Alexsandro de Farias Pereira (2016)
Nanotermometria óptica com nanocristais dopados com os íons ativos Tm+3 e Ho3+
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UFAL
INSTITUTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM
FÍSICA
NANOTERMOMETRIA ÓPTICA COM NANOCRISTAIS DOPADOS
COM OS ÍONS ATIVOS Tm3+ E Ho3+
ALEXSANDRO DE FARIAS PEREIRA
Universidade Federal de Alagoas
Campus A. C. Simões
Tabuleiro dos Martins
57.072-900 – Maceió - AL
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
INSTITUTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA
ALEXSANDRO DE FARIAS PEREIRA
NANOTERMOMETRIA ÓPTICA COM NANOCRISTAIS DOPADOS COM OS
ÍONS ATIVOS Tm3+ E Ho3+
Maceió
2016
ALEXSANDRO DE FARIAS PEREIRA
NANOTERMOMETRIA ÓPTICA COM NANOCRISTAIS DOPADOS COM OS
ÍONS ATIVOS Tm3+ E Ho3+
Tese apresentada ao Instituto de Física da
Universidade Federal de Alagoas, como parte
dos requisitos para obtenção do Título de
Doutor em Física da Matéria Condensada.
Orientador: Prof. Dr. Carlos Jacinto da Silva
Maceió
2016
Catalogação na fonte
Universidade Federal de Alagoas
Biblioteca Central
Bibliotecário Responsável: Helena Cristina Pimentel do Vale
P436n
Pereira, Alexsandro de Farias.
Nanotermometria óptica com nanocristais dopados com os íons ativos Tm+3 e Ho3+
/ Alexsandro de Farias Pereira. – 2016.
150 f. : il.
Orientador: Carlos Jacinto da Silva.
Tese (doutorado em Física da Matéria Condensada) – Universidade Federal de
Alagoas. Instituto de Física. Maceió, 2016.
Bibliografia: f. 145-146.
1. Nanopartículas. 2. Nanotermometria. 3. Nanotermômetros. 4. Luminescentes.
I. Título.
CDU: 535.37
Aos meus amados pais:
Antonio Raimundo Pereira (em memória),
Delzuita Venâcio de Farias Pereira.
AGRADECIMENTOS
À Deus, por mais uma graça alcançada. Pelo dom da Vida e por dar-nos
sentido a ela.
Aos meus queridos e amados pais, Antonio Raimundo Pereira e Delzuita
Venâcio Farias Pereira, por ter me ensinado os valores cristãos e pela dedicação em toda
minha vida escolar, da alfabetização ao doutorado. Sem eles nada seria possível!
À minha amada esposa Sineide, por todo apoio e incentivo nos vários momentos
que necessitei.
Às minhas irmãs, cunhados e sobrinhos por torcerem e me apoiarem nos
momentos difíceis. Como também a todos os meus familiares, obrigado por todo
carinho.
Ao professor Dr. Carlos Jacinto, que me orientou na realização deste trabalho,
agradeço pela dedicação, paciência, confiança, disponibilidade e pelas orientações
acadêmicas e humanas. Sua competência profissional e humana é um exemplo a ser
seguido.
Aos professores do IF-UFAL, sobretudo aos professores Iram Marcelo, Marcos
Vermelho, Evandro Gouveia, Tiago Homero, Carlos Jacinto, Solange Cavalcanti, Ítalo
Oliveira, Eduardo Fonseca, que ministraram os cursos com muita responsabilidade e
empenho.
Aos professores Daniel Jaque e Arthur Gouveia Neto e ao Dr. Upendra Kumar,
pelas colaborações científicas neste trabalho de tese.
Aos professores Maria Tereza de Araujo, Pedro Valentim, Wagner Silva, do
GFFC por todo apoio e orientação.
Aos professores da UFAL Campus Arapiraca, universidade em que fiz a
graduação em Física, em especial aos professores Samuel Albuquerque e André Moura
por participarem de forma efetiva na minha formação acadêmica e por me incentivarem
a ingressar na pós-graduação.
A todos os meus colegas de pós-graduação, em especial Weslley Santos,
Jefferson, Tasso Sales, Patricia Ysabel, Harisson, Leandro, Juarez e Leonade, obrigado
pelo apoio e amizade.
Ao GFFC e ao IF por fornecerem toda a infraestrutura necessária para a
realização deste trabalho.
Ao CNPq e Capes pelo apoio financeiro no projeto de pesquisa.
Enfim, aos demais professores, alunos e funcionários do Instituto de Física, que
de alguma forma contribuíram para a conclusão de mais esta etapa da minha vida, meu
grato e sincero muito obrigado.
RESUMO
Neste trabalho investigamos as propriedades de luminescência de nanopartículas (NPs)
de Niobato de Sódio (NaNbO3) e de Fluoreto de Lantânio (LaF3) dopadas ou codopadas com diferentes íons terras-raras para potenciais aplicações em dispositivos
fotônicos, em especial em bio-imagem, nanoaquecedores ópticos e nanotermômetros
luminescentes (NTLs) operando fora e dentro das regiões conhecidas como primeira e
segunda janelas biológicas (I-JB e II-JB, respectivamente). Primeiramente investigamos
as potenciais aplicações das NPs de NaNbO3 co-dopados com Tm3+/Yb3+ como NTL de
alta resolução sob excitação por três fótons. Para isso, analisamos o comportamento da
razão de intensidades de fluorescência (RIF) em 480 e 486 nm do Tm3+ no intervalo de
temperatura de 24 a 140 °C. Foi observado que a RIF apresenta um comportamento
linear com a temperatura e, a partir desses dados, foi possível estimar a sensibilidade
térmica desse NTL. Em seguida, foi investigado a capacidade das NPs converterem luz
em calor, onde foi possível medir o aumento induzido opticamente da temperatura local
na superfície das NPs. Emissão por conversão ascendente de energia em 800 nm
(3H4→3H6), sob excitação por dois-fótons, de NPs de NaNbO3 dopadas com diferentes
concentrações de Tm3+ (1-5 mol%) foi investigada para potenciais aplicações como
NTL operando dentro das JBs e em bio-imagem fluorescentes. Para tal feito,
investigamos, respectivamente, o perfil espectral da luminescência em torno de 800 nm
para o intervalo de temperatura de 22-90 °C e a profundidade de penetração da
excitação laser em 1319 nm. Também investigamos as potenciais aplicações da
fluorescência no infravermelho de NPs de LaF3 dopadas com diferentes concentrações
de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%) como NTLs de alta sensibilidade operando com emissão na IIJB e excitação na I-JB. Para isso, os valores da RIF em 1470 (3H4 → 3F4) e 1230 nm
(3H5 → 3H6) foram analisados no intervalo de temperatura de 24 a 88 °C. Por fim,
estudamos a potencial aplicação como NTL (com excitação e emissão dentro das JBs)
de NPs de LaF3 co-dopadas com Yb3+/Ho3+ baseado no perfil da emissão em torno de
1188 nm dos íons de Ho3+. Em resumo, a presente tese teve como foco principal o
estudo de NTLs operando nas regiões de transparência de tecidos biológicos e também
na região do azul do espectro eletromagnético.
ABSTRACT
In this work, we investigated the luminescence properties of sodium niobate (NaNbO3)
and lanthanum fluoride (LaF3) nanoparticles (NPs) doped or co-doped with different
rare-earth ions for potential applications in photonic devices, in particular bio-image,
optical nanoheater, and luminescence nanothermometers (LNTs) operating within and
without of regions known as first and second biological windows (I-BW and II-BW,
respectively). Firstly, we investigate the potential applications of Tm3+/Yb3+ codoped
NaNbO3 NPs as high-resolution LNT under three-photon excitation. For this, we
analyzed the behavior of the fluorescence intensity ratio (FIR) at 480 and 486 nm
(which comprise the luminescence band around 480 nm) in the temperature range of 24
to 140 ° C. It was observed that the FIR shows a linear behavior with temperature and,
from these data, it was possible to estimate the thermal sensitivity of the LNT. Next, we
investigated the potential of the NPs to convert light into heat, where it was possible to
measure the optically induced local temperature on the NPs´ surface. Upconversion
emission at 800 nm (3H4 → 3H6) under two-photon excitation of NaNbO3 NPs doped
with different Tm3+ concentrations (1-5 mol%) was investigated for potential
applications as LNT operating within BWs and in fluorescent bio-imaging. To this, we
investigate, respectively, the luminescence spectral profile around 800 nm in the
temperature range of 22-90 ° C and the penetration depth of the laser excitation at 1319
nm. We also investigated the potential applications of NIR fluorescence of LaF3 NPs
doped with different Tm3+ concentrations (1, 3 and 5 mol%) and high sensitivity LNT
operating with emission in the II-BW and excitement in the I-BW. To this end, the FIR
at 1470 nm (3H4 → 3F4) and 1230 nm (3H5 → 3H6) were analyzed in the temperature
range of 24 to 88 oC. By end, we studied the potential application as LNT (with
excitation and emission within the BWs) the Yb3+/Ho3+ codoped LaF3 NPs based on the
emission profile around 1188 nm of Ho3+ ions. In summary, the present thesis had as
primary focus the study of LNTs operating in biological tissues transparent regions and
in the blue region of the electromagnetic spectrum.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Intensidade de uma transição eletrônica para um conjunto de átomos em
função da frequência. (a) Largura de linha em uma rede amorfa (vítrea). (b) Largura de
linha em uma rede cristalina.--------------------------------------------------------------------28
Figura 2.2: Diagrama de energia obtido por Diexe e Crosswhite para alguns íons TR em
sua forma trivalente em um cristal de LaCl3.--------------------------------------------------30
Figura 2.3: Diagrama simplificado de níveis de energia do Yb3+ em um vidro fosfato
QX/Yb. ---------------------------------------------------------------------------------------------33
Figura 2.4: Diagrama simplificado de níveis de energia com as principais transições
eletrônicas do íon Tm3+.--------------------------------------------------------------------------35
Figura 2.5: Diagrama simplificado de níveis de energia com as principais transições
eletrônicas do íon Ho3+.--------------------------------------------------------------------------36
Figura 2.6: Representação de seis possíveis efeitos causados pelo aumento da
temperatura na luminescência. As linhas vermelhas correspondem a temperaturas mais
elevadas em comparação às linhas azuis.------------------------------------------------------42
Figura 2.7: Espectros de fluorescência das nanopartículas de BaFBr:Eu3+ no intervalo de
temperatura 30-150 °C (de cima para baixo); sob excitação em 280 nm. Intensidade do
pico de fluorescência em 388 nm (referente a transição 4f65d1→4f7 (8S7/2)) das
nanopartículas de BaFBr:Eu3+ em função da temperatura, durante o aquecimento e o
resfriamento.---------------------------------------------------------------------------------------45
Figura 2.8: Topo: Espectros de luminescencia de nanoparticulas de ZnS:Mn2+/Eu3+
obtido para uma variação de temperatura de 30-150 ºC. Parte superior esquerda: Pico da
emissão em 612 nm referente a transição 5D0→7F2 do Eu3+ sob excitação em 394 nm.
Parte superior direita: Pico da emissão em 595 nm referente a transição 4T1→6A1 do
Mn2+ sob excitação em 360 nm. Inferior esquerdo: Variação da intensidade de
luminescência em função da temperatura, onde o quadrado representa a emissão em 612
nm (com excitação em 394 nm) e o círculo representa a emissão em 595 nm (com
excitação em 360 nm). Inferior direito: Razão entre as intensidades dos picos em 595 e
612 nm em função da temperatura.-------------------------------------------------------------46
Figura 2.9: Diagrama simplificado de níveis de energia que mostra as transições de
interesse para a técnica razão de intensidade de fluorescência (RIF) para medir
temperatura. As setas pontilhadas representam os decaimentos não radioativos,
enquanto as setas solidas, simbolizadas por I2 e I1, representam as intensidades das
transições luminescentes para a medida da razão da intensidade de fluorescência.------48
Figura 2.10: Célula unitária do cristal de LaF3. A partícula maior representa o íon La3+ e
as pequenas representam os íons F-.------------------------------------------------------------52
Figura 2.11: (a) Célula unitária de uma estrutura perovskita, onde no centro encontra-se
o octaedro BO6. (b) Estrutura visualizada com vários octaedros BO6 nos vértices.-----53
Figura 2.12: (a) Processo de mistura, aquecimento e agitação da solução. (b) Solução
branca obtida após o processo de mistura. (c) Centrifugação da solução branca para
separar a parte sólida (precipitado) da liquida. (d) e (e) lavagem e secagem. (f)
Precipitado obtido após o processo de secagem.----------------------------------------------56
Figura 2.13: Processo de refinamento do pó de nanopartículas de LaF3 obtido.---------56
Figura 2.14: Etapas do processo de síntese das nanopartículas de NaNbO3 dopadas com
íons TR3+. (a) Solução cristalina e homogênea obtida após uma hora das adições dos
reagentes a 75 ºC. (b), (c) e (d) Estágios da formação do gel, após 24, 48 e 72 horas que
a solução é colocada no forno a 100 ºC. e) Fase carbonizada, ao sair do forno a 400°C
durante duas horas. f) Formação dos nanocristais de NaNbO3 devido à calcinação. g)
Mistura no almofariz de Ágata para formar o pó nanocristalino. h) estocagem das
nanopartícula em um tubo Eppendorf.---------------------------------------------------------59
Figura 3.1: Aparato usado para os experimentos de luminescência das nanopartículas de
NaNbO3 co-dopadas com Tm/Yb.--------------------------------------------------------------71
Figura 3.2: (a) e (b) Imagens de HRTEM das nanoparticulas de NaNbO3 co-dopadas
com Tm/Yb usadas neste capítulo; (c) fotografia mostrando a transparência da solução
aquosa com 2 mg/ml de nanoparticulas de NaNbO3:Tm/Yb. (d) Fotografia da emissão
no azul da solução aquosa das nanoparticulas de NaNbO3:Tm/Yb sob excitação em 976
nm.--------------------------------------------------------------------------------------------------72
Figura 3.3: Espectro de luminescência dos nanocristais de NaNbO3 co-dopados com 5
mol% de Yb e 1mol% de Tm, sob excitação em 976 nm, para potencia de excitação de
100 mW e em temperatura ambiente.----------------------------------------------------------73
Figura 3.4: Esquema simplificado da representação dos processos de conversão
ascendente de energia para os íons Yb3+ e Tm3+, sob excitação em 980 nm. As setas
para cima indicam excitação, as setas para baixo indicam emissão e as linhas onduladas
para baixo se referem a transições não radiativas.--------------------------------------------74
Figura 3.5: Gráfico log-log das intensidades de emissão por conversão ascendente de
energia em 480 e 800 nm em função da potencia de excitação.----------------------------75
Figura 3.6: (a) Espectros de luminescência em torno de 480 nm para as temperaturas de
24 e 80 °C, sob excitação em 940 nm e potencia de excitação de 90 mW. (b) Razão das
intensidades de fluorescência para os picos de emissões em 480 e 486 nm como função
da temperatura.------------------------------------------------------------------------------------77
Figura 3.7: Detalhes da intensidade de fluorescência por conversão ascendente de
energia em torno 484 para potências de excitação de 90, 280 e 560 mW, sob excitação
em 940 nm e temperatura ambiente.------------------------------------------------------------81
Figura 3.8: (a) Razão da intensidade de fluorescência (RIF) dos picos 480 nm e 486 nm
em função da potência de excitação e (b) correspondente variação da temperatura local
induzida pela potência de excitação nas NPs de NaNbO3:Tm/Yb sob excitação em 940
nm.--------------------------------------------------------------------------------------------------82
Figura 4.1: Aparato experimental usado nos experimentos de luminescência das
nanopartículas de NaNbO3 dopas com diferentes concentrações de Tm3+.---------------92
Figura 4.2: Espectros de luminescência por conversão ascendente de energia das
nanopartículas de NaNbO3 dopadas com 1 mol% de Tm3+ sob excitação em 1319 nm e
temperatura ambiente, para três potências de excitação 300, 600 e 900 mW.------------93
Figura 4.3: Diagrama de níveis de energia simplificado para excitação e emissão por
conversão ascendente de energia para sistemas dopados com íon de Tm3+ sob excitação
em 1319 nm.---------------------------------------------------------------------------------------94
Figura 4.4: Gráfico log-log da intensidade de emissão por conversão ascendente de
energia em torno de 800 nm em função da potencia de excitação.-------------------------95
Figura 4.5: Espectros de emissão por conversão ascendente de energia das
nanopartículas de NaNbO3 dopadas com 1 mol% de Tm3+ sob excitação laser em 1319
nm e potência de excitação de 350 mW, para três diferentes temperaturas 30, 50 e 90
°C.---------------------------------------------------------------------------------------------------96
Figura 4.6: Área integrada da curva de emissão em torno de 800 nm (do espectro de
conversão ascendente de energia) em função da temperatura, para as três concentrações
de íons de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%), para excitação laser em 1319 nm e potencia de
bombeio de 350 mW.-----------------------------------------------------------------------------97
Figura 4.7: Espectro de emissão emitido das nanopartículas de NaNbO3 dopadas com 1
mol% de íons de Tm3+; espectro da excitação laser em 1319 nm usado ao longo de todo
este capítulo; também é incluído o coeficiente de atenuação do sangue humano
(oxigenado) no intervalo espectral de 550-1470 nm. As extensões espectrais da primeira
e segunda janelas biológicas também são esquematicamente indicadas.------------------98
Figura 4.8: (primeira linha, da esquerda para direita) Imagens de transmissão óptica de
células Hela incubadas com uma solução de NPs de CaF2:Er3+/Yb3+, imagem de
fluorescência por dois fótons, e sobreposição das duas imagens anteriores. (segunda
linha, da esquerda para direita) Imagens de transmissão óptica de células Hela
incubadas com uma solução de NPs de CaF2:Tm3+/Yb3+, imagem de fluorescência por
dois fótons, e sobreposição das duas imagens anteriores.-----------------------------------99
Figura 4.9: Medida da intensidade de emissão em 532 nm (pontos verdes) e 790 nm
(pontos vermelhos) para as NPs de CaF2 co-dopadas com Eb/Yb e Tm/Yb,
respectivamente, como função do comprimento do tecido fantasma.--------------------100
Figura 4.10: Espectros de emissão normalizados das NPs de NaNbO3 dopadas com 1
mol% de Tm3+, sob excitação laser em 1319 nm e potência de bombeio de 350 mW nas
temperaturas de 30, 60 e 90 °C. As linhas pontilhadas são as deconvoluções com
Lorentzianas dos espectros principais.--------------------------------------------------------101
Figura 4.11: Razão entre as intensidades de fluorescência (RIF) em 797 e 807 nm como
função da temperatura para as nanopartículas de NaNbO3 dopadas com três
concentrações diferentes dos íons de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%).------------------------------102
Figura 4.12: Sensibilidade térmica relativa em função da temperatura para as três
amostras investigadas.--------------------------------------------------------------------------103
Figura 4.13: Temperatura local na superfície das NPs de NaNbO3:1Tm induzido pelo
laser de excitação, medida com a câmera térmica, em função da potência de excitação.
Em detalhes são apresentadas imagens térmicas para diferentes potências de excitação.------------------------------------------------------------------------------------------------------104
Figura 4.14: Intensidade transmitida normalizada em 800 nm e 1319 nm em função da
espessura do músculo peitoral de frango. A profundidade de penetração representada
por di , obtido do ajuste exponencial dos dados experimentais.---------------------------105
Figura 5.1: Aparato experimental usado para os experimentos de luminescência das
nanopartículas de LaF3 dopadas com diferentes concentrações de Tm3+.---------------113
Figura 5.2: (a) Espectros comparativos da luminescência das nanopartículas de LaF3
dopadas com 1mol% de Tm3+, sob excitação em 690 nm (em azul) e 790 nm (em
vermelho), potência de bombeio de 100 mW e à temperatura ambiente. (b) Espectros de
luminescência normalizados.-------------------------------------------------------------------115
Figura 5.3: Diagrama simplificado dos níveis de energia do íon de Tm3+, mostrando as
bandas de emissão em torno de 1470 nm e 1230 nm .--------------------------------------116
Figure 5.4: Espectros de excitação para as emissões em (superior) 1470 nm e (inferiror)
1230 nm para a amostra LaF3 dopada com 1,0 mol% de Tm.-----------------------------117
Figura 5.5: Espectros de luminescência no infravermelho (1100-1600 nm) das
nanopartículas de niobato de sódio NaNbO3 dopadas com diferentes concentrações de
íons de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%), sob excitação laser em 690 nm, potência de excitação de
100 mW e em temperatura ambiente.---------------------------------------------------------119
Figura 5.6: (a) Espectros comparativos da luminescência das nanopartículas de LaF3
dopadas com diferentes concentrações de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%), sob excitação em 690
nm e potência de bombeamento de 100 mW à temperatura ambiente. (b) Espectros de
luminescência normalizados.-------------------------------------------------------------------120
Figura 5.7: Efeito da temperatura no espectro de emissão (normalizado) das
nanopartículas de LaF3:Tm dopadas com as concentrações de (a) 1 mol%, (b) 3 mol% e
(c) 5 mol%, sob excitação laser em 690 nm e potência de bombeamento de 100 mW, no
intervalo de temperatura de 24 a 88 °C.------------------------------------------------------122
Figura 5.8: Comportamento da taxa de relaxação por multifônons como função da
temperatura para as transições (a) 3H5 → 3F4 e (b) 3H4 → 3H5 das nanopartículas de LaF3
dopadas com íons de Tm3+, para o intervalo de temperatura de 10 a 400 K.------------124
Figura 5.9: Efeito da temperatura nas intensidades de luminescência das bandas de
emissão em 1230 e 1470 nm das nanopartículas de LaF3:Tm dopadas com as
concentrações de (a) 1mol%, (b) 3 mol% e (c) 5mol%, sob excitação laser em 690 nm,
potência de bombeio de 100 mW no intervalo de temperatura de 24 – 88 °C.----------126
Figura 5.10: Razão das intensidades 1470 e 1230 nm de fluorescência (RIF) como
função da temperatura (24 a 88 °C) para as nanopartículas de LaF3 dopadas para as três
concentrações de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%).-----------------------------------------------------128
Figura 5.11: Sensibilidade térmica relativa em função da temperatura para as três
amostras investigadas.--------------------------------------------------------------------------129
5.12: Sensibilidade térmica relativa e intervalo espectral de emissão de nossas NPs e
para diferentes NTLs encontrados na literatura: CaWO4:Ho/Yb; proteínas fluorescentes
no verde (PFV); NaYF4:Er/Yb; Y2O3:Ho/Yb; CaF2:Er/Yb; AuNCs; CaF2:Tm/Yb;
NaYF4:Nd; LaF3:Nd; YAG:Nd; PLGA e LaF3:Nd@Yb.----------------------------------130
Figura 6.1: Espectro de luminescência das nanopartículas de LaF3 dopadas com 10
mol% de Yb3+ e 4 mol% Ho3+ sob excitação em 980 nm e temperatura ambiente.----138
Figura 6.2: Esquema simplificado da representação do processo de conversão
descendente de energia (que dá origem a emissão em torno de 1188 nm), obtido a partir
da transferência de energia entre os íons de Yb3+ e Ho3+, sob excitação em 980 nm. As
setas para cima e para baixo indicam respectivamente excitação e emissão e as linhas
onduladas decaimento por multifônons.------------------------------------------------------139
Figura 6.3: Espectro de excitação normalizado para a emissão em torno de 1188 nm das
nanopartículas de LaF3 co-dopadas com Yb3+/Ho3+.---------------------------------------140
Figura 6.4: Espectro de emissão das nanopartículas de LaF3 co-dopadas com os íons de
Yb/Ho; espectro da excitação laser operando em 913 nm usado para aplicações em
nanotermometria luminescente. Também é incluído o coeficiente de atenuação do
sangue humano (oxigenado) no intervalo espectral 550-1600 nm. As extensões
espectrais da primeira e segunda janelas biológicas também são esquematicamente
indicadas.-----------------------------------------------------------------------------------------142
Figura 6.5: (a) Espectro de luminescência normalizado das NPs de LaF3 dopadas com
Yb/Ho, sob excitação em 913 nm nas temperaturas de 23, 55 e 88 °C. Mostrando em
detalhe as mudanças espectrais induzidas pela a temperatura, assim como (b) a
deconvolução (linhas pontilhadas) da banda de emissão centrada em 1168 nm em
termos dos picos em torno de 1148 e 1188 nm.---------------------------------------------144
Figura 6.6: Razão das intensidades de fluorescência (RIF) em 1148 e 1188 nm como
função da temperatura para as nanopartículas de LaF3 codopadas com Yb/Ho.-------145
Figura 6.7: Sensibilidade térmica relativa da razão de intensidades de fluorescência
I1148/ I1188 (RIF) em função da temperatura para o intervalo de 23-128 °C.-------------146
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Número atômico dos elementos terras-raras, bem como as principais fontes de
obtenções deles na natureza.------------------------------------------------------------------------------25
Tabela 2.2: Elementos químicos, número atômico, configuração eletrônica neutra e trivalente e
raio iônico para os lantanídeos. {Xe} corresponde à configuração eletrônica do xenônio, que é:
1s2 2s2 2 p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6.------------------------------------------------------------27
Tabela 2.3: Reagentes usados nas sínteses nanopartículas de LaF3 ---------------------54
Tabela 2.4: Nanoparticulas de LaF3 dopadas com TR3+ com suas respectivas
composições químicas.---------------------------------------------------------------------------57
Tabela 2.5: Reagentes usados nas sínteses das nanopartículas de NaNbO3 dopadas com
Tm3+.------------------------------------------------------------------------------------------------58
Tabela 2.6: Nanopartítulas de NaNbO3 dopadas com TR3+ e suas respectivas
composições químicas.---------------------------------------------------------------------------60
Tabela 3.1: Sensibilidade térmica para diferentes nanopartículas dopadas com diferentes
íons terra-raras usadas para sensor térmico via RIF. O intervalo espectral de operação é
também apresentado. Quando a temperatura não é indicada no valor da sensibilidade, é
porque a sensibilidade é constante no intervalo de temperatura de operação.------------80
Tabela 5.1: Ajustes lineares (para cada concentração de Tm) da razão R= I1470 nm/I1230 nm
em função da temperatura, obtidos a partir dos dados experimentais.-------------------127
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO GERAL ....................................................................................19
2
CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS ......................................................................24
2.1 Íons terras raras e transições eletrônicas ..............................................................24
2.1.1 O íon itérbio (Yb3+) ...............................................................................................32
2.1.2 O íon de túlio (Tm3+) ..............................................................................................34
2.1.3 O íon de hólmio (Ho3+)...........................................................................................36
2.2 Nanotermometria ...................................................................................................37
2.2.1 Nanotermometria luminescente .............................................................................40
2.2.2 Nanotermômetros Luminescentes baseados em nanopartículas dopadas com íons
terra raras. .......................................................................................................................44
2.2.3 Razão de intensidade de fluorescência (RIF) .........................................................47
2.2.4 Nanomateriais de LaF3 e de NaNbO3 ....................................................................50
2.2.4.1 Nanocristais de Fluoreto de Lantânio (LaF3) .....................................................50
2.2.4.2 Nanocristais de Niobato de Sódio (NaNbO3) ......................................................52
2.3 Sínteses das nanoparticulas ....................................................................................53
2.3.1 Sínteses de nanocristais de LaF3 dopados com TR3+ .............................................53
2.3.2 Sínteses de nanocristais de NaNbO3 dopados com TR3+ ......................................57
3.
NANOTERMOMETRIA
ÓPTICA
POR
TRÊS-FÓTONS
EM
NANOCRISTAIS DE NaNbO3 CO-DOPADOS COM Yb3+/Tm3+ ..........................69
3.1 Introdução ..............................................................................................................69
3.2 Aparato experimental ..........................................................................................70
3.3 Resultados e discussões .........................................................................................71
3.4 Conclusões .............................................................................................................83
4.
NANOPARTÍCULAS DE NaNbO3 DOPADAS COM Tm3+ EXCITADAS
EM 1,319 µm PARA NANOTERMOMETRIA LUMINESCENTE COM ALTA
PENETRAÇÃO E IMAGEAMENTO COM ALTO CONTRASTE. ......................88
4.1 Introdução .............................................................................................................88
4.2 Aparato experimental .........................................................................................91
4.3 Resultados e Discursões .......................................................................................92
4.4 Conclusões ...........................................................................................................106
5.
USO DAS EMISSÕES DO Tm3+ EM 1,22 E 1,47 m PARA
NANOTERMOMETRIA NA SEGUNDA JANELA BIOLÓGICA. ......................112
5.1
Introdução ..........................................................................................................112
5.2 Aparato experimental ........................................................................................113
5.3 Resultados e discussões ......................................................................................114
5.4 Conclusão ............................................................................................................130
6.
USO DAS EMISSÕES DO Tm3+ EM 1,22 E 1,47 m PARA
NANOTERMOMETRIA NA SEGUNDA JANELA BIOLÓGICA. ......................136
6.1
Introdução ..........................................................................................................136
6.2
Aparato experimental ........................................................................................137
6.3 Resultados e discussões ......................................................................................138
6.4 Conclusão ............................................................................................................147
7
CONCLUSÕES FINAIS E PERSPECTIVAS ................................................150
1.
INTRODUÇÃO GERAL
A temperatura é um parâmetro fundamental cujo aferimento é primordial em
uma grande variedade de áreas tais como: indústria, eletrônica, energia, biomedicina,
etc. No caso particular da biomedicina a leitura precisa da temperatura é essencial uma
vez que este é um dos mais críticos parâmetros que afeta a dinâmica das espécies vivas
[1]. Por exemplo, quando a temperatura do corpo supera o intervalo de temperatura
biológica, 34-45 ºC, efeitos irreversíveis, tais como danos e alterações nas funções
básicas para a vida podem ocorrer [2, 3]. Isto se dá devido à forte dependência da
dinâmica celular com a temperatura. De fato, temperaturas anormais podem induzir,
mudanças na polaridade e permeabilidade da membrana, desnaturação de componentes
da célula (enzimas, lipídios, ácidos nucléicos, etc.), modificações na taxa de divisão
celular e ativação-desativação térmica de reações intracelulares [4, 5]. Além disso,
muitas doenças ou disfunções de saúde (como tumores em desenvolvimento,
inflamações e problemas circulatórios) nas suas fases iniciais induzem variações
relevantes na temperatura local, de modo que a detecção intra-corporal de pequenas
anomalias na temperatura pode ser utilizada como procedimento eficaz para a detecção
precoce de doenças [6]. Mas, sensores térmicos não só encontram aplicação em
diagnóstico, mas também em procedimentos terapêuticos. Em particular, a aplicação no
tratamento via hipertermia [7-10], em que células malignas são conduzidas ao nível
citotóxico (acima 45ºC), requer o monitoramento com alta resolução espacial da
temperatura, em tempo real, a nível celular. No entanto, o monitoramento da
temperatura com alta resolução espacial (sub-micrométrica) em sistemas vivos, tanto a
nível celular quanto macroscópico em pequenos animais (visando aplicações em vivo),
não é uma tarefa inviável. De fato, constitui uma área de pesquisa muito ativa e
desafiadora. Entre as diferentes abordagens propostas no passado para obtenção de alta
resolução de imagens térmicas de biossistemas, os resultados obtidos por
nanotermômetros luminescentes são de especial interesse, por apresentarem a
possibilidade de medir a temperatura com alta resolução espacial de forma não invasiva
[11]. O termo nanotermômetro luminescente (NTL) refere-se à nanopartículas, com
luminescência fortemente dependente da temperatura, de modo que uma análise
adequada dessa luminescência pode levar a uma leitura térmica precisa com uma alta
resolução espacial [12, 13].
19
Nos últimos anos um grande número de NTLs foram introduzidos na
comunidade científica por inúmeros grupos de pesquisa, entre eles podemos destacar
aqules baseados em NPs metálicas (de ouro e prata), nanocristais semicondutores
(Quantum Dots) e nanocristais dielétricos dopados com íons terras-raras [11, 12, 14-18].
Um resumo dos diferentes sistemas utilizados até agora como NTLs pode ser
encontrada em [11, 12]. Entre os diferentes NTLs já demostrados, aqueles baseados na
luminescência dos íons terra-raras apresentam claras vantagens, tais como, estabilidades
física e química, baixa toxidade, linhas luminescentes estreitas e ausência de efeitos de
envelhecimento, entre outros.
Na maioria dos NTLs baseados em nanopartículas dopadas com íons terrasraras, a leitura térmica torna-se possível graças à presença de linhas luminescentes
simultaneamente geradas de dois níveis eletrônicos com energias próximas (separados
por uma pequena diferença de energia). Quando esta diferença de energia entre os
estados eletrônicos emissores ou níveis Starks são comparáveis ou menores que
kB Ta 208cm1 (sendo kB e Ta respectivamente, a constante de Boltzman e a
temperatura ambiente), é dito que esses estados eletrônicos são níveis termicamente
acoplados. Dessa forma, pequenas variações na temperatura podem produzir notáveis
mudanças na redistribuição da população e consequentemente na razão entre as
intensidades das diferentes emissões. Neste caso, determinação da temperatura através
da análise da razão entre as intensidades de duas linhas luminescentes termicamente
acopladas é possível, através da técnica conhecida como razão de intensidades de
fluorescência (RIF) [19-22]. Esta possibilidade foi sucessivamente demostrada em uma
grande variedade de sistemas dopados com íons terra-raras [14, 23, 24].
Apesar de na literatura encontrarmos bons resultados in vitro obtidos através de
NTLs que emitem na região do visível, suas aplicações em estudos in vivo é muito
limitada devido ao seu reduzido comprimento de penetração [10, 25]. Para tentar
contornar esse problema, grandes esforços foram realizados para o desenvolvimento de
NTLs que trabalhem (excitação e emissão) dentro das chamadas janelas biológicas dos
tecidos [26, 27]. Janelas biologias são regiões espectrais onde os efeitos de absorção e
espalhamento da luz são minimizados, ocorrendo assim uma maximização do
comprimento de penetração óptica da luz.
20
Neste contexto a presente tese é dedicada a investigar as propriedades
espectroscópicas das nanopartículas de NaNbO3 e de LaF3 dopadas com diferentes íons
terra-raras, a fim de avaliar suas possíveis aplicações como dispositivos fotônicos,
principalmente como NTLs e em bioimagem fluorescentes. Para isso, no capítulo 2
realizamos uma revisão das características gerais dos íons terra-raras, assim como de
alguns íons específicos que serão usados como dopantes de nossas nanopartículas. Em
seguida, são abordadas as principais características dos nanotermômetros luminescentes
e da técnica RIF. Por fim, são apresentadas algumas das principais características das
matrizes NaNbO3 e de LaF3, assim como o processo de síntese das respectivas
nanopartículas.
No capítulo 3 investigamos as potenciais aplicações dos nanocristais de
Niobato de Sódio (NaNbO3) co-dopados com Tm/Yb como NTL de alta resolução sob
excitação por três fótons. Para isso, as mudanças da forma espectral da banda de
luminescência em 484 nm (1G4→3H6) foram analisadas para o intervalo de temperatura
de 24 a 140 °C. Já no capítulo 4, apresentaremos as potenciais aplicações da emissão
por conversão ascendente de energia por excitação de dois-fótons das nanopartículas de
Niobato de Sódio (NaNbO3) dopadas com diferentes concentrações de íons de Tm3+ (15 mol%) como nanotermômetro luminescente operando dentro das janelas biológicas e
em bioimagem fluorescentes. Para tal feito, serão investigados, respectivamente, o perfil
espectral da luminescência em torno de 800 nm (3H4→3H6) para o intervalo de
temperatura de 22-90 °C e a profundidade de penetração da excitação laser em 1319
nm. Em seguida no capítulo 5 realizamos um estudo sobre as potenciais aplicações da
fluorescência no infravermelho de nanopartículas de LaF3 dopadas com diferentes
concentrações de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%) como NTLs com alta sensibilidade operando
com emissão na segunda janela biológica e excitação na primeira janela biológica. Para
isso, a razão entre as intensidades em 1470 (3H4 → 3F4) e 1230 nm (3H5 → 3H6) foram
analisadas no intervalo de temperatura de 24 a 88 °C. No capítulo 6, estudamos a
potencial aplicação como NTL (com excitação e emissão dentro das janelas biológicas)
de nanopartículas de LaF3 co-dopadas com 10 mol% de Yb3+ e 4 mol% de Ho3+ baseado
no perfil da emissão em torno de 1188 nm dos íons de Ho3+. Para isso, analisamos a RIF
de dois subníveis Stark que compõem a banda de emissão em 1188 nm. Finalmente, no
capítulo 7 apresentaremos as principais conclusões desta tese, assim como as
perspectivas futuras.
