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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)部情況直至達到細胞內(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)域時具有獨特的作用.通過控制包含單個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)部情況直至達到細胞內(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)量級的前提下同典型的可以達到的結(jié)果進行了對比.

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

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圖解：CR在促進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細胞中，此時的環(huán)境會顯示出溫度，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胞的健康情況，這些都屬于早期疾病的診斷范圍，Zhou說到.

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圖解：功率變化的時候上轉(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：我認為這一發(fā)現(xiàn)在實現(xiàn)我們的夢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，我們可以在細胞內(nèi)部植入一個小器件，然后照射細胞內(nèi)部，從而實現(xiàn)監(jiān)測.

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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單層的自組裝UCNPs中進行激光發(fā)射的特征

降低泵浦功率的需求可以減少當激光穿透樣品時對組織的損傷.此外，激光感知的顯示結(jié)果可以更加精確，這是因為它具有非常窄的光束.目前常用的熒光傳感，與此相反，常常由于干涉而產(chǎn)生負面影響.

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

圖4 當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).