Pontos de carbono como materiais de nova geração para nanotermômetro:Revisão

Resumo

A detecção de temperatura de modo sem contato altamente sensível é importante para estudar reações químicas fundamentais, processos biológicos e aplicações em diagnósticos médicos. Termômetros baseados em nanoescala garantem sondas não invasivas para detecção de temperatura sensível e precisa com resolução subcelular. Sensores de temperatura baseados em fluorescência têm mostrado grande capacidade, uma vez que operam no modo “sem contato” e oferecem as funções duplas de imagem celular e detecção de temperatura em nível molecular. Avanços em nanomateriais e nanotecnologia levaram ao desenvolvimento de novos sensores, como nanotermômetros (novos materiais de detecção de temperatura com alta resolução espacial em nanoescala). Esses nanotermômetros foram desenvolvidos usando diferentes plataformas, como proteínas fluorescentes, compostos orgânicos, nanopartículas de metal, nanopartículas dopadas com terras raras e pontos quânticos semicondutores. Os pontos de carbono (CDs) têm atraído interesse em muitos campos de pesquisa por causa de propriedades excelentes, como forte fluorescência, resistência ao fotobranqueamento, estabilidade química, precursores de baixo custo, baixa toxicidade e biocompatibilidade. Relatórios recentes mostraram o comportamento de sensoriamento térmico de alguns CDs, o que os torna uma alternativa a outros termômetros baseados em nanomateriais. Este tipo de termômetro baseado em luminescência é promissor para sensoriamento de temperatura em nanocavidades e mapeamento térmico para compreender melhor os processos biológicos. Com os CDs ainda em seus estágios iniciais como material baseado em nanoescala para sensoriamento térmico, nesta revisão, fornecemos uma compreensão abrangente deste novo nanotermômetro, métodos de funcionalização para aumentar a sensibilidade e resolução térmicas e o mecanismo do comportamento do sensor térmico.

Introdução

A temperatura é uma variável termodinâmica fundamental que tem uma influência notável nos sistemas biológicos e químicos. Por conta de sua ampla gama de aplicações, quase em todos os campos das ciências naturais, engenharia, agricultura e ciências médicas, a determinação precisa da temperatura é de grande importância [1, 2]. Em aplicações médicas, a termometria é usada para a detecção precoce de várias doenças, como acidente vascular cerebral, câncer ou inflamações, um dos quais sintomas incipientes é o surgimento de peculiaridades localizadas de temperatura.

Na história, as primeiras estimativas de temperatura baseavam-se em sensações ou observações. Nos tempos antigos, 200–10 aC, experimentos pneumáticos (expansão do ar pelo calor) são as referências mais antigas reconhecidas de aparelhos utilizados para medições quantitativas de calor. Entre os escritos mais primitivos relacionados ao ar expandido pelo calor, são creditados os trabalhos de autoria de Filo de Bizâncio e Herói (ou Garça) de Alexandria sobre experimentos pneumáticos [3]. Mais tarde, entre os anos de 1592 a 1603, Galileo Galilei inventou um termoscópio fazendo experiências com a expansão do ar pelo calor por meio da construção de um aparelho simples usando um tubo de ar preso acima de uma coluna de água. Seguindo Galileu, o italiano Santorio é credenciado primeiro por integrar este aparelho simples em exames médicos de febre. O primeiro termômetro de líquido em vidro totalmente selado, tubo de vidro cheio de álcool, foi montado por Ferdinand II no ano de 1641. Ele foi capaz de medir a temperatura sem a ajuda da pressão barométrica, ao contrário do termoscópio aberto de Galileu e Santorio. O trabalho prático de Fahrenheit em termometria surgiu em 1706; ele começou com álcool, mas posteriormente se tornou lendário por seus termômetros de mercúrio. O reconhecimento da escala centesimal de temperatura foi dado a Anders Celsius, que em 1742 projetou uma escala com zero para a temperatura da água fervente e 100 para a temperatura do congelamento da água. Experimentos eletrônicos realizados no século XIX, quando Thomas Johann Seebeck considerou o conceito de termoeletricidade. Em uma sucessão de experimentos conduzidos entre os anos 1820 e 1823, ele verificou o potencial elétrico nos pontos de junção de dois metais diferentes quando há diferença de calor entre as juntas. Posteriormente, foi conhecido como Efeito Seebeck e serve como origem do termopar, considerado a medida mais precisa de temperatura [3,4,5,6,7]. A linha do tempo esquemática do termômetro é mostrada na Fig. 1.

Esquema de cronograma para a evolução de termômetros

Os termômetros convencionais podem ser categorizados em:

1. 1.
   Termômetros de vidro com enchimento de líquido baseados na expansão térmica de materiais
   
2. 2.
   Termopares com base no efeito Seebeck
   
3. 3.
   Sensores ópticos [8]
   

Além disso, eles podem ser classificados como termômetros de contato ou sem contato. O modo de contato, incluindo vidro clássico com líquido, termopares, termistores e detectores de temperatura por resistência (RTDs), todos requerem cabeamento elétrico e um contato direto entre o termômetro e o substrato. Este modo não é apropriado para aplicações nas quais o ruído eletromagnético é forte, as faíscas podem ser perigosas, o ambiente é destrutivo ou as peças se movem rapidamente. Além disso, os termômetros tradicionais não são capazes de fazer medições quando a resolução espacial cai para a escala sub-mícron, por exemplo, em variações de temperatura intracelular e mapeamento de temperatura de microcircuitos e microfluídicos [9]. Da mesma forma, as aplicações de engenharia necessitam de estratégias termossensíveis avançadas para regiões miniaturizadas e ambientes difíceis [10]. Assim, para domínios em nanoescala, deve-se pensar em outras abordagens e materiais.

A nova termometria sem contato pode superar os problemas mencionados. Por exemplo, termossensores ópticos (termômetros moleculares) são uma geração mais recente de ferramentas analíticas que consiste em classes moleculares que usam a medição da luz emitida para extrair a temperatura [11, 12]. As sondas fluorescentes sensíveis à temperatura oferecem uma área promissora para termometria em aplicações de nanossistemas. As informações de temperatura podem ser extraídas com base em sua intensidade de fluorescência, formato de banda, deslocamento de Stokes ou tempo de vida de decaimento e podem relacionar a temperatura se devidamente calibrados [13, 14].

Os termômetros moleculares têm grande potencial para diagnosticar células doentes ou cancerígenas, que apresentam temperaturas fisiológicas variáveis ​​em relação às células comuns. Nas aplicações médicas, as possibilidades variam desde o controle induzido pela temperatura da expressão gênica [15] e do metabolismo celular [16] até a penetração celular seletiva e tratamento de doenças [17] e melhoria da dissipação de calor de fontes integradas de calor [18] . Recentemente, nanomateriais como semicondutores [19], poliméricos [10] e nanopartículas metálicas [20] têm sido usados ​​como sensores térmicos (nanotermômetro) que apresentam resolução térmica submícron.

