Koolstofstippels: Pioniers van de Nieuwe Generatie Nanothermometers – Een Uitgebreide Review

Samenvatting

Hooggevoelige, contactloze temperatuursensing is essentieel voor het bestuderen van fundamentele chemische reacties, biologische processen en medische diagnostiek. Nanogebaseerde thermometers bieden niet-invasieve sondes voor gevoelige en nauwkeurige temperatuurmeting met subcellulaire resolutie. Fluorescentie-gebaseerde temperatuursensoren hebben grote potentiële toepassingen omdat ze in 'contactloze' modus werken en de dubbele functie van cellulaire imaging en moleculaire temperatuursensing bieden. Voortgang in nanomaterialen en nanotechnologie heeft geleid tot de ontwikkeling van nieuwe sensoren, zoals nanothermometers (nieuwe temperatuursensormaterialen met een hoge ruimtelijke resolutie op de nanoschaal). Dergelijke nanothermometers zijn ontwikkeld met behulp van verschillende platforms zoals fluorescerende eiwitten, organische verbindingen, metaalnano-deeltjes, zeldzame-aarde-gedopte nano-deeltjes en halfgeleider kwantumstippels. Koolstofstippels (CDs) hebben interesse gewekt in veel onderzoeksvelden vanwege uitstekende eigenschappen zoals sterke fluorescentie, weerstand tegen fotobleaching, chemische stabiliteit, lage kosten van precursoren, lage toxiciteit en biocompatibiliteit. Recente rapporten tonen het thermische sensorgedrag van sommige CDs, wat ze een alternatief maakt voor andere nanomaterialen-gebaseerde thermometers. Dit type luminescente thermometer is veelbelovend voor nanocaviteit temperatuursensing en thermische mapping om biologische processen beter te begrijpen. Aangezien CDs nog in de vroege stadia zijn als nanoschaal-materiaal voor thermische sensing, bieden wij in deze review een uitgebreid begrip van deze nieuwe nanothermometer, methoden van functionalisatie om thermische gevoeligheid en resolutie te verbeteren, en het mechanisme van het thermische sensorgedrag.

Inleiding

Temperatuur is een fundamentele thermodynamische variabele die een opmerkelijke invloed heeft op biologische en chemische systemen. Vanwege het brede toepassingsbereik, in bijna alle velden van de natuurwetenschappen, techniek, landbouw en medische wetenschappen, is nauwkeurige temperatuurbepaling van groot belang. In medische toepassingen wordt thermometrie gebruikt voor vroege detectie van verschillende ziekten, zoals beroerte, kanker of ontstekingen, wier begin症状 het ontstaan van gelokaliseerde temperatuurafwijkingen is.

Historisch gezien was de vroegste schatting van temperatuur gebaseerd op gevoel of observatie. In de oudheid (200–10 v. Chr.) worden pneumatische experimenten (luchtdilatatie door warmte) beschouwd als de oudste erkende referenties van apparaten gebruikt voor kwantitatieve warmte metingen. Onder de meest primitieve geschriften met betrekking tot warmte-uitgezette lucht worden de werken toegeschreven aan Philo van Byzantium en Hero (of Heron) van Alexandrië betreffende pneumatische experimenten. Later, tussen 1592 en 1603, ontwierp Galileo Galilei een thermoscoop door experimenten met de uitbreiding van lucht door warmte via het bouwen van een eenvoudig apparaat met een buis met lucht gevangen boven een waterkolom. Na Galileo wordt de Italiaan Santorio voor het eerst gekrediteerd met het integreren van dit eenvoudige apparaat in medische onderzoeken van koorts. De eerste volledig afgedichte vloeistof-in-glas thermometer, een alcohol-gevulde glazen buis, werd samengesteld door Ferdinand II in 1641. Hij kon temperatuur meten zonder beïnvloed te worden door barometrische druk, in tegenstelling tot Galileo en Santorio's open thermoscoop. Fahrenheit's praktische werk in thermometrie ontstond in 1706; hij begon met alcohol maar werd later legendarisch om zijn kwikzilver thermometers. Erkenning voor de centesimale temperatuurschaal gaat naar Anders Celsius, die in 1742 een schaal voorstelde met nul bij het kookpunt van water en 100 bij het vriespunt. Elektronische experimenten in de negentiende eeuw begonnen toen Thomas Johann Seebeck het concept van thermoelectriciteit overwoog. In een reeks experimenten tussen 1820 en 1823 bevestigde hij het elektrische potentieel in de verbindingspunten van twee verschillende metalen bij een warmteverschil tussen de verbindingen. Dit werd later bekend als het Seebeck-effect en vormt de oorsprong van de thermocouple, die beschouwd wordt als de meest nauwkeurige temperatuurmethode. Het schematische tijdslijn van de thermometer is weergegeven in Fig. 1.

Conventionele thermometers kunnen worden gecategoriseerd in:

1. Vloeistof-gevulde glasthermometers gebaseerd op thermische uitdijning van materialen
2. Thermocouples gebaseerd op het Seebeck-effect
3. Optische sensoren

Daarnaast kunnen ze worden geclassificeerd als contact of contactloze thermometers. Contactmodus, inclusief klassieke vloeistof-gevulde glasthermometers, thermocouples, thermistoren en weerstandstemperatuurdetection (RTDs), vereisen allemaal elektrische bedrading en directe contact tussen de thermometer en het substraat. Deze modus is niet geschikt voor toepassingen waarin elektromagnetische ruis sterk is, vonken gevaarlijk kunnen zijn, de omgeving destructief is of onderdelen snel bewegen. Bovendien zijn traditionele thermometers niet in staat om metingen te doen wanneer de ruimtelijke resolutie daalt tot de sub-micron schaal, bijvoorbeeld bij intracellulaire temperatuurschommelingen en het in kaart brengen van de temperatuur van microcircuits en microfluidica. Op dezelfde manier vereisen technische toepassingen geavanceerde thermogevoelige strategieën voor geminiaturiseerde gebieden en moeilijke omstandigheden. Daarvoor moet men voor nano-schaal domeinen nadenken over andere benaderingen en materialen.

Nieuwe contactloze thermometrie kan de bovengenoemde problemen overwinnen. Optische thermosensoren (moleculaire thermometers) zijn een recentere generatie analytische tools die bestaan uit moleculaire klassen die de meting van uitgezonden licht gebruiken om temperatuur te extraheren. Fluorescente temperatuursensitieve probes bieden een veelbelovend gebied voor thermometrie in nano-systeem toepassingen. De temperatuurinformatie kan worden geëxtraheerd op basis van hun fluorescentie-intensiteit, bandvorm, Stokes-verschuiving of vervaltijd, die temperatuur kan relateren als ze correct gekalibreerd zijn.

