RESSALVA Atendendo solicitação do(a) autor(a), o texto completo desta tese será disponibilizado somente a partir de 20/10/2025. 0 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” Instituto de Química Campus de Araraquara INVESTIGATION OF d, f, AND INTERMETALLIC COMPLEXES AND THE STRATEGIES TO APPLY THEM IN SOLID-STATE LIGHTING DEVICES, OXYGEN SENSING, AND CELL LABELING STUDY Ph. D. Thesis FELIPE DA SILVA MANRIQUE CANISARES ARARAQUARA 2023 FELIPE DA SILVA MANRIQUE CANISARES INVESTIGATION OF d, f, AND INTERMETALLIC COMPLEXES AND THE STRATEGIES TO APPLY THEM IN SOLID-STATE LIGHTING DEVICES, OXYGEN SENSING, AND CELL LABELING STUDY Thesis presented to the Institute of Chemistry, São Paulo State University, to obtain the degree of Doctor in Chemistry Supervisor: Prof. Dr. Sergio Antonio Marques de Lima Co-supervisor: Prof. Dr. Marian Rosaly Davolos ARARAQUARA 2023 FELIPE DA SILVA MANRIQUE CANISARES INVESTIGAÇÃO DE COMPLEXOS d, f, E INTERMETÁLICOS E AS ESTRATÉGIAS PARA APLICÁ-LOS EM DISPOSITIVOS DE ILUMINAÇÃO DE ESTADO SÓLIDO, SENSOREAMENTO DE OXIGÊNIO, E IMAGEAMENTO CELULAR Tese apresentada ao Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista, como parte dos requisitos para obter o título de Doutor em Química Orientador: Prof. Dr. Sergio Antonio Marques de Lima Co-orientadora: Profa. Dra. Marian Rosaly Davolos ARARAQUARA 2023 Canisares, Felipe da Silva Manrique C223i Investigation of d, f, and intermetallic complexes and the strategies to apply them in solid-state lighting devices, oxygen sensing, and cell labeling study/ Felipe da Silva Manrique Canisares – Araraquara: [s.n.], 2023 166 p.: il. Thesis (doctor) – Universidade Estadual Paulista, Instituto de Química Advisor: Sergio Antonio Marques de Lima Co-advisor: Marian Rosaly Davolos 1. Rare earth metals. 2. Iridium. 3. Metal complexes. 4. Photoelectronic devices. 5. Aqueous dissolved oxygen. I. Title. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca do Instituto de Química, Araraquara. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de Araraquara CERTIFICADO DE APROVAÇÃO TÍTULO DA TESE: "Investigation of d, f, and intermetallic complexes and the strategies to apply them in solid-state lighting devices, oxygen sensing, and cell labeling study" AUTOR: FELIPE DA SILVA MANRIQUE CANISARES ORIENTADOR: SERGIO ANTONIO MARQUES DE LIMA COORIENTADORA: MARIAN ROSALY DAVOLOS Aprovado como parte das exigências para obtenção do Título de Doutor em Química, pela Comissão Examinadora: Prof. Dr. SERGIO ANTONIO MARQUES DE LIMA (Participaçao Virtual) Departamento de Física, Química e Biologia / Faculdade de Ciências e Tecnologia - Unesp/ Câmpus de Presidente Prudente Prof. Dr. HERMI FELINTO DE BRITO (Participaçao Virtual) Departamento de Química Fundamental / Universidade de São Paulo - USP - São Paulo Prof. Dr. VERA REGINA LEOPOLDO CONSTANTINO (Participaçao Virtual) Departamento de Química Fundamental / Instituto de Química - USP - São Paulo Prof. Dr. ROBERTO SANTANA DA SILVA (Participaçao Virtual) Departamento de Física e Química / Faculdade de Ciências Farmacêuticas - USP - Ribeirão Preto Prof. Dr. SIDNEY JOSE LIMA RIBEIRO (Participaçao Virtual) Quimica Analitica, Fisico-Quimica e Inorganica / Instituto de Quimica - UNESP - Araraquara Araraquara, 20 de outubro de 2023 Instituto de Química - Câmpus de Araraquara - Rua Prof. Francisco Degni, 55, 14800060, Araraquara - São Paulo http://www.iq.unesp.br/#!/pos-graduacao/quimica-2/CNPJ: 48.031.918/0027-63. PORTARIA UNESP No 117, DE 21 DE DEZEMBRO DE 2022. INSTRUÇÃO AT/PROPG No 02, DE 22 DE DEZEMBRO DE 2022. IMPACTO POTENCIAL DESTA PESQUISA Os potenciais impactos decorrentes desta tese compreendem o aprofundamento do processo de sensibilização em complexos heterobimetálicos de IrIII e EuIII, tanto em ambiente rígido quanto em solução, além de possibilitar o desenvolvimento de dispositivos altamente eficientes no processo de conversão de energia. Tais materiais apresentam potencial para aplicação como dispositivos de iluminação de estado sólido, e sensores luminescentes eficientes na aferição de oxigênio dissolvido, o qual pode servir como poderoso diagnóstico de canceres em estágios iniciais. Desta forma, as contribuições aqui apresentadas potencialmente influenciarão pesquisas voltadas a beneficiar variados setores da sociedade moderna, como as ciências da vida, energia e meio ambiente. POTENTIAL IMPACT OF THIS RESEARCH The potential impacts resulting from this thesis include the understanding of the sensitization process in IrIII-EuIII heterobimetallic complexes, both in a rigid environment and in solution, in addition to enabling the development of highly efficient devices in the energy conversion process. Such materials have the potential for application as solid-state lighting devices and efficient luminescent sensors for measuring dissolved oxygen, which could serve as powerful diagnostic tools for early- stage cancers. Therefore, the contributions presented here can influence research that benefits various sectors of modern society, such as life sciences, energy, and the environment. DATA Personal information Full name: Felipe da Silva Manrique Canisares Name in blibliography Citation: CANISARES, F. S. M.; CANISARES, FELIPE S.M.; CANISARES, F.S.M.; CANISARES, FELIPE S. M. Nationality: Brazilian Birth city: Martinópolis, São Paulo, Brazil Profession: Chemist Adress: Instituto de Química – Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” – Av. Francisco Degni, 55 – Jardim Quintandinha – Araraquara – SP CEP: 14800-060 e-mail: manrique.canisares@unesp.br Academic education 2012 - 2016: São Paulo State University (Unesp), School of Technology and Sciences, Presidente Prudente, Chemistry 2017 - 2019: São Paulo State University (Unesp), Institute of Biosciences, Humanities and Exact Sciences, São José do Rio Preto, Master of Sciences in Chemistry (Advisor: Prof. Sergio A. M. de Lima) 2022 - 2023: Visiting Scholar at University of Southern California, Fulbright Fellow (Advisor: Prof. Mark E. Thompson) Professional Experience 2020 – 2022: Collaborating professor, Biochemistry, São Paulo State University (Unesp), School of Technology and Sciences Awards 2022: Doctoral Dissertation Research Award (DDRA), Fulbright Commission 2016: Honorable Mention at the XXVIII CIC UNESP as one of the best works presented in the Exact Sciences area. 2016: Best Poster Award presented at the XVIII BMIC - Brazilian Meeting on Inorganic Chemistry and 7th Brazilian Meeting on Rare Earths (XVIII BMIC + TR) 2015: Best paper presented in the Inorganic Chemistry Division at 38th Annual Meeting of the Brazilian Chemical Society, SBQ. Published scientific articles 1. MUTTI, ALESSANDRA M. G.; CANISARES, FELIPE S. M. SANTOS, JOÃO A. O.; SANTOS, BRUNO C.; CAVALCANTE, DALITA G. S. M.; JOB, ALDO E.; PIRES, ANA M.; LIMA, SERGIO A. M. Silica-based nanohybrids containing europium complexes covalently grafted: structural, luminescent, and cell labeling investigation JOURNAL OF SOL-GEL SCIENCE AND TECHNOLOGY, v. 106, p. 10971-023-06138, 2023. 2. BELTRAME, ARIANE C. F.; BISPO-JR, AIRTON G.; CANISARES, FELIPE S. M.; FERNANDES, RICARDO V.; LAURETO, EDSON LIMA, SERGIO A. M.; PIRES, ANA M. PMMA or PVDF films blended with β-diketonate tetrakis Eu III or Tb III complexes used as downshifting coatings of near-UV LEDs, v. 19, p. 3992- 4000, 2023. 3. SILVA, RENAN C.; CANISARES, FELIPE S.M.; MUTTI, ALESSANDRA M.G.; PIRES, ANA M.; LIMA, SERGIO A.M. Small Schiff base molecules derived from salicylaldehyde as colorimetric and fluorescent neutral-to-basic pH sensors. DYES AND PIGMENTS, v. 213, p. 111191, 2023. 4. CANISARES, FELIPE S. M.; MUTTI, ALESSANDRA M. G.; SANTANA, EDY F.; OLIVEIRA, VYTOR C.; CAVALCANTE, DALITA G. S. M.; JOB, ALDO E.; PIRES, ANA M.; LIMA, SERGIO A. M. Red-emitting heteroleptic iridium(III) complexes: photophysical and cell labeling study. PHOTOCHEMICAL SCIENCES (ONLINE), v. 21, p. 1077-1090, 2022. 5. CANISARES, FELIPE S.M.; MUTTI, ALESSANDRA M.G.; CAVALCANTE, DALITA G.S.M.; JOB, ALDO E.; PIRES, ANA M.; LIMA, SERGIO A.M. Luminescence and cytotoxic study of red emissive europium(III) complex as a cell dye. JOURNAL OF PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY A- CHEMISTRY, v. 422, p. 113552, 2021. 6. MUTTI, A.M.G.; CANISARES, F.S.M.; MACHINI, W.B.S.; PIRES, A.M.; TEIXEIRA, M.F.S.; LIMA, S.A.M. A spectroscopic experimental and semi- empirical study of [Eu(salen)2] as a red-emitter for phosphor-converted UV LED. OPTIK, v. 243, p. 167454, 2021. 7. CANISARES, FELIPE S.M.; BISPO, AIRTON G.; PIRES, ANA M.; LIMA, SERGIO A.M.; Syntheses and characterization of Schiff base ligands and their Ir(III) complexes as coating for phosphor-converted LEDs. OPTIK, v. 219, p. 164995, 2020. 8. LEITE SILVA, CAMILA M.B.; BISPO'JR, AIRTON G.; CANISARES, FELIPE S.M.; CASTILHO, SHIRLEY A.; LIMA, SERGIO A.M.; PIRES, ANA M.; Eu 3+ - tetrakis β-diketonate complexes for solid-state lighting application. LUMINESCENCE, v. 34, p. 877-886, 2019. Submitted scientific articles 1. CANISARES, FELIPE S.M., SILVA, R.C., DAVOLOS, M.R., PIRES, A.M., LIMA. S.A.M., Heterobimetallic IridiumIII-EuropiumIII complex: The role of donor energy on sensitising the EuIII ion. NEW JOURNAL OF CHEMISTRY. 