Termômetros que podem resolver sub-graus de temperatura em uma ampla gama de temperaturas que também podem se integrar aos sistemas vivos podem oferecer uma nova ferramenta influente em inúmeras áreas da pesquisa biológica, física e química. Portanto, nesta revisão, nos concentramos em uma “nova geração” ou uma “nova classe” de nanotermômetro que é baseado em nanomateriais de carbono (materiais carbonáceos). Até onde sabemos, não há nenhum artigo de revisão relatado sobre pontos de carbono como nanotermômetro. Recentemente, os pontos de carbono (pontos quânticos de carbono, pontos quânticos de grafeno), juntamente com suas características únicas, mostraram propriedades térmicas sensíveis que os tornam excelentes candidatos para comportamento termométrico no domínio da nanoescala. Aqui, as definições, vantagens e mecanismos do comportamento de sensoriamento térmico de pontos de carbono são revisados. Por fim, são apresentadas as perspectivas futuras desta nova classe de materiais térmicos.

Nanotermometria

O que se entende por "nanotermometria" é o uso de materiais termossensíveis em nanoescala para fornecer informações de temperatura sobre o ambiente local da região em nano ou microescala [21, 22]. As sondas térmicas baseadas em nanopartículas têm grande capacidade em um amplo espectro de aplicações de detecção, e vários dos chamados “nanotermômetros” progressivos foram relatados recentemente. Além disso, diferentes tipos de nanomateriais convencionais foram relatados como tendo propriedades luminescentes termossensíveis, como polímeros [23, 24], nanocristais [25], nanopartículas dopadas com terras raras [26, 27] e nanopartículas de metal [28].

Assim, nanotermosensores são termômetros precisos não invasivos, sem contato e que trabalham em nanoescala com resolução de alta sensibilidade [9]. O sensoriamento térmico utilizando nanomateriais pode ser obtido através da manipulação de suas propriedades ópticas. A nanotermometria de fluorescência pode ser classificada em várias classes, dependendo do parâmetro preciso a partir do qual a medição térmica é derivada envolvendo intensidade do sinal, forma da banda, tempos de vida de fluorescência, deslocamento de banda, polarização do comprimento de onda de excitação e deslocamento espectral. No primeiro caso, a fluorescência muda com diferentes temperaturas e pode ser detectada como um aumento (ou diminuição) absoluto no sinal [9, 29,30,31].

Nanotermometria de luminescência sem contato, que usa nanomateriais luminescentes com emissões dependentes da temperatura, é predominantemente apropriada para aplicações biológicas [32, 33]. Esses nanomateriais luminescentes incluem polímeros fluorescentes [24], nanopartículas metálicas [34], nanopartículas dopadas com terras raras [35] e nanodiamantes [36] que possuem uma propriedade termo-sensível na faixa fisiológica. Esses trabalhos pioneiros foram capazes de fornecer a temperatura média para células individuais. Sondas luminescentes dependentes da temperatura com base em corantes orgânicos (por exemplo, Rodamina 6G) e polímeros (por exemplo, poli ( N -isopropil acrilamida)) geralmente exibem baixa fotoestabilidade e pronunciada sensibilidade cruzada ao oxigênio, o que é indesejável para o trabalho com células vivas [8]. Além disso, existe uma forte dependência do pH na vida útil do fluoróforo, o que torna difícil o seu uso sem o controle preciso do pH do ambiente que está sendo pesquisado [37].

Outra classe de nanotermômetros baseada em nanocristais semicondutores puros e dopados foi relatada, com candidatos mais proeminentes, como CdSe, ZnS, InP ou PbSe [19, 38,39,40]. Os pontos quânticos semicondutores (SQDs) são candidatos para termômetros em nanoescala, pois possuem alto rendimento quântico, longa vida útil antes do fotodegradação e biocompatibilidade adequada após a modificação de superfície adequada. Além disso, eles podem ser facilmente conjugados a proteínas e DNA para detecção e geração de imagens [41]. O desafio excepcional enfrentado por este tipo de termômetros luminescentes é o reconhecimento associado de brilho, fotoestabilidade, sensibilidade e precisão em T =20–40 ° C ao sondar microambientes subcelulares. SQDs foram extensivamente revisados ​​em termos de síntese, propriedades físico-químicas, luminescência, bem como suas aplicações potenciais. Aqui, dirigimos a atenção do leitor para essas numerosas revisões notáveis ​​[42,43,44,45,46]. Em comparação com os corantes orgânicos, os SQDs exibem brilho superior para detecção, um perfil de excitação mais amplo para multiplexação e melhor fotoestabilidade para estudos de longo prazo. Além disso, os SQDs como sensores de temperatura são resistentes ao pH e outras variações ambientais que devem prevalecer dentro de uma célula [47].

Geralmente, em SQDs devido a uma combinação de diferentes processos, um aumento na temperatura produz uma diminuição na intensidade da fluorescência (extinção), que é acompanhada por um deslocamento espectral. Esta mudança pode ser considerada linear na faixa biofísica. A magnitude de ambos os efeitos (extinção de luminescência e deslocamento espectral) depende fortemente do material que constitui os QDs e de seu tamanho [48].

Cada grupo de nanomateriais luminescentes tem limitações de uso, juntamente com suas vantagens. Conforme descrito acima, SQDs são mais favorecidos do que polímeros fluorescentes e corantes orgânicos. Os SQDs são bons em termos de fotoestabilidade, eficiência quântica e fluorescência ajustável, mas os QDs não podem ser usados ​​para rastrear uma única molécula para monitoramento de longo prazo por causa de seu piscar intrínseco [49]. Além disso, a principal armadilha dos QDs é sua toxicidade, que se deve ao seu conteúdo de metais pesados, incluindo metais como o cádmio; isso limita suas aplicações biológicas e ambientais. Além disso, a disponibilidade de elementos precursores na natureza é relativamente baixa e, portanto, SQDs são considerados caros [50].