Moleculaire thermometers hebben groot potentieel in het diagnosticeren van ziekte- of kankercellen, die variërende fysiologische temperaturen hebben ten opzichte van normale cellen. In medische toepassingen variëren de mogelijkheden van temperatuur-geïnduceerde controle van genexpressie en celstofwisseling tot celselectieve penetratie en behandeling van ziekten en het verbeteren van warmteafvoer van geïntegreerde warmtebronnen. Recentelijk zijn nanomaterialen zoals halfgeleiders, polymeren en metaalnano-deeltjes gebruikt als thermische sensoren (nanothermometers) die sub-micron thermische resolutie toonden.

Thermometers die sub-graad temperatuur over een breed temperatuurbereik kunnen resoleren en geïntegreerd kunnen worden in levende systemen, zouden een invloedrijk nieuw tool kunnen bieden in talloze gebieden van biologisch, fysisch en chemisch onderzoek. Daarom richten wij ons in deze review op een 'nieuwe generatie' of 'nieuwe klasse' van nanothermometer gebaseerd op koolstofnanomaterialen (koolstofhoudende materialen). Onze kennis naar toe is er geen reviewartikel gerapporteerd over koolstofstippels als nanothermometer. Recentelijk hebben koolstofstippels (koolstofkwantumstippels, grafeenkwantumstippels) met hun unieke kenmerken gevoelige thermische eigenschappen getoond, wat ze uitstekende kandidaten maakt voor thermometrisch gedrag op de nanoschaal. Hier worden definities, voordelen en mechanismen van het thermische sensorgedrag van koolstofstippels besproken. Tot slot worden toekomstperspectieven van deze nieuwe klasse thermo-materialen gepresenteerd.

Nanothermometrie

Onder 'nano-thermometrie' wordt verstaan het gebruik van nanoschaal thermogevoelige materialen om temperatuurinformatie te geven over de locale omgeving van de nano- of microschaal regio. Nanodeeltjes-gebaseerde thermische sondes hebben grote capaciteit in een breed spectrum van sensortoepassingen, en talrijke progressieve zogenaamde 'nanothermometers' zijn onlangs gerapporteerd. Verschillende soorten conventionele nanomaterialen zijn gerapporteerd om thermogevoelige luminescente eigenschappen te hebben, zoals polymeren, nanokristallen, zeldzame-aarde-gedopte nano-deeltjes en metaalnano-deeltjes.

Nanothermosensoren zijn niet-invasieve, contactloze, nauwkeurige thermometers die op de nanoschaal werken met hoge gevoeligheidsresolutie. Thermische sensing met nanomaterialen kan worden bereikt door hun optische eigenschappen te manipuleren. Fluorescentie nanothermometrie kan worden geclassificeerd in verschillende klassen afhankelijk van de specifieke parameter waaruit de thermische meting wordt afgeleid, zoals intensiteit van het signaal, bandvorm, fluorescentie levensduur, bandverschuiving, polarisatie van de excitatiegolflengte en spectrale verschuiving. In het eerste geval verandert fluorescentie met verschillende temperaturen en kan worden gedetecteerd als een absolute toename (of afname) in signaal.

Contactloze luminescentie nanothermometrie, die luminescente nanomaterialen met temperatuurafhankelijke emissie gebruikt, is prettig geschikt voor biologische toepassingen. Deze luminescente nanomaterialen omvatten fluorescerende polymeren, metaalnano-deeltjes, zeldzame-aarde-gedopte nano-deeltjes en nanodiamanten die een thermo-gevoelige eigenschap hebben in het fysiologische bereik. Deze pionerende werken waren in staat om de gemiddelde temperatuur voor individuele cellen te leveren. Temperatuurafhankelijke luminescente probes gebaseerd op organische kleurstoffen (bijv. Rhodamine 6G) en polymeren (bijv. poly(N-isopropylacrylamide)) vertonen doorgaans slechte fotostabiliteit en uitgesproken kruisgevoeligheid voor zuurstof, wat ongewens is voor live-cel werk. Daarnaast is er een sterke pH-afhankelijkheid op de levensduur van de fluorofor, wat het moeilijk maakt om te gebruiken zonder nauwkeurige controle van de pH van de te onderzoeken omgeving.

Een andere klasse van nanothermometers gebaseerd op zowel zuivere als gedopte halfgeleider nanokristallen is gerapporteerd, met de meest prominente kandidaten zoals CdSe, ZnS, InP of PbSe. Halfgeleider kwantumstippels (SQDs) zijn een kandidaat voor nanoschaal thermometers, gezien hun hoge kwantumopbrengst, lange levensduur vóór fotobleaching, en voldoende biocompatibiliteit na juiste oppervlaktemodificatie. Verder kunnen ze gemakkelijk geconjugeerd worden met eiwitten en DNA voor sensing en imaging. De uitzonderlijke uitdaging voor dit type luminescente thermometers is de geassocieerde herkenning van helderheid, fotostabiliteit, gevoeligheid en precisie bij T = 20–40 °C bij het sondieren van subcellulaire micro-omgevingen. SQDs zijn uitgebreid gereviewd in termen van synthese, fysicochemische eigenschappen, luminescentie, alsook hun potentiële toepassingen. Hier wijzen wij de lezer naar deze talrijke opmerkelijke reviews. Vergeleken met organische kleurstoffen vertonen SQDs superieure helderheid voor detectie, een breder excitatieprofiel voor multiplexing, en betere fotostabiliteit voor langetermijnstudies. Verder zijn SQDs als temperatuursensoren weerstandig tegen pH en andere omgevingsvariaties die verwacht worden binnen een cel.

In het algemeen produceren SQDs door een combinatie van verschillende processen een toename in temperatuur een afname in fluorescentie-intensiteit (quenching), vergezeld van een spectrale verschuiving. Deze verschuiving kan worden aangenomen als lineair in het biofysieke bereik. De grootte van beide effecten (luminescentie quenching en spectrale verschuiving) hangt sterk af van het materiaal dat de QDs vormt en hun grootte.

Elke groep luminescente nanomaterialen heeft beperkingen naast hun voordelen. Zoals hierboven beschreven, worden SQDs meer gewaardeerd dan fluorescerende polymeren en organische kleurstoffen. SQDs zijn goed in termen van fotostabiliteit, kwantumefficiëntie en instelbare fluorescentie, maar QDs kunnen niet worden gebruikt om een enkel molecuul langdurig te traceren vanwege hun intrinsieke knipperen. Bovendien is het grootste nadeel van QDs hun toxiciteit, door hun zware metaalinhoud, zoals cadmium; dit beperkt hun biologische en milieu-toepassingen. Bovendien is de beschikbaarheid van precursor-elementen in de natuur relatief laag en daarom worden SQDs als duur beschouwd.

