Points de carbone : des nanothermomètres de nouvelle génération – Une revue exhaustive

Résumé

La détection de température sans contact à haute sensibilité est essentielle pour étudier les réactions chimiques fondamentales, les processus biologiques et les applications en diagnostic médical. Les thermomètres à l'échelle nanométrique offrent des sondes non invasives pour une détection de température sensible et précise avec une résolution sous-cellulaire. Les capteurs de température basés sur la fluorescence ont démontré un grand potentiel car ils fonctionnent en mode « sans contact » et offrent les fonctions doubles d'imagerie cellulaire et de détection de température au niveau moléculaire. Les avancées dans les nanomatériaux et la nanotechnologie ont conduit au développement de nouveaux capteurs, tels que les nanothermomètres (matériaux innovants de détection de température avec une haute résolution spatiale à l'échelle nanométrique). Ces nanothermomètres ont été développés à partir de différentes plateformes : protéines fluorescentes, composés organiques, nanoparticules métalliques, nanoparticules dopées aux terres rares et points quantiques semi-conducteurs.

Les points de carbone (CDs) suscitent un vif intérêt dans de nombreux domaines de recherche grâce à leurs propriétés exceptionnelles : fluorescence intense, résistance au photoblanchiment, stabilité chimique, précurseurs peu coûteux, faible toxicité et biocompatibilité. Des études récentes ont mis en évidence le comportement de détection thermique de certains CDs, ce qui en fait une alternative aux thermomètres basés sur d'autres nanomatériaux. Ce type de thermomètre luminescent est prometteur pour la détection de température dans les nanocavités et la cartographie thermique, permettant une meilleure compréhension des processus biologiques. Les CDs en étant encore aux premiers stades en tant que matériau à l'échelle nanométrique pour la détection thermique, cette revue fournit une compréhension exhaustive de ce nouveau nanothermomètre, des méthodes de fonctionnalisation pour améliorer la sensibilité et la résolution thermiques, ainsi que du mécanisme du comportement de détection thermique.

Introduction

La température est une variable thermodynamique fondamentale qui influence considérablement les systèmes biologiques et chimiques. En raison de son large éventail d'applications, dans presque tous les domaines des sciences naturelles, de l'ingénierie, de l'agriculture et des sciences médicales, la détermination précise de la température est d'une grande importance. En médecine, la thermométrie est utilisée pour la détection précoce de diverses maladies, telles que les accidents vasculaires cérébraux, le cancer ou les inflammations, dont l'un des symptômes initiaux est l'apparition d'anomalies de température localisées.

Historiquement, la première estimation de température reposait probablement sur la sensation ou l'observation. Dans l'Antiquité (200–10 av. J.-C.), des expériences pneumatiques (dilatation de l'air par la chaleur) constituent les plus anciennes références reconnues d'appareils utilisés pour des mesures quantitatives de chaleur. Parmi les écrits les plus primitifs sur la dilatation de l'air par la chaleur, on compte les travaux de Philon de Byzance et d'Héron d'Alexandrie sur les expériences pneumatiques. Plus tard, entre 1592 et 1603, Galilée a inventé un thermoscope en expérimentant la dilatation de l'air par la chaleur à l'aide d'un appareil simple composé d'un tube contenant de l'air piégé au-dessus d'une colonne d'eau. Après Galilée, l'Italien Santorio est le premier à avoir intégré cet appareil simple dans des examens médicaux de fièvre. Le premier thermomètre à liquide scellé entièrement, un tube de verre rempli d'alcool, a été assemblé par Ferdinand II en 1641. Il a pu mesurer la température sans être influencé par la pression barométrique, contrairement au thermoscope ouvert de Galilée et Santorio. Les travaux pratiques de Fahrenheit en thermométrie sont apparus en 1706 ; il a commencé avec l'alcool mais est devenu légendaire pour ses thermomètres au mercure. La reconnaissance de l'échelle de température centésimale revient à Anders Celsius, qui en 1742 a proposé une échelle avec zéro à la température d'ébullition de l'eau et 100 à la température de congélation. Les expérimentations électroniques ont été menées au XIXe siècle lorsque Thomas Johann Seebeck a envisagé le concept de thermoélectricité. Dans une série d'expériences menées entre 1820 et 1823, il a vérifié le potentiel électrique aux points de jonction de deux métaux différents lorsqu'il y a une différence de chaleur entre les jonctions. Cela a été plus tard connu sous le nom d'effet Seebeck et sert de base au thermocouple, considéré comme la mesure de température la plus précise. La chronologie schématique du thermomètre est présentée à la Figure 1.

Nanothermométrie

La « nanothermométrie » désigne l'utilisation de matériaux thermosensibles à l'échelle nanométrique pour fournir des informations de température sur l'environnement local des régions nano- ou micro-échelle. Les sondes thermiques basées sur les nanoparticules ont une grande capacité dans un large éventail d'applications de détection, et de nombreux « nanothermomètres » progressifs ont été rapportés récemment. De plus, différents types de nanomatériaux conventionnels ont montré des propriétés luminescentes thermosensibles, tels que les polymères, les nanocristaux, les nanoparticules dopées aux terres rares et les nanoparticules métalliques.