2. SILVA, R.C., CANISARES, FELIPE S.M., SARAIVA, L.F., PIRES, A.M., LIMA. S.A.M., Featuring long-lifetime deep-red emitting iridiumIII complexes with high colour purity: insights on the excited state dynamics from spectroscopic and theoretical perspectives. DALTON TRANSACTIONS. I dedicate this thesis to my parents Oswaldo and Vera Lúcia. Acknowledgments First, I want to thank God for all the wonders He has done and continues to do in my life, for being always with me, whether in good or bad moments. For giving me his infinite Grace, for giving me all his love, for giving me the strength to move forward, no matter the obstacles in the way. I am also grateful for the people He has placed in my life. I thank Our Lady and all the saints for always interceding for me with God. To my parents Vera Lúcia and Oswaldo, my sister Vanessa, and my brother Bruno for always supporting me and believing in me. To all my family, and all the friends I consider part of the family, for always rooting for me. Especially to Ana Maria, Francine, Kaliani, Nataly, and Vanessa, those who believe in and use education as a tool to transform lives. To Professor Sergio Antonio Marques de Lima for his guidance and all his teachings, which were fundamental to the development of this work. To Professor Ana Maria Pires for all her contributions to my work, teaching, and friendship. And for being one of the most human people I have met. I sincerely appreciate all my lab-mates of the LLuMeS, Airton, Alessandra, Alessandro, André, Ariane, Augusto, Bianca, Bruno, Caique, Camila, Danúbia, Edy, Filipe, Gustavo, João, Leonardo, Luis, Maísa, Maria Eduarda, Nagyla, Paloma, Rebeca, Renan, Rodolpho, and Vytor, with whom I shared good moments, experiences, and knowledge. A special thank you to Edy who, throughout my scientific initiation period, had the patience to co-supervise me. To the undergrad students Vytor, and Augusto for their great assistance in the synthesis and purification processes of ligands and complexes. To Renan for his collaborative work related to iridium compounds. To Alessandra for the scientific collaboration in recent years, in which we published beautiful articles. To Ariane for her friendship and scientific collaboration over the last few years, who brought Axé's joy to the lab. To João Antonio for his help with biological assays. To Alessandro for help with photophysical measurements. I am immensely grateful to my “prudentina” family, Shirley, Tamy, and Andressa, for the days of distraction, lots of noise, music, and cooking classes (unfortunately I didn't learn). I mainly thank Andressa, with whom I spent the last years of my doctorate, and we shared such good memories. To my friends from the Chemistry course at FCT-UNESP, with whom I was with every day for 5 years: Thais, Bruno, João, Alessandro, Nathalia, Matheus, Miriam, Aline, and Ricardo. To Professor Aldo Eloiso Job from FCT-UNESP for the use of his laboratories and collaboration in the development of the project. To the Fulbright Commission for the opportunity to develop part of my research in one of the most important research groups on luminescent materials. Especially to Carol, who was always very kind throughout the selection process and the internship period in the United States. To all the Fulbrighters in the 2022–2023 cohort, especially Fernanda, Isis, and Sabrina, the Southern California Fulbrighters, who shared great times with me during this time. To Professor Mark Edward Thompson for opening his laboratory at the University of Southern California (USC) and for the knowledge acquired. To Peter Djurovich for the hours of conversations, which were fundamental in resolving the problems that arose during the development of the project. To Judy Fong, who was very receptive from the first moment I entered the laboratory. To Mattia and Michela, the most Brazilian Italians I know, who made my adaptation process in the United States a little easier. To Mattia and James, with whom I shared hood 3 during my internship. And to all the amazing people I have had the pleasure of meeting and working with: Kelly, Marsel, Allen, Gemma, Jonas, Junru, Collin, Megan, Ao, Konstantin, Nina, Chandler, Francis, Sunil, Eric, Jie, Austin, Mahsa, Caleb, and Sarah. To the teachers who supported me in getting here, from primary education to postgraduate courses. I am extremely grateful to the Institute of Chemistry of the São Paulo State University and to the professors who directly or indirectly influenced my Ph. D studies, especially Professor Marian Rosaly Davolos, for opening the doors of her laboratory and for the support provided during the development of this work. This study was financed in part by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Finance code 001. RESUMO A redução do consumo energético por dispositivos de iluminação e imagem, assim como a eficácia na detecção e diagnóstico de doenças por técnicas de imageamento, passa pelo desenvolvimento de materiais emissivos com alta eficiência de emissão. Em ambas as áreas de aplicação, luminóforos vermelhos são de grande interesse, já que por ora podem compor o sistema RGB, possibilitando a geração de qualquer cor luz, inclusive a sensação de luz branca, e ora porque em ensaios biológicos a emissão vermelha distingue-se da autofluorescência do tecido celular, que normalmente ocorre na região do azul ao verde, além da luz vermelha ser menos absorvida pelo sangue, gordura e pele. Complexos emissivos no vermelho com alta pureza da cor são facilmente obtidos através da utilização do íon EuIII, o qual possui bandas estreitas de emissão, todavia, embora os emissores vermelhos baseados no íon EuIII tenham alta pureza de cor, o Φ é tipicamente menor do que emissores baseados em metais do bloco d. Estrategicamente, a síntese de complexos heterobimetálicos d-f, combinando o alto Φ dos complexos do bloco d com a alta pureza de cor dos íons lantanídeos tem sido explorada. Neste contexto, novos sistemas utilizando os íons IrIII e EuIII foram sintetizados e estudados, tendo como foco a compreensão do processo de sensibilização ao íon EuIII em sistemas bimetálicos, assim como estudar as estratégias para aplicá-los em dispositivos de iluminação de estado sólido, no sensoreamento de oxigênio dissolvido, e em imageamento celular. Duas abordagens para sintetizar complexos heterolépticos de IrIII foram estudadas, objetivando obter complexos com diferentes arranjos (cis e trans), ficando evidente que os diferentes arranjos influenciam nas propriedades fotofísicas dos complexos. Dois novos complexos bimetálicos IrIII-LnIII (LnIII = GdIII ou EuIII) foram estudados, e mostraram que o processo de sensibilização ao íon EuIII não é estritamente dependente da diferença energética entre o estado doador e o estado emissor (5D0) quando em solução, já que mesmo que o estado doador 3MLCT esteja situado em região de baixa energia, a sensibilização é um processo favorável quando medido em solventes com alta polaridade. O complexo heterobimetálico de IrIII-EuIII foi imobilizado em filmes de PMMA e aplicado na fabricação de protótipos do tipo LED recoberto, objetivando aplicação em iluminação de estado sólido. Através da modulação da voltagem aplicada ao chip LED UV utilizado como fonte de excitação, determinou-se que a energia mínima do nível doador 3MLCT para observar apenas a emissão vermelha do íon EuIII é de 19.103 cm-1. Por fim, partículas de sílica decoradas com complexos de IrIII-EuIII foram estudadas na detecção de oxigênio dissolvido. As medições na detecção de oxigênio mostraram que o híbrido final tem uma resposta não-linear com sensibilidade de 70,5%. Os testes de toxicidade foram realizados utilizando células Huh-7.5 e as nanopartículas SiO2- EuIIIIrIII foram atóxicas em concentrações entre 1,56 e 400 µg·mL-1. Através de microscopia confocal foi comprovado que as nanopartículas foram internalizadas pelas células mantendo suas propriedades luminescentes, habilitando-as como sondas para imageamento celular. Palavras-chave: lantanídeo; irídio; complexo heterobimetálico; iluminação de estado sólido; sensoreamento de oxigênio. ABSTRACT To reduce the energy consumption of lighting and imaging devices, as well as to increase the effectiveness to detect and to diagnose diseases through imaging techniques, involves the development of emissive materials with high emission efficiency. In both areas of application, red luminophores are of great interest because they can compose the RGB system, enabling the generation of light of any color, including the sensation of white light, and because in biological tests, the red emission is distinguished from the autofluorescence of cellular tissue, which normally occurs in the blue to green region. In addition, red light is less absorbed by blood, fat, and skin. Red emissive complexes with high color purity are easily obtained using the EuIII ion, which have narrow emission bands. However, although