Koolstofstippels als Nanothermometers

Om problemen op te lossen die ontstonden uit niet-koolstof-gebaseerde nanothermometers (zoals uitgelegd in de vorige sectie), zijn koolstof-gebaseerde nanomaterialen bereid en vertoonden unieke eigenschappen, zoals lage toxiciteit, gemakkelijke bereiding, lage kosten van precursoren, fotostabiliteit en biocompatibiliteit. Deze koolstof-gebaseerde nanomaterialen toonden gevoelige thermische sensoreigenschappen. Bovendien is de verbetering van metaalvrije nano-deeltjes belangrijk en urgent vanwege de milieugevaar voor biologische toepassingen van dergelijke giftige materialen. Onder de familie van koolstof-gebaseerde nanomaterialen zijn fluorescerende nanodiamanten het eerst gerapporteerd als nanothermometers. Fluorescerende nanodiamanten bezitten intrinsieke biocompatibiliteit voortvloeiend uit hun chemisch robuuste en inerte oppervlak. Andere nanodiamanten zijn recentelijk gebruikt voor intracellulaire thermische sensing met sub-graad nauwkeurigheid. De thermische gevoeligheid van deze nanodiamanten is gebaseerd op de zogenaamde stikstof-vacature kleurencentra, welke puntdefecten zijn bestaande uit een stikstofatoom dat een roosterkoolstofatoom vervangt en een nabijgelegen vacante roosterplaats. Het stikstof-vacature centrum van fluorescerende nanodiamanten is uitgebestudeerd en goed gekarakteriseerd voor zijn fotofysica, alsook zijn gebruik in biologische toepassingen. Het werkingsprincipe van stikstof-vacature-gebaseerde thermometrie hangt af van de nauwkeurige meting van dit kleurencentrum, wat optisch gedetecteerd kan worden met hoge ruimtelijke resolutie. Echter, lage fluorescentie-efficiëntie en slechte controleerbaarheid belemmeren de toepassing van fluorescerende nanodiamanten enorm.

Een van de nieuwere klassen van de familie koolstof-gebaseerde nanomaterialen is hoogst luminescente koolstofstippels (CDs), die uitzonderlijk heldere fotoluminescentie, fotochemische stabiliteit, wateroplosbaarheid, grote biocompatibiliteit en non-toxiciteit vertonen. CDs zijn nul-dimensionale en bolvormige nano-deeltjes met diameters minder dan 10 nm. Verschillende benaderingen zijn toegepast voor het bereiden van diverse typen CDs, bijv. laserablatie, solvothermisch, hydrothermische synthese, microgolf-ondersteund, boogontlading, zuurstofoxidatie, en meer chemische en fysieke benaderingen. Daarnaast tonen CDs een wenselijk perspectief voor diverse toepassingen, zoals biologische imaging, chemische en biosensing, gerichte medicijnafgifte, farmaceutische analyse en katalyse. Koolstofstippels zijn uitgebreid gereviewd in termen van synthese, fysicochemische eigenschappen, alsook hun potentiële toepassingen. Hier verwijzen wij de lezer naar de talrijke goede reviews over koolstofstippels.

In recente jaren hebben fluorescente CDs als temperatuursensors veel aandacht getrokken van onderzoekers. In principe zijn sommige eisen nodig voor effectieve temperatuurmeting, zoals koolstofnanostippels een waarneembare variatie in hun fotoluminescentie moeten vertonen over het bereik van relevante temperaturen. De fotostabiliteit, pH-stabiliteit en houdbaarheid zijn andere eisen die in overweging genomen moeten worden voor praktische toepassing.

CDs zijn veelbelovende alternatieven voor conventionele halfgeleider kwantumstippels (SQDs). Vergeleken met QDs tonen CDs veel uitstekende voordelen zoals lage kosten, lage toxiciteit en hun unieke robuuste optische/chemische eigenschappen. Daarnaast vertonen CDs zeer weinig fotobleaching. Vergeleken met andere fluorescerende grondstoffen worden CDs geproduceerd van goedkope koolstofbronnen die in overvloed in de natuur voorkomen. Verder zijn er verschillende eenvoudige methoden om de toestandof de CDs te modificeren en functionaliseren, wat het mogelijk maakt de oplosbaarheid, stabiliteit, fysicochemische eigenschappen en kwantumopbrengsten van CDs af te stemmen op hun experimentele vereisten.

In de literatuur is er een schaars aantal gerapporteerde artikelen over koolstofstippels met temperatuurafhankelijke fluorescentie, weergegeven in Tabel 1.

Yu et al. (2012) waren de eersten om temperatuurafhankelijke fluorescentie in koolstofnanostippels te onderzoeken en ze te vergelijken met halfgeleider- en metaal-gebaseerde nano-deeltjes. Ze maakten gebruik van het meten van temperatuurafhankelijke fotoluminescente levensduur via de tijd-gecorreleerde enkel-foton-tellingstechniek (TCSPC). De fotoluminescente relaxatiedynamica worden sneller bij hogere temperaturen (Fig. 2a), wat toegeschreven kan worden aan niet-stralende vervalprocessen. De meting van de fluorescentiespectra van de CD-film als functie van temperatuur van cryogene tot kamertemperatuur werd uitgevoerd (Fig. 2b). Met een toename van temperatuur toont de intensiteit van de fluorescentie een herhalende afname.

Het PL-spectrum vertoont asymmetrische pieken, daarom konden de PL-spectra bij elke temperatuur goed worden gefit door een twee-Gaussiaanse functie (Fig. 2c). De hoge-energieband, band I; de lage-energieband, band II (Fig. 2d). Verder werd de energiegap (bandbreedte) van fluorescentie onderzocht als functie van temperatuur (Fig. 2d). De totale bandbreedte wordt gekenmerkt door temperatuuronafhankelijke (elctron-elctron botsing) en temperatuurafhankelijke (elctron-fonon en oppervlakte/defect botsing) componenten. De bandbreedte van band I en band II is temperatuuronafhankelijk, wat aangeeft dat elctron-elctron botsing domineert in de CDs.

Daarom is het zwakke temperatureffect in CDs in overeenstemming met het feit dat het primaire interactiemechanisme betreft elctron-elctron interacties in plaats van elctron-fonon koppeling. Bovendien wordt een breed PL-band (> 100 nm) die meestal waargenomen wordt zelfs bij zeer lage temperatuur (77 K) toegeschreven aan sterke elctron-elctron interactie (Fig. 2c). Dit resultaat is vergelijkbaar met metaalnano-clusters en verschillend van halfgeleider QDs. Daarom speculeerden Yu en medewerkers dat de π-elctronen in CDs zich kunnen gedragen als vrije elctronen in metaalnano-clusters.

Kalytchuk et al. synthetiseerden hoogst luminescente wateroplosbare N, S-CDs door een een-stap hydrothermische behandeling van citroenzuur en l-cysteine. Ze verzamelden steady-state absorptiespectra over een breed temperatuurbereik om de temperatuurafhankelijke PL-eigenschappen van de CDs te karakteriseren. De absorptiespectra van N, S-CDs gedispergeerd in water bij temperaturen tussen 10 en 70 °C (met stappen van 5 °C) zijn weergegeven in Fig. 3a. In tegenstelling tot halfgeleider nanokristallen, veranderde de positie en intensiteit van de absorptieband niet met temperatuur. Vergelijkbare resultaten waren eerder gerapporteerd voor CDs gesynthetiseerd door hydrothermische behandeling van glucose in aanwezigheid van glutathion.

