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Controlled Shell Growth Enables High Quantum Yield Upconverting Nanoparticles for Thermal Sensing and Bioimaging

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Autor(es):
Serge-correales, York Estewin ; Maturi, Fernando Eduardo ; Piva, Henrique Luis ; Ullah, Sajjad ; Tedesco, Antonio Claudio ; Carlos, Luis Dias ; Andre, Maria Rute Ferreira ; Verelst, Marc ; Ribeiro, Sidney Jose Lima ; Goncalves, Rogeria Rocha
Número total de Autores: 10
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: ADVANCED OPTICAL MATERIALS; v. N/A, p. 9-pg., 2026-01-19.
Resumo

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs) are versatile materials for biomedical applications owing to their ability to convert low-energy near-infrared (NIR) light into higher-energy emission. This nonlinear optical process allows for deep tissue penetration with minimal autofluorescence, scattering, and phototoxicity, making UCNPs ideal for dual-function bioimaging and nanoscale temperature sensing. However, their use is often limited by low luminescence quantum yields (QY). Here, a novel synthesis strategy is reported to obtain NaYbF4:Tm3+@NaYF4 core@shell UCNPs with controlled shell thickness to reduce surface quenching. The optimized nanoparticles exhibit strong upconversion emissions, high QYs up to 5.5%, and long luminescence lifetimes reaching 1.2 ms. Thicker shells significantly enhance performance, placing this material among the most efficient Tm-based UCNP systems reported for biological applications. Dual ratiometric thermometric parameters enable accurate, contactless temperature readouts in the 30-60 degrees C range, with each parameter showing optimal thermal sensitivity at different subranges. Cytotoxicity assays confirm high biocompatibility (93% cell viability), and confocal super-resolution (SR) imaging reveals strong, specific UC luminescence signals in NIH-3T3 fibroblasts. These results demonstrate the potential of nanocrystal engineering in enhancing the optical performance of UCNPs and highlight their potential as a versatile material for dual-function thermal sensing and imaging in biological environments. (AU)

Processo FAPESP: 21/11803-3 - Desenvolvimento e produção de arcabouços ósseos vascularizados
Beneficiário:Henrique Luis Piva
Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 20/04009-6 - Desenvolvimento de biotinta para impressão em 3D de scaffolds para regeneração de estruturas cartilaginosas
Beneficiário:Henrique Luis Piva
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 20/09339-4 - Bioimagem e terapia fotodinâmica mediados por luz no infravermelho próximo baseado em nanopartículas de conversão ascendente acopladas a partículas de luminescência persistente
Beneficiário:York Estewin Serge Correales
Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 20/05319-9 - Plataformas multifuncionais a base de materiais nanoestruturados luminescentes dopados com íons lantanídeos com potencial aplicação em fotônica e teranóstica
Beneficiário:Rogéria Rocha Gonçalves
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
Processo FAPESP: 21/08111-2 - Materiais conversores de luz à base de terras raras: marcadores luminescentes, sensores e amplificadores ópticos
Beneficiário:Hermi Felinto de Brito
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
Processo FAPESP: 18/15791-7 - Nanomaterials luminescentes dopados com lantanídeos: síntese de apliações
Beneficiário:York Estewin Serge Correales
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 23/05351-8 - Desenvolvimento de nanopartículas de luminescência persistente de óxido de perovskita dopadas com lantanídeos para bioimagem e marcação de segurança
Beneficiário:York Estewin Serge Correales
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Processo FAPESP: 23/04112-0 - Esfera flutuantes de aerogel a base de nanocelulose bacteriana (bcs) como suporte poroso para fotocatalisadores óxidos/sulfetos de metais e nanopartículas de conversão ascendente para purificação de água em fluxo contínuo em reator fotocatalitico avançado
Beneficiário:Rogéria Rocha Gonçalves
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Pesquisador Visitante - Internacional