red emitters based on the EuIII ion have high color purity, Φ is typically lower than that of emitters based on d- metal complexes. Strategically, the synthesis of heterobimetallic d-f complexes, combining the high Φ of d-metal complexes with the high color purity of lanthanide ions, has been explored. In this context, new systems using IrIII and EuIII ions were synthesized and studied, with a focus on understanding the sensitization process to EuIII ion in bimetallic systems, as well as studying strategies to apply them in solid- state lighting devices, dissolved oxygen, and cell imaging. Two approaches for the synthesis of heteroleptic IrIII complexes were studied, aiming to obtain complexes with different arrangements (cis and trans). It became evident that the different arrangements influence the photophysical properties of the complexes. Two new bimetallic complexes IrIII-LnIII (LnIII = GdIII or EuIII), were studied and showed that the sensitization process to the EuIII ion is not strictly dependent on the energetic difference between the donor state and the emitter state (5D0) when in solution, since when the 3MLCT donor state is in a low-energy region, sensitization is a favorable process if in solvents with high polarity. The IrIII-EuIII heterobimetallic complex was immobilized in PMMA films and used in the manufacture of coated LED prototypes, aiming for application in solid state lighting. By modulating the voltage applied to the UV LED chip used as an excitation source, it was determined that the minimum energy of the 3MLCT donor level to observe only the red emission of the EuIII ion in a rigid system is 19,103 cm-1. Finally, silica particles decorated with IrIII-EuIII complexes were studied for the detection of dissolved oxygen. Oxygen detection measurements showed that the final hybrid has a non-linear response with a sensitivity of 70.5%. Toxicity tests were performed using Huh-7.5 cells, and SiO2-EuIIIIrIII nanoparticles were found to be nontoxic at concentrations between 1.56 and 400 µg·mL-1. Through confocal microscopy, it was proven that the nanoparticles were internalized by cells while maintaining their luminescent properties, making them promising candidates as probes for cellular imaging. Keywords: lanthanides; iridium; heterobimetallic complex; solid state lighting; oxygen sensing List of ligands and polymers Structure Name (Abbreviation) 2-(2,4-difluorphenyl)pyridine (dfppy) 2,2’-bipyridine-3,3’-dicarboxylic acid (bpdc) Pyrimidine-2-carboxylic acid (pmc) 2,4,6-tris(2-pyridyl)-s-triazine (tptz) Tetraethyl orthosilicate (TEOS) 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate (IPTES) 4-(aminomethyl)benzoic acid (abac) Poly(methyl methacrylate) (PMMA) Molecules and particles synthesized in this study Structure Abbreviation [(dfppy)2Ir(µ-Cl)2Ir(dfppy)2] N,N-trans-[Ir(dfppy)2(bpdc)], N,N-(trans)-IrIIIp, or IrIII-p N,N-cis-[Ir(dfppy)2(bpdc)], or N,N-(cis)-IrIIIp N,N-trans-[Ir(dfppy)2(pmc)], or N,N-(trans)-IrIIIm N,N-cis-[Ir(dfppy)2(pmc)], or N,N-(cis)-IrIIIm N,N-trans-[Ir(dfppy)2(tptz)], or N,N-(trans)-IrIIIt N,N-trans-[Ir(dfppy)2(tptz)], or N,N-(cis)-IrIIIt [{Ir(dfppy)2(µ-bpdc)}3Eu2]Cl3·nH2O·mCH3OH IrIII-EuIII [{Ir(dfppy)2(µ-bpdc)}3Gd2]Cl3·nH2O·mCH3OH IrIII-GdIII SiO2 SiO2-NCO SiO2-COOH SiO2-COOEuIII SiO2-COOEuIII-IrIII * For simplicity, only the Δ stereoisomer of the six complexes and IrIII-dimer precursor are represented here, however the classic Nonoyama route lead to a racemic mixture of both Δ and Λ stereoisomers. ** The molecules grafted onto silica particles are out of scale, and merely represent an illustration of the formation of the hybrid. 6 List of figures Figure 1. Emission spectra of selected trivalent lanthanide ions. ........................... 38 Figure 2. Partial energy diagram of EuIII (4f6) showing the relative magnitudes of interelectronic repulsion (terms), spin–orbit coupling (levels), and crystal- field effects (sublevels). On the right side, the emission spectrum of EuIII ion in the [Eu(salen)2] complex is presented. The complex structure is also inserted []. ............................................................................................... 39 Figure 3. Schematic and simplified molecular orbital diagram for an octahedral d6 metal complex involving 2-phenylpyridine (ppy) (C3 symmetry)-type ligands, in which various possible transitions are indicated. On the right side, the emission spectrum of [Ir(ppy)3] complex is presented, and the complex structure is also inserted. Adapted from [50]. ........................... 42 Figure 4. Energy transfer between IrIII complex and EuIII in a bimetallic system. .... 44 Figure 5. The triplet energy of IrIII complexes used to sensitize the EuIII ion in IrIII-EuIII heterobimetallic complexes found in the literature. ................................. 45 Figure 6. a) Representation of the sum of spins used to determine the spin multiplicity; b) representation of spin angular momentum vectors, s1 and s2 iqual ½ to obtain possible values of quantum numbers s’ and m’s. Source: Adapted from []. ...................................................................................... 56 Figure 7. A) The OLED multilayer structure and (B) a scheme of the OLED multilayer energy diagram....................................................................................... 57 Figure 8.Trans and cis isomers of iridium complexes reported in the literature. A) trans and cis N,N-[Ir(2-phenylpyridine)2(2-carboxy-4-dimethyl amino pyridine)] (N984) [116]; B) trans and cis N,N-[Ir(dfppy)2(dfbdpH)Cl] [117]; C) trans and cis N,N-[Ir-(dfptrBz)2(dmbpy)]+ (dmbpy = 4,40-dimethyl-2,20- bipyridine) [118]; and D) trans and cis C,C-[Ir(Ph-Im)2(dmbpy)]+ (Ph-Im = 3-Methyl-1-phenyl-1H-imidazol-3-ium) [119]. ......................................... 59 Figure 9. IrIII-based complexes synthesized in this chapter. ................................... 61 Figure 10. FTIR spectra of the bpdc ligand (black), N,N-trans-IrIIIp (blue), N,N-cis- IrIIIp (red), and the precursor dimer [(dfppy)2Ir(µ-Cl)2Ir(dfppy)2] (green). . 65 Figure 11. FTIR spectra of the pmc ligand (black), N,N-trans-IrIIIm (blue), N,N-cis- IrIIIm (red), and the precursor dimer [(dfppy)2Ir(µ-Cl)2Ir(dfppy)2] (green). 66 Figure 12. FTIR spectra of pmc ligand (green), N,N-trans-IrIIIt (blue), N,N-cis-IrIIIt (red), and the precursor dimer [(dfppy)2Ir(µ-Cl)2Ir(dfppy)2] (black). ......... 67 Figure 13. MALDI spectra of N,N-trans-IrIIIp (black), N,N-cis-IrIIIp (red), N,N-trans- IrIIIm (green), N,N-trans-IrIIIt (purple), and N,N-cis-IrIIIt (wine). ................ 68 Figure 14. Optimized structures of (A) N,N-trans-IrIIIp and (B) N,N-cis-IrIIIp at the r2SCAN-3c/Def2-TZVP level. Grey = carbon, white = hydrogen, green = fluor, blue = nitrogen, and orange = iridium. ........................................... 69 Figure 15. Molecular orbitals of N,N-trans-IrIIIp. (A) HOMO-1, (B) HOMO, (C) LUMO, (D) LUMO+1, (E) LUMO+2. The isosurface was considered with a value of 0.04 e/a0 3. ........................................................................................... 70 Figure 16. Molecular orbitals of N,N-cis-IrIIIp. (A) HOMO-1, (B) HOMO, (C) LUMO, (D) LUMO+1, (E) LUMO+2. The isosurface was considered with a value of 0.04 e/a0 3. ........................................................................................... 70 Figure 17. Optimized structures of (A) N,N-trans-IrIIIm and (B) N,N-cis-IrIIIm at the r2SCAN-3c/Def2-TZVP level. Grey = carbon, white = hydrogen, green = fluor, blue = nitrogen, and orange = iridium. ........................................... 71 Figure 18. Molecular orbitals of N,N-trans-IrIIIm. (A) HOMO-2, (B) HOMO-1, (C) HOMO, (D) LUMO, (E) LUMO+1, (F) LUMO+3. The isosurface was considered with a value of 0.04 e/a0 3. .................................................... 72 Figure 19. Molecular orbitals of N,N-cis-IrIIIm. (A) HOMO-2, (B) HOMO-1, (C) HOMO, (D) LUMO, (E) LUMO+1, (F) LUMO+3. The isosurface was considered with a value of 0.04 e/a0 3. .................................................... 72 Figure 20. Optimized structures of (A) N,N-trans-IrIIIt and (B) N,N-cis-IrIIIt at the r2SCAN-3c/Def2-TZVP level. Grey = carbon, white = hydrogen, green = fluor, blue = nitrogen, and orange = iridium. ........................................... 73 Figure 21. Molecular orbitals of N,N-trans-IrIIIt. (A) HOMO-3, (B) HOMO-2, (C) HOMO, (D) LUMO, (E) LUMO+1, (F) LUMO+2. The isosurface was considered with a value of 0.04 e/a0 3. .................................................... 73 Figure 22. Molecular orbitals of N,N-cis-IrIIIt. (A) HOMO-3, (B) HOMO-2, (C) HOMO, (D) LUMO, (E) LUMO+1, (F) LUMO+2. The isosurface was considered with a value of 0.04 e/a0 3. ....................................................................... 74 Figure 23. Theoretical (dashed) and experimental (continuous) absorption and emission spectra of A) and B) N,N-(trans-cis)-IrIIIp; C) and D) N,N-(trans- cis)-IrIIIm; and E) and F) N,N-(trans-cis)-IrIIIt. .......................................... 