21
REFERENCIAS
1.
J. Miquel, P.R.L., K.G. Bensch, H. Atlan, Effects of temperature on thelife span,
vitality and fine structure of Drosophila melanogaster. Mech. Ageing. Dev.,
1976. 5: p. 347–370.
2.
H. Minamisawa, M.-L.S., B.K. Siesjö, The effect of mild hyperthermia
andhypothermia on brain damage following 5, 10, and 15 minutes of
forebrainischemia. Ann. Neurol. , 1990. 28: p. 26–33.
3.
L.C. Kennedy, a.e., A new era for cancer treatment: gold-nanoparticlemediatedthermal therapies. Small, 2011. 7: p. 169–183.
4.
D. Jaque, a.e., Nanoparticles for photothermal therapies. Nanoscale, 2014. 6: p.
9494–9530.
5.
P. Chakravarty, a.e., Thermal ablation of tumorcells with anti bodyfunctionalized single-walled carbon nanotubes. Proc. Natl.Acad. Sci. USA
2008. 105: p. 8697–8702.
6.
A.M. Stark, S.W., The use of thermovision in the detection of early breast
cancer. Cancer 1974. 33: p. 1664–1670.
7.
Rocha, U., et al, Nd3+ doped LaF3 nanoparticles as self-monitored photothermal agents. Applied Physics Letters, 2014. 104(5).
8.
V.K. Tikhomirov, a.e., Opticalnanoheater based on the Yb3+ -Er3+ co-doped
nanoparticles. Opt. Expr., 2009. 17: p. 11794–11798.
9.
A. Bednarkiewicz, D.W., M. Nyk, W. Strek, , Optically stimulatedheating using
Nd3+ doped NaYF4 colloidal near infrared nanophosphors. Appl.Phys. B,
2011(103): p. 847–852.
10.
Maestro, L.M., et al., Heating efficiency of multi-walled carbon nanotubes in the
first and second biological windows. Nanoscale, 2013. 5(17): p. 7882-7889.
11.
Brites, C.D., et al, Thermometry at the nanoscale. Nanoscale, 2012. 4(16): p.
4799-4829.
12.
Jaque, D. and F. Vetrone, Luminescence nanothermometry. Nanoscale, 2012.
4(15): p. 4301-4326.
13.
Fischer, L.H.H., G. S.; Wolfbeis, O. S., Upconverting Nanoparticles for
Nanoscale Thermometry. Angewandte Chemie-International 2011. 50(20): p.
4546-4551.
22
14.
Kumar, K.U., et al., Two Photon Thermal Sensing in Er3+/Yb3+ Co-Doped
Nanocrystalline NaNbO3. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2013.
13(10): p. 6841-6845.
15.
N.G. Horton, a.e., In vivo three-photon microscopy of subcortical structures
within an intactmouse brain. Nat. Photon, 2013. 7: p. 205–209.
16.
L.M. Maestro, e.a., Nanoparticles for highly efficient multiphoton fluorescence
bioimaging Opt. Expr., 2010. 18: p. 23544–23553.
17.
S. Maiti, a.e., Measuring sero-tonin distribution in live cells with three-photon
excitation. Science, 1997. 275: p. 530–532.
18.
X. Wang, J.Z., Y. Xuan, X. Yan, Optical temperature sensing of NaYbF4:Tm3+
@ SiO2 core-shell micro-particles induced by infrared excitation. Opt.Expr. ,
2013. 21: p. 21596–21606.
19.
H. Berthou, C.K.J., Optical-fiber temperature sensor based onupconversionexcited fluorescence. Opt. Lett. , 1990. 15: p. 1100–1102.
20.
E. Maurice, a.e., Erbium-doped silica fibers for intrinsic fiberoptic temperature
sensors. Appl.Opt. , 1995. 34: p. 8019–8025.
21.
S.A. Wade, S.F.C., G.W. Baxter, Fluorescence intensity ratio technique for
optical fiber point temperature sensing. J. Appl. Phys., 2003. 94: p. 4743–4756.
22.
Carlos, D.S., et al., Thermometry at the nanoscale. 2016.
23.
Fiorenzo
Vetrone,
e.a.,
Temperature
Sensing
Using
Fluorescent
Nanothermometers. ACS Nano, 2010. 4(6): p. 3254-3258.
24.
Oleksandr A. Savchuk, a.e., Ho,Yb:KLu(WO4)2 Nanoparticles: A Versatile
Material for Multiple Thermal Sensing Purposes by Luminescent Thermometry.
J. Phys. Chem. C 2015(119): p. 18546−18558.
25.
Ceron, E.N., et al., Hybrid nanostructures for high-sensitivity luminescence
nanothermometry in the second biological window. Adv Mater, 2015. 27(32): p.
4781-7.
26.
Smith, A.M.M., M. C.; Nie, S. , Bioimaging: Second window for in vivo
imaging. Nat Nano. 4(11): p. 710-711.
27.
Rocha, U., et al, Neodymium-Doped LaF3 Nanoparticles for Fluorescence
Bioimaging in the Second Biological Window. Small. 10(6): p. 1141-1154.
23
2. CONSIDERAÇÕES TEÓRICAS
2.1. Íons terras raras e transições eletrônicas
Os elementos terras raras (TR) segundo a convenção de IUPAC (International
Union of Pure and Applied Chemistry), consistem em um conjunto formado por
dezessete elementos químicos da tabela periódica, sendo 15 deles constituídos pela
família dos lantanídeos que apresentam números atômicos (Z) entre 57 (Lantânio) e 71
(Lutécio) acrescidos do Escândio (Z = 21) e Ítrio (Z = 39). Nesta tese trataremos
somente os íons terras raras que pertencem à família dos lantanídeos.
Historicamente a descoberta dos elementos terras raras deu-se ao final do
século XVIII, quando o químico e mineralogista finlandês J. Gadolin descobriu um
novo e incomum minério. Deste mineral, Gadolin conseguiu extrair uma nova “terra”
(nome dado pelos cientistas da época aos óxidos metálicos) [1], que inicialmente foi
denominado Yterbia em referência ao vilarejo sueco (Ytterby) onde foi encontrado, e
posteriormente passou a ser chamado de Yttria. Em 1800, este novo minério passou a
ser chamado de Gadolinita em homenagem a seu descobridor. Do mesmo mineral que
Gadolin havia estudado anteriormente, um grupo de químicos, em 1803, ao realizar uma
análise independente, descobriu um novo óxido que foi denominado Céria.
Posteriormente, o químico sueco C. G. Mosander observou que Gadolinita e Céria eram
constituídas de uma mistura de diferentes óxidos. Através do tratamento da Gadolinita
foi possível obter os elementos Ítrio, Gadolínio, Itérbio, Lutécio, Túlio e Disprósio. Já a
partir da analise da Céria foi possível obter os elementos Cério, Lantânio, Samário,
Európio, Praseodímio e Neodímio [2]. No entanto, somente depois da descoberta da
relação entre as frequências de Raios-X e o número atômico dos elementos químicos,
obtida pelo físico britânico Henry Moseley foi possível determinar que o número de
elementos que constituem as terras raras eram 15 [3].
Ao contrário do que sugere o nome, os elementos “terra-raras” não são
realmente raros, estando distribuídos por toda crosta terrestre. O termo “raro” deve-se a
grande dificuldade de extrair os óxidos (terras) a partir dos minerais em que são
encontrados. Atualmente, os minerais mais utilizados para a extração dos elementos
24
terras raras são a monazita e a bastnasita. A tabela 2.1 mostra os números atômicos dos
elementos terras raras e em quais minerais eles podem ser encontrados.
Tabela 2.1: Número atômico dos elementos terras-raras, bem como as principais fontes de
obtenções deles na natureza.
1
Elemento
Número
Principais
Exemplos de mineral contendo o
químico
Atômico
Fontes de
elemento
(Z)
obtenção
21
Minerais de
Sc (Escândio)
Thortveitita (Sc, Y)2Si2O7
terras raras
2
Y (Ítrio)
39
Minerais de
Bastnasita Ítrica YCO3F
terras raras
3
La (Lantânio)
57
Monazita
Monazita – (La, Ce, Nd)PO4
4
Ce (Cério)
58
Monazita
Monazita – (La, Ce, Nd)PO4
5
Pr(Praseodími)
59
Monazita
Kozoita - (Nd,La,Sm,Pr)(CO3)(OH)
6
Nd(Neodímio)
60
Monazita
Parasita – Ca(Nd,Ce,La)2(CO3)3F2
7
Pm(Promécio)
61
Não encontrado
-----------------------------------
na natureza
8
Sm (Samário)
62
Monazita
Françoisita –
9
10
11
12
Lantanídeos
(Nd,Y,Sm,Ce)(UO2)3(PO4)2O(OH)6(H2O)
Eu (Európio)
63
Bastnasita
Bastnasita – (Ce, La)CO3F
Gd(Gadolínio)
64
Bastnasita
Churchita – (Dy,Sm,Gd,Nd)(PO4)2(H2O)
Tb (Térbio)
65
Monazita
Bastnasita – (Ce, La)CO3F
Dy(Disprósio)
66
Bastnasita
Agardita –
(Dy,LaCa)Cu6(AsO4)3(OH)63(H2O)
13
Ho (Hólmio)
67
Bastnasita
Bastnasita – (Ce, La)CO3F
14
Er (Érbio)
68
Bastnasita
Yftisita(Y,Dy,Er)4(Ti,Sn)O(SiO4)2(F,OH)6
15
Tm (Túlio)
69
Bastnasita
Bastnasita – (Ce, La)CO3F
16
Yb (Itérbio)
70
Monazita
Xenotima (Yb) – YbPO4
17
Lu (Lutécio)
71
Monazita
Monazita – (La, Ce, Nd)PO4
Fonte: Silva, W. F., 2011[4].
25
O primeiro espectro de absorção dos elementos terra raras foi obtido pelo físico
francês J. Becquerel no ano de 1908 [5], que utilizou sais destes elementos a baixa
temperatura (por volta de 85 K). Neste espectro foi possível constatar que as linhas do
espectro possuíam larguras muito estreitas, similares às observadas em átomos ou
moléculas livres. Este resultado sugere que a interação que ocorre entre os íons terras
raras e o campo cristalino é relativamente fraca, a tal ponto que é possível descrever
(com boa aproximação) seus níveis de energia através do modelo de um átomo livre [57].
Quando incorporados a sólidos o estado de oxidação mais comum dos íons
terra rara é o trivalente (TR3+), ou seja, com três elétrons de valência a menos em
relação a configuração eletrônica neutra. No entanto, alguns íons podem apresentar
estados de oxidação divalente (TR2+) ou tetravalente (TR4+). Os íons TR em seus
estados neutros (com exceção do Lantânio, Cério, Gadolínio e Lutécio) podem ter suas
configurações eletrônicas representadas em termos do gás nobre Xenônio (Z=54) {Xe}:
1s2 2s2 2 p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6, através da expressão {Xe} 4fM6s2, em que
os valores de M variam entre 3 a 7 ou 9 a 14. Já em sua configuração eletrônica
trivalente, todos os lantanídeos podem ser representados pela relação {Xe} 4fN, onde N
assume valores entre 0 e 14, uma vez que todos os TR3+ possuem a mesma estrutura
eletrônica nas camadas 5s2, 5p6 e 6s2, que são camadas preenchidas. As configurações
eletrônicas dos íons TR da série dos lantanídeos em seus estados de oxidação neutro e
trivalente, assim como os seus raios iônicos estimados por Hüfner [5] e por Vermelho
[8] são mostrados na tabela 2.2.
Uma das propriedades ópticas e eletrônicas mais importantes dos íons terras
raras é a contração lantanídea, que faz com que as camadas 5s e 5p (que são as mais
externas) blindem a camada 4f. Devido a isso, as propriedades espectroscópicas da
camada 4f praticamente independem do campo ligante, o que explica a pouca influência
que os espectros de energia dos TR3+ têm com relação a matriz hospedeira . Uma outa
consequência imediata da contração é a diminuição do raio iônico à medida que o
número de elétrons aumenta na camada 4f, como pode ser visto na tabela 2.2. Isto
ocorre devido à maior atração dos elétrons pelo núcleo, causada pelo aumento na carga
nuclear efetiva promovida pelo aumento do número de prótons, levando a uma
diminuição progressiva do volume da configuração 4 f n . O efeito da contração
26
lantanídea foi descoberto por M.G. Mayer [9] que observou que para o começo da série
lantanídica tanto a energia quanto a parte espacial das funções de onda da camada 4f
caíam rapidamente.
Tabela 2.2: Elementos químicos, número atômico, configuração eletrônica neutra e
trivalente e raio iônico para os lantanídeos. {Xe} corresponde à configuração eletrônica do
xenônio, que é: 1s2 2s2 2 p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p6.
Elemento
Z
químico
Configuração
eletrônica neutra
Raio Iônico Raio Iônico TR3+
TR3+[5]
TR3+[8]
1
La (Lantânio)
57 {Xe}6s24f05d1
1,15
1,06
4f0
2
Ce (Cério)
58 {Xe}6s24f15d1
1,02
1,034
4f1
3
Pr(Praseodímio) 59 {Xe}6s24f3
1,00
1,013
4f2
4
Nd(Neodímio)
60 {Xe}6s24f4
0,99
0,995
4f3
5
Pm(Promécio)
61 {Xe}6s24f5
0,98
-
4f4
6
Sm (Samário)
62 {Xe}6s24f6
0,97
0,964
4f5
7
Eu (Európio)
63 {Xe}6s24f7
0,97
0,950
4f6
8
Gd(Gadolínio)
64 {Xe}6s24f75d1
0,97
0,938
4f7
9
Tb (Térbio)
65 {Xe}6s24f9
1,00
0,923
4f8
10 Dy(Disprósio)
66 {Xe}6s24f10
0,99
0,908
4f9
11 Ho (Hólmio)
67 {Xe}6s24f11
0,97
0,894
4f10
12 Er (Érbio)
68 {Xe}6s24f12
0,96
0,881
4f11
13 Tm (Túlio)
69 {Xe}6s24f13
0,95
0,870
4f12
14 Yb (Itérbio)
70 {Xe}6s24f14
0,94
0,930
4f13
15 Lu (Lutécio)
71 {Xe}6s24f145d1
0,93
0,850
4f14
Fonte: Silva, W. F., 2011 [4].
Uma consequência imediata da blindagem da camada 4f é que as linhas de
emissão e absorção dos íons TR não devem sofrer efeitos significantes em relação à
matriz hospedeira. Pois esta blindagem impede que o campo cristalino interaja
fortemente com os elétrons da camada 4f, consequentemente, levando a uma diminuição
nas perturbações sofridas pelos seus níveis de energia, o que resulta em transições
eletrônicas (praticamente) discretas dentro da camada 4f. Entretanto, quando as
intensidades das transições eletrônicas são medidas experimentalmente, observa-se um
27
alargamento nas mesmas. Isso se deve ao fato de que, agora não estamos mais
analisando o comportamento de um átomo individual, mas de vários átomos interagindo
tanto entre se quanto com a sua vizinhança. Dessa forma, este alargamento vai depender
diretamente do número de átomos interagido, assim como, da não uniformidade do
campo cristalino da matriz hospedeira.
Como consequência disso, os íons TR, quando inseridos em matrizes amorfas
(como por exemplo, um vidro), apresentam largura de linha maior do que quando
incorporados a matrizes cristalinas [10]. Isso acontece, porque em uma rede amorfa
cada íon sofre, de forma diferente, a perturbação do campo a sua volta, o que leva a
larguras de linha ligeiramente diferentes para cada íon [11] (como pode ser observado
na figura 2.1 (a)). Por outro lado, em uma rede cristalina, devido à periodicidade da
rede, cada íon é afetado da mesma forma pelo campo cristalino ao seu redor, e as
larguras de linha são praticamente iguais para cada íon (como pode ser observado na
figura 2.1 (b)).
Figura 2.1: Intensidade de uma transição eletrônica para um conjunto de átomos em
função da frequência. (a) Largura de linha em uma rede amorfa (vítrea). (b) Largura de
linha em uma rede cristalina.
Fonte: Adaptada de Barreto, P. G, 2009 [12].
As propriedades relacionadas às transições eletrônicas que ocorrem entre os
níveis de energia de certos átomos são denominadas de propriedades espectroscópicas.
28
Estas transições, no caso dos íons terra raras, podem ocorrer dentro da própria camada
4f (também conhecidas como transições do tipo f-f), assim como da camada 4f para a
mais externa 5d, dando origem a banda 4 f n 1 5d [13].
O fenômeno de luminescência ocorre nos íons TR3+ principalmente devido às
transições elétricas do tipo dipolo elétrico [14]. Entretanto, segundo a regra de Laporte
[15] as únicas transições possíveis são as acompanhadas de mudanças de paridade.
Dessa forma, as transições dentro da camada 4f seriam proibidas, a menos que aconteça
uma mistura dos estados 4 f n com outros de paridade diferente, como por exemplo, os
dos estados 4 f n 1 5d . Porém, no ano de 1937 Van Vleck publicou um trabalho [16] no
qual propôs que as linhas de emissão dos íons TR3+ ocorriam provavelmente devido a
transições dentro da configuração 4 f n , aconteciam devido a um mecanismo de dipolo
elétrico forçado. Mas somente em 1962 com a proposta da teoria de Judd-Ofelt [17, 18],
foi possível mostrar que na verdade as transições do tipo f-f via dipolo elétrico eram
permitidas, desde que o íon terra rara esteja em torno de um sítio cristalográfico não
centro-simétrico. Pois dessa forma, ocorre uma quebra da paridade causada pela
influência da rede cristalina, uma vez que, ocorre uma mistura dos estados 4 f n com
aqueles de paridade diferentes do campo cristalino. Nesta situação, a transição é
denominada de transição por dipolo elétrico forçado [19].
No ano de 1963 Diexe e Crosswhite [20] conseguiram montar o espectro de
níveis de energia da camada 4f dos íons terra raras trivalentes. Para isso, foi necessário
considerar a influência do campo cristalino nos níveis de energia, assim como, a
interação entre o momento angular orbital e de spin de cada elétron. Além disso, foi
usada a regra de Hund para distribuir os níveis de energia dentro da camada em que
estes elétrons estavam inseridos. O diagrama de níveis de energia dos íons TR 3+ em um
cristal de LaCl3 obtido por Diexe e Crosswhite é mostrado na figura 2.2.
29
Figura 2.2: Diagrama de energia obtido por Diexe e Crosswhite para alguns íons TR em
sua forma trivalente em um cristal de LaCl3.
Fonte: Diexe, G. H., 1963 [20].
30
Ao estudar a estrutura dos níveis de energia dos íons terra raras, somente as
transições entre elétrons da camada 4f são consideradas relevantes. Isso ocorre devido à
simetria esférica das demais camadas eletrônicas, o que faz seus efeitos sobre os
elementos da camada 4f serem iguais, tornando assim suas contribuições desprezíveis
para as posições relativas dos níveis de energia 4f [4, 7, 21]. Dessa forma, podemos
expressar matematicamente a Hamiltoniana que determina a estrutura dos níveis de
energia da camada 4f como [5]:
H CC
H
N
N
Ze
r
2m
e i 1
2
i
H SO
HC
* 2
i 1
i
N
2
N
e
(ri ) Si Li
i j rij
i 1
(2.1)
Em que N é o número de elétrons na camada 4f e assume valores entre 1 e 14; ao
desprezarmos as camadas eletrônicas fechadas Z* representa a carga blindada (efetiva)
no núcleo; ri é a distância entre o elétron i e o núcleo; já rij é a distância entre os
elétrons i e j; S i e Li são respectivamente o momento de spin e o momento angular do
elétron i, enquanto que (ri ) é a função de acoplamento spin-órbita, expressa por:
(ri )
2
dU (ri )
2me c ri dri
2
(2.2)
Onde U(ri) é o potencial no qual o elétron está submetido.
O tratamento mais indicado na abordagem da Hamiltoniana H pode ser feito
considerando que cada elétron se move de forma independente sob a influencia de um
potencial esfericamente simétrico formado pela superposição do potencial médio de
todos os outros elétrons e pelo núcleo. Tal abordagem é conhecida como aproximação
de campo central ou aproximação de ordem zero. Na equação 2.1 o primeiro e segundo
termos da Hamiltoniana (cuja soma é simbolizada por HCC) representam,
respectivamente, a energia cinética dos elétrons que ocupam a camada 4f e a sua
interação Coulombiana com o núcleo. Uma vez que os dois primeiros termos da
Hamiltoniana são esfericamente simétricos, dentro da configuração dos elétrons da
camada 4f,nenhuma degenerescência é eliminada, ou seja, todos os estados desta
configuração têm energias iguais. Dessa forma, a estrutura dos níveis de energia dos
elétrons da camada 4f está diretamente relacionada aos dois últimos termos na equação
2.1. Estes termos representam, respectivamente, à interação Coulombiana mútua dos
31
elétrons da camada 4f (HC) e sua interação spin-órbita (HSO). Além disso, na
aproximação de campo central estes dois termos são tratados como perturbações no
sistema.
Na teoria atômica podem ser estudados dois importantes casos limites
relacionados as intensidades relativas dos hamiltonianos HC e HSO. O primeiro caso
acontece quando HC >> HSO, que é conhecido como acoplamento Russel-Saunders ou
acoplamento LS. Isso ocorre quando a interação spin-órbita é suficientemente fraca, a
tal ponto que possa ser considerada somente uma pequena perturbação sobre a estrutura
dos níveis de energia. O segundo caso conhecido como esquema de acoplamento j – j
ocorre quando HC << HSO, ou seja, quando a interação spin-órbita apresenta maior
intensidade em relação a interação Coulombiana . No caso dos íons terra raras existe um
caso intermediário conhecido como acoplamento intermediário [5], em que HC e HSO
possuem a mesma ordem de magnitude.
Como foi apresentado nesta seção, existem diversos parâmetros que
influenciam nas propriedades espectroscópicas dos íons terra raras. Na próxima seção
estudaremos estas propriedades de uma forma mais especifica, para cada íon TR de
interesse nesta tese.
2.1.1 O íon itérbio (Yb3+)
O itérbio (Yb) é um íon terra rara da série dos lantanídios, tem número atômico
70 e possui configuração eletrônica {Xe}6s24f14. Este elemento quando incorporado em
matrizes vítreas ou cristalinas normalmente é encontrado no estado trivalente Yb3+, ou
seja, a camada 4f é parcialmente preenchida com 13 elétrons, sendo necessário apenas
mais um elétron para completá-la. A ausência desse elétron na camada 4f pode ser
tratado como um buraco ativo que será responsável pelas transições eletrônicas nesse
íon. Entre os terras raras o íon Yb3+ é considerado o que apresenta a mais simples das
estruturas eletrônicas, possuindo apenas dois níveis (com suas degenerescências)
associadas a camada 4f.
32
A figura 2.3 mostra o diagrama de níveis de energia simplificado do íon Yb3+
que consiste em apenas dois níveis de energia. O nível 2F7/2 é o estado fundamental,
enquanto 2F5/2 corresponde ao estado excitado. Estes níveis encontram-se separados em
energia por aproximadamente 10.000 cm-1(980 nm). Como pode ser visto na figura 2.3
existe um desdobramento eletrônico nos níveis de energia. O estado fundamental
desdobra-se em quatro subníveis e o estado excitado em três. Devido à essa estrutura de
níveis de energia, com suas respectivas degenerescências, o íon Yb3+ pode ser utilizado
como um sistema laser de quase três níveis. Em 1965 foi demostrado pela primeira vez
por E. Sniter [22] ação laser em uma amostra vítrea dopada com Yb3+.
Figura 2.3: Diagrama simplificado de níveis de energia do Yb3+ em um vidro fosfato
QX/Yb [23].
-1
(cm )
10441
10249
}F
5/2
564
377
182
0
}F
7/2
2
10
3
-1
Energia (10 cm )
10724
2
0
2
3+
Yb
Fonte: Santos, W.Q., 2015 [2].
Uma importante propriedade do íon Yb3+ é que ele consegue transferir energia
de forma muito eficiente [24], o que o torna um ótimo sensibilizador (doador) em
sistemas co-dopados. Isso se deve principalmente ao fato de possuir um diagrama de
níveis eletrônico bastante simplificado em relação a outros íons com um maior número
de níveis de energia, evitando assim problemas como absorção de estado excitado e
relaxação cruzada (entre outros). Além disso, permite um eficiente armazenamento de
33
energia [25] devido ao estado excitado 2F5/2 possuir um tempo de vida relativamente
longo (podendo ser da ordem de ms).
O íon Yb3+ possui um espectro de absorção largo (900 a 1030 nm) centrada em
torno de 980 nm, que permite que ele seja facilmente excitado com laser de diodo
comercial, que possibilitar baixos custos de operação.
2.1.2 O íon de túlio (Tm3+)
O túlio (Tm) é um íon terra rara da série dos lantanídios, tem número atômico 69
e possui configuração eletrônica {Xe}6s24f13. Na natureza, o íon de túlio é geralmente
encontrado em sua forma eletrônica neutra. No entanto, quando são incorporados a uma
matriz hospedeira a sua forma trivalente (Tm3+) torna-se a mais estável, como
consequência a configuração eletrônica da camada 4f com doze elétrons é a responsável
pelas transições eletrônicas neste íon.
O Tm3+ diferentemente do Yb3+ possui uma estrutura de níveis de energia bem
mais complexa, tendo diversas bandas de absorção que vão desde a região do
ultravioleta até o infravermelho [26]. Consequentemente, o íon apresenta um grande
número de emissões em diversas regiões do espectro eletromagnético. A figura 2.4
mostra a estrutura de níveis de energia, assim como algumas de suas principais
transições eletrônicas.
O íon de túlio possui importantes transições eletrônicas que podem ser usadas
para diversas aplicações tecnológicas a depender do meio em que é incorporado. A
transição eletrônica 3F4 → 3H6 (1800 nm) é bastante utilizada na fabricação de laser de
estado sólido, como por exemplo, no laser Tm:YAG [27, 28]. Uma das principais
vantagens dessa transição deve-se ao fato da mesma corresponder a uma banda de
emissão larga, tornando possível a ação lazer com comprimento de onda sintonizável
entre 1650 a 2050 nm.
Outra emissão característica do Tm3+ corresponde à transição eletrônica
1
G4→3H6. Esta emissão desperta grande interesse, uma vez que é possível obter luz
34
laser azul que é muito importante devido ao grande número de aplicações da mesma em
comunicação submarina e armazenamento ótico de informação [29].
Figura 2.4: Diagrama simplificado de níveis de energia com as principais transições
eletrônicas do íon Tm3+.
1
3
15
800 nm
1470 nm
10
H4
3
H5
3
1820 nm
0
1230 nm
690 nm
5
G4
F2,3
3
3
-1
Energia (10 cm )
650 nm
480 nm
20
F4
3
H6
3+
Tm
Fonte: Autor, 2016.
O Tm3+ ainda apresenta importantes emissões na região do infravermelho
próximo que correspondem as transições 3H4→3H6 (800 nm), 3H5→3H6 (1230 nm) e
3
H4→3F4 (1470 nm). Recentemente, foi demostrado que nanoparticulas de CaF2:Tm
podem ser utilizadas como nanotermômetros com alta resolução espacial e alta
penetração [30]. Já as transições em torno de 1230 nm e 1470 nm possuem diversas
aplicações em sistemas de telecomunicações, como por exemplo, amplificadores ópticos
[31].
35
2.1.3 O íon de hólmio (Ho3+)
O elemento químico hólmio (Ho) é um terra rara da série dos lantanídeos,
possui número atômico 67 e configuração eletrônica {Xe}6s24f11. Quando os íons de
hólmio são incorporados à matrizes hospedeiras a sua forma eletrônica mais estável é a
trivalente (Ho3+). As transições eletrônicas neste íon ocorrem devido a configuração
eletrônica da camada 4f, parcialmente preenchida com 10 elétrons.
O Ho3+ semelhantemente ao Tm3+ tem uma estrutura de níveis de energia bem
complexa quando comparado ao Yb3+. Assim como o Tm3+, o Ho3+ possui um grande
número de emissões em diversas regiões do espectro eletromagnético. Podemos
observar na figura 2.5 a estrutura de níveis de energia do íon Ho3+, assim como algumas
de suas principais transições eletrônicas na região do visível e infravermelho.
Figura 2.5: Diagrama simplificado de níveis de energia com as principais transições
eletrônicas do íon Ho3+.
20
5
5
I4 , S 2
5
I5
5
-1
Energia (10 cm )
15
1190 nm
2020 nm
5
0
I5
5
640 nm
10
540 nm
3
750 nm
5
I4
I6
5
5
Ho
3+
I7
I8
Fonte: Autor, 2016.
36
O íon hólmio apresenta importantes transições eletrônicas, entre estas uma que
desperta grande interesse que é a 5I7 → 5I8 (em torno de 2020 nm) devido a sua ação
laser com potenciais aplicações em radar laser e medicina (em cirurgias) [32]. O Hólmio
ainda apresenta importantes emissões na região do visível do espectro eletromagnético,
que correspondem às transições 5I4→5I8 (540 nm) e 5I5→5I8 (640 nm) que podem ser
aplicadas na geração de luz branca. Além disso, quando o íon Ho3+ é incorporado a
nanopartículas estas emissões podem ser usadas para bioimagens fluorescentes [33] e
nanosensor de temperatura [34].
Na
seção
seguinte
abordaremos
as
principais
características
dos
nanotermometros luminescentes baseados em nanopartículas dopadas com íons terra
raras.
2.2. Nanotermometria.
A temperatura é uma variável fundamental na termodinâmica e na mecânica
estatística [35]. O instrumento utilizado para medir a temperatura (ou a variação de
temperatura) de um determinado sistema é chamado de termômetro. Um termômetro é
um dispositivo que é capaz de medir temperatura ou um gradiente de temperatura, sendo
basicamente constituído por dois elementos. O primeiro é o sensor de temperatura, que
faz uso de alguma grandeza física dependente da temperatura (como, por exemplo, o
volume de um gás ou líquido mantido a pressão constante, a resistência elétrica de
condutores metálicos, etc). O segundo elemento converte estas variações em valores
numéricos de temperatura. Os primeiros termômetros foram desenvolvidos por vários
cientistas (entre eles Galileo) entre os séculos XVI e XVII. Naquela época, os
termômetros eram construídos com base no princípio de que determinadas substâncias
(tal como ar e água) se expandiam quando aquecidas [36].
Atualmente, o processo de determinação da temperatura é crucial em inúmeras
investigações científicas e desenvolvimentos tecnológicos, representando cerca de 75%
a 80% do mercado de sensores em todo o mundo [37]. No entanto, com os avanços
recentes em nanotecnologia e nanomedicina surge à necessidade de uma termometria
(parte da física voltada ao estudo da temperatura e dos termômetros) mais precisa e com
37
alta resolução espacial, apta para determinar a temperatura de sistemas no regime de
micro e nano-escala (nanotermometria), em que os métodos convencionais não
permitem realizar medidas.
O processo de desenvolvimento de termômetros capazes de aferir a
temperatura com alta resolução espacial (neste caso chamados de nanotermômetros) tem
sido um tópico de pesquisa muito desafiador [35, 38-40], pois não está relacionado
somente ao processo de miniaturização, mas também da capacidade de manipular novas
propriedades químicas e físicas dos materiais, que são modificadas para uma escala de
comprimento tão pequena [41]. A medição da temperatura em nano-escala
(nanotermometria) diz respeito à determinação da temperatura local (ou variação de
temperatura) de um dado sistema com resolução espacial sub-micrométrica [35]. Tais
medidas são necessárias para o completo entendimento de sistemas micrométricos e
nanoestruturados, onde a dinâmica e desempenho são fortemente influenciados pela
temperatura. Aplicações onde é importante ser capaz de medir a temperatura local em
nano-escala podem ser divididas (em uma primeira aproximação) em três grades áreas:
biomedicina, micro/nano-eletrônica e dispositivos fônicos integrados [40].
Biomedicina – Em qualquer sistema biológico a temperatura apresenta um
papel de extrema importância em propriedades dinâmicas [42-44]. Por exemplo, a
temperatura é um dos parâmetros críticos e fundamentais na taxa de divisão celular e
crescimento dos tecidos, mudanças nas atividades metabólicas e reações enzimáticas. A
temperatura também influencia de forma significativa as propriedades estruturais de
biomoléculas importantes como, por exemplo, as proteínas que podem sofrer processo
de desnaturação, quando suas temperaturas sobem poucos graus acima de 37 °C [45].
Dessa forma, para compreender a dinâmica de biosistemas é fundamental o
monitoramento da temperatura. Além disso, o monitoramento térmico em biosistemas é
de extrema importância para detecção precoce e tratamento de doenças. Uma vez que,
em geral, as células cancerígenas possuem temperatura mais elevada que as células
normais (devido ao seu aumento da atividade metabólica) [46, 47], o monitoramento
preciso da temperatura pode ajudar de forma significativa na percepção de uma
patologia e fisiologia e, por sua vez, otimizar o diagnóstico precoce em processos
terapêuticos (por exemplo, tratamento hipertermal de tumores e terapia fotodinâmica)
[48, 49]. Portanto, em biomedicina a nanotermometria pode desempenhar um papel
fundamental no monitoramento, diagnóstico e tratamento de doenças.
38
Micro/nano-eletrônica – Com o processo de miniaturização dos canais de
condução elétrica dos dispositivos eletrônicos, o aquecimento local (via efeito Joule)
torna-se um problema fundamental. Dessa forma, qualquer alteração na resistência
elétrica local desses canais podem levar ao aparecimento dos chamados “pontos
quentes”, que são aumentos da temperatura em regiões bem localizadas. Assim, a fim de
prevenir danos significativos na estrutura destes materiais [50], é essencial a
determinação precisa da localização de tais singularidades. Todavia, o processo de
determinação tanto da localização quanto da magnitude dessas singularidades térmicas,
a princípio não é uma tarefa fácil, uma vez que dependem da qualidade dos circuitos e
da estrutura do dispositivo. Assim, na micro/nano-eletrônica, a nanotermometria pode
se tornar uma ferramenta essencial para detecção dos “pontos quentes” em circuitos
integrados [51].
Dispositivos fotônicos integrados (fotodispositivos) – Uma vez que a
qualidade de funcionamento destes sistemas depende das propriedades ópticas que
constituem o material, a temperatura torna-se um paramento extremamente importante
em seu desempenho. Isso ocorre, por exemplo, no processo de controle e manipulação
da luz em vários dispositivos fotônicos, que são realizados através de variações
submicrométricas do índice de refração, que é um parâmetro físico fortemente
dependente da temperatura [51, 52]. Não é apenas o índice de refração que possui uma
forte dependência com a temperatura, mas também parâmetros como a eficiência de
conversão óptica de conversores não lineares [53], o ganho óptico de lasers integrados e
as propriedades espectrais da estrutura do “band-gap”. Diante disso, fica claro a
importância do controle preciso da temperatura no interior dos dispositivos fotônicos
integrados, uma vez que qualquer variação da temperatura pode afetar diretamente o seu
desempenho, ou até mesmo causar danos irreversíveis [54]. Dessa forma, a
nanotermometria pode ser considerada uma ferramenta indispensável para obter a leitura
das singularidades na temperatura induzidas durante o processo de funcionamento de
equipamentos fotônicos integrados, sendo então primordial para o desenvolvimento de
dispositivos mais confiáveis e eficientes.
