Luminescent smart labels for the new generation of optical sensing and Internet of Things

Abstract

Sensors play a key role on the Internet of Things (IoT) providing monitoring inside and outside the communication networks in a multitude of parameters. Challenges towards IoT lie in the lack of affordable strategies able to convert sustainably, a signal from an optical sensors network into a digital data sequence. The coupling of optical sensors to smartphones appears as an exciting strategy for the new generation of mobile optical (mOptical) sensing. Among optical features, luminescence stands out as a non-invasive spectroscopic method based on the dependence of the phosphor emission on the measurand (e.g., temperature, pH, UV-C dose) which often is translated into color variation easily accessed by the smartphone camera. The intrinsic characteristics of the intra-4f transitions of lanthanide ions (Ln³⁺) provide color purity and tuneability required for image-based sensing. The judicious choice of the ligands and the host for the Ln³⁺ enables the flexible processing in shape, size, and methodology permitting the design of IoT enabling smart labels ensuring authenticity (combining anti-counterfeiting and uniqueness), and traceability. Moreover, the radiation harvesting, and the large Stokes shift provided by the ligands are fundamental to ensure efficient Ln³⁺emission under the lower-excitation powers typical of commercial light-emitting diodes (LEDs). Those aspects predict broad applications ranging, in which, healthcare services standout and the concepts of eHealth and mHealth (mobile-assisted eHealth) arose, being more and more explored towards the development of effective low-cost and sustainable systems that promote healthcare provision. The combined use of smartphones and LEDs is a sustainable approach to the industry and societal acceptance and widespread use, transforming. A new path for advances in photonics research is traced established by the incorporation of smartphones as a tool in science and engineering, foreseeing new designs for mOptical sensors towards IoT.

Os sensores desempenham um papel fundamental na Internet das Coisas (IoT, do inglês Internet of Things), monitoramento uma infinidade de parâmetros, dentro e fora das redes de comunicação. Os desafios para a IoT residem na falta de estratégias acessíveis capazes de converter, de forma sustentável, um sinal proveniente de uma rede de sensores óticos numa sequência de dados digitais. A junção de sensores óticos com smartphones aparece como uma estratégia interessante para a nova geração de sensores óticos móveis (usualmente designado em inglês por mOptical, mobile Optical). De entre as propriedades óticas, a luminescência destaca-se como uma técnica espectroscópica não invasiva baseada na dependência da emissão do material que estímulos físicos ou químicos externos (por exemplo, a temperatura, o pH, ou a dose UV-C), e que muitas vezes resulta numa variação de cor facilmente quantificada utilizando a câmara do smartphone. As características intrínsecas das transições intra-4f dos iões lantanídeos (Ln³⁺) fornecem pureza de cor e capacidade de ajuste necessárias para a deteção baseada numa imagem. A escolha criteriosa dos ligandos e da matriz para os iões Ln³⁺ permite processar os materiais de diferentes formas, tamanhos e morfologias, possibilitando um design dedicado ao IoT e criando etiquetas luminescentes inteligentes que garantem uma série de aplicações. Além disso, a absorção de radiação e o elevado desvio de Stokes fornecido pelos ligandos são fundamentais para garantir a emissão eficiente de Ln³⁺ sob as potências de excitação mais baixas, típicas dos díodos emissores de luz (LED, do inglês Light Emitting Diodes) comerciais. Estes aspetos permitem antever uma serie aplicações abrangentes, nas quais se destacam os serviços de saúde e de onde surgem os conceitos de eSaúde (traduzido do inglês eHealth) e mSaúde (traduzido do inglês mHealth – mobile health, eSaúde assistida por dispositivos móveis), sendo cada vez mais explorados no sentido do desenvolvimento de sistemas eficazes de baixo custo e sustentáveis que promovam a prestação de cuidados de saúde. O uso combinado de smartphones e LEDs apresenta-se como uma abordagem sustentável para a indústria, tendo também uma aceitação social e uso generalizado. Esta combinação, traça um novo caminho para desenvolvimentos na fotónica, estabelecidos pela incorporação de smartphones como ferramenta na ciência e na engenharia, prevendo novos designs de sensores mOptical para a IoT.