In hun werk toonden ze een kleurplot van de PL-spectra van N, S-CDs verkregen bij temperaturen variërend van 2 tot 80 °C met een stap van 2 °C (Fig. 3b). Het verhogen van de temperatuur verlaagde de PL-emissie-intensiteit met ongeveer een factor 2 zonder enige detectbare verschuiving van de PL-emissies. De positie van het PL-emissiemaximum, de PL volledige breedte op half maximum (fwhm), en de geïntegreerde PL-intensiteit werden kwantitatief bepaald bij de bestudeerde temperatuur, samengevat in Fig. 3c–e respectievelijk.

De PL-piekpositie van N, S-CDs toont zwakke temperatuurafhankelijkheid, in tegenstelling tot de meeste halfgeleider nanokristallen, wiens bandgap verandert met temperatuur, wat de PL-emissieverschuiving induceert. Bovendien vertoont hun PL fwhm slechts onbeduidelijke verbreiding (1.4 ± 1 nm) over hetzelfde temperatuurbereik (Fig. 3d), wat aangeeft dat de PL-piek van de N, S-CDs verwaarloosbare thermische verbreiding toont. Om de niet-stralende relaxatieprocessen in de CDs te karakteriseren, analyseerden ze het kwellen van de geïntegreerde PL-intensiteit als functie van de temperatuur. Een plot van de temperatuurafhankelijke geïntegreerde PL-intensiteit voor N, S-CDs is weergegeven in Fig. 3e, met waarden genormaliseerd op de intensiteit bij 2 °C, onthullend dat de intensiteit monotoon afneemt over het bestudeerde temperatuurbereik, met die bij 80 °C ongeveer de helft van die bij 2 °C. Op basis van deze resultaten werd de activeringsenergie van thermische quenching voor de CDs bij temperaturen tussen 2 en 80 °C geschat op 17.0 ± 0.7 meV met behulp van de Arrhenius-formule voor N, S-CDs, wat dicht bij de waarde ligt gerapporteerd door Yu et al.

Daarnaast onderzochten Kalytchuk et al. de emissiedynamica van CDs bij verschillende temperaturen. Figuur 4a–c toont de sterke temperatuurafhankelijkheid van hun tijd-opgeloste PL-emissie, met tijd-opgeloste emissiespectroscopie data voor drie verschillende temperaturen. Transiente PL-emissiekaarten van CDs werden verkregen in het spectrale gebied tussen 375 en 650 nm bij 2, 50 en 80 °C, zoals weergegeven in Fig. 4a–c. Er is een duidelijke daling in PL-verval naarmate de temperatuur stijgt, wat suggereert dat de CDs bevredigende eigenschappen hebben voor PL-levensduur-gebaseerde temperatuursensing. Het is belangrijk op te merken dat spectraal uniforme enkel-exponentiële verval werd waargenomen over de emissieprofielen van de stippels bij alle bestudeerde temperaturen, wat aangeeft dat recombinatie plaatsvindt via zeer vergelijkbare en hoogst emissieve kanalen over de hele CD-ensemble. De PL-dynamica van CDs zijn wellicht hun meest veelbelovende kwaliteit met betrekking tot temperatuursensing toepassingen. Specifiek maakt de temperatuurgevoeligheid van CDs ze tot PL-levensduur nanothermometers.

De variatie van de CDs' PL-levensduur bij temperaturen tussen 2 en 80 °C is grondig onderzocht; Fig. 4d, e toont tijd-opgeloste PL-data verzameld bij de PL-emissiemaximum van de stippels als functie van de temperatuur. Een kleurplot van transiente PL over het bestudeerde temperatuurbereik wordt gepresenteerd in Fig. 4d, waaruit blijkt dat het verhogen van de temperatuur leidt tot een monotoon verkorting van de schijnbare PL-verval. Alle opgemeten vervalkrommen werden gefit met een enkel-exponentiële functie. Data over de geëxtraheerde levensduur worden gepresenteerd in Fig. 4e. Naarmate de temperatuur stijgt van 2 tot 80 °C, daalt de PL-levensduur monotoon van 11.0 tot 5.3 ns. Het temperatuurbereik waarover deze PL-levensduurgevoeligheid is gedemonstreerd (2–80 °C) dekt zowel het fysiologisch relevante temperatuurbereik als de typische werktemperaturen van veel elektronische apparaten. De absolute pseudo-lineaire gevoeligheid van deze PL-levensduur CD-gebaseerde thermische sonde is 0.08 ns K⁻¹, en de maximale relatieve gevoeligheid is 1.79% K⁻¹ bij 62 °C. De enkel-exponentiële fit van het PL-verval van de CD-gebaseerde luminescente nanoprobe over het bestudeerde temperatuurbereik levert een enkele parameter op, de PL-levensduur (τ), die direct kan worden omgezet in temperatureenheden met behulp van een calibratiekromme. Dit is een belangrijk voordeel ten opzichte van typische halfgeleider kwantumstippels, die multi-exponentiële verval vertonen wat hun bruikbaarheid in toepassingen met PL-levensduurmetingen beperkt.

Ze bestudeerden ook de temperatuurafhankelijkheid van CDs PL-levensduur in fosfaat-gebufferde zoutoplossing (PBS) en Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) en toonden vergelijkbaar gedrag.

Om de herbruikbaarheid van CD-gebaseerde luminescente thermometers te demonstreren, werden de PL-vervalkrommen van geselecteerde monsters gemeten over zeven opeenvolgende cycli van verwarmen en afkoelen bij temperaturen tussen 15 en 45 °C (Fig. 5a).

In elke meetcyclus werd de PL-verval gemeten na 5-minuten thermisch evenwicht. Er werd geen thermische hysterese waargenomen tijdens de verwarmings- en afkoelcycli, en de resulterende PL-levensduurvariatie is geploteerd als functie van de tijd in (Fig. 5b), wat aantoont dat de PL-levensduur van de CDs een uitstekende thermische stabiliteit vertoont.

Later werden verschillende CDs met temperatuurafhankelijke emissie bereid met een verscheidenheid aan synthese methoden, zoals hydrothermische en solvothermische behandeling, hitte reflux, en laserablatie zoals getoond in Tabel 1. De bereide CDs toonden lineaire temperatuurafhankelijke fluorescentie bij fysiologische bereiken (getoond in Tabel 1). De fluorescentie-intensiteit van de CDs nam af met toenemende temperatuur. Verder zijn de reversibiliteit en herstelbaarheid van de fluorescentie-intensiteit bestudeerd in alle artikelen. Figuur 6 toont enkele algemene eigenschappen van CDs bestudeerd in verschillende artikelen.