75 Figure 24. Excitation and emission spectra of N,N-(trans)-IrIIIp measured in different solvents. ................................................................................................. 77 Figure 25. Excitation and emission spectra of N,N-(cis)-IrIIIp measured in different solvents. ................................................................................................. 77 Figure 26. Excitation and emission spectra of N,N-(trans)-IrIIIm measured in different solvents. ................................................................................................. 79 Figure 27. Excitation and emission spectra of N,N-(cis)-IrIIIm measured in different solvents. ................................................................................................. 80 Figure 28. Excitation and emission spectra of N,N-(trans)-IrIIIt measured in different solvents. ................................................................................................. 81 Figure 29. Excitation and emission spectra of N,N-(cis)-IrIIIt measured in different solvents. ................................................................................................. 81 Figure 30. Timeline representing some of the most important findings of IrIII-LnIII bimetallic systems. ................................................................................. 89 Figure 31. Schematic illustration of potential energy transfer mechanisms in the IrIII- EuIII and IrIII-TbIII complexes. Solid, dashed, and wavy arrows represent excitation, nonradiative processes (energy transfer), and luminescence, respectively. Adapted from [154]. ........................................................... 91 Figure 32. MALDI TOF spectrum obtained to IrIII-EuIII bimetallic complex. ............. 94 Figure 33. A) FTIR spectra of the IrIIIp, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes, B) magnification of the region from 1350 cm-1 to 1650 cm-1. ....................... 94 Figure 34. A) FTIR spectra of the Na2bpdc ligand, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes; and B) most common carboxylate coordination modes and the energy difference between νass(COO−) and νsym(COO−) for each coordination mode in the complexes (Δνc) compared with the energy difference in the ligands (ΔνL). To illustrate, it was used a generic carboxylic acid (benzoic acid). ....................................................................................................... 95 Figure 35. A) emission spectra obtained after each addition of EuCl3; and B) graphic of the ratio of IrIII/EuIII and the energy of the maximum emission of the IrIII complex. ................................................................................................. 96 Figure 36. A) emission spectra obtained after each addition of GdCl3; and B) graphic of the ratio of IrIII/GdIII and the energy of the maximum emission of the IrIII complex. ................................................................................................. 96 Figure 37. Emission spectra acquired in the solid state of IrIIIp, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes. All measurements were carried out with a bandpass of 2.5 nm for both Ex and Em, with an increment of 0.5 nm and an integration time of 0.5 s. The color diagram represents the energy levels of the donor state (3MLCT), and selected states of the EuIII ion. ......................................... 97 Figure 38. Excitation and emission spectra of A) IrIII-p; B) IrIII-GdIII; and C) IrIII-EuIII complexes in the solid state and in various solvents. Concentration in solution of 1.0x10-5 mol·L-1. All measurements were carried out with a bandpass of 2.5 nm for both Ex and Em, with an increment of 0.5 nm and an integration time of 0.5 s. Some IrIII-GdIII emission spectra (chloroform, ethyl acetate, and acetonitrile) are contaminated with EuIII ion, as can be seen by the appearance of a narrow emission band at approximately 616 nm. .................................................................................................. 99 Figure 39. 3MLCT energy state determined using IrIII-GdIII complex measured in different solvents, and emission spectra acquired in chloroform, ethyl acetate, and acetonitrile solution of the IrIII-EuIII complex. Concentration in solution of 1.0x10-5 mol·L-1. All measurements were carried out with a bandpass of 2.5 nm for both Ex and Em, with an increment of 0.5 nm and an integration time of 0.5 s. Full arrows represent favorable energy transfer, and dashed arrows partial energy transfer. ............................ 100 Figure 40. Excitation and emission spectra of IrIII-p, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes measured in A) ethyl acetate, B) acetonitrile, and C) DMSO. Concentration in solution of 1.0x10-5 mol·L-1. All measurements were carried out with a bandpass of 2.5 nm for both Ex and Em, with an increment of 0.5 nm and an integration time of 0.5 s. .................................................................. 102 Figure 41. Excitation and emission spectra of IrIIIp, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes measured in A) methanol and B) water. Concentration in solution of 1.0x10-5 mol·L-1. All measurements were carried out with a bandpass of 2.5 nm for both Ex and Em, with an increment of 0.5 nm and an integration time of 0.5 s. ......................................................................................... 106 Figure 42. Vibrational coupling between the 5D0 emitting level of the EuIII ion and some of the most common quenching oscillators. A generic coordination sphere of EuIII complex is inserted to illustrate the coordination of OH oscillators. ............................................................................................ 108 Figure 43. Excitation and emission spectra of IrIII-p, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes measured in A) dichloromethane, and B) chloroform. Concentration in solution of 1.0x10-5 mol·L-1. All measurements were carried out with a bandpass of 2.5 nm for both Ex and Em, with an increment of 0.5 nm and an integration time of 0.5 s. .................................................................. 110 Figure 44. i) Color-mixed LED based on the combination of three LED chips emitting blue, green, and red light; ii) phosphor-converted LED based on a near- UV-emitting LED chip coated with a mixture of phosphors; 3) hybrid LED based on the blue-emitting LED chip coated with a yellow-emitting phosphor. Hybrid LEDs are often called phosphor-converted LED as well [168]. .................................................................................................... 115 Figure 45. Schematic representation of a p-n junction, showing the electron-hole recombination. ...................................................................................... 116 Figure 46. Timeline of our research group (LLuMeS) in application of SSL. ........ 117 Figure 47. A) Excitation and B) emission spectra of IrIII-p doped films. ................ 119 Figure 48. Excitation, and B) emission spectra of IrIII-p-doped films. C) Photographs of IrIII-EuIII-doped PMMA films acquired using an optical microscopy. .. 120 Figure 49. A) Emission spectra of the UV LED-chip used as the excitation source in blue, of Ir-p:LED prototype in green, and of the Ir-p-Eu:LED prototype in yellow. B) Radiant emission spectra obtained hour after hour for the Ir p- Eu:LED prototype. Inserted the energy diagram illustrating the energy decreasing in the donor state of the Ir-p in the fabricated prototype over time. ...................................................................................................... 122 Figure 50. A) Emission spectra obtained hourly from the Ir-p:LED prototype, and B) Radiant stability of each UV LED prototype analyzed within 18 hours. 123 Figure 51. A) Normalized emission spectra obtained under different voltages from the IrIII-p:LED prototype, and B) Emission spectra obtained by varying the voltage applied to the IrIII-EuIII:LED prototype, from 2.90 V to 3.04 V. .. 123 Figure 52. A) Deconvolution of the emission spectra obtained at 3.00V of the Ir-p- Eu:LED prototype, B) linear fit of the IrIII/EuIII emission area ratio as a function of the energy of the maximum emission band of the Ir-p component in the Ir-p-Eu:LED prototype. ............................................. 124 Figure 53. Schematic representation of the deactivation of triplet states of the phosphorescent molecule by oxygen using the simplified Jablonski diagram. ............................................................................................... 128 Figure 54. Schematic illustration of a ratiometric system (a) use of a dynamic luminophore or (b) two dynamic luminophores. Adapted from [209]..... 130 Figure 55. A) Isolated, B) germinal, and C) vicinal silanol groups on silica particles. ............................................................................................................. 