Pontos de carbono como nanotermômetros

A fim de superar problemas que surgiram de nanotermômetros não baseados em carbono (como explicamos na seção anterior), nanomateriais baseados em carbono foram preparados e exibiram propriedades únicas, como baixa toxicidade, preparação fácil, precursor de baixo custo, fotoestabilidade e biocompatibilidade. Esses nanomateriais à base de carbono mostraram propriedades de sensoriamento térmico sensíveis. Além disso, a melhoria das nanopartículas livres de metal é importante e urgente devido ao risco ambiental para aplicações biológicas de tais materiais tóxicos [51, 52]. Entre a família de nanomateriais à base de carbono, nanodiamantes fluorescentes foram relatados pela primeira vez como nanotermômetros [53]. Nanodiamantes fluorescentes possuem biocompatibilidade intrínseca resultante de sua superfície quimicamente robusta e inerte [54]. Outros nanodiamantes foram recentemente usados ​​para detecção térmica intracelular com precisão de grau inferior [55, 56]. A sensibilidade térmica desses nanodiamantes é baseada nos chamados centros de cores com ausência de nitrogênio, que são defeitos pontuais que consistem em um átomo de nitrogênio substituindo um átomo de carbono da rede e um local próximo da rede vazia [48, 57]. O centro de vacância de nitrogênio de nanodiamantes fluorescentes é estudado extensivamente e tem sido bem caracterizado por sua fotofísica, bem como seu uso em aplicações biológicas [58]. O princípio de funcionamento da termometria baseada em vacância de nitrogênio depende da medição precisa desse centro de cor, que pode ser detectado opticamente com alta resolução espacial [30, 59]. No entanto, a baixa eficiência de fluorescência e baixa controlabilidade impedem a aplicação de nanodiamantes fluorescentes tremendamente [36].

Uma das classes mais novas da família de nanomateriais à base de carbono são os pontos de carbono altamente luminescentes (CDs), que têm excepcional fotoluminescência brilhante, estabilidade fotoquímica, solubilidade em água, grande biocompatibilidade e não toxicidade [60,61,62]. Os CDs são nanopartículas com dimensão zero e em forma de esfera, com diâmetros menores que 10 nm [63, 64]. Várias abordagens foram aplicadas para preparar diversos tipos de CDs, por exemplo, ablação a laser [65], solvotérmico [66], síntese hidrotérmica [67], auxiliado por microondas [68], descarga de arco [69], oxidação ácida [70], e mais abordagens químicas e físicas [71, 72]. Além disso, os CDs exibem uma perspectiva desejável para várias aplicações, como imagem biológica [73], química e biossensor [74,75,76,77], entrega de droga direcionada [78], análise farmacêutica [79] e catálise [80, 81]. Os pontos de carbono foram amplamente revisados ​​em termos de síntese, propriedades físico-químicas, bem como suas aplicações potenciais. Aqui, referimos o leitor às inúmeras boas análises sobre pontos de carbono [72, 82,83,84,85,86,87,88].

Nos últimos anos, os CDs fluorescentes como sensores de temperatura têm atraído muita atenção dos pesquisadores. Em princípio, alguns requisitos são necessários para a medição de temperatura eficaz, como os nanopontos de carbono devem exibir variação apreciável em sua fotoluminescência ao longo da faixa de temperaturas relevantes [89]. A fotoestabilidade, estabilidade do pH e prazo de validade são outros requisitos que devem ser levados em consideração para a aplicação prática.

Os CDs são alternativas promissoras para os pontos quânticos de semicondutores convencionais (SQDs). Comparados com os QDs, os CDs apresentam muitas vantagens notáveis, como baixo custo, baixa toxicidade e suas propriedades ópticas / químicas robustas exclusivas [90]. Além disso, os CDs mostram muito menos fotodegradação. Em comparação com outras matérias-primas fluorescentes, os CDs são produzidos a partir de fontes de carbono baratas e abundantes na natureza [91]. Além disso, existem vários métodos simples para modificar e funcionalizar o estado da superfície dos CDs, que permitem ajustar a solubilidade, estabilidade, propriedades físico-químicas e rendimentos quânticos dos CDs de acordo com seus requisitos experimentais [49, 92, 93].

Na literatura, há um número escasso de artigos relatados de pontos de carbono com fluorescência dependente da temperatura e são mostrados na Tabela 1.

Yu et al. [51] em 2012 foram os primeiros a investigar a fluorescência dependente da temperatura em nanopontos de carbono e compará-los com semicondutores e nanopartículas baseadas em metal. Eles dependiam da medição do tempo de vida da fotoluminescência dependente da temperatura por meio da técnica de contagem de fóton único correlacionada com o tempo (TCSPC). A dinâmica de relaxamento da fotoluminescência torna-se mais rápida em altas temperaturas (Fig. 2a), o que pode ser atribuído aos processos de decaimento não radiativo. A medição do espectro de fluorescência do filme de CD em função da temperatura criogênica até a temperatura ambiente foi realizada (Fig. 2b). Com o aumento da temperatura, a intensidade da fluorescência exibe uma diminuição repetitiva.

a Medidas de fotoluminescência resolvidas no tempo em função da temperatura. b Espectros de fluorescência de filmes de CD em função da temperatura. c Espectro de fluorescência em 300 K ajustado por uma função de dois gaussianos. d A largura de banda da fluorescência em função da temperatura. (Reproduzido com permissão da referência [51])

O espectro de PL exibe picos assimétricos, portanto, os espectros de PL em cada temperatura podem ser bem ajustados por uma função de dois gaussianos mostrada na Fig. 2c. A banda de alta energia, banda I; a banda de baixa energia, banda II (Fig. 2d).

Além disso, o gap de energia (largura de banda) da fluorescência foi inspecionado em função da temperatura (Fig. 2d). A largura de banda total é pronunciada por independente da temperatura (espalhamento elétron-elétron) e dependente da temperatura (espalhamento elétron-fônon e espalhamento de superfície / defeito). A largura de banda da banda I e da banda II é independente da temperatura, o que especifica que o espalhamento elétron-elétron domina nos CDs.

Portanto, o fraco efeito da temperatura em CDs está de acordo com o fato de que o principal mecanismo de interação envolve interações elétron-elétron ao invés do acoplamento elétron-fônon. Além disso, uma banda larga de PL (> 100 nm) geralmente observada mesmo em temperatura muito baixa (77 K) é referida como forte interação elétron-elétron (Fig. 2c). Este resultado é semelhante aos nanoclusters metálicos e diferente dos QDs de semicondutores. Conseqüentemente, Yu e seus colegas de trabalho especularam que os elétrons π nos CDs podem agir de forma semelhante como elétrons livres nos nanoclusters metálicos.

Kalytchuk et al. [89] sintetizou N, S-CDs altamente luminescentes solúveis em água por tratamento hidrotérmico de uma etapa de ácido cítrico e l-cisteína. Eles coletaram espectros de absorção em estado estacionário em uma ampla gama de temperaturas para caracterizar as propriedades de PL de dependência da temperatura dos CDs. Os espectros de absorção de N, S-CDs dispersos em água a temperaturas entre 10 e 70 ° C (aumentando em 5 ° C por etapa) são mostrados na Fig. 3a. Ao contrário dos nanocristais semicondutores, a posição e a intensidade da banda de absorção não mudaram com a temperatura. Resultados semelhantes foram relatados anteriormente para CDs sintetizados por tratamento hidrotérmico de glicose na presença de glutationa [1].

a Absorção dependente da temperatura tomada na faixa de temperatura de 10 a 70 ° C. b Gráfico de cores normalizado da emissão de PL dependente da temperatura em temperaturas entre 2 e 80 ° C com um tamanho de etapa de 2 ° C e excitação em 355 nm. Alterações dependentes da temperatura correspondentes no pico máximo de PL λmax ( c ), PL fwhm ( d ), e intensidade PL integrada ( e ) (Reproduzido da referência [89])

Em seu trabalho, eles mostraram um gráfico de cores dos espectros PL de N, S-CDs adquiridos em temperaturas variando de 2 a 80 ° C com uma etapa de 2 ° C (Fig. 3b). O aumento da temperatura reduziu a intensidade de emissão de PL em aproximadamente um fator de 2 sem qualquer mudança detectável nas emissões de PL [89]. A posição do máximo de emissão do PL, a largura total do PL na metade do máximo (fwhm) e a intensidade do PL integrado foram determinados quantitativamente na temperatura estudada, condensando os resultados na Fig. 3c-e, respectivamente.

