Acquiring the temperature of a single living cell is not a trivial task. In this paper, we devise a novel nanothermometer, capable of accurately determining the temperature of solutions as well as biological systems such as HeLa cancer cells. The nanothermometer is based on the temperature-sensitive fluorescence of NaYF(4):Er(3+),Yb(3+) nanoparticles, where the intensity ratio of the green fluorescence bands of the Er(3+) dopant ions ((2)H(11/2) --> (4)I(15/2) and (4)S(3/2) --> (4)I(15/2)) changes with temperature. The nanothermometers were first used to obtain thermal profiles created when heating a colloidal solution of NaYF(4):Er(3+),Yb(3+) nanoparticles in water using a pump-probe experiment. Following incubation of the nanoparticles with HeLa cervical cancer cells and their subsequent uptake, the fluorescent nanothermometers measured the internal temperature of the living cell from 25 degrees C to its thermally induced death at 45 degrees C.

The current status of luminescence nanothermometry is reviewed in detail. Based on the main parameters of luminescence including intensity, bandwidth, bandshape, polarization, spectral shift and lifetime, we initially describe and compare the different classes of luminescence nanothermometry. Subsequently, the various luminescent materials used in each case are discussed and the mechanisms at the root of the luminescence thermal sensitivity are described. The most important results obtained in each case are summarized and the advantages and disadvantages of these approaches are discussed.

In this study, we report on the remarkable two-photon excited fluorescence efficiency in the "biological window" of CaF2:Tm3+,Yb3+ nanoparticles. On the basis of the strong Tm3+ ion emission (at around 800 nm), tissue penetration depths as large as 2 mm have been demonstrated, which are more than 4 times those achievable based on the visible emissions in comparable CaF2:Er3+,Yb3+ nanoparticles. The outstanding penetration depth, together with the fluorescence thermal sensitivity demonstrated here, makes CaF2:Tm3+,Yb3+ nanoparticles ideal candidates as multifunctional nanoprobes for high contrast and highly penetrating in vivo fluorescence imaging applications.

In this work, we report the multifunctional character of neodymium-doped LaF3 core/shell nanoparticles. Because of the spectral overlap of the neodymium emission bands with the transparency windows of human tissues, these nanoparticles emerge as relevant subtissue optical probes. For neodymium contents optimizing the luminescence brightness of Nd3+:LaF3 nanoparticles, subtissue penetration depths of several millimeters have been demonstrated. At the same time, it has been found that the infrared emission bands of Nd3+:LaF3 nanoparticles show a remarkable thermal sensitivity, so that they can be advantageously used as luminescent nanothermometers for subtissue thermal sensing. This possibility has been demonstrated in this work: Nd3+:LaF3 nanoparticles have been used to provide optical control over subtissue temperature in a single-beam plasmonic-mediated heating experiment. In this experiment, gold nanorods are used as nanoheaters while thermal reading is performed by the Nd3+:LaF3 nanoparticles. The possibility of a real single-beam-controlled subtissue hyperthermia process is, therefore, pointed out.

The tremendous development of nanotechnology is bringing us closer to the dream of clinical application of nanoparticles in photothermal therapies of tumors. This requires the use of specific nanoparticles that must be highly biocompatible, efficient light‐to‐heat converters and fluorescent markers. Temperature reading by the heating nanoparticles during therapy appears of paramount importance to keep at a minimum the collateral damage that could arise from undesirable excessive heating. In this work, this thermally controlled therapy is possible by using Nd 3+ ion‐doped LaF 3 nanocrystals. Because of the particular optical features of Nd 3+ ions at high doping concentrations, these nanoparticles are capable of in vivo photothermal heating, fluorescent tumor localization and intratumoral thermal sensing. The successful photothermal therapy experiments here presented highlight the importance of controlling therapy parameters based on intratumoral temperature measurements instead of on the traditionally used skin temperature measurements. In fact, significant differences between intratumoral and skin temperatures do exist and could lead to the appearance of excessive collateral damage. These results open a new avenue for the real application of nano­particle‐based photothermal therapy at clinical level.

The technological development of quantum dots has ushered in a new era in fluorescence bioimaging, which was propelled with the advent of novel multiphoton fluorescence microscopes. Here, the potential use of CdSe quantum dots has been evaluated as fluorescent nanothermometers for two-photon fluorescence microscopy. In addition to the enhancement in spatial resolution inherent to any multiphoton excitation processes, two-photon (near-infrared) excitation leads to a temperature sensitivity of the emission intensity much higher than that achieved under one-photon (visible) excitation. The peak emission wavelength is also temperature sensitive, providing an additional approach for thermal imaging, which is particularly interesting for systems where nanoparticles are not homogeneously dispersed. On the basis of these superior thermal sensitivity properties of the two-photon excited fluorescence, we have demonstrated the ability of CdSe quantum dots to image a temperature gradient artificially created in a biocompatible fluid (phosphate-buffered saline) and also their ability to measure an intracellular temperature increase externally induced in a single living cell.

The current status of the use of luminescent nanoparticles for thermometry in animal models is reviewed in detail. The different types of luminescent nanoparticles capable of deep tissue temperature sensing are described, paying special attention to the physical mechanisms at the root of their thermal sensing capacity. Their thermal sensitivities are listed and compared. This review describes the most relevant experiments, in which luminescence nanothermometry has been successfully applied at the small animal level, including the development of controlled thermal therapies as well as subtissue diagnosis procedures. Advantages and disadvantages of different luminescent nanothermometers are discussed.

The recent development of core/shell engineering of rare earth doped luminescent nanoparticles has ushered a new era in fluorescence thermal biosensing, allowing for the performance of minimally invasive experiments, not only in living cells but also in more challenging small animal models. Here, the potential use of active-core/active-shell Nd3+- and Yb3+-doped nanoparticles as subcutaneous thermal probes has been evaluated. These temperature nanoprobes operate in the infrared transparency window of biological tissues, enabling deep temperature sensing into animal bodies thanks to the temperature dependence of their emission spectra that leads to a ratiometric temperature readout. The ability of active-core/active-shell Nd3+- and Yb3+-doped nanoparticles for unveiling fundamental tissue properties in in vivo conditions was demonstrated by subcutaneous thermal relaxation monitoring through the injected core/shell nanoparticles. The reported results evidence the potential of infrared luminescence nanothermometry as a diagnosis tool at the small animal level.

In this work, the thermal sensing capability of Nd 3+ ‐doped Y 3 Al 5 O 12 nanoparticles fabricated by combustion synthesis is reported. Under excitation at 808 nm, the relative intensity of the two spectrally isolated luminescence peaks located at around 940 nm (corresponding to a 4 F 3/2 → 4 I 9/2 transition of the Nd 3+ ions) is found to be markedly temperature‐dependent allowing for ratiometric luminescence nanothermometry. The potential use of neodymium‐doped yttrium aluminum garnet nanoparticles in nanothermometry has been successfully tested in a variety of systems including integrated microelectronics, optofluidic devices, and subtissue ex vivo experiments.