レーザはナノ粒子を小さな温度計に変える

August, 16, 2024, New York--米国の科学者たちは、イッテルビウムとツリウムを含むナノ粒子からの蛍光を励起および抑制するために2つの異なるレーザを使用することにより、回折限界以下の解像度で遠方場で光学温度測定を行う方法を示した(Sci. Adv., doi: 10.1126/sciadv.ado6268)。
研究チームによると、100nmをわずかに超えるスケールで温度を読み取るチームの技術は、電子機器の性能を向上させ、古典的な熱伝達の崩壊を研究するために使用できる。

ナノスケールで温度をマッピングする方法
スマートフォン、ラップトップ、その他の最新の電子機器は、少量で高い性能を発揮するナノメートルサイズのトランジスタに依存しており、過熱は常に存在するリスクである。しかし、熱破壊が発生した場合、ナノスケールで信頼性の高い温度測定を行うことが難しいため、何が悪かったのかを正確に特定するのは難しい作業である。

100 nm未満の空間分解能での温度マッピングは、走査型熱顕微鏡などの物理的接触に依存する方法、または近接場を利用する技術を使用して実行できる。しかし、このような場合、プローブ自体がサンプルに熱的に干渉する可能性がある。逆に、遠方場技術はそのような干渉を回避するが、回折は数百nm以下の解像度に制限される。

超解像の達成
別のアプローチである光学超解像イメージングは、遠方場光学系と回折限界を超える解像度を組み合わせたもので、生物医学研究で大きな成功を収めている。この方法には、誘導放出抑制顕微鏡(STED)と呼ばれるものを含む、様々な形式がある。これには、2つの別々のレーザを蛍光分子のグループに向けることが含まれる。1つのレーザは分子を励起し、もう1つのレーザは励起された分子を刺激するため、かなり小さな部分だけが実際に蛍光を発する(他のレーザは代わりに赤外線で発光する)。ドーナツ形状の2番目の(「空乏」)ビームを使用すると、他の点では非常に大きな放出体積をはるかに小さくすることができ、それによって分解能が向上する。

最新の研究では、ニューヨーク州ロチェスター大学のAndrea Pickelのチームが、この手法を生物医学システムではなく物理科学アプリケーションでの使用に応用している。油に浸してサンプルから1㎜以内に配置したレンズを使用する代わりに、サンプルから約1㎝離れたレンズを使用する。そのサンプルは、アップコンバーティングナノ粒子(イッテルビウムイオンとツリウムイオンをドープしたフッ化イットリウムナトリウムから作られた約130nm径の六角形)で構成されている。前者は励起レーザからの光を吸収する。後者は発光し、その発光が抑制されている。

研究チームは、976nm波長の励起レーザだけでホウケイ酸ガラス基板上の単一のナノ粒子を画像化し、幅約460nmの強度プロファイルを取得した。それとは対照的に、それと808nm波長の枯渇レーザを同時にターゲットに照射することで、チームはわずか136nmの幅の画像にたどり着いた。

研究チームは、分光法も実施し、室温293 K、350 K、および400 Kで保持された個々のナノ粒子からの発光スペクトルを記録した。その結果、スペクトルにはいくつかのピークが同定され、その中には約490nmのピークが含まれ、高温でより顕著になった。チームはさらに、このピークからの放射強度を515nmの別のピークの放射強度と比較することにより、この温度依存性を利用した。

ナノスケール温度計をテスト
研究チームは、ナノスケール温度計としてのシステムの適合性を確認するためにいくつかの試験を実施し、STEDイメージングを使用した場合も、より単純な共焦点イメージングを使用した場合も、各温度でのスペクトルが同じであることを確認した。また、単離ナノ粒子と粒子の全層の両方からも同様の結果が得られた(マッピングを行う際に必要となるもの)。バンドパスフィルタとアバランシェフォトダイオード(APD)を使用して、490nm:515nmの強度比の温度依存マップを1分以内に記録することができた。これらのマップは均一でな蹴ればならないが、約10 Kの空間変動を特徴としており、研究チームは、これを製造されたナノ粒子のわずかな変動に落とし込んだ。

最後に、研究チームは、結晶性石英基板上のニッケルクロム合金から作られた、幅約1µm、厚さ50nmのヘビのような加熱ラインという、実際のシステムに近づくものにチームの技術を適用した。電流を印加すると、ベンドの内側の方が外側よりも高い電流密度と温度が観察された。次に、ある特定の曲げの幅にまたがるナノ粒子のクラスタを落下させ、STED測定を実施したときにのみ、ベンドの内側と外側の温度差(約40K)を検出できることを発見した。対照的に、回折限界測定では、温度に識別可能な差は示されなかった。

「これらの結果は、回折限界光学温度計では検出できない微細構造やナノ構造の温度不均一性を明らかにするSTEDナノ温度測定の可能性を示している」(Pickel)。

研究チームはさらに、自分たちのシステムは様々な方法で改善できると説明している。チームによると、1つの可能性は、ナノ粒子の設計を微調整して、最も強い温度依存性を持つ発光ピークが最大の発光強度を持つピークでもあるようにすること(現在の研究ではそうではない)。その結果、特定のレーザ出力でより高い空間分解能になるか、より低い出力で同じ解像度になる。後者のオプションは、サンプルのレーザによる加熱を防ぐのに役立つとチームは指摘している。

Pickelは、原則として、発光スペクトル全体であろうと、特定のピークを標的にするかにかかわらず、ナノ粒子の明るさを高めることができるいくつかの方法があると付け加えている。同氏は、「チームは現在、温度依存性の490nmピークの起源をよりよく理解するために取り組んでいる」と話しており、それができれば、「モデリングと合成戦略を組み合わせて、温度依存性の放出を選択的に強化できると期待するのは合理的である」と主張している。