A posição do pico PL de N, S-CDs mostra dependência fraca da temperatura, ao contrário da maioria dos nanocristais semicondutores, cujo bandgap muda com a temperatura, induzindo o deslocamento da emissão de PL. Além disso, seu PL fwhm exibe apenas alargamento insignificante (1,4 ± 1 nm) na mesma faixa de temperatura (Fig. 3d), indicando que o pico de PL de N, S-CDs mostra alargamento térmico desprezível. Para caracterizar os processos de relaxamento não radiativo que ocorrem nos CDs, eles analisaram a extinção da intensidade de PL integrada em função da temperatura. Um gráfico da intensidade de PL integrado dependente da temperatura para N, S-CDs é mostrado na Fig. 3e, com os valores normalizados para a intensidade a 2 ° C, revelando que a intensidade diminui monotonicamente ao longo da faixa de temperatura estudada, com aquela em 80 ° C sendo aproximadamente metade do que a 2 ° C. Com base nesses resultados, a energia de ativação da têmpera térmica para os CDs em temperaturas entre 2 e 80 ° C foi estimada em 17,0 ± 0,7 meV usando a fórmula de Arrhenius para N, S-CDs, que está próxima ao valor relatado por Yu et al. [51].

Além disso, Kalytchuk et al. [89] examinou a dinâmica de emissão do CD em diferentes temperaturas. A Figura 4a-c exibe a forte dependência da temperatura de sua emissão de PL resolvida no tempo, mostrando dados de espectroscopia de emissão resolvida no tempo para três temperaturas diferentes. Mapas de emissão transiente de PL de CDs foram adquiridos na região espectral entre 375 e 650 nm a 2, 50 e 80 ° C, conforme mostrado na Fig. 4a-c. Há um claro declínio na decadência de PL com o aumento da temperatura, sugerindo que os CDs têm propriedades satisfatórias para detecção de temperatura baseada em vida de PL. É importante notar que o decaimento exponencial único espectralmente uniforme foi observado ao longo dos perfis de emissão dos pontos em todas as temperaturas estudadas, indicando que a recombinação ocorre por meio de canais muito semelhantes e altamente emissivos em todo o conjunto de CD. As dinâmicas PL dos CDs são indiscutivelmente sua qualidade mais promissora em relação às aplicações de detecção de temperatura. Especificamente, a sensibilidade dos CDs à temperatura os torna nanotermômetros de vida útil PL.

Emissão de CD dependente da temperatura e resolvida com o tempo. Gráficos de cores normalizados mostrando mapas de emissão de PL resolvidos no tempo para CDs em a 2 ° C, b 50 ° C e c 80 ° C. d O gráfico de cores normalizado da intensidade de PL resolvida no tempo no máximo de emissão de PL (λem =421 nm) a temperaturas entre 2 e 80 ° C. e Tempos de vida de PL extraídos plotados em função da temperatura no intervalo de 2–80 ° C. (Reproduzido da referência [89])

A variação do tempo de vida PL dos CDs em temperaturas entre 2 e 80 ° C foi investigada exaustivamente; A Fig. 4d, e mostra os dados de PL resolvidos no tempo coletados na emissão máxima de PL dos pontos em função da temperatura. Um gráfico colorido de PL transiente em toda a faixa de temperatura estudada é apresentado na Fig. 4d, mostrando que o aumento da temperatura leva a um encurtamento monotônico do decaimento aparente de PL. Todas as curvas de decaimento registradas foram ajustadas usando uma função exponencial simples. Os dados sobre os tempos de vida extraídos são apresentados na Fig. 4e. À medida que a temperatura aumenta de 2 para 80 ° C, o tempo de vida do PL diminui monotonicamente de 11,0 para 5,3 ns. A faixa de temperatura na qual esta sensibilidade de vida PL foi demonstrada (2–80 ° C) cobre a faixa de temperatura fisiologicamente relevante e as temperaturas operacionais típicas de muitos dispositivos eletrônicos. A sensibilidade pseudo-linear absoluta desta sonda térmica PL vitalícia baseada em CD é 0,08 ns K ⁻¹ , e sua sensibilidade relativa máxima é 1,79% K ⁻¹ a 62 ° C. O ajuste exponencial único do decaimento PL da nanossonda luminescente baseada em CD ao longo da faixa de temperatura estudada produz um único parâmetro, o tempo de vida PL (τ), que pode ser convertido diretamente em unidades de temperatura usando uma curva de calibração. Esta é uma vantagem importante sobre os pontos quânticos semicondutores típicos, que exibem decaimento multiexponencial que limita sua utilidade em aplicações que envolvem medições de vida útil PL.

Eles também estudaram a dependência da temperatura do tempo de vida de CDs PL em solução salina tamponada com fosfato (PBS) e meio de Eagle modificado por Dulbecco (DMEM) e mostraram comportamento semelhante.

Para demonstrar a reutilização de termômetros de luminescência baseados em CD, as curvas de decaimento PL de amostras selecionadas foram medidas ao longo de sete ciclos sucessivos de aquecimento e resfriamento a temperaturas entre 15 e 45 ° C (Fig. 5a).

a Gráfico de cores normalizado da reversibilidade do decaimento PL ao longo de sete ciclos sequenciais de aquecimento e resfriamento. b A estabilidade térmica correspondente do PL tem vida útil ao longo de sete ciclos de aquecimento e resfriamento entre 15 e 40 ° C. (Reproduzido da referência [89])

Em cada ciclo de medição, o declínio do PL foi medido após equilíbrio térmico de 5 min. Nenhuma histerese térmica foi observada durante os ciclos de aquecimento e resfriamento, e a variação da vida útil PL resultante é plotada em função do tempo na (Fig. 5b), demonstrando que a vida útil PL dos CDs apresenta excelente estabilidade térmica.