Como acabamos de ver, nanosensores de temperatura possuem diversas
aplicações. No entanto, infelizmente um nanotermômetro universal não existe, uma vez
que diferentes aplicações exigem diferentes propriedades. Por exemplo, as propriedades
necessárias que um nanotermômetro deve satisfazer para aplicações biológicas são
39
muito diferentes das características necessárias para imageamento térmico em
dispositivos de fluidos-ópticos. Para aplicações em biosistemas, os nanotermômetros
devem ser solúveis em água (para serem incorporados ao sistema analisado),
biocompativeis (não tóxicos) e muito estáveis sob a irradiação da luz. Já em fluidosópticos a toxicidade não é um fator crítico, mas devido às altas intensidades da radiação
laser alcançadas dentro dos micro-canais, as estabilidades física e química com respeito
à radiação laser tornam-se aspectos essenciais.
Nos últimos anos, motivados principalmente por suas aplicações práticas,
muitos pesquisadores têm focado no desenvolvimento de técnicas capazes de medir a
temperatura com resolução sub-micrométrica [55]. De modo geral, os principais
métodos para a determinação da temperatura com alta resolução espacial podem ser
divididos em dois: termometria de contato (quando ocorre contato direto com o meio) e
termometria sem contato (também conhecido como não invasiva) [38]. Termometria de
contato requer o uso de fiação elétrica, que pode produzir fortes ruídos eletromagnéticos
(juntamente com perigosas faíscas) e não podem ser aplicados em ambientes corrosivos
[36]. Por causa dessas limitações, a termometria sem contato foi desenvolvida [56] e,
entre essas, aqueles que usam diferentes propriedades da luz constituem métodos
promissores na determinação da temperatura com alta resolução espacial. No entanto,
alguns destes métodos possuem limitações graves. A principal delas é que a maioria
permite a medição da temperatura somente na superfície da amostra [57]. Além disso,
métodos como termografia no infravermelho e termoreflectância mostram resolução
espacial restrita [58, 59]. Por outro lado, espectroscopia Raman pode somente ser
aplicado em materiais que mostram um efeito Raman eficiente e, portanto, é restrita a
alguns poucos sistemas [60, 61].
Neste contexto, termometria luminescente (no visível e infravermelho) em
nano-escala surgiu como uma alternativa para contornar muitas dessas limitações, uma
vez que viabiliza maior resolução espacial em medidas da temperatura no interior de um
corpo quando as nanopartículas luminescente são interiorizadas, uso em altas
temperaturas e determinação da temperatura na presença de campos eletromagnéticos
intensos sem efeitos de interferências [38, 40].
2.2.1 Nanotermometria Luminescente
40
Nanotermômetros luminescentes (NTLs) [38-40] são definidos como
nanopartículas (com tamanho menores que 100 nm) cuja luminescência é fortemente
afetada por pequenas variações da temperatura. Dessa forma, uma das propriedades
espectrais da sua luminescência pode ser usada para determinar à temperatura das
nanopartículas, assim como, a temperatura local do sistema em que as mesmas são
incorporadas. Os NTLs podem ser classificados de acordo com o parâmetro de
luminescência que é analisado para obter a leitura térmica. Os seis principais parâmetros
que definem a luminescência de um dado material são: intensidade; forma da banda;
posição espectral; polarização; tempo de vida e largura de banda. A figura 2.6 mostra
esquematicamente como o espectro de luminescência é modificado quando cada um
desses parâmetros é afetado pela temperatura. Assim, baseado em cada um destes seis
parâmetros é possível definir as seguintes subclasses de NTLs [40]:
Nanotermometria Luminescente baseada na forma da banda de emissão. Neste
caso, o parâmetro a ser usado para extrair a leitura térmica é a razão entre as
intensidades das linhas espectrais que compõem o espectro de luminescência, assim o
termo “forma da banda” está relacionado a esta razão entre as intensidades.
Normalmente, as variações na razão entre as intensidades (induzidas por temperatura)
ocorrem quando os estados eletrônicos responsáveis pela emissão são muito próximos
em termos de energia.
Nanotermometria Luminescente baseada no tempo de vida. O tempo que a
intensidade de emissão leva para decair a 1/e do seu valor máximo é denominado de
tempo de vida (τf). A probabilidade de decaimento dos níveis eletrônicos, que é definida
como o inverso do tempo de vida de luminescência, está relacionada a muitos
parâmetros (tais com decaimentos por multifônons e processos de transferência de energia
assistido ou não por fônons) que podem depender da temperatura. Dessa forma, esta
dependência com temperatura torna possível a extração da leitura térmica a partir da
determinação do τf. Nanotermometria luminescente baseada no tempo de vida tem
muitas vantagens como, por exemplo, a leitura da temperatura não é afetada pela
intensidade de emissão medida.
41
Figura 2.6: Representação de seis possíveis efeitos causados pelo aumento da temperatura
na luminescência. As linhas vermelhas correspondem a temperaturas mais elevadas em
comparação às linhas azuis.
Fonte: Jaque, D., 2012 [40].
Nanotermometria Luminescente baseada na posição espectral. Neste caso a
temperatura pode ser medida a partir da análise da variação da posição espectral (shift
espectral) das linhas emissoras, que são determinadas pela separação de energia (gap)
entre os dois níveis eletrônicos relacionados ao processo de emissão. Isso acontece,
porque a posição espectral de um material emissor depende de uma série de parâmetros
(tais como a distancia entre os átomos e índice de refração) que podem variar com a
temperatura. Dessa forma, é esperado que ocorra uma dependência da variação da
posição espectral das linhas de luminescência (em qualquer material emissor) com a
variação da temperatura. Esta dependência é usada na Nanotermometria Luminescente
baseada na posição espectral para converter o shift espectral em temperatura. Uma das
principais vantagens dessa técnica é que a leitura da temperatura não é afetada por
flutuações da intensidade da luminescência.
42
Nanotermometria luminescente baseada na intensidade de emissão. Quando a
temperatura muda, pode ocorrer uma variação no número total de fótons emitidos por
unidade de tempo, consequentemente levando à um aumento (ou diminuição) da
intensidade do espectro de emissão. Estas variações na intensidade de emissão induzida
pela mudança de temperatura são causadas por fatores complexos, que incluem um
grande número de processos para explicá-los, tais como redistribuição de população
devido a estatística de Boltzmann, mecanismos de quenching de luminescência e efeitos
de processos não radiativos [36]. Assim, a Nanotermometria luminescente baseada na
intensidade de emissão faz uso das variações da intensidade de luminescência para obter
a leitura térmica.
Nanotermometria luminescente baseada na largura da banda de emissão.
Neste caso o parâmetro usado para atingir a leitura de temperatura é a largura da banda
de luminescência. Isso ocorre, pois a largura de várias linhas de emissões que
constituem o espectro de luminescência é determinado tanto por parâmetros do material
(tal como grau de desordem) quanto pela temperatura. Além disso, é bem conhecido que
em certos materiais luminescentes, quando a temperatura aumenta, ocorre um aumento
correspondente da densidade de fônons levando à um alargamento homogêneo do
espectro de luminescência. Em geral, a magnitude do alargamento da banda de
luminescência induzido pela temperatura é bem pequeno, então ele geralmente só pode
ser observado em sistemas que possuem linhas de emissões estreitas.
Nanotermometria luminescente baseada na polarização. A intensidade e a
forma da radiação emitida por meios anisotrópicos (meios em que certa propriedade
física varia com a direção de propagação) são fortemente dependentes de sua
polarização (que nesse caso é não isotrópica). Devido a isso, definiremos o parâmetro
“polarização anisotrópica”, como a razão entre as intensidades de luminescência de dois
estados ortogonalmente polarizados. Assim, nanotermometria luminescente baseada na
polarização, usa a dependência da polarização anisotrópica com a temperatura para
obter a leitura térmica.
Dessa forma, a nanotermometria luminescente, através da análise do espectro
de emissão obtido do sistema estudado, fornece diversas opções para medir a
temperatura em nanoescala. No entanto, é importante salientar que a sensibilidade
térmica de cada NTLs varia de um sistema para outro, uma vez que deve depender da
43
magnitude da variação espectral induzida termicamente. Portanto, uma maior
sensibilidade térmica certamente deve ser obtida em sistemas que apresentam notáveis
variações em seus parâmetros de luminescência para pequenas variações de
temperatura.
2.2.2 Nanotermômetros Luminescentes baseados em nanopartículas dopadas com
íons terra raras.
Nos últimos anos, um grande número de nanopartículas luminescentes (NPLs),
que incluem entre outras as nanopartículas metálicas (de ouro e prata) [62, 63],
nanocristais semicondutores (Quantum Dots - QDs) [64] e nanopartículas dopadas com
íons terra raras [65-67], vêm sendo propostos na comunidade científica como NTLs
capazes de medir com precisão a temperatura de dispositivos nano-eletrônicos, sistemas
óptico-fluídos, no interior de células [68], e em pequenos animais [69]. Entre todas as
nanopartículas luminescentes capazes de medir a temperatura com alta resolução
espacial, aquelas dopadas com íons terra raras vêm sendo bastante utilizadas como
mostradores nanométricos de temperatura. Entre as principais vantagens do uso dessas
nanopartículas (em relação às outras) como NTLs estão a sua superior estabilidade
física e química, baixa toxicidade, linhas luminescentes estreitas e baixo efeito de
envelhecimento.
Nanopartículas
dopadas
com
íons
terra-raras
para
nanotermômetros
luminescentes foram propostas pela primeira vez, no inicio da ultima década, por Wang
e colaboradores [70]. Inicialmente o trabalho focava em nanotermometria baseada em
vários tipos de nanopartículas luminescentes conhecidas naquela época que incluíam:
semicondutores (QDs) de Telureto de Cádmio (CdTe), de Sufeto de Zinco (ZnS)
dopadas com Mn2+ e co-dopadas com Mn2+Eu3+ e BaFBr dopadas com Eu3+. Foi
observado que as nanopartículas de BaFBr:Eu3+ apresentavam uma banda de emissão
em torno de 388 nm (correspondente a transição 4f65d1→4f7 (8S7/2)), e que a intensidade
do pico de emissão variava de forma linear e reversível com a temperatura no intervalo
de 30-150 °C, como mostrado na figura 2.7. Essa dependência reversível com a
temperatura foi considerada de grande importância e com potencial aplicação em, por
44
exemplo, biomedicina onde um sistema de alta estabilidade e repetibilidade seria
essencial para monitorar os parâmetros variáveis in vivo.
Figura 2.7: Espectros de fluorescência das nanopartículas de BaFBr:Eu3+ no intervalo de
temperatura 30-150 °C (de cima para baixo); sob excitação em 280 nm. Intensidade do
pico de fluorescência em 388 nm (referente a transição 4f 65d1→4f7 (8S7/2)) das
nanopartículas de BaFBr:Eu3+ em função da temperatura, durante o aquecimento e o
resfriamento.
Fonte: Wang, S., 2002 [70].
Logo após, as emissões das nanopartículas de ZnS co-dopadas com Mn2+/Eu3+
foram investigadas. Estas nanopartículas apresentavam duas bandas de emissão, uma
com pico de intensidade em torno de 612 nm referente a transição 5D0→7F2 do Eu3+ e a
segunda em torno 595 nm referente a transição 4T1→6A1 do Mn2+. Foi observado que a
razão entre os picos de intensidades destas duas bandas de emissões apresentavam uma
45
relação linear com a temperatura no intervalo de 30 a 140 °C, como pode ser visto na
figura 2.8.
Figura 2.8: Topo: Espectros de luminescencia de nanoparticulas de ZnS:Mn2+/Eu3+ obtido
para uma variação de temperatura de 30-150 ºC. Parte superior esquerda: Pico da
emissão em 612 nm referente a transição 5D0→7F2 do Eu3+ sob excitação em 394 nm. Parte
superior direita: Pico da emissão em 595 nm referente a transição 4T1→6A1 do Mn2+ sob
excitação em 360 nm. Inferior esquerdo: Variação da intensidade de luminescência em
função da temperatura, onde o quadrado representa a emissão em 612 nm (com excitação
em 394 nm) e o círculo representa a emissão em 595 nm (com excitação em 360 nm).
Inferior direito: Razão entre as intensidades dos picos em 595 e 612 nm em função da
temperatura.
Fonte: Wang, S., 2002 [70].
Deste então, o interesse em nanotermometria luminescente baseada na
dependência com a temperatura das emissões dos íons lantanídios dopando
nanopartículas tem crescido de forma significativa na ultima década, com trabalhos
aplicados a outros íons e outras técnicas. Como vimos na seção anterior, os parâmetros
mais comuns de luminescências que possuem uma termo dependência são: a
46
intensidade, a razão das intensidades, a largura da banda de emissão, a posição espectral
da banda de emissão, a polarização da luz e o tempo de vida da emissão. Entretanto,
devido à blindagem dos elétrons de valência nos íons terra-raras, nem todas estas opções
são viáveis ou sensível o suficiente em nanopartículas dopados com terra-raras. Na
próxima seção, discutiremos uma das principais técnicas usadas para extrair a leitura
térmica a partir da termo-dependência das nanopartículas dopados com terra-raras.
2.2.3 Razão de Intensidade de Fluorescência (RIF)
A razão entre as intensidades de fluorescência (RIF) é uma das técnicas [35]
mais comuns para medir a temperatura usando materiais (como, por exemplo, vidros,
cristais, fibras óticas e mais recentemente nanopartículas) dopados com íons terra-raras,
tendo como base as mudanças das intensidades da luminescência, mas ao invés de usar
uma única intensidade [36], usa-se a razão entre duas intensidades, ou seja, faz uso de
uma segunda banda como referência, por isso essa técnica também é chamada de “autoreferência”. A técnica RIF foi proposta pela primeira vez em 1990 por Berthou e
Jorgensen [71] usando uma fibra óptica de vidro fluoreto co-dopado com Er3+/Yb3+.
A técnica RIF é baseada na razão das intensidades entre dois diferentes níveis
de energia termicamente acoplados, ou seja, ambos os níveis estão separados por um
gap de energia pequeno o suficiente, de tal forma que elétrons ao absorverem energia
térmica sejam promovidos ao estado de maior energia. Uma vez que ambos os níveis
são estreitamente espaçados, o decaimento não radiativo do nível superior para o
inferior é muito provável. Assim, ambos estados estão ligados e compartilham a mesma
população de elétrons. As populações de dois níveis termicamente acoplados seguem a
lei de distribuição de Boltzmann. Assumiremos agora que as duas linhas espectrais que
observamos são as do nível 1 e 2, como mostrado na figura 2.9. Devido a proximidade
ente os níveis 1 e 2, a população inicialmente do nível 1 é termicamente redistribuída
ente os níveis. Nestas condições a população do nível de energia 2, N2 será dada por [36,
40]:
E
N 2 N1 exp
k BT
(2.3)
47
Figura 2.9: Diagrama simplificado de níveis de energia que mostra as transições de
interesse para a técnica razão de intensidade de fluorescência (RIF) para medir
temperatura. As setas pontilhadas representam os decaimentos não radiativos, enquanto
as setas sólidas, simbolizadas por I2 e I1, representam as intensidades das transições
luminescentes para a medida da razão da intensidade de fluorescência.
Energia
Níveis
3
Excitação
I2
2
1
I1
0
Fonte: Adaptado de Fan Zhang, 2015 [36].
nesta expressão, N1 é a população do nível 1, ΔE é a separação de energia entre o estado
1 (com energia E1) e o estado 2 (com energia E2), kB é a constante de Boltzmann e T é a
temperatura absoluta. Como os estados 1 e 2 estão populados, ambos contribuem para o
espectro total de luminescência com a presença das duas linhas de luminescência com
energias diferentes. Então, as intensidades das linhas de luminescência correspondentes
a de-excitação dos estados 1 e 2 para o estado fundamental, simbolizados por I1 e I2,
serão dadas por [36, 38]:
I1 1 N1
(2.4)
I 2 2 N 2
(2.5)
1 g111
(2.6)
2 g2 22
(2.7)
48
Em que g é a degenerescência, δ é a seção de choque de emissão e ω é a frequência
angular da transição. Assim, a razão entre as intensidades, que a partir de agora
chamaremos de R, será dada por:
R
E
I 2 2 N 2 g 2 22
exp
I1 1 N1
g111
k BT
Ou ainda
R
Onde B
E
I2
B exp
I1
k BT
(2.8)
g 2 22
g111
A equação (2.8) é usada pela técnica de RIF para obter a temperatura absoluta
na qual o sistema analisado se encontra. Para isso, convencionalmente devemos tomar o
logaritmo natural da equação (2.8), para obtermos uma equação linear com o inverso da
temperatura. Dessa forma, teremos uma equação do tipo ln( R) a b / T , onde
a ln( B) e b E / k B , que por sua vez pode ser usada como equação de calibração
da temperatura do sistema. Medidas de temperatura utilizando a razão entre duas bandas
de emissão, ao invés de apenas um único pico de emissão, apresentam diversas
vantagens. Primeiramente, a teoria por trás da técnica RIF já é relativamente bem
compreendida, e assim, seu comportamento é mais fácil de prever. Além disso, o fato de
nesta técnica usarmos a razão entre duas bandas reduz as flutuações nas medidas
causadas pelas variações de intensidades na potencia de excitação, assim como, nas
concentrações dos íons nas matrizes hospedeiras. Com essas vantagens, a técnica RIF
aplicada a nanotermometria luminescente tem despertado bastante interesse na
comunidade cientifica [65, 66, 68, 72].
Um exemplo bastante explorado na literatura de íon terra rara com estados com
essas propriedades para termometria baseada em RIF é o Er3+, cujos estados que emitem
no verde, 2H11/2 e 4S3/2, são separados por um intervalo de energia que, dependendo da
matriz hospedeira [73], podem variar de 350 a 900 cm-1. No entanto, deve ser notado
que em alguns casos é ainda possível definir uma razão entre as intensidades associadas
com um único nível emissor, com dois subníveis Starks bem separados [34, 67, 74].
Neste caso os valores da separação em energia entre os subníveis Starks ΔE serão
geralmente bem menores (da ordem de 100 cm-1) do que os convencionais. Mais
recentemente, a técnica RIF tem sido usada para níveis não termicamente acoplados,
49
pois basta que esses apresentem uma dependência fácil (de estimar) com a temperatura
como, por exemplo, linear ou exponencial [34, 69, 75, 76].
Para avaliar a performance de um NTL é importante conhecer como a taxa com
que a razão da intensidade de florescência varia para certas alterações na temperatura.
Esta taxa é chamada de sensibilidade térmica, S, que é dada por:
S
E E
dR
E
B exp
R
2
dT
k BT 2
k BT k BT
(2.9)
E a sensibilidade térmica relativa, S r , que é definida como:
Sr
S
E
R k BT 2
(2.10)
Apesar da sensibilidade térmica ser um indicativo da eficiência de um sensor
de temperatura, ela não incluem alguns variáveis que podem ser relevantes em termos
práticos, tais como a eficiência quântica de emissão do material e a relação sinal ruído.
Para levar em conta esses fatores adicionais que podem influenciar a aplicabilidade do
sensor, definiremos o parâmetro resolução térmica ( Tmin ) que é a mínima variação de
temperatura que pode ser eficientemente medida, expressa matematicamente como [35,
36]:
Tmin
T
S
(2.11)
onde T é o desvio padrão em certa temperatura T da inclinação da curva de
sensibilidade térmica (S).
2.2.4 Nanomateriais de LaF3 e de NaNbO3
2.2.4.1. Nanocristais de Fluoreto de Lantânio (LaF3)
50
A matriz Fluoreto de Lantânio (LaF3) vem sendo intensamente estudada tanto
em sua forma cristalina (bulk) quanto mais recentemente como nanocristais [77]. Nos
últimos anos, a matriz LaF3 dopada com íons terras raras tem despertado grande
interesse na comunidade científica devido principalmente as suas potenciais aplicações,
que
entre
outras,
incluem
marcadores
luminescentes
biológicos
[78,
79],
nanotermômetros luminescentes [72, 74] e bioimagens fluorescentes [80]. Todas essas
possíveis aplicações de materiais a base de fluoretos (LaF3, CeF3, EuF3, NaYF4, etc.)
devem-se principalmente as suas excelentes propriedades térmicas e opticas. Além
disso, os fluoretos possuem uma ampla transparência optica, que vai desde a região do
ultravioleta até o infravermelho [81, 82]. Outra propriedade importante é que os
fluoretos possuem baixa energia de fônon (em torno de 500 cm-1), no caso do LaF3, por
exemplo, em torno de 400 cm-1 [82, 83] o que dificulta os possíveis decaimentos não
radiativos.
A matriz cristalina de Fluoreto de Lantânio em condições normais de
temperatura e pressão apresenta uma fase hexagonal pura com estrutura cristalina
trigonal, chamada também de tysonite (P3c1), com parâmetros de redes a = b = 7,160 (±
0,05) Å e c = 7,36 (± 0,07) Å, sendo, portanto um cristal uniaxial com valores de
volume de célula unitária e densidade, respectivamente, de 326,764 Å3 e 5,973 g/cm3
[84]. A figura 2.10 mostra uma ilustração esquemática de uma célula unitária de um
cristal de LaF3.
51
Figura 2.10: Célula unitária do cristal de LaF3. A partícula maior representa o íon La3+ e
as pequenas representam os íons F-.
Fonte: Sales, T. O., 2015 [84].
2.2.4.2 Nanocristais de Niobato de Sódio (NaNbO3)
Os nanocristais de Niobato de Sódio (NaNbO3) é um nanomaterial dielétrico
que é formado por estruturas do tipo perosvskita, isto é, apresentam a forma ABO3 [85].
Em 1839 o mineralogista russo Count Lev Aleksevich Van Perovski observou pela
primeira vez este tipo de estruturas em minerais de Titanato de Cálcio (CaTiO3), e em
sua homenagem esse tipo de estrutura atômica passaram a serem chamadas de
perovskita.
As perovskitas quimicamente mais estáveis são as que apresentam uma
estrutura cúbica de face centrada [86], como pode ser observado na figura 2.11. Este
tipo de estrutura é caracterizada por possuir em seus vértices cátions metálicos (A),
enquanto que os centros das faces são ocupados por átomos de oxigênio; já o centro da
estrutura (interstício) é ocupado por outro cátion metálico.
52
Figura 2.11: (a) Célula unitária de uma estrutura perovskita, onde no centro encontra-se o
octaedro BO6. (b) Estrutura visualizada com vários octaedros BO6 nos vértices.
Fonte: Webler, G.D., 2011 [86].
A matriz de NaNbO3 tem despertado grande interesse na comunidade cientifica
por apresentar propriedades físicas e químicas únicas, entre as quais podemos destacar:
propriedades piezoelétricas [87], antiferroelétricas à temperatura ambiente [88] e efeitos
fotocatalíticos [89-91]. Além disso, niobatos alcalinos vem sendo estudados devido as suas
promissoras propriedades opticas não lineares, tais como geração de segundo harmônico
[92]. Recentemente, o comportamento da citotoxicidade e degradação de cerâmicas
piezoelétricas de niobato de sódio e potássio foi investigado para aplicações biomédicas
[93].
Nos últimos anos íons terras raras passaram a ser incorporados aos nanocristais
de niobato de sódio para diversas aplicações. Como, por exemplo, nanopartículas de
NaNbO3 dopadas com Er3+/Yb3+ ou Tm3+/ Yb3+ quando excitadas em 980 nm mostram
significantes emissões na região do visível [94, 95], podendo então serem usadas como
marcadores luminescentes multifotônicos. Além disso, nanotermometria luminescente
por dois fótons baseada na conversão ascendente de energia na região do visível das
nanopartículas de NaNbO3 dopadas com Er3+/Yb3+ foi demostrada [65].
2.3. Síntese das nanoparticulas .
2.3.1 Sínteses de nanocristais de LaF3 dopados com TR3+
53
As nanopartículas de Fluoreto de Lantânio (LaF3)
dopadas com Tm3+
(LaF3:Tm) e co-dopadas com Yb3+/Ho3+ (LaF3:Yb/Ho) usadas nesta tese foram
sintetizadas pelo método de co-precipitação de química úmida [77].
Os reagentes utilizados no processo de síntese das nanopartículas de LaF3
dopadas com os íons terra raras são mostrados na tabela 2.3. Todos os reagentes foram
adquiridos da empresa Sigma-Aldrich. Devido ao seu alto nível de pureza (99,9%) os
mesmos foram usados diretamente sem a necessidade de purificações adicionais.
Tabela 2.3: Reagentes usados nas sínteses nanopartículas de LaF3.
Reagente
Fórmula Química
Peso Molecular
Cloreto de lantânio
LaCl3
245,26
Fluoreto de amônio
NH4F
37,04
Cloreto de túlio (III)
TmCl3
275,29
Cloreto de itérbio (III)
YbCl3
279,40
Cloreto de hólmio (III)
HoCl3
271,29
Fonte: Autor da tese
Antes de iniciar o processo de síntese devemos primeiramente identificar, em
termos de massa, a quantidade de cada um dos reagentes que serão usados para a síntese
de cada amostra. Para isso, foi usada a relação estequiométrica da reação química que
descreve o processo de síntese das nanopartículas de LaF3. Essa equação pode ser
expressa pela seguinte relação:
3NH 4 F LaCl3 LaF3 3NH 4Cl
(2.12)
Para realizar o processo de dopagem das nanopartículas de LaF3 com os íons
terra raras é necessário substituir uma certa quantidade de Cloreto de Lantânio por
Cloreto de TRs (TR = Tm, Yb e Ho). Dessa forma a equação (2.12) pode ser escrita da
seguinte forma:
3NH 4 F 1 x LaCl3 xTmCl3 La1 xTm x F3 3NH 4Cl
(2.13)
54
3NH 4 F 1 y z LaCl3 yYbCl3 zHoCl3 La1 y z Yb y Ho z F3 3NH 4Cl
(2.14)
As equações (2.13) e (2.14) representam, respectivamente, relações
estequiométricas da reação química que descreve o processo de síntese das
nanopartículas de LaF3 dopadas com Tm3+ e co-dopadas com Yb3+/Ho3+. Além disso, os
parâmetros x, y e z representam as concentrações dos íons dopantes Tm3+, Yb3+ e Ho3+,
em mol, respectivamente.
Através das equações (2.13) e (2.14) e do peso molecular dos reagentes
(apresentados na tabela (2.3)), foi possível calcular a quantidade percentual de massa
molar em gramas de cada reagente, para que ao final do processo de síntese
obtivéssimos aproximadamente 300 mg de nanopartículas. Todos estes reagentes
utilizados na síntese foram pesados em uma balança analítica com precisão de
0,00001g.
O processo de síntese das nanopartículas de LaF3 dopadas com íons terras raras
inicia-se colocando aproximadamente 40 ml de água Milli-Q em um balão de 250 ml
com fundo redondo e um único gargalo, sob agitação magnética e aquecimento,
conforme mostrado na figura 2.12 (a), e então espera-se cerca de 15 a 20 min até que a
água atinja a temperatura de aproximadamente 75 °C. Em seguida, são adicionadas um
a um, as quantidades estequiométricas do Fluoreto de Lantânio (LaCl3) e dos íons terras
raras em sua forma de cloretos (TmCl3, YbCl3 e/ou HoCl3). Após a adição de cada
reagente foram inseridos 5 ml de água Milli-Q para lavar o gargalo do balão, e
esperava-se cerca de 10 minutos (tempo necessário para que a solução torne-se
homogênea) para que o próximo reagente fosse adicionado. Por último foi adicionada,
gota a gota, uma solução contendo fluoreto de amônio (NH4F), que havia sido
previamente dissolvido a 5 ml de água Milli-Q sob agitação magnética e a temperatura
ambiente por 5 min. Logo após, a solução foi mantida sob agitação magnética e a
temperatura de 75 °C por 2 horas. Então, o aquecimento foi desligado e a mistura ficou
somente sob agitação magnética por aproximadamente 50 min, tempo necessário para a
solução retornar a temperatura ambiente. Ao final desse processo obtemos uma solução
esbraquiçada como mostrado na figura 2.12 (b).
55
Figura 2.12: (a) Processo de mistura, aquecimento e agitação da solução. (b) Solução
branca obtida após o processo de mistura. (c) Centrifugação da solução branca para
separar a parte sólida (precipitado) da liquida. (d) e (e) lavagem e secagem. (f) Precipitado
obtido após o processo de secagem.
Fonte: Rocha, U., 2014 [14]
Para obter o precipitado a partir da solução resultante, foi necessária a
realização dos processos de centrifugação, conforme mostrado na figura 2.12 (c), e
lavagem. Dessa forma, as amostras foram centrifugadas por duas vezes a 9000 rpm
durante 10 min, em seguida a 1000 rpm por 12 min e finalmente a 11000 por 15 min.
Durante este processo o precipitado foi lavado diversas vezes com água Milli-Q.
Figura 2.13: Processo de refinamento do pó de nanopartículas de LaF3 obtido.
Fonte: Rocha, U., 2014 [14].
O precipitado obtido através do processo de centrifugação e lavagem (mostrado
na figura 2.12 (d)) foi então secado em uma estufa (como mostrado na figura 2.12 (e))
56
por dois dias a temperatura de 60 °C. Para obter um pó de nanopartículas mais fino a
partir desse precipitado (mostrado na figura 2.12 (f)) é necessário que o mesmo seja
macerado em um almofariz de Ágata, como mostrado na figura 2.13. No entanto, ainda
é necessário que seja realizado um tratamento térmico para que essas nanopartículas
apresentem luminescência eficiente. O tratamento térmico foi realizado em atmosfera
aberta, em um forno da EDG modelo 3000 com potência fixa de 70%. As amostras
foram colocadas em cadinhos de porcelana e em seguida inseridas no forno a 500 °C
durante 3 horas. Finalizado o tratamento térmico as nanopartículas de LaF3 foram
armazenadas em tubos de ensaio tipo Eppendorf.
A Tabela 2.4 mostra todas as nanopartículas de LaF3 dopadas com íons terras
raras usadas nessa tese.
Tabela 2.4: Nanopartículas de LaF3 dopadas com TR3+ com suas respectivas composições
químicas.
Amostra
Composição Química
LaF3: 1Tm
La0,99Tm0,01F3
LaF3: 3Tm
La0,97Tm0,03F3
LaF3: 5Tm
La0,95Tm0,05F3
LaF3: 10Yb/4Ho
La0,86Yb0,1Ho0,04F3
Fonte: Autor da tese.
2.3.2 Sínteses de nanocristais de NaNbO3 dopados com TR3+
As nanopartículas de Niobato de Sódio (NaNbO3) dopadas com Tm3+
(NaNbO3:Tm) e co-dopadas com Tm3+/Yb3+ (NaNbO3:Tm/Yb) usadas nesta tese foram
sintetizadas utilizando o método sol-gel de Pechini como descrito em [95]. Este método
conhecido também como método de precursores poliméricos [96], vem sendo bastante
empregado no desenvolvimento de nanopartículas dopadas com íons terras raras [97,
98]. Entre as principais vantagens desse método podemos citar a baixa temperatura de
cristalização e excelente homogeneidade dos íons usados na síntese [99].
57
Os reagentes usados nas sínteses das nanopartículas de NaNbO3 dopados com
terras raras são mostrados na tabela 2.5. O processo de síntese inicia-se colocando
aproximadamente 10 ml de água Milli-Q em um béquer, depois o béquer contendo a
água é posto sobre uma placa aquecedora com agitação magnética. Quando a água
atinge uma temperatura de aproximadamente 75 °C são adicionados quantidades
estequiométricas de ácido cítrico, oxalato de amônio e nióbio e o carbonato de sódio.
Após a adição de cada composto, esperou-se cerca de 10 minutos (tempo necessário
para que a solução tornasse homogênea) para que o próximo reagente fosse adicionado.
Em seguida, os íons terras raras em sua forma de nitrato (nitrato de túlio e/ou nitrato de
itérbio) foram adicionados. Após a solução tornar-se novamente homogênea foi
adicionada a quantidade necessária de etileno glicol. Então a solução resultante foi
deixada em agitação e a temperatura de 75 °C por cerca de 1 hora. Dessa última etapa
obtivemos uma solução cristalina e homogênea que foi colocada em um cadinho de
porcelana, como mostrado na figura 2.13.
Tabela 2.5: Reagentes usados nas sínteses das nanopartículas de NaNbO3 dopadas com
Tm3+.
Reagente
Fórmula
Fornecedor
Pureza
Ácido cítrico
C6H8O7
Sigma-Aldrich
99,5%
Oxalato de amônio e nióbio
C4H4NNbO9.xH2O
Sigma-Aldrich
99,99%
Carbonato de sódio
Na2CO3
Sigma-Aldrich
99,999%
Nitrato penta-hidratado de túlio (III)
Tm(NO3)3.5H2O
Sigma-Aldrich
99,9%
Nitrato penta-hidratado de itérbio (III)
Yb(NO3)3.5H2O
Sigma-Aldrich
99,999%
Etileno glicol
C2H6O2
Sigma-Aldrich
99+%
Fonte: Autor da tese
Para que o gel seja formado a partir da solução obtida na etapa anterior, os
cadinhos contendo as soluções foram colocados em um forno a aproximadamente 100
°C por 3 dias. Nesta etapa, ocorre de forma lenta a eliminação de uma parte da
composição orgânica presente na solução. Os aspectos visuais da transformação da
solução em gel são mostrados nas figuras 2.14 (b), (c) e (d) que correspondem
respectivamente aos tempos de forno de 24, 48 e 72 horas. Como podemos ver na figura
2.14 (d), ao final desta etapa obtemos como resultado um gel amarelado.
58
Figura 2.14: Etapas do processo de síntese das nanopartículas de NaNbO3 dopadas com
íons TR3+. (a) Solução cristalina e homogênea obtida após uma hora das adições dos
reagentes a 75 ºC. (b), (c) e (d) Estágios da formação do gel, após 24, 48 e 72 horas que a
solução é colocada no forno a 100 ºC. e) Fase carbonizada, ao sair do forno a 400°C após 2
horas. f) Formação dos nanocristais de NaNbO3 devido à calcinação. g) Mistura no
almofariz de ágata para formar o pó nanocristalino. h) Estocagem das nanopartícula em
um tubo Eppendorf.
Fonte: Adaptado de J. F. Silva, 2013 [99].
Em seguida, o gel é colocado em um forno à 400 °C por 2 horas para que seja
evaporados todos os compostos orgânicos. Esta etapa deve ser realizada no interior de
uma capela de exaustão, pois no processo de eliminação dos compostos orgânicos são
liberados do interior do forno gases tóxicos. Ao final desse processo, como podemos ver
na figura 2.14 (e), o gel é inteiramente transformado em um composto carbonizado de
cor preta. Para finalizar a síntese das nanopartículas de NaNbO3 o composto
carbonizado (obtido na etapa anterior) é colocado no forno a 800 °C por 3 horas, para
que ocorra o processo de calcinação das nanopartículas. O resultado desta última etapa é
mostrado na figura 2.14 (f) e nela vemos um aglomerado de nanopartículas que
59
possuem forma similar a uma esponja muito branca. É necessário então que este
aglomerado seja refinado em um almofariz de ágata, como pode ser visto na figura 2.14
(g). Ao final desse processo obtemos as nanopartículas de NaNbO3 dopadas com terras
raras, que podem ser estocadas em tubos de ensaio tipo Eppendorf como mostrado na
figura 2.14 (h).
No processo de síntese descrito acima os íons terra raras (Tm3+ e/ou Yb3+)
foram incorporados à matriz NaNbO3 em porcentagem de mol em relação ao sódio
(Na). Assim, por exemplo, se desejarmos adicionar 1 mol% de Tm3+ à matriz, devemos
subtrair 1% (0,01) dos 100% do sódio, então vamos obter 99% de sódio (0,99) e 1% de túlio
(0,01). Dessa forma, a equação estequiométrica que rege o processo de dopagem ou codopagem das nanopartículas de NaNbO3 pode ser escrita como [99]:
Na1-x-yTmxYbyNbO3
(2.15)
em que x e y representam valores percentuais de mol dos íons de Tm3+ e Yb3+,
respectivamente, com relação ao Na. Então, por exemplo, nas amostras apenas dopadas
com túlio teremos y = 0.
