CC BY
20
9. George, J. Janz Molten Salts Handbook [Текст] / Janz George J. - New York : Academic Press Inc., 1967. - 602 с.
10. Технология переработки нефти. В 2-х частях. Часть 1. Первичная переработки нефти [Текст] / Под ред. О. Ф. Глагольевой и В. М. Капустина. - М. : Химия, КолосС, 2007. - 400 с.
11. Пенный режим и пенные аппараты [Текст] / Под ред. И. П. Мухленова и Э. Я. Тарата. - Л. : Химия, 1977. - 304 с.
--------------□ □-----------------
Досліджено люмінесцентні властивості наночасти-
нок фосфатів лантану, допо-ваних катіонами європію, з функціональною олігопероксидною оболонкою, вивчено кінетичні закономірності прищепленої полімеризації ініційованої з поверхні наночастинок. Функціоналізація поверхні прищепленою
полімеризацією надає наночастин-кам сумісності та/або можливості зв’язування з субстратами різної природи для використання при створенні люмінесцентних біосенсорів та маркерів клітин Ключові слова: люмінесцентні наночастинки, прищеплена полімеризація, маркери клітин, функціональні олігопероксиди
□-------------------------□
Исследованы люминесцентные свойства наночастиц фосфатов лантана, допированных катионами европия, с функциональной оли-гопероксидной оболочкой, изучены кинетические закономерности привитой полимеризации инициированной с поверхности наночастиц. Функционализация поверхности привитой полимеризацией обеспечивает совместимость наночастиц и/или возможность связывания с субстратами различной природы для использования при создании люминесцентных биосенсоров и маркеров клеток
Ключевые слова: люминесцентные наночастицы, привитая полимеризация, маркеры клеток, функциональные олигопероксиды --------------□ □-----------------
УДК 678.8; 678:66.08/09
ЛЮМІНЕСЦЕНТНІ НАНО-РОЗ-МІРНІ МАРКЕРИ КЛІТИН НА ОСНОВІ ФОСФАТІВ ЛАНТАНУ
О. В. Шаповал
Кандидат хімічних наук, науковий співробітник Кафедра радіоелектронних пристроїв та систем* Е-mail: [email protected] О. С. Мягкота Аспірант Кафедра органічної хімії* Е-mail: [email protected] Р. Р. Панчук Кандидат біологічних наук, науковий співробітник**
Е-mail: [email protected] В. В. Вістовський Кандидат фізико-математичних наук, доцент*** Е-mail: [email protected] Н . Є. М і т і н а Кандидат хімічних наук, ст. науковий співробітник Кафедра технології органічних продуктів* Е-mail: [email protected] А. С. В о л о ш и н о в с ь к и й Доктор фізико-математичних наук, професор***
Е-mail: [email protected] Р. С. Стойка Доктор біологічних наук, професор** Е-mail: [email protected] О. С. Заіченко Кандидат хімічних наук, провідний науковий співробітник
Кафедра органічної хімії* Е-mail: [email protected] *Національний університет «Львівська політехніка» вул. Степана Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013 **Відділ регуляції проліферації клітин та апоптозу Інститут біології клітини НАН України вул. Драгоманова, 14/16, м. Львів, Україна, 79005 ***Кафедра експериментальної фізики Львівський національний університет ім. Івана Франка вул. Кирила і Мефодія, 8, м. Львів, Україна, 79005
1. Вступ
Використання люмінесцентних маркерів дозволило значно розширити діапазон зон та підвищити чутливість методів аналізу в біомедичних дослідженнях [1, 2]. Традиційно для цієї мети викори-
стовують органічні люмінофори. Проте ряд недоліків, таких як низька фотостабільність, малий час зрушення люмінесценції і токсичність, обмежують їх придатність.
Люмінесцентні матеріали на основі фосфатів лантану, лютецію та інших солей, активовані іонами
32^-
© О
Є. Мітіна.
О. С. Заіченка 2013
рідкісноземельних елементів, знаходять широке використання в різноманітних галузях.