Ainsi, les nanocapteurs thermiques sont des thermomètres non invasifs, en mode sans contact, précis, fonctionnant à l'échelle nanométrique avec une résolution de haute sensibilité. La détection thermique utilisant des nanomatériaux peut être réalisée en manipulant leurs propriétés optiques. La nanothermométrie par fluorescence peut être classée en plusieurs catégories selon le paramètre précis à partir duquel la mesure thermique est dérivée : intensité du signal, forme de la bande, durées de vie de fluorescence, décalage de bande, polarisation de la longueur d'onde d'excitation et décalage spectral. Dans le premier cas, la fluorescence change avec différentes températures et peut être détectée comme une augmentation (ou diminution) absolue du signal.

La nanothermométrie luminescente sans contact, qui utilise des nanomatériaux luminescents à émissions dépendantes de la température, est principalement appropriée pour les applications biologiques. Ces nanomatériaux luminescents comprennent les polymères fluorescents, les nanoparticules métalliques, les nanoparticules dopées aux terres rares et les nanodiamants, qui possèdent une propriété thermosensible dans la gamme physiologique. Ces travaux pionniers ont permis de fournir la température moyenne pour des cellules individuelles. Les sondes luminescentes dépendantes de la température basées sur des colorants organiques (ex. : Rhodamine 6G) et des polymères (ex. : poly(N-isopropylacrylamide)) présentent généralement une photostabilité médiocre et une sensibilité croisée marquée à l'oxygène, ce qui est indésirable pour les travaux sur cellules vivantes. De plus, il existe une forte dépendance au pH de la durée de vie du fluorophore, ce qui rend son utilisation difficile sans un contrôle précis du pH de l'environnement étudié.

Une autre classe de nanothermomètres basée sur des nanocristaux semi-conducteurs purs et dopés a été rapportée, avec les candidats les plus marquants tels que CdSe, ZnS, InP ou PbSe. Les points quantiques semi-conducteurs (SQDs) sont candidats pour les thermomètres à l'échelle nanométrique, car ils ont un rendement quantique élevé, une longue durée de vie avant photoblanchiment et une biocompatibilité adéquate après modification de surface appropriée. De plus, ils peuvent être facilement conjugués à des protéines et de l'ADN pour la détection et l'imagerie. Le défi exceptionnel auquel fait face ce type de thermomètres luminescents est la reconnaissance associée de la luminosité, de la photostabilité, de la sensibilité et de la précision à T = 20–40 °C lors de la sonde de microenvironnements sous-cellulaires. Les SQDs ont été largement revus en termes de synthèse, propriétés physicochimiques, luminescence et applications potentielles. Comparés aux colorants organiques, les SQDs présentent une luminosité supérieure pour la détection, un profil d'excitation plus large pour le multiplexage et une meilleure photostabilité pour les études à long terme. En outre, les SQDs en tant que capteurs de température sont résistants au pH et aux autres variations environnementales attendues à l'intérieur d'une cellule.

Généralement, dans les SQDs, en raison d'une combinaison de différents processus, une augmentation de la température produit une diminution de l'intensité de fluorescence (quenching), accompagnée d'un décalage spectral. Ce décalage peut être considéré comme linéaire dans la gamme biophysique. L'amplitude des deux effets (quenching de luminescence et décalage spectral) dépend fortement du matériau constituant les QDs et de leur taille.

Chaque groupe de nanomatériaux luminescents a des limitations d'utilisation ainsi que des avantages. Comme décrit ci-dessus, les SQDs sont favorisés par rapport aux polymères fluorescents et aux colorants organiques. Les SQDs sont bons en termes de photostabilité, d'efficacité quantique et de fluorescence réglable, mais les QDs ne peuvent pas être utilisés pour suivre une seule molécule pour une surveillance à long terme en raison de leur clignotement intrinsèque. De plus, le principal inconvénient des QDs est leur toxicité, due à leur teneur en métaux lourds, notamment le cadmium ; cela limite leurs applications biologiques et environnementales. Par ailleurs, la disponibilité des éléments précurseurs dans la nature est relativement faible et les SQDs sont donc considérés comme coûteux.

Points de carbone comme nanothermomètres

Pour surmonter les problèmes découlant des nanothermomètres non basés sur le carbone (expliqués dans la section précédente), des nanomatériaux à base de carbone ont été préparés et ont affiché des propriétés uniques : faible toxicité, préparation aisée, précurseurs peu coûteux, photostabilité et biocompatibilité. Ces nanomatériaux à base de carbone ont montré des propriétés de détection thermique sensibles. De plus, l'amélioration des nanoparticules sans métal est importante et urgente en raison du danger environnemental pour les applications biologiques de tels matériaux toxiques. Parmi la famille des nanomatériaux à base de carbone, les nanodiamants fluorescents ont été les premiers rapportés comme nanothermomètres. Les nanodiamants fluorescents possèdent une biocompatibilité intrinsèque résultant de leur surface chimiquement robuste et inerte. D'autres nanodiamants ont récemment été utilisés pour la détection thermique intracellulaire avec une précision sous-degré. La sensibilité thermique de ces nanodiamants repose sur les centres de couleur à lacune d'azote, qui sont des défauts ponctuels consistant en un atome d'azote remplaçant un atome de carbone du réseau et un site de réseau vacant à proximité. Le centre de lacune d'azote des nanodiamants fluorescents est étudié de manière approfondie et a été bien caractérisé pour sa photophysique, ainsi que pour son utilisation dans les applications biologiques. Le principe de fonctionnement de la thermométrie basée sur les lacunes d'azote dépend de la mesure précise de ce centre de couleur, qui peut être détecté optiquement avec une haute résolution spatiale. Cependant, une faible efficacité de fluorescence et une contrôlabilité médiocre entravent considérablement l'application des nanodiamants fluorescents.