132 Figure 56. Timeline of our research group (LLuMeS) on the development of luminescent materials based on silica particles. ................................... 133 Figure 57. Schematic representation of SiO2-EuIIIIrIII synthetic route, the molecules and the particle are out of scale, and merely represent an illustration of the formation of the hybrid. ......................................................................... 137 Figure 58. A) TEM image of SiO2-EuIIIIrIII particles and B) histogram of the size distribution. ........................................................................................... 138 Figure 59. Vibrational spectra of SiO2 (black), SiO2-NCO (red), SiO2-COOH (green), SiO2-Eu (dark blue), and SiO2-EuIr (light blue). .................................... 139 Figure 60. Experimental and theoretical ratios of C/N in the SiO2-COOH, SiO2-EuIII, and SiO2-EuIIIIrIII samples. *The degree of functionalization was determined using the carbon and nitrogen percentages of the SiO2-COOH sample, since only organic matter was graft ed onto it. In the estimation of the C/N ratio of SiO2-EuIIIIrIII was considered two IrIII complexes coordinated into the EuIII ion, in the illustration here presented, there is only one IrIII represented, for the sake of clarity. .......................................... 140 Figure 61. Thermogravimetric curves of the silica samples. ................................. 141 Figure 62. Surface charge estimated by zeta potential of the SiO2, SiO2-NCO, SiO2- COOH, SiO2-EuIII, and SiO2-EuIIIIrIII samples. ....................................... 142 Figure 63. A) Excitation spectra, B) emission spectra of SiO2-EuIII and SiO2-EuIIIIrIII, and color diagram of SiO2-EuIII and SiO2-EuIIIIrIII samples. ................... 143 Figure 64. Schematic representation of IrIII moiety emission suppression in the SiO2- EuIIIIrIII hybrid. ....................................................................................... 144 Figure 65. Emission spectra obtained at different dissolved oxygen (DO) concentrations, and schematic representation of two main quenching channels to IrIII. ..................................................................................... 145 Figure 66. Variation in the color perception represented by CIE 1931 2° color coordinates. .......................................................................................... 146 Figure 67. Emission lifetime of the IrIII moiety in A) air and B) after purging nitrogen gas. ....................................................................................................... 147 Figure 68. A) Graphical representation of the IrIII/EuIII ratio with dissolved oxygen (DO) variation, and B) Stern-Volmer plot where I0 is the IrIII/EuIII ratio with 0 ppm DO, and I is the IrIII/EuIII ratio with different DO concentrations. 148 Figure 69. Cell viability of SiO2-EuIIIIrIII sample obtained from the Huh 7.5 cell line using MTT assays. ............................................................................... 151 Figure 70. Confocal images of Huh cells incubated with SiO2-EuIIIIrIII sample (50 µg·mL-1). A) Nuclei stained with Hoechst dye; B) IrIII component emission; C) EuIII emission; D) merge of B and C images; E) merge of A and B images; F) merge of A and C images; and G) merge of E and F images. ............................................................................................................. 152 List of tables Table 1. Emission quantum yield of red, green, and blue emitters based on IrIII ion. λem is the maximum emission wavelength, and Φ is the emission quantum yield. ....................................................................................................... 35 Table 2. Comparison of incandescent, fluorescent, LED, and OLED lamps []. ....... 55 Table 3. Root mean square deviation (RMSD) between ground and excited states for each complex. ........................................................................................ 64 Table 4. Molecular orbital composition analysis (%) for each ligand and metal center. Molecular orbital composition analysis (%) for each ligand and metal center. Decomposition was performed through Muliken-partition [] in MultiWFN software []. ............................................................................. 69 Table 5. Molecular orbital composition analysis (%) for each ligand and metal center. Decomposition was performed through Muliken-partition [134] in MultiWFN software [135]. ........................................................................................ 71 Table 6. Molecular orbital composition analysis (%) for each ligand and metal center. The decomposition was performed using the Muliken partition [134] in MultiWFN software [135]. ....................................................................... 73 Table 7. HOMO, LUMO, and energy difference between the HOMO and LUMO orbitals (ΔE = LUMO – HOMO) of the complexes under study. .............. 74 Table 8. Photophysical properties of N,N-(trans)-IrIIIp and N,N-(cis)-IrIIIp complexes measured in different solvents. 𝛷 is the overall emission quantum yield, τ is the emission lifetime, 𝑘𝑟 is the radiative decay rate, and 𝑘𝑛𝑟 is the nonradiative decay rate. ......................................................................... 78 Table 9. Photophysical properties of N,N-(trans)-IrIIIm and N,N-(cis)-IrIIIm complexes measured in different solvents. 𝛷 is the overall emission quantum yield, τ is the emission lifetime, 𝑘𝑟 is the radiative decay rate, and 𝑘𝑛𝑟 is the nonradiative decay rate. ......................................................................... 80 Table 10. Photophysical properties of N,N-(trans)-IrIIIt and N,N-(cis)-IrIIIt complexes measured in different solvents. 𝛷 is the overall emission quantum yield, τ is the emission lifetime, 𝑘𝑟 is the radiative decay rate, and 𝑘𝑛𝑟 is the nonradiative decay rate. ......................................................................... 82 Table 11. Photophysical properties of IrIII-p, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes measured in ethyl acetate, acetonitrile (ACN), and DMSO. 𝛷 is the overall emission quantum yield, 𝜏𝐼𝑟 is the IrIII moiety lifetime, 𝑘𝑟 is the radiative decay rate, 𝑘𝑛𝑟 is the nonradiative decay rate, 𝛷𝐸𝑢𝐸𝑢 is the intrinsic emission quantum yield, 𝜏𝐸𝑢 is the emission lifetime, and Ar and Anr are the radiative and nonradiative decay rates of the 5D0 emissive state of EuIII ion. Concentration in solution of 1.0x10-5 mol·L-1. ................................ 103 Table 12. Judd-Ofelt parameters (Ω2 and Ω4) and area ratio between emission bands related to 5D0→7F2 and 5D0→7F1 transitions. ........................................ 105 Table 13. Photophysical properties of IrIII-p, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes measured in methanol and water. 𝛷 is the overall emission quantum yield, 𝜏𝐼𝑟 is the IrIII moiety lifetime, 𝑘𝑟 is the radiative decay rate, 𝑘𝑛𝑟 is the nonradiative decay rate, 𝛷𝐸𝑢𝐸𝑢 is the intrinsic emission quantum yield, 𝜏𝐸𝑢 is the emission lifetime, and Ar and Anr are the radiative and nonradiative decay rates of the 5D0 emissive state of EuIII ion. ............. 107 Table 14. Judd-Ofelt parameters (Ω2 and Ω4) and area ratio between emission bands related to 5D0→7F2 and 5D0→7F1 transitions. ........................................ 109 Table 15. Photophysical properties of IrIII-p, IrIII-GdIII, and IrIII-EuIII complexes measured in dichloromethane (DCM) and chloroform. 𝛷 is the overall emission quantum yield, 𝜏𝐼𝑟 is the IrIII moiety lifetime, 𝑘𝑟 is the radiative decay rate, 𝑘𝑛𝑟 is the nonradiative decay rate, 𝛷𝐸𝑢𝐸𝑢 is the intrinsic emission quantum yield, 𝜏𝐸𝑢 is the emission lifetime, and Ar and Anr are the radiative and nonradiative decay rates of the 5D0 emissive state of EuIII ion. ........................................................................................................ 111 Table 16. Judd-Ofelt parameters (Ω2 and Ω4) and area ratio between emission bands related to 5D0→7F2 and 5D0→7F1 transitions. ........................................ 111 Table 17. Solvent properties and influence on the photoluminescent properties of IrIII- EuIII bimetallic complex studied in this work. ........................................ 112 Table 18. Percentage values and ratio between carbon and nitrogen calculated (theo.) and found (exp.) for SiO2-COOH, SiO2-EuIII, and SiO2-EuIIIIrIII. . 140 Table 19. Photophysical results from SiO2-EuIII and SiO2-EuIIIIrIII Samples. ......... 