Люмінесцентні матеріали на основі фосфатів лантану, активовані іонами рідкісноземельних елементів, знаходять широке використання в різноманітних галузях. Все більшу увагу привертають дослідження нано-частинок на основі LaPO4, допованих катіонами Еи [3, 4]. Він є привабливим як люмінофор, що випромінює у видимій червоній області спектру, може збуджуватися рентгенівським та УФ випромінюванням в доступному діапазоні довжин хвиль, а також для використання для діагностичних цілей в біології і медицині [5, 6]. Вагомим значенням LaPO4 є його протонопровідність [7], що є перспективним для використання в якості чутливих шарів в газових сенсорних приладах. Важливе значення має європій, як активатор люмінофорів [8].
2. Аналіз літературних даних і постановка проблеми
Синтез наночастинок LaPO4, допованих катіонами європію, темплатним методом із водних розчинів солей в присутності реакційноздатного пероксидовмісного модифікатора поверхні (РПО, рис. 1) представлено в наших попередніх роботах [9, 10].
а
^П ВЕП ГМА сн
- с^^т Е™2 _ сн№2 _ с
а N <ЗЕС с=о
Т ) НзО с-сНз о
— 0:О сн-сн-сн.
н3с-с сн3 \/
сн3
б Рис. 1. Реакційноздатні пероксидовмісні модифікатори поверхні: а — оліго^-вініл-2-піролідон (NВП) — 2-третбутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іну (ВЕП) — гліцидилметакрилат (ГМА)); б — оліго (вінілацетат (ВА) — ВЕП — малеїновий ангідрид (МА))
Даний спосіб дозволяє отримати наночастин-ки LaPO4•Eu3+ з іммобілізованим на поверхні реакційноздатним модифікатором, регулювати та контролювати їх розмір і розподіл за розміром та кристалічну структуру в процесі синтезу, і одночасно формувати реакційноздатну олігопероксидну оболонку в результаті хімічної адсорбції полімерного модифікатору, що використовується, як темплат.
Наявність на поверхні отриманих наночастинок радикалоутворюючих груп, які входять до складу пероксидної оболонки, дає можливість проводити за рахунок радикальної прищепленої полімеризації подальшу функціоналізацію поверхні для надання їй сумісності та/або можливості зв’язування
з субстратами різної природи для використання при створенні люмінесцентних біосенсорів та маркерів для ідентифікації генів, а також формування композиційних наповнених матеріалів для біомедицини, опто- і мікроелектроніки.
Тому метою даної роботи є дослідження формування полімерних композитів, наповнених наночастин-ками фосфатів лантану, для різних цілей їх практичного застосування та вивчення їх люмінесцентних та біологічних властивостей.
3. Експериментальна частина
В дані роботі представлене дослідження люмінесцентних властивостей поліфункціональних нанокомпозитів LaPO4, допованих катіонами європію, що складається з люмінесцентного ядра та біосумісної полімерної оболочки, вивчено кінетичні характеристики водо- і органодисперсійної полімеризації, ініційованої з поверхні наночастинок, та проведено дослідження по міченню ракових клітин меланоми.
Наявність і кількість карбоксильних груп, присутніх у структурі РПО, які здатні до хімічної взаємодії з іонами лантанідів утворюваних наночасти-нок, є ключовим чинником, який визначає розмір на-ночастинок (від 4 до 20 нм) і кількість іммобілізованих на їх поверхні молекул олігомерів та люмінесцентні властивості [9].
Спектри збудження люмінесценції наночастинок LaPO4•Eu3+ синтезованих у присутності РПО оліго^ВП-ВЕП-ГМА), якій є частково прозорий в УФ діапазоні, та РПО оліго(ВА-ВЕП-МА) показані на рис. 2.
200 250 300 350 400 450 500
Довжина хвилі, нм
Рис. 2. Спектри збудження люмінесценції наночастинок LaPO^Eu3+ синтезованих у присутності РПО: 1 — оліго^ВП-ВЕП-ГМА); 2 - без оліго(ВА-ВЕП-МА); 3 - без РПО
Слабка інтенсивність люмінесценції наночастинок LaPO4^Eu3+, покритих РПО оліго (ВА-ВЕП-МА), при збудженні світлом із довжиною хвилі 250 нм пояснюється поглинанням випромінювання оболонкою функціонального модифікатора оліго (ВА-ВЕП-МА). Наночастинки LaPO4^Eu3+, які покриті РПО оліго^ВП-ВЕП-ГМА), демонструють інтенсивності випромінювання приблизно в півтори рази більші ніж непокриті. Використання функціонального оліго ^ВП-ВЕП-ГМА), прозорого для спектральної області
....................................................уз
1 >230 нм, забезпечує ефективну люмінесценцію функціоналізованих наночастинок LaPO4•Eu3+ при їх збудженні УФ - випромінюванням.
