飞秒激光直写生物墨水过程中上转换光致发光原位监测局部热释放的研究

《Small Methods》：Upconversion Photoluminescence to Monitor Local Heat Release During Femtosecond Direct Laser Writing of Bioinks In Situ

本文创新性地利用NaYF4:Yb3+/Er3+上转换纳米颗粒（UCNPs）的光致发光特性，首次实现了飞秒激光直写（fs-DLW）生物墨水过程中的原位实时温度监测。通过共线光路设计和统计短通滤波技术，显著提升了温度校准精度（相对灵敏度0.89–1.58% K?1），成功捕获到120-140°C的瞬态温度峰值，为优化生物医学应用中的激光打印参数提供了关键数据支撑。

　　

2.1 飞秒激光直写实时纳米温度测量的实验配置

为验证温度读数和光束共定位，研究首先通过滴铸法在载玻片上制备了NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺上转换纳米颗粒薄膜。在976纳米连续激光激发下，该薄膜在120×80微米视野内呈现均匀光致发光。实验采用755纳米飞秒激光（200 fs脉宽，80 MHz重复频率）与976纳米连续波激光共线聚焦设计，两者在焦平面偏移仅10纳米。飞秒激光聚焦光斑为1.8×2.0微米，温度检测光斑为5.7×6.1微米，这种嵌套式光路设计既保证了加工精度又优化了信噪比。

2.2 入侵波段校正提升温度测量精度

研究发现Er³⁺离子在525纳米（²H_{11/sub>→⁴I15/2）和545纳米（⁴S3/2→⁴I15/2）的热耦合能级发射易受>550纳米非热发射组分干扰。通过统计短通滤波技术（校正2），将分析窗口限定在514-531纳米和534-554纳米，相比传统高斯去卷积方法，将能隙测量误差从22.59降低至29.12，更准确获得740.02 cm^?1的能级间隔。该传感器在2 Hz采样率下实现0.2-0.4 K的测量不确定度。}

2.3 单点曝光的热效应分析

在65 mg/mL牛血清蛋白（BSA）生物墨水中，研究发现亚甲基蓝（MB）浓度对热积累具有决定性影响。当MB浓度从60 nM增至600 nM时，5秒曝光产生的温升从2.6°C急剧增加至144.9°C。在低浓度条件下（60 nM，约每16个BSA分子对应1个MB分子），交联效率有限且能量主要通过非辐射衰减转化为热能；而高浓度（600 nM）则引发光热失控效应，形成反应加速与产热的正反馈循环。

2.4 阵列化点扫描的热积累规律

在10微米点间距的阵列扫描中，1.5秒驻留时间（等效扫描速度5微米/秒）使每个像素点产生约112°C的温升。尽管点间移动使温度短暂回落，但基线温度仍累积上升1.2°C，显示热扩散的叠加效应。将驻留时间缩短至0.75秒（10微米/秒）后，峰值温度降至17°C，但冷却最低温度维持在环境温度以上5°C，表明快速扫描模式下热耗散不足。

2.5 连续线扫描的温度调控

在线扫描实验中，扫描速度与温升呈现双曲线关系：ΔT = Δ₀/(1+V_ss/V₀)，其中Δ₀=26°C，V₀=11.9微米/秒。在20微米/秒的扫描速度下，温升稳定在10.7°C，使最高温度保持在38.5°C以下，符合细胞相容性要求。但二次曝光会使温升加倍至20.8°C，导致结构不均匀性增加。

3 结论与展望

本研究通过上转换纳米颗粒热传感技术，首次揭示飞秒激光直写生物墨水过程中被忽视的极端热效应（>140°C）。研究证明通过优化扫描速度（≥20微米/秒）和光引发剂浓度（≤300 nM），可将加工温度控制在生理兼容范围（<39°C）。该技术为生物制造、微纳光学等领域的工艺优化提供了重要的热力学调控依据，特别对维持蛋白质结构和细胞活性具有关键指导意义。