автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка методов синтеза нанодисперсного люминофора NaYF4:Yb:Er для биомедицинских исследований

На правах рукописи

Ясыркина Дарья Семеновна

Разработка методов синтеза нанодисперсного люминофора №УР4:УЬ:Ег для биомедицинских исследований.

05.27.06 - технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

1 ОКТ 2014

005552952

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук

Научный руководитель: кандидат химических наук

Кузнецов Сергей Викторович

Официальные оппоненты: Морозов Игорь Викторович,

доктор химических наук, доцент, Химический факультет, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова»,

ведущий научный сотрудник

Егорышева Анна Владимировна, доктор химических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

Защита состоится «27 октября» 2014 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 002.063.02 Института общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова 38, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук и на сайте www.gpi.ru.

Автореферат разослан « /•? » сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Макаров Вячеслав Петрович

Тел. (499) 503-83-94

Общая характеристика работы Актуальность работы

Развитие современного материаловедения, проходя по пути интеграции химии, физики и биологии, приводит к созданию новых материалов для широкого диапазона использования. В последние годы к неорганическим фторидам проявляется значительный интерес, обусловленный их уникальными физико-химическими свойствами. Порошки фторидов могут быть использованы в ядерной энергетике, как материалы для лазерной и сцинтилляционной керамики, в качестве катализаторов, источников белого света, 3D дисплеев, катодов щелочных батарей и для биомедицинских исследований [1]. Анализ литературных данных показал, что одним из перспективных направлений биомедицинских исследований является использование ап-конверсионных люминофоров видимого диапазона света на основе наночастиц фторидов для различных применений: иммуногистохимия; иммуноцитохимия; комплексные иммунологические, ферментативные, флюоресцентные биоаналитические анализы, проточная цитометрия и in vivo, in situ, ex situ биомедицинская визуализация [2]. К ап-конверсионным люминофорам, применяемым для биомедицинских исследований, предъявляют следующие требования:

- возможность получения устойчивого коллоидного раствора,

- размер наночастиц - 30-100 нм,

- возможность функционализации поверхности наночастиц,

- высокий квантовый выход ап-конверсионной люминесценции,

- минимальная токсичность, стабильность и фотостабильность, легкость выведения из организма.

Преимуществами наночастиц фторидов по сравнению с другими перспективными веществами, такими как квантовые точки на основе токсичных халькогенидов и органические красители, являются: низкий фон автофлуоресценции, узкие полосы люминесценции и фотостабильность. Безопасность использования нанопорошков фторидов для биомедицинских исследований проверена в работе [3] на модельных биологических объектах. Ап-конверсия была впервые продемонстрирована в 60-х годах прошлого века в работах [4, 5] на примере пар редкоземельных элементов Yb—>Ег, Yb—>Тт и Yb—>Но. Явление ап-конверсии позволяет передавать низкоэнергетическое излучение накачки из ближней инфракрасной области (области значительной прозрачности тканей) в высокоэнергетичное излучение люминесценции в видимом диапазоне света (области непрозрачности тканей). Фториды щелочных, щелочноземельных и редкоземельных элементов (РЗЭ) демонстрируют эффективную ап-конверсионную

люминесценцию за счет «коротких» фононных спектров и способности образовывать твердые растворы с активирующими редкоземельными элементами в широком концентрационном диапазоне. Согласно литературным данным [1, 6], одним из таких наиболее перспективных люминофоров является На\Т4 (гексагональная и кубическая фазы). Имеются работы, посвященные увеличению интенсивности ап-конверсионной люминесценции во фторидах за счет создания оболочек вокруг частиц как органической, так и неорганической природы, использования т.н. плазмонных частиц (Ад или Аи), или высокомощных

режимов накачки.

Несмотря на обилие статей по получению ЫаУР4 и исследованию его люминесцентных характеристик, в литературе имеется пробел по описанию методик синтеза ЫаУР4 с использованием одного из самых простых технологических приемов - осаждением из водных растворов, что в случае практического применения может привести к значительному удешевлению методики синтеза. Анализ литературы показал, что большинство авторов проводят исследование люминесцентных характеристик только 2 составов (NaYo.78Ybo.20Ero.02F4 и NaY080Yb0.17Er0.03F4) без объяснения причин их выбора. Необходимость определения оптимального состава с точки зрения максимальной величины квантового выхода (С^У) или энергетического выхода (КПД) ап-конверсионной люминесценции позволит повысить чувствительность биомедицинских исследований.

Цель и задачи работы Целью работы являлась разработка методов синтеза нанодисперсного люминофора NaYF4-.Yb-.Er для биомедицинских исследований.

Для достижения поставленной цели решались следующие

задачи:

1. Отработка методик синтеза порошков гексагональной (№зхК.2-хРб) и кубической (Ыао 5-хКо.5+хр2+2х) фаз, где Я - РЗЭ.

2. Исследование физико-химических и люминесцентных характеристик синтезированных порошков.

3. Определение перспективных составов для получения люминофоров с высоким энергетическим выходом (КПД) ап-конверсионной люминесценции для биомедицинских исследований.

Научная новизна

1. Впервые методом осаждения из водных растворов при комнатной температуре получены однофазные порошки гексагональной фазы на основе NaYF4, легированные РЗЭ в присутствии полиэтиленимина (ПЭИ).

2. Систематически исследовано влияние pH реакционной смеси, порядка смешения реагентов и времени вызревания на фазообразование порошков NaYF4 в присутствии полиэтиленимина.

3. На основе анализа ап-конверсионных люминесцентных характеристик кубической фазы Nao.5-x(Yi.y.zYbyErz)o.5+xF2+2x определены перспективные составы с максимальными значениями энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции.

Практическая значимость

1. Отработаны методики синтеза нанопорошков твердых растворов как гексагональной (Na3xR2.xF6), так и кубической (Nao.s.xRo.5+xF2+2x) фаз.