L'une des classes les plus récentes de la famille des nanomatériaux à base de carbone est celle des points de carbone (CDs) hautement luminescents, qui possèdent une photoluminescence exceptionnellement brillante, une stabilité photochimique, une solubilité dans l'eau, une grande biocompatibilité et une non-toxicité. Les CDs sont des nanoparticules zéro-dimensionnelles et sphériques possédant des diamètres inférieurs à 10 nm. Diverses approches ont été appliquées pour préparer divers types de CDs : ablation laser, synthèse solvothermale, synthèse hydrothermale, assistance par micro-ondes, décharge à l'arc, oxydation acide, et d'autres approches chimiques et physiques. De plus, les CDs affichent des perspectives désirables pour diverses applications : imagerie biologique, détection chimique et biologique, administration ciblée de médicaments, analyse pharmaceutique et catalyse.

Ces dernières années, les CDs fluorescents en tant que capteurs de température ont attiré beaucoup l'attention des chercheurs. En principe, certaines exigences sont nécessaires pour une mesure de température efficace : les nanodots de carbone doivent présenter une variation appréciable de leur photoluminescence sur la gamme de températures pertinentes. La photostabilité, la stabilité au pH et la durée de conservation sont d'autres exigences à prendre en compte pour l'application pratique.

Les CDs sont des alternatives prometteuses aux points quantiques semi-conducteurs (SQDs) conventionnels. Comparés aux QDs, les CDs présentent de nombreux avantages exceptionnels : faible coût, faible toxicité et propriétés optiques/chimiques uniques et robustes. De plus, les CDs montrent très peu de photoblanchiment. Comparés à d'autres matériaux fluorescents bruts, les CDs sont produits à partir de sources de carbone peu coûteuses et abondantes dans la nature. En outre, il existe plusieurs méthodes simples pour modifier et fonctionnaliser l'état de surface des CDs, ce qui permet d'adapter la solubilité, la stabilité, les propriétés physicochimiques et les rendements quantiques des CDs selon les exigences expérimentales.

Dans la littérature, il existe un nombre limité d'articles rapportés sur les points de carbone à fluorescence dépendante de la température, présentés dans le Tableau 1.

Yu et al. (2012) ont été les premiers à étudier la fluorescence dépendante de la température dans les nanodots de carbone et les ont comparés aux nanoparticules semi-conductrices et métalliques. Ils ont mesuré les durées de vie de photoluminescence dépendantes de la température via la technique de comptage de photons unique corrélé dans le temps (TCSPC). La dynamique de relaxation de la photoluminescence devient plus rapide à des températures plus élevées, ce qui peut être attribué aux processus de décroissance non radiatifs. La mesure des spectres de fluorescence du film de CDs en fonction de la température, de températures cryogéniques à la température ambiante, a été effectuée. Avec l'augmentation de la température, l'intensité de fluorescence affiche une diminution répétitive.

Le spectre PL présente des pics asymétriques ; par conséquent, les spectres PL à chaque température peuvent être bien ajustés par une fonction à deux gaussiennes. La bande à haute énergie (bande I) et la bande à basse énergie (bande II) sont identifiées. De plus, l'écart d'énergie (largeur de bande) de la fluorescence a été inspecté en fonction de la température. La largeur de bande totale est prononcée par des termes indépendants de la température (diffusion électron-électron) et dépendants de la température (diffusion électron-phonon et diffusion surface/défaut). La largeur de bande de la bande I et de la bande II est indépendante de la température, ce qui indique que la diffusion électron-électron domine dans les CDs.

Par conséquent, l'effet de température faible dans les CDs est en accord avec le fait que le mécanisme d'interaction principal implique des interactions électron-électron plutôt que le couplage électron-phonon. De plus, une large bande PL (> 100 nm) généralement observée même à très basse température (77 K) fait référence à une forte interaction électron-électron. Ce résultat est similaire aux nanoclusters métalliques et différent des QDs semi-conducteurs. Ainsi, Yu et ses collègues ont spéculé que les électrons π dans les CDs peuvent agir de manière similaire aux électrons libres dans les nanoclusters métalliques.

Kalytchuk et al. ont synthétisé des N, S-CDs hautement luminescents et solubles dans l'eau par traitement hydrothermal en une étape de l'acide citrique et de la L-cystéine. Ils ont collecté des spectres d'absorption à l'état stationnaire sur une large gamme de températures pour caractériser les propriétés PL dépendantes de la température des CDs. Les spectres d'absorption des N, S-CDs dispersés dans l'eau à des températures entre 10 et 70 °C (augmentation de 5 °C par étape) sont présentés. Contrairement aux nanocristaux semi-conducteurs, la position et l'intensité de la bande d'absorption ne changent pas avec la température. Des résultats similaires avaient été rapportés précédemment pour des CDs synthétisés par traitement hydrothermal de glucose en présence de glutathion.

Dans leur travail, ils ont montré un diagramme de couleur des spectres PL des N, S-CDs acquis à des températures allant de 2 à 80 °C avec un pas de 2 °C. L'augmentation de la température a réduit l'intensité d'émission PL d'environ un facteur 2 sans aucun décalage détectable des émissions PL. La position du maximum d'émission PL, la largeur à mi-hauteur (fwhm) du PL et l'intensité PL intégrée ont été déterminées quantitativement aux températures étudiées.

