Academic literature on the topic 'Luminescence nanothermometry'

Les changements thermiques biologiques sont des événements courants lors d'activités métaboliques cellulaires anormales. En effet, les aberrations thermiques – telles qu'une augmentation de la température locale des tissus – sont directement liées à la détection de zones enflammées, à la présence de tumeurs ou d'autres maladies. En plus de contribuer au diagnostic des maladies, la détermination de la température locale dans les systèmes biologiques peut également aider à leur traitement. Par exemple, dans l'hyperthermie, une élévation de température doit être induite dans les tissus tumoraux à des niveaux cytotoxiques afin de détruire les cellules cancéreuses et de fournir un traitement contre le cancer. Cependant, la montée en température doit être réalisée de manière contrôlée et bien localisée sur les cellules cibles cancéreuses, tout en évitant un échauffement des tissus sains environnants. De plus, pour déterminer de telles maladies, les variations de température doivent être déterminées avec précision. Des études antérieures en nanothermométrie luminescente montrent qu’il n’y a encore de sondes thermiques adéquates pour les environnements biologiques. Il est donc nécessaire de développer des nanothermomètres luminescents avec une morphologie et une taille adéquate, fonctionnant avec des longueurs d'onde d'excitation et d'émission dans le domaine de transparence des tissus. Pour répondre à cette demande, nous avons mené une étude de différents nanocristaux d'oxydes dopés avec des ions lanthanides afin de développer des nanothermomètres luminescents capables de déterminer la température dans des systèmes in vivo à haute résolution thermique. Les performances thermométriques ont été déterminées en calculant la sensibilité thermique relative (S_r) à l'aide de l'approche d'intensité de luminescence ratiométrique. Par ailleurs, notre étude a permis de soulever quelques hypothèses pouvant contribuer efficacement aux performances thermométriques. Nous avons mis en jeu la technique du rapport d’intensité de deux pics de luminescence pour laquelle les valeurs de S_r peuvent être optimisées en co-dopant les nanocristaux avec deux, ou plusieurs, ions Ln3+ et en utilisant des matrices oxydes présentant différentes énergies de phonons. Ainsi, du fait de sa nature générique et de sa souplesse de synthèse, la méthode Pechini a été choisie pour synthétiser plusieurs matrices oxydes, Y2O3, Y2Ge2O7, Y3Al5O12 (YAG), Y3BO6 et YBO3. Les nanocristaux ont tout d’abord été mono-dopés avec Nd3+, puis co-dopés avec Nd3+ -Yb3+ pour améliorer les propriétés de sonde thermiques dans les fenêtres biologiques du proche IR. De plus, nous avons optimisé les concentrations de dopage dans les matrices hôtes pour une plus grande efficacité dans la détection de la luminescence dans les organismes biologiques. Nous avons observé expérimentalement que les valeurs de Sr sont fortement impactées sur l'énergie des phonons de la matrice. Nous avons observé que par co-dopage Nd3+-Yb3+ les performances thermométriques des nanocristaux sont améliorées par rapport aux nanocristaux mono dopés Nd3+. Notre étude de ce différent oxyde a montré que le YAG et Y2O3 sont des matrices les plus prometteuses, pour l'application de la nanothermométrie luminescente in vivo. Enfin, des nanocristaux individuels (non agglomérés comme dans le cas des synthèses Péchini) de YAG de taille 60 nm et de morphologie contrôlée ont été obtenus en solution par la méthode solvothermale pour faire avancer les études dans les futures applications biologiques. Nous avons observé que les nanothermomètres YAG adaptés à cet objectif ont un Sr égal à 0,47 %·K-1 et une résolution thermique de 0,3 K. Des tests expérimentaux in vivo seront bien sûr nécessaires pour valider les résultats de cette étude; cependant, nos résultats obtenus sur les performances des nanocristaux YAG:Nd3+-Yb3+ démontrent dès à présent un fort potentiel pour des applications in vivo de nanothermométrie luminescente ratiométrique<br>Biological thermal modifications are common events during abnormal cellular metabolic activities. Indeed, thermal aberrations – such as an increase in local tissue temperature – are directly related to the detection of inflamed areas, the presence of tumors, or other diseases. In addition to contributing to the diagnosis of diseases, the determination of local temperature in biological systems can also help with their treatment. For instance, in hyperthermia, the increase in temperature must be induced in tumor tissues up to cytotoxic levels in order to kill cancer cells and therefore, it assists in the cancer treatment. However, the increase in temperature must be carried out in a controlled and well-localized manner to target cancer cells, while avoiding overheating of surrounding healthy tissue. Furthermore, to determine such biological aberrations, temperature variations must be accurately determined. The thermometric performance of the nanothermometers was determined by calculating the relative thermal sensitivity (S_r) using the ratiometric luminescence intensity approach. Furthermore, our study made it possible to raise some hypotheses that can effectively contribute to the thermometric performance of thermal probes. We use the technique of the intensity ratio of two luminescence peaks for which the values of S_r can be optimized by co-doping the nanocrystals with two, or more, Ln3+ ions and by using oxide matrices presenting different phonon energies. Thus, due to its generic nature and synthesis flexibility, the Pechini method was chosen to synthesize several oxide matrices, Y2O3, Y2Ge2O7, Y3Al5O12 (YAG), Y3BO6 and YBO3. The nanocrystals were firstly monodoped with Nd3+ and posteriorly, codoped with Nd3+ -Yb3+ to improve the thermal probe properties within the biological windows of near infrared. In addition, we optimized the doping concentrations in the host matrices for greater efficiency in luminescence detection in biological organisms. We experimentally observed that Sr values are strongly impacted to the phonon energy of the matrix. We analyzed that by Nd3+ -Yb3+ codoping the thermometric performance of nanocrystals is improved compared to nanocrystals mono doped with Nd3+. Our study of different oxides shows that the YAG and Y2O3 matrices are the most promising matrices for the luminescence nanothermometry in vivo application. Lastly, YAG individual nanocrystals (non-agglomerated as in the case of Pechini syntheses) of size 60 nm and controlled morphology were obtained in solution by the solvothermal method to advance in further studies in biological applications. We observed that the YAG nanothermometers suitable for the purpose have a S_r equal to 0.47 %·K-1 and a thermal resolution of 0.3 K. In vivo experimental tests are required to validate the findings of this study; however, our results obtained on the performance of YAG: Nd3+ -Yb3+ nanocrystals has been showing high potential for in vivo applications of ratiometric luminescence nanothermometry

