Agenda

Camila Tsuchida Nogueira présente

 Development and investigation of lanthanide-doped oxide nanocrystals for nanothermometry

Jeudi 14 novembre 2024 à 16 h 00

Visioconférence

Lien visio : https://meet.google.com/shu-bvrp-xrc

La présentation sera faite en anglais.

Résumé : La détection de la température avec une précision élevée et une bonne résolution spectrale est largement demandée en recherche et dans l’industrie, en particulier dans les domaines de la biomédecine et de la microélectronique. Cette nécessité découle du manque d’adéquation des sondes thermiques conventionnelles disponibles sur le marché pour les mesures à distance à des échelles inférieures à 10 μm. Dans le contexte biologique, la surveillance thermique est un outil utile, car les changements de température peuvent indiquer des zones inflammatoires, des maladies et des tumeurs. Certaines études antérieures ont montré que le suivi précis et très localisé de la température est prometteur non seulement pour fournir un diagnostic précoce, mais aussi pour aider au traitement des maladies, comme l’hyperthermie pour le traitement du cancer. À cet égard, les nanosondes luminescentes composées de matériaux inorganiques dopés avec des ions de terres rares se sont révélées être des outils intéressants pour mesurer la température locale avec précision et à distance.
La lecture thermique peut être obtenue en suivant l’évolution du rapport entre deux bandes d’émission de photoluminescence (PL), ci-après dénommé rapport d’intensité de luminescence (LIR), en fonction de la température. Une courbe de calibration reliant le LIR et la température peut alors être établie à partir de données expérimentales en laboratoire. Néanmoins, le développement de nanothermomètres luminescents adéquats pour des applications biologiques reste un obstacle majeur. Ces capteurs thermiques doivent être de petite taille, stables, et bien dispersés dans des solutions physiologiques, avoir une toxicité négligeable, présenter une excellente réponse thermique et émettre une PL intense dans les fenêtres biologiques (BWs), qui sont les gammes de longueurs d’onde où la lumière pénètre le plus profondément dans les tissus biologiques.
Ce travail porte donc sur le développement de nanocristaux d’oxydes dopés avec des ions de terres rares destinés à la nanothermométrie pour de futures applications biologiques. Il comprend la synthèse, la caractérisation et l’analyse des performances thermiques à l’aide des émissions PL dans les
BWs de Y₃Al₅O₁₂(YAG), Y₂O₃ et Y₄Al₂O₉ (YAM) co-dopés avec Nd³⁺ et Yb³⁺. Dans un premier temps, les deux premières matrices hôtes ont été synthétisées via la méthode Pechini modifiée pour l’ingénierie du codopage afin de déterminer les concentrations idéales de Nd³⁺ et de Yb³⁺ dans le but d’obtenir un signal PL optimisé des ions de terres rares. Ensuite, pour obtenir des nanocristaux (NCs) individuels bien dispersés, YAG: Nd³⁺-Yb³⁺ et Y₂O₃: Nd³⁺-Yb³⁺ ont été synthétisés par la voie solvothermale et la voie en deux étapes à base d’urée, respectivement, avec des conditions systématiquement optimisées pour répondre aux exigences de cette thèse. La troisième matrice hôte, YAM, a été étudiée sur la base de la synthèse Pechini modifiée afin d’étudier sa réponse thermique lorsqu’elle est mono-dopé avec Nd³⁺ et co-dopé avec Nd³⁺ et Yb³⁺. Enfin, une nouvelle méthode de synthèse du YAM a été explorée.
Les résultats de ce travail montrent que le YAG : Nd³⁺-Yb³⁺ présente de fortes potentialités d’application en nanothermometrie, notamment après le dépôt d’une fine couche de silice autour des NC synthétisées dans des conditions solvothermales. Cette couche a permis un recuit protégé à 850°C pour améliorer l’émission PL, sans provoquer d’agglomération des NC. À température physiologique, les nanoparticules (NPs) cœur-coquille YAG:Nd³⁺-Yb³⁺@SiO₂ obtenues avaient une taille finale de 87 ± 20 nm, une sensibilité thermique relative (Sr) de 0,60 %.K^-1, et une excellente résolution thermique exceptionnelle (δT) de 0,16 K. En comparaison, les NCs de Y₂O₃: Nd³⁺– Yb³⁺ de 22 ± 5 nm présentaient une Sr d’environ 0,50 %.K^-1, mais une δT de ~ 0,40 K en raison d’un rapport signal-bruit plus faible. En revanche, le YAM a révélé une réponse thermique compétitive lorsqu’il est dopé avec du Nd³⁺, avec Sr = 0,50 %.K^-1 et δT = 0,26 K à la température physiologique. D’autre part, en raison de la structure cristalline complexe de cet oxyde, l’insertion d’ions Nd³⁺ et Yb³⁺ réduit la performance thermique à moins de 0,40%.K^-1 de Sr à la température physiologique avec δT fluctuant entre 0,23 et 0,68 K entre la température ambiante et 55°C.
Ainsi, les résultats de ce travail révèlent un bon potentiel du YAG co-dopé Nd³⁺-Yb³⁺ en tant que nanothermomètre, grâce à la taille réduite et la haute qualité cristalline des NCs, à ses bonnes caractéristiques de détection thermique et à l’émission intense de PL dans les BWs. Ceci ouvre la voie à des tests biologiques pour vérifier son utilisation dans le contexte biomédical. Dans l’ensemble, les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles voies pour améliorer la synthèse et les applications des oxydes en nanothermométrie.