2. Получены порошки люминофоров с высокими величинами энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции с номинальными составами: NaY0,745Yb0 2зЕг0 025F4 (КПД = 5,49%), NaYo,78Ybo,2Ero,o2F4 (КПД = 4,79%),' NaYo,8,Ybo,nEro,o2F4 (КПД = 4,47%), NaY0,75Yb0,23Er0,02F4 (КПД = 4,29%), пригодные для применения в биомедицинских исследованиях.

На защиту выносится:

1. Методики синтезов порошков твердых растворов на основе NaYF4, легированных иттербием и эрбием, кубической и гексагональной фаз.

2. Совокупность результатов, полученных при изучении физико-химических и люминесцентных характеристик синтезированных порошков.

Апробация

Основные результаты работы докладывались на: XIV Национальной конференции по росту кристаллов (НКРК-2010), 6-10 декабря 2010 г., Москва; 10, 11 Всероссийских конференций с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волновой оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2011), 4-7 октября 2011 г. (Саранск), 2-5 октября 2012 г. (Саранск); XV Международной конференции «Laser Optics», 25-29 июня 2012 г., Санкт-Петербург; 9 Всероссийской конференции «Химия фтора», 22-26 октября 2012 г., Москва; I Конференции молодых ученых ИОФ РАН, 26 апреля 2013г., Москва; 17 European Symposium on Fluorine Chemistry, 21-25 July 2013, Paris (France); 17 International Conference on Crystal Growth and Epitaxy, 11-16 August 2013, Warsaw (Poland); V Всероссийской конференции по наноматериалам (НАНО-2013), 23-27 сентября 2013 г., Звенигород; International Symposium on Inorganic Fluorides: Chemistry and Technology (ISIF-2014), 2-6 June 2014 (Tomsk); International Symposium on the Reactivity of Solids (ICRS-18), 9-13 June 2014 (Saint-Petersburg).

Диссертационная работа выполнена при поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (Г/к №14.740.12.1343), гранта РФФИ (12-02-00851-а), гранта ведущей научной школы (НШ-341.2012.2), Грантов президента РФ (МК-4408.2011.2, МК-3133.2014.2).

Личный вклад

В диссертации изложены результаты работы, выполненной автором в течение 5 лет. Личный вклад в диссертационную работу заключается в постановке задач исследования, проведении экспериментов, обсуждении и обработке результатов, и формулировании основных выводов. Анализ и обобщение результатов по рентгенофазовому анализу, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, регистрации спектров ап-конверсионной люминесценции, оценке величин энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции, оценке квантового выхода генерации синглетного кислорода и его фотодинамической активности выполнены в соавторстве.

Благодарности

Академику Осико В.В. и д.х.н., проф. Федорову П.П. за участие в обсуждении работы и результатов; к.ф.м.н. Воронову В.В. и Ермакову Р.П. за съемку рентгенограмм, расчет областей когерентного рассеяния (ОКР) и величин микродеформаций (е); м.н.с. Уварову О.В. за проведение просвечивающей электронной микроскопии; к.ф.-м.н. Рябовой A.B. и Поминовой Д.В. за съемку спектров люминесценции, расчет величин энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции, измерения эффективности генерации синглетного кислорода и его фотодинамической активности; д.х.н. Иванову В.К. и к.х.н. Баранчикову А.Е. (ИОНХ РАН) за проведение сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектральный микроанализ; Климову А.И. за работы по конъюгации полиэтиленимина и фталоцианина алюминия к поверхности наночастиц.

Публикации

Материалы диссертации содержатся в 5 статьях и 15 тезисах докладов.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, основной части, состоящей из 3 глав, обсуждения результатов, выводов и списка литературы, содержащего 133 наименований. Работа изложена на 140 страницах печатного текста, содержит 65 рисунка и 27 таблиц.

Основное содержание работы Во Введении дана общая характеристика работы, показана актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы.

Первая глава носит обзорный характер и состоит из 3 параграфов.

В первом параграфе описываются физико-химические свойства фторидов щелочных (MF) и редкоземельных элементов (RF3). Во втором параграфе приводится обзор методик получения нанопорошков MF-RF3. В третьем параграфе рассматриваются ап-конверсионные люминофоры, их свойства и применения.

Вторая глава включает в себя описание методов исследования, исходных реагентов и методики синтеза порошков фторидов.

В качестве исходных веществ использовали: NaF марки «ОС.Ч. 93», Y(N03)3*6H20 (99,99%), Yb(N03)3*6H20 (99,99%), Er(N03)3*5H20 (99,99%), Ho(N03)3*5H20 (99,99%), Tm(N03)3*5H20 (99,99%) производства «ЛАНХИТ», полиэтиленимин производства Aldrich, (6001000 kD и 25 kD), изопропиловый спирт марки «ОС.Ч. 11-5» и лимонная кислота марки «Ч.Д.А.».

Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометрах ДРОН 4M (CuKai излучение, монохроматор из пиролитического графита) и Bruker D8 ADVANCE (CuKai излучение), величины параметров решетки и областей когерентного рассеяния (ОКР) рассчитывали в программах Powder 2.0 и TOPAS, соответственно.

Сканирующая электронная микроскопия с рентгеноспектральным микроанализом проводилась на приборе Carl Zeiss NVision 40.

Просвечивающая электронная микроскопия проводилась на Carl Zeiss Libra 200 FE.

Спектры люминесценции порошков были исследованы в области 0.4 - 1.1 мкм с помощью спектрофотометра Hitachi U-3400 (Hitachi Ltd., Япония). Энергетический выход ап-конверсионной люминесценции в видимом диапазоне света измеряли с помощью интегрирующей сферы, волоконно-оптического спектроанализатора, полупроводникового лазера с длиной волны испускания 974 нм при использовании стандартных рассеивающих образцов без поглощения в области возбуждающего лазера, SMA-волоконных световодов и измерителя мощности лазерного излучения на выходе из волоконного световода. При расчете энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции учитывали поглощение образца, аппаратную функцию спектрометра и пропускание фильтра. Определение квантового выхода генерации синглетного кислорода проводилось по уменьшению оптического поглощения ловушки (ADMA — тетра-а,а'-(антрацен-9,10-диил)-бис-метилмалонат натрия) — подходящего химического тушителя синглетного кислорода при помощи спектрофотометра Hitachi U-3400. Фотодинамическую активность определяли спектроскопическим способом по методике, описанной в [7].