Реакційноздатні пероксидовмісні олігомери, які іммобілізовані на поверхні частинок, здатні утворювати вільні радикали в широкому діапазоні температур та забезпечувати контрольований перебіг полімеризації.
З використанням наночастинок LaPO4•Eu3+ було проведено водо- і органодисперсійну полімеризацію сумішей полярних функціональних мономерів, яка була ініційована пероксидними групами локалізованими на поверхні частинок LaPO4•Eu3+, при концентрації наночастинок 50%, Т=50 °С, час синтезу - 5 год. Конверсія мономерів становила 55-68%. В результаті отримано модифіковані наночастинки LaPO4•Eu3+ з функціональною оболонкою. Полімеризаційний процес ініціювався з поверхні наночастинок LaPO4•Eu3+ за рахунок іммобілізованих пероксидних фрагментів РПО без використання додаткового ініціатора, що свідчить про можливість подальшої цілеспрямованої функціоналізації наночастинок LaPO4•Eu3+ для певних застосувань. Характеристики модифікованих наночастинок LaPO4•Eu3+ з функціональною оболонкою наведені у табл. 1.
Таблиця 1
Характеристики полімеризації функціональних мономерів, ініційованої з поверхні наночастинок LaPO4•Eu3+ з оболонкою з молекул ПАП* (Т = 323К)
Роз- чинник Мономерна суміш Концентрація наночастинок, % мономер Швидкість полімери- зації, (%/с)*103 Гранична конверсія, S, % Кількість прищепленого полімеру, % на частинки
1,4-ді- оксан -ГМА 70:30 % мол 50 0,88 68 16,5
КВП- ГМА 80:20 % мол 50 0,69 65 17,8
КВП- ГМА 90:10 % мол 50 0,52 55 17,5
Водно- аміач- ний розчин КВП-ПЕГакр2000-ГМА 72:14:14 % мол 50 5,8 95 22,0
100 9,5 95 28,5
Примітка:* оліго(NВП-ко-ВЕП-ко-ГМА)
Контроль швидкості полімеризації та виходу прищепленого полімеру при ініціюванні з поверхні нано-частинок LaPO4•Eu3+ можна здійснювати варіюванням складу мономерної суміші, концентрацією наночасти-нок - ініціатора та полярністю середовища.
Нові нанокомпозити, які складаються з люмінесцентного мінерального ядра LaPO4•Eu3+, та полімерної оболонки заданої функціональності, гідрофільності та біологічної сумісності, можуть бути використані як аналітичні реагенти у біохімії та біології для мічення та сепарації клітин.
Наночастинки LaPO4•Eu3+ з прищепленою полімерною оболонкою полі^ВП-ГМА) досліджено як аналітичні реагенти для мічення ракових клітин меланоми (рис. 3).
Рис. 3. Клітини меланоми людини лінії 5К-№^-28и, мічені наночастинками LaPO4•Eu3+ з полімерною оболонкою полі^ВП—ГМА) в результаті фагоцитозу
(Дослідження виконані в Інституті біології клітини НАНУ)
Частинки LaPO4•Eu3+ з полімерною оболонкою локалізуються в цитоплазмі, однак не проникають в ядро клітини. Очевидно, це пояснюється їх великим розміром, який не дозволяє їм проникнути через ядерні пори в ядро клітини. При виконані дослідження емпіричним методом встановлено, що оптимальна концентрація наночастинок для мічення клітин - 1 мкг/мл. При концентрації 10 мкг/мл надлишок люмінесцентних наночастинок створює зайвий фон (рис. 4). Функціоналізовані наночастинки LaPO4•Eu3+, які світять у червоному діапазоні спектра, можна виявити у всій цитоплазмі клітини, з більшою концентрацією у перинуклеарній зоні. При зростанні концентрації частинок з 1 до 10 мкг/мл суттєвих змін у їх специфіці проникнення до клітин виявлено не було.
