Ultrafast hybrid nanocomposite scintillators: A review

In recent years, demand for scintillation detectors with high time resolution (better than 100 ps) has emerged in high-energy physics and medical imaging applications. In particular, time of flight positron emission tomography (TOF-PET) can greatly benefit from increasing time resolution of scintillators, which leads to the increase of signal-to-noise ratio, decrease of patient dose, and achievement of the superior spatial resolution of PET images. Currently, extensive research of various types of materials is carried out to achieve the best time resolution. In this review, the recent progress of various approaches is summarized and scintillation compounds with the best temporal characteristics are first reviewed. The review presents the physical processes causing fast luminescence in inorganic and organic materials. Special attention is paid to nanocomposites which belong to a new perspective class of scintillating materials, consisting of a plastic matrix, inorganic nanocrystalline fillers, and organic or inorganic luminescence activators and shifters. The main features and functions of all parts of existing and prospective nanocomposite scintillators are also discussed. A number of currently created and investigated nanocomposite materials with various compounds and structures are reviewed. © 2021 Elsevier B.V.Eesti Teadusagentuur, ETAg: PRG111, PRG629; European Regional Development Fund, ERDF: 2014-2020.4.01.15–0011, TK141Authors thank Minobrnauki project FEUZ-2020-0059 and Estonian Research Council (grants PRG629 and PRG111 ) for financial support. Authors are also grateful for partial support from the European Regional Development Fund (DoRA Pluss program) and the ERDF funding in Estonia granted to the Center of Excellence TK141 “ Advanced materials and high-technology devices for sustainable energetics, sensorics and nanoelectronics ” (project No. 2014-2020.4.01.15–0011 )

Modern microwave methods in solid state inorganic materials chemistry: from fundamentals to manufacturing

No abstract available

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ НАНОЧАСТИЦ LaF3, ДОПИРОВАННЫХ Nd3+, ДЛЯ БИОИМИДЖИНГА В БЛИЖНЕМ ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ ПО АП-КОНВЕРСИОННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ПРИ МИКРОСКОПИИ С МУЛЬТИФОТОННЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Recent developments in the field of biophotonics facilitate the raise of interest to inorganic nanoparticles (NPs) doped with Nd3+ ions, because of their near-infrared (NIR) absorption. These NPs are interesting bioimaging probes for deep tissue visualization, while they can also act as local thermometers in biological tissues. Despite the good possibilities for visualization of NPs with Nd3+ ions in NIR spectral range, difficulties arise when studying the cellular uptake of these NPs using commercially available fluorescence microscopy systems, since the selection of suitable luminescence detectors is limited. However, Nd3+ ions are able to convert NIR radiation into visible light, showing upconversion properties. In this paper we found optimal parameters to excite upconversion luminescence of Nd3++:LaF NPs in living cells and to compare the distribution of the NPs inside the cell culture of human macrophages THP-1 obtained by two methods. Firstly, by detecting the upconversion luminescence of the NPs inVIS under NIR multiphoton excitation using laser scanning confocal microscopy and secondly, using transmission electron microscopy.Последние разработки в области биофотоники способствуют повышению интереса к неорганическим наночастицам (НЧ), допированным ионами Nd3+, из-за их поглощения в ближнем инфракрасном (БИК) спектральном диапазоне. Эти НЧ являются перспективными зондами для глубокой визуализации тканей, в то же время они могут служить локальными термометрами в биологических тканях. Несмотря на хорошие возможности визуализации НЧ с ионами Nd3+ в БИК спектральном диапазоне, при изучении внутриклеточного распределения этих НЧ с использованием коммерчески доступных флуоресцентных микроскопических систем возникают трудности из-за ограниченности выбора подходящих детекторов люминесценции. Однако, ионы Nd3+ способны преобразовывать БИК излучение в видимый свет, демонстрируя ап-конверсионные свойства. В этой работе мы определили оптимальные параметры для возбуждения ап-конверсионной люминесценции НЧ Nd3+: LaF в живых клетках и сравнили распределение НЧ внутри клеток культуры человеческих макрофагов THP-1, полученное двумя методами. Во-первых, путем регистрации ап-конверсионной люминесценции НЧ в видимом диапазоне при многофотонном возбуждении в БИК диапазоне спектра с использованием лазерной сканирующей конфокальной микроскопии и, во-вторых, с использованием просвечивающей электронной микроскопии

НЕИНВАЗИВНАЯ ОЦЕНКА ЛОКАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА БИОТКАНЕЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПО СПЕКТРАМ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ИОНОВ Nd3+

