc T Le

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    2. Terry B Huff

      Посмотреть публикации автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    3. Ji-Xin Cheng

      Просмотр публикаций автора

      Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

    Автор, ответственный за корреспонденцию

    Цзи-Синь Ченг.

    Дополнительная информация

    Конкурирующие интересы

    Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

    Вклад авторов

    Эксперименты, разработанные TTL и JXC. TTL и TBH провели эксперименты и проанализировали данные. TTL и JXC написали статью. Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

    Электронный дополнительный материал

    12885_2008_1376_MOESM1_ESM.avi

    Дополнительный файл 1: Прижизненная проточная цитометрия для выявления циркулирующих опухолевых клеток. Поверхностный кровеносный микрососуд мыши Balb/c на обычном рационе через 4 недели после имплантации опухоли был выбран для одновременной конфокальной и трансмиссионной визуализации. Ролик получен в режиме xyt-scan со скоростью ~4 кадра в секунду и временным окном 2 минуты. Зеленый, сигнал GFP; красный, сигнал RFP; синий, сигнал передачи. Фильм представляет собой необработанные данные. Диаметр кровеносного микрососуда: 8 мкм. (AVI 8 МБ)

    Дополнительный файл 2: вспомогательные рисунки S1–S9.

    Дополнительные вспомогательные данные (PDF 1 МБ)

    Оригинальные файлы изображений, представленные авторами

    Ниже приведены ссылки на оригинальные файлы изображений, представленные авторами.

    Авторский файл рисунка 1

    Авторский файл рисунка 2

    Авторский файл рисунка 3

    Авторский файл рисунка 4 9

    Оригинальный файл авторов для рисунка 5

    Оригинальный файл авторов для рисунка 6

    Оригинальный файл авторов для рисунка 7

    Оригинал авторов. файл для рисунка 9

    Права и разрешения

    Открытый доступ Эта статья опубликована по лицензии компании BioMed Central Ltd. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License ( https://creativecommons.org/licenses/by/2.0 ), который разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

    Перепечатка и разрешения

    Об этой статье

    ОХЛАЖДЕНИЕ С АНТИСТОКСОВОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИЕЙ – SOLCOLD

    Охлаждение с помощью антистоксовой флуоресценции

    Область техники

    Настоящее изобретение относится к охлаждению с использованием антистоксовой флуоресценции. Более конкретно, настоящее изобретение относится к технологии охлаждения, в которой используется поглощение некогерентного немонохроматического электромагнитного/солнечного излучения и антистоксова флуоресценция.

    Общие сведения

    Лазерное охлаждение твердых тел — это явление, при котором взаимодействие с излучением вызывает эффективное охлаждение твердых материалов. Идея была предложена еще в 1929 году Прингсхеймом. Только в 1995 году Эпштейн и др. добились лазерного охлаждения твердых тел, которым удалось охладить твердое тело на 0,3 К (Эпштейн, 1995), что также называется оптическим охлаждением твердых тел. Это быстро растущая муха, в которой современным искусством является охлаждение твердых тел до криогенной температуры до 100 К (Melgaard 2016). В твердой фазе вещества большое количество тепловой энергии вещества содержится в колебательных модах решетки. Таким образом, уменьшение колебательного движения частиц приведет к охлаждению материала. По аналогии с квантами света кванты колебательного движения обычно называют фононами. Двумя основными взаимодействиями, важными для лазерного охлаждения, являются: Стоксова флуоресценция/рассеяние, представляющее собой процесс, при котором свет взаимодействует с веществом, в результате чего фотон поглощается и излучается с меньшей энергией; иногда этот процесс также представляет собой преобразование люминесценции с понижением частоты. Потерянная энергия преобразуется в тепловую энергию внутри твердого тела. Это, конечно, приводит к нагреву взаимодействующего материала; Анти-Стокс

    флуоресценция/рассеяние, противоположное стоксовой флуоресценции (также называемое преобразованием люминесценции с повышением частоты). В этом процессе свет взаимодействует с веществом, так что каждый фотон рассеивается с большей энергией, чем энергия, с которой он начал. Энергия обеспечивается фононами в материале, что приводит к охлаждению материала после уравновешивания. Физические принципы лазерного охлаждения в твердых телах направлены на достижение максимального антистоксового рассеяния и минимального стоксова рассеяния. Поскольку тип рассеяния сильно зависит от длины волны света, для таких исследований традиционно использовались лазеры, излучающие свет с узким диапазоном длин волн. Лазерное охлаждение с использованием антистоксовой флуоресценции было исследовано и установлено в течение некоторого времени. Такое охлаждение достигается за счет испускания электромагнитного излучения (фотонов) со средней энергией, превышающей среднюю энергию поглощенного излучения. По сути, тепло преобразуется в свет, излучаемый материалом.

    Излучение с более высокой энергией, чем поглощенное излучение, можно смоделировать с помощью полупроводников, имеющих запрещенную зону между основным и возбужденным уровнями и расщепление энергетического уровня между двумя возбужденными уровнями, где ширина запрещенной зоны на порядок больше ширины запрещенной зоны между возбужденными уровнями. Тепловое равновесие между двумя возбужденными уровнями приводит к заселению более высокого возбужденного уровня. Если предположить отсутствие безызлучательного распада возбужденных электронов на более высоком возбужденном уровне, то испускание фотонов происходит с частотой более высокой (более короткой длины волны), чем частота поглощенных фотонов, что приводит к общему охлаждению.

    Лазерное охлаждение твердых тел в настоящее время можно в значительной степени разделить на две области: лазерное охлаждение с помощью стекол или кристаллов, легированных ионами, и лазерное охлаждение в полупроводниках (объемных или ограниченных, таких как структуры с квантовыми ямами). в лазерах со сбалансированным излучением, где длина волны накачки регулируется таким образом, чтобы охлаждение антистоксовой флуоресценции компенсировало нагрев лазера. Антистоксовы твердотельные охладители, также называемые оптическими охладителями, основанные на первых двух описанных выше вариантах, эффективны для достижения низких температур до 80 К для стекла, легированного редкоземельными элементами (RE), и до 55 К для полупроводников с прямой запрещенной зоной. Основное преимущество РЗ-ионов состоит в оптически активных β-электронах, экранированных заполненными внешними оболочками 5s и 5p, которые ограничивают взаимодействие с решеткой, окружающей РЗ-ион, и подавляют безызлучательный распад. Хозяева с низкой энергией фононов, например, фторидные стекла и кристаллы, могут уменьшать безызлучательный распад и повышать квантовую эффективность. Лазерное охлаждение наблюдалось в большом количестве стекол и кристаллов, легированных иттербием (Yb 3+ ), такие как ZBLANP, ZBLAN, CNBZN и BIG, YAG и Y 2 SIO S , BAY 2 F 8 , KPB 2 CL 5 , KPB 2 CL 5 , KPB 2 CL 5 , KPB 2 CL 5 , KPB 2 CL 5 , KPB 2 CL 5 , KPB 2 . 2 , YLF. Лазерное охлаждение наблюдалось также в легированных тулием (Tm 3+ ) ZBLANP и BaY 2 F 8 и в эрбии (Er 3+ ), легированных CNBZn и KPb 7 Cl 5 . В сводке ниже мы представляем изготовление и экспериментальные измерения твердых композитных материалов ZBLAN 1% Yb3+ и нано-ремней CdS. Эти материалы были специально исследованы, и было обнаружено, что они являются скорее необязательными хорошими кандидатами на материалы, которые можно использовать в качестве активных охлаждающих слоев, препятствующих образованию примесей, в различных вариантах осуществления настоящего изобретения. Такие слои можно заставить работать либо лазером, либо солнечным излучением в определенных диапазонах длин волн.

    ZBLAN 1 % Yb3+ – Этот материал представляет собой прозрачное стекло. Соответствующие длины волн для охлаждения этого материала при температуре окружающей среды (300 К) составляют 1000-1030 нм

    (Паттерсон 2010). Ниже или выше этих длин волн будет происходить стоксово рассеяние, что приведет к нагреву материала.

    CdS Nano-Belts – Этот материал состоит из желтоватых лент, которые выглядят как почти однородные желтые кусочки на серебристой кремниевой основе. Показано, что охлаждение происходит в нанопоясах шириной 65-120 нм. Любая другая морфология (нанопроволоки/кусочки) или полосы толще или тоньше указанного диапазона, по-видимому, вызывают в основном стоксово рассеяние (Li 2013). Охлаждение этого материала при 290К достигается при длинах волн 507-550 нм, где ниже нижнего порога (507 нм) будет происходить стоксово рассеяние, что приведет к нагреву материала. Нет данных для длины волны больше 550

    нм (Zhang 2013).

