Диссертация (1149506), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Поэтому все дальнейшие исследования проводились снанокристаллическим порошком YAG:Eu3+ 16 ат.%.Важным параметром для определения возможности применения люминофора в качествеметок является время жизни. Измерение кинетики люминесценции нанопорошка YAG:Eu3+ 16ат.% позволило определить время жизни возбужденного уровня европия 5D0. Наблюдаемое115время жизни составило 4.13 мс, что намного превышает типичное время жизниавтолюминесценции биологических тканей [154,155]. Таким образом, для детектированиясигнала от люминесцентных меток можно воспользоваться времяразрешенной техникой дляизбавления от фоновой люминесценции биотканей и, соответственно, улучшения отношениясигнал/шум.Поскольку одним из важных условий применения люминесцентных меток в медицинеявляетсявозможностьбиологическихтканей,спектральногобыларазделенияпроанализированалюминесценции наночастиц YAG:Eu3+сигналовэмиссиивозможностьнаночастицрегистрацииисигналав крови.
Кровь является сложной по своему составубиологической жидкостью, которая содержит белки, глюкозу, минеральные ионы, эритроциты.При возбуждении УФ-излучением кровь демонстрирует люминесценцию в видимой областиспектра.Для исследования спектрально-люминесцентных свойств наночастиц в биологическойсреде порошок YAG:Eu3+ 16 ат.% (0.8 мг) смешивался с 3 мл «препарата крови».
Препараткрови готовился следующим образом: для обеспечения оптической прозрачности крови ипредотвращения ее свертывания кровь (0.1 мл) растворялась в 2 мл дистиллированной воды иотстаивалась в течение 5 часов. С помощью дозатора забирался верхний прозрачный растворкрови, который впоследствии разбавлялся дистиллированной водой до концентрации 0.17%крови в воде.На рисунке 4.2 представлены спектры люминесценции «препарата крови» (1) и«препарата крови» с наночастицами YAG:Eu3+ 16 ат.% (2). В качестве возбуждающегоизлучения использовалась длина волны 325 нм. Приведенные спектры не корректировались нааппаратную функцию прибора.116Рисунок 4.2 – Спектры люминесценции «препарата крови» (1) и «препарата крови» снаночастицами YAG:Eu3+ 16 ат.% (2)Как видно из рисунка 4.2, спектр люминесценции крови характеризуется широкойинтенсивной полосой с максимумом около 470 нм и слабой линией в области 596 нм.
Введениенаночастиц YAG:Eu3+ приводит к появлению полос люминесценции около 520, 594, 614 и 707нм, характерных для ионов Eu3+. Ширина полос люминесценции нанопорошка обусловленабольшим размером щелей монохроматора люминесценции (20 нм). Следует отметить, что вобласти спектра 580–630 нм наблюдается перекрывание полос люминесценции крови (596 нм)и нанопорошков YAG:Eu3+ (594 и 614 нм).Несмотря на спектральное перекрывание полос люминесценции сигнал наночастицYAG:Eu3+ может быть зарегистрирован на фоне люминесценции крови. Концентрационныйпределобнаружениятакихлюминесцентныхметокопределяетсякакминимальнаяконцентрация нанопорошка, растворенного в 1 мл препарата крови, при которой может бытьобнаружен сигнал люминесценции редкоземельного иона. Этот предел был экспериментальноопределен равным 0.14 мг.
Таким образом, на основе проведенных экспериментов можносделать вывод, что можно осуществлять уверенное обнаружение люминесценции наночастицYAG:Eu3+ на фоне собственной люминесценции сложной биологической жидкости – крови.117Одной из особенностей люминесценции наночастиц, содержащих редкоземельные ионы,является стабильность их сигнала во времени.
Для сравнения на рисунке 4.3 приведеназависимость интенсивности люминесценции наночастиц алюмоиттриевого граната и широкоприменяемого в диагностике органического люминофора – флуоресцеина. При облученииобразца возбуждающим светом в течение 20 минут интенсивность сигнала люминесценции неизменяется, а интенсивность люминесценции флуоресцеина за то же время уменьшается болеечем втрое.Рисунок 4.3 – Стабильность люминесценции (1) наночастиц YAG:Eu3+ (λех=325 нм; λеm=594 нм)и (2) флуоресцеина (λех=325 нм; λеm=512 нм)Для применения люминесцентных маркеров in vivo необходимо изучить глубинупроникновения сигнала люминесценции в биологической ткани. В качестве моделибиологической материала была выбрана 2% водная эмульсия Интралипида, позволяющего свысокой точностью эмулировать оптические свойства биоткани [156].
Для приготовлениямодели биологического материала был использован коммерческий Интралипид 20%производства Фрезениус Каби Австрия ГмбХ, который при помощи дистиллированной водыбыл доведен до 2% эмульсии и гомогенизирован. Схема проведения эксперимента показана нарисунке 4.4. Люминесценция нанопорошка YAG:Eu3+ 16 ат.% возбуждалась длиной волны 393нм. Затем излучение проходило через слой Интралипида определенной толщины и попадало в118монохроматорлюминесценции.Регистрациясигналаосуществляласьспомощьюфотоэлектронного умножителя (ФЭУ).Рисунок 4.4 – Схема эксперимента по изучению глубины проникновения сигналалюминесценции в биологической тканиЛюминесценция, прошедшая через заполненные раствором Интралипида кюветыразличной толщины (1 и 5 мм), показана на рисунке 4.5.
Как видно из рисунка люминесценциюнанокристаллического порошка YAG:Eu3+ 16 ат.% можно обнаружить даже через 5 мм слойбиологической ткани. Наилучшее отношение сигнал/шум наблюдалось вынужденногоэлектрического дипольного перехода 5D0–7F4.119Рисунок 4.5 – Глубина проникновения сигнала люминесценции нанопорошка YAG:Eu3+ 16 ат.%Важной характеристикой флуоресцентных меток является способность одновременногоиспользования нескольких различных меток с возможностью их независимой регистрации. Вслучае использования в качестве меток наночастиц с РЗИ различные маркеры могут бытьполучены путем легирования матрицы основы различными редкоземельными ионами.
В этойработе изучалась возможность независимой регистрации нанопорошков YAG:Eu3+ и YAG:Nd3+.Образец, содержащий различные редкоземельные ионы получали следующим образом: 5 мгнанопорошка YAG:Eu3+ 16 ат.% и 5 мг нанопорошка YAG:Nd3+ 3 ат.% тщательноперемешивали и прессовали с 300 мг KBr в таблетку GEuNd. Полученную таблетку облучалиразличными длинами волн для возбуждения отдельно ионов Eu3+ и Nd3+ (рисунок 4.6).120Рисунок 4.6 – Спектры люминесценции таблетки GEuNd при возбуждении λех=393 нм (верхнийграфик) и λех=588нм (нижний график)Спектр излучения таблетки GEuNd при возбуждении λех=393 нм соответствуетлюминесценции ионов Eu3+ с преобладанием вынужденного электрического дипольногоперехода 5D0–7F4 на 709 нм. Спектр излучения таблетки GEuNd при возбуждении λех=588 нмсоответствует люминесценции ионов Nd3+ с преобладанием перехода 4F3/2–4I9/2 на 883 нм. Каквидно из рисунка 4.6 люминесцентный сигнал от нанопорошков YAG:Eu3+ и YAG:Nd3+ можноуверенно разделить.
Следовательно, возможно одновременное использование двух различныхметок с независимой регистрацией.Выводы: Данная глава посвящена изучению применения нанокристаллическихпорошковвкачествелюминесцентныхмаркеров.Продемонстрированавозможностьспектрального разделения сигналов люминесценции наночастиц YAG:Eu3+ и сложной посвоему составу биологической жидкости – крови при использовании в качестве возбужденияУФ-излучения. Выяснено, что исследуемые нанокристаллические порошки фотостабильны.Продемонстрировано, что люминесценцию образца YAG:Eu3+ 16 ат.% (709 нм, перехода 5D0–7F4) можно зарегистрировать через 5 мм слой биологической ткани.
На примере нанопорошковYAG:Eu3+ 16 ат.% и YAG:Nd3+ 3 ат.% показано, что возможно одновременное использованиедвух различных меток с независимой регистрацией.121Основные результаты и выводы[I] Исследованы люминесцентные свойства ионов Eu3+ в оксидных наноструктурированныхпорошках состава YAG, YVO4, Y2O3.[II] Методами рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии икомбинационного рассеяния света изучены структурные свойства и морфология оксидныхнаноструктурированных порошков различного состава.[III] Изучено влияние различных характеристик наночастиц и условий синтеза налюминесцентные свойства образцов.[IV] Получены и изучены спектры люминесценции и спектры возбуждения люминесценциинаноструктурированных кристаллофосфоров различного состава.[V] Определены оптимальные концентрации легирования ионами европия в матрицах YAG (16ат.%), YVO4 (6 ат.% и 20 ат.%), Y2O3 (12 ат.%) с точки зрения получения наиболее интенсивнойлюминесценции.[VI] Проведены измерения люминесценции с временным разрешением и определены временажизни возбужденного уровня 5D0 в ионах Eu3+.[VII] Рассчитаны спектроскопические параметры для ионов Eu3+ в различных оксидныхматрицах на основе теории 4f–4f переходов.[VIII] Разработана методика и вычислены коэффициенты асимметрии в люминесцентныхнанопорошках состава YAG:Eu3+, YVO4:Eu3+, Y2O3:Eu3+.[IX] Показана возможность применения наночастиц, легированных ионами Eu3+, в качествепрекурсоров для биологических и медицинских меток.Автор выражает искреннюю признательность и благодарностьнаучному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Пулькину СергеюАлександровичу;аспиранткам Санкт-Петербургского государственного университета и Санкт-Петербургскогогосударственного политехнического университета Мамоновой Д.В.
и Гольевой Е.В. за синтезнанокристаллических порошков, легированных ионами европия и неодима;директору ресурсного центра «Оптические и лазерные методы исследования вещества»,кандидату физико-математических наук, доценту Курочкину Алексею Викторовичу за ценныеконсультации;коллегам по работе Поволоцкому А.В. и Маньшиной А.А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
