背景

John A. Capobianco 教授的鑭系元素研究小組專注于基于鑭系元素的材料的研究。Capobianco 教授最初是在塊狀晶體和玻璃中研究這些材料，他是率先合成和開發含有這些元素的納米顆粒的研究人員之一。該實驗室目前正在開發稀土納米粒子，特別關注在醫學和生物學中的應用。

鑭系元素顆粒具有獨特的光學和發光特性，可以通過化學方式定制以分散在非極性溶劑以及生物系統中。鑭系元素可以通過較長波長的上轉換產生發光，并且可以表現出從紫外線到紅外線的寬發射光譜。在醫學中，這些上轉換過程與光激活應用相關，例如用于癌癥治療的光動力療法。

博士生 Gabi Mandl 與我們分享了她在實驗室研究的見解，重點是生產摻鐠的放射發光納米顆粒。當暴露于 X 射線等電離輻射時，放射發光顆粒會發出紫外線到可見光波長范圍的光，這使得它們成為放射治療的可行候選者。

光譜學對于表征鑭系納米粒子的發射特性和動力學起著重要作用。不同的合成工藝會產生不同的化學性質，需要針對特定應用進行優化和定制。具體來說，光譜學探測鑭系元素離子中的占據電子態以及它們如何填充、它們發光的速度、能量如何轉移到其他離子以及與材料缺陷的相互作用如何影響它們的特性。

圖 1：稀土納米粒子的能級和發射光譜。光譜顯示了調節至不同發射波長的納米粒子的不同發射峰。

挑戰

該實驗室運行多個激光系統和高性能單色儀來執行高靈敏度光譜分析。基于 CCD 的光譜儀可以更快、更有效地獲取數據，但不應犧牲靈敏度和光譜分辨率。同時，光譜解決方案應能夠快速適應實驗室中進行的各種研究項目的不同要求，并且集成 CCD 和光譜儀的系統被認為易于使用。放射發光通常比其他形式的發光弱得多，需要高檢測靈敏度。發射動態的測量還需要能夠在高光譜速率下運行以及與外部設備精確同步光譜采集。微型，“令我震驚的是，如此強大的設備竟然比一張紙還小。”

解決方案

Gabi 的輻射發光測量裝置使用 FERGIE 攝譜儀(現在稱為 Isoplane-81)，該攝譜儀接收來自光纖電纜的光，該光纖電纜收集輻射安全室中樣品的光。Isoplane-81 將光譜儀與高靈敏度、背照式 CCD 集成在緊湊的外殼中，并且相機傳感器的深度冷卻可避免熱噪聲并提高靈敏度。該系統為測量從 210 nm 發射到可見能量范圍的納米粒子的放射發光提供了極高的靈敏度。

Isoplane-81 系統的像差校正光學設計還意味著，盡管光譜儀的外形尺寸很小，但可以在不影響 Gabi 實驗所需的光譜分辨率的情況下測量稀土納米粒子光譜。此外，該系統還可供實驗室的其他研究人員使用，適應不同的光纖和自由空間光學設置，并且在分辨率要求發生變化時能夠快速更改入口狹縫和光柵。

Gabi 使用 LightField 數據采集軟件來控制光譜儀，并允許使用實驗所需的設置自定義用戶界面，以便更有效地進行實驗。為了檢查光譜線是否存在或比較不同波段之間的強度比，LightField 能夠通過疊加光譜或快速導出到所選文件格式進行快速數據可視化，以進行更深入的分析。

Gabi 提到，該設備的設置非常簡單，而且萬無一失，同時提供了她測量所需的高質量。

審核編輯 黃宇