As quantidades de reagentes utilizados na síntese das nanopartículas descritas
acima foram: 0,1 mol de ácido cítrico, 0,1 mol etileno glicol e 0,0004 mol de oxalato de
nióbio de amônio para formação da fase polimérica.
A tabela 2.6 mostra todas as nanopartículas sintetizadas pelo método descrito
acima.
Tabela 2.6: Nanopartículas de NaNbO3 dopadas TR3+ e suas respectivas composições
químicas.
Amostra
Composição Química
NaNbO3: 1Tm3+
Na0,99Tm0,01NbO3
NaNbO3: 3Tm3+
Na0,97Tm0,03NbO3
NaNbO3: 5Tm3+
Na0,95Tm0,05NbO3
NaNbO3: 1Tm3+/5Yb3+ Na0,94Tm0,01Yb0,05NbO3
Fonte: Autor da tese.
60
As concentrações de íons terra-raras usados aqui foram escolhidas para
otimizar a fase estrutural cristalina pura (ortorrômbica pura) e a conversão ascendente
de energia como foi previamente investigado em [94, 97].
61
REFERENCIAS
1.
Moeler, T., The Chemistry of the Lanthanides, ed. R.P. Corp. 1963, New York.
2.
Santos, W.Q., VIABILIDADE DE SISTEMAS DOPADOS E CO-DOPADOS COM
Yb3+ E Nd3+ PARA APLICAÇÕES FOTÔNICAS: LASERS E TERMOMETRIA
ÓPTICA, in UFAL - Instituto de Física. 2015.
3.
Tasso, O.S., INFLUÊNCIA DE TRATAMENTO TÉRMICO NAS PROPRIEDADES
ESTRUTURAIS E ÓPTICAS DE NANOCRISTAIS DE LaF3 CO-DOPADOS COM
Yb3+/Er3+, in UFAL - Instituto de Física. 2015.
4.
Silva, W.F., Controle Óptico e Térmico das Propriedades Ópticas e Mecânicas de
Materiais Fotônicos, in UFAL - Instituto de Física. 2011.
5.
Hüfner, S., Optical Spectra of Transparent Rare Earth Compounds. 1978, New
York: Academic Press.
6.
Digonnet, a.c.W.J.M., Optical and Electronic Properties of Rare Earth Ions in
Glass. 1993: Editora Physics SW 110.
7.
Jacinto, C., EFEITO TÉRMICO E GERAÇÃO DE LUZ VISÍVEL EM AMOSTRAS
VÍTREAS EXCITADAS POR RADIAÇÃO NO INFRAVERMELHO, in UFAL Instituto de Física. 2002.
8.
Vermelho, M.V.D., A Study on the Feasibility of a Silica-on- Silicon Blue
Upconversion Laser Fabricated by Flame Hydrolysis Deposition, in University of
Glasgow. 1999: Glasgow.
9.
Mayer, M.G., Phys. Rev., 1941(60): p. 184.
10.
Jacinto, C., Caracterização termo-óptical de materiais lasers usando a técnica de
lente térmica, in IFSC/USP: São Carlos. 2006.
11.
Svelto, O., Principles of Laser, ed. 4. 1998: Springer.
12.
Barreto, P.G., Dissertação de Mestrado, in Instituto de Física. 2009, Universidade
Federal Fluminense.
13.
Brill, G.B.a.A., Philips Tech. Rev., 1970. 31: p. 304.
14.
Rocha, U., NANOPARTICULAS MULTIFUNCIONAIS DE FLUORETO DE
LANTÂNIO DOPADAS COM Nd3+ COMO AGENTES DE CONTRASTES E
TERAPÊUTICOS, in UFAL - Instituto de Física. 2014.
15.
Sakurai, J.J., Mecânica Quântica Moderna, ed. e. 2. 2013, Porto Alegre.
16.
VLECK, J.V., The Journal of Physical Chemistry, 1937. 41 (1): p. 67-80.
62
17.
Judd, B.R., Optical Absorption Intensities of Rare-Earth Ions. Physical Review,
1962. 127((3)): p. 750-&.
18.
Ofelt, G.S., Intensities of Crystal Spectra of Rare-Earth Ions. Journal of Chemical
Physics, 1962. 37(3)((3)): p. 511-&.
19.
Wyborne, B.G., Sprectroscopic Properties of Rare Earths. 1965, New York: John
Wiley & Sons.
20.
Diexe, G.H.C., H.M., The Spectra of the Doubly and Triply Ionized Rare Earths.
Applied Optics, 1963. 2(7): p. 675-685.
21.
Santos, P.V., EFEITOS TÉRMICOS SOBRE CONVERSÃO ASCENDENTE DE
ENERGIA EM VIDROS ESPECIAIS DOPADOS COM ÍONS TERRAS-RARAS, in
UFAL - Instituto de Física. 2003.
22.
Snitzer, E., Laser Emission of Yb3+ at 1.06mu in Nd- Yb-Doped Glass. Journal of
the Optical Society of America, 1965. 55(11): p. 1575-&.
23.
Lei, G., et al., Spectroscopic evaluation of Yb3+ doped glasses for optical
refrigeration. Ieee Journal of Quantum Electronics, 1998. 34(10): p. 1839-1845.
24.
Chenais, S., et al., Thermal lensing in diode-pumped ytterbium lasers - Part I:
Theoretical analysis and wavefront measurements. Ieee Journal of Quantum
Electronics, 2004. 40(9): p. 1217-1234.
25.
Santos, W.Q., et al., Cooperative Upconversion, Radiation Trapping, and SelfQuenching Effects in Highly Yb3+-Doped Oxyfluoride Glasses. Science of
Advanced Materials, 2013. 5(12): p. 1948-1953.
26.
Digonnet, M.J.F., Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers, ed. M. Dekker.
Vol. 2. 2001.
27.
Wu, C.T., et al, Diode-pumped single frequency Tm:YAG laser at room
temperature. Laser Physics Letters, 2008. 5(11): p. 793-796.
28.
Wu, J.F., et al, 2 um lasing from highly thulium doped tellurite glass microsphere.
Applied Physics Letters, 2005. 87(21): p. 211118.
29.
Smart, R.G., et al., Continuous Wave Oscillation of Tm3+ Doped Fluorozirconate
Fiber Lasers at around 1.47-um, 1.9-um and 2.3-um When Pumped at 790 nm.
Optics Communications, 1991. 82(5-6): p. 563-570.
30.
Dong, N.N., et al., NIR-to-NIR Two-Photon Excited CaF2: Tm3+,Yb3+
Nanoparticles: Multifunctional Nanoprobes for Highly Penetrating Fluorescence
Bio-Imaging. Acs Nano, 2011. 5(11): p. 8665-8671.
31.
Yang, Z.Y., L. Luo, and W. Chen, The 1.23 and 1.47 mm emissions from Tm3+ in
chalcogenide glasses. Journal of Applied Physics, 2006. 99(7).
63
32.
Yaoyao Ma, a.e., Efficient 2.05 mm emission of Ho3+/Yb3+/Er3+ triply doped
fluorotellurite glasses. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular
Spectroscopy, 2014(122): p. 711–714.
33.
Dan Wang, a.e., 808 nm driven Nd3+-sensitized upconversion nanostructures for
photodynamic therapy and simultaneous fluorescence imaging. Nanoscale, 2015. 7:
p. 190–197.
34.
Oleksandr A. Savchuk, a.e., Ho,Yb:KLu(WO4)2 Nanoparticles: A Versatile Material
for Multiple Thermal Sensing Purposes by Luminescent Thermometry. J. Phys.
Chem. C 2015(119): p. 18546−18558.
35.
Carlos, D.S., et al., Thermometry at the nanoscale. 2016.
36.
Zhang, F., Photon Upconversion Nanomaterials. 2015.
37.
Carlos D. S., e.a., A Luminescent Molecular Thermometer for Long-Term Absolute
Temperature Measurements at the Nanoscale. Advanced materials, 2010. 22: p.
4499–4504.
38.
Brites, C.D., et al, Thermometry at the nanoscale. Nanoscale, 2012. 4(16): p. 47994829.
39.
Fischer, L.H.H., G. S.; Wolfbeis, O. S., Upconverting Nanoparticles for Nanoscale
Thermometry. Angewandte Chemie-International 2011. 50(20): p. 4546-4551.
40.
Jaque, D. and F. Vetrone, Luminescence nanothermometry. Nanoscale, 2012. 4(15):
p. 4301-4326.
41.
Lee, J.K., N. A., Termometry Design at the Nanoscale. Nanotoday 2007. 2: p. 48 51.
42.
Itoh, Y.e.a., Combining anti-tumor drugs with mild hyperthermia increases the
cytotoxic effects of drugs on human leukemia cells in vitro. Mol. Med. Rep. , 2009.
2: p. 411–415.
43.
Zohar, O.e.a., Thermal Imaging of Receptor-Activated Heat Production in Single
Cells. Biophys. J. . 74: p. 82–89.
44.
Suzuki, M.T., V.; Oyama, K.; Ishiwata, S. , Microscopic Detection of
Thermogenesis in a Single HeLa Cell. Biophys. J. , 2007. 92: p. L46–L48.
45.
G. N. Somero, A., Rev. Physiol., 1995. 57: p. 43–68.
46.
C. Gota, e.a., Hydrophilic fluorescent nanogel thermometer for intracellular
thermometry. J. Am. Chem. Soc., 2009. 131: p. 2766–2767.
47.
K. Okabe, e.a., Intracellular temperature mapping with a fluorescent polymeric
thermometer and fluorescence lifetime imaging microscopy. Nat. Commun, 2012. 3:
p. 705.
64
48.
Hernandez, K.M.M.a.M., Molecular thermometry. Pediatr. Res., 2010. 67: p. 469–
475.
49.
J.M.
Yang,
H.Y.a.L.W.L.,
Quantum
Dot
Nano
Thermometers
Reveal
Heterogeneous Local Thermogenesis in Living Cells. ACS Nano, 2011. 5: p. 5067–
5071.
50.
Reda, S., Thermal and Power Characterization of Real Computing Devices. IEEE
Trans. Eng., 2011: p. 76 - 87.
51.
Volz, S., Thermal Nanosystems and Nanomaterials. Springer: Topics in Applied
Physics 2009: p. 118.
52.
Jundt, D.H., Temperature-dependent Sellmeier Equation for the Index of Refraction,
ne, in Congruent Lithium Niobate. Opt. Lett., 1997. 22: p. 1553 - 1555.
53.
Romero, J.J.e.a., Diffuse Multiself-Frequency Conversion Processes in the Blue and
Green by Quasicylindrical Ferroelectric Domains in Nd3+:Sr0.6Ba0.4(NbO3)2 Laser
Crystal. Appl. Phys. Lett., 2001. 78: p. 1961 - 1963.
54.
Nenna, G.e.a., A Study on Thermal Degradation of Organic LEDs Using IR
Imaging. Macromol. Symp., 2007. 247: p. 326 – 332.
55.
Kotov, J.L.a.N.A., Nano Today, 2007. 2: p. 48–51.
56.
Geddes, C.D.L., J. R., Reviews in Fluorescence, ed. K. Academic/. 2004, New
York.
57.
Khalid,
A.H.K.,
K.,
Thermographic
Phosphors
for
High
Temperature
Measurements: Principles, Current State of the Art and Recent Applications.
Sensors, 2008. 8: p. 5673−5744.
58.
Christofferson, J.S., A. , Thermoreflactance Based Thermal Microscope. Rev. Sci.
Instrum., 2005. 76: p. 024903.
59.
Beechem, T.e.a., Simultaneous Mapping of Temperature and Stress in Microdevices
using Micro-Raman Spectroscopy. Rev. Sci. Instrum., 2007. 78: p. 061301.
60.
Childs, P.R.N.G., J. R.; Long, C. A. , Review of Temperature Measurement. Rev.
Sci. Instrum., 2000. 71: p. 2959−2978.
61.
Baffou, G.e.a., Thermal Imaging of Nanostructures by Quantitative Optical Phase
Analysis. ACS Nano 2012. 6: p. 2452−2458.
62.
L. Shang, F.S., N. Azadfar, G. U. Nienhaus, Angew. Chem.-Int., 2013. 52: p.
11154.
63.
D. Jaque, B.d.R., E. M. Rodríguez, L. M. Maestro, P. Haro-González, J. G. Solé,
Nanomedicine, 2014. 9: p. 1047.
65
64.
L. M. Maestro, e.a., Nanoparticles for highly efficient multiphoton fluorescence
bioimaging. Opt. Expr. , 2010. 18: p. 23544–23553.
65.
Kumar, K.U., et al., Two Photon Thermal Sensing in Er3+/Yb3+ Co-Doped
Nanocrystalline NaNbO3. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2013.
13(10): p. 6841-6845.
66.
Pereira, A.F., et al., Yb3+/Tm3+ co-doped NaNbO3 nanocrystals as three-photonexcited luminescent nanothermometers. Sensors and Actuators B-Chemical, 2015.
213: p. 65-71.
67.
Ning-Ning Dong, e.a., NIR-to-NIR Two-Photon Excited CaF2: Tm3+,Yb3+
Nanoparticles: Multifunctional Nanoprobes for Highly Penetrating Fluorescence
Bio-Imaging. ACS Nano, 2011. 5(11): p. 8665-8671.
68.
Fiorenzo Vetrone, e.a., Temperature Sensing Using Fluorescent Nanothermometers.
ACS Nano, 2010. 4(6): p. 3254-3258.
69.
Ximendes, E.C., et al, Unveiling in Vivo Subcutaneous Thermal Dynamics by
Infrared Luminescent Nanothermometers. Nano Letters, 2016. 16(3): p. 1695-1703.
70.
S. Wang, S.W., W. Chen, Nanoparticle Luminescence Thermometry. J. Phys. Chem.
B 2002. 106: p. 11203-11209.
71.
Berthou, H.a.C.K.J. and 1102., Optical-Fiber Temperature Sensor Based on
Upconversion-Excited Fluorescence. Optics Letters, 1990. 15(19): p. 1100-1102.
72.
Rocha, U., et al, Nd3+ doped LaF3 nanoparticles as self-monitored photo-thermal
agents. Applied Physics Letters, 2014. 104(5).
73.
M. Quintanilla, a.e., Temperature Sensing with Up-Converting Submicron-Sized
LiNbO3:Er3+/Yb3+ Particles. Applied Physics Express, 2011. 4(2): p. 022601.
74.
Rocha, U., et al, Subtissue Thermal Sensing Based on Neodymium-Doped LaF3
Nanoparticles. Acs Nano. 7(2): p. 1188-1199.
75.
Ceron, E.N., et al., Hybrid nanostructures for high-sensitivity luminescence
nanothermometry in the second biological window. Adv Mater, 2015. 27(32): p.
4781-7.
76.
Pinol, R., et al., Joining time-resolved thermometry and magnetic-induced heating
in a single nanoparticle unveils intriguing thermal properties. ACS Nano, 2015.
9(3): p. 3134-42.
77.
POMA NUÑEZ, P.Y., Sínteses e Caracterizações Óptica e Estrutural de
Nanopartículas
de
LaF3:Yb3+/Ho3+
e
LaF3:Yb3+/Tm3+
e
Cerâmicas
Transparentes de Y2O3:Eu3+ e Y2O3:Tm3+, in UFAL - Instituto de Física. 2015.
66
78.
Wang, F.Z., Y.; Fan, X.; Wang, M., One-pot synthesis of chitosan/ LaF3:Eu3+
nanocrystals for bioapplications. Nanotechnology, 2006. 17(5): p. 1527-1532.
79.
Xue Bai, a.e., Concentration-controlled emission in LaF3:Yb3+/Tm3+ nanocrystals:
switching from UV to NIR regions. J. Mater. Chem., 2012. 22: p. 24698–24704.
80.
Rocha, U., et al, Neodymium-Doped LaF3 Nanoparticles for Fluorescence
Bioimaging in the Second Biological Window. Small. 10(6): p. 1141-1154.
81.
Jacobsohn, L.G., et al, Preparation and Characterization of Rare Earth Doped
Fluoride Nanoparticles. Materials, 2010. 3(3): p. 2053.
82.
Armelao, L., et al, Luminescent Properties od Eu-Doped Lanthanum Oxyfluride
Sol-Gel Thin Films. J. Phys. Chem., 2009(113): p. 14429-14434.
83.
Singh, A.K., et al, Photon avalanche upconversion and pump power studies in
LaF3:Er3+/Tb3+ phosphor. Applied Physics B, 2011. 104(4): p. 1035-1041.
84.
Sales, T.O., INFLUÊNCIA DE TRATAMENTO TÉRMICO NAS PROPRIEDADES
ESTRUTURAIS E ÓPTICAS DE NANOCRISTAIS DE LaF3 CO-DOPADOS COM
Yb3+/Er3+, in UFAL - Instituto de Física. 2015.
85.
Fernandes, J.D.G., et al., Low-temperature synthesis of single-phase crystalline
LaNiO3 perovskite via Pechini method. Materials Letters, 2002. 52(1-2): p. 122-125.
86.
Webler, G.D., Influência de Impurezas Sobre a Luminescência de Nanofósforos de
Titanato de Bário Dopados com Érbio, in UFAL - Instituto de Física. 2011.
87.
Cheng, L.Q., et al., Piezoelectricity of lead-free (K, Na)NbO3 nanoscale single
crystals. Journal of Materials Chemistry C, 2014. 2(43): p. 9091-9098.
88.
Xu, Y.H., et al., Antiferroelectricity induced by electric field in NaNbO3-based
lead-free ceramics. Applied Physics Letters, 2014. 104(5).
89.
Katsumata, K., et al., Effect of surface microstructures on photo-induced
hydrophilicity of NaNbO3 thin films by sol-gel process. Materials Science and
Engineering B-Advanced Functional Solid-State Materials, 2010. 173(1-3): p. 267270.
90.
Chen, S.F., et al., Fabrication, characterization and mechanism of a novel Z-scheme
photocatalyst NaNbO3/WO3 with enhanced photocatalytic activity. Dalton
Transactions, 2013. 42(30): p. 10759-10768.
91.
J.W. Liu, G.C., Z.H. Li, Z.G. Zhang, Hydrothermal synthesis and photocatalytic
properties of ATaO(3) and ANbO(3) (A = Na and K),. 2007. 32: p. 2269–2272.
92.
Rodriguez, E.M., et al., Non-linear niobate nanocrystals for two-photon imaging.
Optical Materials, 2011. 33(3): p. 258-266.
67
93.
Yu, S.W., et al., Cytotoxicity and degradation behavior of potassium sodium
niobate piezoelectric ceramics. Ceramics International, 2012. 38(4): p. 2845-2850.
94.
K.U. Kumar, W.F.S., K.V. Krishnaiah, C.K. Jayasankar, C. Jacinto, Three-and twophoton upconversion luminescence switching in Tm3+/Yb3+- codoped sodium
niobate nanophosphor. J. Nanophotonics, 2014. 8: p. 083093-1 - 083093-9.
95.
Kumar, K.U., et al., Synthesis, Structural Properties and Upconversion Emission of
Er3+ and Er3+/Yb3+ Doped Nanocrystalline NaNbO3. Science of Advanced
Materials, 2012. 4(5-6): p. 584-590.
96.
Mera, J., et al., La0.7Sr0.3MnO3 Nanoparticles Synthesized via the (Pechini)
Polymeric Precursor Method. Journal of Superconductivity and Novel Magnetism,
2013. 26(7): p. 2553-2556.
97.
Kumar, K.U., et al., Multicolor Upconversion Emission and Color Tunability in
Tm3+/Er3+/Yb3+ Tr-Doped NaNbO3 Nanocrystals. Materials Express, 2012. 2(4):
p. 294-302.
98.
Pin, S., et al., Structural investigation and luminescence of nanocrystalline
lanthanide doped NaNbO3 and Na(0.5)K(0.)5NbO(3). Journal of Solid State
Chemistry, 2012. 196: p. 1-10.
99.
Silva, J.F., Sínteses e caracterizações de NaNbO3 dopados e co-dopados com Er3+ e
Yb3+, in UFAL-Instituto de Física. 2015.
68
3. NANOTERMOMETRIA ÓPTICA POR TRÊS-FÓTONS EM NANOCRISTAIS
DE NaNbO3 CO-DOPADOS COM Yb3+/Tm3+
3.1 Introdução
Na literatura é possível encontrar diversos NTLs baseados em NPs dopadas
com íons terras-raras. No entanto, provavelmente os sistemas co-dopados com Er/Yb é
um dos mais populares. Nestes sistemas a termo-sensibilidade da emissão do Er3+ (na
região do verde) é produzida após a transferência de energia do íon Yb3+ para o Er3+ via
um processo de dois fótons (2P) [1-3]. O fato da luminescência obtida por processos de
excitação multifotônico levar a leitura térmica é especialmente interessante, uma vez
que, abre a possibilidade de imagens térmicas fluorescentes com resolução espacial
superior, quando comparados aos NTLs obtidos usando excitação por um fóton (como
no caso de NPs dopadas com Nd3+) [4, 5]. NTLs por 2P já foram também demostrados
com emissão no infravermelho Yb/Tm apresentando excelentes resultados [6-8].
Como mencionado acima, a principal vantagem de excitação por 2P sobre a
excitação por um fóton está (em princípio) na melhoria substancial da resolução
espacial devido à natureza de segunda ordem do processo de excitação e a utilização de
menores comprimentos de onda de emissão [7]. Dessa forma a melhoria na resolução
poderia, portanto, ser obtida se a termo-sensibilidade da luminescência pudesse ser
excitada sob um processo de excitação por três fótons (3P). De fato, tem sido relatado
que imagens com alta resolução e alta penetração em neurônios vivos podem ser obtidas
usando nanoprovas luminescentes sob excitção por 3P [9]. Além disso, S. Maiti e
colaboradores [10], demostraram que microscopia por 3P pode ser utilizada para obter
imagens com alta resolução da distribuição de serotonina dentro de células vivas. Já
Caillat e colaboradores [4], forneceram evidências experimentais sobre o potencial uso
de conversão ascendente de energia por absorção de multi-fótons de nanocristais
dopados com íons terra-raras para microscopia sub-difrativa. Nos últimos anos, vários
sensores térmicos baseados na emissão de sistemas dopados com íons terras-raras
excitados por 3P, foram propostos na literatura. Nestes casos, foram usados
principalmente sistemas luminescentes co-dopados com os íons Yb/Tm e Yb/Ho [1169
16]. Em alguns casos, sensor térmico via RIF com alta resolução foi demostrado, mas
somente usando materiais convencionais (como, por exemplo: cerâmicas, vidros e
cristais), que impossibilita que sejam diluídos em soluções aquosas, limitando assim as
potenciais aplicações. Neste ponto, o trabalho publicado por X. Wang e colaboradores
[6] merece menção especial. Os autores demonstraram a capacidade da emissão obtida
por excitação por 3P dos nanocristais de NaYbF4 dopados com íons de Tm3+, com
sensibilidade significativa em baixas e altas temperaturas (100 e 700 K), mas com
sensibilidade quase nula em torno da temperatura ambiente [6], o que limita para
eventos ocorrendo em temperatura ambiente, tais como, em sistemas biológicos.
Neste capítulo, apresentamos NTLs excitado por 3P baseado na sensibilidade
térmica da emissão em torno de 484 nm (que corresponde a transição 1G4 →3H6 dos
íons de Tm3+) das nanopartículas de NaNbO3 co-dopados com íons de Tm/Yb, para o
intervalo de temperatura de 24 a 140 °C . O potencial uso dessas mudanças espectrais
para sensor térmico será demonstrado e a sensibilidade térmica obtida será comparada a
outros NTLs previamente relatados. Além disso, o aquecimento local induzido
opticamente em NaNbO3 co-dopados com íons de Tm/Yb foi também investigado
3.2 Aparato experimental
Os experimentos de luminescência foram realizados com os nanocristais de
NaNbO3 co-dopadas com 5 mol% de Yb e 1 mol% de Tm3+, para isso, os nanocristais
foram colocados no interior de uma cubeta de quartzo com 1,0x1,0 cm de lado (janela de
transparência de 200 a 3300 nm), e pressionado em uma de suas faces internas com uma
espátula. O aparato experimental usado para obter os espectros de luminescência é mostrado
na figura 3.1. Para obter os espectros de emissão de nossa amostra foi usado como fonte
excitação um laser sintonizável (690-1080 nm) de femtosegundo (fs) de Ti:Safira
(Coherent, modelo Chameleon Ultra II) com taxa de repetição de 80 MHz (praticamente
operando no regime cw) sintonizado entre 940-980 nm.
Para focalizar o feixe laser na superfície da amostra foi usado uma lente com
distância focal de 5 cm . Para modular o sinal do laser foi utilizado um Chopper, SR540
(Stanford Research System) com frequência controlada que no momento operava em 80 Hz,
70
conectado a um amplificador “Lock-in” (Stanford Research modelo SR530) para ser usado
como sinal de referência. Os sinais da luminescência emitida pelos nanocristais foi coletado
por meio de uma fibra óptica e em seguida foram dispersos por um monocromador
Sciencetech de única grade modelo 9057, com resolução de 0,1 nm, e detectado por
uma foto-multiplicadora modelo S-20 cuja curva de resposta está compreendida entre 300
e 1100 nm. Os sinais detectados na fotomultiplicadora foram amplificado através do “Lockin” e convertido em um sinal digital para o computador. Para realizar o processo de
aquecimento nas nossas nanopartículas, de forma controlada, foi usado um forno feito
com pastilhas peltier e um termopar acoplado a um multímetro para determinar a
temperatura do sistema.
Figura 3.1: Aparato usado para os experimentos de luminescência das nanopartículas de
NaNbO3 co-dopadas com Tm/Yb.
Fonte: Autor da tese, 2016.
3.3 Resultados e discursões
As imagens em alta resolução de microscopia de transmissão eletrônica
(HRTEM) das nanopartículas de NaNbO3:Tm/Yb discutidas ao longo deste capítulo são
mostradas na figura 3.2 (a) e (b). As nanopartículas de NaNbO3:Tm/Yb possuem uma
geometria cúbica com dimensões médias de 70 nm e distribuição de tamanho de ± 10
nm, como recentemente publicado [17-19]. Além disso, quando dispersas em água
destilada, as NPs apresentam excelentes propriedades de dispersão, que são essenciais
71
para bioaplicações. A figura 3.2 (c) mostra uma fotografia que evidencia a alta
transparência da solução aquosa das NPs de NaNbO3:Tm/Yb com a concentração em
massa de 2mg/ml. Quando excitada opticamente sob luz laser em 976 nm a solução
produz um brilho azul luminescente que pode ser facilmente observado a olho nú
mesmo em condições normais de iluminação ambiente, como pode ser visto na figura
3.2 (d).
Figura 3.2: (a) e (b) Imagens de HRTEM das nanoparticulas de NaNbO3 co-dopadas com
Tm/Yb usadas neste capítulo; (c) fotografia mostrando a transparência da solução aquosa
com 2 mg/ml de nanoparticulas de NaNbO3:Tm/Yb. (d) Fotografia da emissão no azul da
solução aquosa das nanoparticulas de NaNbO3:Tm/Yb sob excitação em 976 nm.
Fonte: Autor da tese, 2016.
O espectro de emissão por conversão ascendente de energia das nanoparticulas
de NaNbO3 co-dopadas com 5 mol% de Yb3+ e 1 mol% de Tm3+ para potência de
bombeio de 100 mW, e excitação em 980 nm à temperatura ambiente é mostrado na
72
figura 3.3. O espectro de luminescência é constituído por três bandas de emissão
centradas em 484, 650 e 800 nm, todas elas geradas pelo íon Tm3+ após ser excitado via
transferência de energia do íon Yb3+ (Yb3+ →Tm3+). As bandas de luminescências em
480 e 800 nm são atribuídas as transições eletrônicas 1G4 →3H6 e 1H4 →3H6,
respectivamente, onde 3H6 é o estado fundamental dos íons de Tm3+. A emissão em 650
nm é atribuída a transição 2F2,3 →3H6 ou 1G4 →3F4. Como já foi descrito anteriormente
na literatura [11, 17, 20], em sistemas co-dopados com Tm/Yb os níveis de energia do
Túlio 3H4 e 1G4 são populados através da absorção de dois e três fótons absorvidos do
íon Yb3+, respectivamente, como será demostrado a seguir.
Figura 3.3: Espectro de luminescência dos nanocristais de NaNbO3 co-dopados com 5
mol% de Yb e 1mol% de Tm, sob excitação em 976 nm, para potencia de excitação de 100
mW e em temperatura ambiente.
3
H4
Intensidade (u. a.)
1,0
3
H6
0,8
0,6
1
G4
3
H6
0,4
0,2
1
G4
3
F4
0,0
500
600
700
800
Comprimento de onda (nm)
900
Fonte: Autor da tese, 2016.
Para entender melhor o espectro de emissão mostrado na figura 3.3 vamos
descrever um pouco do processo de conversão acedente por transferência de energia. O
mecanismo mais provável de população dos níveis de energia dos íons de Tm3+ ocorre
por transferência de energia proveniente dos íons de Yb3+. Um diagrama de níveis de
energia simplificado ilustrando os passos necessários para popular os níveis emissores é
mostrado na figura 3.4. Inicialmente, um fóton do laser de bombeio em 976 nm é
absorvido por um íon de Yb3+, promovendo-o para o estado excitado 2F5/2. Então o íon
de Yb3+ relaxa para o seu estado fundamental 2F7/2 transferindo a sua energia de forma
73
não ressonante para um íon de Tm3+, o que faz com que esse íon seja promovido ao
estado excitado 3H5.
Figura 3.4: Esquema simplificado da representação dos processos de conversão
ascendente de energia para os íons Yb3+ e Tm3+, sob excitação em 980 nm. As setas
para cima indicam excitação, as setas para baixo indicam emissão e as linhas
onduladas para baixo se referem a transições não radiativas.
660 nm
ET
16
F2,3
3
2
8
3
H5
ET
800 nm
3
660 nm
4
2
0
H4
ET
F5/2
976 nm
3
12
G4
3
-1
Energia (10 cm )
480 nm
1
20
F7/2
3+
Yb
F4
3
3+
H6
Tm
Fonte: Autor da tese, 2016.
Considerando que a matriz hospedeira seja capaz de absorver a energia
excedente, o íon de Tm3+ no estado 3H5 relaxa não radiativamente para o estado
metaestável 3F4 [21]. Do nível 3F4 um segundo processo de transferência de energia não
ressonante ocorre do íon de Yb3+ para o íon de Tm3+, promovendo-o para o nível 3F2,3,
sendo necessário que a matriz hospedeira absorva novamente a energia excedente da
excitação e também aquela para relaxar de forma não radiativa do nível 3F2,3 para o nível
meta estável 3H4. A partir desse estado, o íon de Tm3+ pode decair radiativamente para o
estado fundamental (3H6), gerando a banda de emissão (por conversão ascendente de
energia por absorção de dois fótons) em torno de 800 nm, como pode ser visto na figura
74
3.4. Assim como, pode também ocorrer uma terceira transferência de energia do Yb3+
para o Tm3+, promovendo o íon de Tm3+ do nível 3H4 para o nível 1G4, de onde o íon de
Tm3+ decai radiativamente para o estado fundamental 3H6 gerando a banda de emissão
(por conversão ascendente de energia por absorção de 3 P) no azul centrada em torno de
484 nm.
Figura 3.5: Gráfico log-log das intensidades de emissão por conversão ascendente de
energia em 480 e 800 nm em função da potencia de excitação.
2,5
Log (IUC)
2,0
1,5
480 nm
800 nm
1.7
2.1
2.2
1,0
0,5
2.8
0,0
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
Log(Pexc.)
Fonte: Autor da tese, 2016.
Isto é ainda mais evidenciado na figura 3.5 que mostra um gráfico log-log da
intensidade de fluorescência gerada em 484 e 800 nm como função da potência de
excitação (Pexc). Para processos de conversão ascendente de energia, em regime de
n
baixa potencia (não saturados), a intensidade de emissão é proporcional Pexc
[22], onde n
é o número de fótons absorvidos por fóton emitido por conversão ascendente de
energia. Assim, para o regime de baixa potência de excitação é esperado que n assuma
os valores 3 e 2 para as emissões 484 e 800 nm, respectivamente. Este é, de fato, o que
foi observado experimentalmente na figura 3.5. Em particular, a terceira ordem da
emissão 480 nm com o valor de n experimentalmente obtido (2,8) é muito próximo
daquele esperado (3). Em ambos os casos, potencias de excitação com o valor elevado
levam a uma redução no valor de n como consequência da saturação da população do
estado excitado do íon de itérbio como era, de facto, esperado [23-25].
75
Uma vez que a excitação por 3P que da origem a luminescência no azul
(centrada em 484 nm) gerada pelas nanopartículas de NaNbO3: Tm/Yb foi evidenciada,
seu potencial uso para nanotermometro luminescente foi sistematicamente estudado. A
figura 3.6 (a) mostra em detalhes a distribuição espectral da emissão no azul gerada
pelas NPs NaNbO3: Tm/Yb para duas temperaturas diferentes (24 e 80 °C).
Como pode ser observada, a forma da banda de emissão no azul é fortemente
dependente da temperatura. Em uma primeira análise a banda de emissão no azul obtida
por excitação de 3P das nanopartículas NaNbO3: Tm/Yb pode ser descrita como sendo
constituída por duas linhas luminescentes centradas em 480 e 486 nm. Estas duas
bandas correspondem a duas diferentes transições radiativas entre os diferentes níveis
Stark em que ambos níveis 1G4 e 3H6 são decompostos. Devido a pequena diferença de
energia entre os níveis Stark, essas transições são termicamente acopladas e como já foi
explicado no capítulo 2, espera-se que pequenas variações de temperatura induzam
grandes mudanças na sua intensidade relativa emitida como uma consequência da
redistribuição de população dos níveis emissores. Podemos ver na figura 3.6 (a) que isso
de fato foi observado, pois a temperatura ambiente as intensidades emitidas em 480 e
486 nm são praticamente idênticas e o aumento da temperatura até 80 °C causa uma
notável redução na intensidade de emissão em 486 nm (I486) em relação aquela em 480
nm (I480), ou seja, um apreciável aumento na razão entre as duas intensidades (I480/I486).
Como os níveis de energia emissores são termicamente acoplados, é esperado que esta
razão entre as intensidades seja governada pela distribuição de Boltzmann [26]:
R
E
I 480
C exp
I 486
k BT
(3.1)
onde I480 e I486 são as intensidades emitidas em 480 e 486 nm, respectivamente. Na
equação (3.1), C é uma constante cujo valor depende de uma grande variedade de
fatores geométricos assim como propriedades intrínsecas do nível emissor (tal como
degenerescência, taxa de emissão espontânea, energia do fóton do estado emissor na
matriz hospedeira e eficiência quântica de luminescência) [27], ΔE é a energia de
separação entre dois níveis Stark do estado 1G4, kB é a constante de Boltzmann e T é a
temperatura absoluta.
A razão das intensidades (I480/I486) obtidas para diferentes temperaturas
(inclusive incluindo a região biológica de temperatura de 34 a 45 °C) é mostrada na
76
figura 3.6 (b). Neste ponto é importante destacar que o aquecimento local induzido pela
excitação laser em torno de 976 nm é esperado devido ao coeficiente de absorção da
água, o que limitaria as aplicações biomédicas potenciais de nossas nanopartículas.
Figura 3.6: (a) Espectros de luminescência em torno de 480 nm para as temperaturas de
24 e 80 °C, sob excitação em 940 nm e potencia de excitação de 90 mW. (b) Razão das
intensidades de fluorescência para os picos de emissões em 480 e 486 nm como função da
temperatura.