    Производство наноремней CdS: Вкратце, производство наноремней CdS происходит следующим образом. Ингредиенты: кремниевая подложка, покрытая тонким слоем Au (золота), который используется в качестве катализатора в процессе создания, и порошок CdS.

    Порошок CdS нагревают до температуры 840°С, а подложка и золотая пленка на ней должны достигать температуры 680-630°С. Пленка Au при нагревании превращается в мелкие кусочки. Постоянный поток аргона (со скоростью 120 см3), который представляет собой относительно тяжелый инертный газ, не взаимодействующий ни с одним из материалов, переносит пары CdS к подложке. Некоторые из CdS прикрепляются к золотым кускам и пояскам, которые начинают формироваться под ним. Примерно через два часа, если процесс был проведен достаточно чисто и все параметры установлены правильно, образуется небольшой слой поясков CdS (Gao 2004).

    Экспериментальные инструменты измерения:

    Измерение температуры – ИК-камера

    Все объекты излучают излучение, спектр которого зависит от температуры объекта. Это излучение называется излучением черного тела, потому что в теории черные тела поглощают все падающее на них излучение и поэтому являются «черными». При температурах около комнатной температуры испускаемое излучение концентрируется в основном в средней и дальней ИК-области спектра с длинами волн около 10 микрометров. ИК-камеры содержат детекторы, которые измеряют интенсивность фотонов с этими длинами волн. Эти камеры позволяют измерять температуру тела на расстоянии, предполагая, что среда, через которую распространяются фотоны, прозрачна для этих фотонов. Измеряя интенсивность ИК-излучения, можно легко рассчитать температуру. В частности, даже без калибровки можно легко определить разницу температур и тенденции эволюции.

    Методы измерения температуры – диод – Этот метод напрямую измеряет температуру небольшого диода, который термически связан с измеряемым образцом. Падение напряжения на диоде увеличивается при повышении его температуры на известную величину.

    Newton Cooling модель:

    Newton Cooling — теория, описывающая теплообмен тела с окружающей средой. Теория предполагает, что скорость охлаждения зависит от разности температур, что дает экспоненциальное решение. Использование этого решения с добавлением постоянного источника тепла/охлаждения дает уравнение.

    d(AT)/dt = -P C ooiing*l/C + b*( ΔT)

    C = 1/b * L*k = [W*s/K]

    Объем/площадь = L = эффективная длина

    k = константа материала = lW/K*м или стекло

    ΔT = T 0 – P охлаждение /L*k + P охлаждение /L*k * exp(- bt) Имитаторы солнечного света

    Имитаторы солнечного света – это устройства, излучающие свет со спектром, близким к солнечному спектру, падающему на Землю (после учета атмосферного воздействия). Следующий график, показанный на рис. 7, созданный ASTM (Американское общество по испытаниям и материалам), показывает интенсивность света, достигающего земли, как функцию длины волны, с атмосферным поглощением света и без него, также называемым поглощением света атмосферой. световой спектр солнца. Кроме того, он показывает теоретический спектр, как и ожидалось, для черного тела с температурой 5778 К, аналогичной температуре поверхности Солнца. Ниже подробно описаны некоторые основные модели антистоксова охлаждения в стекле, легированном RE (4-уровневая модель), и полупроводниках.

    Четырехуровневая модель оптического охлаждения

    Рассмотрим основные концепции лазерного охлаждения твердых тел на примере образца Yb 3+ :ZBLANP. Уровни энергии в см 1 и основные переходы Yb 3+ в ZBLANP показаны на рис. 1(а). Затем мы аппроксимируем системы уровней, проиллюстрированные на рис. 1 (а), 4-уровневой системой, проиллюстрированной на рис. 1 (б). В этой 4-уровневой системе многообразие основного состояния (2F7/2) представлено двумя энергетическими уровнями с энергетическим разделением 5Eg = El – E0, соответствующими низу (E0) и вершине (El) этого многообразия. Возбужденное многообразие (2 5/2) представлено двумя энергетическими уровнями с энергетическим разделением 5Eex = E3 – E2, соответствующим низу (E2).

    На рис. 1(а) показаны энергетические уровни и основные переходы Yb 3+ в ZBLAN. Рис. 1(б) иллюстрирует 4-уровневую энергетическую модель оптического охлаждения, состоящую из двух пар уровней в основном (0 и 1) и возбужденном (2 и 3) коллекторах.

    Оптическое охлаждение в полупроводниках

    Последние достижения в разработке и производстве полупроводников стимулировали интерес к полупроводникам как кандидатам для оптического охлаждения. Существенное различие между полупроводниками и материалами, легированными редкоземельными элементами, заключается в их циклах охлаждения. В случае стекол, легированных редкоземельными элементами, переход охлаждения происходит в локализованных донорных ионах внутри матрицы. В случае полупроводников цикл охлаждения включает переход между расширенной валентной зоной и зоной проводимости полупроводника с прямой запрещенной зоной. Лазерные фотоны с энергией hvp создают холодное распределение электронно-дырочных носителей. Затем носители нагреваются за счет поглощения фононов, за чем следует люминесценция с преобразованием вверх на hvf. На рис. 2 схематично показан цикл охлаждения в полупроводнике с поглощенной энергией hvp с последующим испусканием фотона люминесценции, преобразованного с повышением частоты, на hvf.

    Неразличимый перенос заряда в распределениях Ферми-Дирака позволяет охлаждать полупроводники до более низких температур, чем материалы, легированные редкоземельными элементами. Действительно, высшие энергетические уровни многообразия основного состояния в системах, легированных редкоземельными элементами, становятся менее заселенными, как только температура понижается из-за распределения Больцмана. Цикл охлаждения в матрицах, легированных RE, прекращается, когда постоянная Больцмана, умноженная на температуру решетки, становится сравнимой с шириной основного состояния. В нелегированных полупроводниках такого ограничения нет. Согласно теоретическим оценкам, в полупроводниках с лазерным охлаждением могут быть достигнуты температуры до 10 К. Показано, что решетка и носители могут иметь разные температуры, изменяющиеся в пространстве и времени.

    Хотя полупроводники являются очень многообещающими материалами для лазерного охлаждения твердых тел и их внешний квантовый выход увеличивается с понижением температуры, поскольку условия потерь A и C уменьшаются, а скорость излучения (коэффициент B) увеличивается обратно пропорционально температуре, существуют некоторые проблемы, которые необходимо решить. быть преодолены для экспериментального достижения чистого охлаждения полупроводников, где упомянутые выше члены потерь A, B и C определяют безызлучательную, излучательную и оже-скорости электронно-дырочной рекомбинации (см. Немова Г., Лазерное охлаждение твердых тел, с. .12, уравнение (15), воспроизведено из Sheik-Bahae, M. & Epstein, RI (2004), Может ли лазерный свет охлаждать полупроводники?, Phys. Rev.Lett., Vol.92, pp. 247403: 1-4, для предсказания лазерного охлаждения объемного GaAs).

    (1) Необходимо уменьшить скорость поверхностной рекомбинации. Перспективным решением проблемы можно считать хорошо развитый метод эпитаксиального роста, такой как химическое осаждение из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), который может обеспечить очень низкую скорость поверхностной рекомбинации (A < 10 4 с -1 ). В этом случае активный слой GaAs помещается между двумя тонкими слоями AlGaAs или InGaP.Эти согласованные с решеткой плакирующие слои одновременно обеспечивают пассивацию поверхности и удержание носителей, и (2) необходимо уменьшить паразитное фоновое поглощение.Фоновое поглощение может быть уменьшена при подготовке материала с хорошо развитыми эпитаксиальными методами.Эффективность экстракции может быть повышена, если можно предотвратить полное внутреннее отражение, которое вызывает захват и повторное поглощение спонтанного излучения.В настоящее время чистота образцов является основным Препятствие на пути к полному лазерному охлаждению в полупроводниках. Рисунки 1(a-b) и 2 включают полупроводники (возбуждаемые через их запрещенные зоны), кристаллы и стекла, легированные редкоземельными или переходными металлами, и многоатомные молекулы в любой фазе (возбужденные между уровнями колебаний). Основными недостатками современных антистоксовых технологий охлаждения являются необходимость возбуждения лазером и настройка на очень конкретную длину волны излучения. Это может оказаться эффективным для конкретных применений, где требуется очень низкая температура и используется монохроматическое излучение. Однако до сих пор не применялся антистоксовый метод охлаждения в условиях температуры и немонохроматического излучения. Этот недостаток еще больше ограничивает применение антистоксова эффекта в довольно небольших приложениях.

