Synthesis and characterizations of multifunctional luminescent lanthanide doped materials

Abstract

El desenvolupament de nanotermòmetres luminescents de no contacte basats en ions lantànids per ser utilitzats com a eines de diagnòstic precises, eficients i ràpides, propietats atribuïdes a la seva versatilitat, estabilitat i perfils de banda d'emissió estrets, ha portat cap a la substitució de les sondes tèrmiques de contacte convencionals. L'aplicació de nanopartícules dopades amb ions lantànids com nanosensors de temperatura, excitats amb llum ultraviolada, visible o infraroja propera, i la generació d'emissions en les regions espectrals de les finestres biològiques: I-BW (650 nm-950 nm), II-BW (1000 nm -1350 nm), III-BW (1400 nm-2000 nm) i IV-BW (centrada en 2200 nm), està creixent notablement a causa d’avantatges com la reducció de la fototoxicitat i el fotoblanqueig, un contrast d'imatge millor i una major profunditat de penetració en els teixits biològics. Entre aquestes finestres biològiques, la III-BW permet lectures tèrmiques més profundes dins de teixits biològics específics, atribuïdes a una major profunditat de penetració a causa de la reducció de l'absorbància i la dispersió en comparació amb les altres finestres biològiques. No obstant això, la termometria de luminescència en aquest règim espectral s'ha explorat poc. Aquí, hem sintetitzat i caracteritzat materials luminescents dopats amb Ho3+ i Tm3+ amb emissions ubicades a la III-BW per a la seva aplicació com a termòmetres luminescents i agents fototèrmics. Hem utilitzat partícules de KLu(WO4)2 i Y2O3 dopades amb Ho3+ i Tm3+ com a possibles agents fototèrmics automonitoritzats capaços d'alliberar calor i de determinar la temperatura simultàniament. Per a la seva síntesi, hem adaptat mètodes solvotermals (autoclau convencional i assistit per microones) i químics humits (descomposició tèrmica i maduració digestiva). Per acabar, hem aprofitat la peculiar configuració electrònica i les característiques morfològiques de les nanopartícules de Y2O3 per aplicar-les com a emissors de llum blanca i com a agents antioxidants ex vivo.

El desarrollo de nanotermómetros luminiscentes de no contacto basados en iones lantánidos para ser usados como herramientas de diagnóstico precisas, eficientes y rápidas, propiedades atribuidas a su versatilidad, estabilidad y perfiles de banda de emisión estrechos, ha llevado a la sustitución de las sondas térmicas de contacto convencionales. La aplicación de nanopartículas dopadas con lantánidos como nanosensores de temperatura, excitados con luz ultravioleta, visible o infrarroja cercana, y la generación de emisiones en las regiones espectrales de las ventanas biológicas: I-BW (650 nm-950 nm), II-BW (1000 nm -1350 nm), III-BW (1400 nm-2000 nm) y IV-BW (centrada en 2200 nm), está creciendo notablemente debido a ventajas como la reducción de la fototoxicidad y el fotoblanqueo, un mejor contraste de imagen y una mayor profundidad de penetración en tejidos biológicos. Entre estas ventanas biológicas, la III-BW permite lecturas térmicas más profundas dentro de tejidos biológicos específicos, atribuidas a una mayor profundidad de penetración debido a la reducción de la absorbancia y la dispersión en comparación con las otras ventanas biológicas. Sin embargo, la termometría de luminiscencia en este régimen espectral se ha explorado poco. Aquí, hemos sintetizado y caracterizado materiales luminiscentes dopados con Ho3+ y Tm3+ con emisiones ubicadas en la III-BW para su aplicación como termómetros luminiscentes y agentes fototérmicos. Hemos utilizado partículas de KLu(WO4)2 y Y2O3 dopadas con Ho3+ y Tm3+ como posibles agentes fototérmicos automonitorizados capaces de liberar calor y determinar la temperatura simultáneamente. Para su síntesis, hemos adaptado métodos solvotermales (autoclave convencional y asistido por microondas) y químicos húmedos (descomposición térmica y maduración digestiva). Para finalizar, hemos aprovechado la peculiar configuración electrónica y las características morfológicas de las nanopartículas de Y2O3 para aplicarlas como emisores de luz blanca y como agentes antioxidantes ex vivo.

The development of non-contact luminescent lanthanide nanothermometers as accurate, efficient and fast diagnostic tools, attributed to their versatility, stability and narrow emission band profiles, have led to the replacement of the conventional contact thermal probes. The application of lanthanide doped nanoparticles as temperature nanosensors, excited with ultraviolet, visible or near infrared light, and the generation of emissions lying in the biological windows spectral regions: I-BW (650 nm-950 nm), II-BW (1000 nm-1350 nm), III-BW (1400 nm-2000 nm) and IV-BW (centered at 2200 nm), is notably growing due to the advantages of reduced phototoxicity and photobleaching, better image contrast and deeper penetration depths into biological tissues. Among these biological windows, the III-BW allows for deeper thermal readings within specific biological tissues, attributed to a higher penetration depth due to the reduction of absorbance and scattering when compared to the other biological windows. Nevertheless, luminescence thermometry in this spectral regime is randomly explored. Here, we synthesized and characterized luminescent Ho3+ and Tm3+ doped materials with emissions located in the III-BW for their application as luminescent thermometers and photothermal agents. We explored Ho3+ and Tm3+ doped KLu(WO4)2 and Y2O3 particles as potential self-assessed photothermal agents able to release heat and determine temperature simultaneously. For their synthesis, we adapted solvothermal (microwave-assisted and conventional autoclave) and wet-chemical (thermal decomposition and digestive ripening) methods. To conclude, we took profit of the peculiar electronic configuration and morphological characteristics of the Y2O3 nanoparticles to apply them as white light emitters and as ex-vivo antioxidant agents.