La position du pic PL des N, S-CDs montre une faible dépendance à la température, contrairement à la plupart des nanocristaux semi-conducteurs, dont l'écart de bande change avec la température, induisant un décalage d'émission PL. De plus, leur fwhm PL ne présente qu'un élargissement insignifiant (1,4 ± 1 nm) sur la même plage de température, indiquant que le pic PL des N, S-CDs montre un élargissement thermique négligeable. Pour caractériser les processus de relaxation non radiatifs se produisant dans les CDs, ils ont analysé le quenching de l'intensité PL intégrée en fonction de la température. Un graphique de l'intensité PL intégrée dépendante de la température pour les N, S-CDs est présenté, avec des valeurs normalisées à l'intensité à 2 °C, révélant que l'intensité diminue monotone sur la plage de température étudiée, celle à 80 °C étant environ la moitié de celle à 2 °C. Basé sur ces résultats, l'énergie d'activation du quenching thermique pour les CDs à des températures entre 2 et 80 °C a été estimée à 17,0 ± 0,7 meV en utilisant la formule d'Arrhenius pour les N, S-CDs, ce qui est proche de la valeur rapportée par Yu et al.

En outre, Kalytchuk et al. ont examiné la dynamique d'émission des CDs à différentes températures. La figure montre la forte dépendance à la température de leur émission PL résolue dans le temps, affichant des données de spectroscopie d'émission résolue dans le temps pour trois températures différentes. Des cartes transitoires d'émission PL des CDs ont été acquises dans la région spectrale entre 375 et 650 nm à 2, 50 et 80 °C. Il y a un déclin clair de la décroissance PL à mesure que la température augmente, suggérant que les CDs ont des propriétés satisfaisantes pour la détection de température basée sur la durée de vie PL. Il est important de noter qu'une décroissance mono-exponentielle spectralement uniforme a été observée sur les profils d'émission des points à toutes les températures étudiées, indiquant que la recombinaison se produit via des canaux très similaires et hautement émissifs sur l'ensemble de l'ensemble de CDs. La dynamique PL des CDs est sans doute leur qualité la plus prometteuse en ce qui concerne les applications de détection de température. Spécifiquement, la sensibilité à la température des CDs en fait des nanothermomètres à durée de vie PL.

La variation de la durée de vie PL des CDs à des températures entre 2 et 80 °C a été étudiée en profondeur. Un diagramme de couleur de PL transitoire sur la plage de température étudiée est présenté, montrant que l'augmentation de la température entraîne un raccourcissement monotone de la décroissance PL apparente. Toutes les courbes de décroissance enregistrées ont été ajustées à l'aide d'une fonction mono-exponentielle. Les données sur les durées de vie extraites sont présentées. Alors que la température augmente de 2 à 80 °C, la durée de vie PL diminue monotone de 11,0 à 5,3 ns. La plage de température sur laquelle cette sensibilité de durée de vie PL a été démontrée (2–80 °C) couvre à la fois la gamme de température physiologiquement pertinente et les températures de fonctionnement typiques de nombreux dispositifs électroniques. La sensibilité pseudo-linéaire absolue de cette sonde thermique basée sur la durée de vie PL des CDs est de 0,08 ns K⁻¹, et sa sensibilité relative maximale est de 1,79 % K⁻¹ à 62 °C. L'ajustement mono-exponentiel de la décroissance PL de la nanasonde luminescente à base de CDs sur la plage de température étudiée fournit un seul paramètre, la durée de vie PL (τ), qui peut être directement converti en unités de température à l'aide d'une courbe d'étalonnage. C'est un avantage important par rapport aux points quantiques semi-conducteurs typiques, qui présentent une décroissance multi-exponentielle limitant leur utilité dans les applications impliquant des mesures de durée de vie PL.

Ils ont également étudié la dépendance à la température de la durée de vie PL des CDs dans le tampon phosphate salin (PBS) et le milieu Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) et ont montré un comportement similaire.

Pour démontrer la réutilisabilité des thermomètres luminescents à base de CDs, les courbes de décroissance PL d'échantillons sélectionnés ont été mesurées sur sept cycles successifs de chauffage et de refroidissement à des températures entre 15 et 45 °C. À chaque cycle de mesure, la décroissance PL a été mesurée après 5 minutes d'équilibrage thermique. Aucune hystérèse thermique n'a été observée pendant les cycles de chauffage et de refroidissement, et la variation de durée de vie PL résultante est tracée en fonction du temps, démontrant que la durée de vie PL des CDs présente une excellente stabilité thermique.

Plus tard, plusieurs CDs à émission dépendante de la température ont été préparés en utilisant une variété de méthodes de synthèse, telles que les traitements hydrothermal et solvothermal, le reflux thermique et l'ablation laser. Les CDs préparés ont montré une fluorescence linéaire dépendante de la température aux gammes physiologiques. L'intensité de fluorescence des CDs a diminué avec l'augmentation de la température. De plus, la réversibilité et la restaurabilité de l'intensité de fluorescence ont été étudiées dans tous les articles.