Методика синтеза порошков фторидов заключалась в осаждении из водных растворов при комнатной температуре. Проводилось покапельное добавление растворов нитратов в водный раствор фторида натрия (прямое смешивание реагентов), либо раствор фторида натрия покапельно добавляли к раствору нитратов РЗЭ (обратное смешивание реагентов) при интенсивном перемешивании с помощью магнитной мешалки с последующей двукратной промывкой осадка дистиллированной водой. Концентрации исходных растворов варьировали от 0,05 до 1 моль/л.

Для получения порошков фторидов использовали полиэтиленимин и лимонную кислоту. Их использование имеет несколько важных функций: препятствует агломерации частиц, влияет на морфологию частиц и их фазовый состав. Синтез с использованием ПЭИ проводили по вышеописанной схеме, при этом полиэтиленимин добавляли в раствор либо нитратов, либо фторида натрия, тщательно перемешивали (с помощью магнитной мешалки или УЗ-диспергатора), а затем к полученной суспензии покапельно добавляли либо раствор фторида натрия, либо раствор нитратов РЗЭ.

В ряде случаев при синтезе порошков фторидов была использована методика, получившая название «быстрый синтез», которая использовалась для уменьшения времени синтеза и предотвращения процессов агломерации частиц. Продолжительность эксперимента значительно сокращалась. После покапельного смешивания растворов фторида натрия и нитратов РЗЭ производили перемешивание получившейся взвеси в течение 10-60 минут с последующим центрифугированием осадка.

Методика синтеза образцов с использованием лимонной кислоты заключалась в приготовлении водных растворов лимонной кислоты (0,04 - 0,46 моль/л), фторида натрия (0,35 - 1 моль/л) и нитратов редкоземельных элементов (0,35 - 0,42 моль/л). Значение рН раствора лимонной кислоты корректировали до 6 путем добавления ЫЩОН, затем раствор нагревали до 75 - 90 °С. К полученному раствору последовательно покапельно добавляли раствор фторида натрия, затем раствор нитратов РЗЭ («прямой синтез»); общий раствор нитратов РЗЭ, затем раствор фторида натрия («обратный синтез»); либо производили одновременное покапельное добавление исходных растворов в раствор лимонной кислоты.

Третья глава включает исследование методик синтеза порошков КаУ!^, легированных РЗЭ, и их физико-химической характеризации.

В параграфе 3.1 представлены результаты исследования синтеза ЫаУР4 без использования поверхностно-активных веществ в случае избытка или недостатка ЫаБ. На рис. 1 представлены соответствующие

рентгенограммы, в табл. 1 параметры ячеек образцов. Из представленных данных видно, что необходимо использовать избыток №Р (не менее 25 % от стехиометрического количества) для синтеза однофазных образцов кубической структуры. При этом, по данным рентгенографии, синтезируются образцы практически одинакового состава ^,41бУ0,584р2,1б8-

ЫаР:У(ЫО-.)5

I 20:1 |

юо- . ■ | • | 1 ■ ■ г ■ 1-> 1 |10:1|

100- ,.,.,.,. -1-,-1-, 1 1

100- I • 1 1 1 • 1 ■ 1 < ~г ) . » Но]

100 ! . А 11'25:1!

100- 1:1 |

10» 1 ■ 1 ■ 1 ■ 1 ' 1 1 1 1 '-1-1-1-1-1---'-1-' 1---'-- —г -,

1 --1-1-1-'--'-1-'-' | .....■

10 20 30 до 50 60 70

2<->. трал

Рис. I. Рентгенограммы матриц МаУР4 при различных соотношениях ЫаР:У(ТМОз)з

_Табл. 1. Параметры решетки образцов, приведенных на рис.1.

Соотношение №Р:У(]чЮз)з Параметры ячеек, А

0.7:1 УР3, ромб. Р. а = 6,214(3), Ь = 6,819(5), с = 4,344(2)

1:1 УРз ромб. Р. а = 6,354(2), Ь = 6,861(3), с = 4,446(3)

Р-ЫаУР4 гекс. Р. а = 5,93(1), с = 3,46(1)

1.25:1 а-ЫаУР4 (куб. Р) о = 5,513(1)

2:1 а = 5,511(1)

5:1 а = 5,512(6)

10:1 о = 5,513(2)

20:1 а = 5,515(6)

Методами СЭМ и рентгенографии было показано, что при соотношении №Р:У=10:1 синтезируются порошки (рис. 2), состоящие из первичных сферических частиц размером около 25 нм, которые объединены в агломераты размером около 150-300 нм. Размер области когерентного рассеяния составил 94 нм.

Как при прямом, так и при обратном порядке смешивания реагентов было отмечено, что при увеличении концентрации исходных растворов от 0,05 до 0,90 М происходит уменьшение параметра решетки образцов

флюоритовой фазы Ыа\Т4 по экспоненте, в связи с чем в работе преимущественно использована концентрация 0,35 М.

100 пт

была

Рис. 2. Данные ПЭМ однофазного образца кубической фазы с номинальным составом NaY080Ybo.nEro.03F4 (10:1 С раствора = 0,35М, прямое смешение).

Во параграфе 3.2 представлены результаты исследований синтеза порошков №УР4:УЬ:Ег в присутствии полиэтиленимина и лимонной кислоты.