    Основываясь на лазерном охлаждении твердых тел с использованием антистоксовой флуоресценции и его недостатках, описанных выше, желательно заменить источник энергии, а именно лазерную накачку, на более естественно доступный источник излучения с более широким спектром, т. е. взяты из солнечного спектра. Кроме того, желательно, чтобы спектральная полоса соответствовала материалу, проявляющему антистоксову флуоресценцию.

    Ссылки:

    [Эпштейн, 1995] Эпштейн, Р.И., Бухвальд, М., Эдвардс, Б., Госнелл, Т. и Мунган, К. Наблюдение лазерно-индуцированного флуоресцентного охлаждения твердого тела. Природа 377, 500-503 (1995). [Melgaard 2016] Мельгаард, С. Д., Альбрехт, А. Р., Хелен, М. П., Шейк-Бахае, М. Твердотельное оптическое охлаждение до температуры ниже 100 Кельвина, научные отчеты Nature (2016). [Patterson 2010] Паттерсон, В. М., Селецкий, Д. В., Шейк-Бахае, М., Эпштейн, Р. И., Хелен, М. П. Измерение оптического охлаждения в скользящем состоянии с помощью двухполосной дифференциальной люминесцентной термометрии, Jour. Опц. науч. Являюсь. В 27, 611 (2010).

    [Li 2013] Dehui Li, Jun Zhang и Qihua Xiong, Лазерное охлаждение нанолент CdS: толщина имеет значение, Optics Express Vol. 21, выпуск 16, стр. 19302-19310 (2013).

    [Zhang 2013] Jun Zhang, Dehui Li, Renjie Chen & Qihua Xiong, Лазерное охлаждение полупроводника на 40 Кельвинов, Nature 493, 504-508 (24 января 2013 г. )

    [Gao 2004] Tao Gao and Taihong Wang, Каталитический рост монокристаллических нанопоясов CdS и их люминесцентных свойств, J. Phys. хим. B, 2004, 108 (52), стр. 20045-20049 (24 ноября 2004 г.).

    [Fontenot 2016] Fontenot, R.S., Veerrendra, K.M., Barkyyoumb, JH, Mungan, C.E., Tran, T.N., Измерение антистоксовой люминесценции квантовых точек CdSe/ZnS для лазерного охлаждения, Proc. SPIE 9821, 982103 (2016).

    Таким образом, целью настоящего изобретения является создание технологии и способа охлаждения крупномасштабных объектов и поверхностей с использованием антистоксова эффекта. Еще одной задачей настоящего изобретения является создание технологии и способа антистоксова охлаждения объектов и поверхностей с использованием более широкого спектра электромагнитного излучения.

    В частности, целью настоящего изобретения также является создание технологии и способа антистоксового охлаждения объектов и поверхностей с использованием солнечного излучения. Резюме

    В одном аспекте настоящее изобретение относится к технологии охлаждения с использованием антистоксовой флуоресценции в материалах, которые реагируют на широкополосное солнечное излучение. В одном конкретном варианте осуществления настоящее изобретение использует полупроводниковые материалы для антистоксова охлаждения с широкой запрещенной зоной при солнечном излучении широкого спектра.

    В еще одном конкретном варианте синтетические материалы, легированные RE, используются для получения антистоксовой флуоресценции с использованием широкого спектра солнечного излучения.

    Общие характеристики материалов, используемых в настоящем изобретении для охлаждения на основе антистоксовой флуоресценции, подробно описаны в следующих пунктах:

    1. Каждый материал, проявляющий антистоксову флуоресценцию, имеет спектральную полосу, в которой он преобразует поглощенные фотоны с повышением частоты и охлаждается.

    В одном конкретном варианте спектральная полоса пропускания составляет от ~50 до -100 нм, что позволяет использовать немонохроматическое излучение.

    2. Использование антистоксова эффекта с диапазоном частот (внутри полосы спектра), а не с одной, не меняет возможности проведения охлаждения из-за существования антистоксовой реакции во всей полосе спектра.

    3. Активное охлаждение не зависит от когерентного характера излучения, что позволяет использовать некогерентное солнечное излучение в качестве источника входной мощности активного охлаждения.

    4. Технология охлаждения по изобретению подходит для малых и больших масштабов и практически для любого объекта с поверхностью, на которую можно нанести или покрыть слой вещества, например, крыша, стена, автомобиль, корабль, палатка, одежда и т. д.

    Напротив, эксперименты по технологии лазерного охлаждения проводились на небольших объектах длиной до нескольких миллиметров, поскольку:

    а. Цель этих экспериментов состояла в том, чтобы достичь минимально возможной температуры – это причина использования небольших объектов, которые быстрее остывают.

    б. Поскольку лазерная накачка потребляет энергию, использование небольших объектов позволяет использовать существующие лазерные накачки без необходимости настройки.

    в. Однако все эти причины не противоречат использованию технологии в больших масштабах. В одном аспекте для достижения крупномасштабного охлаждения с помощью антистоксовой флуоресценции настоящее изобретение обеспечивает технологию охлаждения, в которой используется некогерентное электромагнитное/солнечное излучение, которое поглощается слоистым веществом. Слоистым веществом может быть краска или ткань. Вещество оказывает охлаждающее действие на объект, на который оно нанесено, испуская антистоксову флуоресценцию. Как объяснялось выше, антистоксова флуоресценция достигается с помощью лазерной накачки, возбуждающей электроны основного уровня в возбужденное состояние, где возбужденные электроны дополнительно поглощают фононы и флуоресцируют обратно на основной уровень с энергией, превышающей энергию возбуждения. Эффективное охлаждение достигается при преобразовании тепла в свет, покидающий материал. Однако в настоящем изобретении лазерная накачка заменяется широкодиапазонным спектральным диапазоном, взятым, например, из солнечного спектра, который приспособлен для соответствия веществу, проявляющему антистоксову флуоресценцию.

    Кроме того, в одном конкретном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает двухслойную или многослойную структуру, которая фильтрует спектр излучения и пропускает только выбранную полосу к слою, который проявляет антистоксову флуоресценцию. Таким образом, верхний слой защищает нижний слой от излишне поглощаемого излучения и фактически делает охлаждающий эффект более эффективным за счет увеличения отношения выхода излучения к входу.

    Такая двухслойная или многослойная структура фильтрует спектр излучения, отражая большую его часть назад и в сторону от внешнего слоя и пропуская выбранную его полосу на второй слой. Второй слой в изобретении поглощает выбранную часть спектра, сдвигает ее в более коротковолновую область с помощью антистоксова эффекта и излучает ее излучательным образом. В результате получается охлаждающий эффект. Этап фильтрации, который предшествует созданию антистоксова эффекта, фактически заменяет требование настройки лазерного луча на точную монохроматическую длину волны. Вместо этого верхний слой заменяется таким «тюнингом». Кроме того, нет реальной потребности в точной настройке входящего излучения, как при накачке лазера в настоящем изобретении. Скорее, материалы, из которых состоит нижний слой в настоящем изобретении, реагируют на выбранный диапазон длин волн и создают антистоксов сдвиг и охлаждающий эффект с некогерентным входящим излучением. Кроме того, эффект охлаждения усиливается и улучшается при фильтрации всего спектра, с одной стороны, и использовании материалов, которые реагируют на диапазон длин волн согласно изобретению, а не на точную длину волны, с другой стороны.

    В дополнение к вышеизложенному, одно конкретное применение двухслойной или многослойной структуры изобретения – это краска, которая применима к различным материалам и поверхностям, т.е. бетону, тканям, стеклянным окнам и т.д., что является еще один новый и изобретательский аспект изобретения. А именно, технология изготовления двухслойной или многослойной краски с физической и/или химической совместимостью с поверхностями из различных материалов оказывается существенно эффективной для различных применений, которые в противном случае не могли бы пользоваться охлаждением на основе антистоксовой флуоресценции. Соответственно, в другом конкретном варианте осуществления соответствующие изделия из такой краски и конкретные предметы, на которые она нанесена или на которые ее наносят, рассматриваются в рамках объема настоящего изобретения.

