Forscher haben einen transparenten Temperatursensor entwickelt, der in der Lage ist, durch Licht verursachte Temperaturänderungen präzise und schnell zu messen. Diese Technologie soll zur Weiterentwicklung verschiedener angewandter Biogeräte beitragen, die auf empfindlichen Temperaturänderungen beruhen.
Der photothermische Effekt unter Verwendung von plasmonischen Nanomaterialien wurde kürzlich in verschiedenen Bioanwendungsbereichen, wie z. B. Gehirnnervenstimulation, Arzneimittelabgabe, Krebsbehandlung und Ultrahochgeschwindigkeits-PCR, aufgrund seiner einzigartigen Heizeigenschaften unter Verwendung von Licht weit verbreitet. Die Messung von Temperaturänderungen durch photothermische Phänomene beruht jedoch immer noch auf einer indirekten und langsamen Messmethode unter Verwendung einer Wärmebildkamera, was zu der Einschränkung führt, dass sie nicht für die lokale Temperaturmessung auf der Ebene einer einzelnen Zelle geeignet ist, die sich auf der Ebene schnell ändert von mehreren Millisekunden bis zu mehreren zehn Mikrometern.
Aufgrund des Fehlens präziser Informationen über Temperaturänderungen hat die Technologie des photothermischen Effekts trotz der Verbreitungswirkung ihrer Anwendung Bedenken hinsichtlich des Verständnisses biologischer Änderungen und der stabilen klinischen Anwendung geäußert, die sich aus präzisen Temperaturänderungen ergeben.
Dementsprechend entwickelte das gemeinsame Forschungsteam, dem Professor Kang Hong-gi vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der DGIST und Dr. Chung Seung-jun vom Soft Hybrid Materials Research Center des KIST angehörten, eine Temperatursensor-Technologie, die messen kann selbst schnelle Temperaturänderungen in weniger als wenigen Millisekunden durch Nutzung des thermoelektrischen Effekts, bei dem durch schnellen Ladungstransfer, ausgelöst durch einen Temperaturunterschied, ein Spannungssignal erzeugt wird.
Kredit: Materialien Horizonte (2022). DOI: 10.1039/D2MH00813K
Insbesondere etablierte das Team eine direkte Messtechnologie für photothermische Phänomene mit reduzierter Interferenz durch Licht unter Verwendung einer organischen thermoelektrischen Schicht aus transparentem PEDOT:PSS, einem leitfähigen Polymer, das zum Speichern von Ladungen geeignet ist.
Der 50 Nanometer dünne thermoelektrische PEDOT:PSS-Sensor gewährleistet eine hohe Transparenz von durchschnittlich 97 % im Bereich des sichtbaren Lichts und kann direkt im Bereich des photothermischen Phänomens angewendet werden, wodurch Lichtinterferenzen für verschiedene photothermische biotechnische und medizinische Anwendungen minimiert werden. Da für das verwendete polymere thermoelektrische Material ein Niedertemperatur-Lösungsverfahren verwendet werden konnte, wurde es außerdem unter Verwendung eines Tintenstrahldruckverfahrens hergestellt, das einfacher herzustellen ist als ein allgemeines Halbleiterverfahren, wodurch ihm ein hohes Maß an Gestaltungsfreiheit verliehen wird ein Vorteil im Druckprozess.
Die durch diese Studie entwickelte transparente thermoelektrische Temperatursensortechnologie kann verwendet werden, um den Mechanismus der optischen neuralen Schnittstelle zur Steuerung der Gehirnaktivität unter Verwendung von Licht zu verstehen, der kürzlich durch die Optogenetik allgemein bekannt wurde. Es handelt sich um eine Schlüsseltechnologie, da sie verwendet werden kann, um die Prinzipien der Behandlung von Krebszellen mit lokaler hoher Hitze zu analysieren. Darüber hinaus wird erwartet, dass es auf Halbleitertechnologien der nächsten Generation angewendet werden kann, wie z. B. tragbare Geräte, transparente Anzeigegeräte und die Analyse der lokalen Verschlechterung von Leistungshalbleitern, basierend auf dem Prinzip des stromlosen Betriebs.
Professor Kang Hong-gi vom DGIST-Department für Elektrotechnik und Informatik sagte: „Es ist insofern bedeutsam, als wir eine Technologie vorgeschlagen haben, die den photothermischen Effekt direkt und präzise misst, deren größter Vorteil die schnelle Erzeugung lokaler Wärme ist“, und fügte hinzu: „Wir freuen uns auf die Möglichkeit einer tiefgreifenden biotechnischen Analyse und biomedizinischen Anwendung durch die zukünftige Kombination mit verschiedenen bioelektronischen Chips durch Mikrohalbleiterprozesse.“
Die Studie wurde online veröffentlicht in Materialien Horizonte,
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Junhee Lee et al, Transparente thermoelektrische Temperatursensoren mit hoher zeitlicher Auflösung für die Erfassung photothermischer Effekte, Materialien Horizonte (2022). DOI: 10.1039/D2MH00813K
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