Nguyen et al. synthetiseerden koolstofstippels (CDs) met behulp van femtoseconde laserablatie van grafietpoeder in ethylenediamine. Overvloedige functionele groepen werden gevormd op het oppervlak wat resulteert in meerdere oppervlaktestaten op de oppervlaktelocatie en resulteert in multi-emissie van CDs. Ze onderzochten de fluorescentie-afhankelijke temperatuurgevoeligheid van CDs met behulp van steady-state fluorescentiespectra. De temperatuurafhankelijke emissiespectra van de CDs bij 320 nm excitatie zijn weergegeven in Fig. 7a. Zowel de fluorescentie-intensiteiten van de 400 en 465 nm pieken nemen geleidelijk af met de toename van temperatuur door de thermische activering van niet-stralende vervalpaden. De piekintensiteiten veranderen lineair met temperatuur variërend van 5 tot 85 °C (Fig. 7b). Temperatuursensitieve CDs toonden een fluorescentie-intensiteitsverandering van 3.3 en 2.1% per °C voor 400 en 465 nm pieken respectievelijk. Dit geeft aan dat de CDs gebruikt kunnen worden als een conventionele intensiteits-gebaseerde temperatuursensor met hoge gevoeligheid.

Opmerkelijk maakt de unieke multi-emissie-eigenschap de CDs veelbelovende fluoroforen voor ratiometrische fluorescente temperatuursensoren. De verhouding van de twee fluorescentie-intensiteiten bij 400 en 465 nm (320 nm excitatie) versus temperatuur is weergegeven in Fig. 7c. Er is een zeer goede lineaire relatie tussen de intensiteitsverhouding en temperatuur in een breed temperatuurbereik van 5 tot 85 °C (R² = 0.998). Thermische lineariteit is voordelig omdat het de correlatie tussen de piek-intensiteitsverhouding en temperatuur eenvoudig maakt en tegelijkertijd een constante thermische gevoeligheid over het hele dynamische bereik biedt. De temperatuurgevoeligheid van CDs wordt bepaald op 1.48% °C⁻¹, wat vergelijkbaar is met die van andere materialen. Het moet worden opgemerkt dat het temperatuurresponsbereik van CDs veel breder is dan die van andere rapporten over dubbele-emissie temperatuursensoren en zowel de fysiologische temperatuur voor biologische studies als de werktemperatuur voor veel elektronische apparaten dekt. Naast 320 nm excitatie werken de CDs ook bij andere excitatiegolflengtes, zoals 340 en 365 nm, met dezelfde gevoeligheid. Daarom kunnen de CDs worden gebruikt voor temperatuursensing in veel praktische toepassingen door verschillende werkgolflengtes te selecteren.

Ze hebben aangetoond dat de ratiometrische temperatuursensor reversibel was tussen 20 en 50 °C, vier cyclen en fotostabiel (wanneer de intensiteit van de bron veranderde) zoals getoond in Fig. 7d. Dit resultaat suggereert dat het CDs sensoringssysteem stabiel en robuust is tegen veranderingen in monsterconcentratie, excitatie of detectie-efficiëntie.

Stijgende temperatuur gaat niet altijd gepaard met PL quenching; het kan ook versterking van de PL tonen. Macairan et al. toonden de PL-versterking van dubbel-fluorescerende koolstofstippels met toenemende temperatuur. Ze bereidden biocompatibele dubbel-fluorescerende koolstofstippels CDs in een een-stap microgolf-geassisteerde reactie met behulp van formamide en glutathion. Ze vonden dat na excitatie bij 640 nm, de fluorescentie-intensiteit en geïntegreerde PL-oppervlakte toenemen over het bereik van 5–60 °C met een factor 3.5 waargenomen over het hele analysebereik en de temperatuur (Fig. 8a). Zoals getoond in Fig. 8b, wordt een lineaire respons (R² = 0.999) waargenomen over het hele analysebereik en de temperatuurgevoeligheid werd bepaald op zo hoog als 3.71% °C⁻¹.

De temperatuurafhankelijke fluorescentie werd ook bestudeerd na excitatie bij 405 nm. Interessant genoeg zijn de blauwe en rode fluorescentiebanden niet gelijk gevoelig voor de verandering in temperatuur. Met toenemende temperatuur toont de fluorescentie-intensiteit (en de bijbehorende geïntegreerde oppervlakte onder de kromme) van de blauwe component een zeer lichte afname in contrast met de rode component, die significant toeneemt (Fig. 8c). Deze waarnemingen worden genoteerd over het bereik van 5–60 °C waar de blauwe emissie afneemt met een factor 1.3 in contrast met de rode emissie, die toeneemt met een factor 3.0.

Zoals getoond in Fig. 8d, neemt de verhouding van rode tot blauwe fluorescentie toe met temperatuur, en een hoogst lineaire respons is getripliceerd op 3 unieke monsters en de lineaire plot reflecteert het waargenomen met een R² = 0.998. Deze analyses werden herhaald in een gemiddelde van deze metingen, die kleine afwijkingen hebben bij elke temperatuur. De thermische gevoeligheid van de CDs, over het hele temperatuurbereik, varieerde van 1.33 tot 4.81% °C⁻¹, wat een verbetering is ten opzichte van eerdere gerapporteerde koolstofstippel nano-thermometrie systemen en andere dubbel-emitterende nanomaterialen zoals kwantumstippels en metaal-organische framework-kleurstof composieten. De thermische resolutie van de CDs werd berekend op 0.048 K⁻¹ wat aangeeft dat het inderdaad mogelijk is om kleine thermische veranderingen te meten.

Zhang et al. synthetiseerden CDs die temperatuur-responsieve kenmerken hebben in het bereik van 25–95 °C, en ze hebben een uitstekende gevoeligheid en opmerkelijke reversibiliteit/herstelbaarheid (Fig. 9a). CD/epoxy composieten werden verder bereid door CDs uniform in een epoxyhars te doppen. Eerst werden 5 μg van de CDs opgelost in 50 μL triethylenetetramine (TETA). Vervolgens werd 350 μL epoxyhars toegevoegd aan de mengsel en volledig gemengd door hogesnelheids roeren. De resulterende composiet toonde een aanzienlijk verbeterde temperatuurrespons.

Epoxyhars is een veelvoorkomende thermoharderende hars en wordt breed gebruikt om LED-chips te verpakken. Figuur 9b toont optische micrografieën van CD/epoxy composiet schijven van ongeveer 2 cm in diameter en 8–10 mm in dikte. De uitgeharde CD/epoxy composieten zijn transparant, en hun fluorescentie-emissiespectra zijn weergegeven in Fig. 9c. De emissiepiep van het CD/epoxy composiet is blauw-verschuift met ongeveer 10 nm ten opzichte van die van de CDs-oplossing. Opvallend is dat de temperatuurrespons van het composiet aanzienlijk verbeterd is. In het temperatuurbereik van 25–95 °C neemt de fluorescentie-intensiteit met 35% af met toenemende temperatuur, wat meer dan tweemaal zo veel is dan in de toestand van de oplossing, en de lineaire resultaten zijn stabieler. De lineaire vergelijking voldoet aan I₀/I = 0.0074 [°C] + 0.80454 (R² = 0.99724), waar I₀ en I de fluorescentie-intensiteit van het CD/epoxy composiet voor en na de temperatuurstijging zijn, en de excitatiegolflengte is 360 nm. De blauwe verschuiving van de emissiepiep en de verbetering van de temperatuurrespons kenmerken kunnen te wijten zijn aan veranderingen in de dielektrische constante van de omgeving waarin de CDs zich bevinden. Het composiet heeft een breed temperatuurdeteictiebereik, en zijn uitstekende gevoeligheid en stabiliteit maken het geschikt voor gebruik als een temperatuursensor gebaseerd op een fluorescerend nanomateriaal in diverse omgevingen.