Posteriormente, vários CDs com emissão dependente da temperatura foram preparados usando uma variedade de métodos de síntese, como tratamento hidrotérmico e solvotérmico [2, 77, 92, 95, 97,98,99,100,101,102,103], refluxo de calor [94, 96] e laser ablação [14] como mostrado na Tabela 1. Os CDs preparados mostraram fluorescência dependente da temperatura linear nas faixas fisiológicas (mostrado na Tabela 1). A intensidade de fluorescência dos CDs diminuiu com o aumento da temperatura. Além disso, a reversibilidade e a capacidade de restauração da intensidade de fluorescência foram estudadas em todos os artigos. A Figura 6 mostra algumas propriedades comuns dos CDs estudados em vários artigos.

a Fotografias digitais de N, S-CDs sob excitação de luz UV (365 nm) em diferentes temperaturas durante os processos de aquecimento (superior) e resfriamento (inferior). (Reproduzido da referência [96]). b Espectros de emissão de fluorescência de CDs co-dopados com N, S medidos na faixa de 5–75 ° C (de cima para baixo) quando excitados em 340 nm, inserção:a regressão linear correspondente da temperatura versus Ln ( F / F ₀ ) (Reproduzido da referência [97]). c FL / FL ₀ -plotações de temperatura de MnOx-CDs durante os processos de resfriamento e aquecimento. (Reproduzido da referência [103]). d Dependência reversível da temperatura do PL da solução de CDs. (Reproduzido da referência [102])

Nguyen et al. [14] sintetizou pontos de carbono (CDs) usando ablação a laser de femtosegundo de pó de grafite em etilenodiamina. Abundantes grupos funcionais foram formados na superfície, os quais formam múltiplos estados de superfície no local da superfície e resultam na multi-emissão de CDs. Eles investigaram a sensibilidade à temperatura dependente de fluorescência de CDs usando espectros de fluorescência em estado estacionário. Os espectros de emissão dependentes da temperatura dos CDs a 320 nm de excitação são mostrados na Fig. 7a. Ambas as intensidades de fluorescência de 400 e 465 nm picos diminuem gradualmente com o aumento da temperatura devido à ativação térmica das vias de decaimento não radiativo. As intensidades de pico mudam linearmente com a temperatura variando de 5 a 85 ° C (Fig. 7b). Os CDs sensíveis à temperatura mostraram uma mudança nas intensidades de fluorescência de 3,3 e 2,1% por ° C para picos de 400 e 465 nm, respectivamente. Isso indica que os CDs podem ser usados ​​como um sensor de temperatura baseado em intensidade convencional com alta sensibilidade.

a Espectros de emissão de CDs gravados de 5 a 85 ° C, excitados em 320 nm. b Intensidades de fluorescência dos picos de 400 e 465 nm versus temperatura. c A proporção de 400 nm sobre os picos de 465 nm em função da temperatura. d Estudo de reversibilidade de temperatura de CDs entre 20 e 50 ° C. (Reproduzido da referência [14])

Notavelmente, a propriedade de multi-emissão única torna os CDs fluoróforos promissores para sensores de temperatura fluorescentes raciométricos. A razão das duas intensidades de fluorescência a 400 e 465 nm (excitação de 320 nm) versus temperatura é mostrada na Fig. 5c. Há uma relação linear muito boa entre a razão de intensidade e temperatura em uma ampla faixa de temperatura de 5 a 85 ° C ( R ² =0,998). Thermal linearity is advantageous since it makes the correlation between the peak-intensity ratio and temperature straightforward and meanwhile provides a constant thermal sensitivity along with the entire dynamic range. The temperature-sensitivity of CDs is determined to be 1.48% °C ⁻¹ , which is comparable with that of other materials. It should be noted that the temperature response range of CDs is much wider than those of other reports on dual-emission temperature sensors and covers both the physiological temperature for biology studies and the working temperature for many electronic devices. Besides 320 nm excitation, the CDs also work at other excitation wavelengths, such as 340 and 365 nm, with the same sensitivity. Thus, the CDs can be utilized for temperature sensing in many practical applications by selected different working wavelengths.

They have shown that the ratiometric temperature sensor was reversible between 20 and 50 °C, four cycles and photostable (when the intensity of the power source changed) as shown in Fig. 7d. This result suggests that the CDs sensing system is stable and robust with any changes in sample concentration, excitation, or detection efficiency.

Increasing temperature is not always accompanied by PL quenching; however, it could show enhancement of the PL as well. Macairan et al. [29] showed the PL enhancement of dual-fluorescent carbon dots with increasing temperature. They prepared biocompatible dual-fluorescing carbon dots CDs in a one-step microwave assisted-reaction using formamide and glutathione. They found that following excitation at 640 nm, the fluorescence intensity and PL integrated area increase over the range of 5–60 C by a factor of 3.5 observed over the entire analysis range and the temperature (Fig. 8a). As shown in Fig. 8b, a linear response (R ² =0.999) is observed over the entire analysis range and the temperature sensitivity was determined to be as high as 3.71% C ⁻¹ .

a Excitation at 640 nm yields a 3.5-fold increase in fluorescence intensity and the corresponding integrated area is plotted in b showing a linear response over the range of 5–60 °C. c Changes in the fluorescence spectra of the CDs (λ_ex =405 nm) as a function of temperature over the entire range. A 1.3-fold decrease is noted for the blue fluorescence in contrast to the 3-fold increase for the red counterpart. d The ratio of the integrated areas of the red and blue fluorescence components are plotted as a function of temperature showing a linear increase over the entire temperature range. (Reproduced from reference [29])

The temperature-dependent fluorescence was also studied following excitation at 405 nm. Interestingly, the blue and red fluorescence bands are not equally sensitive to the change in temperature. With increasing temperature, the fluorescence intensity (and the corresponding integrated area under the curve) of the blue component shows a very slight decrease in contrast to the red component, which significantly increases (Fig. 8c). These observations are noted over the range of 5–60 °C where the blue emission decreases by a factor of 1.3 in contrast to the red emission, which increases by a factor of 3.0.

As shown in Fig. 8d, the ratio of red to blue fluorescence increases with temperature, and a highly linear response is triplicate on 3 unique samples and the linear plot reflects the observed with an R ² =0.998. These analyses were repeated in an average of these measurements, which have small deviations at each temperature. The thermal sensitivity of the CDs, over the entire temperature range, varied from 1.33 to 4.81% °C ⁻¹ , which is an improvement over previously reported carbon dot nano-thermometry systems and other dual-emitting nanomaterials such as quantum dots and metal-organic frameworks-dye composites. The thermal resolution of the CDs was calculated to be 0.048 K ⁻¹ indicating that it is indeed possible to measure small thermal changes.

