测量体温对临床医学来说是必不可少的，医学和医疗领域迫切需要开发能快速、准确地测量核心体温的方法。然而，目前身体内部的温度监测是通过插入导管进行的，这给病人带来了严重的身体负担，并限制了测量位置。东北大学研究生院工学研究科应用物理学专业的研究生大桥昌立（研究时）和佐藤碧丹（研究时）及藤原巧教授，与仙台医疗中心的尾上纪子医生（心血管内科主任医师）和筱崎毅医生（副院长），以及东北大学工学部工学研究科技术部的宫崎孝道博士等人组成的研究团队，开发出了低侵袭、高精度的身体核心温度传感技术并成功进行了验证。相关成果已经发布在Scientific Reports和陶瓷领域学术期刊Ceramics International上。
图 利用余辉纳米粒子及发光现象（余辉/辉尽发光）的身体核心温度测量的概念图。（供图：东北大学）
余辉是即使在黑暗中也会继续发光的余辉材料中观察到的现象。通过在陷阱位点捕获被光照射激发的电子来暂时存储光能，随着被捕获的电子逐渐热释放而发出光。
研究团队着眼于余辉材料的温度上升后，其余辉强度急剧下降（衰减）的现象，提出了将纳米级余辉材料作为探针引入体内，通过从外部检测余辉来测量体内温度的新温度传感法，并成功验证了其测量原理。
但是这种余辉衰减测量是一次性的，而且测量时间需要数百秒，如何在快速、准确地测量温度的基础上，缩短测量时间并可以反复测量成为课题。另外，作为有余辉性的探针，采用了具有高生物相容性的氧化锆（ZrO2），但对其温度传感性能仍然未知。
除余辉外，还可以通过辉尽发光现象从余辉材料中提取光。被捕获的电子会逐渐热释放并缓慢发出余辉，而用近红外光（NIR）照射的话，则会在短时间内强制释放光能（辉尽发光）。研究团队通过照射脉冲NIR激光，利用余辉性ZrO2探针尝试了反复测量。
测量结果证明，通过短时间照射脉冲NIR光引起辉尽发光，增强了余辉的强度，使反复测量超过100次成为可能。
另外，过去利用余辉衰减测量温度时，如果环境温度为40℃，发光强度由初始强度降至十分之一的时间约为600秒，而此次研究进行的脉冲NIR照射只需要几秒钟，有望大幅缩短脉冲NIR照射的测量时间，并通过重复测量提高精度。研究证实，余辉寿命的倒数与环境温度呈现出阿伦尼乌斯行为，多以可以通过脉冲NIR照射测量体温。
650～1000纳米的波长（红外～近红外区域）是身体组织中透光性良好的区域，本次研究中使用的NIR激光也刚好处于在这个波长范围内，因此通过从人体外部进行脉冲照射，可以自由选择位置并且能在任意时间测量温度。此外，虽然余辉会让被捕获的电子在探针进入体内的阶段就开始释放，但辉尽发光的释放需要热能大于体温，因此不会在接近体温的温度下释放，具有可通过NIR照射在任意时间进行测量的巨大优势。
另外，研究团队还通过用热释光法调查活化能，评估了ZrO2的温度测量灵敏度。由此证明，ZrO2比现有的温度测量用发光物质高出一个数量级，具有优异的探针性能。
通过使用相干脉冲NIR激光作为光源，有望实现低侵袭、高精度的体温时空测量。另外，此次的研究还表明，之前一直作为重要的人造关节和人造骨材料使用的陶瓷ZrO2还有望作为新的医疗器件使用。
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Scientific Reports 12, Article number: 8587 (2022)
论文：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)
论文：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