Mechanisme van Thermo-sensing

Tot nu toe is er geen goed gevestigd mechanisme voor het verklaren van het thermo-sensing gedrag van koolstofstippels. Sommige rapporten schrijven het mechanisme toe aan de thermische activering van niet-stralende kanalen van oppervlakte (val/defect) toestanden. Het algemene beeld is dat de niet-stralende kanalen niet geactiveerd waren bij lage temperaturen, zodat de geëxciteerde elctronen fotonen konden emitteren via stralende processen. Aan de andere kant, naarmate de temperatuur stijgt, worden meer niet-stralende kanalen geactiveerd, en keeren geëxciteerde elctronen terug naar de grondtoestand via niet-stralende processen, leidend tot afnemende fluorescentie-intensiteit. Het mechanisme van CDs-emissie bij verwarmen/afkoelen is weergegeven in Fig. 10.

Om de thermodynamica van de CD-emissieprocessen beter te begrijpen, correleerden Kalytchuk et al. de stralende (τ_r⁻¹) en niet-stralende (τ_nr⁻¹) recombinatiesnelheden van een CD-monster met zijn PL kwantumopbrengst. De stralende snelheid wordt bepaald uit de PL kwantumopbrengst (QY) en de gemeten recombinatiesnelheid τ⁻¹ als τ_r⁻¹ = QY × τ⁻¹. De niet-stralende relaxatiesnelheid τ_nr⁻¹ wordt uitgedrukt als τ_nr⁻¹ = τ⁻¹ − τ_r⁻¹. De PL QY van CDs bij verschillende temperaturen werd berekend uit hun temperatuurafhankelijke absorptie en geïntegreerde PL-intensiteit samen met de PL QY bepaald bij kamertemperatuur. Zowel stralende als niet-stralende recombinatiesnelheden afgeleid van tijd-opgeloste PL-meetdata zijn geploteerd als functies van temperatuur in Fig. 11. De stralende recombinatiesnelheid is groter dan de corresponderende niet-stralende snelheid tot 70 °C en varieert niet nennenswaardig bij temperaturen tussen 2 en 80 °C, blijvend in het bereik van (0.74–0.82) × 10⁶ s⁻¹. In tegenstelling hiermee is er een uitgesproken (bijna 7-voudige, van 0.16 × 10⁶ tot 1.12 × 10⁶ s⁻¹) monotoon toename in de snelheid van niet-stralende recombinatie door de temperatuur te verhogen van 2 tot 80 °C. Temperatuurafhankelijke crossover van de stralende en niet-stralende snelheden treedt op bij 70 °C, waarbij de PL QY 50% is. Deze resultaten suggereren dat de temperaturactivering van PL quenching in hun CDs voornamelijk wordt veroorzaakt door de activering van niet-stralende relaxatiekanalen.

Guo et al. schreven de thermische quenching van hun bereide koolstofstippels niet alleen toe aan activering van het niet-stralende vervalproces, maar ook aan het optreden van niet-stralende vangen met toenemende temperatuur. Ze maatten de temperatuurafhankelijke vervallevensduur van de CDs en toonden dit in Fig. 12a. De data werden verzameld door emissiemaximum te monitoren als functie van de temperatuur onder de 320 nm laser excitatie. Het resultaat toont dat de PL-levensduur daalt van 15.03 tot 11.70 ns met de temperatuur stijgend van 283 tot 343 K, wat toegeschreven kan worden aan het optreden van niet-stralende vervalprocessen. Bovendien onthullen de PL-relaxatiedynamica van de CDs multi-exponentiële verval met toenemende temperatuur, wat suggereert dat de foto-geëxciteerde ladingsdragers de gecompliceerde relaxatieprocessen volgen. Het optreden van niet-stralende vangen zal toenemen met stijgende temperatuur, en dit kan kwantitatief geanalyseerd worden door de Arrhenius-plot van de geïntegreerde PL-intensiteiten als:

I = I₀ / [1 + a exp(−E_a/kT)]

waar E_a de activeringsenergie is, k de Boltzmann-constante, en a een constante. Figuur 12a toont het plotten van de emissie-intensiteit ten opzichte van 1/T, waar de waarde van activeringsenergie (E_a) berekend wordt op 0.329 ± 0.02 eV. Om de reden voor thermische quenching van CDs-emissieproces te onderzoeken, werden de stralende (V_r) en niet-stralende (V_nr) recombinatiesnelheden van CDs bepaald uit de levensduur (τ*) en kwantumopbrengst (QY) als:

τ* = 1/(V_r+V_nr); QY = V_r/(V_r+V_nr)

De QY van CDs bij verschillende temperaturen werd berekend uit hun temperatuurafhankelijke absorptie en geïntegreerde PL-intensiteit met de QY bepaald bij kamertemperatuur. Ze merkten op dat de stralende snelheden een lichte daling vertonen wanneer de temperatuur stijgt van 283 tot 343 K; tegelijkertijd zijn de niet-stralende recombinatiesnelheden geleidelijk met ongeveer 2-voud toegenomen. Deze resultaten wijzen er verder op dat de temperatuur-geactiveerde PL quenching in CDs voornamelijk wordt veroorzaakt door de activering van niet-stralende relaxatiekanalen.

Andere groepen gebruikten microscopische en spectroscopische technieken om het mechanisme van thermos-sensing van koolstofstippels te begrijpen.

Wang et al. gebruikten TEM en UV-Vis spectra om het temperatuur-responsieve PL-gedrag van bereide CDs te bestuderen. Zoals getoond in Fig. 13a, vertonen de CDs geen verandering in de UV-Vis spectra bij het verhogen van de temperatuur van 20 tot 80 °C. Echter, werd gevonden dat de gemiddelde diameter van CDs toename van 2.6 ± 0.2 nm bij kamertemperatuur tot 4.4 ± 0.2 nm bij 80 °C (Fig. 13dus, door het verhogen van de temperatuur, trad aggregatie van de bereide CDs op wat duidelijke fluorescentie quenching veroorzaakte.