143 LIST OF ABBREVIATIONS 1LC singlet ligand-centered transitions 1LLCT singlet ligand-to-ligand charge-transfer 1MLCT singlet metal-to-ligand charge-transfer 3LC triplet ligand-centered transitions 3LLCT triplet ligand-to-ligand charge-transfer 3MLCT triplet metal-to-ligand charge-transfer A acceptor state ATP adenosine triphosphate BC Before Crist BSA bovine serum albumin protein CCT correlated color temperature CFSE Crystal Field Stabilization Energy CPS counts per seconds CRI color rendering index D donor state DCL down-conversion DFT density functional theory DO dissolved oxygen EBL electron blocking layer EML emissive layer ET energy transfer ETL electron transport layer FED forced electric dipole FTIR Furrier transformed infrared HBL hole blocking layer HOMO highest occupied molecular orbital HTL hole transport layer IPTES 3-(triethoxysilyl)propyl isocyanate ISC intersystem crossing ITO indium-tin-oxide LC ligand-centered states LE luminous efficacy LEDs light-emitting diodes LnIII LanthanideIII LOD limit of detection LUMO lowest unoccupied molecular orbital MALDI Matrix Assisted Laser Dersoption/Ionization MC metal-centered states MLCT metal-to-ligand charge transfer states MO molecular orbital MOFs metal organic frameworks MR magnetic resonance MTT 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide NIR near-infrared NMR nuclear magnetic resonance OLEDs organic light-emitting diodes PBS Phosphate buffer saline PET photo-induced electron transfer PLEDs polymeric light-emitting diodes RGB Red, Green, and Blue RMSD Root mean square deviation SMMs Single-molecule magnets SOC Spin-orbit coupling SSL solid-state lighting TD-DFT time-dependent DFT TEA Tetraethylammonium TEOS silicon tetra alkyl orthosilicate TEM transmittance electronic microscopy UCL up-conversion luminescence US United States WLED white light-emitting diode LIST OF SYMBOLS λem maximum emission wavelength τ emission lifetime 𝝉𝑬𝒖 emission lifetime of the europium ion 𝝌 = n(n+2)2/9 correction of the local Lorentz field Φ emission quantum yield 𝜱𝑬𝒖 𝑬𝒖 intrinsic emission quantum yield φ luminous flux δ deformation ΨT total triplet wave function 〈Ѱ𝒇‖Ս(𝝀)‖Ѱ𝒊〉 double reduced elements Ωλ Judd-Ofelt parameters ω angular frequency A01 spontaneous decay rate of the 5D0→7F1 transition Anr nonradiative decay rate of the europium ion Ar radiative decay rate of the europium ion 𝑨𝒕 total decay rate g even (from the German gerade) kn radiative decay rate knr nonradiative decay rate n refraction index Pout optical output power of the source 𝑺𝒇←𝒊 oscillator strength u odd (from German ungerade) νas antisymmetric stretching νs symmetric stretching Table of contents Chapter 1 ................................................................................................................ 35 General introduction, statement of the problem, theory, and review of literature ................................................................................................................................ 35 1.1. Overview .................................................................................................... 35 1.2. Lanthanide Properties ................................................................................ 37 1.3. IridiumIII complexes .................................................................................... 41 1.4. d-f heterobimetallic complexes ................................................................... 43 1.5. General aim of this Ph.D Thesis ................................................................. 46 1.6. Specific aims .............................................................................................. 46 1.7. Characterization techniques ....................................................................... 46 1.8. References ................................................................................................. 48 Chapter 2 ................................................................................................................ 53 IrIII-based complexes: Influence of the synthesis procedure on photoluminescent properties ............................................................................... 53 2.1. Introduction ................................................................................................ 53 2.2. Experimental Procedure ............................................................................. 61 2.3. Structural characterization .......................................................................... 65 2.4. Theoretical calculations .............................................................................. 69 2.5. Photoluminescence study .......................................................................... 76 2.6. Conclusion ................................................................................................. 82 2.7. References ................................................................................................. 83 Chapter 3 ................................................................................................................ 88 IrIII-LnIII Heterobimetallic complexes: The sensitization process of the EuIII ion ................................................................................................................................ 88 3.1. Introduction ................................................................................................ 88 3.2. Experimental Procedure ............................................................................. 92 3.3. Structural characterization .......................................................................... 93 3.4. Photoluminescence study .......................................................................... 97 3.4.1. Non-protic polar solvents ................................................................... 100 3.4.2. Protic polar solvents .......................................................................... 105 3.4.3. Non-polar solvents ............................................................................. 109 3.5. Conclusions .............................................................................................. 112 3.6. References ............................................................................................... 112 Chapter 4 .............................................................................................................. 115 Heterobimetallic IridiumIII-EuropiumIII complex applied in PC-LEDs and the role of donor energy on sensitizing the EuIII ion ...................................................... 115 4.1. Introduction .............................................................................................. 115 4.2. Experimental Procedure ........................................................................... 118 4.3. PMMA film characterization ...................................................................... 119 4.4. PC-LEDs prototypes characterization ...................................................... 121 4.5. Conclusions .............................................................................................. 125 4.6. References ............................................................................................... 125 Chapter 5 .............................................................................................................. 127 Silica particles decorated with IrIII-EuIII heterobimetallic complex for oxygen sensing: a luminescent, cytotoxic, and cell imaging study. ............................ 127 5.1. Introduction .............................................................................................. 127 5.2. Experimental Procedure ........................................................................... 135 5.3. Structural characterization ........................................................................ 138 5.4. Photoluminescence study ........................................................................ 142 5.5. Oxygen sensing ....................................................................................... 144 5.6. Cytotoxic study ......................................................................................... 150 5.7. Cell imaging study .................................................................................... 151 5.8. Conclusions .............................................................................................. 153 5.9. References ............................................................................................... 154 Chapter 6 .............................................................................................................. 159 Final Remarks ...................................................................................................... 159 6.1. General conclusion................................................................................... 159 6.2. Resumo expandido em português ........................................................... 