Synthesis and characterization of upconversion nanoparticles for applications in life sciences
Upconversion nanoparçacıkların canlı biliminde kullanım amacıyla sentezlenmesi ve karakterizasyonu
- Tez No: 780543
- Danışmanlar: PROF. DR. MİCHAEL KUMKE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Kimya, Physics and Physics Engineering, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıtat Potsdam (unıversıty Of Potsdam)
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Upconversion nano parçacıklara (UCNP) gösterilen ilgi biyoljik alanda sahip oldukları yüksek kullanım potansiyelleri sayesinde son yıllarda giderek artmaktadır. Bu nano parçacıklar geleneksel sentetik boyar maddelerin ve quantum parçacıkalrın tersine absorpladıkları düşük enerjili ışını yüksek enerjili ışına çevirirler. Bunlar kızıl ötesi ışınlarla uyarıldıktan sonra görünür ve yakın kızıl ötesi alanlarda ışın emisyonu yaparlar. Bunun yanında, upconversion nano parçacıklar, düşük otofloresens, derin doku içi ilerleme, düşük hücre toksisitesi, uzun luminesens yaşam süresi ve çok fonksiyonlu görüntüleme inkanı sunması gibi mükemmel özelliklere sahiptir. Nano parçacıklar üzerinde yapılan yapısal değisikliklerin upconversion lüminesans mekanizması üzerindeki etkisinin daha iyi kavranması açısından çeşitli iyon katklıları yapılan farklı kristaller kullanılarak upconversion nano parçacıkların gösterdiği upconversion lüminesans davranışlarının araştırılması hala gereklilik arzetmektedir. Kullanıma hazır UCNP'lerin hızlıca elde edilmesi için çevre dostu, basit ve ucuz bir metotla hidrofilik UCNP'lerin tek aşamada üretilebildiği sentez yöntemlerinin araştırılması kritik bir önem taşır. Gd3+ katkısının NaYF4:Yb3+:Er3+:Eu3+ ve NaxScF3+x:Yb3+:Er3+:Eu3+ UCNP'lerinin yapısal özellikleri ve upconversion lüminesans davranışlarına etkisinin arştırılması bu doktora tezinin ana noktasını oluşturmaktadır. İlk örnek takımı sıcaklıkla ayrıştırma yöntemi kullanılarak sentezlendi. UCNP'lerin yüzeyleri oleik asit ile kaplandı. Lüminesans ve dinamik ışın saçılması ölçümleri sırasında nano parçacıkların sikloheksan içinde dispersiyonları kullanıldı. İkinci örnek takımının sentezlenmesinde mikro dalga yardımıyla yürütülen hidrotermalik sentez yöntemi kullanıldı. Sitrik asit kaplı UCNP'lerin lüminesans spektraları nano parçacıkların milli-Q su içerisideki dispersiyonları kullanılarak kaydedildi. Röntgen kırınım spektroskopisi (XRD), geçirimli elektron mikroskopisi (TEM), taramalı elektron mikroskopisi (SEM), ışın saçılımı spektroskopisi (DLS) ve Eu3+ nun oda sıcaklığı ve ultra düşük sıckalıkta gerçekleştirilen lüminesans spektroskopi ölçümleri UCNP'ler hakkında yapısal bilgi toplamak amacıyla kullanıldı. NaYF4 ve NaxScF3+x kristalleri içinde üretilen örneklerin upconversion lüminesans spektroskopi sonuçları karşılaştırmalı olarak tartışıldı. Yeni nesil Eu3+ spektral sondasının sabit und zamana bağlı lüminesans spektra ölçümleri sonrası elde edilen sonuçlar, küçük yapısal farklılıklar hakkında bilgi toplanmasını sağladı. Paralel faktör analiz yöntemi (PARAFAC) NaYF4 içindeki örneklerde toplam 2 (iki farklı simetri alanında yerleşmiş) ve NaxScF3+x içindeki örneklerde toplam 3 farklı Eu3+ türü bulunduğunu kanıtladı. Gd3+ katkısı nedeniyle oluşan kristal yapının değişimiyle birlikte örneklerin upconversion lüminesans özelliklerinde de değişim tespit edildi. Farklı güç yoğunluklarında yürütülen upconversion lüminesans ölçümlerinin sonuçları UCNP'lerdeki Gd3+ katkısıyla upconversion lüminesans mekanizması arasındaki ilişkiyi aydınlatmada kullanıldı. İlk örnek takımının farklı sıcaklıklardaki upconversion lüminesans davranışları, örneklerin 288 K ve 323 K arsında yüksek bir ısı duyarlılığı olduğunu gösterdi. Doktora tezinin ikinci ağırlık merkezini, çeşitli sentez parametrelerinin mikro dalga yardımlı hidrotermalik sentez yöntemiyle üretilen asetik asit kaplı hidrofilik NaGdF4:Yb3+:Er3+ UCNP'lerin yapı ve upconversion lüminesans davranışları üzerindeki etkisinin araştırlıması oluşturdu. XRD, SEM