У*
Рис. 4. Клітини меланоми людини лінії SK-MEL-28, мічені наночастинками LaPO4•Eu3+ з полімерною оболонкою полі^ВП—ГМА) в результаті фагоцитозу (концентрація наночастинок 10 мкг/мл)
Люмінесцентні наночастинки LaPO4•Eu3+ з функціональною оболонкою є перспективними реагентами для мічення клітин і можуть використовуватися для медичної діагностики.
4. Висновок
Дослідженно люмінесцентні властивості поліфункціональних нанокомпозитів LaPO4, допо-ваних катіонами європію, вивчено кінетичні характеристики водо- і органодисперсійної полімеризації,
З
ініційованої з поверхні наночастинок, та проведено дослідження по міченню ракових клітин меланоми. Використання функціонального оліго ^ВП-ВЕП-ГМА), прозорого для спектральної області 1>230 нм, забезпечує ефективну люмінесценцію функціоналізованих наночастинок LaPO4•Eu3+ при їх збудженні УФ - випромінюванням. Прищеплення функціональних полімерних ланцюгів водо- і
органодисперсійною полімеризацію забезпечує наночастинкам спорідненості до певних середовищ та матеріалів, реакційну здатність, біологічну толерантність, можливість кон’югації з антитілами для адресного розпізнавання і мічення клітин.
Частина досліджень виконувалась в рамках Гранту Президента України для підтримки наукових досліджень молодих учених (проект GP/F49/145).
Література
1. Wang, F. Luminescent nanomaterials for biological labeling [Текст] /F. Wang, W. B. Tan, Y. Zhang et al. // Nanotechnology. - 2006. -17. - R1-R13.
2. Карнаухов, В. Н. Люминесцентный спектральный анализ клеток [Текст] / В. Н. Карнаухов. - Москва: Наука, 1978. - 204 с.
3. Pushpal, G. Structural and photoluminescence properties of doped and core-shell LaPO4:Eu3+ nanocrystals [Текст] / G. Pushpal, K. Arik, P. Amitava // Journal of Applied Physics. - 2010 - Vol. 108, №11.- Р. 3506-3508.
4. Yan, Z.-G. Controlled synthesis of rare earth nanostructures [Текст] / Z. G. Yan, C.-H. Yan // Journal Materials Chemical. - 2008 -Vol. 18. - P. 5046-5059.
5. Murthy, Sh. K. Nanoparticles in modern medicine: State of the art and future challenges [Текст] / Sh. K. Murthy // Int. J. Nanomed. -2007. - Vol. 2, № 2. - P. 129-141.
6. Chan, W. C. W. Luminescent quantum dots for multiplexed biological detection and imaging [Текст] / W. C. W. Chan, D. J. Maxwell, X. Gao et al. // Current Opinion in Biotechnology. - 2002. - Vol. 13. - P. 40-46.
7. Norby, T. Proton conduction in Ca- and Sr-substituted LaPO4 [Текст] / T. Norby, N. Christiansen // Solid State Ionics. - 1995 -Vol.77. - Р. 240- 243.
8. Популярная библиотека химических элементов. [Текст] /под ред. И. В. Петрянова-Соколова. - М.: Издательство «На-ука»,1977. - 520 c.
9. Шаповал, O. В. Темплатний синтез і властивості люмінесцентних наночастинок LaPO4-Eu з олігопероксидною оболонкою [Текст] / O. В. Шаповал, Н. Є. Мітіна, A. С. Волошиновський, Т. С. Малий, В. В. Вістовський, Ю. O. Кулик, Т. Є. Константинова, O. С. Заіченко // Наноструктурное материаловедение. - 2011. - №2. - С. Э-1Э.
10. Шаповал, O. ^отез люмінесцентних нанокомпозитів LaPO4-Eu З функціональною полімерною оболонкою [Текст] / O. Шаповал, Н. Мітіна, O. Заіченко, A. Волошиновський, В. Вістовський // Східно-Європейський журнал передових технологій. - 2011. - T. 4, № 5(52). - С. 63-66.
j 35