161 159 Chapter 6 Final Remarks 6.1. General conclusion The main goal of this Ph.D thesis was to synthesize, characterize d, f, and intermetallic complexes, study the influence of solvents in the sensitization process of the EuIII ion from a 3MLCT state, and then study their applicability as coating phosphors to create solid-state lighting devices, as dissolved oxygen probes, and as cell imaging dyes. The influence of the synthesis parameters to obtain heteroleptic IrIII complexes with different arrangements was efficient for anionic and neutral IrIII-based complexes because the products obtained by different methodologies presented different spectroscopy properties. For cationic IrIII-based complexes, both methodologies produced the same isomer, or both isomers displayed the same emission profile, however, additional characterizations are needed to fully elucidate the complex structures. The spectroscopy studies performed to understand the sensitization process of the EuIII ion in bimetallic complexes made it possible to rationalize some solvent properties that play an important role in this process. Highly polar solvents help EuIII sensitization, demonstrating that even when the 3MLCT donor state is low in energy, energy transfer is a favorable process; another important conclusion is that the energy of the 3MLCT donor state is the most important parameter when performing luminescence measurements in nonpolar or low-polarity solvents, similar to the solid state. The applicability of heterobimetallic IrIII-EuIII complex in solid-state lighting devices was evaluated in comparison to a heteroleptic IrIII-based complex. The complexes were immobilized in PMMA film. The IrIII-EuIII bimetallic complex applied as a PC LED showed great radiant stability, losing only 15% of the initial intensity after 18 h of operation, compared with 28% of the IrIII complex prototype. As the bare UV-LED loses approximately 13% of its initial area, it is pertinent to say that the decrease in the total emission area for the IrIII-EuIII:LED prototype is largely due to 160 the decrease in the efficiency of the commercial UV LED-chip used as the excitation source. In addition, with this study, it was possible to determine the minimum energy of the ligand triplet donor level to observe only the red emission of the EuIII ion in a heterobimetallic IrIII-EuIII complex, i.e., 19,103 cm-1. With the aim of biological applications, IrIII-EuIII heterobimetallic complexes were grafted onto silica particles to overcome the low water solubility of the complexes and make them suitable for such applications. Structural characterizations confirmed the formation of spherical particles with an average size around 275±13 nm. The functionalization process was attested by elemental and thermal analysis, and by the zeta potential, the final hybrid showed a negative value of - 14.20 mV, which is adequate to form a stable colloidal suspension. From the photoluminescent characterization, it was possible to attest to the dual-emission character of the material under study. The excitation band of the final hybrid extends from 250 nm to approximately 550 nm. This feature is crucial when bioapplication is intended because low excitation energy can be used to excite the luminescent probe, thereby avoiding possible damage to biotissues. The luminescent silica particles were tested in oxygen sensing tests. Oxygen sensing measurements showed that the final hybrid has a nonlinear response to oxygen concentration. In contrast to what was expected, with the decrease in oxygen content, the IrIII emission moiety exhibits a decrease in emission intensity compared with the EuIII ion. This increase in the sensitization process can be attributed to the increase in the emission lifetime of the 3MLCT state because the electrons that populate the 3MLCT state of the IrIII moiety have more time to migrate to the 5D0 or 5D1 level of the EuIII ion. Toxicity assays were performed using the Huh-7.5 cell line, and the SiO2-EuIIIIrIII nanoparticles were nontoxic at concentrations between 1.56 and 400 µg·mL-1. The cells were incubated for 4 h with a suspension of 50 µg·mL-1 to obtain confocal microscopy images. The images prove that the nanoparticles were internalized by the cells, maintaining their luminescent properties because green and red emissions were separately detected using different laser excitations. 161 6.2. Resumo expandido em português Dados da literatura mostram uma correlação entre a eficiência de emissão e a energia do comprimento de onda máximo de emissão de um luminóforo. Normalmente, quanto mais deslocado para o vermelho for a emissão, menor será o rendimento quântico, o que é explicado pela lei do gap de energia. Assim, os emissores vermelhos normalmente têm rendimentos quânticos de emissão mais baixos do que os emissores azuis ou verdes. Isto mostra a importância da investigação centrada na síntese de novos compostos emissores no vermelho, objetivando o melhoramento do rendimento quântico de emissão, tornando-os comparáveis aos emissores azuis e verdes em termos de eficiência. As três cores citadas acima podem formar um sistema denominado RGB (do inglês Red, Green, e Blue), no qual, através da modulação da emissão dessas três cores fundamentais da luz, pode-se gerar praticamente qualquer cor luz. Este sistema é utilizado para toda produção de luz que requeira modulação de cores e eventualmente para criação de luz branca, seja para iluminação, fins decorativos ou aplicações em telas e displays de dispositivos eletrônicos. Tais emissores vermelhos não são importantes apenas para aplicações tecnológicas, mas também para ensaios biológicos como corantes de imagem ou sensores, uma vez que a emissão de tais luminóforos pode ser distinguida da autofluorescência do meio biológico, que ocorre nas regiões azul e verde. Além disso, a luz vermelha é menos absorvida pelo sangue, gordura e pele. Dessa forma, à medida que menos fótons vermelhos e infravermelhos são absorvidos pelo corpo, mais fótons chegam ao detector e respostas mais confiáveis podem ser obtidas por meio de imagens. O uso de sondas luminescentes para analisar variáveis em meios biológicos, como a concentração de O2 dissolvido, é muito útil no diagnóstico de algumas doenças, pois alterações nas concentrações podem indicar estados patológicos que podem resultar em alterações celulares e/ou morte de todo o organismo. Visando as duas aplicações citadas, iluminação e detecção de oxigênio em meio biológico, nesta tese de doutorado foram realizadas sínteses e estudos espectroscópicos de novos complexos luminescentes de IrIII, EuIII, e IrIII-LnIII ancorados ou não em partículas de sílica. 162 O íon európioIII foi escolhido porque as transições f-f nos íons lantanídeos fornecem uma propriedade única de emissão de luz. Os orbitais 4f são protegidos sofrendo pouca influência do ambiente químico externo, o que resulta em bandas estreitas de emissão com alta pureza de cor. As cores referentes à emissão de íons lantanídeos variam de acordo com a posição energética dos níveis, que por sua vez depende do preenchimento do orbital 4f. O íon EuIII, por exemplo, exibe uma emissão característica na região vermelha. Entretanto, explorar as propriedades luminescentes desses íons é difícil porque eles apresentam baixa absortividade molar (em torno de 10 L·mol-1·cm-1), típica das transições f-f que são proibidas, principalmente pela regra de seleção de Laporte e, em alguns casos, também pela de spin. Para superar o problema da baixa absortividade molar imposta aos íons lantanídeos pelas regras de seleção, uma alternativa é coordenar moléculas orgânicas, ou complexos metálicos do bloco d em íons lantanídeos, que possuem maior absortividade molar e são capazes de transferir a energia absorvida para o íon lantanídeo. Este mecanismo de sensibilização é comumente conhecido como "efeito antena". Essa sensibilização pode ser completa ou parcial, dependendo da diferença de energia entre os níveis do doador e do aceitador. No capítulo 2, é discutido a síntese de complexos de IrIII que posteriormente poderão ser utilizados na síntese de complexos heterobimetálicos do tipo d-f. Considerando que diferentes metodologias para sintetizar complexos bis- ciclometalados de IrIII podem influenciar o arranjo químico dos átomos, produzindo diferentes isômeros, foi apresentada a síntese de três pares de isômeros trans-cis, e estudada a influência da metodologia sintética em suas propriedades luminescentes. Para este propósito, um dímero precursor de IrIII foi sintetizado através da rota de Nonoyama usando o ligante ciclometalante 2-(2,4- difluorofenil)piridina (dfppy). O ligante dfppy foi escolhido por sua grande separação entre os orbitais HOMO e LUMO, o que resulta na emissão deslocada para o azul em comparação com outros ligantes ciclometalantes regularmente usados. Após, os complexos heterolépticos baseados em IrIII foram sintetizados utilizando duas metodologias diferentes. O isômero trans foi sintetizado à temperatura ambiente e o isômero cis a 110°C sob sistema de refluxo. Os ligantes ancilares foram escolhidos para sintetizar complexos com diferentes cargas. Primeiro, o ligante ácido 2,2'- bipiridina-3,3'-dicarboxílico (bpdc) resultou em complexos aniônicos, o ligante ácido 163 pirimidina-2-carboxílico (pmc) em complexos neutros e, finalmente, o ligante 2,4,6- tris(2-piridil)-s-triazina (tptz) resultou em complexos carregados positivamente. Além disso, estes ligantes ancilares também foram escolhidos para formar complexos heterolépticos de IrIII com um segundo sítio de coordenação, que pode então ser usado para sintetizar