Estudo da luminescência de nanopartículas de ZnGa2O4:Cr3+ produzidas por ablação por laser pulsado em meio líquido

Abstract

As técnicas de imagiologia estão atualmente bem presentes no quotidiano do diagnóstico e estudo de processos biológicos. Os métodos espetroscópicos, como a fluorescência, são dos mais promissores para estas técnicas. Comparativamente aos marcadores biológicos utilizados hoje em dia as nanopartículas inorgânicas com luminescência persistente constituem uma alternativa viável permitindo aumentar a sensibilidade na deteção. Um dos materiais que apresenta propriedades óticas adequadas para este propósito é o galato de zinco, ZnGa2O4, dopado com crómio trivalente. Em particular, a luminescência persistente na região espetral do vermelho/infravermelho próximo reportada neste material é de interesse para imagiologia biológica. Para estas aplicações são requeridos materiais à escala nanométrica. Neste sentido diversas técnicas físicas e químicas têm sido exploradas para a produção destas nanopartículas. Neste trabalho, a técnica de ablação por laser pulsado em meio líquido foi utilizada com sucesso para a produção de nanopartículas de ZnGa2O4:Cr3+, em solução, utilizando como alvo pastilhas cerâmicas do mesmo material produzidas por reação no estado sólido. Os alvos precursores são constituídos por uma fase maioritária de espinela cúbica de galato de zinco e uma fase minoritária de β-Ga2O3. Estas fases mantiveram-se presentes nas nanopartículas produzidas por ablação e apresentam morfologia de poliedros e nanopartículas de tamanho mais reduzido no galato de zinco, e agulhas na gália. O estudo da luminescência revelou comportamentos semelhantes nas nanopartículas e nos alvos precursores. É observada uma emissão vermelha intensa do ião crómio trivalente, à temperatura ambiente, a qual é preferencialmente observada sob excitação com radiação no ultravioleta. Estudos de luminescência resolvida no tempo permitiram identificar que a luminescência persiste após duas horas e quarenta e quatro minutos depois de removida a excitação. Os resultados obtidos revelam-se bastante promissores para a aplicação das nanopartículas produzidas em biomarcadores luminescentes. Além disso, o desvio dos máximos das bandas de emissão para menor energia observado com o aumento da temperatura, abre a possibilidade da aplicação destas nanopartículas em termómetros, permitindo a monitorização da temperatura a nível celular e mostrando a potencial multifuncionalidade destas nanopartículas.

Imaging techniques are present in everyday diagnosis and study of biological processes. The spectroscopic methods, such as fluorescence, are some of the most promising with respect to these techniques. Compared to biological markers used nowadays, persistent luminescent inorganic nanoparticles are a viable alternative allowing increased sensitivity in the detection. A material that has appropriate optical properties for this purpose is zinc gallate, ZnGa2O4, doped with trivalent chromium. For these applications, materials at the nanoscale are required. The reported persistent luminescence of this material in the spectral region of red/near infrared is of particular interest for biological imaging. In this sense several physical and chemical techniques have been explored for the production of these nanoparticles. In this work, the pulsed laser ablation technique in liquid medium was successfully used for the production of ZnGa2O4:Cr3+ nanoparticles in aqueous solution, using as targets ceramic pellets of the same material produced by solid state reaction. The targets are constituted by a majority phase of cubic spinel zinc gallate and a minority phase of β-Ga2O3. These phases remained present in the nanoparticles produced by ablation: polyhedral particles as well as reduced size nanoparticles were attributed to zinc gallate, and needles morphology to gallium oxide. The luminescence study revealed similar behaviour in nanoparticles and targets with an intense red emission, characteristic from the trivalent chromium, visible at room temperature, which is preferentially observed under ultraviolet excitation. Time resolved luminescence studies allowed to see that the luminescence persists for at least two hours and thirty minutes after removing the excitation light. The results prove to be very promising for the application of the produced luminescent nanoparticles as biomarkers. Furthermore the red shift of the emission bands maxima with increasing temperature offers the possibility to use these nanoparticles in thermometers, allowing monitoring the temperature at cellular scale and showing the potential of these nanoparticles multifunctionality.