(a)
24 °C
80 °C
0,6
0,4
486 nm
0,8
480 nm
Intensidade (u.a.)
1,0
0,2
0,0
475 480 485 490 495 500 505 510
Comprimento de onda (nm)
(b)
R = I480 nm/I486 nm
1,11
1,08
1,05
1,02
R = 0,9885 + 0,0008 x T
0,99
20
40
60
80
100
120
140
Temperature (°C)
Fonte: Autor da tese, 2016.
77
Para contornar esta limitação reduzimos o comprimento de onda de excitação
para 940 nm, dessa forma saímos do pico de absorção da água e consequentemente
diminui-se o aquecimento local induzido pela excitação laser. Além disso, a potência do
laser utilizado durante as experiências de calibração foi ajustada para ser de apenas 90
mW, e a cintura do laser foi estimada em 20 μm. Sob essas condições nós verificamos
experimentalmente, usando uma câmera térmica que, o aquecimento induzido pelo laser
não foi maior que 2 °C. As barras de erro na Figura 3.6 (b) foram estimadas pela medida
de várias vezes em cada ponto/temperatura e análise do desvio padrão dos valores
obtidos experimentalmente. Uma observação importante para aplicações práticas é que
a curva de calibração incluída na Figura 3.6 (b) foi obtida pela medida direta do pico da
intensidade de fluorescência sem a aplicação de qualquer deconvolução espectral. Este
facto faz as medidas da temperatura mais rápidas e simples, uma vez que, a análise
espectral não é necessária. Neste ponto, devemos mencionar que a curva de calibração
também foi medida através da realização da deconvolução espectral dos espectros de
luminescência, e que o resultado obtido foi similar à incluída na Figura 3.6 (b).
A partir dos dados experimentais da figura 3.6 (b) foi realizado um ajuste com
a equação (3.1), que resultou em uma intervalo de energia de 65 cm-1. Isto pode ser
comparado com a diferença de energia entre as duas linhas analisadas (perto de 370 cm1
) resultando em um valor muito reduzido. Esta diferença sugere que o nível
fundamental 3H6 para cada transição é diferente, ou seja, as linhas emissoras em 480 e
486 nm são geradas por diferentes subníveis Starks do estado 1G4 que decaem para
diferentes subníveis Starks do estado fundamental 3H6. Observamos também que, na
variação de temperatura observada nesse trabalho (24–140 °C), a RIF em uma primeira
análise, aproxima-se a um comportamento linearmente com a temperatura. Isto
proporciona uma sensibilidade térmica quase constante (independente da temperatura) e
torna a determinação da temperatura bastante simples. Dos dados experimentais
contidos na figura 3.6 (b) foi possível estimar a sensibilidade térmica de nossas NPs de
NaNbO3:Tm/Yb excitada por 3P, em aproximadamente 0,08 % ºC-1. Esta sensibilidade
pode agora ser comparada a de outros sensores térmicos luminescentes excitados por 3P
previamente relatadas.
A sensibilidade térmica de nossas NPs é comparável a sensibilidade térmica
relatada para emissão no azul (obtida através de três fótons de excitação) de vitrocerâmicar co-dopadas com Ho/Yb (perto de 0,07 % °C-1 para temperatura ambiente)
78
[14], e ligeiramente maior do que a apresentada a temperatura ambiente por fósforos de
CaWO4 co-dopados com Ho/Yb (perto de 0,06 % °C-1) [15] e menor (mas da mesma
ordem de grandeza) da apresentado pelo sensor Y2O3 co-dopado com Zn:Ho:Yb (cerca
de 0,23 % °C-1) [12]. No entanto, como relatado na introdução, este ultimo sistema
mencionado apesar de se mostrar como um bom sensor térmico via excitação por 3P,
não se apresenta dispersivo em água como nossas nanopartículas, reduzindo
drasticamente suas potenciais aplicações como nanosensor térmico para bio-sistemas. A
sensibilidade térmica das NPs de NaNbO3:Tm/Yb pode também ser comparado aquelas
tipicamente obtidas usando excitação por 2P como, por exemplo, NPs co-dopadas com
Er/Yb (que pode ser tão grande quanto 1 % °C-1) [23, 28], sendo quase uma ordem de
magnitude menor. Assim, quando comparado com NTLs baseado em NPs co-dopadas
com os íons Er/Yb, o NTL com excitação por 3P NaNbO3:Tm/Yb tem uma menor
sensibilidade térmica, mas por outro lado, elas oferecem a possibilidade de medir a
temperatura com uma maior resolução espacial.
Na tabela 3.1 apresentamos um resumo, para efeito de comparação, de alguns
dos parâmetros mais importantes no desempenho dos NTLs operando sob excitação por
1P, 2P e 3P. Nessa tabela incluímos a sensibilidade térmica a temperatura ambiente
(quando possível), o intervalo de operação de temperatura, o tipo de sensor e o intervalo
de operação dos comprimentos de onda de excitação e emissão. Além disso, a tabela
mostra (como mencionado anteriormente) que NTLs excitados por 1P e 2P apresentam,
em princípio, uma maior sensibilidade do que aqueles excitados por 3P. Entretanto,
entre todos os NTLs excitados por 3P, aquele baseado em nossos nanocristais codopados com Tm3+/Yb3+ mostra um desempenho satisfatório. O sistema Y2O3:Tm/Yb
[11] fornece uma melhor sensibilidade térmica, mas ele se encontra na forma de pó e
sua temperatura máxima de operação foi a temperatura ambiente, reduzindo
drasticamente suas potenciais aplicações como nanosensor térmico para bio-sistemas.
Neste ponto é importante mencionar que temos focado nossa atenção na transição
eletrônica 1G4 →3H6 porque foi a transição que mostrou a maior sensibilidade,
mantendo a terceira ordem do processo de excitação.
79
Tabela 3.1: Sensibilidade térmica para diferentes nanopartículas dopadas com diferentes
íons terras raras usados para sensor térmico via RIF. O intervalo espectral de operação é
também apresentado. Quando a temperatura não é indicada no valor da sensibilidade, é
porque a sensibilidade é constante no intervalo de temperatura de operação.
Nanotermômetro
Sensibilidade (%
-1
ºC )
Temperatura
Tipo
exc
em
de operação
de
(nm)
(nm)
Ref.
sensor
1P
LaF3:Nd
0,26
10-60°C
FIR
800
900
[29]
YAG:Nd
0,15
10-70°C
FIR
800
940
[30]
NaYF4:Nd
0,08@27ºC
0-150°C
FIR
830
870
[31]
NaYF4:Er/Yb
1,2
20-60°C
FIR
920
545,525
[2]
NaNbO3: Er/Yb
0,51
20-200°C
FIR
920-
530,550
[3]
NTL
1060
2P
AG:Er-Mo:Yb
0,45@127ºC
27-627ºC
FIR
980
522,546
[32]
Y2SiO5:Er/Yb (pó)
0,5
27-327ºC
FIR
975
530,555
[33]
NaGdF4:Tm/Yb@Tb/Eu
1,2
-148-27ºC
FIR
980
545,615
[34]
CaF2:Tm/Yb
0,25
25-50°C
FIR
920
790
[8]
Y2O3:Ho/Yb (pó)
2,0@27ºC
-173-27ºC
FIR
980
530,750
[11]
NaNbO3:Tm/Yb
0,08
20-140 °C
FIR
940
475,490
Este
NTL
trabalho
3P
Y2O3:Tm/Yb (pó)
5,0@27ºC
-173-27ºC
FIR
980
450,815
[11]
NaYbF4:Tm@SiO2
0,054@157ºC
127-427ºC
FIR
980
450,478
[6]
Y2O3:Ho/Yb/Zn
0,23@127ºC
27-377ºC
FIR
980
465,491
[12]
CaWO4: Ho/Yb
0,18@127ºC
27-627ºC
FIR
980
450,490
[15]
NTL
Fonte: Autor da tese, 2016.
Como uma prova de conceito, um simples experimento foi realizado para
demostrar a potencial aplicação de nossas nanopartículas de NaNbO3:Tm/Yb como
nanotermômetros luminescentes de alta resolução. A termo-sensibilidade da emissão
(obtida pela absorção de 3P) foi usada para determinar, em tempo real, o aquecimento
local nas nanopartículas de NaNbO3:Tm/Yb induzido pelo laser operando em 940 nm
(ao variar a potência de excitação), procedimento semelhante ao usado por Tikhomirov
e colaboradores [35], onde excitação por 2P foi usado em NPs co-dopadas com íons de
80
Er/Yb. Para isso, a amostra em pó foi pressionada a uma das fases internas de uma
cubeta. O laser operando em 940 nm foi focalizado na amostra por uma única lente
(com distância focal de 5 cm), o que proporcionou um raio do laser na amostra em torno
de 20 µm. Então a potência do laser foi sucessivamente elevada e a luminescência por
3P foi registrada e analisada para determinar o aumento local da temperatura causado
pelas diferentes transições não radiativas. A emissão no azul das NPs de
NaNbO3:Tm/Yb obtida para três diferentes potências de excitação (90, 280 e 560 mW),
são mostradas em detalhes na figura 3.7. Todos os espectros de emissão foram
normalizados, de modo que as alterações induzidas pelo aumento da potência se tornam
mais evidentes. Dessa forma, é possível observar um claro aumento na razão entre as
intensidades I480/I486 quando a potencia de bombeio é elevada, isso significa que está
ocorrendo um aumento significativo de temperatura no foco do laser (onde o laser
incide na amostra). Portanto, a emissão por 3P de nossas nanopartículas não apenas
evidencia o aquecimento local induzido pelo laser, mas também oferece a oportunidade
para estimar a sua magnitude.
Figura 3.7: Detalhes da intensidade de fluorescência por conversão ascendente de energia
em torno 484 para potências de excitação de 90, 280 e 560 mW, sob excitação em 940 nm e
temperatura ambiente.
Intensidade(u. a.)
1,0
0,9
0,8
P = 90 mW
P = 280 mW
P = 560 mW
0,7
0,6
475
480
485
490
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
81
A figura 3.8 (a) mostra a razão entre as intensidades I480/I486 das emissões
obtidas para diferentes potências de bombeio, revelando um comportamento (a
principio) linear. Então, usando a curva de calibração dos dados experimentais
mostrados na figura 3.6 (b), nós calculamos, para cada potência de bombeio, a
temperatura local na amostra (onde o laser incidia) e os resultados obtidos são
mostrados na figura 3.8 (b).
Figura 3.8: (a) Razão da intensidade de fluorescência (RIF) dos picos 480 nm e 486 nm em
função da potência de excitação e (b) correspondente variação da temperatura local
induzida pela potência de excitação nas NPs de NaNbO3:Tm/Yb sob excitação em 940 nm.
R = I480 nm/I492 nm
1,10
1,08
(a)
1,06
1,04
1,02
1,00
100
200
300
400
500
600
Potencia de excitação(mW)
100
(b)
Local T (°C)
80
60
40
20
0
100
200
300
400
500
600
Potencia de excitação (mW)
Fonte: Autor da tese, 2016.
82
Assim, verificou-se que a temperatura local na amostra aumenta linearmente
com a potência de bombeio, como era de fato esperado. Nas condições de nosso
experimento, obtemos uma taxa de aquecimento induzido pelo laser de 0,2 °C/mW, que
é bem menor do que a apresentada por V.K. Tikhomirov e colaboradores para
nanopartículas co-dopadas Er/Yb (perto de 2 °C/mW) [35]. Esta grande diferença pode
ser explicada pelas diferentes probabilidades não radiativas (que afeta a carga térmica
das NPs) e também nos experimentos realizados por V.K. Tikhomirov e colaboradores
usavam excitação laser em 975 nm, onde a absorção óptica do Yb é máxima.
Portanto, os dados apresentados nas figuras 3.6, 3.7 e 3.8 não só confirmam a
capacidade das nanopartículas de NaNbO3 para nanosensor térmico , mas também
apontam a sua possível aplicação como agente fototérmico capaz de simultaneamente
converter luz-para-calor e remotamente fazer a leitura térmica.
3.4 Conclusão
Em resumo, neste capítulo demostramos a potencial aplicação da emissão em
torno de 484 nm (gerada a partir de processo de excitação por três fótons) das NPs de
NaNbO3 co-dopadas com íons de Yb/Tm como NTL via RIF. Para isso, foi investigado
o efeito da temperatura na banda de emissão em torno de 484 nm para o intervalo de
temperatura de 24 a 140 °C. Assim, foi possível observar que a temperatura induz uma
redistribuição na população entre os níveis Starks do estado eletrônico 1G4 dos íons de
Tm3+, causando relevantes mudanças na intensidade nas linhas luminescentes em torno
de 480 e 486 nm que constituem a banda de emissão em 484 nm. Em seguida, foi
investigado o comportamento da razão entre as intensidades em 480 e 486 nm para o
intervalo de temperatura de 24 a 140 °C. Foi observado, que a razão entre as I480 e I486
apresentou um comportamento linear com a temperatura. A partir dos dados
experimentais foi realizado um ajuste linear da razão entre as I480 e I486 em função da
temperatura, o que nós levou a uma sensibilidade térmica constante de 0,08 % °C-1. Em
seguida, esta sensibilidade térmica foi comparada a de outros sensores térmicos
luminescentes presentes na literatura. Logo após, foi investigado o aquecimento local
induzido opticamente na superfície de nossas NPs. Portanto, os resultados apresentados
83
neste capítulo validam a capacidade das NPs de NaNbO3 co-dopados com íons de
Tm/Yb como NTL via RIF, mas também aponta a sua possível aplicação como agente
fototérmico capaz de simultaneamente converter luz-para-calor e remotamente fazer a
leitura térmica.
84
REFERENCIAS
1.
D. Jaque, a.e., Fluorescent nano-particles for multi-photon thermal sensing. J.
Lumin., 2013. 133: p. 249–253.
2.
Fiorenzo
Vetrone,
e.a.,
Temperature
Sensing
Using
Fluorescent
Nanothermometers. ACS Nano, 2010. 4(6): p. 3254-3258.
3.
Kumar, K.U., et al., Two Photon Thermal Sensing in Er3+/Yb3+ Co-Doped
Nanocrystalline NaNbO3. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2013.
13(10): p. 6841-6845.
4.
L. Caillat, a.e., Multiphotonupconversion in rare earth doped nanocrystals for
sub-diffractive microscopy. Appl. Phys. Lett., 2013. 102: p. 143114.
5.
Rocha, U., et al, Subtissue Thermal Sensing Based on Neodymium-Doped LaF3
Nanoparticles. Acs Nano. 7(2): p. 1188-1199.
6.
X. Wang, J.Z., Y. Xuan, X. Yan, Optical temperature sensing of NaYbF4:Tm3+
@ SiO2 core-shell micro-particles induced by infrared excitation. Opt.Expr. ,
2013. 21: p. 21596–21606.
7.
D.Y. Li, a.e., Optical temperaturesensor through infrared excited blue
upconversion emission in Tm3+/Yb3+codoped Y2O3. Opt. Commun. , 2012. 285:
p. 1925–1928.
8.
Dong, N.N., et al., NIR-to-NIR two-photon excited CaF2:Tm3+,Yb3+
nanoparticles: multifunctional nanoprobes for highly penetrating fluorescence
bio-imaging. ACS Nano, 2011. 5(11): p. 8665-71.
9.
N.G. Horton, a.e., In vivo three-photon microscopy of subcortical structures
within an intactmouse brain. Nat. Photon, 2013. 7: p. 205–209
10.
S. Maiti, a.e., Measuring sero-tonin distribution in live cells with three-photon
excitation. Science, 1997. 275: p. 530–532.
11.
V. Lojpur, a.e., Y2O3:Yb,T mand Y2O3:Yb,Ho powders for low-temperature
thermometry based on up-conversion fluorescence. Ceram. Int. , 2013. 39: p.
1129–1134.
12.
A. Pandey, V.K.R., Improved luminescence and temperature sensing performance of Ho3+-Yb3+-Zn2+:Y2O3 phosphor. Dalton Trans. , 2013. 42: p. 11005–
11011.
85
13.
F. Song, a.e., Upconversion blue emission dependence on the pump mechanism
for Tm3+-heavy-doped NaY(WO4)(2) crystal,. Appl. Phys. B. , 2007. 86: p. 653–
660.
14.
W. Xu, X.G., L. Zheng, Z. Zhang, W. Cao, Short-wavelength upconversion
emissions in Ho3+/Yb3+codoped glass ceramic and the optical thermometry
behavior. Opt. Expr. , 2012. 20: p. 18127–18137.
15.
W. Xu, a.e., Optical temperature sensing through the upconversion
luminescence from Ho3+/Yb3+ codoped CaWO4. Sens. Actuators B-Chem., 2013.
188: p. 1096–1100.
16.
P.V. dos Santos, a.e., Efficient energy upconversion emission in Tm3+/Yb3+codoped TeO2-based optical glasses excited at 1.064 m. J. Appl. Phys. , 2001.
90: p. 6550–6552.
17.
K.U. Kumar, W.F.S., K.V. Krishnaiah, C.K. Jayasankar, C. Jacinto, Three-and
two-photon upconversion luminescence switching in Tm3+/Yb3+- codoped
sodium niobate nanophosphor. J. Nanophotonics, 2014. 8: p. 083093-1 083093-9.
18.
Kumar, K.U., et al., Synthesis, Structural Properties and Upconversion
Emission of Er3+ and Er3+/Yb3+ Doped Nanocrystalline NaNbO3. Science of
Advanced Materials, 2012. 4(5-6): p. 584-590.
19.
Kumar, K.U., et al., Multicolor Upconversion Emission and Color Tunability in
Tm3+/Er3+/Yb3+ Tr-Doped NaNbO3 Nanocrystals. Materials Express, 2012.
2(4): p. 294-302.
20.
W. Xu, a.e., An optical temperature sensor based on the upconversion
luminescence from Tm3+/Yb3+ codoped oxyfluoride glass ceramic. Sens.
Actuators B-Chem. , 2012. 173: p. 250–253.
21.
Silva, W.F., Controle Óptico e Térmico das Propriedades Ópticas e Mecânicas
de Materiais Fotônicos, in UFAL - Instituto de Física. 2011.
22.
Zhang, F., Photon Upconversion Nanomaterials. 2015.
23.
L.M. Maestro, e.a., Nanoparticles for highly efficient multiphoton fluorescence
bioimaging Opt. Expr., 2010. 18: p. 23544–23553.
24.
M. Pollnau, a.e., Power dependenceof upconversion luminescence in lanthanide
and transition-metal-ion systems. Phys. Rev. B, 2000. 61: p. 3337–3346.
86
25.
C.
Jacinto,
e.a.,
Pump-power-controlled
luminescence
switching
inYb3+/Tm3+codoped water-free low silica calcium aluminosilicate glasses,.
Appl.Phys. Lett. , 2007. 91: p. 071102.
26.
E. Saidi, e.a., Scanningthermal imaging by near-field fluorescence spectroscopy.
Nanotechnology, 2009. 20: p. 115703.
27.
S.F. León-Luis, e.a., Role of the host matrix on the thermal sensitivity of
Er3+luminescence in optical temperature sensors. Sens. Actuators B: Chem. ,
2012. 174: p. 176–186.
28.
Jaque, D. and F. Vetrone, Luminescence nanothermometry. Nanoscale, 2012.
4(15): p. 4301-4326.
29.
E. Carrasco, e.a., Intratumoral thermal reading during photo-thermal therapyby
multifuncional fluorescent nanoparticles. Adv. Funct. Mater. , 2014.
30.
A. Benayas, e.a., Nd:YAG near-infrared luminescent nanothermometers.
Adv.Opt. Mater. , 2015.
31.
D. Wawrzynczyk, e.a., Neodymium(iii) doped fluoride nanoparticles as noncontact optical temperature sensors. Nanoscale, 2012. 4: p. 6959–6961.
32.
B. Dong, e.a., Temperature sensing andin vivo imaging by molybdenum
sensitized visible upconversion luminescenceof rare-earth oxides. Adv. Mater. ,
2012. 24: p. 1987–1993.
33.
N. Rakov, G.S.M., Three-photon upconversion and optical thermometry
characterization of Er3+:Yb3+ co-doped yttrium silicate powders. Sens. Actuators B-Chem. , 2012. 164: p. 96–100.
34.
S. Zheng, e.a., Lanthanide-doped NaGdF4 core-shell nanoparticles for noncontact self-referencing temperature sensors. Nanoscale, 2014. 6: p. 5675–5679.
35.
V.K. Tikhomirov, a.e., Opticalnanoheater based on the Yb3+ -Er3+ co-doped
nanoparticles. Opt. Expr., 2009. 17: p. 11794–11798.
87
4. NANOPARTÍCULAS DE NaNbO3 DOPADAS COM Tm3+ EXCITADAS EM
1,319 µm PARA NANOTERMOMETRIA LUMINESCENTE COM ALTA
PENETRAÇÃO E IMAGEAMENTO COM ALTO CONTRASTE.
Neste capítulo apresentamos as potenciais aplicações da emissão por conversão
ascendente de energia por excitação de dois-fótons das nanopartículas de Niobato de
Sódio (NaNbO3) dopadas com diferentes concentrações de Tm3+ (1-5 mol%) com
emissão em 800 nm e excitação em 1319 nm operando, respectivamente, dentro da
primeira e segunda janelas biológicas para nanotermometria luminescente e bioimagens com alta resolução espacial e alta penetração. O perfil espectral de
luminescência por conversão ascendente de energia em torno de 800 nm (3H4→3H6)
será analisado em detalhes no intervalo de temperatura de 22-90 °C. A redistribuição de
população dos subníveis Stark termicamente acoplados demostrou ser promissora para
aplicações em nanotermometria luminescente via RIF. Além disso, a profundidade de
penetração em tecido ex vivo usando o comprimento de onda em 1319 nm também será
investigada com o intuído de obtermos bioimagens com maior profundidade e alto
contraste.
4.1 INTRODUÇÃO
Avanços tecnológicos baseados em nanopartículas luminescentes (NPLs) têm
sido objeto de intenso estudo nas últimas décadas e isso se deve principalmente ao seu
grande potencial de aplicabilidade em biofotônica moderna [1-3]. Dentre as suas
principais aplicações, podemos destacar nanotermômetros luminescentes (NTLs) [4-8],
bio-imagens com alta resolução e em hipertermia para diagnostico e terapia de doenças
[1, 9-13]. Os NTLs têm sido principalmente usados em biomedicina para determinar a
temperatura de muitos sistemas, sendo de particular interesse na medicina (tal como em
células vivas) [7, 14, 15], bem como, em controle de temperatura em tempo real no
tratamento de tumores cancerígenos em pequenos animais através de hipertermia [8, 1618].
88
Considerando os diferentes NTLs já demostrados na literatura [4, 5], podemos
destacar aqueles baseados na emissão por conversão ascendente de energia
(upconversion) de nanopartículas (UCNPs) [19-22] dopadas com íons terra raras, assim
como, aqueles por conversão descendente de energia (downconversion) de
nanopartículas (DCNPs) [8, 15]. Geralmente, NTLs baseados em UCNPs utilizam
absorções sucessivas e/ou transferência de energia (TE) de fótons no infravermelho
próximo (NIR) para promover a população eletrônica para estados excitados mais
elevados, que eventualmente levam a emissão de fótons com maior energia que podem
estar localizados na região do ultravioleta, visível e NIR [19, 22-26]. O processo de
excitação por absorção de multi-fótons, em principio, leva a resoluções espectrais e
espaciais maiores [1, 9, 27-29]. No entanto, apesar dos bons resultados obtidos até
agora, as aplicações práticas de NTLs baseados em UCNPs são severamente limitadas
em sistemas biológicos, porque a grande maioria dos NTLs baseados em UCNPs
operam na região do visível do espectro eletromagnético. A luz emitida nesta região de
comprimento de onda exibe uma profundidade de penetração reduzida em tecidos
biológicos, devido à combinação de efeitos de espalhamento (devido a não
homogeneidade do tecido) e a absorção da luz (causados pelos diferentes componentes
presentes nos tecidos reais tal como o sangue) pelos tecidos humanos [10, 30].
Afim de superar estes obstáculos técnicos, esforços vêm sendo feitos com o
intuito de desenvolver NPLs que operam dentro das chamadas “janelas biológicas”
(JBs) dos tecidos humanos [9, 16, 30]. As JBs são regiões espectrais onde os tecidos
humanos são parcialmente transparentes, isso significa dizer que, luz com esses
comprimentos de onda podem alcançar maiores profundidades de penetração nos
tecidos (que compõem o corpo humano) [10, 15, 31]. Tradicionalmente, as JBs são
divididas em duas: a primeira JB (I- JB, que se estende de 650 até aproximadamente
940 nm) e a segunda JB (II- JB, que se estende de 1000 a 1400 nm). Estas duas JBs são
separadas pelo pico de absorção da água em 980 nm (que é o mesmo pico de absorção
do Yb, que é o principal íon usado como sensibilizador) que limita o comprimento de
penetração da luz nos tecidos. Este maior comprimento de penetração nos tecidos na IJB é causada por uma absorção desprezível dos componentes tipicamente presentes nos
tecidos, tais como a água e hemoglobina. Já na II-JB, o maior comprimento de
penetração nos tecidos é causada pela redução do coeficiente de espalhamento
associado com esses maiores comprimento de onda [30, 32]. Por isso, um marcador
89
fotoluminescente ideal aplicado em imagens em vitro e em vivo deve ter uma alta
eficiência quântica de fotoluminescência; uma faixa espectral adequada de 650-940 ou
1000-1400 nm para os comprimentos de onda de emissão/excitação para minimizar
espalhamento e fornecer um maior comprimento de penetração da luz nos tecidos; e
uma grande distância espectral entre a emissão e excitação para minimizar efeitos de
fundo devido ao espalhamento da fonte de excitação [11, 33].
Mais recentemente, muitos grupos de pesquisas têm explorado o íon Nd3+
como sensibilizador devido à sua principal banda de absorção em torno de 800 nm que
se encontra dentro da I-JB. Essa ideia é muito interessante tanto para DCNPs operando
na I-JB [11, 15, 34] e na II-JB [8, 10, 28, 35] quanto para UCNPs atuando na região do
visível [7, 13, 36, 37]. Por outro lado, NIR-para-NIR (com excitação e emissão no NIR)
UCNPs para bioimagens in vivo já foi demonstrado em animal (corpo inteiro), mas
somente usando o íon Yb3+ como sensibilizador [22, 38, 39], limitando a resolução da
imagem devido à absorção da água e também limintando o comprimento de penetração
no tecido. Nestes trabalhos citados, o íon de Tm3+ é usado como ativador, utilizando a
emissão (3H4→3H6) no NIR dentro da “janela de transmissão óptica”. Por outro lado, a
emissão do íon de Tm3+ no NIR é geralmente acompanhada de competitivas
luminescências por conversão ascendente de energia no azul e no ultravioleta, e esta
limitação na seletividade da emissão impede o progresso de aplicações em
multiplexados. De fato, seletividade de emissões ainda é um desafio.
Para resolver este problema uma série de estratégias têm sido desenvolvidas,
que incluem o controle da concentração dos íons terra raras [40], uso de potência de
bombeio como um controlador [41, 42], incorporação de níveis de energia extrínsecos
de outros lantanídios ou íons de metais de transições e manipulação da transferência de
energia pela introdução de aceitadores dentro da nanopartícula em posições específicas
[40, 43]. Entretanto, diversos efeitos podem ocorrer quando se utiliza as abordagens
acima mencionadas. Por exemplo, a concentração em excesso de íons pode levar a
supressão da luminescência reduzindo a emissão por conversão ascendente de energia;
embora a manipulação em multicascas (multi-shell) para favorecer ou desfavorem uma
emissão específica seja muito interessante, este é um processo de fabricação tedioso que
exige uma grande quantidade de testes para obter um resultado efetivo; controlador de
potência poderia não ser eficaz para várias aplicações específicas, principalmente em
90
bio-sistema; etc. Por isso, uma eficiente modulação da seletividade da conversão
ascendente de energia ainda requer grande esforço da comunidade científica.
Dessa forma, neste capítulo nos discutiremos sobre conversão ascendente de
energia por excitação de dois-fótons (2P) de nanopartículas de Niobato de Sódio
(NaNbO3) dopadas somente com o íon de Tm3+ (Na(1-0.01.x)Tm(0.01.x)NbO3, onde x = 1, 3
e 5 mol%, que daqui por diante simbolizaremos por NPs NaNbO3:xTm) abordando
muitos das questões discutidas anteriormente.
4.2 APARATO EXPERIMENTAL
O aparato experimental usado na aquisição dos espectros de luminescência é
mostrado na figura 4.1. Os experimentos de fluorescência foram realizados nas
nanopartículas (em pó) de NaNbO3 dopadas com o íon Tm3+, em três concentrações
diferentes 1, 3 e 5 mol%. As medidas de fotoluminescência foram realizadas no
intervalo entre 450 e 860 nm. A fonte de excitação foi um laser de Nd:YAG
(Quantronix modelo 416-2L) operando em 1,319 m no regime cw. O laser operava
com potência máxima de 1,5 W. Para controlar a potencia de bombeio foi usando um
polarizador. Para focalizar o feixe sobre a superfície da amostra foi utilizado uma lente
com 5 cm de distancia focal e neste regime o raio do feixe na amostra foi estimado em
aproximadamente 40 m.
O sinal de luminescência foi coletado diretamente da amostra por meio de uma
fibra óptica conectada a um espectrômetro (modelo USP200, da empresa Ocean Optics),
que ao ser conectado a um computador mostrava o sinal de luminescência em tempo
real. Para investigar as mudanças induzidas pela temperatura na luminescência no NIR
das amostras de NaNbO3:Tm, a nanopartículas em pó foram colocadas em um forno
feito com pastilhas peltier (o controlador de temperatura funciona entre a temperatura
ambiente até aproximadamente 200 °C com uma estabilidade de temperatura estimada
em 1ºC) e um termopar acoplado a um multímetro para determinar a temperatura do
sistema.
91
Figura 4.1: Aparato experimental usado nos experimentos de luminescência das
nanopartículas de NaNbO3 dopas com diferentes concentrações de Tm3+.
Fonte: Autor da tese, 2016.
4.3 RESULTADOS E DISCUSÕES
A figura 4.2 (a) mostra, para temperatura ambiente, espectros típicos de
luminescência por conversão ascendente de energia por excitação por 2P das
nanopartículas de NaNbO3 dopadas com 1 mol% de íons Tm3+ sob excitação de laser
cw de Nd:YAG operando em 1319 nm, para três diferentes potências de excitação 300,
600 e 900 mW. Nota-se na figura 4.2 (a), que o sinal de luminescência medido consiste
de uma única banda de emissão (localizada na região do NIR do espectro
eletromagnético) centrada em torno de 800 nm, que é atribuída à transição eletrônica
3
H4→3H6 característica do íon de Tm3+[45].
92
Figura 4.2: Espectros de luminescência por conversão ascendente de energia das
nanopartículas de NaNbO3 dopadas com 1 mol% de Tm3+ sob excitação em 1319 nm e
temperatura ambiente, para três potências de excitação 300, 600 e 900 mW.
2500
Intensidade (u. a.)
3
H4
900 mW
600 mW
300 mW
2000
3
H6
1500
1000
NaNbO: 1Tm
exc = 1319 nm
500
0
500
600
700
800
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
O mecanismo mais provável de população dos níveis de energia dos íons de
Tm3+ que dão origem a banda de emissão em torno de 800 nm mostrada na figura 4.2, já
foi explicado por Gouveia-Neto e colaboradores [45], é importante mencionar aqui que
este mecanismo envolve a absorção sequencial de 2P assistida por processos de multifônons Stokes e anti-Stokes. Inicialmente, um íon de Tm3+ no estado fundamental 3H6
absorve um fóton do laser de bombeio em 1319 nm, e é promovido ao estado excitado
3
F4 (por processos Stokes, ou seja, doando fônons para a rede) ou para o estado excitado
3
H5 (por processos anti-Stokes, ou seja, recebendo fônons da rede) e em seguida decai
de forma não radiativa para o nível 3F4. A partir desse nível, o íon de Tm3+ absorve um
segundo fóton de bombeio e por absorção de estado excitado ele é conduzido para o
nível 3H4 (por processos Stokes) ou ao nível 3F2,3 (por processos anti-Stokes). A partir
do estado excitado 3H4, o íon de Tm3+ decai radiativamente para o estado fundamental
3
H6 gerando luminescência por conversão de energia por absorção de dois fótons (2P)
em torno de 800 nm, como pode ser visto na figura 4.2. Já do nível 3F2,3, o íon de Tm3+
podem decair radiativamente para o estado fundamente 3H6, dando origem a banda de
93
emissão em 690 nm. No entanto, em nossas NPs a banda de emissão em 690 é
desprezível, não sendo assim detectada nos espectros mostrados na figura 4.2.
Figura 4.3: Diagrama de níveis de energia simplificado para excitação e emissão por
conversão ascendente de energia para sistemas dopados com íon de Tm3+ sob excitação em
1319 nm.
3
F2,3 (4)
15
H4 (3)
3
10
exc
-1
Energia (10 cm )
3
RC1
3
H5 (2)
RC2
0
1800 nm
800 nm
F4 (1)
690 nm
5
exc=1.319 m
3
3
Tm
3+
H6 (0)
Fonte: Gouveia-Neto, A. S.,2015 [45].
A dependência da luminescência em relação a potência de excitação foi
investigada experimentalmente e os resultados podem ser observados na figura 4.4,
onde se apresenta o gráfico log-log da intensidade de fluorescência gerada em 800 nm
como função da potência de excitação (Pexc). Os resultados obtidos indicam de fato à
segunda ordem do processo que dá origem a emissão em 800 nm, uma vez que o valor
da inclinação obtida experimentalmente (~2,18) esta muito próximo do valor esperado 2
[19, 45, 46].
94
Figura 4.4: Gráfico log-log da intensidade de emissão por conversão ascendente de energia
em torno de 800 nm em função da potencia de excitação.
Log(I800 nm)
5,0
4,8
NaNbO: 1Tm
exc = 1319 nm
Slope = 2.18
4,6
4,4
2,70
2,75
2,80
2,85
2,90
2,95
3,00
Log(Pexc)
Fonte: Autor da tese, 2016.
Em trabalhos anteriores, foi investigado o processo de excitação assistido por
fônons quando sob excitação em 1064 nm, de vários sistemas dopados com íons terrasraras, mas geralmente usando o íon de Yb3+ como sensibilizador [42, 47, 48]. Com o
intuito de avaliar a eficácia da participação de fônons ópticos na emissão gerada no
NIR, a dependência da intensidade de luminescência com a temperatura na amostra foi
investigada experimentalmente e os resultados obtidos são mostrados na figura 4.5 para
três temperaturas diferentes 30, 60 e 90 °C. Como pode ser observado na figura 4.5
existe um aumento notável na intensidade de emissão em torno de 800 nm com o
aumento da temperatura. Este resultado já era esperado, uma vez que, de acordo com o
modelo proposto para explicar o mecanismo de excitação da emissão gerada por
conversão ascendente de energia em torno de 800 nm, este requer a participação fônons
ópticos através de absorção Stokes ou anti-Stokes assistida por multi-fônons para o
estado fundamental e excitado. É importante notar ainda que, nenhuma outra
intensidade de emissão apreciável surge com o aumento da temperatura, sendo
95
detectado apenas traços das bandas de emissão em torno de 650 e 700 nm. Estas
emissões são geralmente obtidas por meio das transições eletrônicas 1G4→3F4 (por 3
fótons de bombeio) e 3F2,3→3H6 (por 2 fótons de bombeio), respectivamente.
Figura 4.5: Espectros de emissão por conversão ascendente de energia das nanopartículas
de NaNbO3 dopadas com 1 mol% de Tm3+ sob excitação laser em 1319 nm e potência de
excitação de 350 mW, para três diferentes temperaturas 30, 50 e 90 °C.
4000
30 °C
60 °C
90 °C
Intensidade (u. a.)