Nguyen et al. ont synthétisé des points de carbone (CDs) en utilisant l'ablation laser femtoseconde de poudre de graphite dans l'éthylènediamine. De nombreux groupes fonctionnels ont été formés à la surface, ce qui forme de multiples états de surface sur le site de surface et entraîne l'émission multiple des CDs. Ils ont étudié la sensibilité de température dépendante de la fluorescence des CDs en utilisant des spectres de fluorescence à l'état stationnaire. Les spectres d'émission dépendants de la température des CDs à l'excitation 320 nm sont présentés. Les deux intensités de fluorescence des pics à 400 et 465 nm diminuent progressivement avec l'augmentation de la température en raison de l'activation thermique des voies de décroissance non radiatives. Les intensités de pic changent linéairement avec la température variant de 5 à 85 °C. Les CDs sensibles à la température ont montré un changement d'intensités de fluorescence de 3,3 et 2,1 % par °C pour les pics à 400 et 465 nm, respectivement. Cela indique que les CDs peuvent être utilisés comme capteur de température conventionnel basé sur l'intensité avec une haute sensibilité.

Remarquablement, la propriété unique d'émission multiple rend les CDs prometteurs comme fluorophores pour les capteurs de température fluorescents ratiométriques. Le rapport des deux intensités de fluorescence à 400 et 465 nm (excitation 320 nm) en fonction de la température est présenté. Il existe une très bonne relation linéaire entre le rapport d'intensité de pic et la température sur une large plage de température de 5 à 85 °C (R² = 0,998). La linéarité thermique est avantageuse car elle rend la corrélation entre le rapport d'intensité de pic et la température directe et fournit simultanément une sensibilité thermique constante sur toute la plage dynamique. La sensibilité à la température des CDs est déterminée à 1,48 % °C⁻¹, ce qui est comparable à celle d'autres matériaux. Il convient de noter que la plage de réponse en température des CDs est beaucoup plus large que celles d'autres rapports sur les capteurs de température à double émission et couvre à la fois la température physiologique pour les études biologiques et la température de fonctionnement pour de nombreux dispositifs électroniques. En plus de l'excitation à 320 nm, les CDs fonctionnent également à d'autres longueurs d'onde d'excitation, telles que 340 et 365 nm, avec la même sensibilité. Ainsi, les CDs peuvent être utilisés pour la détection de température dans de nombreuses applications pratiques en sélectionnant différentes longueurs d'onde de travail.

Ils ont montré que le capteur de température ratiométrique était réversible entre 20 et 50 °C, sur quatre cycles et photostable (lorsque l'intensité de la source d'alimentation changeait). Ce résultat suggère que le système de détection des CDs est stable et robuste face à tout changement de concentration d'échantillon, d'excitation ou d'efficacité de détection.

L'augmentation de la température n'est pas toujours accompagnée d'un quenching PL ; elle pourrait également montrer une amélioration du PL. Macairan et al. ont montré l'amélioration PL de points de carbone à double fluorescence avec l'augmentation de la température. Ils ont préparé des points de carbone biocompatibles à double fluorescence en une réaction assistée par micro-ondes en une étape en utilisant le formamide et le glutathion. Ils ont constaté qu'après excitation à 640 nm, l'intensité de fluorescence et la surface intégrée PL augmentent sur la gamme de 5 à 60 °C d'un facteur de 3,5 observé sur toute la plage d'analyse et la température. Une réponse linéaire (R² = 0,999) est observée sur toute la plage d'analyse et la sensibilité de température a été déterminée aussi élevée que 3,71 % °C⁻¹.

La fluorescence dépendante de la température a également été étudiée après excitation à 405 nm. Intéressant, les bandes de fluorescence bleue et rouge ne sont pas également sensibles au changement de température. Avec l'augmentation de la température, l'intensité de fluorescence (et la surface intégrée correspondante sous la courbe) du composant bleu montre une très légère diminution en contraste avec le composant rouge, qui augmente significativement. Ces observations sont notées sur la gamme de 5 à 60 °C où l'émission bleue diminue d'un facteur de 1,3 en contraste avec l'émission rouge, qui augmente d'un facteur de 3,0.

Le rapport de la fluorescence rouge sur bleue augmente avec la température, et une réponse hautement linéaire est tripliquée sur 3 échantillons uniques et le graphique linéaire reflète l'observé avec un R² = 0,998. Ces analyses ont été répétées dans une moyenne de ces mesures, qui ont de petites déviations à chaque température. La sensibilité thermique des CDs, sur toute la plage de température, variait de 1,33 à 4,81 % °C⁻¹, ce qui est une amélioration par rapport aux systèmes de nanothermométrie à points de carbone précédemment rapportés et aux autres nanomatériaux à double émission tels que les points quantiques et les composites colorants-cadres organiques métalliques. La résolution thermique des CDs a été calculée à 0,048 K⁻¹, indiquant qu'il est effectivement possible de mesurer de petits changements thermiques.

Zhang et al. ont synthétisé des CDs ayant des caractéristiques de réponse à la température dans la gamme de 25 à 95 °C, avec une excellente sensibilité et une réversibilité/récupérabilité remarquables. Des composites CD/époxy ont été préparés en dopant uniformément les CDs dans une résine époxy. La résine époxy est une résine thermodurcissable courante et largement utilisée pour encapsuler les puces LED. Les composites CD/époxy durcis sont transparents, et leurs spectres d'émission de fluorescence sont présentés. Le pic d'émission du composite CD/époxy est décalé vers le bleu d'environ 10 nm par rapport à celui de la solution de CDs. Notamment, la réponse en température du composite est significativement améliorée. Dans la gamme de température de 25 à 95 °C, l'intensité de fluorescence diminue de 35 % avec l'augmentation de la température, ce qui est plus du double de celle de l'état solution, et les résultats linéaires sont plus stables. Le composite a une large plage de détection de température, et son excellente sensibilité et stabilité le rendent approprié pour une utilisation comme capteur de température basé sur un nanomatériau fluorescent dans une variété d'environnements.