Было проведено исследование влияния концентрации ПЭИ на фазообразование порошков фторидов при одинаковых условиях синтеза (обратное смешение, ЫаР:Я = 10:1, Сраствора = 0.35М) (рис. 3). Из рентгенограмм на рис. 3 видно, что при использовании небольших концентраций ПЭИ (до 1,5 г/л) образуется преимущественно кубическая фаза №УР4 с примесью гексагональной фазы №УР4. При увеличении концентрации ПЭИ происходит последовательное увеличение доли гексагональной фазы, а при СПэи> 8,74 г/л синтезируется только гексагональная фаза.

При применении методики «быстрого синтеза» с использованием полиэтиленимина было установлено, что время синтеза влияет на фазообразование порошков. При синтезе от 30 до 60 минут образцы получались трехфазными: №Р, кубическая и гексагональная фазы №УР4. При продолжительности синтеза 90 минут образцы получались однофазные - гексагональной фазы.

1осД°

15"

ж

Но

| 7.5 г/л|

' тЬ°....... '

| 5.Р 1/я|

юо-ЗР

• зо

I оо

-агг

70

I 1.32 г/и|

-1-1------'|-- I -1—■^■■1 ■■ "—|----—■ ,

20 зо АО 50 ео То

2<й», гр;1.1

Рис. 3. Рентгенограммы образцов с номинальным составом ^УЪо пЕг0 0зР4 при различных концентрациях ПЭИ (о - гексагональная фаза, ■ - кубическая фаза).

Было проведено исследование влияния рН реакционной смеси в присутствие ПЭИ на фазовый состав синтезируемых образцов. Синтез порошков номинального состава ЫаУо^УЬо^НгщНд проводили как при прямом, так и при обратном смешивании реагентов при значении рН =1, 3, 5, 7, 10, 12. Величину рН корректировали азотной кислотой. Концентрация ПЭИ составляла 9 г/л. На рис. 4 представлены рентгенограммы образцов, полученных «прямым» методом синтеза.

с1

■ 1 •-■Т-» щ.. 1.

е

I 1 .......Ч

А'1

Рис. 4. Рентгенограммы образцов номинального состава НаУ06УЪ0.зЕг0ЛР4 полученные прямым синтезом в присутствии ПЭИ: (а) - осаждение при рН = 1; (Ь) - осаждение при рН = 3; (с) - осаждение при рН = 5; (с1) - осаждение при рН = 7; (е) - осаждение при рН = 10; (0 - осаждение при рН =12. ■ - кубическая фаза, П-гексагональная фаза.

Из рис. 4 видно, что в большинстве вариантов происходит синтез двухфазных образцов, причем в кислых средах велика доля аморфной составляющей. Однофазный образец кубической фазы был получен при прямом синтезе при значении рН = 10 (рис. 4е). Результаты сканирующей электронной микроскопии данного образца представлены на рис. 5, на

50-200 нм.

снимке

Рис. 5. Данные СЭМ однофазного образца кубической фазы с номинальным составом ЫаУ06УЬ03Ег0]1-4 (рН=10, С пэи = 9 г/л).

На рис. 6 представлены рентгенограммы образцов, полученных обратным синтезом. Рентгенографическая картина похожа на полученные результаты «прямого» синтеза, в кислых средах - аморфные образцы, при значении рН 7 - 10 синтезируются двухфазные образцы, а однофазный образец гексагональной модификации был получен при значении рН = 12 (рис. 61).

Рис. 6. Рентгенограммы образцов номинального состава №У0.(;УЬ0 3Ег0 ,Р4 полученные обратным синтезом в присутствии ПЭИ: (а) - осаждение при рН = 1; (Ь) - осаждение при рН = 3; (с) - осаждение при рН = 5; (с!) - осаждение при рН = 7; (е) - осаждение при рН = 10; (0 - осаждение при рН = 12; ■ - кубическая фаза, С - гексагональная фаза

Изображение сканирующей электронной микроскопии данного образца представлено на рис. 7, на котором различимы однородные частицы вытянутой формы размером 100 - 150 нм, образующие агломераты

Рис. 7. Данные СЭМ образца с номинальным составом ЫаУ0 6УЬ0_зЕг0 ,Р4 гексагональной фазы, синтезированной при рН = 12.

В результате были определены условия синтеза однофазных образцов как кубической, так и гексагональной фаз при варьировании концентрации ПЭИ. порядка смешения реагентов, рН и времени проведения процесса.

Было рассмотрено влияние лимонной кислоты на фазообразование и размер частиц нанофторидов при разных методиках смешивания реагентов. На рис. 8 представлены рентгенограммы, параметры решетки кубической фазы и ОКР синтезированных порошков номинального состава NaY0.8Yb0.17Er0.03F4-

обратное о=5,'184(1)А смешение ОКР = 64 нм

Но " РО ' 7'D ' s'a

одновременное cf=5,503S(8)à смешение ОКР — 25 нм

"л ' Ж ' За ' 2о ' 2о * Зо ' 75 * Зо

1001 Д прямое а=5,503(1)А

И А смешение ОКР = 15 нм 6Й- ____

« " 20 * М * *0 ' И ' И * Й ' 80

2<2>, град

Рис. 8. Рентгенограммы синтезированных порошков со ИаУо^УЬо, 17Ег0 озр4 в присутствии лимонной кислоты (С л ^ =0,46М).

На рис. 9 представлено СЭМ изображение порошка, полученного одновременным смешиванием реагентов, размер первичных наночастиц составил около 20 нм.

Рис. 9. Изображение СЭМ порошка состава ЫаУ0885 УЬ(1, Ег0 015Р4 в присутствии лимонной кислоты (С л ^ =0,46М) («одновременное прикапывание») до сушки.

Параграф 3.3 посвящен люминесцентному анализу образцов кубической фазы, синтезированных как по прямой методике синтеза без использования полиэтиленимина, так по методике с использованием лимонной кислоты при прямом, обратном и совместном порядке смешения реагентов. Синтезированная гексагональная фаза оказалась нелюминесцентной. Природа тушения люминесценции не исследовалась. Было проведено исследование зависимости величины энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции от концентрации УЬ (0,02 < у < 0,9) и Ег (0,015 < г < 0,2) для твердых растворов Мао)5-х(У,.у_2УЬуЕгг)о5+>:р24 2Х кубической фазы. На рис. 10 представлены данные, характеризующие зависимость энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции от концентрации иттербия и эрбия. Область перспективных составов-люминофоров выделена овалом, числовые данные представлены в таблице 2.