Zhang et al. [98] synthesized CDs that have temperature-responsive characteristics in the range of 25–95 °C, and they have excellent sensitivity and remarkable reversibility/recoverability (Fig. 9a). CD/epoxy composites were further prepared by uniformly doping CDs into an epoxy resin. First, 5 μg of the CDs were dissolved in 50 μL of triethylenetetramine (TETA). Then, 350 μL epoxy resin was added to the mixed solution and fully mixed by high-speed stirring. The resulting composite showed significantly enhanced temperature response.

a Temperature dependence of the CD emission. b CD/epoxy composites. c Temperature dependence of the emission of the CD/epoxy composites. (Reproduced from reference [98])

Epoxy resin is a common thermosetting resin and is widely used to package LED chips. Figure 9b shows optical micrographs of CD/epoxy composite discs of approximately 2 cm in diameter and 8–10 mm in thickness. The cured CD/epoxy composites are transparent, and their fluorescence emission spectra are shown in Fig. 9c. The emission peak of the CD/epoxy composite is blue-shifted by approximately 10 nm compared to that of the CDs’ solution. Notably, the temperature response of the composite is significantly improved. In the temperature range of 25–95 °C, the fluorescence intensity decreases by 35% with increasing temperature, which is more than twice that of the solution state, and the linear results are more stable. The linear equation satisfies I ₀ / eu =0.0074 [°C] + 0.80454 (R ² =0.99724), where I ₀ e eu are the fluorescence intensity of the CD/epoxy composite before and after the temperature rise, and the excitation wavelength is 360 nm. The blue shift of the emission peak and the enhancement of the temperature response characteristics may be due to changes in the dielectric constant of the environment in which the CDs are located. The composite has a wide temperature detection range, and its excellent sensitivity and stability make it suitable for use as a temperature sensor based on a fluorescent nanomaterial in a variety of environments.

Mechanism of Thermo-sensing

Up to now, there is no well-established mechanism for explaining the thermo-sensing behavior of carbon dots. Some reports attribute the mechanism to the thermal activation of non-radiative channels of surface (trap/defect) states. The general picture is that the non-radiative channels were not activated at low temperatures, so the excited electrons could emit photons radiatively. On the contrary, as the temperature increases, more non-radiative channels became activated, and excited electrons got back to the ground state by non-radiative processes, leading to the decreasing fluorescence intensity [2, 95, 99, 100, 103]. The mechanism of CDs emissions with heating/cooling is shown in Fig. 10.

Schematic illustration of CDs responding to temperature changes

To better understand the thermodynamics of the CD emission processes, Kalytchuk et al. [89] correlated the radiative (\( {\tau}_r^{-1} \)) and nonradiative ( \( {\tau}_{nr}^{-1} \)) recombination rates of a CD sample with its PL quantum yield. The radiative rate is determined from the PL quantum yield (QY) and the measured recombination rate τ ⁻¹ as \( {\tau}_r^{-1} \) =QY × τ ⁻¹ . The nonradiative relaxation rate \( {\tau}_{nr}^{-1} \) is expressed as \( {\tau}_{nr}^{-1} \) =τ ⁻¹ - \( {\tau}_r^{-1} \). The PL QY of CDs at various temperatures was calculated from their temperature-dependent absorption and integrated PL intensity together with the PL QY determined at room temperature. Both radiative and nonradiative recombination rates derived from time-resolved PL measurement data are plotted as functions of temperature in Fig. 11. The radiative recombination rate is greater than the correspondent nonradiative rate up to 70 °C and does not vary appreciably at temperatures between 2 and 80 °C, remaining in the range of (0.74–0.82) × 10 ⁶ s ⁻¹ . In contrast, there is a pronounced (almost 7-fold, from 0.16 × 10 ⁶ to 1.12 × 10 ⁶ s ⁻¹ ) monotonic increase in the rate of nonradiative recombination by increasing the temperature from 2 to 80 °C. Temperature-dependent crossover of the radiative and nonradiative rates occurs at 70 °C, at which temperature the PL QY is 50%. These results suggest that the temperature activation of PL quenching in their CDs is primarily caused by the activation of nonradiative relaxation channels [89].

Radiative (solid symbols, blue color) and nonradiative (hollow symbols, red color) recombination rates for CDs plotted against the temperature for temperatures of 2–80 °C. (Reproduced from supporting information of reference [89])

Guo et al. [102] ascribed the thermal-quenching of their prepared carbon dots not just to activation of the nonradiative decay process, but also to the occurrence of nonradiative trapping with increasing temperature. They measured the temperature-dependent decay lifetimes of the CDs and shown in Fig. 12a. The data were collected by monitoring emission maximum as a function of the temperature under the 320 nm laser excitation. The result shows that the PL lifetime drops from 15.03 to 11.70 ns with the temperature increasing from 283 to 343 K, which could be ascribed to the occurrence of nonradiative decay processes. Besides, the PL relaxation dynamics of the CDs reveal multi-exponential decay with temperature increasing, which suggests the photoexcited carriers following the complicated relaxation processes. The occurrence of non-radiative trapping will be increased with rising temperature, and this could be quantitatively analyzed by the Arrhenius plot of the integrated PL intensities as:
$$ I={I}_0/\left[1+\mathrm{a}\ \exp\ \left(\hbox{-} {\mathrm{E}}_a/\mathrm{kT}\right)\right] $$
Temperature-dependent decay curves of CDs solution (a , λ_ex =350 nm, λ_em =450 nm); the dependence of ln[(I ₀ / eu _T )-1] on 1/kT CDs solution (b ) (Reproduced from reference [102])

onde E _a is the activation energy, k is the Boltzmann constant, and a é uma constante. Figure 12a displays the plotting of the emission intensity with respect to 1/T , where the value of activation energy (E _a ) is calculated to be 0.329 ± 0.02 eV. In order to probe the reason for thermal quenching of CDs emission process, the radiative (V _r ) and nonradiative (V _nr ) recombination rates of CDs were determined from the lifetime (τ*) and quantum yield (QY) as:
$$ {\tau}^{\ast }=\frac{1}{V\mathrm{r}+V\mathrm{nr}};\mathrm{QY}=\frac{V\mathrm{r}}{V\mathrm{r}+V\mathrm{nr}} $$
The QY of CDs at various temperatures was calculated from their temperature-dependent absorption and integrated PL intensity with the QY determined at room temperature. They have noticed that the radiative rates have a slight decline when the temperature rises from 283 to 343 K; at the same time, the nonradiative recombination rates have gradually increased by about 2-fold. These results further indicate that the temperature-activated PL quenching in CDs is mainly due to the activation of nonradiative relaxation channels [102].

Other groups used microscopic and spectroscopic techniques to understand the mechanism of thermos-sensing of carbon dots.