    Выбор материалов, из которых изготавливают такую ​​двухслойную или многослойную краску, включая те, которые участвуют в отражательной способности и антистоксовом сдвиге, и их среда важны для практического воплощения изобретения. Желательно, чтобы такие материалы не только доказывали эффективность охлаждающего эффекта, получаемого при антистоксовом смещении, но и долговременную совместимость с материалами, с которыми они вступают в контакт. Также предпочтительно, чтобы краска, сформированная из таких слоев, также проявляла долговременную активность при нанесении на поверхности или встраивании в объекты, изготовленные из различных материалов, для получения дополнительных преимуществ.

    В еще одном конкретном варианте осуществления двухслойная или многослойная краска для охлаждения объекта, на который она нанесена или залита с использованием антистоксова сдвига согласно настоящему изобретению, имеет следующие характеристики:

    1. Антистоксовы свойства сдвиг, полученный в результате поглощения и флуоресценции диапазона длин волн, и полученный в результате улучшенный охлаждающий эффект, достигаемый с помощью такой флуоресценции. 2. Использование двух- или многослойной структуры для фильтрации за счет отражения спектра электромагнитного излучения и отклика на выделенную полосу спектра, поглощаемую флуоресцирующим слоем.

    3. Применение такой двухслойной или многослойной структуры, как краска, которая может наноситься на различные поверхности или встраиваться в различные материалы, совместима с такими поверхностями и материалами и имеет длительный срок службы и активности.

    В еще одном конкретном варианте осуществления структура основного слоя вещества по настоящему изобретению включает два типа слоев:

    1) Верхний слой – слой спектрального фильтра.

    2) Нижний слой – активный охлаждающий слой.

    Это приводит к возможности использования определенных спектральных полос, выделенных из солнечного излучения, для охлаждения антистоксовой флуоресценции. Ввиду вышеизложенного, в одном конкретном варианте осуществления слой спектрального фильтра представляет собой верхний слой, который подвергается воздействию солнечного излучения и служит в качестве слоя фильтра, отражающего большую часть солнечного излучения обратно в атмосферу и пропускающего определенный/выбранный диапазон длина волны соответствует активному охлаждающему слою. В еще одном конкретном варианте активный охлаждающий слой представляет собой нижний слой, который поглощает выбранные длины волн, пропущенные через фильтрующий слой, и теряет тепловую энергию за счет преобразования фотонов с повышением частоты, т.е. активного охлаждения.

    Следует отметить, что антистоксово флуоресцентное охлаждение, как в настоящем изобретении, выполняется без подачи электричества, движущихся частей, газов, жидкостей и любого дополнительного вещества, кроме вещества слоя, как определено выше.

    Конкретные неограничивающие примеры соединений, которые можно использовать для антистоксовой флуоресценции для нижнего слоя слоя вещества по настоящему изобретению, перечислены в Таблице I ниже: Таблица I – Материалы-кандидаты для антистоксовой флуоресценции для нижнего слоя

    Слой вещества слоя по настоящему изобретению

    В приведенной выше таблице I подробно показана спектральная полоса, необходимая для каждого из материалов, представленных в ней, для получения антистоксовой флуоресценции и эффективности преобразования поглощенного излучения в испускаемое.

    В еще одном конкретном варианте осуществления верхний фильтрующий слой по настоящему изобретению может быть выбран из синтетических или природных материалов, которые фильтруют входящее

    электромагнитное излучение до спектральной полосы, подходящей для возбуждения электронов основного уровня до возбужденного уровня и воздействия на Стоксова флуоресценция активного компонента в нижнем слое. В одном конкретном применении используются синтетические полимеры. Такие синтетические полимеры могут быть либо термопластичными, либо термореактивными полимерами. Конкретные примеры таких синтетических полимеров перечислены ниже: Акрил

    Полимеры, олефиновые полимеры, особенно PE (полиэтилен) и PP (полипропилен), HDPE (полиэтилен высокой плотности), MDPE (полиэтилен средней плотности), LLDPE (линейный полиэтилен низкой плотности) и LDPE (полиэтилен низкой плотности), VLDPE (полиэтилен очень низкой плотности), UHMWPE (полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы), ULMWPE или PE-WAX (полиэтилен сверхнизкой молекулярной массы), HMWPE (полиэтилен высокой молекулярной массы), HDXLPE, ( Сшитый полиэтилен высокой плотности), PEX или XLPE (сшитый полиэтилен), CPE (хлорированный полиэтилен), PVC (поливинилхлорид), m-LLDPE (металлоценовый линейный полиэтилен низкой плотности), PC

    (поликарбонат), PVA (поливиниловый спирт), EVA (этиленвинилацетат) полимер, полиэфирные полимеры (PSR), особенно PLA (полимолочная кислота), PCL

    (поликапролактон), PEA (полиэтиленадипат), PBS (полибутиленадипат) ), PET (полиэтилентерфталат), PBT (полибутилентерефталат), PEN (полиэтиленнафталан), стирольные полимеры, особенно PS (полистирол), стирол-бутадиеновые полимеры, PUR (полиуретан), вспененный PUR, фторированные полимеры, особенно тефлон, нейлон 6,6 , и нейлон 6, полимерные смолы, акриловые смолы и их комбинации.

    Верхний слой не ограничивается синтетическими материалами или даже твердыми материалами, если они обеспечивают необходимую фильтрацию и позволяют передавать подходящую спектральную полосу на нижний слой. Следовательно, в одном конкретном варианте осуществления верхний слой может быть выбран из следующего списка материалов: вода, гидроксид алюминия, карбонат кальция, диоксид титана, оксид цинка, диоксид кремния, кварц, хлороталонил, полисилоксаны, нефелиновый сиенит, диоксид титана, силан, Метил-три(этилметилкетоксим), октаметилциклотетрасилоксан, аморфный диоксид кремния, органические пигменты, неорганические пигменты, керамические пигменты, оксид железа, оксиды, керамические микросферы, пропиленгликоль, аморфный кремнезем, нафта (гидрообессеренная тяжелая нефть), ксилол, карбонат кальция, углеводороды, цикло -алканы и этанол.

    Что касается нижнего слоя, синтетические полимеры, перечисленные выше, могут использоваться в качестве матрицы, содержащей активный компонент нижнего слоя. Соответственно, ионы RE (редкоземельных металлов) или кристаллы или кристаллиты полупроводников могут быть внедрены в такую ​​синтетическую матрицу, изготовленную из любого одного из перечисленных выше полимеров и их комбинации. При нанесении нижнего и верхнего слоев в виде краски, которая может быть нанесена на поверхность или объект, подлежащий оптическому охлаждению, могут использоваться синтетические полимеры. Например, для верхнего слоя любой из синтетических полимеров, перечисленных выше, может быть предоставлен либо в расплавленной, либо в растворенной фазе при нанесении на поверхность или предмет и после охлаждения или высыхания в зависимости от способа нанесения. Аналогичные способы нанесения могут быть использованы и для нижнего слоя, где синтетический полимер также используется в качестве основной матрицы для встроенного в него активного компонента. В частности, активный компонент равномерно распределяется в матрице, чтобы обеспечить достаточное покрытие поверхности или объекта и собрать отфильтрованную спектральную полосу, подходящую для электронного возбуждения.

    В еще одном конкретном варианте нижний и верхний слои могут быть включены в материал, из которого изготовлена ​​поверхность или ткань. Например, материал может быть текстильным, в котором верхний слой заделан во внешнюю поверхность текстильных волокон, а нижний слой – в сердцевину волокон. В еще одном конкретном варианте осуществления материалы, из которых изготовлены верхний и нижний слои, могут быть введены в материал, из которого изготовлено волокно, в процессе изготовления волокна. Таким образом, фильтрующий слой и флуоресцентный слой уже встроены в волокна, из которых состоит ткань. Далее, флуоресцентный слой может быть введен в волокно на одном этапе подготовки волокна, а именно при построении сердцевины волокна, а фильтрующий слой на следующем этапе построения оболочки волокна. Можно использовать различные способы изготовления волокон, при которых флуоресцентные и фильтрующие материалы по настоящему изобретению могут быть введены на любой стадии процесса для получения сердцевины флуоресцентного волокна и покрытия фильтрующего волокна.

