Synthesis and characterization of Yb3+ : doped Y3AI5O12 nanocrystals to develop an absolute lumınescent thermometer = Yb3+ : Y3AI5O12 nanokristallerinin mutlak bir lüminesans termometre geliştirmek için sentez ve karakterizasyonu

Abstract

Mevcut yüksek lisans tez çalışmasında, nanotıp ve nanoteknoloji alanlarındaki sıcaklık ölçümlerine olan büyük ilgiden dolayı, Yb3+:YAG (Yitriyum Alüminyum Granet, Y3Al5O12) nanokristallerinin özellikleri biyomedikal uygulamalar için mutlak lüminsans bir nano-termometre olarak araştırılmıştır. Araştırma sırasında, Yb3+:Y3Al5O12 nanoparçacıklarının üç sentez yolu, sol-jel modifiye Pechini yöntemi ile yapılmıştır. Sentez prosedürünü optimize etmek için X-ray difraksiyon (XRD) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) gibi yapısal ve morfolojik karakterizasyon teknikleri kullanılmıştır. Entegre küre kullanılarak sentezlenen nanoparçacıklar arasındaki en güçlü emisyon şiddetini belirlemek için uygulanan mutlak yoğunluk tekniği ve Yb3+:YAG nanokristallerin sıcaklık algılama yeteneklerini incelemek için kullanılan floresans yoğunluk oranı (FIR) tekniği gibi spektroskopik karakterizasyon teknikleri kullanılmıştır. Böylece Yb3+:YAG nanokristalleri için en iyi çalışma performansları belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, en yüksek ve güçlü mutlak emisyon şiddetinin % 5 Yb3+:YAG nanokristallerine yani Exp. 10'a ait olduğunu ortaya koymaktadır ki, başlangıç materyalleri nitratlar olarak ve sitrik asit gibi bir kompleksleştirici ajan kullanılarak sentezlenmişlerdir. 940 nm ve 980 nm'de uyarma altında, bu nanopartiküllerin yakın kızılötesi bölge aralığında ikinci biyolojik pencerelerde (II-BW) bulunan 1030, 1048, 1000 ve 1006 nm'de emisyon bantlarının sırasıyla 0′ → 2, 0′ → 3, 1′→ 3 ve 1′→ 2 İterbiyum geçişlerine karşılık gelmesi gösterilmiştir. Bu nedenle, bu uyarımların her ikisinden de gelen emisyonlar, bu dalga boyu aralığında termal algılama için umut verici özellikler sergilemektedir. Dolayısıyla, her iki uyarımın oranları olarak iki farklı termometrik parametre belirlenmiştir, birincisi, 1030 ve 1048 nm piklerine karşılık gelen 0′ → 2 ve 0′ → 3 geçişlerinin emisyon şiddetleri arasındaki oran, ikincisi, 1000 ve 1006 nm piklerine karşılık gelen 1′ → 3 ve 1′ → 2 geçişlerinin emisyon şiddetleri arasındaki orandır. Termometre, basit Yb3+ enerji seviyesi yapısına dayalı ve 298 ile 333 K arasında çalışabilmektedir. Diğer yeni ve en önemli özellik, kalibrasyon faktörünün Yb3+ emisyon spektrumundan hesaplanabilmesidir.

In this thesis, due to the great interest of the temperature measurements in the fields of nanomedicine and nanotechnology, the properties of Yb3+-doped YAG (Yttrium Aluminum garnet, Y3Al5O12) nanocrystals as an absolute luminescent nanothermometer for biomedical applications was investigated. During the investigation, three routes of synthesis of Yb3+:Y3Al5O12 nanoparticles were done via the sol-gel modified Pechini method. Morphological and structural characterization approaches which include transmission electron microscope (TEM) and X-ray diffraction (XRD) were employed to optimize the process of the synthesis. Spectroscopic characterization techniques, such as absolute intensity technique which was applied for determining the most strongest emission intensity among the synthesized nanopowders using the integrated sphere and fluorescence intensity ratio (FIR) technique which was utilized to examine the temperature sensing capabilities of Yb3+:YAG, were exploited. Thus, the best working performances of Yb3+-doped YAG nanocrystals were detected. The outcomes indicated that the highest absolute emission intensity was belong to 5 at. % of Yb3+:YAG nanocrystals which were synthesized using nitrates as beginning materials and citric acid as a complexing agent viz Exp. 10. Under excitation at 940 nm and 980 nm, these nanoparticles exhibited emission bands at 1030, 1048, 1000, and 1006 nm within the range of the near-infrared (NIR) region, being in agreement with the 0′ → 2, 0′ → 3, 1′→ 3, and 1′→ 2 transitions of Yb3+, and locating on the second biological windows (II-BW), correspondingly. Therefore, emissions from both of these excitations displayed favorable features in order to the thermic detecting within this scope of wavelengths. Ergo, two different thermometric parameters were defined as the ratios for both of the excitations, first, the ratio amongst the emission intensities of the 0′ → 2 and 0′ → 3 transitions being consistent with 1030 and 1048 nm peaks, second, the ratio betwixt the emission intensities of the 1′ → 3 and 1′ → 2 transitions concurring with 1000 and 1006 nm peaks. Thus, depending on the simple Yb3+ energy level structure, the thermometer was developed and could activate between 298 and 333 K. Computing capability of the calibration factor from the Yb3+ emission spectrum was the other novel and of greatest significance perspective.