Табл. 2. Величины энергетических выходов перспективных люминофоров.

Образцы номинального состава КПД, % Гг/е кпдгей, % кпд8гееп, %

№У0.745¥Ь0.2зЕГ0.025р4 5,49 2,41 3,88 1,61

NaY0.78Ybo.2Er0.02F4 4,79 2,62 4,37 0,42

ЫаУ0.81 УЬо. 17Ег0.02р4 4,47 2,89 3,32 1,15

NaY0.75Yb0.23Er0.02F4 4,29 2,06 2,88 1,41

КПД = КПДгес1 + КПДкгееп - суммарный энергетический выход ап-конверсионной люминесценции, %; С/в - соотношение интенсивности красной полосы люминесценции к зеленой; КПДгес1 и КПД8Гееп -

энергетические выходы красной и, соответственно, зеленой полос ап-конверсионной люминесценции, %.

0,9- ■ »0.25 0.07 «

0.6- -

О

Лол

о.п.

0.07«

0.04 •

0.01 »

• до 1 %

01 1 до 2 %

01 2доЗ %

• «1 3 до 4 %

• и 1 4 до 5 '/о

• ныше Я %

0.22 •

0.04« 0.22« 0.08 # 0.05 •

Н-1-1-!-I-1-

0.005

I I I ►

0.01!

0.02 0.02$ 0,0? Ег, мол. доли

Рис.10. Диаграмма энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции твердых растворов КаУ^.уУЬхЕг^ кубической фазы от концентрации иттербия и эрбия при мощности накачки 1 Вт/см2.

В параграфе 3.4 представлены данные по люминесцентным характеристикам образцов, синтезированных с использованием лимонной кислоты, при различных методах смешения реагентов. Полученные образцы были подвергнуты термообработке при температуре 600 °С в течение 1 часа. Показано, что образец, полученный при совместном прикапывании имеет наибольшую величину энергетического выхода эффективности ап-конверсионной люминесценции (3,63 %) по сравнению с образцами, полученными другими методиками смешивания. Низкие величины энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции образцов, высушенных при 250 С и подвергнутых большей плотности мощности накачки (2,5 Вт/см2), обусловлены наличием неких тушащих микропримесей, природа которых не была установлена в рамках данного исследования.

В параграфе 3.5 представлены результаты по регистрации синглетного кислорода и его фотодинамической активности на образце ^Уо.йвзУЬо.юЕгоо^Р^ полученного прямым смешением, на длине волны 974 нм при мощности накачки 1 Вт/см2. Для присоединения

фотосенсибилизатора фториды покрывали полиэтиленимином, а затем осуществляли присоединение фталоцианина алюминия А1Рс(С203)4 (ангидрид окта-4,5-карбоксифталоцианина алюминия). В результате получали стабильные коллоидные растворы с конъюгированным на их поверхности А1Рс(С20з)4. Был определен квантовый выход генерации синглетного кислорода (фд = 0,0045) по уменьшению характерных полос поглощения вещества-ловушки АОМА. По скорости необратимого тушения выделившегося синглетного кислорода при оксигенации гемоглобина была определена его фотодинамическая активность (V = 0,034). Было установлено, что исследуемые частицы в отдельности от фталоцианина алюминия не обладают фотодинамическим эффектом. Квантовый выход образования синглетного кислорода (<рд) измеряется в долях от единицы (фактически, сколько актов генерации произошло на 1 акт поглощения фотона индуцирующего излучения). Фотодинамическая активность (Ч0 измеряется в вероятностных единицах (из расчета на 100 актов поглощенных фотонов).

Четвертая глава посвящена обсуждению результатов исследований.

В результате проведенной работы показано, что фазообразование \'аУР4 зависит от концентраций исходных реагентов, порядка смешения реагентов, концентрации полиэтиленимина или лимонной кислоты, рН растворов и времени проведения процесса.

В случае проведения процесса без присутствия полиэтиленимина или лимонной кислоты показано, что использование 25 % и более избытка №Р от стехиометрии приводит к образованию КтаУР4 кубической фазы практически одного состава Ь'ао^бУо.зкдРг.^к со средним размером агломератов частиц около 200-300 нм.

При варьировании концентрации растворов исходных веществ (0,05 - 0,9М), как при прямой, так и при обратной методиках синтеза, наблюдается характерное изменение параметров решетки. В области концентраций 0,05 - 0,ЗМ практически линейное уменьшение, а при более высоких концентрациях синтезируются образцы с близкими значениями параметров ячейки. В результате нами для синтеза была выбрана концентрация исходных веществ - 0,35 М, при которой изменение параметров ячейки происходит незначительно. Сравнение изображений СЭМ синтезированных образцов между собой показало, что изменение концентрации исходных растворов слабо влияет на форму и размер агломератов и первичных наночастиц.

При сравнении спектров ап-конверсионной люминесценции пар УЬ - Ег, УЬ - Тш, УЬ - Но с полосами возбуждения наиболее часто используемых фотосенсибилизаторов была выбрана пара УЬ - Ег, т.к. ее полоса люминесценции около 660 нм (красный свет) хорошо

перекрывается с полосами возбуждения фотосенсибилизаторов. В связи с чем, в большинстве синтезов проводили легирование парой Yb - Ег.

При использовании полиэтиленимина было показано, что он выступает также в качестве модификатора фазового состояния продукта. Варьирование концентрации ПЭИ способствует получению как кубической, так и гексагональной фаз NaYF4:Yb:Er из водных растворов при комнатной температуре.