Mécanisme de la détection thermique

À ce jour, il n'existe pas de mécanisme bien établi pour expliquer le comportement de détection thermique des points de carbone. Certains rapports attribuent le mécanisme à l'activation thermique de canaux non radiatifs d'états de surface (pièges/défauts). Le tableau général est que les canaux non radiatifs n'étaient pas activés à basses températures, donc les électrons excités pouvaient émettre des photons radiativement. Au contraire, à mesure que la température augmente, plus de canaux non radiatifs deviennent activés, et les électrons excités reviennent à l'état fondamental par des processus non radiatifs, entraînant une diminution de l'intensité de fluorescence.

Pour mieux comprendre la thermodynamique des processus d'émission des CDs, Kalytchuk et al. ont corrélé les taux de recombinaison radiative (τᵣ⁻¹) et non radiative (τₙᵣ⁻¹) d'un échantillon de CDs avec son rendement quantique PL. Le taux radiatif est déterminé à partir du rendement quantique PL (QY) et du taux de recombinaison mesuré τ⁻¹ comme τᵣ⁻¹ = QY × τ⁻¹. Le taux de relaxation non radiatif τₙᵣ⁻¹ s'exprime comme τₙᵣ⁻¹ = τ⁻¹ - τᵣ⁻¹. Le QY PL des CDs à diverses températures a été calculé à partir de leur absorption dépendante de la température et de l'intensité PL intégrée avec le QY PL déterminé à température ambiante. Les taux de recombinaison radiative et non radiative dérivés des données de mesure PL résolue dans le temps sont tracés en fonction de la température. Le taux de recombinaison radiative est supérieur au taux non radiatif correspondant jusqu'à 70 °C et ne varie pas sensiblement à des températures entre 2 et 80 °C, restant dans la gamme de (0,74–0,82) × 10⁶ s⁻¹. En revanche, il y a une augmentation prononcée (presque 7 fois, de 0,16 × 10⁶ à 1,12 × 10⁶ s⁻¹) monotone du taux de recombinaison non radiative en augmentant la température de 2 à 80 °C. Le croisement dépendant de la température des taux radiatifs et non radiatifs se produit à 70 °C, à laquelle température le QY PL est de 50 %. Ces résultats suggèrent que l'activation thermique du quenching PL dans leurs CDs est principalement causée par l'activation de canaux de relaxation non radiatifs.

Guo et al. ont attribué le quenching thermique de leurs points de carbone préparés non seulement à l'activation du processus de décroissance non radiative, mais aussi à la survenue de piégeage non radiatif avec l'augmentation de la température. Ils ont mesuré les durées de vie de décroissance dépendantes de la température des CDs. Le résultat montre que la durée de vie PL passe de 15,03 à 11,70 ns avec l'augmentation de la température de 283 à 343 K, ce qui pourrait être attribué à la survenue de processus de décroissance non radiatifs. De plus, la dynamique de relaxation PL des CDs révèle une décroissance multi-exponentielle avec l'augmentation de la température, ce qui suggère que les porteurs photoexcités suivent des processus de relaxation compliqués. La survenue de piégeage non radiatif augmentera avec l'élévation de la température, et cela pourrait être analysé quantitativement par le graphique d'Arrhenius des intensités PL intégrées.

D'autres groupes ont utilisé des techniques microscopiques et spectroscopiques pour comprendre le mécanisme de thermodétection des points de carbone.

Wang et al. ont utilisé la MET et les spectres UV-Vis pour étudier le comportement PL réactif à la température des CDs préparés. Les CDs n'affichent aucun changement dans les spectres UV-Vis lors de l'augmentation de la température de 20 à 80 °C. Cependant, il a été constaté que le diamètre moyen des CDs augmentait de 2,6 ± 0,2 nm à température ambiante à 4,4 ± 0,2 nm à 80 °C. Ainsi, l'augmentation de la température a provoqué l'agrégation des CDs préparés, ce qui a causé le quenching de fluorescence évident.

He et al. ont rapporté que la taille de particule hydratée de leurs CDs émerge comme plus grande avec l'augmentation de la température, ce qui indique que l'élévation de la température donne lieu à l'agrégation des CDs, résultant finalement en un quenching de fluorescence. Néanmoins, avec la baisse de la température, la taille de particule hydratée des CDs commence à diminuer, ce qui indique que le refroidissement a le potentiel de provoquer la dépolymérisation des CDs.

Un autre groupe, Cui et al., a également attribué le quenching de fluorescence à l'agrégation des CDs. Ils ont également essayé d'appliquer les CDs non dopés synthétisés en utilisant uniquement l'acide acrylique comme précurseur dans les capteurs de température. Malheureusement, les CDs non dopés possédaient des effets de quenching plus faibles sous la même élévation de température que les CDs dopés.

