近红外寿命纳米测温技术可检测微波引起的脑部升温现象

《Advanced Optical Materials》：Near-Infrared Lifetime Nanothermometry Detects Microwave-Induced Brain Heating

微波辐射引发脑温升高的近红外寿命测温技术研究。采用聚乙二醇修饰的Ag?S纳米颗粒作为寿命型近红外热敏材料，通过活体小鼠实验和脑 phantom 模拟验证，发现3GHz微波辐射下脑温可升高4°C，证实了该纳米颗粒测温技术的可靠性、低侵入性和实时监测能力，为评估5G通信技术安全性提供新方法。

　　随着现代科技的迅猛发展，人类生活环境中充斥着各种形式的电磁辐射，尤其是在电信通信领域，微波辐射已成为日常生活中不可或缺的一部分。微波频率广泛应用于无线通信技术，如5G网络、Wi-Fi、蓝牙等，其穿透能力使得微波能够作用于人体内部组织，包括大脑。然而，微波辐射是否会对人体健康产生潜在影响，特别是对大脑这一高度复杂的器官，一直是科学界关注的焦点。大脑的温度在维持其正常功能中扮演着至关重要的角色，因为温度的变化会影响神经元的活动、代谢过程以及整体的大脑稳态。因此，研究微波辐射是否会导致大脑局部温度升高，并评估其潜在的生理和病理影响，具有重要的现实意义。

在这一背景下，科学家们致力于开发一种能够实时、非侵入性地监测大脑温度的方法，以便更准确地评估微波辐射对人体健康的影响。传统的温度测量手段，如热电偶植入或功能性磁共振成像（fMRI）等，虽然在某些情况下有效，但它们存在明显的局限性。例如，热电偶植入是一种侵入性操作，可能干扰大脑的正常生理活动并引入测量误差；而fMRI等非侵入性方法则缺乏足够的空间和时间分辨率，难以捕捉到动态的温度变化。因此，寻找一种更可靠、更精准的温度监测技术成为迫切需求。

近年来，基于近红外（NIR）发光的纳米热计量技术（NIR-LNThs）为这一问题提供了新的解决方案。NIR-LNThs是一类具有温度依赖性发光特性的纳米材料，其发光寿命会随着温度的变化而改变。这一特性使得它们能够作为温度传感器，用于测量生物体内特定区域的温度变化。银硫化物（Ag?S）纳米颗粒因其优异的热计量性能和良好的生物相容性，成为NIR-LNThs领域的重要候选材料之一。Ag?S纳米颗粒在近红外-II窗口（1000–1700 nm）具有较强的发光能力，同时其发光寿命对温度的变化非常敏感，这使得它们成为一种理想的非侵入性温度监测工具。

本研究中，科学家们通过优化Ag?S纳米颗粒的发光寿命测量方法，成功实现了对活体动物大脑温度的远程实时监测。他们首先对Ag?S纳米颗粒进行了详细的物理和化学表征，包括其尺寸、分散性以及光学性能。通过将Ag?S纳米颗粒分散在水溶液中，并使用634 nm的皮秒激光进行激发，研究人员能够准确地测量其发光寿命的变化。这些纳米颗粒在不同温度下的发光寿命呈现出可预测的线性关系，显示出极高的温度敏感性。进一步的实验表明，Ag?S纳米颗粒在不同pH值、浓度以及长期激光照射下仍能保持稳定的发光寿命，这表明它们具有良好的环境适应性和稳定性，适合用于生物体内长期的温度监测。

为了验证Ag?S纳米颗粒在微波辐射下的热计量能力，研究人员在模拟大脑的组织模型中进行了实验。这些组织模型由Tris-HCl缓冲液和Intralipids组成，以模拟生物组织的光学散射特性，同时通过添加明胶来赋予其机械强度。实验过程中，研究人员将Ag?S纳米颗粒注入组织模型的特定深度，并通过微波辐射模拟电信设备的电磁场作用。结果显示，Ag?S纳米颗粒的发光寿命能够准确反映组织内部的温度变化，尤其是在微波辐射下，其温度升高幅度可达4°C。这一发现不仅验证了Ag?S纳米颗粒在模拟条件下的热计量能力，也为后续的活体实验奠定了基础。