Laser hyperthermia is one of the promising methods for treatment of oncological diseases. For routine clinical use of hyperthermia, it is necessary to control the uniformity and localization of heat within the tumor. Local heating can be achieved by using special thermal agents, such as nanoparticles doped with rare-earth ions. Measurement of the temperature of the thermal agents will allow timely regulation of the applied laser radiation excitation power and optimization of the hyperthermia process.The paper presents the results of a study on the non-invasive determination of the YPO4 nanoparticles doped with Nd3+ temperature with sensitivity of 0.2% °С-1 in 30-60°С temperature range. The temperature of the nanoparticles was calculated from the Nd3+ luminescence spectra in the 800-1000 nm range under excitation into 4F5/2 energy state by 805 nm laser. A calibration procedure for recalculating the ratio of the luminescence intensities from the Stark sublevels of the 4F3/2 Nd3+ state into the values of the real NP temperature in accordance with the Boltzmann distribution is given. An algorithm for calculating luminescence intensities for individual Stark components is proposed. After calculating the intensities corresponding to each individual Stark component, all the intensities related to the transition from the upper and lower Stark sublevels of the 4F3/2 state are summed, and then their ratio is calculated. The resulting ratio is normalized to the value of the ratio at room temperature and, in accordance with the calibration dependence, is recalculated into the NP heating temperature. It was demonstrated that the investigated 1%Nd3+:YPO4 nanoparticles can be used as "primary” thermometers that do not require additional recalibration to evaluate the temperature in the range used for hyperthermia.Одним из перспективных методов лечения онкологических заболеваний является метод лазерной гипертермии. Для рутинного клинического использования гипертермии необходимо контролировать однородность и локальность нагрева внутри опухоли. Добиться локального нагрева можно при использовании специальных термоагентов, в качестве которых могут выступать наночастицы (НЧ), допированные редкоземельными ионами. Измерение температуры термоагентов в режиме реального времени позволит своевременно регулировать подаваемую возбуждающую мощность лазерного излучения и оптимизировать режимы гипертермии.В работе представлены результаты исследования по неинвазивному определению температуры НЧ YPO4, допированных ионами Nd3+, c чувствительностью 0,2% °С-1 в диапазоне температур 30-60°С. Температура НЧ рассчитывалась по спектрам люминесценции Nd3+ в диапазоне 800-1000 нм при возбуждении на уровень 4F5/2 лазерным излучением 805 нм. Приведена процедура калибровки для пересчета отношения интенсивностей люминесценции со штарковских подуровней состояния 4F3/2 Nd3+ в значения реальной температуры НЧ в соответствии с распределением Больцмана. Предложен алгоритм расчета интенсивностей люминесценции для отдельных штарковских компонент. После вычисления интенсивностей, соответствующих каждой отдельной штарковской компоненте, происходит суммирование всех интенсивностей, относящихся к переходу с верхнего и с нижнего штарковских подуровней состояния 4F3/2, а затем вычисляется их отношение. Полученное отношение нормируется на значение отношения при комнатной температуре и в соответствии с калибровочной зависимостью пересчитывается в температуру нагрева НЧ. Продемонстрировано, что исследуемые НЧ Nd3+:YPO4 могут быть использованы в качестве так называемых «первичных» термометров, не требующих дополнительной перекалибровки для оценки температуры в диапазоне температур, используемом при гипертермии

Intrinsic and impurity luminescence of rare earth ions doped KYF4F_4 nanophosphors

The KYF4 nanopowders, non-doped and doped with Ce3+ or Tb3+, having well-crystallized, unaggregated, monodisperse (±15%) nanoparticles with the cubic (the size in the range from ∼15 to ∼30 nm) or hexagonal (from ∼30 to ∼50 nm) crystal structure have been successfully synthesized by microwave-hydrothermal treatment of as-precipitated gels. In KYF4 hexagonal nanopowders an intense STE-type luminescence at ∼4.4 eV was observed which is not quenched at room temperature. In contrast to single crystals or cubic nanopowders, in KYF4 hexagonal nanopowders doped with Ce3+ or Tb3+, a rather efficient energy transfer is observed from the host to Ce3+ or Tb3+ ions, respectively, because of overlapping the emission spectrum of STE-type luminescence and the spectrum of efficient absorption on 4f-5d transitions in Ce3+ or Tb3+

Nanosecond fluctuation kinetics of luminescence hopping quenching originated from the 5d1\mathrm{5d^{1}} level in the Ce3+:YPO4⋅0.8H2O\mathrm{Ce^{3+}:YPO_{4}·0.8H_{2}O} nanocrystals

We study the nanosecond energy transfer kinetics detected at dipole allowed 5d1–4f1 transition and originated from the lowest 2Γ1 level of the Ce3+ ions doped into the rhabdophane-type YPO4·0.8H2O nanocrystals synthesized by microwave hydrothermal treatment. We show that the luminescence quenching in the nanocrystals is determined by two processes depending on Ce3+ (energy donor) concentration at constant OH− (energy acceptors) concentration. At 0.2 mol% Ce3+ the luminescence quenching is mainly determined by direct (static) quenching caused by vibrations of OH− groups. At 2.0 mol% Ce3+ the quenching accelerates due to energy migration from the Ce3+ ions with poor acceptor surrounding to the Ce3+ ions with the nearby OH− acceptors. In the latter case we observe fluctuation kinetics of the luminescence impurity hopping quenching starting immediately after static ordered stage of the decay kinetics. We obtain that for dipole allowed the 5d–4f transition in the Ce3+ donor the CDD microparameter of the Ce3+–Ce3+ energy migration and CDA microparameter of Ce3+–OH− energy transfer are in strong correlation with the higher spontaneous emission rate for dipole allowed transition in Ce3+ comparing to dipole forbidden transition in Nd3+