The project is focus on the synthesis and characterization of lanthanide bismuth oxyfluoride particles. The samples are synthesized through homogeneous precipitation using a microwave reactor to heat. Furthermore, by doping with different lanthanides (Tb, Eu, Tb-Eu; Pr; Nd; Yb-Ln, Ln=Er,Yb,Tm) it is tested how the optical response of the systems can be in terms of luminescence spectroscopy. The synthesized Ln3+ NPs are tested for the biological applications as nanothermometer. In recent times Luminescent nanothermometers have been widely investigated because they relate the local temperature of a biological system with their emission, as a result of an external radiation. Through these systems there is the possibility of excitation and / or emission in the so-called first and second biological window. The studies of these project are focused on NPs doped Ln3+ as thermal and emitting probes.

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.<br>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.<br>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.

Ce travail de thèse porte sur l’élaboration de nanoplatformes multifonctionnelles de type cœur/coquille incluant un cœur fonctionnel qui agit comme nanothermomètre encapsulé dans une couche de silice hybride mésoporeuse de type PMO (Periodic Mesoporous Organosilica). L’élaboration des systèmes a été effectuée dans un premier temps suivant la stratégie d’un dépôt de silice hybride mésoporeuse sur un cœur condensé à base de silice « hard template ». Une étude fondamentale de la structure, de la nature chimique et de la taille de la coquille de confinement est menée par une approche expérimentale multi-échelle. La modulation de la taille des nano-objets sur un ordre de grandeur entre 50 et 500 nm environ a été démontrée, ainsi que la modulation de la composition chimique basée sur l’utilisation de différents précurseurs organosilanes pontés. Les résultats ont révélé que l’organisation des mésopores de la couche est conditionnée par les interactions supramoléculaires entre sous structures organiques de la silice hybride. L’élaboration d’un cœur fonctionnel photoluminescent dopé de terres rares (β-NaYF4: Yb3+, Er3+) a été ensuite effectuée, suivie du dépôt d’une couche hybride afin d’obtenir des systèmes multicoquilles. Ces systèmes ont été modifiés pour introduire un espace creux entre les deux phases. Les performances thermométriques des nanoparticules fonctionnelles en fonction du type de confinement ont été étudiées en détail sur la base de leur réponse en photoluminescence. L'évaluation des performances des nanothermomètres obtenues est encourageante pour des applications dans le domaine biologique<br>The thesis work focuses on the development of multifunctional core/shell nanoplatforms including a functional core acting as a nanothermometer encapsulated in a PMO-type mesoporous hybrid silica layer. The elaboration of the systems was initially carried out according to the strategy of a mesoporous hybrid silica deposition on a silica-based condensed core ("hard template" strategy). A fundamental study of the structure, chemical nature and size of the shell is conducted using a multi-scale experimental approach. The nano-object size modulation in a range between 50 and 500 nm approximately has been demonstrated, as well as the modulation of the chemical composition based on the use of different bridged organosilane precursors. The results revealed that the organization of the mesopores of the layer is conditioned by the supramolecular interactions between organic substructures of the hybrid silica. The elaboration of a photoluminescent functional core doped with rare earths (β-NaYF4: Yb3+, Er3+) was then carried out, followed by the deposition of a hybrid layer in order to obtain multishell systems. These systems have been modified to introduce a hollow space between the two phases. The thermometric performance of the functional nanoparticles as a function of the confinement type were studied in detail on the basis of their photoluminescence response. The evaluation of the performance of the resulting nanothermometers is encouraging for applications in the biological field