    Синтетические и натуральные ткани входят в объем настоящего изобретения. Конкретные примеры таких тканей перечислены ниже: шерсть, кашемир, шелк, атлас, бархат, тафта, хлопок, лен, джут, пенька, модал, бамбуковое волокно, морские водоросли, альгинат, лиоцелл (искусственная ткань, полученная из древесной массы), кордура. (нейлон, нейлон, смешанный с хлопком или другими натуральными волокнами), базальтовые волокна (используемые для виниловой плитки, пленки, штор и противопожарных одеял), металлические волокна, синтетические волокна, такие как арамид, акрил, нейлон, спандекс (например, лайкра), олефиновые волокна , инего (полилактидные волокна), люрекс (металлические волокна), волокна на основе молочного белка, углеродные волокна и смеси синтетических и натуральных волокон и любые их комбинации. В одном конкретном варианте осуществления синтетический материал для синтетического слоя может быть переработан и содержать смесь различных типов синтетических полимеров. В противном случае он может содержать синтетический полимер одного типа, смесь синтетических полимеров с известными относительными количествами или блок-сополимеры, включающие различные полимерные соединения, химически связанные друг с другом и образующие единую полимерную цепь. На следующем рисунке схематично показано слоистое вещество и полученный охлаждающий эффект:

    В еще одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения нанесение по меньшей мере одного нижнего слоя, который выполнен с возможностью реагировать антистоксовой флуоресценцией при поглощении электромагнитного излучения; и по меньшей мере один верхний слой, наложенный на нижний слой и выполненный с возможностью фильтрации электромагнитного излучения и передачи выбранной спектральной полосы электромагнитного излучения нижнему слою, наносят и обрабатывают на тонкой или кремниевой или КНИ подложке и пластинах или на пластины на основе подложки Si или Ge или эпитаксиальных слоев Si или Ge, или на любой пластине на основе материалов III-V, таких как пластины GaAs, или на основе эпитаксиальных слоев III-V, где пластины Si и SOI могут быть изготовлены с низким или высоким термическое и электрическое сопротивление.

    В еще одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения слои подложки могут быть удалены с помощью дополнительного химического и/или механического процесса, такого как процесс шлифования, выполняемый на обратной стороне пластины или штампа после завершения обработки соответствующего активного охлаждающего устройства. состоит из двух или многослойных устройств.

    Кроме того, процесс подготовки устройства может выполняться на уровне пластины, кристалла, на образце, содержащем массив устройств, или на уровне одного устройства.

    В еще одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере, один верхний слой, который наложен на нижний слой и выполнен с возможностью фильтрации электромагнитного излучения

    и пропускает выбранный спектральный диапазон электромагнитного излучения в нижний слой, и обработанный материал может быть смонтирован, приклеен, покрыт, напылен, осажден или механически или химически закреплен над нижним активным охлаждающим слоем. Такой способ осаждения включает химическое осаждение из паровой фазы (CVD), в том числе при низком (LPCVD) и высоком (LPCVD) давлении, электроосаждение, метод физического осаждения из паровой фазы (PVD) и метод осаждения литьем, термическое окисление, эпитаксиальный рост и метод термического окисления.

    В еще одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения указанное устройство содержит по меньшей мере один нижний слой, который сконфигурирован так, чтобы реагировать антистоксовой флуоресценцией при поглощении электромагнитного излучения, и по меньшей мере один верхний слой, наложенный на нижний слой, выполненный с возможностью фильтрации электромагнитного излучения

    и передачи выбранной спектральной полосы электромагнитного излучения указанным нижним слоям, дополнительно содержит буферный слой или остаточный слой связующего материала, воздушные зазоры или другие остаточные слои или материалы между верхними слоями и нижних слоев.

    В еще одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения устройство дополнительно содержит светопроницаемый пассивирующий слой, покрывающий устройство, или по меньшей мере один верхний слой, который наложен на нижний слой и выполнен с возможностью фильтрации электромагнитного излучения и передачи выбранной спектральной полосы электромагнитного излучения на нижний слой. В еще одном конкретном варианте осуществления пассивирующий слой находится между верхним фильтрующим слоем и по меньшей мере одним нижним слоем, который выполнен с возможностью реагировать антистоксовой флуоресценцией на поглощение электромагнитного излучения. Пассивирующий слой, наносимый сверху или между упомянутыми верхним и нижним слоями устройства, защищает свойства слоя от любых физических, химических или электрических повреждений и, кроме того, сводит к минимуму его ухудшение с течением времени, а также термически и электрически изолирует активные слои охлаждающего устройства от нежелательных воздействий. воздействие окружающей среды, которое может повредить свойства верхнего и нижнего слоев и ухудшить физические, механические и электрические свойства устройства. В другом варианте осуществления по меньшей мере один слой может находиться между верхним и нижним слоями или под нижним слоем.

    Краткое описание чертежей

    На рис. 1(а) показана 4-уровневая модель оптического охлаждения.

    На рис. 1(b) показан пример 4-уровневой модели оптического охлаждения.

    На рис. 2 показана полупроводниковая модель для оптического охлаждения. На рис. 3 показан график расчетного изменения температуры при оптическом охлаждении.

    На рис. 4 представлен график кривых изменения температуры ZBLAN, легированного иттербием. Фиг.5 схематично иллюстрирует охлаждающий эффект, получаемый при использовании двухслойной краски по настоящему изобретению.

    На фиг. 6 схематично показан охлаждающий эффект, получаемый при использовании двухслойного волокна (сердцевина и оболочка) по настоящему изобретению.

    На рис. 7 показан спектр Солнца, которое моделируется как черное тело с температурой 5778 К (показано сплошной линией) с атмосферным поглощением и без него. На рис. 8 показана экспериментальная система измерения температуры с ИК-камерой.

    На рис. 9 показана экспериментальная система спектрометра.

    На рис. 10 показаны экспериментальные результаты температуры в зависимости от стекла ZBLAN и всей рамы.

    На рис. 11 показан график с извлеченными экспериментальными результатами из рис. 10 со средней температурой, нормализованной по всему кадру с отфильтрованным солнечным светом, достигающим 4000-й секунды.

    На рис. 12 показаны экспериментальные результаты интенсивности отфильтрованного солнечного света от эталонного стекла и ZBLN.

    На рис. 13 показаны экспериментальные результаты нормированной длины волны интенсивности с помощью симулятора солнечного света (верхняя кривая) и через соответствующий фильтр (нижняя кривая).

    На рис. 14 показаны экспериментальные результаты нормированных интенсивностей ZBLN (верхняя кривая) и отличия от эталонного стекла (нижняя кривая).

    Рис. 15. Экспериментальные результаты интенсивности по длине волны излучения ЗБНС разности между образцами ЗБНС и эталонного стекла, демонстрирующие антистоксово рассеяние на образце ЗБНС.

    На рис. 16 показан экспоненциальный спад температуры со временем нахождения стакана в воздухе после закрытия заслонки.

    Подробное описание чертежей

    Как объяснялось выше, на рис. 1(а) (воспроизведено из Немовой Г., Лазерное охлаждение твердых тел, стр. 4, рис. 1(а)-(б)), показана 4-уровневая модель оптического охлаждения для Стекло, легированное вторичным реагентом, например Yb 3+ :ZBLANP. Хотя диаграмма изначально относится к лазерному охлаждению, она в равной степени относится и к широкополосному излучению. Конкретный расчет для 4-уровневой модели показан на рис. 1(b) (единицы в см -1 ).

    Оптическое охлаждение в полупроводниках схематично показано на рис. , Преобразование возбужденных фотонов в результате теплового равновесия между соседними возбужденными энергетическими уровнями приводит к излучению фотона с энергией выше, чем у поглощенного фотона Таким образом, эффект оптического охлаждения в полупроводниковых материалах достигается за счет поглощения фононов и преобразования тепловой энергии. к электромагнитной энергии

    Рис. 3 (воспроизведено из Jun Zhang, Dehui Li, Renjie Chen, Qihua Xiong, Laser Cooling of a Semiconductor by 40 Kelvin: An Optical Refrigerator Based on Nanoribbons сульфида кадмия, Proc. of SPIE Vol. 8638) является примером график измеренного максимума ΔТ (квадраты) и теоретически рассчитанной кривой изменения температуры (сплошная линия), нормированные на мощность накачки в К/мВт для различных длин волн накачки при 290К. Сплошная область соответствует зоне охлаждения инженерного материала на основе сульфида кадмия. Отчетливо видно падение температуры в результате поглощения фотонов с длинами волн от 505 до 560 нм. Применительно к широкополосному излучению, как в настоящем изобретении, с использованием спектральной полосы от ~505 нм до ~560 нм, извлеченной из солнечного излучения на сульфиде кадмия, можно было бы генерировать антистоксовую флуоресценцию, приводящую к эффективному охлаждению.

