來自悉尼科技大學(xué)(University of Technology Sydney (UTS) )的研究人員為大家展示了如何利用微腔激光來產(chǎn)生節(jié)能和使用安全的激光發(fā)射所需要的低泵浦功率.這一研究工作將會(huì)在納米尺度的生物學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用.這一研究成果發(fā)表在Nature子刊

作為生物傳感和生物影像研究所需要的深入了解生物組織的內(nèi)部情況直至達(dá)到細(xì)胞內(nèi)的水平，小型化的激光裝置在面臨和解決這類納米尺度的生物學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域時(shí)具有獨(dú)特的作用.通過控制包含單個(gè)的納米粒子的相互作用來控制發(fā)光發(fā)射器，可以使得當(dāng)前的電子來加速到特定的能量水平，研究人員克服了通常的低泵浦功率不足以產(chǎn)生可以產(chǎn)生激光的納米粒子的限制，Jiajia Zhou說到，他是悉尼科技大學(xué)的一位研究人員.

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圖解:作為生物傳感和生物影像研究所需要的深入了解生物組織的內(nèi)部情況直至達(dá)到細(xì)胞內(nèi)的水平，小型化的激光裝置在面臨和解決這類納米尺度的生物學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域具有獨(dú)特的作用.

這就意味著，Zhou說到，在新的系統(tǒng)中的納米粒子將會(huì)使得激光仍然在比較低的泵浦功率下工作.研究人員展示了在低功率泵浦門檻值的兩倍數(shù)量級(jí)的前提下同典型的可以達(dá)到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.

為了使這一現(xiàn)象能夠發(fā)生，研究團(tuán)隊(duì)從納米粒子基材的鍵合表面來形成一個(gè)均勻的單層腔體表面.

圖1

圖解：CR在促進(jìn)低門檻值激光的流行的裝置模式建立過程中所起到的作用

依據(jù)Zhou的研究結(jié)果，近紅外微腔激光可以潛在的植入到較厚的組織和單個(gè)細(xì)胞中，此時(shí)的環(huán)境會(huì)顯示出溫度，pH值和折射率.

監(jiān)控這些顯示值的變化可以告訴我們組織或細(xì)胞的健康情況，這些都屬于早期疾病的診斷范圍，Zhou說到.

圖2

圖解：功率變化的時(shí)候上轉(zhuǎn)換納米粒子在可調(diào)制摻雜濃度的以及自組裝的UCNPs在增益介質(zhì)在聚苯乙烯微球作為微腔的條件下的發(fā)射特征

目前這一發(fā)現(xiàn)對(duì)人體生物學(xué)的應(yīng)用非常重要， Dayong Jin教授說到，他是UTS生物醫(yī)學(xué)材料和器件研究所的主任：我認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)我們的夢(mèng)想上邁出了重要的一步，如同幻燈片上的激光筆的應(yīng)用一樣，我們可以在細(xì)胞內(nèi)部植入一個(gè)小器件，然后照射細(xì)胞內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè).

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圖解： 低的門檻值上轉(zhuǎn)換粒子從在聚苯乙烯微球中的一個(gè)單層的自組裝UCNPs中進(jìn)行激光發(fā)射的特征

降低泵浦功率的需求可以減少當(dāng)激光穿透樣品時(shí)對(duì)組織的損傷.此外，激光感知的顯示結(jié)果可以更加精確，這是因?yàn)樗哂蟹浅Ｕ墓馐?目前常用的熒光傳感，與此相反，常常由于干涉而產(chǎn)生負(fù)面影響.

我們已經(jīng)展示了單個(gè)納米粒子，這一單個(gè)納米的尺寸小于細(xì)胞內(nèi)室的尺寸，可以像激光一樣，在非常低的功率進(jìn)行工作.但它仍然可以發(fā)射出一個(gè)比較尖銳的信號(hào).換言之，將其作為"激光筆",,足夠的小以至于可以進(jìn)入到癌癥細(xì)胞的內(nèi)部和照射它來停止癌癥細(xì)胞的工作，Jin說到.

圖4 當(dāng)在微腔中的單層納米粒子由于散射

圖5 單層納米晶的及該功能發(fā)射結(jié)果

文章來源：Shang, Y., Zhou, J., Cai, Y. et al. Low threshold lasing emissions from a single upconversion nanocrystal. Nat Commun 11, 6156 (2020).