Development of new materials and techniques for luminescence nanothermometry and photothermal conversion

Abstract

Hem estudiat la dependència amb la temperatura de la luminescència generada per nanopartícules dielèctriques dopades amb ions lantànids que poden ser utilitzades en nanotermometria luminescent. Hem analitzat nous materials amb emissió en el rang del visible de l’espectre electromagnètic, incloent Ho,Yb:KLu(WO4)2 i Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2, així com nanopartícules core-shell de Er,Yb:GdVO4@SiO2. També hem desenvolupat un nou mètode de síntesi solvotermal assistit per microones per nanopartícules de Er,Yb:NaYF4, que opera a temperatures més baixes i temps de reacció més curts que els mètodes convencionals. Hem utilitzat nanotermometria basada en la mesura dels temps de vida mitjana radiativa en nanopartícules up-conversores de Er,Yb:NaY2F5O per la determinació de temperatura en sistemes biològics, així com la determinació de temperatura pel canvi de color de l’emissió de nanopartícules de Tm,Yb:GdVO4@SiO2. Finalment, hem desenvolupat un sistema de nanotermometria luminescent simple i compacte que permetrà atansar la nanotermometria luminescent a l’entorn mèdic i industrial. Hem analitzat també la nanotermometria luminescent en la regió de l’infraroig proper. El Nd:KGd(WO4)2 mostra potencial com nanotermòmetre luminescent en aquesta regió per sistemes biològics, amb una profunditat de penetració d’1 cm en teixits biològics. Els ions Er3+ i Tm3+ mostren bandes d’emissió eficients en aquesta regió que poden utilitzar-se per nanotermometria luminescent en sistemes biològics. Les nanopartícules de Tm,Yb:GdVO4@SiO2, amb emissions localitzades en la primera finestra biològica, presenten una elevada sensitivitat tèrmica i s’han internalitzat en cèl·lules HeLa. Finalment, hem mostrat la multifuncionalitat de les nanopartícules de Ho,Tm:KLu(WO4)2 que actuen com nanotermòmetres, agents fototèrmics i marcadors biològics. També hem determinat l’eficiència de conversió fototèrmica del grafè i derivats, escalfadors eficients pel tractament de diverses malalties inclòs el càncer, i hem desenvolupat un nou mètode per determinar aquesta eficiència de conversió utilitzant una esfera integradora, un mètode que es pot estendre a altres agents fototèrmics.

Hemos estudiado la dependencia con la temperatura de la luminiscencia generada por nanopartículas dieléctricas dopadas con iones lantánido que pueden ser usadas en nanotermometría luminiscente. Hemos analizado nuevos materiales con emisión en el rango del visible del espectro electromagnético, incluyendo Ho,Yb:KLu(WO4)2 y Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2, así como nanopartículas core-shell de Er,Yb:GdVO4@SiO2. También hemos desarrollado un nuevo método de síntesis solvotermal asistido por microondas para nanopartículas de Er,Yb:NaYF4, que opera a temperaturas más bajas y tiempos de reacción más cortos que los métodos convencionales. Hemos utilizado nanotermometría basada en la medida de tiempos de vida media radiativa en nanoparticulas up-conversoras de Er,Yb:NaY2F5O para la determinación de temperatura en sistemas biológicos, así como la determinación de temperatura por el cambio de color de la emisión de nanopartículas de Tm,Yb:GdVO4@SiO2. Finalmente, hemos desarrollado un sistema de nanotermometría luminiscente simple y compacto que va a permitir acercar la nanotermometría luminiscente al entorno médico e industrial. Hemos analizado también la nanotermometría luminiscente en la región del infrarojo cercano. El Nd:KGd(WO4)2 muestra potencial como nanotermómetro luminiscentes en esta región para sistemas biológicos, con una profundidad de penetración de 1 cm en tejidos biológicos. Los iones Er3+ y Tm3+ muestran bandas de emisión eficientes en esta región que pueden utilizarse para nanotermometría luminiscente en sistemas biológicos. Las nanopartículas de Tm,Yb:GdVO4@SiO2, con emisiones localizadas en la primera ventana biológica, presentan una elevada sensitividad térmica y se han internalizado en células HeLa. Finalmente, hemos mostrado la multifuncionalidad de las nanopartículas de Ho,Tm:KLu(WO4)2 que actúan como nanotermómetros, agentes fototérmicos y marcadores biológicos. También hemos determinado la eficiencia de conversión fototérmica del grafeno y derivados, calentadores eficientes para el tratamiento de diversas enfermedades incluido el cáncer, y hemos desarrollado un nuevo método para determinar esta eficiencia de conversión utilizando una esfera integradora, un método que puede extenderse a otros agentes fototérmicos.

We studied the temperature dependence of the luminescence generated by dielectric nanoparticles doped with lanthanide ions to be used in luminescence nanothermometry. New materials emitting in the visible range of the electromagnetic spectrum, including Ho,Yb:KLu(WO4)2 and Ho,Tm,Yb:KLu(WO4)2 and Er,Yb:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles have been analyzed for these purposes. Moreover, we developed a new and greener microwave-assisted solvothermal synthesis method for Er,Yb:NaYF4 nanoparticles that operates at lower temperatures and shorter reaction times than conventional methods. We used lifetime-based nanothermometry in upconversion Er,Yb:NaY2F5O nanoparticles for temperature determination in biological systems, and the change of color of the emission generated in Tm,Yb:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles as a function of temperature. Furthermore, we developed a simple and compact setup that would approach luminescence nanothermometry to the real practical applications in medical and industrial environments. We also explored luminescence nanothermometry in the near infrared region of the electromagnetic spectrum. Nd3+-doped KGd(WO4)2 nanoparticles show potentiality as a luminescent nanothermometer in this region for biological systems, with a penetration depth of 1 cm in biological tissues. Er3+ and Tm3+ ions doped in different matrices have shown also efficient emission bands lying in the short-wavelength infrared region that can be used for luminescence thermometry in biological systems. Also, Tm3+,Yb3+:GdVO4@SiO2 core-shell nanoparticles with emissions located in the first biological window are presented as highly thermal sensitive nanothermometers and have been efficiently internalized in the HeLa cells. Finally, the multifunctionality of Ho3+ and Tm3+ co-doped KLu(WO4)2 nanoparticles has been shown, acting as nanothermometers, photothermal agents and biolabels for bioimaging. Also, we determined the photothermal conversion efficiency of graphene and graphene oxide, efficient heaters for the treatment of several diseases including cancer, and developed a new method for determining their photothermal conversion efficiency by using an integrating sphere, a method that can be extended to other photothermal agents.