    Рис. 4 (воспроизведено из работы Антона Райнера, бакалавра наук (с отличием), «Лазерное охлаждение твердых тел, влияние квантовой эффективности и длины образца», диссертация, представленная в Университете Квинсленда на соискание степени доктора философии, кафедра Physics, Jan.

    2002) является еще одним примером графика измеренного максимального ΔT и теоретически рассчитанной кривой изменения температуры для ZBLAN, легированного иттербием. Отчетливо наблюдается падение температуры в результате поглощения фотонов с длинами волн от 995 нм до 1100 нм. Эти два примера на рис. 3 и 4 также действительны для случая оптического охлаждения широкополосным излучением, как в настоящем изобретении. На фиг.5 схематично показана конкретная конфигурация двойного слоя по настоящему изобретению для создания эффекта оптического охлаждения в объекте (6). В этом примере два слоя используются в качестве краски для покрытия поверхности объекта (6), подлежащего охлаждению. Нижний слой (1) представляет собой активный охлаждающий слой, поглощающий выбранную спектральную полосу солнечного излучения (5) в условиях экспонирования объекта (6) солнцу (4). Активный слой (1) реагирует антистоксовой флуоресценцией (3), а именно электромагнитным излучением со средней энергией выше, чем энергия поглощаемого солнечного излучения. Далее следует охлаждение объекта (6) за счет преобразования тепла в электромагнитное излучение. Верхний слой или кровельное покрытие (2) фильтрует солнечное излучение (5), отражая часть его обратно в атмосферу и пропуская соответствующую спектральную полосу к нижнему активному слою (1), где эта спектральная полоса пригодна для генерации антистоксова флуоресценция в нижнем слое (1) и оптическое охлаждение объекта (6).

    Как описано выше, двойной слой изобретения может быть реализован в различных конфигурациях и для различных целей.

    На фиг. 6 схематически показана одна конкретная реализация двухслойной структуры изобретения в двухслойном волокне (10). Оболочка (8) волокна (10) — это верхний слой, фильтрующий приходящее излучение в нужном диапазоне длин волн, как показано на рис. 5. Сердцевина (7) волокна (10) — это нижний флуоресцентный слой, принимающий и поглощает излучение в отфильтрованном диапазоне длин волн и отвечает излучением в антистоксовой флуоресценции. Полое внутреннее пространство волокна (10) достаточно для размещения сердцевины (7), как видно на дне (9). ) раскрытие сердцевины волокна. На фиг.6 показана структура волокна (10), подходящая для любой структуры, содержащей волокна и используемой для покрытия объекта, требующего охлаждения, или для его защиты от источника тепла. В одном конкретном примере структура волокна (10) может быть использована в текстиле для любого применения для охлаждения предметов, тел и пространств путем покрытия их защитной охлаждающей тканью или экранирования их от источника тепла. Конкретные области применения таких покрытий и щитов выбираются из одежды, портьер, штор, штор, сумок, снаряжения для кемпинга, крышек холодильников для пищевых продуктов и т.п. Следующее описание экспериментально проверяет модель антистоксова активного охлаждения и изобретение, представленное на фиг. 1-6, и экспериментально продемонстрировать антистоксовый механизм активного охлаждения, который индуцируется имитатором солнечного излучения на образце ZBLAN 1% Yb3+. Экспериментальные результаты представлены на рис. 8-16. Кроме того, в описании приводится пример подготовки образца активного слоя CdS путем изготовления и обработки кусков на кремниевой подложке, что считается первым шагом к изготовлению активного охлаждающего слоя структуры нанолент CdS на кремниевой подложке. В этих экспериментах второй уровень настроен на фильтрацию входящих

    электромагнитного излучения и передать выбранную его спектральную полосу на нижний слой. Экспериментальные результаты, показанные на рис. 8-16 показаны примерные варианты осуществления охлаждающего слоя по настоящему изобретению, как схематично показано на фиг. 1-6. Эти чертежи предназначены для иллюстраций и демонстраций и не претендуют на то, чтобы быть исчерпывающими или ограничивать изобретение приведенным ниже описанием в любой форме. Экспериментальный

    Измерение температуры с помощью ИК-камеры

    Экспериментальная система

    Экспериментальная система (100), показанная на рис. 8, состояла из вакуумной камеры (15), содержащей подставку (16) с керамическими винтами (для низкой теплопроводности, не показаны на рисунке) в котором находился образец испытуемого материала или образец (10). Камера имела два окна (11) и (12) на верхней стороне. Окно (11) на рис. 8 изготовлено из обычного стекла (ВК7), прозрачного для ближнего ИК и видимого спектра, чтобы свет (13) от имитатора Солнца мог проходить на образец. Различные оптические элементы (14) были помещены между имитатором солнечного света и вакуумной камерой, отмеченными как «Оптика» на рис. фокусировал свет (13) от имитатора на образец (10). Окно (12) на рис. 8 было изготовлено из ZnSe, материала, прозрачного для излучения ИК-камеры. ИК-камера (17) была направлена ​​на образец через окно (12).

    Для ИК-камеры (17) мы использовали Gobi-640-Gige-4782 с тепловым разрешением 0,05 °C, погрешностью около 1 °C и чувствительностью к длинам волн от 8 до 14 микрометров. Линза, используемая в ИК-камере (17), представляет собой фокусирующую линзу с фокусным расстоянием около 7 см. Фильтры (14), которые мы использовали, обеспечивали очень высокое пропускание (>90) в диапазоне 1000-1300 нм для первого фильтра и 505-560 нм для второго фильтра и почти полное отсутствие пропускания на любой другой длине волны солнечного спектра {>! %). Имитатор солнечного света (13) имел общую мощность 10 Вт.

    Экспериментальные процедуры

    Мы начали с тестирования камеры на объектах, которые, как известно, более горячие/холодные. Затем мы попытались измерить наш образец ZBLAN, легированный иттербием (обозначенный как ZBLAN), с солнечным светом и без него, и увидеть изменения температуры. На основании литературы мы использовали фильтр 1000-1030 нм для ZBLAN. Мы также экспериментировали с изменением условий, включая различные углы камеры и образцов, фильтрованный и нефильтрованный свет, с вакуумом и без него (вакуум 60+-10 торр), с крышкой вакуумной камеры и без нее, с зеркалом и без него. под образцом ZBLAN (для рециркуляции света), без поглощающего материала в вакуумной камере, с/без окон вакуумной камеры, с другими линзами/без линз и с разными стеклами, которые не должны охлаждаться в качестве эталонных образцов. Результаты и обсуждение

    Когда мы не использовали фильтр, образцы всегда нагревались, как и ожидалось, из-за стоксова рассеяния в материалах. Образец ZBLAN и образцы эталонных стекол не показали изменения температуры с фильтром 1000-1030 нм. Мы проанализировали данные, полученные камерой, взяв среднюю температуру стекла и среднюю температуру всего кадра, а затем исключив эффекты, которые проявляются во всем кадре, из функции температуры стекла. На рис. 10 (нижний график) показана зависимость температуры стекла ZBLAN и всей рамы от времени. Мы нормализовали и извлекли изменение температуры образца ZBLAN, показанное на рис. 11.9.0003

    При проведении экспериментов образец сначала достигал равновесия при закрытой заслонке, а затем начиналась регистрация температуры на отметке 0 секунд при закрытой заслонке. Затем затвор был открыт на отметке 4000 секунд. На обоих графиках отчетливо видно, что открытие затвора не оказало заметного влияния на образец. Эквивалентные результаты были получены для многих различных условий. На следующем этапе мы усовершенствовали и модифицировали экспериментальную измерительную установку

    (100), показанный на рис. 8, для реализации охлаждающего эффекта антистоксова рассеяния.

    Использование спектрометра для обнаружения антистоксова рассеяния

    Экспериментальная система

    Модифицированная экспериментальная система (200), показанная на рис. 9, была очень похожа на (100), в которой использовалась ИК-камера, за исключением замены ее часть крышки (18) с толстой крышкой из алюминиевой фольги, которая блокировала свет, но не поддерживала вакуум в камере (15). Модифицированная система также включала замену ИК-камеры (17), показанной на рис. 8, на спектрометр (19) (Oceanview USB 2000+) с разрешением менее 1 нм, как видно на рис. 9.

    Экспериментальные процедуры

    Первое измерение света от имитатора солнечного излучения, а затем

    измерения ZBLAN и эталонные очки, снятые с имитацией солнечного света. Затем были проведены измерения с фильтрованным светом для ZBLAN и эталонных стекол.

