ГЛАВА 25: ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ФТОРИДА ЦЕРИЯ, ДОПИРОВАННОГО ТЕРБИЕМ

Люминесцентные наночастицы широко используются для биологиче- ских исследований и клинического применения.Обычные люминесцент- ные метки, включая органические красители и полупроводниковые квантовые точки, имеют ряд недостатков, таких как короткое время жизни, фотообесцвечивание и потенциальная токсичность для живых клеток. Как альтернатива в качестве люминесцентных меток перспективны соединения редкоземельных элементов (P3Э), в том числе фториды [1]. Благодаря низкой колебательной энергии кристаллической решётки фторидов P3Э меньше вероятность безызлучательной диссипации энергии и, соответственно, меньше тушение и выше квантовый выход люминесценции. Kaк правило, фториды P3Э гораздо менее токсичны, чем традиционные квантовые точки (халькогениды свинца или кадмия); более того, показано, что наночастицы фторида церия(III) способны защищать биологические объекты от активных форм кислорода [2]. Наночастицы фторида церия CeF₃, допированного ионами тербия, способны образовывать ярко люминесцирующие золи, подходящие для биомедицинских применений. 

Описание задачи

Простой одностадийный синтез и изучение устойчивых прозрачных 30- лей, содержащих люминесцентные наночастицы CeF₃ и CeF₃:Tb. 

Реактивы, необходимые для работы

1. Вода дистиллированная.
2. Изопропиловый спирт, (CH₃)₂CHOH.
3. Плавиковая кислота, HF, концентрированная (40%).
4. Церия(III) хлорид гептагидрат, CeCl₃*7H₂O.
5. Тербия(III) хлорид гептагидрат, TbCl₃*7H₂O.
6. Поливинилпирролидон, ПВП 10…40, (C₆Н₉NО)_n.

Оборудование, необходимое для работы

1. Полиэтиленовый или полипропиленовый стакан объёмом 250 мл — 2 шт.
2. Мерный цилиндр объёмом 250 мл — 1 шт.
3. Пипетка Пастера (полиэтиленовая) объёмом 3 мл — 1 шт.
4. Стеклянная воронка — 1 шт.
5. Стеклянная палочка — 1 шт.
6. Чашка Петри — 1 шт.
7. Фильтр «синяя лента».
8. Весы электронные лабораторные 3-го класса или точнее,
9. Магнитная мешалка.
10. Ультразвуковая ванна (опционально).

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. УФ-лампа медицинская кварцевая.
2. Люминесцентный спектрометр (опционально).
3. Спектрофотометр (опционально).
4. Прибор для анализа золей методом динамического светорассеяния (опционально).
5. Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп (например, LSM 510 META компании Carl Zeiss) (опционально).

Описание эксперимента

Фториды РЗЭ нерастворимы в воде и легко образуются в результате обменной реакции между растворимой солью P3Э и соединением, содержащим анион фтора: 

CeCl₃ + 3F^— → CeF₃↓ + ЗCl^—

Для получения наноразмерных частиц фторидов P3Э обычно используют темплаты-стабилизаторы. В этом примере мы воспользуемся легкокипящим растворителем — изопропиловым спиртом, который может выступать в роли регулятора роста частиц и легко удаляется из системы после завершения синтеза. 

Фторид церия, допированный ионами тербия, обладает яркой люминесценцией, оптимальное содержание тербия — 15 мол. %. Поэтому аналогичным способом синтезируем и золи допированного фторида церия. 