Для получения NaYF4 кубической фазы синтез необходимо проводить по т.н. «прямой» методике смешивания, при времени синтеза не более 70 минут и рН = 7-10. Размер синтезируемых слабоагломерированных частиц составил около 90 нм. Рентгенографически было определено уменьшение содержания натрия в синтезируемых образцах при увеличении времени вызревания осадка в водных растворах.

Для получения NaYF4 гексагональной фазы необходимо проводить синтез по т.н. «обратной» методике смешивания, при времени синтеза более 1,5 часов, рН = 12 и десятикратном избытке фторида натрия от стехиометрии. Полученные таким образом порошки представляют собой агломераты размером 0,3 - 1 мкм, состоящие из первичных частиц размером около 100 - 150 нм вытянутой формы.

В результате экспериментов по синтезу NaYF4:Yb:Er с использованием лимонной кислоты отмечено, что использование малых концентраций лимонной кислоты (0,04 М) приводит к образованию двухфазных порошков. Для синтеза однофазных образцов необходимо использовать концентрацию лимонной кислоты 0,46 М. При сравнении различных методик смешивания реагентов показано, что для синтеза слабоагломерированных частиц (размер около 50 нм) необходимо использование обратной или совместной методики смешения реагентов. Наибольшую величину энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции (КПД = 3,63 %) продемонстрировал образец NaY0885Ybo.iEro.oi5F4, полученный по методике совместного прикапывания реагентов.

При одинаковых условиях синтеза, а именно при прямом смешении, С рас1Вора = 0,35М, были получены образцы кубической фазы, легированные Yb и Ег в широких концентрационных пределах, для которых определены перспективные составы с максимальными величинами энергетического выхода при плотности мощности накачки 1 Вт/см2: NaY078Ybo2Eroo2F4 (КПД = 4.79 %, КПДге[1= 4.37 %, КПД^ = 0.42 %), NaYo75Ybo23Eroo2F4 (КПД = 4.29 %, КПДгес1= 2.88 %, КПД,™ = 1.41 %), NaY08iYb0.nEr0.02F4 (КПД = 4.47%, КПДгеа = 3.32%, КПД^ = 1.15%), NaY0 74sYbo23Eroo25F4 (КПД = 5.49 %, КПДге(1= 3.88 %, КПД^ =1.61 %).

Положение области с наивысшими значениями энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции на концентрационной диаграмме (диапазон УЬ от 17 до 23 мол. %, Ег от 1.5 до 2.5 мол. %) совпадает как для терапевтической плотности мощности воздействия (500 мВт/см2), так и для накачки на 1 Вт/см2.

При сравнении полученных экспериментальных данных по энергетическому выходу ап-конверсионной люминесценции с литературными данными [8] показано, что синтезированные в данной работе нанопорошки МаУР4:УЪ(20 мол.%):Ег(2 мол.%) имеют большие величины квантового выхода ап-конверсионной люминесценции как при малой, так и при большой плотности мощности накачки.

На конъюгированном полиэтиленимином и фталоцианином алюминия образце КаУ0885УЬ0, Ег0,(шр4 продемонстрирована генерация синглетного кислорода и его фотодинамическая активность. При сравнении квантовых выходов генерации синглетного кислорода на фталоцианине алюминия и на фталоцианине алюминия, конъюгированном совместно с полиэтиленимином на наночастицах, определено, что около 85 % энергии красной полосы люминесценции расходуется на генерацию синглетного кислорода.

В ходе работы были разработаны методики синтеза порошков фторидов на основе ЫаУР4, отвечающие требованиям к ап-конверсионным люминофорам для биомедицинских исследований: использование полиэтиленимина или лимонной кислоты позволяет получать коллоидные растворы, при этом размер частиц может варьироваться в диапазоне 30 -100 нм, в зависимости от методики синтеза и присутствия конкретного поверхностно-активного вещества; продемонстрирована возможность функционализации синтезированных наночастиц посредством генерации синглетного кислорода и его фотодинамическим воздействием на биологические объекты. Минимальная токсичность и фотостабильность обеспечиваются за счет использования №УТ4 в качестве исходной матрицы. Варьирование концентраций редкоземельных элементов (УЬ и Ег) в твердом растворе кубической фазы №УР4:УЬ:Ег позволило добиться высоких значений энергетического выхода ап-конверсионной люминесценции (более 4%).

Выводы.

1. Разработана методика синтеза однофазных образцов ЫаУР4:УЬ:Ег кубической фазы в присутствии полиэтиленимина методом осаждения из водных растворов при комнатной температуре в условиях оптимального соотношения №Р:У(Ы03)3 = 10:1, концентрации полиэтиленимина более 8,74 г/л, покапельного добавления раствора нитратов редкоземельных

элементов к раствору фторида натрия с полиэтиленимином и рН исходного раствора 10.

2. Разработана методика синтеза, по которой впервые методом осаждения из водных растворов при комнатной температуре в присутствии полиэтиленимина были получены однофазные порошки NaYF4:Yb:Er гексагональной фазы. Определены необходимые условия синтеза: соотношение исходных реагентов NaF:Y(N03)3=10:l, концентрация полиэтиленимина более—8,74 г/л, покапельное добавление раствора фторида натрия к раствору нитратов редкоземельных элементов с полиэтиленимином и рН исходного раствора 12.

3. Разработана методика синтеза однофазных слабоагломерированных частиц (=35 нм) NaYF4:Yb:Er кубической фазы в присутствии лимонной кислоты: концентрация лимонной кислоты более 0,46 моль/л, совместное добавление растворов нитратов редкоземельных элементов и NaF в раствор лимонной кислоты, температура 75 — 90 С, рН = 6.

4. Методом осаждения из водных растворов при комнатной температуре получены аморфные наночастицы NaYF4:Yb:Er в условиях соотношения исходных реагентов NaF:Y(N03)3=10:l, концентрации полиэтиленимина более 8,5 г/л, рН исходных растворов 1-3, покапельного добавления раствора фторида натрия к раствору нитратов редкоземельных элементов с полиэтиленимином, времени синтеза не более 3 дней.

