Ein optoelektronisches Thermometer, das auf mikroskaligen Infrarot-zu-sichtbar-Umwandlungsgeräten basiert

Die räumlich und zeitlich aufgelöste Temperaturerfassung mit hoher Genauigkeit ist von entscheidender Bedeutung und findet breite Anwendung in verschiedenen Bereichen wie der industriellen Fertigung, dem Umweltschutz und der Überwachung des Gesundheitswesens. Sensoren auf optischer Basis bieten attraktive Lösungen für die Temperaturüberwachung in der biomedizinischen Diagnostik aufgrund ihrer Vorteile der Fernerkennung, minimalen Eingriffe, Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen und hoher Auflösung. Diese optischen Erfassungsmodalitäten können auf Lichtstärke, Wellenlänge, Spitzenbreite und/oder Zerfallslebensdauer basieren. Der Aufwärtskonvertierungsmechanismus schwächt die biologische Autofluoreszenz ab, erleichtert das Eindringen in das Gewebe und liefert bequem visualisierte und leicht zu erfassende sichtbare Lichtsignale, was eine geeignetere Methode zur Erfassung in biologischen Systemen darstellt

In einem neuen Artikel, erschienen in Lichtwissenschaft & Anwendung, ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. He Ding von der School of Optics and Photonics des Beijing Institute of Technology, Prof. Xing Sheng vom Department of Electronic Engineering der Tsinghua University und Mitarbeitern hat ein optoelektronisches NIR-to-Visible entwickelt Aufwärtswandlungsgerät basierend auf entworfenen Halbleiter-Heterostrukturen, das eine lineare Reaktion, schnelle Dynamik und niedrige Anregungsleistung aufweist. Die temperaturabhängigen Photolumineszenzeigenschaften des optoelektronischen Upconversion-Geräts werden systematisch untersucht und seine Fähigkeit zur thermischen Erfassung wird demonstriert.

Die vorgeschlagene Temperaturerfassungsstrategie basiert auf einem vollständig integrierten optoelektronischen Aufwärtskonversionsgerät, das aus einer auf Galliumarsenid (GaAs) basierenden Doppelschicht-Fotodiode mit geringer Bandlücke und einer auf Indiumgalliumphosphid (InGaP) basierenden Leuchtdiode (LED) mit großer Bandlücke besteht. in Reihe geschaltet. Wie zuvor gezeigt, realisieren die lithografisch definierten und epitaktisch freigesetzten Mikrogeräte (Größe ca. 300 × 300 μm2) eine effiziente NIR-zu-sichtbare Aufwärtskonvertierung mit einer linearen Reaktion und ultraschneller Dynamik.

Unter Nahinfrarotlichtanregung im Wellenlängenbereich von 770–830 nm wird die rote Emission der optoelektronischen Aufwärtskonversionsvorrichtung von einer verringerten Intensität und einer Rotverschiebung des Emissionspeaks von 625 nm zu 637 nm mit steigender Temperatur begleitet. Basierend auf Synergiefaktoren, die den Materialeigenschaften und dem Strukturdesign zugeschrieben werden, wird eine Intensitäts-Temperatur-Empfindlichkeit von ~1,5 % °C-1 und eine Spektrum-Temperatur-Empfindlichkeit von ~0,18 nm °C-1 erreicht.

Mit solch einem robusten optoelektronischen optischen Upconversion-Thermometer schlagen die Wissenschaftler mehrere Anwendungen vor:

„Durch ein großflächiges Gerätearray der optoelektronischen Aufwärtskonversionsgeräte können wir eine ortsaufgelöste thermische Erfassung durchführen. Beispielsweise verwenden wir Luftkanonen, um einen heißen Luftstrom zu erzeugen, der auf die Probe bläst, stört und schließlich die Aufwärtskonversionsemission auslöscht Durch die Beziehung zwischen Emissionsintensität und Temperatur können wir die räumliche Verteilung und Temperaturänderungen in Echtzeit erhalten“, sagte He Ding vom Beijing Institute of Technology.

„Das Aufwärtswandlungsgerät kann vom gewachsenen Substrat gelöst und weiter mit Faseroptik integriert werden, um lichtgeführte thermische Sensoren zu bilden. Ergänzend zu angebundenen elektrischen Sensoren eignet sich eine solche auf Optik basierende Technik besser für den Einsatz in Umgebungen mit starken elektromagnetischen Interferenzen und insbesondere in der Lage, Signale während der Magnetresonanztomographie (MRI) zu erhalten.Ein solches fasergekoppeltes, tragbares System kann bequem für biomedizinische Anwendungenangewendet werden, beispielsweise zum Überwachen des Ausatmungsverhaltens nahedem Mund von Menschen und von tiefem Gewebe bei der Implantation im Mausgehirn als Proof-of-Concept-Demonstration“, sagte Xing Sheng von der Tsinghua-Universität.

„Die MRT-kompatiblen, implantierbaren Sensoren in Kombination mit Faseroptik bieten sowohl wissenschaftliche als auch klinische Bedeutung und bieten ein Potenzial für die lokalisierte Temperaturüberwachung im tiefen Körper. “ schloss Xing Sheng.