    Результаты и обсуждение

    Экспериментальные результаты, представленные на рис. 12, взяты из экспериментов со спектрометром и ZBLAN, которые использовались для оценки эффективности охлаждения и равновесной температуры ZBLAN. Используя отфильтрованный свет 1000-1030 нм и спектрометр, на свете, отраженном от эталонного стекла БК-7 и ЗБЛАН, получаем график, представленный на рис. 12.9.0003

    График, показанный на рис. 12, ясно показывает, что ZBLAN демонстрирует усиленное излучение света ниже 1000 нм, что указывает на то, что в образце произошло антистоксово рассеяние, охлаждающее его. На следующем этапе мы оценили эффективность охлаждения. Cooling Efficiency Estimation

    Общая эффективность охлаждения является произведением различных КПД системы. Ожидаемая мощность охлаждения равна:

    (мощность имитатора солнечного света) X (пропускание фильтра) X (доля излучения, претерпевающая антистоксово рассеяние) X (эффективность охлаждения антистокса) X (другие потери мощности излучения)

    Мощность имитатора солнечной энергии составляет 10 Вт. Фильтр пропускает 0,21% полной мощности имитатора солнечного света, как показано на графике на рис. 13. На верхней кривой на рис. 13 мы видим спектр, создаваемый имитатором солнечного света. На нижней кривой мы видим отфильтрованный спектр.

    Чтобы рассчитать, какая часть излучения является антистоксовой, мы взяли разность функции интенсивности ZBLAN и той же функции эталонного стекла, как показано на графике рис. 14. Из этого графика мы подсчитали, что 6% падающего излучения приходится на антистоксово рассеяние.

    На следующем этапе мы нормализовали и извлекли изменение температуры образца ZBLAN. С этой целью мы считали, что энергия фотона пропорциональна его длине волны. Следовательно, используя это соотношение, пиковая длина волны после фильтра, рассматриваемая как пик входной длины волны, составляла 1014 нм, а пиковая длина волны после антистоксова рассеяния, рассматриваемая как пик входной длины волны, составляла 972,4 нм, что составляет , как показано на рис. 15. Таким образом, получаем 1 – 972,4/1014=0,04 = 4% эффективности от полной мощности излучения, подвергающегося антистоксовому рассеянию. Другие потери включают свет от имитатора солнца, который не попал в объектив, коэффициент отражения от фильтра и многое другое. По нашим оценкам, они составляют 0,5 от общей мощности. давая р CO oimg = 10 Вт x 0,5 (световые потери) x 0,06 (отсутствие резонанса) x 0,002 (амплитуда после полосы пропускания) x 0,04 (эффективность) = 0,27 мВт. Мы можем подставить это число и

    L=(l. l*1,5*0,3/4,86)=0,1см=10 “3 м для наших образцов в уравнение ньютоновского охлаждения, получив: ΔТ=Т0 – 0,03К + 0,03К* e “bt , что дает конечную температуру примерно 0,03 ° C, что значительно ниже погрешности ИК-камеры и даже ниже ее теплового разрешения. Это потребовало от нас создания системы, способной измерять температуру с точностью лучше, чем lmK.

    Использование диодов для измерения температуры образца ZBLAN

    Экспериментальная система

    Система аналогична системе с использованием ИК-камеры, показанной на рис. 8, однако окно (12) было удалено и заменено вакуумным вводом, разводка двух диодов для измерения температуры (на рисунке не показана). Один диод был прикреплен к образцу с помощью вакуумной смазки (Apiezon H), а другой использовался в качестве эталона. Температура диода считывалась с помощью монитора температуры диода SRS (SIM922А).

    Экспериментальные процедуры

    Эксперименты проводились как с образцом ZBLAN, так и с эталонным стеклом тех же размеров. Сначала образцам давали достичь теплового равновесия, а затем облучали светом от имитатора солнечного излучения. Использовался как фильтрованный, так и нефильтрованный свет. Семенники также запускали при разных углах освещения и условиях вакуума. Результаты и обсуждение

    Большинство результатов показали очень хорошие экспоненциальные изменения температуры, как и ожидалось. Все протестированные образцы продемонстрировали нагрев при облучении прямым искусственным солнечным светом или отфильтрованным светом. После закрытия затвора солнечного имитатора все образцы охлаждались до температуры окружающей среды. График на рис. 16 показывает экспоненциальную подгонку, когда затвор был закрыт. Подгонка представляет собой общее изменение температуры, ожидаемое за бесконечное время (при условии экспоненциального затухания), b — параметр b в уравнении охлаждения Ньютона, сильно зависящий от материала (в наших подгонках мы получаем значения в диапазоне от 0,006 до 0,0001. Это диапазон обусловлен различиями в углах, местах и ​​процедурах нанесения вакуумной смазки. Общая модель представлена ​​в следующем уравнении вместе со значениями ее параметров и подгонкой: 9~ I— эффективная длина

    ί W

    k ~ константа f ммтерии ~ ——— для пленок

    * m ‘

    Для сравнения нагрева ZBLAN с нагревом эталонного стекла мы сравнили общее изменение температуры, ожидаемое при открытии затвора и облучении образцов. Общее ожидаемое изменение температуры не было одинаковым даже при одинаковых условиях. Этого можно ожидать, поскольку расположение, угол, смазка и т. д. образца оказывают некоторое влияние на нагрев. Однако результаты для отфильтрованного и прямого света существенно отличались, как и результаты для воздуха или вакуума. Мы использовали все измерения в аналогичных условиях в вакууме с отфильтрованным солнечным светом для ZBLAN и для эталонного стекла и выполнили t-критерий с двумя образцами для двух групп. Все подгонки имели значение хи-квадрат от 0,5 до 2,5 с неопределенностью (сигма) 0,0015 ° C. Группы суммарного изменения температуры при освещении: ЗБЛАН – 0,031, 0,08855, 0,171, 0,0999, 0,035 °С и эталонное стекло: 0,218, 0,152, 0,29, 0,05 °С. Средние значения составляют 0,09 °C для ZBLAN и 0,18 для эталонного стекла. Рассчитанное значение P равно 0,063, что ниже бинарного порога, обычно используемого для статистической значимости (0,05). Тем не менее, в этих условиях было проведено всего 9 измерений, поэтому необходимо больше экспериментов, чтобы определить, нагревается ли образец ZBLAN меньше, чем эталонный образец. Независимо от эталонного стекла, поскольку мы показали, что в образце ZBLAN происходит антистоксово рассеяние, нагрев, вероятно, вызван влиянием окружающей среды и геометрическими эффектами в образце, поэтому лучшая экспериментальная система может позволить наблюдать охлаждение.

    Выводы

    Успешная демонстрация антистоксов в материале, приводящая к охлаждающему эффекту

    Мы обнаружили, что образец Yb:ZBLAN нагревается имитацией солнечного света, но в среднем нагревается меньше, чем эталонный образец. Поскольку мы наблюдали антистоксово рассеяние на образце Yb:ZBLAN, мы полагаем, что активное охлаждение ниже температуры окружающей среды достижимо. Мы обнаружили, что образец ZBLAN в среднем нагревается меньше, чем эталонный образец, и разница очень близка к статистической значимости. Кроме того, мы наблюдали антистоксово рассеяние на образце ZBLAN, который показывает мощность охлаждения, эквивалентную 0,03 мВт. Чтобы статистически проверить наши результаты в этих экспериментах, мы использовали все измерения в аналогичных условиях в вакууме с отфильтрованным солнечным светом для ZBLAN и для эталонного стекла и выполнили t-критерий с двумя образцами для двух групп. Все подгонки имели значение хи-квадрат от 0,5 до 2,5 с неопределенностью (сигма) 0,0015 °C. Группы суммарного изменения температуры при освещении: ЗБЛАН – 0,031, 0,08855, 0,171, 0,0999, 0,035 °C и эталонное стекло: 0,218, 0,152, 0,29 и 0,05. Средние значения составляют 0,09 для ZBLAN и 0,18 для эталонного стекла. Рассчитанное значение P равно 0,063, что ниже бинарного порога, обычно используемого для статистической значимости (0,05).

    Yb:ZBLAN

    Как указано выше, при использовании стекла Yb:ZBLAN были достигнуты некоторые многообещающие результаты. Это указывает на то, что при использовании этого материала можно ожидать некоторого охлаждения. Кроме того, Yb:ZBLAN относительно легко производить в больших масштабах, и его охлаждение не зависит от конкретной морфологии.

    CdS

    В рамках настоящего изобретения предполагается, что нанопояса CdS можно охлаждать за счет антистоксова рассеяния. Отсюда мы делаем вывод, что при определенных условиях слой, содержащий нанопояса CdS, также может использоваться и функционировать как активный охлаждающий антистоковый слой.