5. Определены перспективные для биомедицинских исследований составы люминофоров (NaY0 74SYbo^ErcyHsF^ NaY0 jgYbo^Ero^F^ NaYo,8iYbo,nEro,o2F4, NaYo/jsYbo^Ero^) с энергетическим выходом an-конверсионной люминесценции более 4%.

6. На конъюгированном полиэтиленимином и фталоцианином алюминия образце NaY0885Yb01Er00l5F4 продемонстрирована генерация синглетного кислорода и его фотодинамическая активность при накачке на длине волны 974 нм.

Использованная литература.

1. Fedorov, P.P. Nanofluorides. / P.P. Fedorov, A .A Luginina, S.V. Kuznetsov, and V.V. Osiko // J. Fluorine Chem. - 2011. - V. 132, № 12. -P. 1012-1039.

2. Min, Y. Recent of biological molecular imaging based on lanthanide-doped upconversion-luminescent nanomaterials. / Y. Min, J. Liu, P. Padmanabhan, E. Yeow, and B. Xing // Nanomaterials. - 2014. - V.4. - P. 129154.

3. Peng, J. Upconversion nanoparticles dramatically promote plant growth without toxicity / J. Peng, Y. Sun, Q. Liu, J. Zhoi et al. // Nano Research. -2012. - V. 5, № 11. - P. 770-782.

4. Овсянкин, В.В. О механизме суммирования электронных возбуждений в активированных кристаллах. // В.В. Овсянкин, П.П. Феофилов. // Письма в ЖЭТФ. - 1966. Т.З. - С. 322-323.

5. Auzel, F. Compteur quantique par transfert d'énergie entre deux ions de terresrares dan sun tungstate mixte et dans un verre. / F. Auzel // C.R. Acad. Sci. - 1966. -V. 262. P. 1016-1019.

6. Haase, M. Upconverting Nanoparticles. / M. Haase, H. Schafer // Angew. Chem. Int. Ed. - 2011. V. 50, №26. - P. 5808-5829.

7. Рябова, A.B. / Лазерно-спектроскопический метод оценки эффективности фотосенсибилизаторов в биологических средах. / А.В. Рябова, А.А. Стратонников, В.Б. Лощенов. // Квантовая электроника. -2006. - Т.36, №6. - С. 583-590.

8. Boyer, J.-C. Absolute quantum yield measurements of colloidal NaYF4:Er3+,Yb3+ upconverting nanoparticles. / J.-C. Boyer, F.C.J, van Veggel / Nanoscale. - 2010. - V.2. - P. 1417-1419.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Кузнецов, C.B. Синтез и люминесцентные характеристики субмикронных порошков на основе фторидов натрия и иттрия, легированных редкоземельными элементами / C.B. Кузнецов, А.В. Рябова, Д.С. Лось, П.П. Федоров, В.В. Воронов, Р.П. Ермаков, В.Б. Лощенов, В.В. Волков, А.Е. Баранчиков, В.В. Осико. // Российские нанотехнологии. — 2012.-Т. 7, - № 11-12.-С. 615-628.

2. Yasyrkina, D.S. Dependence of quantum yield of up-conversion luminescence on the composition of fluorite-type solid solution NaY].x. yYbxEryF4 / D.S. Yasyrkina, S.V. Kuznetsov, A.V. Ryabova, D.V. Pominova, V.V. Voronov, R.P. Ermakov, P.P. Fedorov. // Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. - 2013. - V.4(5). - P. 648-656.

3. Yasyrkina, D.S. Effect of the pH on the formation of NaYF4:Yb:Er nanopowders by co-crystallization in presence of polyethyleneimine / D.S. Yasyrkina, S.V. Kuznetsov, P.P. Fedorov, V.V. Voronov, R.P. Ermakov, A.V. Ryabova, D.V. Pominova, A.E. Baranchikov, V.K. Ivanov, V.V. Osiko // J. Fluor. Chem. - 2014. - V.158. - P. 60-64.

4. Kuznetsov, S.V. Phase formation in LaF3-NaGdF4, NaGdF4-NaLuF4, and NaLuF4-NaYF4 systems: synthesis of powders by co-precipitation from aqueous solutions / S.V. Kuznetsov, A.A. Ovsyannikova, E.A. Typitsyna, D. S. Yasyrkina, V.V. Voronov, N.I. Batyrev, L.D. Iskhakova, V.V. Osiko, P.P. Fedorov. // J. Fluor. Chem. - 2014. - V. 161. - P. 95-101.

5. Fedorov, P.P Nucleation and growth of fluoride crystals by agglomeration of the nanoparticles. / P.P. Fedorov, V.V. Osiko, S.V. Kuznetsov, O.V. Uvarov, M.N. Mayakova, D.S. Yasirkina, A.A. Ovsyannikova, V.V. Voronov, V.K. Ivanov. // J. Cryst. Growth. - 2014. - V.401. - P. 63-66.

6. Синтез наночастиц фторидов и исследование ап-конверсионного механизма люминесценции / Кузнецов C.B., Рябова А.В., Ясыркина Д.С.,

Маякова М.Н., Федоров П.П., Лощенов В.Б., Волков В.В., Воронов В.В., Ермаков Р.П., Осико В.В. // Национальная конференция по росту кристаллов «НКРК-2010»: Тезисы докл. XIV конф., М„ Россия, 6-10 декабря 2010.-М., 2010.-С. 159.

7. Синтез субмикронных порошков фторидов NaYF4:Yb:R (R - РЗЭ) / Ясыркина Д.С., Кузнецов C.B., Федоров П.П., Зимина Г.В., Воронов В.В., Ермаков Р.П., Осико В.В. // «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волновой оптики: физические свойства и применение»(ВНКШ-2011): Материалы X Всерос. конф., Саранск, Россия, 4-7 октября 2011. - Саранск,

2011.-С. 51.

