Upconverting Lanthanide Fluoride Core@Shell Nanorods for Luminescent Thermometry in the First and Second Biological Windows: β-NaYF4:Yb3+– Er3+@SiO2 Temperature Sensor

材料科学 纳米棒 发光 镧系元素 芯(光纤) 放射化学 光电子学 氟化物 分析化学(期刊) 纳米技术 离子 无机化学 物理 化学 色谱法 量子力学 复合材料
作者
Marcin Runowski,Natalia Stopikowska,Daria Szeremeta,Szymon Goderski,Małgorzata Skwierczyńska,Stefan Lis
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (14): 13389-13396 被引量:199
标识
DOI:10.1021/acsami.9b00445
摘要

Upconverting core@shell type β-NaYF4:Yb3+-Er3+@SiO2 nanorods have been obtained by a two-step synthesis process, which encompasses hydrothermal and microemulsion routes. The synthesized nanomaterial forms stable aqueous colloids and exhibits a bright dual-center emission (λex = 975 nm), i.e., upconversion luminescence of Er3+ and down-shifting emission of Yb3+, located in the first (I-BW) and the second (II-BW) biological windows of the spectral range, respectively. The intensity ratios of the emission bands of Er3+ and Yb3+ observed in the vis-near-infrared (NIR) range monotonously change with temperature, i.e., the thermalized Er3+ levels (2H11/2 → 4I15/2/4S3/2 → 4I15/2) and the nonthermally coupled Yb3+/Er3+ levels (2F5/2 → 2F7/2/4I9/2 → 4I15/2 or 4F9/2 → 4I15/2). Hence, their thermal evolutions have been correlated with temperature using the Boltzmann type distribution and second-order polynomial fits for temperature-sensing purposes, i.e., Er3+ 525/545 nm (max Sr = 1.31% K-1) and Yb3+/Er3+ 1010/810 nm (1.64% K-1) or 1010/660 nm (0.96% K-1). Additionally, a fresh chicken breast was used as a tissue imitation in the performed ex vivo experiment, showing the advantage of the use of NIR Yb3+/Er3+ bands, vs. the typically used Er3+ 525/545 nm band ratio, i.e., better penetration of the luminescence signal through the tissue in the I-BW and II-BW. Such nanomaterials can be utilized as accurate and effective, broad-range vis-NIR optical, contactless sensors of temperature.
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