ve DLS yöntemleri kullanılarak yapılan yapısal karakterizasyon sonrası, örneklerin sabit und zamana bağlı upconversion lüminesans özellikleri araştırıldı. Heksagonal NaGdF4:Yb3+:Er3+ UCNP'ler bir saatlik reaksiyon süresi ve ılımlı şartlar altında (150 C°) üretildi. Etilen glikolün karışımın bir parçası olarak kullanılması ortalama çapları 100 nm altında bulunan UCNP'ler üretimesini sağladı. Son olarak, NaxScF3+x:Yb3+:Tm3+:Gd3+ UCNP'lerin yakın kızıl ötesi uyarımı ve yakın kızıl ötesi lüminesans özelliği ve NaxScF3+x:Nd3+:Yb3+, NaxScF3+x:Nd3+:Yb3+:Fe3+ Stokes kayma nano parçacıkları kısaca araştırıldı. Çünkü yüksek etkili yakın kızıl ötesi lüminesans özelliği barındıran lantanit katkılı nano parçacıkların kullanımı canlı bilimi açısından özel bir önem arzetmektedir. Polietilenimin (PEI) kaplı hidrofilik NaxScF3+x:Yb3+:Tm3+:Gd3+ UCNP'ler hidrotermal sentez metodu kullanılarak bir otoklav içinde üretildi. Düşük ve yüksek molekül ağırlıklı (MW) PEI ve reaksiyon sıcaklığının, kristal yapı ve upconversion lüminesans davranışları üzerindeki etkileri XRD, TEM, sabit ve zamana bağlı upconversion lüminesans ölçüm sonuçlarına bakılarak değerlendirilldi. (MW = 25000 (10 Gew.%)) PEI kullanılarak 250 C° de, ortalama parçacık büyüklüğü 124±14 nm olan nano parçacıklar üretildi. Bu parçacıklar en yüksek yakın kızıl ötesi/mavi lüminesans yoğunluğu oranı ve en uzun lüminesans yaşam süresi sergiledi. Diğer taraftan NaxScF3+x:Nd3+:Yb3+ Stokes kayma nano parçacıklarının yalnızca TEM resimleri ve sabit lüminensans spektraları bulunmaktadır. Artan Yb3+ ve Fe3+ konsentrasyonu ile birlikte, Yb3+ ve Nd3+ lüminesans spektrum dağılımlarının değişimi gözlemlendi.
Özet (Çeviri)
In recent years, upconversion nanoparticles (UCNPs) have attracted more attention due to their high potential for biological applications. Unlike conventional fluorophores like dyes and quantum dots, UCNPs are able to convert multiple photons of lower energy to photons of higher energy. They are excited by long wavelength excitation in near infrared region (NIR) and emit photons in visible and NIR region. Furthermore, UCNPs possess outstanding properties such as reduced autofluorescence background, deep tissue penetration, low cytotoxicity, and long luminescence lifetimes, and the possibility for multicolour imaging. The investigation of upconversion luminescence (UCL) behaviours of UCNPs in different lattices codoped with various ions is still a need to understand the structural change on the UCL mechanism. Besides, the study of the synthesis possibility of hydrophilic UCNPs in one step using simple, environment friendly, inexpensive methods are vital to obtain ready for use UCNPs rapidly. The primary work of this thesis is focused on the research of the effect of the Gd3+ codoping on the structure of NaYF4:Yb3+:Er3+:Eu3+ and NaxScF3+x:Yb3+:Er3+:Eu3+ UCNPs and UCL behaviours. The first set of samples was synthesized by thermal decomposition method, capped with oleic acid (OA), and the luminescence measurements and dynamic light scattering measurements were carried out in cyclohexane. The synthesis method for the second set of samples was the microwave-assisted hydrothermal one step synthesis method. The luminescence spectra of acetic acid capped hydrophilic UCNPs were recorded as they were in Milli-Q water. The X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), scanning emission microscopy (SEM), dynamic light scattering (DLS), and luminescence spectra of Eu3+ at room and ultralow temperature were used for gathering the structural information. The results were discussed in connection with upconversion luminescence (UCL) spectra for samples in NaYF4 and NaxScF3+x, comparatively. The results of steady state and time resolved luminescence measurements of the novel spectroscopic probe Eu3+ allowed us to have information about the small structural differences. The multiway decomposition method parallel factor (PARAFAC) analysis determined that the samples in NaYF4 have 2 different Eu3+ species (in two different site symmetry) whereas the samples in NaxScF3+x include three different Eu3+ species. The changes of UCL properties of samples were determined with the alteration of the lattice structure by codoping with Gd3+. The results of power density dependent UCL measurements provide an understanding of the UCL mechanism in UCNPs in relation to Gd3+ codoping. The temperature dependent UCL behaviours of the first set of samples showed a high relative sensitivity at between 288 and 323 K. The second focus of the thesis is the investigation of the effect of various synthesis pa5 rameters on the structure of acetic acid (AA) capped hydrophilic NaGdF4:Yb3+:Er3+ UCNPs obtained by microwave-assisted hydrothermal synthesis method as well as their UCL behaviours. After structural characterization by XRD, SEM, and DLS, the steady state and time resolved UCL properties were investigated. The hexagonal NaGdF4:Yb3+:Er3+ UCNPs were produced in one hour under mild synthesis condition (at 150 °C). Using ethylene glycol as a part of the medium resulted in sub-100 nm nanoparticles. Finally, the NIR excitation to NIR luminescence properties of NaxScF3+x:Yb3+:Tm3+ :Gd3+ UCNPs and NaxScF3+x:Nd3+:Yb3+ NaxScF3+x:Nd3+:Yb3+:Fe3+ Stokes-shift nanoparticles were shortly investigated, since the development of nanoparticles with high efficiency NIR luminescence is crucial to the use of lanthanide doped nanoparticles in life science. The polyethylene imine (PEI) capped hydrophilic NaxScF3+x:Yb3+:Tm3+ :Gd3+ UCNPs were generated by a hydrothermal synthesis method in autoclave. The influence of the low and high molecular weight (MW) of PEI and the reaction temperature on the lattice structure and UCL behaviours were discussed according to results of X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM) and steady state, time resolved UCL records. The UCNPs synthesized with 25000 MW (10 wt%) PEI at 250 °C were formed as spherical particles with an average particle size of 124±14 nm. They demonstrated the highest NIR to blue intensity ratio and the longest decay times. On the other hand, for the NaxScF3+x:Nd3+:Yb3+ Stokesshift nanoparticles there is only TEM images and steady state luminescence records. The alteration on the spectral distribution of Yb3+ and Nd3+ was observed with increasing of the concentration of Yb3+ and Fe3+.
Benzer Tezler
- Synthesis and Characterization of Core-Shell Nanoparticles for Proton Exchange Membrane Fuel Cells
Proton Elektrolit Membranlı Yakıt Pilleri İçin Merkez-Kabuk Nanoparçacık Sentezi ve Karakterizasyonu
KÜBRA AVRUPALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
KimyaBoğaziçi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. OKTAY DEMİRCAN
DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
- Lityum-iyon piller için yüksek performanslı anot malzemesi olarak kalay oksit-indirgenmiş grafen oksit kompozitlerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of tin oxide-reduced graphene oxide composite as high performance anode material for lithium-ion batteries
MERT ARDA KAYIŞLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REHA YAVUZ
- Preparation and characterization of carbon quantum dot- based composite thin films
Karbon kuantum nokta esaslı kompozit ince filmlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
RAMAZAN FERHAT ERDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDEN BEYHAN
- Synthesis and characterization of carbon nanomaterial(S) by hydrothermal carbonization of various wastes
Farklı atık türlerinin hidrotermal karbonizasyon yöntemi ile karbon nanomalzemelerine sentezi ve karakterizasyonu
MONIKA SHARMA
Doktora
İngilizce
2025
Bilim ve TeknolojiSakarya ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİYE SUNA ERSES YAY
- Synthesis and optical characterization of aurivillius layered perovskites
Aurivillius yapısındaki katmanlı perovskitlerin sentezi ve optik karakterizasyonu
MOHAMMADREZA KHODABAKHSH
Doktora
İngilizce
2018
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL