Advanced Materials:仿生型近红外窄带探测成像

近红外波段(700~ 900 nm)作为生物窗口,对生物样品有低损伤、深穿透和小噪声等特点,因此该波段的荧光检测和成像被视为一种强大的实时医学诊断、手术和治疗技术。目前用于红外波段的探测器主要还是宽带半导体探测器,探测的机理使得这类探测器不仅对红外波段有响应,也可探测可见光波段。更糟糕的是,用于体内荧光成像的染料也是红外光可激发的,激发光的影响更加降低了探测的精度。尽管目前可以借助滤光器等光学原件来选择性透过红外光,但是复杂的光学原件使探测器变得繁琐且成本增加,针对红外波段的窄带探测器仍是目前市场的缺失。

自然界提供了很多紧凑、节能且智能的成像系统的设计范例,例如蝴蝶复眼内的毯细胞结构,它是由空气层和细胞质层交替堆叠形成,这些交替层构成一个光学微腔,选择性的透过特地波段的光子。因此,蝴蝶的每个小眼可以分别识别不同波段的光子。

近日,南京理工大学研究团队(器件制备与表征)和苏州大学研究团队(微腔结构设计和制备),从蝴蝶复眼中的微观结构中获得灵感,制备了由LiF和NPB(N,N’-Bis(naphthalen-1-yl)-N,N’-bis(phenyl)benzidine)构成的全介质光学微腔,并将其充当毯细胞与作为感杆束的卤素钙钛矿CsPb0.5Sn0.5I3探测器相配备,实现了紧凑高效的近红外窄带探测器(半高宽小于50 nm)。此外,通过对材料的选择和制备工艺的调控,所得探测器具有很好的探测性能。其中,快速响应带宽为543 kHz,探测极限低至0.33 nW,保证了实时高分辨率的传感能力。超低的噪声电流(10-13 A Hz−1/2)和超高的探测度(~1014 Jones)确保了其在生物医学领域的有效检测和成像。就近红外的探测和成像而言,该工作报道的仿生光探测器具备以下几个优势:信号选择性;好的材料带来的优异的探测性能;制备工艺简便成本低。这些优势使该仿生型探测器在窄带近红外探测中有很大的应用前景。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201905362)上。