CC BY
43
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЦИНТИЛЛЯТОРОВ ДЛЯ IN-VIVO ДИАГНОСТИКИ И УНИЧТОЖЕНИЯ ПАТОГЕННЫХ БИООРГАНЕЛЛ
Кривко О.А., Классен Н.В., Кедров В.В., Шмытько И.М., Кудренко Е.А., Шмурак С.З., Киселев А.П. Институт физики твердого тела РАН, г.Черноголовка, Россия,
E-mail: klassen@issp.ac.ru
Нанокристаллические сцинтилляторы, как нами ранее было обнаружено, обладают рядом замечательных особенностей. Многократное увеличение световыхода, ускорение кинетики сцинтилляций по сравнению с макрокристаллами аналогичных составов, высокая структурная чувствительность наносцинтилляторов к условиям на их внешней поверхности, а также и другие вновь обнаруженные эффекты дают основание для перспективного использования нанокристаллических сцинтилляторов при разработке принципиально новых медицинских приборов, методов диагностики и терапии различных заболеваний.
Nanocrystalline scintillators were found to possess a set of remarkable particularities. Manifold enhancement of the light yield? Acceleration of light emission kinetics in comparison with single crystals of analogous compositions , high structural sensitivity to conditions at the external surface as well as other new effects give a basement for prospective application of nanocrystalline scintillators for principally new medical devices, diagnostics methods and therapy of various deceases.
Сцинтилляторы как вещества, эффективно поглощающие ионизирующее излучение (напр. рентгеновские и у-кванты) и излучающие при этом свет в видимом диапазоне, широко используются в радиационных детекторах, в том числе и в рентгеновских и позитронных томографах. Но область использования сцинтилляторов в медицине можно значительно расширить, опираясь на нижеследующие обнаруженные нами явления.
Во-первых, нанокристаллические сцинтилляторы обладают немонотонной зависимостью световыхода от размера кристаллитов, и максимум в 3-5 раз превышает световыход аналогичного макрокристалла (рис. 1). Во-вторых, время спада сцинтилляций в 1,5-2 раза короче, чем у монокристаллов ( а время нарастания короче на порядок, т.е. меньше 0,1 нс).
При изучении оптических характеристик наносцинтилляторов и взаимодействии наносцинтилляторов с другими объектами и материалами был обнаружен эффект передачи света по цилиндрическому световоду от возбужденных наночастиц (рис. 2) к свободному концу стержня.
Dependence of scintillation light yield in nanocrystalline LuBO3 on dimensions of the grains
30 40 50 60 70 80 90 100 1 10 120 130
95 nm
Рис. 1. Размерные зависимости интегрально интенсивности рентгено-люминесценции анокристаллического LuBO3
Рис. 2. Экспериментальное подтверждение возможности сбора и переноса света от наносцинтилляторов сапфировым
световодом, на верхний торец которого эти наносцинтилляторы нанесены в виде тонкого слоя
1000
Но наибольшая новизна и важность наших результатов заключается в следующем. В нанокристаллических сцинтилляторах обнаружены особенности атомной структуры, оптических и рентгенодифракционных характеристик:
• изменение профиля линий ренгеновских спектров при селективном взаимодействии органических молекул с наночастицами LuF3 (рис. 3),
• взаимодействие наночастиц фторидов лантана и лютеция с молекулами РРО оказывает весьма заметное влияние и на спектры фотолюминесценции (наличие слабо выраженных максимумов фотолюминесценции смеси LaF3+polistyrene+PPO на 525 и 570 нм, а без фторида лантана ни смесь РРО и полистирола, ни эти молекулы сами по себе или будучи смешанными по отдельности с наночастицами фторида лантана таких максимумов не проявляют) (рис. 4).
• электронные возбуждения, образованные в наносцинтилляторах за короткие времена, без потерь энергии передаются связанным с ними органическим образованиям.