Wang at el. used TEM and UV–Vis spectra to study the temperature-responsive PL behavior of prepared CDs. As shown in Fig. 13a, the CDs display no change in the UV–Vis spectra upon increasing the temperature from 20 to 80 °C. However, it was found that the average diameter of CDs increased from 2.6 ± 0.2 nm at room temperature to 4.4 ± 0.2 nm at 80 °C (Fig. 13b). Thus, increasing the temperature, the aggregation of as-prepared CDs occurred which caused the obvious fluorescence quenching [1].

a UV–Vis absorption spectra of CDs in aqueous solution under 20 and 80 °C. b the TEM image of CDs in aqueous solution (a ) at room temperature, the average size was 2.6 ± 0.2 nm (b ) at 80 °C, and the size increased up to 4.4 ± 0.2 nm. (Reproduced from reference [1])

He et al. [101] reported that the hydration particle size of their CDs emerges as larger with the increase in the temperature (Fig. 14a), which indicates that the temperature rise gives rise to the aggregation of the CDs, eventually results in the fluorescence quenching. Nonetheless, with the decline in the temperature, the hydration particle size of CDs starts declining (Fig. 14b), which indicates that the cooling has the potential of causing CDs to depolymerize [101].

Change of hydrated particle size of carbon dots during heating (a ) and cooling (b ) (Reproduced from reference [101])

Another group such as Cui et al. also attributed the fluorescence quenching to the aggregation of CDs. They also tried to apply the undoped CDs synthesized using only acrylic acid as a precursor in temperature sensors. Unfortunately, undoped CDs possessed weaker quenching effects under the same temperature elevation than doped CDs [92].

Yang et al. [94] in their work proposed two key factors concerning the temperature-dependent PL property of the N-CDs, including (i) surface functional groups and (ii) hydrogen-bonding interaction. To examine the effect of the first factor, the surface O-containing groups, another control experiment was conducted by treating N-CDs (4.0 mL) with a strong reducing agent NaBH₄ (1.0 mL, 0.1 mol L ⁻¹ ) to remove C=O species on carbon dots surface. The obtained reduced N-CDs are denoted as r-N-CDs for brevity. Compared with N-CDs, the r-N-CDs exhibit weaker fluorescence intensity (Fig. 15a). Besides, the fluorescence intensity of r-N-CDs only decreases by 13% with temperature increasing from 20 to 80 °C (the inset in Fig. 15a) that gives a much lower temperature sensitivity, which is ascribed to the decreased O-containing groups [94].

a PL spectra (excitation wavelength, 400 nm) of N-CDs (black trace) and r-N-CDs (red trace). The inset shows I / eu ₀ −T of reduced N-CDs. b PL spectra (excitation wavelength, 400 nm) of N-CDs dispersed in C₂ H ₅ OH at various temperatures. c A schematic mechanism for the temperature-dependent fluorescence intensity of N-CDs. (Reproduced from reference [94])

The second factor, the effect of hydrogen bonding with the solvent on fluorescent behavior of N-CDs was explored. N-CDs solution (1.0 mL) was dropped on a filter paper and left to dry in the air to obtain a solid sample, which still emits bright fluorescence. However, no obvious change of fluorescence intensity of the solid N-CDs with temperature increase was observed. They also measured the fluorescence of N-CDs dispersed in ethanol. The fluorescence intensity of N-CDs in C₂ H ₅ OH is lower than that in water and little variation of the PL intensity is observed with temperature increasing from 20 to 80 °C (Fig. 15b). Hence, the strong hydrogen bonds play a key role in the temperature-dependent PL property of the N-CDs. Figure 15c is a schematic mechanism for the temperature-dependent fluorescence intensity of N-CDs [94].

However, our group used the same experimental strategy as Yang group; in both cases, the r-CDs and e-CDs emissions were quenched linearly with increasing temperature, in the same way as the original results of their CDs (Fig. 16). Thus, our results ruled out the synergistic effects of abundant oxygen-containing functional groups and hydrogen bonds [77].

a , b Fluorescence spectra of reduced CDs (r-CDs) and CDs in ethanol (e-CDs) at temperatures (20 to 60 °C). c , d Linear correlation between fluorescence intensity and temperature (°C) for r-CDs and e-CDs respectively. (Reproduced from the supplementary information of reference [77])

Bioimaging in Living Cells (Thermal Imaging)

In literature, only a few articles explored the temperature-responsive fluorescent properties of CDs in biological imaging. Prior to such experimentations, in vitro cytotoxicity analysis is crucial for CDs because they make it possible to estimate the CD’s toxicity in living subjects. In vitro cytotoxicity analysis evaluates the effect or influence of the nanomaterial on cultured cells [89].

Yang et al. [94] verified that the CDs could be used as an effective thermometer in living cells; HeLa cells were washed with PBS after treatment with CDs for 6 h. Bright-blue fluorescence of the CDs in HeLa cells is observed when the temperature is 25 °C as shown in Fig. 17a. With the temperature increasing to 37 °C, the blue fluorescence becomes weaker (Fig. 17b), the fluorescence of N-CDs is recovered when the temperature was decreased to 25 °C (Fig. 17c). As a thermos-imaging in vivo, the fluorescent images of mice were collected immediately after being injected with N-CDs at different temperatures. By setting the fluorescence intensity at 28 °C as the reference (I _o ), eu / eu _o of the area where CDs were injected varies from 1.0 to 0.87 with the increase of temperature from 28 to 34 °C (Fig. 17d, e). With temperature further increasing to 43 °C, I / eu _o declines to 0.52 and the fluorescence becomes nearly undetectable (Fig. 17f). And I / eu _o can be reversibly enhanced back from 0.66 to 1.0 with the temperature decreases from 39 to 28 °C (Fig. 17g–i). All of these results indicated that N-CD could be used as an effective in vitro and in vivo nanothermometer [94].

a – c Fluorescent images of a single Hela cell at 25, 37, and 25 °C after treatment with N-CDs, respectively. d - f Fluorescent photographs of a mouse given an injection of N-CDs at increasing temperatures. g - i Fluorescent photographs of a mouse given an injection of N-CDs at decreasing temperatures. ( Reproduced from reference [94])

In an exploratory experiment, Kalytchuk et al. tested the capacity of CDs for intracellular temperature monitoring in human cervical cancer HeLa cells. Figure 18 shows the measured intracellular temperatures of HeLa cells incubated with CDs (500 μg/mL). The CDs’ PL decay curves at each temperature were highly reproducible and could be fitted with a single-exponential function at all recorded temperatures. In Fig. 18a, the recorded PL decay curves for temperatures between 25 and 50 °C (with a step size of 5 °C) are indicated by symbols, while the corresponding single-exponential fits are represented by solid lines. They were able to confirm that the PL signal in these PL lifetime measurements was derived exclusively from the CDs for the CD concentration of ≥ 100 μg/mL. The intracellular temperature in each measurement was determined from the calibration curve between PL lifetimes as the temperature increases from 2 to 80 °C. The temperatures determined in this way (T _meas ) are plotted as functions of the PL lifetime in Fig. 18b. Independently, the temperature of the cell solution was determined using a calibrated reference thermometer (shown in Fig. 18b as T_set ) The temperatures reported by the luminescent CD probe and the reference detector are in good agreement. These results show that the PL lifetime of nanoprobes based on CDs can be reliably used to measure intracellular temperatures [89].

