Síntesis y caracterización de una plataforma magneto-luminiscente de Fe3O4-ZrO2: Yb3+, Ln3+ (Ln3+= Er3+, Tm3+) para el escaneo biomédico y terapia fototérmica

Abstract

In this work, up conversion nanoparticles of ZrO2: Yb3+–Er3+ and ZrO2: Yb3+–Tm3+ were developed and characterized using a sol-gel method to determine the effect of dopant concentration on their structural, photoluminescent, and photothermal properties under near-infrared (NIR) excitation. X-ray diffraction analysis confirmed the monoclinic structure of ZrO2, while scanning electron microscopy confirmed the presence of lanthanides and hemispherical nanoparticles. Furthermore, photothermal measurements showed a concentration-dependent temperature increase, reaching up to 110.2 °C for the Er3+-doped nanoparticles and 107.6 °C for the Tm3+-doped nanoparticles after 3 minutes of irradiation. A magneto luminescent platform based on hybrid Fe3O4 nanoparticles coated with a ZrO2 layer doped with Yb3+/Er3+ was synthesized and characterized. Structural characterization by X-ray diffraction (XRD) confirmed the formation of the inverse spinel phase corresponding to Fe3O4 and the monoclinic phase of ZrO2: Yb3+/Er3+. Morphological analysis showed quasi-spherical nanoparticles with average sizes of 70, 114, and 146 nm (14, 26, and 34 mmol, respectively). The magnetic properties showed a progressive decrease in magnetization with increasing concentration of ZrO2 butoxide, from 6.58 emu/g in pure magnetite to 0.001956 emu/g in the coated particles. Photoluminescence studies revealed emissions in the green (500-600 nm) and red (640-700 nm) regions of the electromagnetic spectrum, attributed to the 2H11/2 + 4S3/2 → 4I15/2 and 4F9/2 → 4I15/2 transitions of Er3+, respectively. As well as emissions found in blue (465 nm) resulting from the 1G4 →3H2 energy level transition, emission bands in the red, attributed to the transitions of ∼650 nm (1G4 (1) → 3F4) and ∼670 nm (3F2 → 3H2), while the near-infrared bands are between 750 and 900 nm due to the 3H2 → 3H2 level for ZrO2: Yb3+/Tm3+.

En este trabajo se desarrollaron y caracterizaron nanopartículas de conversión ascendente de ZrO2:Yb3+–Er3+ y ZrO2:Yb3+– Tm3+ mediante un método sol-gel con la finalidad de determinar el efecto de la concentración de dopante en sus propiedades estructurales, fotoluminiscentes y fototérmicas bajo excitación en el infrarrojo cercano (NIR). El análisis de difracción de rayos X confirmó la estructura monoclínica de ZrO2, mientras que la microscopía electrónica de barrido confirma la presencia de lantánidos, así como nanopartículas semiesféricas. Además, las mediciones fototérmicas mostraron un aumento de la temperatura dependiente de la concentración, alcanzando hasta 110.2 °C para las nanopartículas dopadas con Er3+ y 107.6 °C para las dopadas con Tm3+ tras 3 minutos de irradiación. Al igual que se sintetizó y caracterizó una plataforma magneto-luminiscente basada en nanopartículas híbridas de Fe3O4 recubiertas con una capa de ZrO2 dopadas con Yb3+/Er3+. La caracterización estructural mediante difracción de rayos X (DRX) confirmó la formación de la fase de espinela inversa correspondiente a Fe3O4 y la fase monoclínica de ZrO2: Yb3+/Er3+. El análisis morfológico mostró nanopartículas cuasi-esféricas con tamaños promedio de 70, 114 y 146 nm (14, 26 y 34 mmol respectivamente). Las propiedades magnéticas presentaron una disminución progresiva de la magnetización al incrementar la concentración del butoxido de ZrO2, pasando de 6.58 emu/g en la magnetita pura a 0.001956 emu/g en las partículas recubiertas. Los estudios de fotoluminiscencia revelaron emisiones en las regiones verde (500-600 nm) y roja del espectro electromagnético (640-700 nm), atribuidas a las transiciones 2H11/2 + 4S3/2 → 4I15/2 y 4F9/2 → 4I15/2, del Er3+, respectivamente. Así como emisiones encontradas en azul (465 nm) producto de la transición del nivel de energía 1G4 → 3H2, bandas de emisión en el rojo, atribuidas a las transiciones de ∼650 nm (1G4 (1) → 3F4) y ∼670 nm (3F2 → 3H2), mientras que las bandas del infrarrojo cercano se encuentran entre 750 y 900 nm debido al nivel 3H2 → 3H2 para ZrO2: Yb3+ -Tm3+.