1иР ¡П огдоп!«
—I-1-1-1-1-I-1-1-1—
53.0 53.5 54.0 54.5 55.0
бадт
Рис. 3. Сужение рентгенодифракционного рефлекса наночастиц при взаимодействии с органическими молекулами РРО и с полистиролом
■ LaF3+polistiyrene+PPO
280
260
240
220
200
180 -
160 -
I 140 -120 -100 - г' / •
........ 0000 8642 г t . * i * У
1 350
Рис. 4.
--- LaF3 + PPO
LaF3 + polistiyrene
---polistiyrene + PPO
- LaF3
polistiyrene PPO
—i—
400
—I-'-1-'-1—
450 500 550
wavelenghth, nm
600 650
органических молекул полистирола и РРО, а также их смесей
Таким образом, высокая чувствительность структуры и оптических свойств обширного ряда неметаллических наночастиц к состоянию их поверхности говорит об избирательном взамодействи наночастиц с органическими объектами на молекулярном уровне.
Учитывая спектральные, амплитудные и кинетические особенности излучения света нанокристаллических сцинтилляторов при поглощении ионизирующих излучений, а так же особенности передачи поглощенной энергии объектам разной природы мы выделяем два направления использования изучаемых материалов: в разработке нового вида матричных радиационных детекторов на базе пересекающихся по технологии cross-bar световодов или микрокапиллярных матриц, собранных в стопы (рис. 5), и в разработке in-vivo диагностики (определения типа, места локализации) (рис.6) болезнетворных биообъектов и их разрушения (например, противоопухолевая терапия, рис. 7)
X-Ray beam
Nano
Рис. 5. Новые трехмерные рентгеновские детекторы на основе нанокристаллических сцинтилляторов
V
Collima+ed
V /_
/1 г
/Г г-
Diffr
Riomo
Рис. 6. Диагностика in vivo связей наносцинтилляторов с определенными био-органеллами путем ренгеновской дифрактометрии
O2 —> синглетный
X-Ray
Наносцинтиллятор
Нанокристаллический сцинтиллятор
Фотосенсибилизатор УФ-
УФ- излучение
Рис. 7. Методика экспрессного выявления и уничтожения вирусов и патогенных органелл
непосредственно внутри организма
Суть нового метода in vivo диагностики патогенных органнел заключается в регистрации изменений ренгеновской дифракции на наночастицах, избирательно связанных с ними. Уничтожение происходит за счет эффективной передачи энергии от возбужденной наночастицы избирательно связанному биообъекту.
Избирательное связывание патогенных органелл внутри живогоорганизма обеспечивается предварительным нанесениемна внешние поверхности сцинтилляционных наночастиц тех антител, которые вырабатываются организмом для защиты от данной патогенной органеллы. В такой ситуации наносцингтилляторы и патогенные органеллы будут связываться с высокой степенью избирательности, поэтому по изменениям в угловых зависимостях рентгеновской дифракции введенных в организм наносцинтилляторов с антителами извлекается важная инфолрмация о местах размещения внутри организма патогенных органелл искомой природы и их количестве. При установлении факта связывания патогенной органелля с наносцинтиллятором избирательное уничтожение патологии производится относительно просто. В данной место организма направляется усиленный до необходимой интенсивности поток рентгеновского излучения. Его кванты будут избирательно поглощаться наносцинтилляторами, захватившими патогенные органеллы. Поглощенная наночастицей энергия применительно к комплксу «наносцинтиллятор - биоорганелла « бедт иметь достаточно энергии для разрушения органеллы. Важно подчеркнуть, что в этой методике те области организма, в которых патогенные органеллы не обнаружены, облучению не подвергаются. Тем самым ддостигается эффективное уничтожение вирусов, канцерогенных компонентов, бактерий и других молдекулярных патологий целенаправленным путем без нанесения радиационных повреждений здоровым клеткам.
Nanocrystalline scintillators were found to possess a set of remarkable particularities. Manifold enhancement of the light yield? Acceleration of light emission kinetics in comparison with single crystals of analogous compositions , high structural sensitivity to conditions at the external surface as well as other new effects give a basement for prospective application of nanocrystalline scintillators for principally new medical devices, diagnostics methods and therapy of various deceases.