Yang et al. ont proposé deux facteurs clés concernant la propriété PL dépendante de la température des N-CDs : (i) les groupes fonctionnels de surface et (ii) l'interaction de liaison hydrogène. Pour examiner l'effet du premier facteur, les groupes O-contenant de surface, une expérience de contrôle a été menée en traitant les N-CDs (4,0 mL) avec un fort agent réducteur NaBH₄ (1,0 mL, 0,1 mol L⁻¹) pour éliminer les espèces C=O sur la surface des points de carbone. Les N-CDs réduits obtenus sont notés r-N-CDs pour faire court. Comparés aux N-CDs, les r-N-CDs présentent une intensité de fluorescence plus faible. De plus, l'intensité de fluorescence des r-N-CDs ne diminue que de 13 % avec l'augmentation de la température de 20 à 80 °C, ce qui donne une sensibilité de température beaucoup plus faible, attribuée à la diminution des groupes contenant de l'oxygène.

Le second facteur, l'effet de la liaison hydrogène avec le solvant sur le comportement fluorescent des N-CDs, a été exploré. Une solution de N-CDs (1,0 mL) a été déposée sur un papier filtre et laissée sécher à l'air pour obtenir un échantillon solide, qui émet toujours une fluorescence brillante. Cependant, aucun changement évident de l'intensité de fluorescence des N-CDs solides avec l'augmentation de la température n'a été observé. Ils ont également mesuré la fluorescence des N-CDs dispersés dans l'éthanol. L'intensité de fluorescence des N-CDs dans C₂H₅OH est plus faible que dans l'eau et peu de variation de l'intensité PL est observée avec l'augmentation de la température de 20 à 80 °C. Donc, les fortes liaisons hydrogène jouent un rôle clé dans la propriété PL dépendante de la température des N-CDs.

Cependant, notre groupe a utilisé la même stratégie expérimentale que le groupe Yang ; dans les deux cas, les émissions des r-CDs et e-CDs étaient quenchées linéairement avec l'augmentation de la température, de la même manière que les résultats originaux de leurs CDs. Ainsi, nos résultats ont exclu les effets synergiques des groupes fonctionnels abondants contenant de l'oxygène et des liaisons hydrogène.

Bioimagerie dans les cellules vivantes (Imagerie thermique)

Dans la littérature, seuls quelques articles ont exploré les propriétés fluorescentes réactives à la température des CDs dans l'imagerie biologique. Avant de telles expérimentations, l'analyse de cytotoxicité in vitro est cruciale pour les CDs car elle permet d'estimer la toxicité des CDs chez les sujets vivants. L'analyse de cytotoxicité in vitro évalue l'effet ou l'influence du nanomatériau sur les cellules cultivées.

Yang et al. ont vérifié que les CDs pouvaient être utilisés comme thermomètre efficace dans les cellules vivantes ; des cellules HeLa ont été lavées avec du PBS après traitement avec les CDs pendant 6 h. Une fluorescence bleue brillante des CDs dans les cellules HeLa est observée lorsque la température est de 25 °C. Avec l'augmentation de la température à 37 °C, la fluorescence bleue devient plus faible ; la fluorescence des N-CDs est récupérée lorsque la température est diminuée à 25 °C. En tant que thermo-imagerie in vivo, les images fluorescentes de souris ont été collectées immédiatement après injection de N-CDs à différentes températures. En fixant l'intensité de fluorescence à 28 °C comme référence (I₀), I/I₀ de la zone où les CDs ont été injectés varie de 1,0 à 0,87 avec l'augmentation de la température de 28 à 34 °C. Avec une augmentation supplémentaire de la température à 43 °C, I/I₀ diminue à 0,52 et la fluorescence devient presque indétectable. Et I/I₀ peut être réversiblement amélioré de 0,66 à 1,0 avec la diminution de la température de 39 à 28 °C. Tous ces résultats indiquaient que les N-CDs pouvaient être utilisés comme nanothermomètre in vitro et in vivo efficace.

Dans une expérience exploratoire, Kalytchuk et al. ont testé la capacité des CDs pour la surveillance de la température intracellulaire dans des cellules de cancer du col de l'utérus HeLa humaines. Les courbes de décroissance PL des CDs à chaque température étaient hautement reproductibles et pouvaient être ajustées avec une fonction mono-exponentielle à toutes les températures enregistrées. Ils ont pu confirmer que le signal PL dans ces mesures de durée de vie PL provenait exclusivement des CDs pour une concentration de CDs ≥ 100 μg/mL. La température intracellulaire dans chaque mesure a été déterminée à partir de la courbe d'étalonnage entre les durées de vie PL alors que la température augmente de 2 à 80 °C. Les températures déterminées de cette manière (Tₘₑₐₛ) sont tracées en fonction de la durée de vie PL. Indépendamment, la température de la solution cellulaire a été déterminée à l'aide d'un thermomètre de référence étalonné. Les températures rapportées par la sonde CD luminescente et le détecteur de référence sont en bon accord. Ces résultats montrent que la durée de vie PL de nanasondes basées sur les CDs peut être utilisée de manière fiable pour mesurer les températures intracellulaires.