He et al. rapporteerden dat de hydratatie deeltjesgrootte van hun CDs groter wordt met de toename van de temperatuur (Fig. 14a), wat aangeeft dat de temperatuurstijging leidt tot aggregatie van de CDs, wat uiteindelijk resulteert in fluorescentie quenching. Niettemin, met de daling van de temperatuur, begint de hydratatie deeltjesgrootte van CDs te dalen (Fig. 14b), wat aangeeft dat afkoeling het potentieel heeft om CDs te depolymeriseren.

Een andere groep zoals Cui et al. schreef de fluorescentie quenching ook toe aan aggregatie van CDs. Ze probeerden ook ongedopte CDs gesynthetiseerd met alleen acrylzuur als precursor toe te passen in temperatuursensoren. Helaas bezaten ongedopte CDs zwakkere quenching effecten onder dezelfde temperatuurstijging dan gedopte CDs.

Yang et al. stelden in hun werk twee sleutelfactoren voor betreffende de temperatuurafhankelijke PL-eigenschap van de N-CDs, waaronder (i) oppervlakte functionele groepen en (ii) waterstofbrug-interactie. Om het effect van de eerste factor te onderzoeken, de oppervlakte O-bevattende groepen, werd een ander controle-experiment uitgevoerd door N-CDs (4.0 mL) te behandelen met een sterk reducerend middel NaBH₄ (1.0 mL, 0.1 mol L⁻¹) om C=O soorten op het oppervlak van koolstofstippels te verwijderen. De verkregen gereduceerde N-CDs worden voor de kortheid aangeduid als r-N-CDs. Vergeleken met N-CDs, vertonen r-N-CDs zwakkere fluorescentie-intensiteit (Fig. 15a). Bovendien daalt de fluorescentie-intensiteit van r-N-CDs slechts met 13% bij temperatuurstijging van 20 tot 80 °C (de inset in Fig. 15a) wat een veel lagere temperatuurgevoeligheid geeft, toegeschreven aan de verminderde O-bevattende groepen.

De tweede factor, het effect van waterstofbruggen met het oplosmiddel op het fluorescerende gedrag van N-CDs werd verkend. N-CDs oplossing (1.0 mL) werd op een filterpapier gedruppeld en in de lucht gedroogd om een vast monster te verkrijgen, dat nog steeds helder fluorescentie emitteert. Echter, geen duidelijke verandering van fluorescentie-intensiteit van de vaste N-CDs met temperatuurstijging werd waargenomen. Ze maatten ook de fluorescentie van N-CDs gedispergeerd in ethanol. De fluorescentie-intensiteit van N-CDs in C₂H₅OH is lager dan die in water en er wordt weinig variatie van de PL-intensiteit waargenomen met temperatuurstijging van 20 tot 80 °C (Fig. 15b). Daarom spelen sterke waterstofbruggen een cruciale rol in de temperatuurafhankelijke PL-eigenschap van de N-CDs. Figuur 15c is een schematisch mechanisme voor de temperatuurafhankelijke fluorescentie-intensiteit van N-CDs.

Echter, onze groep gebruikte dezelfde experimentele strategie als de Yang-groep; in beide gevallen werden de r-CDs en e-CDs-emissies lineair gekweld met toenemende temperatuur, op dezelfde manier als de oorspronkelijke resultaten van hun CDs (Fig. 16). Dus, onze resultaten sloten de synergistische effecten van overvloedige zuurstof-bevattende functionele groepen en waterstofbruggen uit.

Bioimaging in Levende Cellen (Thermische Imaging)

In de literatuur hebben slechts enkele artikelen de temperatuur-responsieve fluorescente eigenschappen van CDs in biologische imaging verkend. Voorafgaand aan dergelijke experimenten is in vitro cytotoxiciteitsanalyse cruciaal voor CDs omdat ze het mogelijk maken de toxiciteit van CDs in levende organismen te schatten. In vitro cytotoxiciteitsanalyse evalueert het effect of invloed van het nanomateriaal op gekweekte cellen.

Yang et al. verifieerden dat de CDs gebruikt konden worden als een effectieve thermometer in levende cellen; HeLa-cellen werden gewassen met PBS na behandeling met CDs gedurende 6 uur. Heldere blauwe fluorescentie van de CDs in HeLa-cellen wordt waargenomen wanneer de temperatuur 25 °C is zoals getoond in Fig. 17a. Met de temperatuur stijgend tot 37 °C, wordt de blauwe fluorescentie zwakker (Fig. 17b), de fluorescentie van N-CDs herstelt wanneer de temperatuur wordt verlaagd tot 25 °C (Fig. 17c). Als een thermo-imaging in vivo, werden de fluorescente afbeeldingen van muizen verzameld onmiddellijk na injectie met N-CDs bij verschillende temperaturen. Door de fluorescentie-intensiteit bij 28 °C als referentie (I_o) in te stellen, varieert I/I_o van het gebied waar CDs geïnjecteerd waren van 1.0 tot 0.87 met de toename van temperatuur van 28 tot 34 °C (Fig. 17d, e). Met verdere temperatuurstijging tot 43 °C, daalt I/I_o tot 0.52 en wordt de fluorescentie bijna ondetecteerbaar (Fig. 17f). En I/I_o kan reversibel versterkt worden terug van 0.66 tot 1.0 met de temperatuur dalend van 39 tot 28 °C (Fig. 17g–i). Al deze resultaten gaven aan dat N-CD gebruikt kan worden als een effectieve in vitro en in vivo nanothermometer.

In een exploratief experiment testte Kalytchuk et al. de capaciteit van CDs voor intracellulaire temperatuurbewaking in humane servixkanker HeLa-cellen. Figuur 18 toont de gemeten intracellulaire temperaturen van HeLa-cellen geïncludeerd met CDs (500 μg/mL). De CDs' PL-vervalkrommen bij elke temperatuur waren hoogst reproduceerbaar en konden worden gefit met een enkel-exponentiële functie bij alle geregistreerde temperaturen. In Fig. 18a worden de geregistreerde PL-vervalkrommen voor temperaturen tussen 25 en 50 °C (met een stapgrootte van 5 °C) aangeduid door symbolen, terwijl de corresponderende enkel-exponentiële fits worden voorgesteld door volle lijnen. Ze konden bevestigen dat het PL-signaal in deze PL-levensduurmetingen uitsluitend afkomstig was van de CDs voor de CD-concentratie van ≥ 100 μg/mL. De intracellulaire temperatuur in elke meting werd bepaald uit de calibratiekromme tussen PL-levensduur als de temperatuur stijgt van 2 tot 80 °C. De op deze manier bepaalde temperaturen (T_meas) zijn geploteerd als functies van de PL-levensduur in Fig. 18b. Onafhankelijk werd de temperatuur van de celoplossing bepaald met behulp van een gekalibreerde referentiethermometer (getoond in Fig. 18b als T_set). De temperaturen gerapporteerd door de luminescente CD-probe en de referentiedetector zijn in goede overeenstemming. Deze resultaten tonen aan dat de PL-levensduur van nanoprobes gebaseerd op CDs betrouwbaar gebruikt kan worden om intracellulaire temperaturen te meten.

