Un système d’imagerie plus rapide et plus efficace pour nanoparticules

Une découverte majeure pourrait transformer notre compréhension des nanoparticules et ouvrir l’accès à de nouvelles applications dans divers domaines, notamment le biomédical et la sécurité de l’information.

Les équipes des professeurs Jinyang Liang et Fiorenzo Vetrone du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) ont développé un système d’imagerie pour les nanoparticules d’une précision sans précédent. La technique d’imagerie dans le spectre infrarouge à ondes courtes est capable de capturer les durées de vie de la photoluminescence des nanoparticules dopées aux terres rares, de la microseconde à la milliseconde.

Publiée dans la revue Advanced Science, cette découverte pourrait avoir des implications significatives dans divers domaines, notamment le biomédical et la sécurité de l’information.

Les avantages des nanoparticules dopées aux terres rares

Les éléments de terres rares, qui sont des métaux stratégiques, possèdent des propriétés lumineuses uniques qui en font des outils de recherche très attrayants dans le monde scientifique. De plus, la durée de vie de la photoluminescence des nanoparticules dopées à ces ions a l’avantage d’être peu affectée par des éléments extérieurs. Par conséquent, sa mesure par imagerie permet d’obtenir des données dont on peut tirer une information précise et très fiable.

Toutefois, les systèmes optiques disponibles jusqu’à présent pour effectuer ce type de mesure n’étaient pas optimaux. « Les systèmes d’imagerie optiques qui existaient jusqu’à maintenant offraient des possibilités limitées en raison d’une détection inefficace des photons, d’une vitesse d’imagerie limitée et d’une faible sensibilité », explique le professeur Jinyang Liang, spécialiste de l’imagerie ultra-rapide et biophotonique.

SWIR-PLIMASC : une solution innovante

Pour répondre à ce défi, les équipes des professeurs Liang et Vetrone ont développé le SWIR-PLIMASC (SWIR pour short wave infrared et PLIMASC pour photoluminescence lifetime imaging microscopy using an all-optical streak camera). Le dispositif permet une cartographie largement améliorée des propriétés optiques de la durée de vie de la photoluminescence dans l’infrarouge à onde courte.

Dans le domaine de l’optique, c’est le premier système d’imagerie SWIR à haute sensibilité et à très grande vitesse.

« Il présente plusieurs avantages, » fait valoir Miao Liu, doctorante en science de l’énergie et des matériaux sous la direction du professeur Liang et du professeur Vetrone. « D’une part, il répond à une large gamme spectrale de 900 nm à 1700 nm et permet de détecter la photoluminescence à différentes longueurs d’onde et/ou bandes spectrales ».

De plus, avec l’aide de ce dispositif, les durées de vie de la photoluminescence dans l’infrarouge, de la microseconde à la milliseconde, peuvent être directement capturées en un clic avec une vitesse d’imagerie 1D réglable de 10,3 kHz à 138,9 kHz.

Des applications prometteuses dans le biomédical et la sécurité

Les travaux menés dans le cadre de cette recherche pourraient avoir des retombées très concrètes. Dans le domaine biomédical, les avancées rendues possibles par SWIR-PLIMASC pourraient servir dans la lutte contre le cancer, précise le professeur Fiorenzo Vetrone dont l’expertise touche la nanomédecine.

« Comme notre système s’applique à l’imagerie de la durée de vie photoluminescence des ions de terre rare basé sur la température, nous croyons que les données obtenues pourraient, par exemple, aider à détecter de façon encore plus précoce et précise des cellules cancéreuses. Le métabolisme de ces dernières entraînant une augmentation de la température des tissus environnants », indique le professeur Vetrone.

D’autres applications de ce système novateur concernent le stockage d’information à des niveaux de sécurité rehaussés, plus précisément pour prévenir la falsification de documents et de données. Enfin, en science fondamentale, ces résultats inédits permettront de concevoir et de synthétiser des nanoparticules de terres rares aux propriétés optiques toujours plus attrayantes.

L’article a été coécrit par Miao Liu, Yingming Lai, Miguel Marquez, Fiorenzo Vetrone, et Jinyang Liang. Intitulé Short-wave Infrared Photoluminescence Lifetime Mapping of Rare-Earth Doped Nanoparticles Using All-Optical Streak Imaging, il a été publié dans Advanced Science, le 6 janvier 2024. https://doi.org/10.1002/advs.202305284

Légende illustration : Des équipes dirigées par les professeurs Jinyang Liang et Fiorenzo Vetrone du Centre de recherche Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientifique (INRS) ont mis au point un nouveau système d’imagerie des nanoparticules. Il s’agit d’une technique d’imagerie infrarouge à ondes courtes de haute précision, capable de capturer les durées de vie de photoluminescence des nanoparticules dopées aux terres rares dans la plage de la micro- à la milliseconde.