3500
3000
2500
2000
1500
NaNbO3:1Tm
exc = 1319 nm
1000
500
0
600
650
700
750
800
850
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
A dependência da intensidade de emissão (área integrada sob a curva) em 800
nm das nanopartículas de NaNbO3:xTm (para x = 1, 3 e 5 mol%) em função da
temperatura das amostras no intervalo de 30 a 172 °C foram investigadas
experimentalmente e os resultados, para as três concentrações, são mostrados na figura
4.6. Ao contrário dos resultados recentemente publicados [45], pode ser facilmente
notado que a dependência do sinal medido da emissão com a temperatura depende da
concentração de íons de Tm3+ usada neste trabalho. Aumentando a temperatura, a
intensidade de emissão aumenta até que em uma temperatura específica (que depende
da concentração de íons de Tm3+) ela começa a diminuir. Estes valores máximos em
96
temperatura diferentes para cada concentração é uma indicação da participação de
processos de relaxação cruzada (RC) assistida por multi-fônons que se torna mais
expressivo para temperaturas mais elevadas. Os processos de RC são indicados na
figura 4.3, e enquanto a RC1 (3H4, 3H6 → 3F4, 3F4) é um processo Stokes, a RC2 (3H4,
3
H6 → 3H5, 3F4) é um processo anti-Stokes e ela deve aumentar com o aumento da
temperatura, levando a uma redução da emissão em 800 nm. De fato, a emissão em 800
nm da amostra com 5 mol% de Tm3+ inicia a sua redução com a temperatura em torno
de 100 °C e vai a praticamente a zero em aproximadamente 172 °C.
Figura 4.6: Área integrada da curva de emissão em torno de 800 nm (do espectro de
conversão ascendente de energia) em função da temperatura, para as três concentrações
de íons de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%), para excitação laser em 1319 nm e potencia de bombeio
Área integrada em 800 nm (u.a.)
de 350 mW.
NaNbO3:1Tm
4
NaNbO3:3Tm
NaNbO3:5Tm
3
2
1
0
40
60
80
100
120
140
160
180
Temperatura(°C)
Fonte: Autor da tese, 2016.
A figura 4.7 apresenta esquematicamente as extensões espectrais da primeira e
segunda janelas biológicas as quais são limitadas pela dispersão da hemoglobina e
absorção da melanina por luz com pequenos comprimentos de onda, além da absorção
da água para comprimentos de onda longos (estes três componentes estão representados
97
através do coeficiente de atenuação do sangue humano oxigenado no intervalo espectral
550-1600 nm). Além disso, também é mostrado a banda de emissão em torno de 800 nm
(que se encontra dentro da I-JB) das NPs de LaF3 dopadas com 1 mol% de Tm3+ e a
excitação laser em 1319 nm (que se encontra dentro da II-JB) usada ao longo desse
capítulo. É importante comentar que a emissão em 800 nm é facilmente detectada no
regime de baixa potência de excitação (por exemplo, 150 mW) usando um sistema de
detecção sem qualquer amplificador de sinal.
Figura 4.7: Espectro de emissão emitido das nanopartículas de NaNbO3 dopadas com 1
mol% de íons de Tm3+; espectro da excitação laser em 1319 nm usado ao longo de todo
este capítulo; também é incluído o coeficiente de atenuação do sangue humano (oxigenado)
no intervalo espectral de 550-1470 nm. As extensões espectrais da primeira e segunda
-1
II - JB
I - JB
1,2
3+
Emissão do Tm
1,0
Coeficiente de atenuação (cm )
Intensidade de emissão (u.a.)
janelas biológicas também são esquematicamente indicadas.
Laser
100
0,8
0,6
10
0,4
0,2
0,0
0,6
0,8
1,0
1,2
Comprimento de onda (m)
1,4
1
Fonte: Autor da tese, 2016.
A alta eficiência da emissão por conversão ascendente de energia dessas NPs,
juntamente com grande separação espectral (próximo de 520 nm) entre os
comprimentos de onda de emissão e excitação e principalmente pela excitação dentro da
II-JB e o processo excitação de 2P, por tudo isso, espera-se que sejam obtidas bioimagens fluorescentes com alto contraste usando as NPs de NaNbO3:Tm. É interessante
98
reportar que nenhum sinal foi detectado usando nanopartículas de LaF3 dopadas com
íons de Tm3+ sob excitação laser em 1319 nm, devido principalmente a baixa energia de
fônons da matriz LaF3 (normalmente menor que 400 cm-1) [49, 50], que tornaria
necessário um grande número de fônons para completar o processo de excitação.
Figura 4.8: (primeira linha, da esquerda para direita) Imagens de transmissão óptica de
células Hela incubadas com uma solução de NPs de CaF2:Er3+/Yb3+, imagem de
fluorescência por dois fótons, e sobreposição das duas imagens anteriores. (segunda linha,
da esquerda para direita) Imagens de transmissão óptica de células Hela incubadas com
uma solução de NPs de CaF2:Tm3+/Yb3+, imagem de fluorescência por dois fótons, e
sobreposição das duas imagens anteriores.
Fonte: Dong, N. N., 2011 [22].
A figura 4.8 mostra bio-imagens fluorescentes (por fótons de excitação) in
vitro obtidas por Dong e colaboradores [22] a partir de células Hela incubadas com
solução de NPs de CaF2 co-dopadas com íons de Er/Yb e Tm/Yb, usando excitação em
920 nm. De fato foi observado que as bio-imagens in vitro obtidas a partir das NPs de
CaF2 dopadas com Tm/Yb apresentam uma maior resolução espacial em comparação
com as obtidas a partir da emissão no verde (532 nm) das NPs de CaF2 dopadas com
Er/Yb, devido principalmente pelo o uso emissão em torno de 790 nm dos íons de Tm3+
encontra-se dentro da I-JB, possuindo assim um comprimento de penetração muito
maior do que o apresentado pele emissão em 532 nm (como mostrado na figura 4.9 ).
Infelizmente não temos microscópio confocal com comprimento de onda de excitação
em 1319 nm, por isso, não foi possível fazer quaisquer imagens. Porém, é importante
99
ressaltar que, para o conhecimento do autor desta tese, que estes são os primeiros
resultados que englobam excitação por 2P de NPs cuja emissão encontra-se dentro da IJB e com excitação dentro da II-JB.
Figura 4.9: Medida da intensidade de emissão em 532 nm (pontos verdes) e 790 nm
(pontos vermelhos) para as NPs de CaF2 co-dopadas com Eb/Yb e Tm/Yb,
respectivamente, como função do comprimento do tecido fantasma.
Fonte: Dong, N. N., 2011 [22].
No capítulo 3 desta tese, apresentamos à sensibilidade térmica da emissão por
conversão ascendente de energia em torno de 484 nm (azul), proveniente de excitação
por três fótons, das NPs de NaNbO3:Yb/Tm para NTL com alta resolução espacial [19].
Mas, uma vez que a excitação por 2P em 1319 nm (localizada dentro da II-JB) gerando
emissão em 800 nm (localizado dentro da I-JB) por conversão ascendente de energia a
partir das NPs de NaNbO3:Tm foi evidenciado, seu potencial uso como nanotermômetro
luminescente será sistematicamente testado.
A figura 4.10 mostra em detalhes a intensidade de emissão normalizada gerada
pelas NPs de NaNbO3 dopadas com 1 mol% de íons de Tm3+ para três temperaturas: 30,
60 e 90 °C. Pode-se observar claramente que o perfil espectral da emissão é fortemente
dependente da temperatura. Numa primeira análise da emissão em 800 nm por
conversão ascendente de energia das NPs de NaNbO3:Tm, pode-se afirmar que ela é
constituída por duas bandas luminescentes centradas em torno de 797 e 807 nm. Estas
100
duas linhas de fluorescência correspondem a duas diferentes transições radiativas entre
diferentes subníveis de energia Starks, pertencentes ao estado excitado 3H4 do íon de
Tm3+, para o estado fundamental. Devido à pequena separação (em energia) entre esses
subníveis Starks (somente algumas dezenas de cm-1), eles são termicamente acoplados.
Neste caso, pequenas variações de temperatura podem produzir mudanças notáveis nas
intensidades relativas delas, como consequência da redistribuição da população destes
subníveis.
Figura 4.10: Espectros de emissão normalizados das NPs de NaNbO3 dopadas com 1
mol% de Tm3+, sob excitação laser em 1319 nm e potência de bombeio de 350 mW nas
temperaturas de 30, 60 e 90 °C. As linhas pontilhadas são as deconvoluções com
NaNbO3: 1Tm
1,0
0,8
30 °C
60 °C
90 °C
0,4
0,2
0,0
760
780
800
807 nm
0,6
797 nm
Intensidade normalizada (u. a.)
Lorentzianas dos espectros principais.
820
840
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
Os espectros apresentados na figura 4.8 revelam que em temperatura ambiente
o pico centrado em torno de 807 nm é notavelmente menor do que aquele em 797 nm.
Entretanto, com o aumento da temperatura até 90 °C o pico de emissão em 807 nm
aumenta consideravelmente em comparação ao pico em 797 nm. Porém, como podemos
101
observar nos espectros de deconvolução (linhas pontilhadas) apresentados na figura 4.8,
enquanto a intensidade de emissão (neste caso a área sob a curva de deconvolução do
pico em 797 nm) em 797 nm (I797) aumenta com a temperatura a intensidade de emissão
(neste caso a área sob a curva de deconvolução do pico em 807 nm) em 807 nm (I807)
diminui, assim, ocorre um aumento significativo na razão entre as intensidades (I797/I807)
de fluorescência (RIF), como é mostrado na figura 4.11 para as três amostras com
diferentes concentrações dos íons de Tm3+.
Figura 4.11: Razão entre as intensidades de fluorescência (RIF) em 797 e 807 nm como
função da temperatura para as nanopartículas de NaNbO3 dopadas com três
R = I797 nm/I807 nm
concentrações diferentes dos íons de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%).
1,5
R1 = 0.93 + 0.0064 x T
1,4
R3 = 0.69 + 0.0051 x T
1,3
R5 = 0.67 + 0.0066 x T
1,2
1,1
1,0
1 % Tm
3 % Tm
5 % Tm
0,9
0,8
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura(°C)
Fonte: Autor da tese, 2016.
Para o intervalo de temperatura investigado apresentado na figura 4.11, foi
observado que as razões entre as intensidades de fluorescência (I797/I807) cresce
linearmente com a temperatura. As intensidades foram determinadas pelo cálculo da
área sob a curva de deconvolução (curvas com linhas pontilhadas) para cada pico de
intensidade de emissão (797 e 807 nm), como mostrado na figura (4.10). Dessa forma, a
dependência linear da razão das intensidades com a temperatura fornece uma
102
sensibilidade térmica praticamente independente da temperatura, tornando fácil a leitura
da temperatura a partir do sensor térmico. As linhas solidas (de cor preta) mostradas na
figura 4.11 são ajustes lineares dos dados obtidos experimentalmente, a partir das quais
as sensibilidades térmicas de 0.64, 0.51 e 0.66% °C-1 foram obtidas para as amostras
dopadas com 1, 3 e 5 mol% de Tm3+, respectivamente.
Figura 4.12: Sensibilidade térmica relativa em função da temperatura para as três
amostras investigadas.
-1
Sr = (1/R)dR/dT (% °C )
0,9
1%Tm
3%Tm
5%Tm
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
30
35
40
45
50
55
60
65
Temperatura (°C)
Fonte: Autor da tese, 2016.
A figura 4.12 mostra a sensibilidade térmica relativa (Sr) (também definida do
capítulo 2, a partir da equação 2.10) para a razão entre as intensidades de emissão (R =
I797/I807) para as amostras (1, 3 e 5 mol% de Tm3+) em função da temperatura. Como
pode-se observar na figura 4.10, Sr é praticamente constante tanto em relação à
temperatura quanto em relação à concentração de íons de Tm3+ usada para dopar as
nanopartículas, apresentando um valor médio de 0,75 % °C-1 para a amostra dopada
com 5 mol% de Tm3+ no intervalo de temperatura de 30-60 °C, que é maior que o
obtido para NPs de NaNbO3:Er/Yb [20] e mais da metade do apresentado pelas NPs de
NaYF4:Er/Yb [14], que foi apresentado como um dos NTLs mais sensíveis, entretanto
operando na região do visível.
103
A eficiência do aquecimento local induzido pela potência de excitação laser foi
também investigado diretamente nos nanocristais (em pó). Neste caso, foi usado a
amostra NaNbO3:1Tm, uma câmera térmica (FLIR E40) para medir a temperatura da
superfície na amostra, um laser cw operando em 1319 nm para induzir o aquecimento
na superfície da amostra, uma lente de distância focal de 5 cm para focalizar o laser
sobre a amostra. A figura 4.13 mostram os resultados obtidos e como pode ser
observado, quando a potencia de excitação variou de 0 a 800 mW, a temperatura local
sobre a amostra variou aproximadamente 15 ºC, indicando que o sistema é um possível
candidato para hipertermia, entretanto, não muito eficiente. Os resultados apresentados
nas figuras 4.5, 4.6, 4.8, 4.9 e 4.10, foram, portanto, todos previamente corrigidos por 8
ºC por que a potência de excitação usada foi de 350 mW.
Figura 4.13: Temperatura local na superfície das NPs de NaNbO3:1Tm induzido pelo laser
de excitação, medida com a câmera térmica, em função da potência de excitação. Em
detalhes são apresentadas imagens térmicas para diferentes potências de excitação.
Fonte: Autor da tese, 2016.
104
Para avaliar os efeitos da absorção e espalhamento da luz na profundidade de
penetração óptica em tecidos biológicos, realizamos um experimento de transmitância
em ex vivo, usando o músculo peitoral de frango (MPF). Para isso, preparamos várias
lâminas contendo MPF com diferentes espessuras, e então medimos a transmitância da
luz laser (sem focalizar) em 800 nm (dentro da I-JB) e 1319 nm (dentro da II-JB). Os
resultados obtidos são mostrados na figura 4.14, como pode ser observado a intensidade
da luz transmitida em 800 nm decai expressivamente mais rápido do que a em 1319 nm,
isso ocorre principalmente devido efeito de redução do coeficiente de espalhamento da
luz (associado a sua maior magnitude, ou seja, quanto maior menor será os efeitos de
espalhamento) [29].
Figura 4.14: Intensidade transmitida normalizada em 800 nm e 1319 nm em função da
espessura do músculo peitoral de frango. A profundidade de penetração representada por
Intensidade Trasmitida Normalizada
di , obtido do ajuste exponencial dos dados experimentais.
exc = 0.80 m
1,0
exc = 1.32 m
0,8
d0.80 m = (1.06 0.07) mm
d1.32 m = (2.30 0.20) mm
0,6
0,4
0,2
0,0
0
2
4
6
Espessura do tecido (mm)
8
10
Fonte: Autor da tese, 2016.
As linhas solidas na figura 4.12 são ajustes exponenciais aos dados
experimentais, a partir dos quais foi possível estimar os comprimentos de penetração
como sendo 2,3 mm e 1,06 mm para 1319 nm e 800 nm, respectivamente. De fato,
experimentos de bio-imagens usando comprimento de onda de excitação em1280 nm e
105
comparando com bombeio em 775 nm revelaram melhorias na resolução de imagem e
profundidade de penetração com excitação na II-JB [29]. Combinando os resultados
obtidos para 800 nm e 1319 nm, pode-se afirmar que a profundidade de penetração, tão
longa quanto, 3 mm é possível de ser alcançado e este valor é duas vezes maior do que
os obtidos usando potencia de excitação e emissão em 920 e 800 nm [22],
respectivamente.
4.4 CONCLUSÃO
Em síntese, neste capítulo investigamos as potenciais bioaplicações das
nanopartículas de NaNbO3 dopadas com diferentes concentrações de Tm (1, 3 e 5
mol%) como NTL e em bio-imagens fluorescentes. Através dos espectros de emissão
,obtidos sob excitação em 1319 nm, observamos que somente uma banda de emissão em
800 nm é gerada na região do visível-NIR. Verificamos que a intensidade da banda de
emissão em 800 nm duplica quando a temperatura da amostra variou de 30 a 90 °C.
Além disso, este aumento da intensidade de emissão vem acompanhado de uma
redistribuição da população dos subníveis Starks termicamente acoplados de duas
diferentes linhas espectrais que compõem a banda de emissão em 800nm. Para as três
amostras analisadas a razão entre as intensidades em 797 e 807 nm mostraram um
comportamento linear com a temperatura para o intervalo de 24 a 90 °C, o que justifica
a sua possível aplicação como NTL. E como, a emissão e excitação de nossas NPs se
encontram dentro da primeira e segunda janelas biológicas, respectivamente, existe
grande possibilidade de obtermos NTL e bio-imagens fluorescentes com grande
resolução espacial e uma maior profundidade de penetração, uma vez que efeitos como
espalhamento e autofluorescência são minimizados. Além disso, com base no
experimento de penetração realizado, foi possível observar claramente que essa
configuração proporciona uma maior profundidade de penetração e, de fato,
profundidade de penetração tão grandes quanto 3 mm são potencialmente geradas.
Portanto, as NPs de NaNbO3 dopados com íons de Tm3+ surgem como excelente
nanomostrador multifuncional para imagens fluorescentes com alto contraste e
penetração, e nanotermômetro luminescente com alta sensibilidade térmica para
bioaplicações.
106
REFERENCIAS
1.
Jaque, D.e.a., Inorganic nanoparticles for optical bioimaging. Adv. Opt and
Phot., 2016. 8(1): p. 1-103.
2.
Jaque, D.J., C., Luminescent nanoprobes for thermal bio-sensing: Towards
controlled photo-thermal therapies. Journal of Luminescence 2016. 169: p. 394399.
3.
Prasad, P.N., Introduction to nanomedicine and nanobioengineering. 2012, John
Wiley & Sons, Inc: New Jersey.
4.
Brites, C.D., et al, Thermometry at the nanoscale. Nanoscale, 2012. 4(16): p.
4799-4829.
5.
Jaque, D. and F. Vetrone, Luminescence nanothermometry. Nanoscale, 2012.
4(15): p. 4301-4326.
6.
Fischer, L.H.H., G. S.; Wolfbeis, O. S., Upconverting Nanoparticles for
Nanoscale Thermometry. Angewandte Chemie-International 2011. 50(20): p.
4546-4551.
7.
Ximendes, E.C., et al., Self-monitored photothermal nanoparticles based on
core-shell engineering. Nanoscale. 8(5): p. 3057-3066.
8.
Ximendes, E.C., et al, Unveiling in Vivo Subcutaneous Thermal Dynamics by
Infrared Luminescent Nanothermometers. Nano Letters, 2016. 16(3): p. 16951703.
9.
Quek, C.H.L., K. W. , Near-Infrared Fluorescent Nanoprobes for in Vivo
Optical Imaging. Nanomaterials 2012. 2: p. 92-112.
10.
Rocha, U., et al, Neodymium-Doped LaF3 Nanoparticles for Fluorescence
Bioimaging in the Second Biological Window. Small. 10(6): p. 1141-1154.
11.
Chen, G., et al., Core/shell NaGdF4:Nd(3+)/NaGdF4 nanocrystals with efficient
near-infrared
to
near-infrared
downconversion
photoluminescence
for
bioimaging applications. ACS Nano, 2012. 6(4): p. 2969-2977.
12.
Hemmer, E., et al., Upconverting and NIR emitting rare earth based
nanostructures for NIR-bioimaging. Nanoscale, 2013. 5(23): p. 11339-11361.
107
13.
Wang, Y.F., et al., Nd3+Sensitized Upconversion Nanophosphors: Efficient In
Vivo Bioimaging Probes with Minimized Heating Effect. Acs Nano, 2013. 7(8):
p. 7200-7206.
14.
Fiorenzo
Vetrone,
e.a.,
Temperature
Sensing
Using
Fluorescent
Nanothermometers. ACS Nano, 2010. 4(6): p. 3254-3258.
15.
Rocha, U., et al, Subtissue Thermal Sensing Based on Neodymium-Doped LaF3
Nanoparticles. Acs Nano. 7(2): p. 1188-1199.
16.
Maestro, L.M., et al., Heating efficiency of multi-walled carbon nanotubes in the
first and second biological windows. Nanoscale, 2013. 5(17): p. 7882-7889.
17.
Haro-Gonzalez, P., et al., Quantum Dot-Based Thermal Spectroscopy and
Imaging of Optically Trapped Microspheres and Single Cells. Small, 2013.
9(12): p. 2162-2170.
18.
Carrasco, E., et al., Intratumoral Thermal Reading During Photo-Thermal
Therapy by Multifunctional Fluorescent Nanoparticles. Advanced Functional
Materials 2015. 25(4): p. 615-626.
19.
Pereira, A.F., et al., Yb3+/Tm3+ co-doped NaNbO3 nanocrystals as three-photonexcited luminescent nanothermometers. Sensors and Actuators B-Chemical,
2015. 213: p. 65-71.
20.
Kumar, K.U., et al., Two Photon Thermal Sensing in Er3+/Yb3+ Co-Doped
Nanocrystalline NaNbO3. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2013.
13(10): p. 6841-6845.
21.
Savchuk, O.A., et al., Ho,Yb:KLu(WO4)(2) Nanoparticles: A Versatile Material
for Multiple Thermal Sensing Purposes by Luminescent Thermometry. J Phys
Chem C 2015. 119(32): p. 18546-18558.
22.
Dong, N.N., et al., NIR-to-NIR two-photon excited CaF2:Tm3+,Yb3+
nanoparticles: multifunctional nanoprobes for highly penetrating fluorescence
bio-imaging. ACS Nano, 2011. 5(11): p. 8665-71.
23.
Mai, H.X.Z., Y. W.; Sun, L. D.; Yan, C. H., Highly efficient multicolor
upconversion emissions and their mechanisms of monodisperse NaYF4 : Yb,Er
core and core/shell structured nanocrystals. J Phys Chem C 2007. 111(37): p.
13721-13729.
24.
Niu, N., et al., Tunable multicolor and bright white emission of one-dimensional
NaLuF4:Yb3+,Ln(3+) (Ln = Er, Tm, Ho, Er/Tm,Tm/Ho) microstructures. J Mater
Chem, 2012. 22(21): p. 10889-10899.
108
25.
Jayakumar, M.K.G.I., N. M.; Zhang, Y., Remote activation of biomolecules in
deep tissues using near-infrared-to-UV upconversion nanotransducers. P Natl
Acad Sci USA, 2012. 109(22): p. 8483-8488.
26.
Xue
Bai,
a.e.,
Concentration-controlled
emission
in
LaF3:Yb3+/Tm3+
nanocrystals: switching from UV to NIR regions. J. Mater. Chem., 2012. 22: p.
24698–24704.
27.
Denk, W.S., J. H.; Webb, W. W., 2-Photon Laser Scanning Fluorescence
Microscopy. Science, 1990. 248(4951): p. 73-76.
28.
Ceron, E.N., et al., Hybrid Nanostructures for High-Sensitivity Luminescence
Nanothermometry in the Second Biological Window. Advanced Materials, 2015.
27(32): p. 4781-4787.
29.
Kobat, D., et al., Deep tissue multiphoton microscopy using longer wavelength
excitation. Optics Express, 2009. 17(16): p. 13354-13364.
30.
Smith, A.M.M., M. C.; Nie, S. , Bioimaging: Second window for in vivo
imaging. Nat Nano. 4(11): p. 710-711.
31.
Hu, J., et al., Nanocomposite-Based Photodynamic Therapy Strategies for Deep
Tumor Treatment. Small 2015. 11(44): p. 5860-5887.
32.
Konig, K., Multiphoton microscopy in life sciences. J Microsc-Oxford 2000,
2000. 200: p. 83-104.
33.
Cui, X.G., H.; Hou, C.; Gao, F.; Wei, W.; Peng, , Enhanced near infrared
luminescence efficiency of ligand-free LaF3:Nd/LaF3 core/shell nanocrystals in
solvent dispersion. J. Lumin., 2014. 154: p. 155-159.
34.
Wawrzynczyk, D.B., A.; Nyk, M.; Strek, W.; Samoc, M. , Neodymium(III)
doped fluoride nanoparticles as non-contact optical temperature sensors.
Nanoscale 2012. 4(22): p. 6959-6961.
35.
Villa, I., et al., 1.3 mm emitting SrF2:Nd3+ nanoparticles for high contrast in
vivo imaging in the second biological window. Nano Res., 2015. 8(2): p. 649665.
36.
Marciniak, L., et al., A broadening temperature sensitivity range with a coreshell YbEr@YbNd double ratiometric optical nanothermometer. Nanoscale,
2016. 8(9): p. 5037-5042.
37.
Chen, G., et al., Ultrasmall Monodisperse NaYF4:Yb3+/Tm3+ Nanocrystals with
Enhanced Near-Infrared to Near-Infrared Upconversion Photoluminescence.
Acs Nano, 2010. 4(6): p. 3163-3168.
109
38.
Suo, H., et al., Thermometric and optical heating bi-functional properties of
upconversion phosphor Ba5Gd8Zn4O21:Yb3+/Tm3+. J Mater Chem C, 2015.
3(28): p. 7379-7385.
39.
Nyk, M., et al., High Contrast in Vitro and in Vivo Photoluminescence
Bioimaging Using Near Infrared to Near Infrared UpConversion in Tm3+ and
Yb3+ Doped Fluoride Nanophosphors. Nano Letters 2008. 8(11): p. 3834-3838.
40.
Martín-Rodríguez, R., et al., Upconversion Dynamics in Er3+Doped Gd2O2S:
Influence of Excitation Power, Er3+ Concentration, and Defects. Advanced
Optical Materials 2015. 3(4): p. 558-567.
41.
Jacinto, C., et al., Pump-power-controlled luminescence switching in Yb3+/Tm3+
codoped water-free low silica calcium aluminosilicate glasses. Applied Physics
Letters, 2007. 91(7): p. 071102.
42.
Silva, W.F., et al., Color tunability with temperature and pump intensity in
Yb3+/Tm3+ codoped aluminosilicate glass under anti-Stokes excitation. Journal
of Chemical Physics 2010. 133(3): p. 034507.
43.
Zhou, L., et al., Single-band upconversion nanoprobes for multiplexed
simultaneous in situ molecular mapping of cancer biomarkers. Nat Commun
2015. 6: p. 6938.
44.
Rodriguez, E.M., et al., Non-linear niobate nanocrystals for two-photon
imaging. Optical Materials, 2011. 33(3): p. 258-266.
45.
Gouveia-Neto, A.S., et al., 1.319 mm excited intense 800 nm frequency
upconversion emission in Tm3+ doped fluorogermanate glass. Applied Physics
Letters 2015. 107(21).
46.
K.U. Kumar, W.F.S., K.V. Krishnaiah, C.K. Jayasankar, C. Jacinto, Three-and
two-photon upconversion luminescence switching in Tm3+/Yb3+- codoped
sodium niobate nanophosphor. J. Nanophotonics, 2014. 8: p. 083093-1 083093-9.
47.
Jacinto, C.d.A., M. T.; Gouveia, E. A.; Gouveia-Neto, A. S. , Thermal effect on
multiphonon-assisted anti-Stokes excited upconversion fluorescence emission in
Yb3+ sensitized Er3+doped optical fiber. Applied Physics B-Lasers and Optics,
2000. 70(2): p. 185-188.
48.
Jacinto, C.d.A., M. T.; Gouveia, E. A.; Gouveia-Neto, A. S., Fourfold output
power enhancement and threshold reduction through thermal effects in an
110
Er3+/Yb3+-codoped optical fiber laser excited at 1.064 mm. Optics Letters 1999.
24(18): p. 1287-1289.
49.
POMA NUÑEZ, P.Y., Sínteses e Caracterizações Óptica e Estrutural de
Nanopartículas de LaF3:Yb3+/Ho3+ e LaF3:Yb3+/Tm3+ e Cerâmicas
Transparentes de Y2O3:Eu3+ e Y2O3:Tm3+, in UFAL - Instituto de Física.
2015.
50.
Tasso,
O.S.,
INFLUÊNCIA
DE
TRATAMENTO
TÉRMICO
NAS
PROPRIEDADES ESTRUTURAIS E ÓPTICAS DE NANOCRISTAIS DE LaF3
CO-DOPADOS COM Yb3+/Er3+, in UFAL - Instituto de Física. 2015.
111
5.
USO
DAS
EMISSÕES
DO
Tm3+
EM
1,23
E
1,47
m
PARA
NANOTERMOMETRIA NA SEGUNDA JANELA BIOLÓGICA.
5.1 INTRODUÇÃO
Como foi visto no capítulo 2, uma das principais formas para obter a leitura da
temperatura a partir dos NTLs baseados em nanopartículas dopadas com íons terras
raras, é através da técnica denominada de razão das intensidades de fluorescência (RIF).
Neste caso, a determinação da temperatura é obtida através da analise da razão entre as
intensidades de emissões de dois estados eletrônicos termicamente acoplados (TC). No
entanto, nos últimos anos esta técnica tem sido usada em diversos outros tipos de nano
sistemas que não possuem níveis TC, como por exemplo, as bandas de emissão
originadas de níveis não TC de um único íon terra rara [10, 11]; as bandas de emissão
originadas de dois diferentes íons terra raras [12, 13]; e até entre bandas de emissão de
nano sistemas híbridos formados por quantum dots e nanopartículas dopadas om íons
terras raras [14]. Porém, vale ressaltar que em nenhum destes casos, a Eq. (2.8)
(apresentada no capítulo 2) que é usada para relacionar a razão entre as intensidades e a
temperatura é válido. Sendo assim, é necessário encontrar uma nova relação, que pode
ser obtida através de ajustes (lineares ou exponenciais) dos dados experimentais.
Neste capítulo investigamos as aplicações potenciais da fluorescência no
infravermelho por conversão descendente de energia de nanopartículas de LaF3 dopadas
com diferentes concentrações de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%) como NTLs com alta
sensibilidade operando com emissão na segunda janela biológica e excitação na
primeira janela biológica, baseado na RIF de duas emissões no infravermelho do íons de
Tm3+: 3H5 → 3H6 e 3H4 → 3F4, que levam as emissões em torno de 1230 e 1470 nm,
respectivamente, quando excitado em 690 nm (dentro da primeira janela biológica) no
intervalo de temperatura 24 a 88 °C. Os potenciais resultados serão apresentados e
discutidos.
112
5.2 APARATO EXPERIMENTAL
O aparato experimental usado para os experimentos de luminescência neste
capítulo é mostrado na figura 5.1. Os experimentos de fluorescência foram realizados
nas nanopartículas (em pó) de LaF3 dopadas com diferentes concentrações de íons de
Tm3+ (1, 3 e 5 mol%). As medidas de luminescência foram realizadas na região do
infravermelho do espectro eletromagnético (1100 – 1600 nm). As amostras foram
opticamente excitadas por um laser de Ti:Safira de femtosegundos (Coherent, modelo
Chameleon Ultra II), sintonizável (680-1080 nm), com taxa de repetição de 80 MHz
(praticamente operando no regime cw), operando em 690 nm. Para focalizar o feixe laser
na superfície da amostra, foi usado uma lente com distância focal de 5 cm. Como sinal
de referência foi utilizado um Chopper da Stanford Research System, modelo SR540,
com frequência de ~80 Hz, conectado a um amplificador “Lock-in” (Stanford Research
modelo, SR530).
Figura 5.1: Aparato experimental usado para os experimentos de luminescência das
nanopartículas de LaF3 dopadas com diferentes concentrações de Tm3+.
Fonte: Autor da tese, 2016.
A fluorescência gerada pelas nanopartículas foi coletada usando uma fibra
óptica conectada a um monocromador (da empresa Sciencetech, modelo 9057, com
resolução de 0,1 nm) e detectada por um fotodetector de InGaAs (com sensibilidade no
intervalo espectral de 800-1600 nm). O sinal medido no detector foi amplificado por um
“Lock-in” e convertido em sinal digital para o computador. Para investigar as
113
modificações induzidas pela temperatura na luminescência no infravermelho, as
nanopartículas de LaF3:Tm em pó foram colocadas em um controlador de temperatura
caseiro (feito com pastilhas peltier) operando entre a temperatura ambiente até 88 °C,
com uma estabilidade térmica estimada em 1 °C. Um termopar acoplado a um
multímetro foi usado para determinar a temperatura do sistema.
5.3 RESULTADOS E DISCURSSÕES
A figura 5.2 mostra espectros de emissão (comparativos) por conversão
descendente de energia das nanopartículas de LaF3 dopadas com 1 mol% de Tm3+, para
os comprimentos de onda de excitação laser em 690 e 790 nm, potência de bombeio de
100 mW e à temperatura ambiente. Como pode ser observado, os espectros de
luminescência consistem de duas bandas de emissão na região do infravermelho
próximo (1100-1600 nm) do espectro eletromagnético com picos de emissão em torno
de 1230 nm e 1470 nm. As transições eletrônicas entre os níveis de energia do íon de
Tm3+ [15, 16], que dão origem a essas emissões, são 3H5 → 3H6 e 3H4 → 3F4,
respectivamente, onde 3H6 é o estado fundamental dos íons de Tm. Na figura 5.2 (a)
podemos facilmente notar que as nanopartículas excitadas em 690 nm apresentam maior
intensidade de emissão (emissão em 1230 e 1470 nm) em relação à excitação em 790
nm. Enquanto que, na figura 5.2 (b) podemos observar que a emissão em torno de 1230
nm aumenta consideravelmente em relação à emissão em torno de 1470 nm quando o
comprimento de onda de excitação é alterado de 790 nm para 690 nm. Para entender
esse comportamento analisaremos agora os mecanismos responsáveis por popular os
níveis emissores.
114
Figura 5.2: (a) Espectros comparativos da luminescência das nanopartículas de LaF3
dopadas com 1mol% de Tm3+, sob excitação em 690 nm (em azul) e 790 nm (em
vermelho), potência de bombeio de 100 mW e à temperatura ambiente. (b) Espectros de
luminescência normalizados.
12
3
(a)
690 nm
790 nm
Intensidade (u.a)
10
H4
3
F4
8
LaF3:Tm(1mol%)
6
3
3
H5
4
H6
2
0
1100
1200
1300
1400
1500
Intensidade normalizada (u.a)
Comprimento de onda(nm)
1,0
3
(b)
690 nm
790 nm
0,8
3
F4
LaF3:Tm(1mol%)
0,6
0,4
H4
3
H5
3
H6
0,2
0,0
1100
1200
1300
1400
1500
Comprimento de onda(nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
115
Os mecanismos mais prováveis para popular os níveis emissores (responsáveis
pelos espectros de luminescência mostrados na figura 5.2) dos íons de Tm3+ são
apresentados no diagrama simplificado de níveis de energia, o qual é mostrado na figura
5.3. Como podemos observar, originalmente um íon de Tm3+ em seu estado
fundamental 3H6, sob excitação laser em 790 nm, absorve um fóton de bombeio e como
consequência é promovido para o nível 3H4. A partir deste nível, o íon de Tm3+ pode
radiativamente decair para o nível 3F4 gerando fluorescência por conversão descendente
de energia em torno de 1470 nm, ou decair não-radiativamente para o nível 3H5 e em
seguida decair radiativamente para o estado fundamental dando origem a emissão em
1230 nm.
Figura 5.3: Diagrama simplificado dos níveis de energia do íon de Tm3+, mostrando as
bandas de emissão em torno de 1470 nm e 1230 nm .
16
3
F2
F3
-1
Energia (10 cm )
3
3
H4
3
1.47 m
12
8
3
H5
~0.69 m
~1.82 m
F4
1.23 m
4
~0.79 m
3
3
0
H6
3+
Tm
Fonte: Yang, Z. Y., 2006 [16].