Om het potentieel van luminescente CD-nanoprobes voor langdurige real-time temperatuurbewaking verder te evalueren, werden PL-vervalprofielen van HeLa-cellen geïncludeerd met CDs (500 μg/mL) elke 15 min gedurende 24 uur geregistreerd. De PL-levensduur geëxtraheerd uit de gemeten PL-vervalwaarden tijdens deze periode werden vervolgens geploteerd als functies van de tijd, zoals getoond in Fig. 18c. Met behulp van deze resultaten werd de temperatuurvariatie over de tijd berekend met behulp van de calibratiekromme, zoals getoond in Fig. 18d. Daarnaast werd de temperatuur van het monster bij elk meetpunt bepaald met behulp van een referentiethermometer met een temperatuurreproduceerbaarheid van 60 mK. De temperatuur bepaald met de referentiethermometer is geploteerd in Fig. 18e, wat toont dat er een uitstekende overeenstemming was tussen de gemeten en referentietemperaturen. De hoge nauwkeurigheid van de PL-gebaseerde temperatuurmettingen wordt verder gedemonstreerd door statistische analyse van de verschillen tussen de gemeten en echte (referentie) temperaturen (Fig. 18f). Met behulp van deze data werd de absolute gemiddelde nauwkeurigheid van temperatuurdeteictie door de gepresenteerde methode berekend op 0.27 °C. Dit experiment bevestigt het potentieel van CD-gebaseerde thermische sondes in biologische systemen.

Macairan et al. toonden aan dat de bereide CDs gebruikt kunnen worden voor thermische sensing binnen cellen met behulp van intensiteit en ratiometrische benaderingen. HeLa-cellen behandeld met CDs werden toegestaan om te evenwichten bij 32, 37 en 42 °C (Fig. 19). Excitatie bij 640 nm werd gebruikt om selectief de rode fluorescentie van de CDs in de cellen te monitoren. De thermische veranderingen kunnen het gevolg zijn van veranderingen in intracellulaire concentratie of niet correleren met een verandering in intensiteit (λex + 640 nm). Dit kan het gevolg zijn van veranderingen in intracellulaire concentratie of localisatie van de CDs bij hogere temperaturen. Daarom leidt het eenvoudig vertrouwen op veranderingen in fluorescentie-intensiteit tot nauwkeurige intracellulaire thermische sensing.

In tegenstelling hiertoe worden deze beperkingen uitgesloten door de ratiometrische benadering. De CDs behouden dubbele blauwe en rode fluorescentie in cellen na excitatie bij 405 nm, zoals eerder waargenomen voor de colloidale dispersies (Fig. 19). De rood-tot-blauw verhouding neemt toe met toenemende temperatuur, met waarden van 1.8 bij 32 °C, 2.0 bij 37 °C, en 2.3 bij 42 °C. De ratiometrische relatie van de rood-tot-blauwe fluorescentie van de CDs benadrukt het voordeel van ratiometrische temperatuursensing in de ontwikkeling van fluorescente nano-thermometrie probes. De relatieve rood-tot-blauwe emissieverhouding blijft onveranderd, ongeacht de hoeveelheid CDs die door de cellen wordt opgenomen, wat kan beïnvloed worden door verschillende factoren zoals confluentie en niet concentratie-afhankelijk is. Tot slot hebben de CDs fluorescentie-reversibiliteit getoond ten opzichte van veranderingen in intracellulaire temperatuur. Na incubatie in HeLa-cellen, werden ze onderworpen aan een verwarms-/afkoelcyclus van 32/42/32 °C. Dit benadrukt de robuustheid van de voorgestelde CD-nanothermometer en deze bevindingen tonen verder de fluorescentie-reversibiliteit aan.

Confocale laserscanningmicroscopie werd gebruikt om thermisch colonkankercel HT-29 te imageren met behulp van N, S en I-gedopte CDs, zoals getoond in Fig. 20. De fluorescente vlekken waren temperatuurafhankelijk zoals getoond in Fig. 20g–i, waar de meest intense bij 15 °C is, terwijl het zwakste punt was bij 35 °C. Interessant genoeg waren de fluorescente vlekken reversibel, en de vlekken waren erg fotostabiel na 20 minuten continue excitatie. Shin et al. gebruikten ook confocale laserscanningmicroscopie voor HeLa-cellen, getoond in Fig. 20e–g.

Li et al. bereidden een nanocomposite samengesteld uit MnOx-CDs om te worden gebruikt als een nano thermos responsieve fluoroforo voor biologische omgevingen. HepG2-cellen werden geïncludeerd met MnOx-CDs bij verschillende cultuurtemperaturen. Zoals geïllustreerd door confocale laserscanningmicroscopie (geëxciteerd bij 405 nm), is de blauwe luminescentie van de MnOx-CDs in de HepG2-cellen zwak wanneer de omgevingstemperatuur 40 °C was (Fig. 21a), en de blauwe luminescentie van de MnOx-CDs in HepG2-cellen versterkt als de temperatuur daalde tot 30 °C (Fig. 21b) zelfs tot 20 °C (Fig. 21c). Vanwege de temperatuur-responsieve eigenschappen kunnen de gesynthetiseerde MnOx-CDs gemakkelijk toegepast worden in biomedische velden zoals bioimaging en fotothermische therapie in kankerbehandeling.

Conclusies en Toekomstperspectieven

Koolstofnanostippels vertonen unieke eigenschappen die benut kunnen worden voor nanothermometrie, zoals thermische gevoeligheid, lage kosten en fotostabiliteit. Flexibele oppervlaktemodificatie en gemakkelijke bereiding zullen de weg banen om een enorm aantal thermisch gevoelige nanomaterialen te etabliseren voor een verscheidenheid aan toepassingen. De algehele trends in thermo-sensing nanomaterialen zijn gericht op het verbeteren van fotostabiliteit en thermische resolutie met behulp van lage kosten en veilige materialen. CDs kunnen worden geclassificeerd als een nieuwe generatie thermometer die aan deze eisen kan voldoen en gebruikt kan worden voor biomedische thermometrie toepassingen, zoals temperatuurbewaking tijdens hyperthermiebehandeling. Gemakkelijke bereidingsprotocollen, biocompatibiliteit en gemakkelijke functionalisatie van CDs zijn veelbelovende criteria die de CDs alternatieve next-generatie nanothermometer materialen maken. Meer inspanningen zijn vereist om fundamenteel onderzoek in dit veld te bevorderen. Beperkingen moeten worden overwonnen om koolstofstippel-gebaseerde nanothermometers te produceren die de thermische gevoeligheid verbeteren en werken in een breder temperatuurbereik. Een beter begrip van het fluorescentie thermische-sensing mechanisme is een ander sleutelvraagstuk om de structuur van CDs te kunnen ontwerpen en manipuleren en de thermische resolutie te verbeteren. Meer experimenten en theoretische modellering zijn nodig om de correlatie tussen de fabricagemethoden van CDs met hun thermische gedrag te begrijpen.