complexos bimetálicos coordenando íons LnIII ou outros íons do bloco d. Através das caracterizações estruturais experimentais (FTIR e MALDI), foi possível concluir que os complexos foram formados com as estequiometrias propostas entre os ligantes ciclometalantes dfppy e os ligantes ancilares (bpdc, pmc e tptz), porém, medidas de RMN de 1H ou monocristais não foram obtidos, e os arranjos corretos dos isômeros não foram elucidadas experimentalmente. Assim, a elucidação de cada isômero foi suportada por cálculos DFT. Os espectros de absorção e emissão foram simulados e posteriormente comparados com aqueles obtidos experimentalmente, os quais apresentaram boa concordância. O primeiro par de isômeros, N,N-(trans-cis)-IrIIIp com carga negativa, apresentou propriedades fotoluminescentes distintas entre os isômeros. O isômero N,N-(cis)-IrIIIp apresentou emissão localizada em maior energia com maiores rendimentos quânticos de emissão e tempos de vida em todos os solventes testados. O par de isômeros N,N- (trans-cis)-IrIIIm, o par neutro, apresentou perfil de emissão diferente entre os isômeros, sendo que o isômero cis novamente apresentou emissão mais deslocada para o azul, entretanto, valores semelhantes de rendimento quântico de emissão e tempo de vida foram observados para ambos os isômeros em todos os solventes testados. O último par de isômeros, N,N-(trans-cis)-IrIIIt, de carga positiva, apresentou espectros de excitação e emissão semelhantes entre os isômeros, com valores semelhantes de rendimento quântico de emissão e tempo de vida, indicando que os diferentes arranjos não influenciam as propriedades fotofísicas deste tipo de complexo, ou indicando que apenas um isômero foi obtido através de ambas as metodologias. No capítulo 3 dois novos complexos bimetálicos de IrIII-LnIII (LnIII = GdIII e EuIII) foram sintetizados, nos quais foi analisada a influência dos solventes nas propriedades luminescentes. O complexo de IrIII utilizado para sintetizar os complexos bimetálicos foi selecionado por análises das propriedades fotofísicas dos complexos de IrIII estudados no Capítulo 2. Energeticamente, o complexo mais adequado para sensibilizar o íon EuIII é N,N-cis-[Ir(dfppy)2(bpdc)], pois apresentou emissão em maior energia entre os complexos de IrIII estudados. Porém, após 164 diversas tentativas de sintetizar complexos bimetálicos através de metodologias úmidas e hidrotérmicas, nenhum sistema bimetálico foi obtido com esse isômero. Portanto, o complexo N,N-trans-[Ir(dfppy)2(bpdc)] foi utilizado como ligante. No capítulo 3, o complexo N,N-trans-[Ir(dfppy)2(bpdc)] foi denominado como IrIII-p. Através dos estudos espectroscópicos realizados neste capítulo, foi possível concluir que alguns propriedades dos solventes auxiliam no processo de transferência de energia e melhoram as propriedades luminescentes em solução de complexos bimetálicos IrIII-EuIII: (i) Solventes altamente polares desempenham um papel importante na sensibilização de EuIII, demonstrando que mesmo quando o estado doador 3MLCT está situado em região de baixa energia, a sensibilização é um processo favorável; (ii) A energia do estado doador 3MLCT é o parâmetro mais importante no processo de sensibilização ao realizar medida em solventes de baixa polaridade; (iii) Os solventes não coordenantes aumentam moderadamente os valores de rendimento quântico de emissão comprados com solventes coordenantes com osciladores OH. No entanto, a coordenação de moléculas de solvente livres de osciladores OH aumenta grandemente os rendimentos quânticos de emissão, e especialmente o rendimento quântico intrínseco do íon EuIII. (iv) Finalmente, os solventes com osciladores OH são fortes supressores da luminescência EuIII. O complexo bimetálico IrIII-EuIII apresentado no Capítulo 3 apresentou emissão amarelo-laranja no estado sólido, sugerindo que em um sistema rígido, como por exemplo, imobilizado em filmes poliméricos, pode ocorrer transferência parcial de energia, e um perfil de espectro de emissão semelhante deve ser obtido. Assim, no capítulo 4, é relatado a preparação de filmes de PMMA emissores no amarelo para aplicação em iluminação de estado sólido. O polímero PMMA foi escolhido por apresentar as melhores qualidades quando aplicado para imobilizar complexos luminescentes, como transparência de absorção na região espectral do visível e atuar como guia de onda. O complexo bimetálico IrIII-EuIII aplicado como PC LED apresentou boa estabilidade radiante, perdendo apenas 15% da intensidade inicial após 18 h de operação. No entanto, o comprimento de onda de emissão dominante apresentou deslocamento para o vermelho devido aquecimento durante o tempo de operação, e, portanto, diminuindo a energia do estado doador 3MLCT do componente IrIII, reduzindo a eficiência do processo de sensibilização ao íon EuIII. 165 Além disso, com este estudo foi possível determinar a energia mínima do nível tripleto doador do ligante para observar apenas a emissão vermelha do íon EuIII em um complexo heterobimetálico IrIII-EuIII, que foi calculada em 19.103 cm-1. Com este resultado é possível prever se um complexo heteroléptico de irídio tem energia suficiente para sensibilizar eficientemente o íon EuIII para produzir compostos com alta pureza de cor na região do vermelho. No capítulo 5, partículas de sílica decoradas com complexos heterobimetálicos de IrIII-EuIII para detecção de oxigênio foram estudadas. As caracterizações estruturais confirmaram a formação de partículas esféricas com tamanho médio em torno de 275±13 nm. O processo de funcionalização foi confirmado por análise elementar e térmica, e por potencial zeta, o híbrido final apresentou valor negativo de -14,20 mV, o que é adequado para formar uma suspensão coloidal estável. A partir da caracterização fotoluminescente foi possível atestar a natureza dual de emissão do material em estudo, apresentando uma banda larga de emissão na região do verde proveniente do complexo ligante de IrIII, e bandas estreitas de emissão do íon EuIII na região espectral vermelha. A banda de excitação do híbrido final estende-se de 250 nm a aproximadamente 550 nm. Esta característica é crucial quando se pretende aplicação em meio biológico, já que baixa energia de excitação pode ser usada para excitar a sonda luminescente, evitando possíveis danos aos tecidos. As medições de detecção de oxigênio mostraram que o híbrido final tem uma resposta não linear à concentração de oxigênio. Para entender o processo de desativação foi utilizado o modelo de Ster-Volmer de dois sítios, e assim ficou evidente uma enorme heterogeneidade do material, pois dois sítios diferentes foram ajustados com aproximadamente 50% cada, porém diferentes constantes de desativação foram determinadas, mostrando que os sítios apresentam diferentes sensibilidades às moléculas de oxigênio. Ao contrário do que seria esperado, com a diminuição do teor de oxigênio, a emissão do complexo de IrIII apresenta uma diminuição na intensidade de emissão em comparação ao íon EuIII. A diminuição do teor de oxigênio aumenta o processo de sensibilização ao íon EuIII. Em altas concentrações de oxigênio, a excitação do estado 3MLCT é extinta por interação com moléculas de oxigênio. Uma vez removidas as moléculas de oxigênio, os elétrons excitados no estado 3MLCT podem ser transferidos para o estado emissivo do íon EuIII, aumentando assim a intensidade relativa desta banda em comparação com a 166 emissão verde do IrIII. Este aumento no processo de sensibilização pode ser atribuído ao aumento no tempo de vida da emissão do estado 3MLCT porque os elétrons que populam o estado 3MLCT do complexo de IrIII têm mais tempo para migrar para o nível 5D0 ou 5D1 do íon EuIII, aumentando assim a probabilidade de a sensibilização ocorrer. Além disso, medindo o tempo de vida, foi possível concluir que o principal mecanismo de extinção neste sistema é o mecanismo dinâmico. O híbrido final apresentou sensibilidade ao oxigênio de 70,5%, valor inferior aos valores já relatados na literatura para sistemas baseados em IrIII ou outros sistemas monometálicos. Porém, é importante mencionar que esta é a primeira vez que partículas de sílica decoradas com sistemas bimetálicos d-f foram aplicadas para quantificar a concentração de oxigênio dissolvido. Desta forma, o presente trabalho ajudará a compreender e propor novos materiais voltados à detecção de oxigênio. Os testes de toxicidade foram realizados utilizando a linhagem celular Huh- 7.5, e as nanopartículas de SiO2-EuIIIIrIII não foram tóxicas em concentrações entre 1,56 e 400 µg·mL-1. As células foram incubadas por 4 h com suspensão de 50 µg·mL-1 para obtenção de imagens de microscopia confocal. As imagens comprovam que as nanopartículas foram internalizadas pelas células, mantendo suas propriedades luminescentes porque as emissões verdes e vermelhas foram detectadas separadamente através de excitação em mesmo comprimento de onda. Estes resultados mostram que este material é uma sonda luminescente raciométrica promissora para marcação celular e detecção de oxigênio em meio biológico.