Quando sob excitação laser em 690 nm, um íon de Tm3+ inicialmente em seu
estado fundamental (3H6) absorve um fóton de bombeamento e é promovido para o
nível 3F3. Deste nível, por decaimento não-radiativo o nível 3H4 é populado facilmente,
pois o gap de energia entre eles (3F3 e 3H4) é relativamente pequeno. Ainda do nível 3F3,
dependendo da concentração de íons de Tm3+, pode ocorrer transferência de energia via
relaxação cruzada, populando o nível 3H5 por meio da transição 3F3, 3H6 → 3F4, 3H5,
116
como mostrado na figura 5.3. A partir do nível 3H5 o íon de Tm3+ decai radiativamente
para o nível fundamental 3H6 gerando fluorescência em torno de 1230 nm, enquanto do
nível 3H4, o íon de Tm3+ decai radiativamente para o nível 3F4 dando origem a banda de
emissão em torno de 1470 nm.
Figure 5.4: Espectros de excitação para as emissões em (superior) 1470 nm e (inferiror)
1230 nm para a amostra LaF3 dopada com 1,0 mol% de Tm.
Intensidade Normalizada (u.a.)
1,2
em = 1470 nm
690 nm
360 nm
0,8
471 nm
0,4
0,0
1,2
790 nm
em = 1230 nm
471 nm
0,8
0,4
0,0
200
690 nm
360 nm
300
400
500
600
700
Comprimento de Onda (nm)
800
Fonte: Autor da tese, 2016.
Uma vez que discutimos os mecanismos mais prováveis para popular os níveis
emissores responsáveis pelas bandas de emissão em torno de 1230 e 1470 nm, podemos
agora explicar o comportamento apresentado pelos espectros de emissão mostrados na
figura 5.2 baseado no diagrama de níveis de energia visto na figura 5.3. Quando a
excitação laser em 790 nm foi usada, a intensidade de fluorescência em 1230 nm é
consideravelmente menor que aquela em 1470 nm, pois o nível emissor não é
efetivamente populado devido ao decaimento não-radiativa ineficiente do nível 3H4 para
3
H5, que se deve principalmente a baixa energia de fônon da matriz LaF3 (menor que
400 cm-1) [17-20]. Por outro lado, quando a excitação laser em 690 nm foi usada, a
intensidade da banda de emissão em torno de 1230 nm aumenta significativamente em
117
relação à emissão em 1470 nm, uma vez que o nível 3H5 pode ser populado mais
eficientemente devido à transição 3F3→3H5 e principalmente devido à relaxação cruzada
[16]. Na Figura 5.4 apresentamos os espectros de excitação para as emissões em (a)
1470 e (b) 1230 nm. Como pode ser observado, excitação em 790 nm é muito
ineficiente para gerar a emissão em 1230 nm, enquanto 690 nm gera eficientemente as
duas.
Em um processo de relaxação cruzada (também chamado de "self-quenching")
um íon (chamado de doador) decai de um estado excitado superior transferindo parte de
sua energia para um íon próximo (do mesmo tipo e chamado de aceitador), que pode
inicialmente se encontrar no estado fundamental ou em outro nível. Ao final teremos os
dois íons em estados excitados intermediários [19, 21].
Na figura 5.3 apresentamos o processo de relaxação cruzada (representado
pelas setas pontilhadas) responsável pelo aumento relativo da emissão em 1230 nm (em
relação a emissão em 1470) quando o comprimento de onda de excitação é alterado de
790 para 690 nm. É importante frisar que a transição 3H5 → 3H6, que corresponde à
emissão em 1230 nm dos íons de Tm3+,dependente fortemente da matriz hospedeira,
uma vez que, se a matriz possuir energia de fônon relativamente alta, pode ocorrer um
favorecimento do decaimento por multifônons (DMF) do nível 3H5 para o 3F4 (como
mostrado na figura 5.3), levando à diminuição da população do respectivo nível e,
consequentemente, à redução da emissão em 1230 nm. Esse efeito é ilustrado
experimentalmente a seguir.
A figura 5.5 apresenta espectros de luminescência, no intervalo de 1100 a 1600
nm, de nanopartículas de Niobato de Sódio (NaNbO3) dopadas com 1, 3 e 5 mol% de
íons de Tm3+, em temperatura ambiente quando excitadas em 690 nm. Como podemos
observar (diferentemente dos espectros apresentados na figura 5.1 para as
nanopartículas de LaF3 dopadas com Tm3+), as nanopartículas de NaNbO3 dopadas com
Tm3+ não apresentam a banda de emissão em 1230 nm. Isso se deve principalmente à
energia de fônon alta da matriz NaNbO3, que é em torno de 800 cm-1 [22, 23], fazendo
com que o DMF do nível 3H5 para o 3F4 seja mais efetivo do que a transição radiativa
3
H5 → 3H6.
118
Figura 5.5: Espectros de luminescência no infravermelho (1100-1600 nm) das
nanopartículas de niobato de sódio NaNbO3 dopadas com diferentes concentrações de íons
de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%), sob excitação laser em 690 nm, potência de excitação de 100 mW
e em temperatura ambiente.
Intensidade (u. a.)
5
4
NaNbO3:Tm(1mol%)
NaNbO3:Tm(3mol%)
NaNbO3:Tm(5mol%)
3
Pexc = 100 mW
2
exc= 690 nm
1
0
1100
1200
1300
1400
1500
Comprimento de onda (nm)
1600
Fonte: Autor da tese, 2016.
Agora que o comportamento e surgimento das bandas de emissão em 1230 e
1470 nm das nanopartículas de LaF3 dopadas com Tm3+ já foram testados e explicados,
para os dois comprimentos de excitação laser (690 e 790 nm), iremos usar a partir deste
momento somente o comprimento de excitação laser em 690 nm, pois como foi
discutido, é o que maximiza a emissão de nossas nanopartículas. A seguir, estudaremos
o efeito do aumento da concentração nas emissões em 1230 e 1470 nm das
nanopartículas de LaF3 dopadas com íons Tm3+.
A figura 5.6 mostra espectros de luminescência típicos das nanopartículas de
LaF3 dopadas com três diferentes concentrações (1, 3 e 5 mol%) de Tm3+, para
excitação em 690 nm e temperatura ambiente. Na figura 5.6 (a) observamos que as
nanopartículas dopadas com 1 mol% de Tm3+ são as que apresentam maior intensidade
de emissão, quando comparadas as outras concentrações, tanto na banda de emissão
centrada em 1230 nm quanto na de 1470 nm. Já a figura 5.6 (b) apresenta os espectros
de emissão normalizados para evidenciar a mudança induzida da banda de emissão em
torno de 1230 nm, em relação à de 1470 nm, com o aumento da concentração de Tm3+.
119
Figura 5.6: (a) Espectros comparativos da luminescência das nanopartículas de LaF3
dopadas com diferentes concentrações de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%), sob excitação em 690 nm e
potência de bombeamento de 100 mW à temperatura ambiente. (b) Espectros de
luminescência normalizados.
Intensidade (u. a.)
1200
(a)
3
3
H4
F4
LaF3:Tm (1mol%)
1000
LaF3:Tm (3mol%)
LaF3:Tm (5mol%)
800
exc = 690 nm
600
Pexc = 100 mW
400
3
3
H5
H6
200
0
1200
1300
1400
1500
1600
Intensidade normalizada (u. a.)
Comprimento de onda (nm)
1,0
3
(b)
3
H5
0,8
3
LaF3:Tm (1mol%)
H6
H4
3
F4
LaF3:Tm (3mol%)
LaF3:Tm (5mol%)
0,6
exc = 690 nm
Pexc = 100 mW
0,4
0,2
0,0
1200
1300
1400
1500
1600
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
As mudanças espectrais induzidas pelo aumento da concentração de íons de
Tm3+ podem ser facilmente explicadas através do processo de relaxação cruzada 3F3,
120
3
H6→3F6, 3H5 [16, 24], mostrado na figura 5.3. Como o nível 3H5 é principalmente
populado por relaxação cruzada, conforme a concentração de íons de Tm3+ aumenta,
ocorre um aumento significativo da intensidade de emissão em 1230 nm, pois, à medida
que a concentração de íons aumenta ocorre uma diminuição da distância entre eles,
favorecendo o processo de transferência de energia [21, 25]. Além disso, devido à esse
aumento do processo de transferência de energia via relaxação cruzada, ocorre um
notável decréscimo da população do nível 3F3 e como consequência uma diminuição a
intensidade de emissão (em 1470 nm) com o aumento da concentração, como mostrado
na figura 5.6(b).
Essas bandas de emissão (mostradas na figura 5.6) das nanopartículas de LaF3
dopadas com íons de Tm3+, obtidas usando excitação laser em 690 nm, apresentam
potencial aplicações em biofotônica [26, 27], pois a excitação laser e as bandas de
emissão estão localizadas respectivamente na primeira e segunda janelas biológicas [6,
8, 28]. Entre as principais possíveis aplicações estão bio-imagens fluorescentes com alta
resolução espacial [7, 29] e possivelmente nanotermometria luminescente [1, 2]. Como
comentado no capítulo 2, hoje ainda existe uma grande procura por nanotermômetros
luminescentes altamente sensíveis e operando na segunda janela biológica. Portanto, a
seguir investigaremos o potencial das emissões observadas para nanotermometria
A figura 5.7 mostra espectros de luminescência normalizados (em 1470nm) das
nanopartículas de LaF3 dopadas com íons de Tm+3 para diferentes temperaturas
(variando de 24 até 88 °C). Como podemos observar, para as três concentrações de Tm
ocorreu uma diminuição sequencial da intensidade de emissão em 1230 nm (em relação
à de 1470 nm), no intervalo de temperatura de 24 a 88 °C.
Uma possível explicação para essa diminuição da intensidade de emissão em
1230 nm pode ser obtida através de uma análise do diagrama simplificado de níveis de
energia apresentado na figura 5.3. O aumento da temperatura pode favorecer o DMF do
nível emissor 3H5 para o nível 3F4, diminuindo assim a população do nível 3H5 e
consequentemente levando a uma diminuição da intensidade de emissão em 1230 nm.
121
Figura 5.7: Efeito da temperatura no espectro de emissão (normalizado) das
nanopartículas de LaF3:Tm dopadas com as concentrações de (a) 1 mol%, (b) 3 mol% e
(c) 5 mol%, sob excitação laser em 690 nm e potência de bombeamento de 100 mW, no
intervalo de temperatura de 24 a 88 °C.
(a) LaF :Tm(1 mol%)
Intensidade (u. a.)
1,0
0,8
3
0,6
0,4
1500
1600
(b)
1,0
LaF3:Tm(3 mol%)
0,8
0,6
0,4
0,2
Intensidade (u. a.)
1400
pe
1300
Comprimento de onda (nm)
Te
m
1200
ra
72
88
tu
ra
40
56
(°C
0,0
24
)
0,2
1500
1600
(c)
1,0
LaF3:Tm(5 mol%)
0,8
0,6
0,4
0,2
Intensidade (u. a.)
1400
pe
1300
Comprimento de onda (nm)
Te
m
1200
ra
72
88
tu
ra
40
56
(°C
)
0,0
24
40
1400
1500
1600
m
1300
Comprimento de onda (nm)
Te
1200
pe
r
72
88
at
ur
a
56
(°C
)
0,0
24
Fonte: Autor da tese, 2016.
122
Uma forma de comprovar isso teoricamente é realizando um estudo do
comportamento da taxa de DMF em função da temperatura para cada uma das possíveis
transições que resultam nas emissões em 1230 e 1470 nm, pois é bem conhecido na
literatura que um dos fatores que determina a diminuição da intensidade de emissão
com a temperatura é o DMF [30-32]. Vários estudos têm mostrado que a taxa de DMF
(W ) pode ser descrita pela lei do gap de energia através da seguinte relação [33]:
p
Wp (T ) Ce
E
exp p / kT
exp p / kT 1
p
(5.1)
onde Wp(T) é a taxa de relaxação por multifônons na temperatura (T), p é o número de
fônos envolvidos no processo para completar o gap de energia ΔE e p é a energia de
média de fônons da matriz ou o modo de fônons efetivo, ln / p é uma
constante que depende da natureza de fônons da rede hospedeira e da força de
acoplamento elétron-fônon, onde explica a natureza exata do acoplamento e C é uma
constante que depende da densidade de fônons da matriz. Para a matriz LaF3, é bem
conhecido da literatura que os parâmetros acima relatados têm os seguintes valores [32,
34, 35]: C = 6,6108 s-1, α = -5,610-3 cm,
p 350cm1 , E H F 2635cm 1 e
3
3
5
4
E 3 H 3 H 4370cm 1 . Dessa forma, os números de fônos ( p E / p ) envolvidos
4
5
nas transições não radioativas 3H5 → 3F4 e 3H4 → 3H5 são respectivamente da ordem de
7 e 11.
A partir da equação 5.1 (com os parâmetros mencionados acima para a matriz
LaF3) foram feitos os gráficos das taxas de DMF (Wp), para as transições 3H5 → 3F4 e
3
H4 → 3H5, como função da temperatura (para o intervalo de 10 a 400 K) e os resultados
são mostrados na figura 5.8. Como podemos observar em ambas as transições, com a
elevação da temperatura ocorre um aumento significativo nos valores de Wp.
Observamos que Wp para a transição 3H5 → 3F4 possui os valores de aproximadamente
1,16103 s-1 e 2,19103 s-1, respectivamente, para as temperaturas de 297 K e 361 K
(figura 5.8 (a)).
123
Figura 5.8: Comportamento da taxa de relaxação por multifônons como função da
temperatura para as transições (a) 3H5 → 3F4 e (b) 3H4 → 3H5 das nanopartículas de
LaF3 dopadas com íons de Tm3+, para o intervalo de temperatura de 10 a 400 K.
(a)
3
-1
Taxa de DMF (10 s )
4
3
3
3
50
100
3+
H5 - F4 - LaF3:Tm
2
1
0
0
150
200
250
300
350
400
350
400
Temperatura (K)
(b)
-1
Taxa de DMF (s )
1,5
3
1,0
3+
3
H4 - H5 - LaF3:Tm
0,5
0,0
0
50
100
150
200
250
300
Temperatura (K)
Fonte: Autor da tese, 2016.
Para a transição 3H4 → 3H5 os valores de 0,19 s-1 e 0,54 s-1 para as temperaturas
de 297 K e 361 K foram calculados para Wp (figura 5.8 (b)). Comparando estes
resultados, podemos facilmente observar que Wp para a transição a 3H5 → 3F4 é cerca de
10000 vazes maior que para a transição 3H4 → 3H5. Isso acontece devido à necessidade
de muitos mais fônons para a transição 3H4 → 3H5. Na prática isso significa que a
emissão em 1230 nm é mais fortemente afetada pela temperatura que a 1470 nm.
Complementarmente, o DMF eficiente no gap de energia pequeno da transição 3F3 –
124
3
H4 favorece a emissão do nível 3H4 em 1470 nm, o que também reduz a população do
nível 3H5 que emite em 1230 nm.
Uma vez observado a diminuição relativa da intensidade de emissão em 1230
nm com a temperatura, checaremos a possibilidade de usar o método da razão de
intensidades de fluorescências (RIF) para obter a leitura térmica a partir dos espectros
de emissão de nossas nanopartículas.
No Capítulo 2, apresentamos um estudo sobre a RIF [3, 36, 37] de dois níveis
de energia termicamente acoplados, em que suas populações podem ser descritas em
termos da distribuição de população de Boltzmann, sendo a informação da temperatura
na qual o sistema está em equilíbrio térmico obtida a partir dessa RIF dos dois níveis
termicamente acoplados. Ao contrário da abordagem realizada no Capítulo 2, em que os
níveis estudados eram termicamente acoplados, os níveis de energia 3H5 e 3H4
(responsáveis pelas emissões em 1230 e 1470 nm, respectivamente) do Tm3+, não são
termicamente acoplados entre si, de modo que, neste caso, suas populações não podem
ser descritas em termos da distribuição de população de Boltzmann. Desta forma, é
importante salientar que, a razão entre as intensidades de fluorescência 3H5 → 3H6 (1230
nm) e 3H4 → 3F4 (1470 nm) dos íons de Tm3+ não podem ser relacionadas pela Eq. (2.8)
do capítulo 2. No entanto, mesmo se estes níveis não sejam termicamente acoplados, se
conseguirmos obter um comportamento linear ou outro conhecido dessa RIF com a
temperatura, seremos capazes de obter a leitura térmica a partir dos espectros de
emissão, como já demostrado anteriormente em diferentes tipos de nanopartículas [11,
14, 38].
A partir deste momento definiremos para este capítulo R = I1470 nm/I1230 nm
como sendo a RIF das bandas de emissão centradas em torno de 1470 nm (I1470) e 1230
nm (I1230). A figura 5.9 apresenta as intensidades de fluorescência normalizadas das
bandas de emissão das nanopartículas de LaF3 dopadas com 1, 3 e 5 mol% de Tm, como
função da temperatura.
125
Figura 5.9: Efeito da temperatura nas intensidades de luminescência das bandas de
emissão em 1230 e 1470 nm das nanopartículas de LaF3:Tm dopadas com as
concentrações de (a) 1mol%, (b) 3 mol% e (c) 5mol%, sob excitação laser em 690 nm,
potência de bombeio de 100 mW no intervalo de temperatura de 24 – 88 °C.
(a)
1,0
0,8
0,6
I1230 nm
I1470 nm
Intensidade normalizada (u.a.)
0,4
(b)
1,0
0,8
0,6
I1230 nm
I1470 nm
0,4
(c)
1,0
0,8
0,6
I1230 nm
I1470 nm
0,4
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura (°C)
Fonte: Autor da tese, 2016.
126
Como podemos observar, para cada uma das concentrações de Tm3+ a
intensidade de emissão em 1230 nm decresce significativamente com o aumento da
temperatura, reduzindo para ~40% em 88 °C de seu valor inicial. Além disso, esse
decréscimo ocorre praticamente de forma linear com o aumento da temperatura. Por
outro lado, a intensidade de emissão em 1470 nm apesar de também decrescer com a
temperatura, sua diminuição acontece de forma mais suave, alcançando ~80% de seu
valor inicial em 88 °C. Dessa forma, é esperado que a razão R = I1470 nm/I1230 nm cresça de
forma significativa com o aumento da temperatura (no intervalo investigado de 20 a 90
o
C). Após obter os valores das intensidades I1230 nm e I1470 nm, foram calculados os valores
de R versus temperatura.
Tabela 5.1: Ajustes lineares (para cada uma das concentrações de Tm) da razão R = I1470
nm/I1230 nm em função da temperatura, obtidos a partir dos dados experimentais.
R = I1470 nm/I1230 nm
Ajustes lineares
Amostra
R1
3,2 + 0,119T
LaF3:Tm(1mol%)
R3
1,5 + 0,046T
LaF3:Tm(3mol%)
R5
0,8 + 0,019T
LaF3:Tm(5mol%)
Fonte: Autor da tese, 2016.
O comportamento da razão R = I1470 nm/I1230 nm (para cada uma das três
concentrações de Tm) em função da temperatura é mostrado na figura 5.10. Como é
possível observar, no intervalo de temperatura analisado, a razão R (para as três
concentrações) aumenta linearmente com a temperatura. As linhas pontilhadas
mostradas na figura 5.9 são ajustes lineares dos dados experimentais. Com esses ajustes
lineares encontramos as relações de R = I1470 nm/I1230 nm com a temperatura do sistema de
forma direta. Estes ajustes lineares são mostradas na tabela 5.1.
O comportamento linear de R com a temperatura, apresentado na figura 5.10, é
de grande importância para aplicações em nanotermômetros luminescentes, pois fornece
uma relação simples entre R e a temperatura, tornando assim relativamente fácil a
leitura da temperatura a partir do nanosensor térmico. A partir da Eq. (2.9) a do capítulo
2, que define sensibilidade térmica (S =dR/dT), e das equações obtidas para R versus T,
fomos capazes de estimar as sensibilidades térmicas de 0,119, 0,046 e 0,019 °C-1,
respectivamente, para as nanopartículas dopadas com 1, 3 e 5 mol% de Tm3+. Assim,
127
neste caso para o intervalo de temperatura analisado (24 a 88 °C) a sensibilidade
térmicas medida a parte da razão R = I1470 nm/I1230 nm são constante e independe da
temperatura.
Figura 5.10: Razão das intensidades 1470 e 1230 nm de fluorescência (RIF) como função
da temperatura (24 a 88 °C) para as nanopartículas de LaF3 dopadas para as três
concentrações de Tm3+ (1, 3 e 5 mol%).
14
LaF3:Tm(1mol%)
LaF3:Tm(3mol%)
R = I1470 nm/I1230 nm
12
LaF3:Tm(5mol%)
10
8
6
4
2
0
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura (°C)
Fonte: Autor da tese, 2016.
A sensibilidade térmica relativa (Sr), definida no capítulo 2 através da Eq.
(2.10), é mostrada na figura 5.11. Como podemos observar, para as três concentrações
de Tm, a sensibilidade térmica relativa vai diminuindo conforme a temperatura
aumenta, possuindo valores, em temperatura de 24 °C, de aproximadamente 1,9; 1,7 e
1,5 % °C-1 para as amostras dopadas com 1, 3 e 5 mol% de Tm3+, respectivamente.
Logo, a amostra que apresenta a maior sensibilidade térmica relativa é aquela dopada
com 1mol% de Tm. Esta sensibilidade térmica pode agora ser comparada a de outros
sensores térmicos luminescentes encontrados na literatura.
128
Figura 5.11: Sensibilidade térmica relativa em função da temperatura para as três
amostras investigadas.
-1
Sr = (1/R)dR/dT (%°C )
2,0
1,8
R1 = 3,21 + 0,119 x T
R3 = 1,50 + 0,046 x T
1,6
R5 = 0,80 + 0,019 x T
1,4
1,2
1,0
Tm(1mol%)
Tm(3mol%)
Tm(5mol%)
0,8
0,6
20
30
40
50
60
70
80
90
Temperatura (°C)
Fonte: Autor da tese, 2016.
A sensibilidade térmica de nossas nanopartículas é cerca de uma ordem de
grandeza maior que a apresentada por Rocha e colaboradores (cerca de 0,23 % °C-1 no
intervalo de temperatura de 10-60 °C) [39] para a banda de emissão em torno de 880 nm
(correspondente a transição eletrônica 3F3/2→4I9/2 do íon de Nd) das nanopartículas de
LaF3 dopadas com Nd3+ e sob excitação em 808 nm. Além disso, apresenta também a
mesma ordem de grandeza de outros NTLs que operam na segunda janela biológica,
como por exemplo, a apresentada por Cerón e colaboradores (cerca de 2,5% °C-1 em 30
°C) [14] de uma nanoestrutura híbrida formada por nanopartículas de NaGdF4:Nd3+ e
Quantum Dots (PbS/CdS/ZnS), onde foi analisado a razão entre a banda de emissão do
Nd em trono de 1060 nm (devido a transição 3F3/2→4I11/2) e a em 1300 nm dos Quantum
Dots (PbS/CdS/ZnS), e sob excitação em 800 nm. A figura 5.12 mostra a sensibilidade
térmica relativa e o intervalo espectral de emissão de nossas NPs de LaF3 dopadas com
Tm e a de alguns dos principais NTLs propostos na literatura. Como pode ser
observado, as nossas NPs estão entre aquelas que possuem uma maior sensibilidade
térmica. Portanto, podemos dizer que as nossas nanopartículas de LaF3 dopadas com
íons de Tm3+ se apresentam como promissores NTLs operando com excitação na
primeira janela biológica e emissão na segunda janela biológica.
129
5.12: Sensibilidade térmica relativa e intervalo espectral de emissão de nossas NPs e para
diferentes NTLs encontrados na literatura: CaWO4:Ho/Yb [40]; proteínas fluorescentes
no verde (PFV) [41]; NaYF4:Er/Yb [5]; Y2O3:Ho/Yb [42]; CaF2:Er/Yb [9]; AuNCs [43];
CaF2:Tm/Yb [9]; NaYF4:Nd [44]; LaF3:Nd [39]; YAG:Nd [45]; PLGA [14] e LaF3:Nd@Yb
[12].
10
PLGA HNS
600
LaF3:Tm
LiLaP4O12:Nd/Yb
YAG:Nd
CaF2:Tm/Yb
LaF3:Nd
NaYF4:Nd
LaF3:Nd@Yb
AuNCs
CaF2:Er/Yb
Nd:GdO3
0,1
0,01
400
II-JB
Y2O3:Yb/Ho
NaYF4:Er/Yb
PFV
1
-2
-1
Sr (10 ºC )
CaWO4:Ho
I-JB
800
1000
1200
1400
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Adaptado de Ceron e colaboradores, 2015 [14].
5.4 CONCLUSÕES
Em resumo, neste capítulo investigamos a dependência com a temperatura da
luminescência no infravermelho das NPs de LaF3 dopadas com diferentes concentrações
de Tm (1, 3 e 5 mol%). Para isso, avaliamos o comportamento da RIF das emissões em
1470 nm (3H4 → 3F4) e 1230 nm (3H5 → 3H6) com a temperatura, tendo como objetivo
explorar sua possível aplicação como nanosensor de temperatura aplicáveis em sistemas
biológicos. Em todas as concentrações estudas, foi observado que as RIF das emissões
em 1470 e 1230 nm apresentaram um comportamento linear com a temperatura no
intervalo de 24 a 88 °C, que é uma característica importante para NTLs em geral.
130
Através de ajustes lineares aos dados experimentais foi possível estimar a sensibilidade
térmica relativa a temperatura ambiente de nossas NPs em 1,9; 1,7 e 1,5 % °C-1,
respectivamente, para as concentrações de 1, 3 e 5 mol% de Tm3. Ao comparar estes
valores com alguns dos principais NTLs propostos na literatura foi observado que
nossas NPs estão entre os mais sensíveis a mudanças de temperatura.
Portanto, devido ao fato das emissões em 1230 e 1470 nm das NPs de LaF3
dopadas com Tm3+ estarem dentro da região espectral da segunda janela biológica, e a
principal banda de absorção (que maximiza essas emissões) em 690 nm dos íons de
Tm3+ estar localizada dentro da primeira janela biológica, juntamente com a boa
sensibilidade térmica apresentada pela a razão entre as intensidades das bandas de
emissão em 1470 e 1230 nm, as NPs de LaF3 dopadas com Tm3+ se apresentam como
promissores nanotermômetros luminescentes baseados na técnica RIF com grande
potencial para aplicações em sistemas biológicos.
131
REFERENCIAS
1.
Jaque, D. and F. Vetrone, Luminescence nanothermometry. Nanoscale, 2012.
4(15): p. 4301-4326.
2.
Brites, C.D., et al, Thermometry at the nanoscale. Nanoscale, 2012. 4(16): p.
4799-4829.
3.
Carlos, D.S., et al., Thermometry at the nanoscale. 2016.
4.
Fischer, L.H.H., G. S.; Wolfbeis, O. S., Upconverting Nanoparticles for
Nanoscale Thermometry. Angewandte Chemie-International 2011. 50(20): p.
4546-4551.
5.
Fiorenzo
Vetrone,
e.a.,
Temperature
Sensing
Using
Fluorescent
Nanothermometers. ACS Nano, 2010. 4(6): p. 3254-3258.
6.
Smith, A.M.M., M. C.; Nie, S. , Bioimaging: Second window for in vivo
imaging. Nat Nano. 4(11): p. 710-711.
7.
Rocha, U., et al, Neodymium-Doped LaF3 Nanoparticles for Fluorescence
Bioimaging in the Second Biological Window. Small. 10(6): p. 1141-1154.
8.
Maestro, L.M., et al., Heating efficiency of multi-walled carbon nanotubes in the
first and second biological windows. Nanoscale, 2013. 5(17): p. 7882-7889.
9.
Dong, N.N., et al., NIR-to-NIR two-photon excited CaF2:Tm3+,Yb3+
nanoparticles: multifunctional nanoprobes for highly penetrating fluorescence
bio-imaging. ACS Nano, 2011. 5(11): p. 8665-71.
10.
X. Wang, J.Z., Y. Xuan, X. Yan, Optical temperature sensing of NaYbF4:Tm3+
@ SiO2 core-shell micro-particles induced by infrared excitation. Opt.Expr. ,
2013. 21: p. 21596–21606.
11.
Oleksandr A. Savchuk, a.e., Ho,Yb:KLu(WO4)2 Nanoparticles: A Versatile
Material for Multiple Thermal Sensing Purposes by Luminescent Thermometry.
J. Phys. Chem. C 2015(119): p. 18546−18558.
12.
Ximendes, E.C., et al, Unveiling in Vivo Subcutaneous Thermal Dynamics by
Infrared Luminescent Nanothermometers. Nano Letters, 2016. 16(3): p. 16951703.
13.
Pinol, R., et al., Joining time-resolved thermometry and magnetic-induced
heating in a single nanoparticle unveils intriguing thermal properties. ACS
Nano, 2015. 9(3): p. 3134-42.
132
14.
Ceron, E.N., et al., Hybrid nanostructures for high-sensitivity luminescence
nanothermometry in the second biological window. Adv Mater, 2015. 27(32): p.
4781-7.
15.
Xue
Bai,
a.e.,
Concentration-controlled
emission
LaF3:Yb3+/Tm3+
in
nanocrystals: switching from UV to NIR regions. J. Mater. Chem., 2012. 22: p.
24698–24704.
16.
Yang, Z.Y., L. Luo, and W. Chen, The 1.23 and 1.47 mm emissions from Tm3+
in chalcogenide glasses. Journal of Applied Physics, 2006. 99(7).
17.
Armelao, L., et al., Luminescent Properties od Eu-Doped Lanthanum Oxyfluride
Sol-Gel Thin Films. J. Phys. Chem., 2009. 113: p. 14429-14434.
18.
Singh, A.K., et al, Photon avalanche upconversion and pump power studies in
LaF3:Er3+/Tb3+ phosphor. Applied Physics B, 2011. 104(4): p. 1035-1041.
19.
POMA NUÑEZ, P.Y., Sínteses e Caracterizações Óptica e Estrutural de
Nanopartículas de LaF3:Yb3+/Ho3+ e LaF3:Yb3+/Tm3+ e Cerâmicas
Transparentes de Y2O3:Eu3+ e Y2O3:Tm3+, in UFAL - Instituto de Física.
2015.
20.
Tasso,
O.S.,
INFLUÊNCIA
DE
TRATAMENTO
TÉRMICO
NAS
PROPRIEDADES ESTRUTURAIS E ÓPTICAS DE NANOCRISTAIS DE LaF3
CO-DOPADOS COM Yb3+/Er3+, in UFAL - Instituto de Física. 2015.
21.
Santos, W.Q., VIABILIDADE DE SISTEMAS DOPADOS E CO-DOPADOS
COM Yb3+ E Nd3+ PARA APLICAÇÕES FOTÔNICAS: LASERS E
TERMOMETRIA ÓPTICA, in UFAL - Instituto de Física. 2015.
22.
Kumar, K.U., et al., Synthesis, Structural Properties and Upconversion
Emission of Er3+ and Er3+/Yb3+ Doped Nanocrystalline NaNbO3. Science of
Advanced Materials, 2012. 4(5-6): p. 584-590.
23.
Silva, J.F., Sínteses e caracterizações de NaNbO3 dopados e co-dopados com
Er3+ e Yb3+, in UFAL-Instituto de Física. 2015.
24.
K. Kadono, e.a., Judd-Ofelt analysis and luminescence property of Tm3+ in
Ga2S3-GeS2-La2S3 glasses. Journal of Non-Crystalline Solids, 2000. 274: p. 7580.
25.
Santos, W.Q., et al., Cooperative Upconversion, Radiation Trapping, and SelfQuenching Effects in Highly Yb3+-Doped Oxyfluoride Glasses. Science of
Advanced Materials, 2013. 5(12): p. 1948-1953.
133
26.
Jaque, D.e.a., Inorganic nanoparticles for optical bioimaging. Adv. Opt and
Phot., 2016. 8(1): p. 1-103.
27.
Jaque, D.J., C., Luminescent nanoprobes for thermal bio-sensing: Towards
controlled photo-thermal therapies. Journal of Luminescence 2016. 169: p. 394399.
28.
Quek, C.H.L., K. W. , Near-Infrared Fluorescent Nanoprobes for in Vivo
Optical Imaging. Nanomaterials 2012. 2: p. 92-112.
29.
Kobat, D., et al., Deep tissue multiphoton microscopy using longer wavelength
excitation. Optics Express, 2009. 17(16): p. 13354-13364.
30.
C.J. Da Silva, M.T.D.A., E.A. Gouveia, A.S. Gouveia-Neto,, Appl. Phys. B,
2015. 70: p. 185-188.
31.
F. Auzel, Multiphonon-assisted anti-Stokes and Stokes fluorescence of triply
ionized rare-earth ions. Phys. Rev. B 1976. 13: p. 2809-2817.
32.
J.B. Gruber, R.P.L., C.A. Morrison, , Absorption spectrum, energy levels, and
crystal‐field parameters of Tm3+:LaCl3. J. Chem. Phys., 1981. 74: p. 2705-2709.
33.
W.S. Tsang, e.a., Evidence of the influence of phonon density on Tm3+
upconversion luminescence in tellurite and germanate glasses. Appl. Phys. B,
2002. 91: p. 1871-1874.
34.
Dangli Gao, e.a., Spectral tuning via multi-phonon-assisted stokes and antistokes excitations in LaF3: Tm3+ nanoparticles. Journal of Alloys and
Compounds 2016. 678: p. 212-218.
35.
L.A. Riseberg, H.W.M., Multiphonon Orbit-Lattice Relaxation in LaBr3, LaCl3,
and LaF3. Phys. Rev. Lett., 1967. 19: p. 1423-1426.
36.
Zhang, F., Photon Upconversion Nanomaterials. 2015.
37.
Berthou, H.a.C.K.J. and 1102., Optical-Fiber Temperature Sensor Based on
Upconversion-Excited Fluorescence. Optics Letters, 1990. 15(19): p. 11001102.
38.
Ximendes, E.C., et al., Self-monitored photothermal nanoparticles based on
core-shell engineering. Nanoscale. 8(5): p. 3057-3066.
39.
Rocha, U., et al, Subtissue Thermal Sensing Based on Neodymium-Doped LaF3
Nanoparticles. Acs Nano. 7(2): p. 1188-1199.
40.
W. Xu, a.e., Optical temperature sensing through the upconversion
luminescence from Ho3+/Yb3+ codoped CaWO4. Sens. Actuators B-Chem., 2013.
188: p. 1096–1100.
134
41.
J. S. Donner, e.a., ACS Nano, 2013. 7(8666).
42.
V. Lojpur, a.e., Y2O3:Yb,T mand Y2O3:Yb,Ho powders for low-temperature
thermometry based on up-conversion fluorescence. Ceram. Int. , 2013. 39: p.
1129–1134.
43.
L. Shang , e.a., Intracellular thermometry by using fluorescent gold
nanoclusters. Angew. Chem. Int. Ed. , 2013. 52: p. 11154.
44.
D. Wawrzynczyk, e.a., Neodymium(iii) doped fluoride nanoparticles as noncontact optical temperature sensors. Nanoscale, 2012. 4: p. 6959–6961.
45.
A. Benayas, e.a., Nd:YAG near-infrared luminescent nanothermometers.
Adv.Opt. Mater. , 2015.
135
6. NANOTERMOTRIA ÓPTICA NA SEGUNDA JANELA BIOLÓGICA
USANDO NANOCRISTAIS DE LaF3 CO-DOPADOS COM Yb3+/Ho3+
6.1 INTRODUÇÃO
Com os avanços no domínio da nanotecnologia (obtidos nas últimas décadas)
têm sidos disseminados uma grande variedade de novos campos de pesquisa em
nanociência. Entre estes, podemos destacar a nanotermometria (que visa a determinação
da temperatura com alta resolução espacial) aplicada a sistemas biológicos, pois abre a
possibilidade da utilização de nanoestruturas atuarem como nanotermômetros capazes
de realizar o monitoramento da temperatura com alta resolução espacial e em tempo real
tanto a nível celular (que é de extrema importância, como, por exemplo, em terapias via
hipertermia) [1, 2], assim como de forma subcutânea (que tem sido proposta como uma
poderosa ferramenta para estudar a dinâmica de tecidos durante experimentos em vivo)
[3, 4].
