測量體溫對臨床醫學來說是必不可少的，醫學和醫療領域迫切需要開發能快速、準確地測量核心體溫的方法。然而，目前身體內部的溫度監測是通過插入導管進行的，這給病人帶來了嚴重的身體負擔，並限制了測量位置。東北大學研究生院工學研究科應用物理可用能學專業的研究生大橋昌立（研究時）和佐藤碧丹（研究時）及藤原巧教授，與仙台醫療中心的尾上紀子醫生（心血管内科主任醫師）和筱崎毅醫生（副院長），以及東北大學工學部工學研究科技術部的宮崎孝道博士等人組成的研究團隊，開發出了低侵襲、高精度的身體核心溫度感測技術並成功進行了驗證。相關成果已經發布在Scientific Reports和陶瓷領域學術期刊Ceramics International上。
圖 利用殘光奈米粒子及發光現象（殘光/輝盡發光）的身體核心溫度測量的概念圖。（供圖：東北大學）
殘光是即使在黑暗中也會繼續發光的殘光材料中觀察到的現象。通過在陷阱位點擷取被光照射激發的電子來暫時存儲發光能量，隨著被擷取的電子逐漸熱釋放而發出光。
研究團隊著眼於殘光材料的溫度上升後，其殘光強度急劇下降（衰減）的現象，提出了將奈米級殘光材料作為探針引入體內，通過從外部檢測殘光來測量體內溫度的新溫度感測法，並成功驗證了其測量原理。
但是這種殘光衰減測量是一次性的，而且測量時間需要數百秒，如何在快速、準確地測量溫度的基礎上，縮短測量時間並可以反復測量成為課題。另外，作為有殘光性的探針，採用了具有高生物相容性的氧化鋯（ZrO2），但對其溫度感測性能仍然未知。
除殘光外，還可以通過輝盡發光現象從殘光材料中提取光。被擷取的電子會逐漸熱釋放並緩慢發出殘光，而用近紅外光光（NIR）照射的話，則會在短時間内強製釋放發光能量（輝盡發光）。研究團隊通過照射脈衝NIR雷射，利用殘光性ZrO2探針嘗試了反復測量。
測量結果證明，通過短時間照射脈衝NIR光引起輝盡發光，增強了殘光的強度，使反復測量超過100次成為可能。
另外，過去利用殘光衰減測量溫度時，如果環境溫度為40℃，發光強度由初始強度降至十分之一的時間約為600秒，而此次研究進行的脈衝NIR照射隻需要幾秒鐘，有望大幅縮短脈衝NIR照射的測量時間，並通過重複測量提高精度。研究證實，殘光壽命的倒數與環境溫度呈現出阿倫尼烏斯行為，多以可以通過脈衝NIR照射測量體溫。
650～1000奈米的波長（紅外～近紅外光區域）是身體組織中透光性良好的區域，本次研究中使用的NIR雷射也剛好處於在這個波長範圍内，因此通過從人體外部進行脈衝照射，可以自由選擇位置並且能在任意時間測量溫度。此外，雖然殘光會讓被擷取的電子在探針進入體內的階段就開始釋放，但輝盡發光的釋放需要熱能大於體溫，因此不會在接近體溫的溫度下釋放，具有可通過NIR照射在任意時間進行測量的巨大優勢。
另外，研究團隊還通過用熱釋光法調查活化能，評估了ZrO2的溫度測量靈敏度。由此證明，ZrO2比現有的溫度測量用發光物質高出一個數規模，具有優異的探針性能。
通過使用相干脈衝NIR雷射作為光源，有望實現低侵襲、高精度的體溫空間時間測量。另外，此次的研究還表明，之前一直作為重要的人造關節和人造骨材料使用的陶瓷ZrO2還有望作為新的醫療器件使用。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Scientific Reports 12, Article number: 8587 (2022)
論文：Repetitive afterglow in zirconia by pulsed near-infrared irradiation toward biological
temperature sensing
DOI：10.1038/s41598-022-12585-8
URL：nature.com/articles/s41598-022-12585-8
期刊：Ceramics International (in press)
論文：Potential of afterglow zirconia as a sensitive biological temperature probe
temperature sensing
DOI：10.1016/j.ceramint.2022.05.238
URL：sciencedirect.com/science/article/pii/S027288422201817X