In vitro intracellular PL lifetime thermal sensing using CDs. a PL emission decays of HeLa cells incubated with CDs (500 μg/mL) at different temperatures (T _conjunto ) b Temperatures determined using the calibration (T _meas ) and set temperatures (T _conjunto ) plotted against the PL lifetime. c - f Applicability of CDs for long-term remote intracellular temperature monitoring. c PL lifetimes extracted from PL transients recorded every 15 min for 24 h of HeLa cells incubated with CDs (500 μg/mL). d Temperatures determined using the calibration curve. e Temperatures measured with a reference thermometer (T _ref ) f Histogram showing the distribution of temperature differences between the obtained and reference temperatures; the solid line is the distribution curve. (Reproduced from reference [89])

To further evaluate the potential of luminescent CD nanoprobes for long-term real-time temperature monitoring, PL decay profiles of HeLa cells incubated with CDs (500 μg/mL) every 15 min for 24 h were recorded. The PL lifetimes extracted from the measured PL decay values during this period were then plotted as functions of time, as shown in Fig. 18c. Using these results, the temperature variation over time was calculated using the calibration curve, as shown in Fig. 18d. In addition, the sample’s temperature at each measurement point was determined using a reference thermometer with a temperature reproducibility of 60 mK. The temperature determined with the reference thermometer is plotted in Fig. 18e, which shows that there was excellent agreement between the measured and reference temperatures. The high accuracy of the PL-based temperature measurements is further demonstrated by statistical analysis of the differences between the measured and real (reference) temperatures (Fig. 18f). Using these data, the absolute average accuracy of temperature detection by the presented method was calculated to be 0.27 °C. This experiment confirms the potential of CD-based thermal probes in biological systems [89].

Macairan et al. [29] displayed that the prepared CDs can be used for thermal sensing inside cells using intensity and ratiometric approaches. HeLa cells treated with CDs were allowed to equilibrate at 32, 37, and 42 °C (Fig. 19). Excitation at 640 nm was used to selectively monitor the red fluorescence of the CDs in the cells. The thermal changes could be due to changes in intracellular concentration or not correlate with a change in intensity (λex + 640 nm). This could be due to changes in intracellular concentration or localization of the CDs at higher temperatures. Thus, simply relying on changes in fluorescence intensity leads to accurate intracellular thermal sensing.

Fluorescence microscopy images of CD-treated HeLa cells. Fluorescence signals from the CDs (λ_ex =640 nm; left and 405 nm; right) fluorescence ratios are 1.8 at 32 °C, 2.0 at 37 °C, and 2.3 at 42 °C. The control shows untreated HeLa cells at 42 °C with no fluorescence signal as expected. (Reproduced from reference [29])

In contrast, these limitations are excluded using the ratiometric approach. The CDs maintain dual blue and red fluorescence in cells following excitation at 405 nm, as previously observed for the colloidal dispersions (Fig. 19). The red-to-blue ratio increases with increasing temperature, with values of 1.8 at 32 °C, 2.0 at 37 °C, and 2.3 at 42 °C. The ratiometric relationship of the red-to-blue fluorescence of the CDs highlights the advantage of ratiometric temperature sensing in the development of fluorescent nano-thermometry probes. The relative red-to-blue emission ratio remains unaffected, regardless of the amount of CDs taken up by the cells, which can be affected by various factors such as confluency and is not concentration-dependent. Lastly, the CDs have shown fluorescence reversibility with respect to changes in intracellular temperature. Following incubation in HeLa cells, they were subjected to a heating/cooling cycle from 32/42/32 °C. This emphasizes the robustness of the proposed CD-nanothermometer and these findings further demonstrate the fluorescence reversibility [29].

Confocal laser scanning microscopy was used to thermal image colon cancer cell HT-29 using N, S, and I-doped CDs, as shown in Fig. 20 [100]. The fluorescent spots were temperature-dependent as shown in Fig. 20g–i, as the most intense is at 15 °C, while the weakest point was at 35 °C. Interestingly, the fluorescence spots were reversible, and the spots were very photostable after 20 min of continuous excitation [100]. Shin et al. [96] also used confocal laser scanning microscopy for Hela cells, shown in Fig. 20e–g.

a–d Are confocal microscopy images of N, S, I-CDs-colon cancer cell HT-29 with corresponding fluorescence field at 15, 25, 35, and 15 °C, respectively. (Reproduced from reference [100]). e - g Confocal microscopy images of N, S-CDs-stained cells with corresponding fluorescence field at 25, 35, and 25 1C, respectively. (Reproduced from reference [96])

Li et al. 103 prepared a nanocomposite composed of MnOx-CDs to be used as a nano thermos responsive fluorophore for biological environments. HepG2 cells were incubated with MnOx-CDs at different culture temperatures. As illustrated by confocal laser scanning microscopy (excited at 405 nm), the blue luminescence of the MnOx-CDs in the HepG2 cells is weak when the environmental temperature was 40 °C (Fig. 21a), and the blue luminescence of the MnOx-CDs in HepG2 cells enhances as the temperature decreased to 30 °C (Fig. 21b) even to 20 °C (Fig. 21c). Due to the temperature-responsive properties, the as-synthesized MnOx-CDs can be readily applied in the biomedical fields like bioimaging and photothermal therapy in cancer treatment [103].

Confocal laser scanning microscopy images (excited at 405 nm) of MnOx-CDs in HepG2 cells at 40 °C (a ), at 30 °C (b ), and 20 °C (c ) (Reproduced from reference [103])

Conclusions and Future Perspective

Carbon nanodots exhibit unique properties to be exploited for nanothermometry, such as thermal-sensitivity, low-cost, and photostability. Flexible surface modification and facile preparation will pave the way to establish an enormous number of thermal sensitive nanomaterials for a variety of applications. The overall trends in thermo-sensing nanomaterials are aimed at enhancing photostability and thermal-resolution with using low-cost and safe materials. CDs can be classified as a new generation of thermometer that can fulfill these requirements and can be used for biomedical thermometry applications, such as temperature monitoring during hyperthermia treatment. Facile-preparation protocols, biocompatibility, and easy functionalization of CDs are promising criteria which make the CDs alternative next-generation nanothermometer materials. More efforts are required to promote basic research in this field. Limitations should be overcome to produce carbon dot-based nanothermometers comprising enhancing thermal sensitivity, and working in a broader range of temperature. A better understanding of the fluorescence thermal-sensing mechanism is another key issue to be able to design and manipulate the structure of CDs and enhance thermal resolution. More experiments and theoretical modeling are necessary to understand the correlation between the methods of fabrication of CDs with their thermal behavior.

F-actina regula a diferenciação osteoblástica de células-tronco mesenquimais em nanotubos de TiO2 por meio de MKL1 e YAP / TAZ Análise da morfologia da superfície do nanogerador triboelétrico baseado em estrutura de malha para aumentar a carga de transferência