在活体实验中，研究人员选择了一种无毛小鼠作为模型，以减少毛发对成像信号的干扰。通过立体定位注射系统，他们将Ag?S纳米颗粒缓慢注入小鼠大脑的特定区域（深度为4 mm），并利用微波天线对小鼠头部进行照射，模拟日常生活中可能接触到的微波辐射。实验过程中，小鼠被麻醉，并通过热毯维持其体温在37.5°C左右。研究人员使用皮秒激光激发Ag?S纳米颗粒，并通过时间相关单光子计数（TCSPC）技术测量其发光寿命的变化。实验结果显示，在3 GHz的微波辐射下，Ag?S纳米颗粒的发光寿命显著下降，表明其所在区域的温度上升了约4°C。这一结果与通过红外热成像仪测得的表面温度变化一致，但内部温度的上升幅度更大，进一步证实了微波辐射在生物组织内部的热效应。

此外，研究还通过计算机模拟验证了实验结果的可靠性。模拟结果显示，在3 GHz的微波辐射下，大脑组织的温度上升趋势与实验数据高度吻合，且内部温度的升高幅度显著高于表面温度。这表明，Ag?S纳米颗粒能够有效地捕捉到微波辐射引起的内部温度变化，从而为评估微波对大脑的潜在影响提供了可靠的数据支持。更重要的是，研究发现，尽管实验中使用的微波功率密度较高，但实际生活中常见的电信设备（如智能手机）所产生的微波功率密度较低，因此其对大脑的加热效应预计仅为0.1°C左右，远低于可能产生有害影响的温度阈值。

这项研究的意义不仅在于揭示了微波辐射对大脑温度的影响，还在于提出了一种全新的、非侵入性的热计量方法。Ag?S纳米颗粒的发光寿命作为温度测量参数，具有较高的灵敏度和稳定性，能够提供实时、准确的温度信息。这一技术为未来在神经科学和生物医学工程领域的研究提供了重要的工具，尤其是在评估电磁辐射对健康的影响、开发精准的脑热调控疗法以及探索脑功能与温度之间的关系方面。同时，该方法的广泛应用也对提高电信技术的安全性评估具有深远的影响。

从更广泛的角度来看，这项研究体现了跨学科合作的重要性。它结合了材料科学、生物医学工程、光学技术和电磁学等多个领域的知识，以解决一个实际问题。通过将Ag?S纳米颗粒应用于活体实验，研究人员不仅验证了其作为热传感器的可行性，还进一步探索了其在生物体内长期使用的安全性。实验结果表明，Ag?S纳米颗粒在细胞毒性方面表现良好，对神经细胞的活性没有明显影响，这为它们在临床应用中的可行性提供了保障。

未来的研究可以进一步探索Ag?S纳米颗粒在不同频率和功率密度下的热计量性能，以更全面地了解微波辐射对大脑的影响。此外，还可以研究这些纳米颗粒在不同组织深度和不同生物体中的适用性，以优化其在实际应用中的性能。同时，结合其他生物标志物，如氧化应激水平、神经元活动模式等，可以更深入地探讨微波辐射对大脑功能的潜在影响。这些研究不仅有助于提高对微波辐射安全性的认识，还可能为未来的生物医学应用提供新的思路和方法。

总之，这项研究通过创新的热计量技术，为评估微波辐射对大脑温度的影响提供了新的视角和工具。它不仅揭示了微波辐射可能引起的温度变化，还为开发更安全、更有效的电信技术提供了科学依据。Ag?S纳米颗粒作为NIR-LNThs的代表，展现出广阔的应用前景，有望在未来的神经科学研究和临床医学中发挥重要作用。