    Недавно сообщалось (Fontenot 2016), что успешное охлаждение квантовых точек (КТ) с ядром и оболочкой CdSe/ZnS было достигнуто с использованием лазерного излучения с длиной волны 647 нм. Следовательно, другие длины волн также могут использоваться для охлаждения КТ различных размеров. Кроме того, те же авторы продемонстрировали успешное внедрение вышеупомянутых КТ в полимеры.

    Поскольку квантовые точки, в принципе, значительно легче производить, чем нанопояса CdS, и действительно производятся в больших количествах несколькими компаниями, а также поскольку процесс полимеризации довольно прост и легко поддается масштабированию, он находится в рамках настоящего изобретения для получения антистоксова солнечного охлаждения с полимерами, в которые включены различные квантовые точки ядро-оболочка. Конкретным материалом, подходящим для применения в качестве квантовых точек, является CdSe/ZnS.

    Изготовление верхнего и нижнего слоев фильтра:

    Эксперимент продемонстрировал тестовые образцы ZBLAN как активное охлаждение без верхнего фильтрующего слоя, где более поздний фильтрующий слой был заменен фильтрующими устройствами, которые экспериментально выполняли функции, аналогичные этому слою. Как обсуждалось выше, настоящее изобретение предлагает двухслойную или многослойную структуру, которая фильтрует спектр излучения и пропускает только выбранную полосу в слой, проявляющий антистоксову флуоресценцию. Таким образом, верхний слой защищает нижний слой от излишне поглощаемого излучения и фактически делает охлаждающий эффект более эффективным за счет увеличения отношения выхода излучения к входу. Такая двухслойная или многослойная структура фильтрует спектр излучения, отражая большую его часть назад и в сторону от внешнего слоя и пропуская выбранную его полосу во второй слой. Второй слой в изобретении поглощает выбранную часть спектра, сдвигает ее в более коротковолновую область с помощью антистоксова эффекта и излучает ее излучательным образом. В результате получается охлаждающий эффект. Практически существуют различные способы изготовления такого двойного или многослойного устройства, состоящего из активного и фильтрующего слоев. Такой способ изготовления относится к конкретному масштабу размеров систем и устройств охлаждения, включая его интеграцию в конкретные частные варианты осуществления настоящего изобретения. Нанесение активного слоя может быть выполнено на толстые или тонкие пластины Si, SOI (Si Over Insulator), пластины и пластины подложки на основе подложки Ge или пластины Epi на основе материалов III-V, таких как пластины GaAs. Пластины Si и SOI могут быть изготовлены с низким или высоким термическим и электрическим сопротивлением. Как правило, в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения предыдущие слои подложки могут быть удалены с помощью химического и/или механического процесса, такого как процесс шлифования, выполняемый на обратной стороне пластины или матрицы после завершения обработки активного охлаждающего устройства, состоящего из двух или многоуровневые устройства. Этот процесс может быть выполнен на уровне пластины, кристалла или образца, который содержит массив устройств, или даже на уровне одного устройства. Второй фильтрующий слой может быть установлен, приклеен, покрыт испаряемым или нанесенным на него покрытием или механически или химически прикреплен над нижним активным охлаждающим слоем. Такой способ осаждения включает химическое осаждение из паровой фазы (CVD), включая низкое (LPCVD) и высокое (HPCVD) давление, электроосаждение, методы физического осаждения из паровой фазы (PVD) и осаждения литьем, термическое окисление, эпитаксиальный рост, термическое оксидационное осаждение и т. д. В других вариантах осуществления активный охлаждающий слой может быть нанесен с использованием предыдущего метода изготовления, описанного выше, который основан на подложке Si, SOI, Ge, GaAs и пластинах.

    Кроме того, критерием успеха для этого процесса может быть оценка эффективности активного охлаждения системы посредством антистоксова рассеяния, однако в этом случае рекомендуется несколько правил проектирования и рекомендаций: i. Для механического, химического или термического склеивания настоятельно рекомендуется склеивание, чтобы избежать образования буферного слоя, остатков связующего материала, воздушных зазоров или других нежелательных остаточных слоев между нижним активным охлаждением и верхним фильтрующим слоем. II. Соединение между слоями должно учитывать термомеханические электрические и другие нагрузки, которые могут воздействовать на систему или устройство и ухудшать его характеристики. В этом случае предполагается, что условия окружающей среды устройства считаются такими, как влажность, температура и электрическая и магнитная индуктивности, включая паразитные смещения постоянного и переменного тока, iii. В рамках настоящего изобретения также предусматривается пассивирующий слой, который прозрачен для светового излучения в диапазоне длин волн и покрывает чувствительные слои системы или устройства, защищая верхний фильтрующий слой устройства и нижний антистоксовый охлаждающий слой и сводя к минимуму возможной их деградации с течением времени. Также предполагается, что покровный слой термически и электрически изолирует верхний и нижний слои устройства или системы по настоящему изобретению. Кроме того, предполагается, что покровный слой защищает активные слои охлаждающего устройства от нежелательных воздействий окружающей среды, которые могут повредить свойства активного охлаждающего слоя и, следовательно, охлаждающие свойства системы. В дополнительном варианте осуществления по меньшей мере один покровный слой может быть расположен между верхним и нижним слоями или под нижним слоем.

    Кристал Д. Пиплс-Стокс – Округ Ассамблеи 141 | Каталог членов Ассамблеи

  • 02 декабря 2016 г. Президент и главный исполнительный директор округа Баффало и Эри (UWBEC) Майкл Вайнер и представители Фонда сообщества Большого Буффало. В объявлении освещалась Инициатива Empire State по сокращению бедности и прогресс в городе Буффало 9.0003

  • 30 сентября 2016 г. Член законодательного собрания Пиплс-Стоукс стоит вместе с коллегами в правительстве и общественными лидерами на церемонии перерезания ленточки Беллами Коммонс. Комплекс смешанного использования доступного жилья расположен в восточной части Буффало.

  • 10 августа 2016 г. Член законодательного собрания Peoples-Stokes и Центр искусств и технологий Буффало организовали молодежную панель, посвященную расам, буйволам, полиции и сообществу. Молодежная комиссия состояла из пяти разных подростков со всего города Буффало, транзитной полиции NFTA и полиции Буффало.

  • 06 мая 2016 г. Член законодательного собрания Пиплс-Стоукс выступает вместе с активистами в поддержку Закона о безопасном подборе персонала для качественного обслуживания.

  • 27 апреля 2015 г. Член законодательного собрания Пиплс-Стокс выступает на круглом столе, посвященном вопросам труда и равенства в оплате труда в Олбани.

  • “>

    14 марта 2015 г. Член законодательного собрания Пиплс-Стокс с учащимися различных государственных школ Буффало, подчеркивая важность интереса к областям, связанным с STEM.

  • 23 января 2015 г. Член законодательного собрания Кристал Пиплс-Стоукс на историческом возвращении автомобилей в квартал 600 Мейн-стрит в самом сердце Куин-Сити.

  • 19 ноября 2014 г. Член законодательного собрания Кристал Пиплс-Стокс и ее коллеги в правительстве выбраны для участия в первой программе «Женщины в правительстве».

  • jpg” data-thumb-alt=”November 10, 2014 – Assemblywoman Crystal Peoples-Stokes supporting the roundtable discussion on President Obama’s “My Brother’s Keeper” initiative.”>

    10 ноября 2014 г. Член законодательного собрания Кристал Пиплс-Стокс поддерживает обсуждение за круглым столом инициативы президента Обамы «Хранитель моего брата».

  • 8 октября 2014 г. Член законодательного собрания Кристал Пиплс-Стокс на закладке фундамента новой детской больницы Джона Р. Ойшеи в центре Буффало.

  • 9 сентября 2014 г. Член законодательного собрания Кристал Пиплс-Стокс получила награду Eco-Stars Award от NY League of Conservation Voters за законопроект о пищевых показателях.

  • 7 августа 2014 г. Член законодательного собрания Кристал Пиплс-Стокс на презентации чека, посвященной выделению 250 000 долларов на финансирование Комиссии коридора афроамериканского наследия на Мичиган-стрит.

  • 31 июля 2014 г. – член законодательного собрания Кристал Пиплс-Стокс и сенатор Тим Кеннеди посещают конкурс орфографии в клубе Buffalo Boys and Girls. Также выражаем признательность за начало кампании Great Futures.

    • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *