CC BY
46Химия твердых веществ и нанотехнология
УДК 66
Anna B. Vlasenko1, Vadim V. Bakhmetyev2
SYNTHESIS AND LUMINESCENT PERFORMANCES OF Y2O3:Eu AND YAG:Eu PHOSPHORS FOR PHOTODYNAMIC THERAPY
Medical Technical School No.2, Volkovsky pr., 106, St. Petersburg, 192102, Russia
St. Peterburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St. Peterburg, 190013, Russia e-mail: [email protected]
Finely dispersed Y2O3:Eu and Y3AI5O12 luminescent phosphors are prepared by the Pechini method. The synthesized Y2O3 based phosphors are found to have a nanocrystaliine structure, while the phosphors based on Y3Al5O12 (YAG) are largely amorphous. An increase in the europium content results in a growth of crystallite sizes in Y2O3:Eu phosphors, whlle an increase in the Eu concentration in YAG-based systems promotes amorphization of the structure and a decrease in the crystalline phase content. The Y3Al5O12 phosphors provide the maximum luminescence intensity upon excitation wtth UV radiation, however, "hard" X-ray excitation corresponding to the radiation of industrial medical x-ray machines has a more pronounced effect on the Y2O3:Eu phosphors and results in its highest intensity. The data obtained show that, by the target properties, Y2O3:Eu phosphors are most suitable for the development of pharmaceutical preparations for an enhanced method of photodynamic therapy of cancer.
Keywords: luminescent material, luminescent phosphor, yttrium oxide, yttrium aluminum garnet, sol-gel method, photoluminescence, rare earth, X-ray stimulated luminescence
Введение
Разработка новых люминофоров и расширение области применения люминофоров, синтезированных ранее продолжается, так как в создании люминофоров нашли свое применение нанотехнологии, что значительно расширило возможность их применения.
Нанолюминофоры могут сыграть немаловажную роль для расширения возможностей фотодинамической терапии онкологических заболеваний. Ежегодные потери человечества от онкологических заболеваний превышают 2 миллиона человек, что является одной из значимых проблем медицины. По данным ВОЗ, как причина смерти,
.143
А.Б. Власенко1, В.В. Бахметьев2
СИНТЕЗ ИЛЮМИНЕСЦЕНТ-НЫЕ СВОЙСТВА ЛЮМИНОФОРОВ Y2O3:Eu И YAG:EU „ ДЛЯ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ
Медицинский техникум № 2, Волковский пр-т, 106, Санкт-Петербург, 192102, Россия
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия, e-mail: [email protected]
С использованием метода Печини синтезированы высокодисперсные люминофоры Y2O3:Eu и Y3Al5O12:Eu. Установлено, что синтезированные люминофоры на основе Y2O3 имеют нанокристаллическую структуру, а структура люминофоров на основе Y3Al5O12 (YAG) сильно аморфизована. Показано, что в люминофорах Y2O3:Eu повышение содержания европия приводит к увеличению размеров кристаллитов, в то время, как в люминофорах Y3Al5O12:Eu увеличение концентрации европия способствует амор-физации структуры и уменьшению содержания кристаллической фазы. При возбуждении ультрафиолетовым излучением максимальную интенсивность люминесценции показал образец Y3Al5O12:Eu; при возбуждении же «жестким» рентгеновским излучением, соответствующим излучению промышленных медицинских рентгеновских аппаратов наибольшую интенсивность имеет люминофор Y2O3:Eu. Из полученных данных следует, что образцы Y2O3:Eu по своим свойствам являются наиболее подходящими для создания фармакологического препарата для усовершенствованного метода фотоди-намической терапии онкологических заболеваний.
Ключевые слова: люминесцентный материал, люминофор, оксид иттрия, алюмоиттриевый гранат, золь-гель метод, фотолюминесценция, редкие земли, рентгенолю-минесценция.
они занимают второе место после сердечно-сосудистых заболеваний. Метастазы являются основной причиной смерти от рака (ВОЗ), смертность от рака в мире будет продолжать расти и в 2030 году число случаев смерти от рака превысит 13,1 миллиона человек [1].
Суть фотодинамической терапии (ФДТ) заключается во введении в организм биохимически инертного в темноте фотосенсибилизатора, который под действием света генерирует активные формы кислорода (синглетный кислород, пероксиды и т. п.), уничтожающие клетки опухоли, замещаемые соединительной тканью [2, 3]. Главной проблемой, ограничивающей применение ФДТ,
1. Власенко Анна Борисовна, преподаватель, Медицинский техникум № 2, e-mail: [email protected] Anna B. Vlasenko, teacher, Medical Technical School No.2
2. Бахметьев Вадим Владимирович, канд. хим. наук, заведующий лаб., каф. теоретических основ материаловедения, e-mail: [email protected]
Vadim V. Bakhmetyev, Ph.D (Chem.), Head of laboratory, Department of Material Science Дата поступления - 4 апреля 2018 года
является сложность подведения света в опухоль с полостной локализацией. Решение данной проблемы может заключаться в создании фармакологического препарата, включающего фотосенсибилизатор и люминофор, конвертирующий рентгеновское излучение, легко проникающее сквозь ткани организма, в видимый свет с длиной волны, необходимой для работы фотосенсебилизатора.
Основные требования, предъявляемые к люминофору, это - нетоксичность и безвредность для организма, гидролитическая устойчивость в крови, малый размер частиц, позволяющий приготовить устойчивый коллоидный раствор, эффективная генерация света под действием «жесткого» рентгеновского излучения, используемого в медицине. В качестве одного из возможных вариантов такой люминесцентной системы можно предложить люминофоры на основе оксида иттрия и алюмоиттриевого граната, активированные европием и самарием.
Целью данной работы было получение люминофоров состава Y2O3:Eu и YAG:Eu с различной концентрацией активаторов методом Печини и исследование их свойств для нахождения оптимальных условий процесса. Люминофоры выбранного состава отличаются устойчивостью к внешним факторам, малотоксичны, а так же устойчивы к катодным лучам.
В результате работы был синтезирован ряд образцов, проведён их рентгенофазовый анализ, исследованы люминесцентные характеристики при различных типах возбуждения (рентгеновское излучение, ультрафиолет).
Экспериментальная часть
Для синтеза высокодисперсных люминофоров был использован метод Печини, который известен как относительно несложный, практичный и недорогой способ синтеза, позволяющий получать высокодисперсные металлоксидные порошки, в том числе, наноразмерные [4]. При данном методе синтеза в качестве исходных веществ используются нитраты иттрия, европия и алюминия. При добавлении в раствор нитратов лимонной кислоты и небольшом нагревании образуется металлцитратный комплекс согласно реакции:
Me(NOз)з + 3C6H8O7 ^ [Me(C6H8O7)з](NOз)з.
Затем в реакционную смесь вводится этиленгликоль, что приводит к образованию полимера, в котором атомы металлов основы и активатора распределены максимально однородно: n[Me(C6H8O7)з](NOз)з + C2H4(OH)2 ^
^ [Me-C6H7O6-O-CH2CH2-O-C6H7O6-Me]n + HNO3T .
При прокаливании в тигле полученного полимера, он разлагается с образованием наночастиц люминофора. Концентрация европия варьировалась в диапазоне 7...25 мас. %.
На последней стадии синтеза люминофоры подвергались ступенчатому отжигу при температурах 700, 800, 900 и 1000 °С. После отжига при 700 °С фото- и рентгенолюминесценция образцов была очень слабой. Отжиг при 800 °С приводил к интенсивной фото- и рентгенолюминесценции исследуемых образцов. Дальнейшее повышение температуры отжига не оказывало значительного влияния на интенсивность люминесценции.
Возбуждение фотолюминесценции осуществлялось излучением газоразрядной ртутной лампы низкого давления с длиной волны максимума 365 нм. Для возбуждения рентгенолюминесценции использовался промышленный рентгеновский аппарат РУП-150 с трубкой
0,3БПВ6-150 с Ua = 50 кВ и Ja = 2 мА, дающий «жесткое» рентгеновское излучение с длиной волны в диапазоне Л ~ 0,3...2 А (сплошной тормозной спектр с граничной Л = 0,2 А и дискретными характеристическими спектрами K-серии меди и L-серии вольфрама, Л = 1,2...1,5А, с интегральной интенсивностью одного порядка). Регистрация спектров проводилась с помощью спект-рофлуориметра AvaSpec-3648. Интенсивность люминесценции рассчитывалась по площади под кривой спектра. Исследование размеров частиц синтезированных люминофоров осуществлялось с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-570. Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометре ДРОН-3 под управлением компьютерной программы «DIFWIN1». Размер блоков кристаллической решетки рассчитывали по формуле Шеррера.
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены электронные микрофотографии синтезированных образцов. Все синтезированные люминофоры имеют полидисперсный характер и состоят из мелких частиц размером от 5 нм до 5 мкм, сросшихся в крупные агрегаты размером до нескольких десятков мкм. Как видно из рисунка 1, при синтезе в одинаковых условиях образцы на основе алюмоиттриевого граната имеют более крупные частицы по сравнению с образцами на основе оксида иттрия.
Рисунок 1. Растровые электронные микрофотографии синтезированных люминофоров: (а) - Y2Oз:Eu; (б) - Y3A5O12:Eu Рентгенофазовый анализ показал, что, люминофоры на основе Y2O3 имеют четко выраженную нанокристалличе-скую структуру кубической сингонии (рисунок 2).
о г ш
S
о
X
-Pechini, 700 С | Отжиг при 700 °С
-Pechini, 800 С I Отжиг при 800 °С
-1 -831 Yttrium Oxide Y203 (карточка 1-831) \ . .1 к
20.0 25.0
26,
Рисунок 2. Рентгеновские дифрактограммы люминофоров состава Y2Oз:Eu, отожженных при различных температурах
Увеличение температуры отжига, как и концентрации активатора, приводит к росту размеров кристаллитов Y2O3:Eu (таблица). Величина микронапряжений Аа/ав кристаллической решетке имеет обратную корреляцию с размером кристаллитов - чем он больше, тем микронапряжения меньше.
Таблица. Результаты рентгенофазового анализа синтезированных
люминофоров Y2Û3:Eu
Температура отжига, °C Концентрация Eu, мас. % Параметр решетки a, нм Размер кристаллитов, нм Микронапряжения кристаллической решетки Aa/a
700 7 1,0607 6,00 -0,0186
10 1,0603 6,60 -0,0151
12 1,0604 7,25 -0,0129
800 7 1,0613 10,9 -0,0077
10 1,0600 13,1 -0,0060
12 1,0611 15,2 -0,0050
В отличие от люминофоров на основе Y2Û3, структура люминофоров на основе Y3Al5Û12 (YAG) сильно аморфизована, о чем свидетельствует размытость пиков на рентгеновских дифрактограммах (рисунок 3).
Рисунок 3. Рентгеновские дифрактограммы люминофоров состава УзА15012 : Ей с различными концентрациями активатора
Форма спектров люминесценции образцов У203:Еи не зависит от способа возбуждения. Положение максимума во всех спектрах одинаково - 612 нм, что соответствует переходу 5Э0 ^ 7Р2 (рисунок 4).
В спектрах люминесценции образцов У3А15012:Еи наиболее интенсивными являются полосы с длинами волн максимумов 590 нм и 613 нм (рисунок 5) .Согласно данным [4], полоса люминесценции с длиной волны 590 нм, соответствует электронному переходу 5Э0 ^ 7Р1 и обладает наибольшей интенсивностью в спектрах люминесценции кристаллического Y3Al5O12:Eu. Полоса люминесценции с максимумом 613 нм соответствует электрическому ди-польному переходу 5Э0 ^ 7Р2 и имеет максимальную интенсивность в аморфном Y3Al5O12:Eu. Преобладание в спектрах полосы с Лтах = 613 нм говорит об аморфной структуре образцов и согласуется с данными РФА, приведенными на рисунке 3.
м: нч
<*D» —* 'Fl)
-7% Eu
---10% Eu
--12% Eu
650
Длина волны, нм
Рисунок 4. Нормализованные спектры/ рентгенолюминесценции образцов Y2O3:Eu с различными концентрациями активатора
Сравнивая данные РФА (рисунок 3) и спектры люминесценции (рисунок 5) образцов У3А15012:Еи, можно заметить, что с увеличением концентрации европия пики на рентгеновских дифрактограммах становятся более размытыми, а интенсивность полосы люминесценции с Лтах = 590 нм, характеризующей содержание кристаллической фазы Y3Al5O12, уменьшается. Таким образом, можно сделать вывод, что увеличение концентрации европия в алюмоиттриевом гранате способствует его аморфизации и уменьшению содержания кристаллической фазы.
Рисунок 5. Нормализованные спектры/ рентгенолюминесценции образцов Y3Al5O12:Eu с различными концентрациями активатора
На рисунке 6 показаны зависимости интенсивно-стей люминесценции синтезированных люминофоров от концентрации европия. Видно, что по сравнению с У203:Еи, люминофор У^15О12:Еи имеет более высокую интенсивность фотолюминесценции, причем максимальная интенсивность достигается при более высокой концентрации европия. Похожие зависимости интенсивности от концентрации европия наблюдаются и при возбуждении «жестким» рентгеновским излучением, соответствующим излучению промышленных медицинских рентгеновских аппаратов, однако в этом случае наибольшую интенсивность имеет люминофор Y2O3:Eu (рисунок 7). Интересно отметить, что при рентгенолюминесценции максимальная интенсивность наблюдается при более низких концентрациях европия, чем при фотолюминесценции. Это может быть обусловлено тем, что за счет более высокой проникающей способности рентгеновского излучения в процессе рентгенолюминесценции принимают участие практически все ионы европия, присутствующие в кристаллической решетке, в то время, как процесс фотолюминесценции затрагивает только поверхностные слои частиц люминофора, и ионы активатора, расположенные в глубине частиц, не принимают участие в процессе фотолюминесценции.
Рисунок 6. Зависимости интенсивностей фотолюминесценции люминофоров Y2O3:Eu и YjAi5P12:Eu, отожженных при температуре 800 °С на последней стадии, от концентрации европия
YAG:Eu - YAG:Eu -15% 20%
Рисунок 7. Сравнение интенсивности рентгенолюминесценции люминофоров Y2O3:Eu и Y3Al5O12:Eu, отожженных при температуре 800 °С на последней стадии
На основе синтезированных люминофоров были приготовлены коллоидные растворы в водной среде. В качестве стабилизатора использовался поливиниловый спирт, являющийся нетоксичным и биосовместимым веществом. Коллоидные растворы, приготовленные с использованием синтезированных образцов, показали высокую устойчивость и малую склонность к оседанию. Находящиеся в коллоидных растворах люминофоры Y2O3:Eu полностью сохраняли свои люминесцентные свойства при возбуждении «жестким» рентгеновским излучением.
Заключение
Таким образом, на основании проведенных исследований, можно сделать вывод, что из люминофоров, синтезированных в данной работе, наиболее подходящим для целей фотодинамической терапии является образец Y2O3:Eu3+ с концентрацией европия 10 мас. %, синтезированный при температуре отжига на последней стадии 800 °С, поскольку данный образец имеет наиболее высокую интенсивность при возбуждении «жестким» рентгеновским излучением, используемым в медицине, и, кроме того, имеет наименьший размер частиц, что важно для
приготовления коллоидного раствора с фотосенсибилизатором.
Помимо фотодинамической терапии, синтезированные люминофоры могут применяться в качестве красной компоненты в дисплеях, а также для коррекции цвета свечения в катодолюминесцентных и светодиодных источниках теплого белого света.
Литература
1. Соколов В.В., Жаркова Н.Н., Фабельский В.И. и др. Диагностика злокачественных опухолей на основе феноменов экзогенной и эндогенной флуоресценции // Пособие для врачей. М., 2001. 16 с.
2. Странадко Е.Ф. Фотодинамическая терапия В кн.: Применение низкоинтенсивных лазеров в клинической практике / Под ред. акад. О. К. Скобелкина. М., 1997. С. 173-184.
3. Гельфонд М.Л., Барчук. А.С., Васильев Д.В., Стуков А.Н. Возможности фотодинамической терапии в онкологической практике // Российский биотерапевтический журнал. 2003. Т. 2. № 4. С. 67-71.
4. Киселев А.П. Связь спектральных характеристик со структурным состоянием молибдата европия: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, 2008. 124 с.
References
1. Sokolov V.V.. Zharkova N.N.. Fabelskiy V.I. i dr. Diag-nostika zlokachestvennykh opukholey na osnove fenomenov ekzogennoy i endogennoy fluorestsentsii // Posobiye dlya vrachey. M.. 2001. 16 s.
2. Stranadko E.F. Fotodinamicheskaya terapiya V kn.: Primeneniye nizkointensivnykh lazerov v klinicheskoy praktike / Pod red. akad. O.K. Skobelkina. M.. 1997. S. 173-184.
3. Geffond M.L.. Barchuk. A.S.. Vaslyev D.V.. StukovA.N. Vozmozhnosti fotodinamicheskoy terapii v onkologicheskoy praktike // Rossiyskiy bioterapevticheskiy zhurnal. 2003. T. 2. № 4. S. 67-71.
4. Kiselev A.P.Svyaz spektralnykh kharakteristik so strukturnym sostoyaniyem molibdata evropiya: dis. ... kand. fiz.-mat. nauk. Chernogolovka. 2008. 124 s.