В пластиковый стакан объёмом 250 мл загружают 1.86 г церия(III) хлорида гептагидрата (5 ммоль) в 15 мл дистиллированной воды и вливают 150 мл изопропилового спирта. Если раствор демонстрирует признаки опалесценции, следует добавить несколько капель воды (до прозрачности). Отдельно в пластиковом стакане или цилиндре растворяют в 50 мл изопропилового спирта 20 ммоль HF (около 1 г в пересчёте на 40% плавиковую кислоту). Устанавливают первый стакан на магнитную мешалку и при непрерывном интенсивном перемешивании с помощью полимерной пипетки (пипетка Пастера) по каплям добавляют спиртовой раствор HF. Останавливают мешалку и фильтруют выпавший осадок с помощью воронки и бумажного фильтра. Остаток на фильтре не- сколько раз промывают небольшими порциями изопропилового спирта для удаления кислот (продукта реакции HCl и непрореагировавшего избытка HF), уплотняют палочкой и переносят фильтр вместе с содержимым в чашку Петри для подсушивания. Подсохшую пастообразную массу количественно переносят в стакан и редиспергируют в 110 мл воды. Для ускорения процесса редиспергирования систему можно обработать ультразвуком (опционально). Примечание: если стабильный прозрачный золь получить не удаётся, в раствор можно добавить стабилизатор — 1-2 г поливинилпирролидона. Полученный прозрачный золь кипятят при непрерывном перемешивании в течение 5-10 минут для удаления остатков спирта, при этом объём раствора уменьшается до 100 мл. 

Для получения наночастиц фторида церия, допированного тербием, выполняют аналогичную процедуру, используя в качестве исходных соединений P3Э смесь 4.25 ммоль хлорида церия и 0.75 ммоль хлорида тербия.

В результате образуются прозрачные водные золи наночастиц фторида церия размером 15-20 HM, люминесцирующие в ультрафиолетовых лучах слабым фиолетовым цветом в случае присутствия только ионов церия (на рисунке слева) и интенсивным жёлто-зелёным цветом при допировании тербием (на рисунке справа).

Примечания

1. Спектры возбуждения фторида церия — как индивидуального, так и допированного тербием — совпадают (максимум при A = 277 нм). Яркую люминесценцию допированные частицы демонстрируют за счёт иона тербия: согласно классическому механизму люминесценции, квант УФ-света возбуждает ион церия, который излучает сам или передаёт свою энергию соседу-тербию. Однако ион тербия в данных частицах можно возбудить и без помощи церия, в том числе ипо мультифотонному механизму, что открывает интересные перспективы использования наночастиц CeF₃:Tb в качестве люминесцентной метки для биологических объектов в конфокальной люминесцентной микроскопии.

2. Наночастицы CeF₃ способны защищать клетку от окислительного стресса, вызванного активными формами кислорода, и даже от атаки вирусов [1, 3].

3. Ионы церия в наночастице CeF₃ способны передавать энергию возбуждения не только иону тербия, находящемуся рядом в кристаллической решётке, но и молекулам органического красителя (например, фотосенсибилизатора), находящимся возле поверхности наночастицы [4]. Это явление может быть использовано, например, при фотодинамической терапии опухолей (см. главу 13). Фторид церия — один из самых лучших сцинтилляторов, т. е. соединений, способных люминесцировать под действием рентгеновского излучения. Если опухоль находится глубоко и обычный луч лазера не достаёт до фотосенсибилизатора, то конъюгат CeF₃:Tb+фотосенсибилизатор можно возбудить рентгеновскими лучами. При этом происходит перенос энергии (electronic excitation energy transfer, EEET), и фотосенсибилизатор (например, хлорин е₆) «атакует» опухоль синглетным кислородом.

Полезная литература

1. Shcherbakov А.В., Zholobak N.М., Baranchikov А.Е. et al. Cerium fluoride nanoparticles protect cells against oxidative stress // Materials Science and Engineering: C. 2015. V. 50. P. 151-159.

2. Fedorov Р. Р., Luginina А. А., Kuznetsov 5. М., Osiko V.V. Nanofluorides // Journal of Fluorine Chemistry. 2011. V. 132 (12). P. 1012-1039.

3. http://atlasofscience.org/cerium-fluoride-nanoparticles-protect-cells-against-oxidative-stress/

4. Losytskyy M.Yu., Kuzmenko L.V, Shcherbakov O.B. et al. Energy transfer in Ce0.85Tb0.15F3 nanoparticles-CTAB shell-chlorin е6 system // Nanoscale Research Letters. 2017. DOI: 10.1186 /s11671-017-2077-x.