8. Исследование спектрально-люминесцентных характеристик субмикронных порошков фторидов NaYF4:Yb:Er / Кузнецов C.B., Рябова

A.B., Ясыркина Д.С., Федоров П.П., Лощенов В.Б., Волков В.В., Осико

B.В. // «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волновой оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2011): Материалы X Всерос. конф., Саранск, Россия, 4-7 октября 2011. - Саранск, 2011. - С. 114.

9. Up-conversion luminescent features of NaYF4:RE nanoparticles excited in the NIR-range for biomedical applications / Ryabova A.V., Kouznetzov S.V., Grachev P.V., Pominova D.V., Klimov A.I., Mayakova M.N., Yasyrkina D.S., Volkov V.V., Fedorov P.P., Loschenov V.B.// «Laser Optics»: Тезисы докл. XV Междунар. конф., Санкт-Петербург, Россия, 25-29 июня

2012. - Санкт-Петербург, 2012.

10. Синтез и люминесцентные характеристики субмикронных порошков NaYF4:Yb:Er / Ясыркина Д.С., Кузнецов C.B., Рябова A.B., Воронов В.В., Ермаков Р.П., Федоров П.П., Осико В.В. // «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волновой оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2012): Материалы XI Всерос. конф., Саранск, Россия, 2-5 октября 2012. - Саранск, 2012. - С. 109.

И. Моно-, нано- и поликристаллические фториды для фотоники / Кузнецов C.B., Акчурин М.Ш., Басиев Т.Т., Воронов В.В., Гарибин Е.А., Дорошенко М.Е., Ясыркина Д.С., Конюшкин В.А., Лугинина А.А, Маякова М.Н., Миронов И.А., Осико В.В., Овсянникова A.A., Рябова A.B., Тупицына Е.А., Федоров П.П. // «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волновой оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2012): Материалы XI Всерос. конф., Саранск, Россия, 2-5 октября 2012. - Саранск, 2012. - С. 97.

12. Синтез и люминесцентные характеристики порошков на основе фторида натрия и редкоземельных элементов для фотодинамической диагностики и терапии рака / Кузнецов C.B., Рябова A.B., Ясыркина Д.С., Воронов В .В., Федоров П.П., Осико В.В. // Химия фтора»: Тезисы 9 Всерос. конф., М., Россия, 22-26 октября 2012. -М., 2012. - С. 22.

13. Синтез порошков в системах NaF-RF3 (R-РЗЭ) / Ясыркина Д.С., Кузнецов С.В., Тупицына Е.А., Федоров П.П., Воронов В.В., Ермаков Р.П., Осико В.В. //«Химия фтора»: Тезисы 9 Всерос. конф., М., Россия, 22-26 октября 2012. - М„ 2012. - С. 66.

14. Исследование синтеза и люминесцентных характеристик нанопорошков NaYF4:Yb:Er для фотоники / Ясыркина Д.С., Кузнецов С.В., Рябова А.В., Поминова Д.В., Ермаков Р.П. // «Конференция молодых ученых ИОФ РАН»: Материалы I конф., М., Россия, 26 апреля 2013. — М., 2013.-С.48.

15. Synthesis and luminescent characteristics of NaYF4:Yb:Er powders for photodynamic cancer therapy / S.V. Kuznetsov, D.S. Yasirkina, A.V. Ryabova, D.V. Pominova, P.P. Fedorov, V.V. Voronov, O.V. Uvarov, V.V. Osiko, A.E. Baranchikov, V.K. Ivanov. // «Conference on Crystal Growth and Epitaxy»: 17 International Conference, Warsaw, Poland, 11-16 August 2013. — Warsaw,

2013.-P. 231-232.

16. Synthesis and luminescent characteristics of NaYF4:Yb:Er powders for photodynamic cancer therapy / S. Kuznetsov, D. Yasirkina, A. Ryabova, D. Pominova, P. Fedorov, V. Voronov, O. Uvarov, V. Osiko, A. Baranchikov // «European Symposium on Fluorine Chemistry»: 17 European Symposium, Paris, France 21-25 July 2013. - Paris, 2013. - P. 173.

17. Синтез и люминесцентные характеристики нанопорошков NaYF4:Yb:R (R - РЗЭ) / Ясыркина Д.С., Кузнецов С.В., Федоров П.П., Воронов В.В., Ермаков Р.П., Рябова А.В., Поминова Д.В., Баранчиков А.Е., Иванов В.К., Осико В.В. // Всероссийская конференция по наноматериалам "НАНО-2013": Материалы V Всерос. конф., Звенигород, Россия, 23-27 сентября 2013. -М„ 2013. -С.37-38.

18. Up-conversion phosphors based on alkaline, alkaline earth and rare earth fluoride nanopowders. / S.V. Kuznetsov, D.S. Yasyrkina, M.N. Mayakova, Yu. A. Rozhnova, A.V. Ryabova, D.V. Pominova, A.I. Klimov, V.V. Voronov, P.P. Fedorov, V.V. Osiko. // International Symposium on Inorganic Fluorides: Chemistry and Technology (ISIF 2014): Book of Abstracts. Tomsk. 2-6 June

2014. P.41.

19. Phase formation in the fluoride systems by co-precipitation from water solutions. / P.P. Fedorov, S.V. Kuznetsov, M.N. Mayakova, D.S. Yasyrkina. // International Symposium on Inorganic Fluorides: Chemistry and technology (ISIF 2014). Book of Abstracts. Tomsk. 2-6 June 2014. P.40.

20. Synthesis and luminescent properties of NaYF4:Yb:Er nanopowders. / S.V. Kuznetsov, D.S. Yasyrkina, P.P. Fedorov, A.V. Ryabova, D.V. Pominova, V.V. Voronov, V.V. Osiko. // International Symposium on the reactivity of solids (ISRS-18). Book of Abstracts. Saint-Petersburg. 9-13 june 2014. P.283-284.

Подписало в печать:

22.08.2014

Заказ № 10165 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 vvwvv.autoreferat.ru