Elaboration de nanoparticules à  luminescence persistante pour l'imagerie optique dans le domaine du visible et du proche infrarouge

Development of persistent luminescent nanoparticles for optical imaging in the deep red and near infrared range

• Auteur / Autrice : Morgane Pellerin
• Direction : Corinne Chanéac, Bruno Viana
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 12/12/2017
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie de la matière condensée de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Geneviève Chadeyron, Franck Fayon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sandrine Perruchas, Christophe Dujardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Luminescence

Nanoparticules

Spectroscopie infrarouge proche

Mots clés libres

Nanoparticules

Luminescence persistante

Imagerie optique

ZnGa2O4

Proche infrarouge

Dopage Cr3+ et Ni2+

Persistent luminescence

Optical imaging

Near infrared

Résumé

Cette thèse porte sur l'élaboration de nanoparticules (NPs) à luminescence persistante pour l'imagerie optique dans le domaine du rouge profond et du proche infrarouge. Leur utilisation présente un avantage indéniable, l'étape d'irradiation pour obtenir l'état excité pouvant être réalisée avant injection, il est possible d'éviter tout stress des tissus et autres phénomènes d'autofluorescence. Dans les compositions chimiques étudiées, elles sont par ailleurs ré-excitables in vivo. Nous présentons une synthèse originale pour l'élaboration de " petites " NPs de ZnGa2O4 :Cr3+ par voie hydrothermale assistée par chauffage micro-onde qui peut être suivi d'un traitement thermique. Les caractérisations avancées des propriétés de luminescence persistante et la structure fine du matériau a montré une corrélation directe entre la luminescence et l'ordre local des cations dans la structure (répartition et distorsion des sites cationiques). Ainsi, nous avons montré l'effet bénéfique d'une calcination sans frittage sur l'amélioration des propriétés de luminescence. Nous avons également mis en évidence le gain apporté par l'ajout d'un codopant comme l'ion Bi3+ ou la modification de la matrice avec la substitution d'une partie des ions Ga3+ par des ions Ge4+. Les limites d'optimisation de ce matériau étant atteinte, une toute nouvelle voie a été ouverte dans cette thématique en dopant la matrice avec des ions Ni2+ pour déplacer la luminescence persistante dans le domaine du proche infrarouge. L'exploitation de cette nouvelle fenêtre pour l'imagerie optique devrait permettre d'imager plus profond dans les tissus avec un meilleur rapport signal/bruit.

This thesis aims to develop persistent luminescent nanoparticles (NPs) for optical imaging in the deep red and near infrared range. Their use has a clear advantage as the irradiation step can be performed before injection, avoiding tissue stress and other autofluorescence phenomena. The chemical compositions studied are also re-excitable in vivo. We propose an original way of synthesis for the elaboration of “small” ZnGa2O4:Cr3+ NPs. Hydrothermal synthesis assisted by microwave heating followed by a heat treatment is used to obtain the NPs. The extensive characterization of the persistent luminescence properties and of the material’s fine structure showed a direct correlation between luminescence and local cation order in the structure (distribution and distortion of cationic sites). Thus, we have shown the benefits of a heat treatment without sintering on the improvement of luminescence properties. We have also highlighted the enhancement provided by the addition of a codopant such as Bi3+ ions or the modification of the matrix by substituting a part of Ga3+ ions by Ge4+ ions. The optimization limits of this material being reached, doping the matrix with Ni2+ ions to move the persistent luminescence in the near infrared range, opens a new pathway in this research field. Exploiting this new window for optical imaging should allow imaging deeper into tissue with a better signal-to-noise ratio.