Entre os diversos nanotermômetros propostos na comunidade cientifica,
podemos destacar (para aplicações em sistemas biológicos) os nanotermômetros
luminescentes (NTLs) [5-7], por apresentarem a possibilidade de medir a temperatura
com alta resolução espacial de forma não invasiva. Como já foi apresentado no capítulo
2, NTLs são definidos como nanopartículas luminescentes (NPLs) cujas propriedades
espectrais mudam significativamente com pequenas variações na temperatura. Dessa
forma, a temperatura atual destas NPs (assim como a temperatura atual dos sistemas em
que elas são incorporadas) pode ser determinada a partir da análise de um dos
parâmetros de luminescência (tempo de vida, intensidade, razão entre intensidade e
etc.). Geralmente NTLs, usados tanto para o monitoramento da temperatura intracelular
quanto de forma subcutânea, fazem uso da técnica denominada de “razão de intensidade
de fluorescência“ (RIF) [6, 8-10], sendo a leitura térmica obtida através da razão entre
as intensidades de duas diferentes linhas espectrais.
Apesar de encontrarmos facilmente na literatura um grande número de NTLs
baseados em diversos tipos de NPLs (NPs semicondutoras, NPs metálicas, NPs dopadas
com íons terras raras, etc.), somente alguns deles realmente apresentam potencial para
136
aplicação em in vivo. Isto se deve principalmente ao fato de que a grande maioria dos
NTLs propostos na literatura opera (excitação e emissão) dentro da região do visível.
Neste caso as aplicações para estudos em in vivo é muito limitada devido à redução da
profundidade de penetração da luz desta região do espectro eletromagnético nos tecidos
biológicos. Para contornar essa limitação, como foi visto no capítulo 4, tem se
intensificado nos últimos anos a procura de NPLs que operem nas regiões espectrais
denominadas de primeira (I-JB, 650-950 nm) e segunda (II-JB, 1000-1400 nm) janelas
biológicas (JB) [11-13]. Nestas regiões espectrais, tanto o espalhamento quanto a
absorção (pelos diversos componentes que constituem os tecidos) são minimizados,
ocorrendo assim uma maximização da profundidade de penetração nos tecidos [14]. No
caso específico de NPLs que operam com excitação na I-JB e emissão na II-JB, essas
são de extrema importância, pois abrem a possibilidade de NTLs com maior
profundidade de penetração ótica, assim como na detecção térmica em in vivo com
maior resolução espacial, como já foi demostrado em bioimagens fluorescentes [1, 4,
14, 15].
Neste capítulo estudamos a dependência térmica da conversão descendente de
energia localizada (1100-1300 nm) na II-JB de NPs de Fluoreto de Lantânio (LaF3) codopadas com 10 mol% de Yb3+ e 4 mol% de Ho3+, sob excitação na I-JB (em 913 nm);
e analisamos a sua possível aplicação como nanotermômetro luminescente baseado na
dependência térmica da emissão em torno de 1188 nm, obtida via processos
transferência de energia entre os íons de Yb e Ho. Para isso, analisamos a razão entre as
intensidades de fluorescência de dois subníveis Starks que compõem a banda de
emissão em 1188 nm.
6.2 APARATO EXPERIMENTAL
Os espectros de luminescência e excitação foram realizados nas nanopartículas
(em pó) de LaF3 dopadas com 10 mol% de Yb e 4 mol% de Ho. As medidas de
luminescência foram realizadas na região do infravermelho do espectro eletromagnético
(1100-1300 nm), enquanto o espectro de excitação para a emissão em 1188 nm foi
obtido variando o comprimento de onda de excitação de 850-1050 nm. Tanto os
137
espectros de emissão quanto de excitação foram obtidos utilizando um Fluorímetro
(modelo NanoLog UV-VIS-NIR, Horiba).
Para investigar as modificações induzidas pela temperatura no espectro de
luminescência das nanopartículas de LaF3 co-dopadas com os íons de Yb e Ho foi utilizado
um controlador de temperatura caseiro (feito com pastilhas peltier) operando entre a
temperatura ambiente até 130 °C, com uma estabilidade térmica estimada em torno de 1 °C
e um termopar acoplado a um multímetro para determinar a temperatura do sistema.
6.3 RESULTADOS E DISCUSÕES
O espectro de luminescência no infravermelho próximo (1100-1300 nm) por
conversão descendente de energia das nanopartículas de LaF3 co-dopadas com 10 mol%
de Yb3+ e 4 mol% de Ho3+ sob excitada convencional em 980 nm [16, 17] à temperatura
ambiente é mostrado na figura 6.1
Figura 6.1: Espectro de luminescência das nanopartículas de LaF 3 dopadas com 10 mol%
de Yb3+ e 4 mol% Ho3+ sob excitação em 980 nm e temperatura ambiente.
Intensidade (u.a.)
1,0
5
I8
5
I6
LaF3:10Yb/4Ho(mol%)
exc = 980 nm
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1100
1150
1200
1250
1300
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
Como pode ser observado o espectro de emissão nessa região consiste de uma
única banda de emissão centrada em torno de 1188 nm, que é característica do íon de
138
Ho3+ [16, 18] logo após ser excitado via processo de transferência de energia do íon
Yb3+ (Yb3+→ Ho3+). Esta banda de emissão é atribuída à transição eletrônica 5I8 →5I6,
em que o nível 5I8 corresponde ao estado fundamental do íon de Ho3+.
O mecanismo mais provável para popular o nível emissor (que dá origem a
banda de emissão por conversão descendente de energia mostrada na figura 6.1) dos
íons de Ho3+ é por transferência de energia provenientes dos íons de Yb3+. Um diagrama
de níveis de energia simplificado ilustrando os passos necessários para popular o nível
emissor pode ser observado na figura 6.2. Inicialmente, um fóton de bombeio em 980
nm é absorvido por um íon de Yb3+, sendo promovido do estado fundamental (2F7/2) ao
estado excitado (2F5/2). Em seguida, o íon de Yb3+ relaxa retornando para seu estado
fundamental e transferindo a sua energia de forma não ressonante para um íon de Ho3+,
fazendo com que esse íon possa ser promovido a partir do nível fundamental (5I8) ao
estado excitado 5I6. A partir desse estado, o íon de Ho3+ pode decair radiativamente para
o estado fundamental, dando origem à banda de emissão (por conversão descendente de
energia) em torno de 1188 nm.
Figura 6.2: Esquema simplificado da representação do processo de conversão descendente
de energia (que dá origem a emissão em torno de 1188 nm), obtido a partir da
transferência de energia entre os íons de Yb3+ e Ho3+, sob excitação em 980 nm. As setas
para cima e para baixo indicam respectivamente excitação e emissão e as linhas onduladas
decaimento por multifônons.
12
2
F5/2
TE
10
I6
3
-1
Energia (10 cm )
5
8
976 nm
6
5
I7
2
2
F7/2
0
2020 nm
1188 nm
4
5
3+
Yb
3+
Ho
I8
Fonte: Autor da tese, 2016.
139
Como pode ser observado no espectro de luminescência mostrado na figura
6.1, as NPs de LaF3 co-dopadas com os íons Yb/Ho apresentam uma banda de emissão
em torno de 1188 nm. Esta emissão por sua vez, possui uma série de aplicações
potenciais importantes em sistemas biológicos, uma vez que a mesma se encontra em
uma região espectral muito importante denominada de janelas biológicas (JBs). Dessa
forma a banda de emissão em torno de 1168 nm apresentada na figura 6.2 encontra-se
dentro da II-JB. No entanto, esta emissão foi obtida através de uma fonte de excitação
operando em 980 nm (que se deve ao pico de absorção dos íons de Yb3+). Mas, como é
bem conhecido na literatura [19, 20], a água possui um pico de absorção neste
comprimento de onda, o que limitaria possíveis aplicações de nossas NPs em sistemas
biológicos. Para tentar contornar este problema foi investigado outros possíveis
comprimentos de onda para excitar nossas amostras. Para isso, foi feito um espectro de
excitação na região de 850 a 1050 nm para a emissão em torno de 1188 nm das NPs de
LaF3 co-dopadas com Yb/Ho. O espectro de excitação obtido é mostrado na figura 6.3
Como pode ser observado, os principais picos de excitação que maximizam a emissão
em torno de 1188 nm são em 1010, 987, 973, 943, 913 e 878 nm.
Figura 6.3: Espectro de excitação normalizado para a emissão em torno de 1188 nm das
nanopartículas de LaF3 co-dopadas com Yb3+/Ho3+.
Intensidade Normalizada
1,2
973 nm
1,0
987 nm
943 nm
0,8
0,6
0,4
1010 nm
913 nm
878 nm
0,2
0,0
850
900
950
1000
Comprimento de onda (nm)
1050
Fonte: Autor da tese, 2016.
Como pode ser observado, os dois maiores picos de excitação (973 e 987 nm),
como mencionado anteriormente, encontram-se fora da janela biológica e exatamente
140
dentro de uma das bandas principais de absorção da água. Por outro lado, as bandas em
943 e 913 nm não são comparativamente tão pequenas e podem ser usadas como regiões
para excitação. De fato, essas são muito interessantes para serem utilizadas, inclusive
900 nm. Observando que o espectro da figura 6.3 está normalizado, a intensidade de
emissão em 1188 nm obtida usando excitação em 878 e 1010 nm correspondem a ~18 e
~22 %, respectivamente, em relação a obtida com excitação ressonante com o Yb3+ (973
nm). Com similar análise, a excitação em 913 nm corresponde a 46 %. Portanto, todas
essas excitações podem ser usadas e são muito interessantes do ponto de vista de bioaplicações. A partir desse momento usaremos como excitação de nossas NPs de
LaF3:Yb/Ho o comprimento de onda de 913 nm. Vale mencionar ainda que encontra-se
na literatura [2, 21] trabalhos sobre nanotermômetros luminescentes, com ótimos
resultados em sistemas biológicos, a partir de NPs dopadas com íons TRs e co-dopadas
com Yb3+ sob excitação em 920 nm.
As extensões espectrais (em destaque) da primeira e segunda janelas biológicas
as quais são limitadas pela dispersão da hemoglobina e absorção da melanina por luz
com pequenos comprimentos de onda, além da absorção da água para comprimentos de
onda longos (estes três componentes estão representados através do coeficiente de
atenuação do sangue humano no intervalo espectral 550-1600 nm), são mostrados
esquematicamente na figura 6.4. Além disso, é possível observar a banda de emissão em
torno de 1188 nm (que se encontra dentro da II-JB) das nanopartículas de LaF3 codopadas com os íons de Yb/Ho, quando excitadas em 913 nm (que se encontra dentro
da I-JB) que também é mostrado na figura 6.4. Assim, nossas NPs fazem parte de um
grupo seleto de nanomateriais [1, 14] que operam dentro das janelas biológicas, ou seja,
com excitação e emissão respectivamente dentro da I-JB e II-JB (em nosso caso
especifico), sendo desta forma possível obter nanotermômetros luminescentes com
maior profundidade de penetração para aplicação em vivo.
141
Figura 6.4: Espectro de emissão das nanopartículas de LaF3 co-dopadas com os íons de
Yb/Ho; espectro da excitação laser operando em 913 nm usado para aplicações em
nanotermometria luminescente. Também é incluído o coeficiente de atenuação do sangue
humano (oxigenado) no intervalo espectral 550-1600 nm. As extensões espectrais da
Intensidade normalizada
-1
II-JB
I-JB
1,2
Emissão Ho/Yb
1,0
Excitação
100
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
10
600
800
Coeficiente de atenuação (cm )
primeira e segunda janelas biológicas também são esquematicamente indicadas.
1000
1200
1400
Comprimento de onda (nm)
1600
Fonte: Autor da tese, 2016.
Uma vez que a emissão, por conversão descendente de energia, em torno de
1188 nm (dentro da II-JB) das NPs de LaF3 codopadas com os íons de Yb/Ho sob
excitação em 913 nm (dentro da I-JB) foi demonstrado, seu potencial uso como
nanotermômetro luminescente será sistematicamente estudado. Para isso, foi realizada
uma série de medidas do espectro de luminescência de nossas NPs variando a
temperatura no intervalo de 23-128 °C.
A distribuição espectral (1100-1300 nm) da emissão em 1188 nm das NPs de
LaF3 dopadas com 10 mol% Yb3+ e 4 mol% Ho3+ são mostradas em detalhes na figura
6.5 (a), para as temperaturas de 23, 55 e 88 °C. Todos os espectros de emissão
apresentados na figura 6.5 (a) foram normalizados, de modo que as alterações induzidas
pelo aumento da temperatura se tornam mais evidentes. Dessa forma, podemos observar
que o perfil espectral da banda de luminescência em torno de 1168 nm é fortemente
influenciado pela temperatura. Em uma primeira análise, a banda de luminescência em
torno de 1168 nm pode ser descrita como sendo constituída por duas linhas
luminescentes com picos centrados em 1148 e 1188 nm. Estas duas linhas
142
luminescentes estão relacionadas a duas diferentes transições radiativas entre os
diferentes níveis Stark que compõem os níveis eletrônicos 5I8 (estado excitado) e 5I6
(estado fundamental) dos íons de Ho3+. Dessa forma, como foi discutido no capítulo 2, a
separação em energia entre subníveis Stark é muito pequena (apenas algumas dezenas
de cm-1) e, portanto, eles encontram-se termicamente acoplados. Assim, como
anteriormente postulado [9, 10, 22, 23], quando a temperatura é modificada a população
destes estados termicamente acoplados sofre uma forte redistribuição.
Como consequência desta redistribuição de população, as intensidades
relativas das bandas de florescências geradas desses estados são modificadas. Isto nos
possibilita usar a razão entre as intensidades desses dois picos para determinar a
temperatura, através da técnica (apresentada no capitulo 2) conhecida como razão da
intensidade de fluorescência (RIF). A técnica RIF consiste na medida da dependência
térmica das intensidades de fluorescência que surgir a partir dos dois diferentes níveis
eletrônicos que são termicamente acoplados e do cálculo da razão entre elas [6, 8, 24].
Na figura 6.5 (a) podemos ver que realmente ocorre uma redistribuição da
população, induzida pelo aumento da temperatura, entre os diferentes níveis Stark que
constituem a banda de emissão em torno de 1168 nm. Em temperatura ambiente (neste
caso 23 °C) a altura do pico de intensidade em 1148 nm é cerca de 51% da altura do
pico em 1188 nm, e com a elevação da temperatura até 88 °C ocorre um apreciável
crescimento da intensidade da emissão em 1148 nm (I1148) em relação àquela em 1188
nm (I1188), ou seja, ocorre um considerável aumento na RIF (I1148/ I1188).
143
Figura 6.5: (a) Espectro de luminescência normalizado das NPs de LaF3 dopadas com
Yb/Ho, sob excitação em 913 nm nas temperaturas de 23, 55 e 88 °C. Mostrando em
detalhe as mudanças espectrais induzidas pela a temperatura, assim como (b) a
deconvolução (linhas pontilhadas) da banda de emissão centrada em 1168 nm em termos
dos picos em torno de 1148 e 1188 nm.
1,0
(a)
23 °C
55 °C
88 °C
0,4
0,2
1188 nm
0,6
1148 nm
Intensidade normalizada (u. a.)
0,8
0,0
1,0
(b)
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1100
1150
1200
1250
Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor da tese, 2016.
Para usar a técnica RIF devemos calcular o valor das intensidades de emissão
dos níveis ou subníveis termicamente acoplados. Para isso devemos primeiramente
calcular os valores das intensidades das emissões em torno de 1148 nm (I1148) e 1188
nm (I1188), para então depois obter o comportamento da razão I1148/ I1188. A figura 6.5 (b)
mostra o procedimento adotado para determinar o valor das intensidades de emissão
para três temperaturas (23, 55 e 88 °C). Inicialmente foi realizado um processo de
deconvolução da banda de emissão, centrada em 1168 nm, em duas bandas (linhas
pontilhadas na figura 6.6 (b)) centradas em torno de 1148 e 1188 nm. Dessa forma, as
intensidades de emissão I1148 e I1188, foram calculadas a partir da área sub as curvas de
deconvolução em torno desses picos (1148 e 1188 nm). Analisando as curvas
normalizadas, podemos observar na figura 6.5 (b) que a intensidade da emissão em I1148
144
(representada pela curva de deconvolução centrada em 1148 nm) cresce
sequencialmente com o aumento da temperatura.
Figura 6.6: Razão das intensidades de fluorescência (RIF) em 1148 e 1188 nm como função
da temperatura para as nanopartículas de LaF3 codopadas com Yb/Ho.
0,38
-4
R = I1148 nm/I1188 nm
R = 0,292 + 6,08.10 T
0,36
0,34
0,32
S = dR/dT = 6,08.10
0,30
20
40
60
80
100
Temperatura (°C)
-4
120
Fonte: Autor da tese, 2016.
Na Figura 6.6 apresentamos a RIF (I1148/ I1188) das NPs de LaF3 codopadas com
Yb/Ho em função da temperatura, no intervalo de 20 a 130 oC. Para esse intervalo de
temperatura, foi observado que a RIF exibe um comportamento linear (representado
pelos pontos vermelhos) e, portanto, a ideia de um sensor térmico fica ainda mais
simples. Tal comportamento linear de R com T nos leva a uma sensibilidade térmica
constante de dR/dT = 6,08x10-4 oC-1, obtida a partir do ajuste linear dos dados
experimentais, representado pela linha sólida (azul) mostrada na figura 6.6. Essa é a
sensibilidade do sensor, mas na literatura é convencionalmente usado e, de fato, mais
interessante usar a sensibilidade relativa dada por Sr = (1/R).dR/dT. Essa é apresentada
na figura 6.7 a partir dos dados experimentais. Como podemos observar, a sensibilidade
térmica relativa é aproximadamente constante com a temperatura, tendo um valor médio
de 0,19 % °C-1 no intervalo de temperatura biológica (20 a 60 °C).
A sensibilidade térmica relativa obtida de nossas nanopartículas é comparável à
apresentada por Dong e colaboradores (cerca de 0,25 %°C-1 no intervalo de temperatura
de 25-50 °C) [21] para a banda de emissão em torno de 800 nm (correspondente a
transição eletrônica 3H4→3H6 do íon de Tm) das nanopartículas de CaF2 codopadas
com Yb/Tm e sob excitação em 920 nm, e metade do valor obtido por Oleksandr e
145
colaboradores (0,385 % °C-1 em 24 °C) [17] para a emissão no vermelho
(correspondente a transição eletrônica 5F5→5I8 do íon de Ho) de NPs de
KLu(WO4)2 codopadas com Yb/Ho e sob excitação em 980 nm. Entretendo, este
primeiro sistema opera totalmente dentro da I-BW (emissão em 800nm e excitação em
920 nm) e o segundo totalmente fora das janelas biológicas, enquanto o nosso sensor
operar com excitação na I-JB (excitação 913 nm) e emissão na II-JB (emissão em 1188
nm). Como já é bem conhecido na literatura [15], comprimentos de ondas localizados
na II-JB geralmente apresentam maior penetração em tecidos biológicos e menor
espalhamento em relação àqueles que se encontram na I-JB. Portanto, nosso nanosensor
apresenta-se como um excelente candidato para sistemas biológicos.
Figura 6.7: Sensibilidade térmica relativa da razão de intensidades de fluorescência I1148/
I1188 (RIF) em função da temperatura para o intervalo de 23-128 °C.
0,20
-4
R = 0,292 + 6,08.10 x T
-1
Sr (% C )
0,19
o
Sr = (1/R)dR/dT
0,18
Intervado de Temperatura
Biologica
0,17
0,16
20
40
60
80
100
Temperatura (°C)
120
Fonte: Autor da tese, 2016.
A sensibilidade térmica de nossas NPs também é praticamente equivalente a
proposta por Rocha e colaboradores (cerca de 0,23 % °C-1 no intervalo de temperatura
de 10-60 °C) [3] para NPs de LaF3 dopadas com Nd3+ que opera dentro da I-JB
(excitação em 800 nm e emissão em torno de 880 nm), que um dos nanotermômetros
luminescentes mais citados na literatura por apresentar excelentes resultados. Dessa
forma, podemos dizer que as NPs de LaF3 co-dopadas com Yb/Ho se apresentam como
nanotermômetros luminescentes promissores para aplicações em sistemas biológicos.
146
6.4 CONCLUSÃO
Em resumo, neste capítulo analisamos a dependência com a temperatura da
emissão por conversão descendente de energia de nanopartículas de LaF3 codopadas
com 10 mol% de Yb3+ e 4 mol% de Ho3+ sob excitação em 913 nm, com o intuito de
usá-las como nanotermômetros luminescentes operando dentro das janelas biológicas.
Foi observado que a temperatura induz uma redistribuição de população entre os níveis
Stark do estado eletrônico 5I6 dos íons de Ho3+ causando relevantes mudanças na
intensidade relativa de duas diferentes linhas luminescentes que constituem a banda de
emissão em torno de 1188 nm. A razão entre as intensidades de fluorescência (RIF) entre
dois subníveis Stark (do estado eletrônico 5I6 do íon de Ho3+) termicamente acoplados,
com emissão em 1148 e 1188 nm, mostrou um comportamento linear com o aumento da
temperatura. A sensibilidade térmica relativa de nossas NPs foi determinada,
apresentando um valor médio de 0,19 % oC-1 no intervalo de temperatura biológica (2060 °C). Esta sensibilidade térmica relativa obtida foi comparada com alguns dos
principais nanosensores luminescentes de temperatura presentes na literatura e o nosso
se demostrou uma excelente opção como nanotermômetro luminescente para aplicações
em bio-sistemas, uma vez que a excitação usado foi exatamente na I-JB e a emissão
gerada fortemente está na II-JB, exatamente no mínimo de absorção de sangue
oxigenado, possibilitando maior comprimento de penetração e menos espalhamentos em
tecidos biológicos.
147
REFERENCIAS
1.
Ceron, E.N., et al., Hybrid nanostructures for high-sensitivity luminescence
nanothermometry in the second biological window. Adv Mater, 2015. 27(32): p.
4781-7.
2.
Fiorenzo
Vetrone,
e.a.,
Temperature
Sensing
Using
Fluorescent
Nanothermometers. ACS Nano, 2010. 4(6): p. 3254-3258.
3.
Rocha, U., et al, Subtissue Thermal Sensing Based on Neodymium-Doped LaF3
Nanoparticles. Acs Nano. 7(2): p. 1188-1199.
4.
Ximendes, E.C., et al, Unveiling in Vivo Subcutaneous Thermal Dynamics by
Infrared Luminescent Nanothermometers. Nano Letters, 2016. 16(3): p. 16951703.
5.
Jaque, D. and F. Vetrone, Luminescence nanothermometry. Nanoscale, 2012.
4(15): p. 4301-4326.
6.
Carlos, D.S., et al., Thermometry at the nanoscale. 2016.
7.
Fischer, L.H.H., G. S.; Wolfbeis, O. S., Upconverting Nanoparticles for
Nanoscale Thermometry. Angewandte Chemie-International 2011. 50(20): p.
4546-4551.
8.
Zhang, F., Photon Upconversion Nanomaterials. 2015.
9.
H. Berthou, C.K.J., Optical-fiber temperature sensor based onupconversionexcited fluorescence. Opt. Lett. , 1990. 15: p. 1100–1102.
10.
S.A. Wade, S.F.C., G.W. Baxter, Fluorescence intensity ratio technique for
optical fiber point temperature sensing. J. Appl. Phys., 2003. 94: p. 4743–4756.
11.
Quek, C.H.L., K. W. , Near-Infrared Fluorescent Nanoprobes for in Vivo
Optical Imaging. Nanomaterials 2012. 2: p. 92-112.
12.
Maestro, L.M., et al., Heating efficiency of multi-walled carbon nanotubes in the
first and second biological windows. Nanoscale, 2013. 5(17): p. 7882-7889.
13.
Smith, A.M.M., M. C.; Nie, S. , Bioimaging: Second window for in vivo
imaging. Nat Nano. 4(11): p. 710-711.
14.
Rocha, U., et al, Neodymium-Doped LaF3 Nanoparticles for Fluorescence
Bioimaging in the Second Biological Window. Small. 10(6): p. 1141-1154.
15.
Kobat, D., et al., Deep tissue multiphoton microscopy using longer wavelength
excitation. Optics Express, 2009. 17(16): p. 13354-13364.
148
16.
Sathravada Balaji, e.a., Efficient ~2.0 μm emission from Ho3+ doped tellurite
glass sensitized by Yb3+ ions: Judd-Ofelt analysis and energy transfer
mechanism. OPTICAL MATERIALS EXPRESS, 2011. 1(2): p. 138-150.
17.
Oleksandr A. Savchuk, a.e., Ho,Yb:KLu(WO4)2 Nanoparticles: A Versatile
Material for Multiple Thermal Sensing Purposes by Luminescent Thermometry.
J. Phys. Chem. C 2015(119): p. 18546−18558.
18.
POMA NUÑEZ, P.Y., Sínteses e Caracterizações Óptica e Estrutural de
Nanopartículas de LaF3:Yb3+/Ho3+ e LaF3:Yb3+/Tm3+ e Cerâmicas
Transparentes de Y2O3:Eu3+ e Y2O3:Tm3+, in UFAL - Instituto de Física.
2015.
19.
Dan Wang, a.e., 808 nm driven Nd3+-sensitized upconversion nanostructures for
photodynamic therapy and simultaneous fluorescence imaging. Nanoscale,
2015. 7: p. 190–197.
20.
Ye-Fu Wang, e.a., Nd3+ Sensitized Upconversion Nanophosphors: Efficient In
Vivo Bioimaging Probes with Minimized Heating Effect. ACS Nano, 2013. 7(8):
p. 7200–7206.
21.
Dong, N.N., et al., NIR-to-NIR two-photon excited CaF2:Tm3+,Yb3+
nanoparticles: multifunctional nanoprobes for highly penetrating fluorescence
bio-imaging. ACS Nano, 2011. 5(11): p. 8665-71.
22.
D. Jaque, a.e., Fluorescent nano-particles for multi-photon thermal sensing. J.
Lumin., 2013. 133: p. 249–253.
23.
E. Maurice, a.e., Erbium-doped silica fibers for intrinsic fiberoptic temperature
sensors. Appl.Opt. , 1995. 34: p. 8019–8025.
24.
S. A. Wade, S.F.C., G. W. Baxter,, Fluorescence Intensity Ratio Technique for
Optical Fiber Point Temperature Sensing. J. Appl. Phys., 2003. 98(8): p. 47434756.
149
7. CONCLUSÕES FINAIS E PERPECTIVAS
Os propósitos desta tese foram investigar as propriedades de luminescência de
nanopartículas (NPs) de Niobato de Sódio (NaNbO3) e de Fluoreto de Lantânio (LaF3)
dopadas ou co-dopadas com diferentes íons terras-raras (que emitem principalmente na
região do infravermelho do espectro eletromagnético) para potenciais aplicações em
dispositivos fotônicos, em especial em bio-imagem, nanoaquecedores ópticos e
nanotermômetros luminescentes (NTLs) operando fora e dentro das regiões conhecidas
como primeira e segunda janelas biológicas (I-JB e II-JB, respectivamente) dos tecidos
humanos.
Inicialmente, no capítulo 3 investigamos as potenciais aplicações das NPs
NaNbO3 co-dopadas com Tm3+/Yb3+ como NTL com alta resolução espacial operando
sob excitação de três fótons. Para isso, primeiramente foi comprovada a terceira ordem
do processo de excitação da emissão gerada em torno de 484 nm. Em seguida, foi
analisado o perfil espectral da banda de emissão em torno de 484 nm (1G4→3H6) dos
íons de Tm3+ sob excitação em 940 nm para o intervalo de temperatura de 24-140 °C.
Assim, observamos que a temperatura induz uma redistribuição de população entre os
níveis Stark do estado eletrônico 1G4 dos íons de Tm3+ causando mudanças relevantes
nas intensidades relativas de duas diferentes linhas luminescentes que constituem a
banda caraterística centrada em 484 nm. A razão das intensidades de fluorescência
(RIF) apresentou uma variação linear com a temperatura para o intervalo de 24 a 140
°C, levando a uma sensibilidade térmica constante de 0,08% oC-1 para o intervalo de
temperatura analisado. Esta sensibilidade foi encontrada e comparada a de outros
nanosensores térmicos luminescentes sob excitação por três fótons da literatura. A
potencial aplicação de NPs de NaNbO3 co-dopadas com Tm3+/Yb3+ como NTL sob
excitação por três fótons foi demostrado na determinação precisa da temperatura local
induzida por excitação laser. Portanto, os resultados apresentados comprovaram a
capacidade promissora das NPs de NaNbO3 co-dopadas com Tm/Yb como NTL via
RIF, mas também aponta a sua possível aplicação como agente fototérmico capaz de
simultaneamente converter luz em calor e remotamente fazer a leitura térmica.
Em seguida no capítulo 4 investigamos as potenciais bioaplicações das NPs de
NaNbO3 dopadas com diferentes concentrações de Tm (1, 3 e 5 mol%) como NTL e em
150
bio-imagens fluorescentes. Através dos espectros de emissão, obtidos sob excitação em
1319 nm, observamos que somente uma banda de emissão em 800 nm é gerada na
região do visível-NIR. Tal emissão ocorre por um processo de conversão ascendente de
energia gerado a partir da absorção de dois fótons. Além disso, verificamos que a
intensidade da emissão em 800 nm é fortemente dependente da matriz hospedeira
devido ao processo de excitação assistido por multi-fônons, o que significa dizer que é
fortemente dependente da temperatura. De fato, observamos que a intensidade da banda
de emissão em 800 nm duplica quando a temperatura da amostra varia de 30 a 90 °C.
Além disso, este aumento da intensidade de emissão vem acompanhado de uma
redistribuição de população dos subníveis Stark termicamente acoplados de duas
diferentes linhas espectrais que compõem a banda de emissão em 800nm. Para as três
amostras analisadas, a razão das intensidades em 797 e 807 nm mostraram um
comportamento linear com a temperatura para o intervalo de 24 a 90 °C. Devido à esse
comportamento foi possível calcular os valores das sensibilidades térmicas relativas (Sr)
das amostras investigadas. Os resultados mostraram que Sr é praticamente constante
tanto em relação à temperatura quanto em relação à concentração de íons de Tm 3+
usados para dopar as NPs, apresentando um valor médio de 0,75 % °C-1 para a amostra
dopada com 5 mol% de Tm3+ no intervalo de temperatura de 30-60 °C, o que justifica a
sua possível aplicação como NTL. E como, a emissão e excitação de nossas NPs se
encontram dentro da primeira e segunda janelas biológicas, respectivamente, existe
grade possibilidade de obtermos NTL e bio-imagens fluorescentes com grande
resolução espacial e uma maior profundidade de penetração, uma vez que efeitos como
espalhamento e autofluorescência são minimizados. Além disso, com base no
experimento de penetração realizado, foi possível observar claramente que essa
configuração proporciona uma maior profundidade de penetração e, de fato,
profundidades de penetração tão grandes quanto 3 mm é potencialmente possível de
serem obtidas. Portanto, as NPs de NaNbO3 dopados com íons de Tm3+ surgem como
excelentes nanomarcadores multifuncional para imagens fluorescentes com altos
contraste e penetração, e nanotermômetro luminescente com alta sensibilidade térmica
para bioaplicações.
No capítulo 5 realizamos inicialmente um estudo sobre o comportamento das
emissões em 1230 e 1470 nm de NPs de LaF3 dopadas com 1mol% de Tm3+ para as
excitações lasers em 690 e 790 nm, e verificou-se que a melhor excitação para
151
maximizar as emissões analisadas foi 690 nm. Foi realizada uma análise das bandas de
emissão em 1230 e 1470 nm das NPs de LaF3 para as concentrações de 1, 3 e 5 mol% de
Tm3+, em que foi observado um aumento considerável da banda de emissão em 1230
nm (em relação a de 1470 nm) com o aumento da concentração. Realizamos também
um estudo sobre a aplicação das NPs de LaF3 dopadas com diferentes concentrações (1,
3 e 5 mol%) de Tm3+ como nanosensor luminescente de temperatura, baseado na RIF
das bandas de emissão em 1470 e 1230 nm, que correspondem as transições 3H4 → 3F4
e 3H5 → 3H6 de íons de Tm3+. Para cada uma das três concentrações analisadas, foi
observado que a RIF em 1470 e 1230 nm apresenta um crescimento linear com o
aumento da temperatura. Ajustes lineares dos dados experimentais foram obtidos e, a
partir desses foi possível obter as sensibilidades térmicas e ver que essas são constantes
(independente da temperatura). Os seguintes valores para sensibilidades térmicas foram
estimados: 0,119, 0,046 e 0,019 °C-1, respectivamente, para as concentrações de 1, 3 e 5
mol% de Tm3+. Também foram obtidas as sensibilidades térmicas relativas para o
intervalo de temperatura de 24 a 88 °C. Os resultados mostraram que as mesmas
diminuem à medida que a temperatura aumenta, possuindo na temperatura de 24 °C os
valores máximos de 1,9; 1,7 e 1,5 % °C-1, respectivamente, para as amostras dopadas
com 1, 3 e 5 mol% de Tm3+. Estas sensibilidades térmicas relativas foram então
comparadas as de outros nanosensores luminescentes de temperatura descritos na literatura
que operam dentro das janelas biológicas. Devido ao fato das emissões em 1230 e 1470
nm das NPs de LaF3 dopadas com Tm3+ estarem dentro da região espectral da segunda
janela biológica, e a principal banda de absorção (que maximiza essas emissões) em 690
nm dos íons de Tm3+ estar localizada dentro da primeira janela biológica, juntamente
com a alta sensibilidade térmica apresentada pela razão das intensidades das bandas de
emissão em 1470 e 1230 nm, as NPs de LaF3 dopadas com Tm3+ se apresentam como
promissores NTLs na técnica RIF com grande potencial para aplicações em sistemas
biológicos.
Finalmente no capítulo 6 realizamos um estudo da dependência com a
temperatura da emissão por conversão descendente de energia das NPs de LaF3 codopadas com 10 mol% de Yb3+ e 4 mol% de Ho3+ sob excitação em 913 nm, com o
intuito de usa-las como nanotermômetros luminescentes operando dentro das janelas
biológicas. Foi observado que a temperatura induz uma redistribuição de população entre
os níveis Stark do estado eletrônico 5I6 dos íons de Ho3+ causando relevantes mudanças na
152
intensidade relativa de duas diferentes linhas luminescentes que constituem a banda de
emissão em torno de 1188 nm. A RIF de dois subníveis Stark termicamente acoplados,
com emissão em 1148 e 1188 nm, mostrou um comportamento linear com o aumento da
temperatura. Em seguida, sensibilidade térmica relativa de nossas NPs foi determinada,
apresentando um valor médio de 0,19 % oC-1 no intervalo temperatura biológico (20-60
°C). Esta sensibilidade térmica relativa obtida foi comparada com alguns dos principais
nanosensores luminescentes de temperatura presentes na literatura e os resultados se
mostraram promissores. Dessa forma, nossas NPs demostram uma excelente
potencialidade como NTL para aplicações em vivo, uma vez que com a excitação na IJB e emissão na II-JB podem atingir um maior comprimento de penetração nos tecidos
humanos.
Em resumo, os resultados obtidos neste trabalho de doutorado permitiram uma
melhor compreensão das possíveis bioaplicações das NPs de NaNbO3 e LaF3 dopadas
com diferentes íons terra-raras como nanoaquecedores ópticos em bioimagens
fluorescentes e principalmente como de NTLs operando nas regiões de transparência de
tecidos biológicos e também na região do azul do espectro eletromagnético
Como perspectivas sugerimos a realização de experimentos in vitro, ex vivo e
in vivo (usando nossas NPs) de nanotermometria e em bioimagens fluorescentes. Além
de explorar novos tipos de NPs, por exemplo, do tipo core-shell na tentativa de
aumentar a sensibilidade térmica, pois é possível um maior controle nos processos de
transferência de energia entre diferentes íons terra-raras.
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