Pour évaluer davantage le potentiel de nanasondes thermiques luminescentes à base de CDs pour la surveillance de température à long terme en temps réel, des profils de décroissance PL de cellules HeLa incubées avec des CDs (500 μg/mL) toutes les 15 min pendant 24 h ont été enregistrés. Les durées de vie PL extraites des valeurs de décroissance PL mesurées pendant cette période ont ensuite été tracées en fonction du temps. En utilisant ces résultats, la variation de température au fil du temps a été calculée à l'aide de la courbe d'étalonnage. De plus, la température de l'échantillon à chaque point de mesure a été déterminée à l'aide d'un thermomètre de référence avec une reproductibilité de température de 60 mK. La température déterminée avec le thermomètre de référence montre qu'il y avait un excellent accord entre les températures mesurées et de référence. La haute précision des mesures de température basées sur PL est encore démontrée par l'analyse statistique des différences entre les températures mesurées et réelles (de référence). En utilisant ces données, la précision absolue moyenne de la détection de température par la méthode présentée a été calculée à 0,27 °C. Cette expérience confirme le potentiel de sondes thermiques basées sur les CDs dans les systèmes biologiques.

Macairan et al. ont montré que les CDs préparés peuvent être utilisés pour la détection thermique à l'intérieur des cellules en utilisant des approches intensimétriques et ratiométriques. Des cellules HeLa traitées avec des CDs ont été laissées s'équilibrer à 32, 37 et 42 °C. L'excitation à 640 nm a été utilisée pour surveiller sélectivement la fluorescence rouge des CDs dans les cellules. Les changements thermiques pourraient être dus à des changements de concentration intracellulaire ou ne pas corréler avec un changement d'intensité. Ainsi, se fier simplement aux changements d'intensité de fluorescence conduit à une détection thermique intracellulaire précise.

En revanche, ces limitations sont exclues en utilisant l'approche ratiométrique. Les CDs maintiennent une double fluorescence bleue et rouge dans les cellules après excitation à 405 nm, comme observé précédemment pour les dispersions colloïdales. Le rapport rouge/bleu augmente avec l'augmentation de la température, avec des valeurs de 1,8 à 32 °C, 2,0 à 37 °C et 2,3 à 42 °C. La relation ratiométrique de l'émission rouge/bleue des CDs met en évidence l'avantage de la détection de température ratiométrique dans le développement de sondes nano-thermométriques fluorescentes. Le rapport d'émission rouge/bleu relatif reste inchangé, quelle que soit la quantité de CDs absorbée par les cellules, qui peut être affectée par divers facteurs tels que la confluence et n'est pas dépendante de la concentration. Enfin, les CDs ont montré une réversibilité de fluorescence par rapport aux changements de température intracellulaire. Après incubation dans des cellules HeLa, ils ont été soumis à un cycle de chauffage/refroidissement de 32/42/32 °C. Cela souligne la robustesse du nanothermomètre CD proposé et ces résultats démontrent davantage la réversibilité de la fluorescence.

La microscopie confocale à balayage laser a été utilisée pour l'imagerie thermique de cellules de cancer du côlon HT-29 en utilisant des CDs dopés N, S et I. Les points fluorescents étaient dépendants de la température, le plus intense étant à 15 °C, tandis que le point le plus faible était à 35 °C. Intéressant, les points fluorescents étaient réversibles, et les points étaient très photostables après 20 min d'excitation continue. Shin et al. ont également utilisé la microscopie confocale à balayage laser pour des cellules HeLa.

Li et al. ont préparé un nanocomposé composé de MnOx-CDs à utiliser comme nanofluorophore thermoréactif pour les environnements biologiques. Des cellules HepG2 ont été incubées avec des MnOx-CDs à différentes températures de culture. Comme illustré par la microscopie confocale à balayage laser (excitées à 405 nm), la luminescence bleue des MnOx-CDs dans les cellules HepG2 est faible lorsque la température environnementale était de 40 °C, et la luminescence bleue des MnOx-CDs dans les cellules HepG2 s'améliore à mesure que la température diminue à 30 °C, voire à 20 °C. En raison des propriétés thermoréactives, les MnOx-CDs synthétisés peuvent être facilement appliqués dans les domaines biomédicaux comme le bioimagerie et la thérapie photothermique dans le traitement du cancer.

Conclusions et Perspectives Futures

Les nanodots de carbone présentent des propriétés uniques à exploiter pour la nanothermométrie, telles que la sensibilité thermique, le faible coût et la photostabilité. La modification de surface flexible et la préparation aisée ouvriront la voie à l'établissement d'un nombre énorme de nanomatériaux thermosensibles pour une variété d'applications. Les tendances globales dans les nanomatériaux de détection thermique visent à améliorer la photostabilité et la résolution thermique en utilisant des matériaux peu coûteux et sûrs. Les CDs peuvent être classés comme une nouvelle génération de thermomètre qui peut répondre à ces exigences et être utilisés pour des applications de thermométrie biomédicale, telles que la surveillance de température pendant le traitement par hyperthermie. Les protocoles de préparation faciles, la biocompatibilité et la fonctionnalisation aisée des CDs sont des critères prometteurs qui font des CDs des matériaux alternatifs de nanothermomètres de prochaine génération. Plus d'efforts sont nécessaires pour promouvoir la recherche fondamentale dans ce domaine. Les limitations doivent être surmontées pour produire des nanothermomètres à base de points de carbone comprenant l'amélioration de la sensibilité thermique et le fonctionnement dans une plage de température plus large. Une meilleure compréhension du mécanisme de détection thermique par fluorescence est un autre enjeu clé pour pouvoir concevoir et manipuler la structure des CDs et améliorer la résolution thermique. Plus d'expériences et de modélisation théorique sont nécessaires pour comprendre la corrélation entre les méthodes de fabrication des CDs et leur comportement thermique.