Cette thèse de doctorat, intitulée « Synthèse et caractérisation de nanoparticules à base de lanthanides pour l’imagerie temporellement résolue dans le proche infrarouge », porte sur le développement de nanoparticules à conversion ascendante (UCNPs), conçues pour être utilisées comme agents de contraste dans l’imagerie optique asynchrone dans la région du proche infrarouge (NIR). Les nanoparticules synthétisées, reposant sur une matrice hôte de type β-NaYF4, ont été co-dopées avec trois ions lanthanides, Tm3+, Yb3+ et Nd3+, afin d’obtenir une émission de Tm³⁺ à 802 nm suite à une excitation de Nd3+ à 808 nm. Afin de minimiser les processus non radiatifs tels que la relaxation croisée (CR), les transferts d’énergie inverses et l’extinction globale de la luminescence, une architecture de type cœur@coquilles multiples a été mise en œuvre. La triade Nd-Yb-Tm a été spatialement répartie dans différentes couches : le cœur contenait Tm3+ et Yb3+ ; une coquille intermédiaire incorporait uniquement Yb³⁺; et la coquille externe comprenait Nd3+ et Yb3+. Dans cette configuration, Tm3+ agit comme activateur, Yb3+ joue le rôle de médiateur d’énergie, et Nd3+ fonctionne comme sensibilisateur, chargé d’absorber la lumière d’excitation à 808 nm. Les UCNPs ont été synthétisées par co-précipitation à haute température, avec des efforts d’optimisation visant à obtenir une cristallinité élevée et une pureté de phase optimale. La caractérisation structurale et morphologique a été réalisée par microscopie électronique en transmission (MET), MET haute résolution (HRTEM), diffraction des rayons X sur poudre (DRX) et diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), confirmant la formation de nanoparticules β-NaYF4 monodisperses de 10 à 35 nm. Les mesures de photoluminescence sous excitation à 980 nm ont mis en évidence une émission ascendante (UC) renforcée pour les architectures cœur@coquilles multiples par rapport aux autres configurations. Sous excitation à 808 nm, un transfert d’énergie efficace au sein de la triade Nd-Yb-Tm a été observé. La spectroscopie résolue en temps a révélé des durées de vie de luminescence longues, dans l’échelle des microsecondes à millisecondes. Pour améliorer davantage les performances UC, des stratégies de sensibilisation par colorant ont été explorées. Grâce à leur large section efficace d’absorption, les colorants organiques ont permis un transfert d’énergie de type FRET (Förster Resonance Energy Transfer) vers les UCNPs, entraînant des renforcements d’intensité allant jusqu’à 40 800, 797 et 604 fois, respectivement, par rapport aux échantillons non sensibilisés. Cependant, le colorant fréquemment utilisé, l’ICG, a montré une faible photostabilité sous irradiation laser prolongée, soulignant la nécessité de développer des sensibilisateurs plus stables. Pour des applications biologiques, des UCNPs dispersibles en milieu aqueux ont été préparées et évaluées sous excitation à 808 nm. Une émission UC a été obtenue avec succès en milieu aqueux. La cytotoxicité a été évaluée par des tests MTT sur trois lignées cellulaires : H9c2, HUVEC et HCF, après 24 et 48 heures d’exposition. Les cellules H9c2 se sont révélées les plus sensibles, suivies des cellules HUVEC ; les cellules HCF n’ont montré aucun effet cytotoxique significatif, même à des concentrations allant jusqu’à 200 µg·mL⁻¹. Enfin, un système d’imagerie temporellement résolue a été conçu sur mesure et testé. Ce système a démontré une imagerie asynchrone efficace en excitation et détection à 800 nm, exploitant la transparence maximale des tissus biologiques dans cette région spectrale. Les résultats ont confirmé la faisabilité et le fort potentiel de cette approche pour l’imagerie optique in vivo. La spectroscopie photoacoustique a également été réalisée, révélant le potentiel prometteur des UCNPs pour des applications d’imagerie in vivo. |
This Ph.D. thesis, entitled “Synthesis and Characterization of Lanthanide-Based Nanoparticles for Time-Gated Imaging in the Near Infrared”, focuses on the development of upconverting nanoparticles (UCNPs) designed for use as contrast agents in asynchronous optical imaging within the near-infrared (NIR) region. The synthesized nanoparticles, based on a β-NaYF4 host matrix, were co-doped with three lanthanide ions - Tm3+, Yb3+, and Nd3+ - to achieve Tm³⁺ emission at 802 nm upon excitation of Nd3+ at 808 nm. To minimize non-radiative processes such as cross-relaxation (CR), back energy transfer, and general luminescence quenching, a core@multishell architecture was implemented. The Nd-Yb-Tm triad was spatially separated across distinct layers: the core contained Tm3+ and Yb3+; an intermediate shell incorporated Yb3+ exclusively; and the outermost shell comprised Nd³⁺ and Yb3+. In this configuration, Tm3+ acts as the activator, Yb3+ serves as an energy mediator, and Nd³⁺ functions as the sensitizer that absorbs 808 nm excitation light. The UCNPs were synthesized via a high-temperature co-precipitation method, with optimization efforts directed toward achieving high crystallinity and phase purity. Structural and morphological characterization was carried out using transmission electron microscopy (TEM), high-resolution TEM (HRTEM), X-ray powder diffraction (XRPD), and small-angle X-ray scattering (SAXS), confirming the formation of monodisperse β-NaYF4 nanoparticles ranging from 10 to 35 nm. Photoluminescence measurements under 980 nm excitation demonstrated enhanced upconversion (UC) emission from core@multishell architectures compared to other configurations. Upon 808 nm excitation, efficient energy transfer through the Nd-Yb-Tm pathway was observed. Time-resolved spectroscopy revealed long luminescence lifetimes in the microsecond to millisecond range. To further enhance UC performance, dye-sensitization strategies were explored. Due to their larger absorption cross sections, organic dyes enabled Förster resonance energy transfer (FRET) to the UCNPs, leading to UC intensity enhancements of up to 40,800-, 797-, and 604-fold relative to non-sensitized controls. However, the frequently used dye ICG displayed poor photostability under prolonged laser exposure, indicating a need for more robust sensitizers. For biological applications, water-dispersible UCNPs were prepared and evaluated under 808 nm excitation in aqueous media, successfully producing UC emissions. Cytotoxicity was assessed via MTT assays in H9c2, HUVEC, and HCF cell lines after 24 and 48 hours of exposure. H9c2 cells were the most sensitive, followed by HUVECs; HCFs showed no significant cytotoxicity up to concentrations of 200 µg·mL-1. Finally, a custom-built time-gated imaging system was developed and tested. The system demonstrated efficient asynchronous imaging by excitation and detection at 800 nm, exploiting the high transparency of biological tissue in this spectral region. Results confirmed the feasibility and potential of this approach for in vivo optical imaging. Photoacoustic spectroscopy was also performed, revealing the promising potential of the UCNPs for in vivo imaging applications. |