NaYF4: Yb, Er based nanosensors testing for temperature measurements in biological media
- Autores: Leontyev A.V.1, Nutrdinova L.A.1,2, Mityushkin E.O.1, Shmelev A.G.1, Zharkov D.K.1, Andrianov V.V.1,2, Muranova L.N.1,2, Gainutdinov K.L.1,2, Nikiforov V.G.1
-
Afiliações:
- Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
- Kazan Federal University
- Edição: Volume 88, Nº 6 (2024)
- Páginas: 896-901
- Seção: Quantum Optics and Coherent Spectroscopy
- URL: https://bakhtiniada.ru/0367-6765/article/view/276172
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0367676524060082
- EDN: https://elibrary.ru/PHGIQP
- ID: 276172
Citar
Texto integral
Resumo
NaYF4: Yb, Er particles were synthesized by hydrothermal method in the form of rods of 1.4 µm × 70 nm average size. Their surface was modified with L-cysteine, which provided hydrophilic properties. It was shown that the modified particles exhibit upconversion luminescence in the visible spectral range upon 980 nm laser excitation. Their temperature calibration in physiological solution was carried out. The possibility of remote temperature measurement in the biologically significant range of temperature (293—323 K) with an average sensitivity of 43 × 10—4 K—1 and an accuracy of ±1.0 K was shown. A demonstration experiment was performed on the living nervous system of the grape snail Helix lucorum. The nanosensors have been successfully used for bioimaging and remote low-invasive temperature measurement with a spatial resolution of 10 µm.
Texto integral
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетие наблюдается бурное развитие сенсорики на основе апконверсионных наночастиц (АНЧ), которые представляют собой редкоземельные ионы, допированные в различные матрицы (как правило, фторидные нанокристаллы) [1, 2]. АНЧ находят применение в широком спектре исследовательских и прикладных задач, таких как визуализация биологических объектов, биосенсорика, терапия и диагностика раковых заболеваний, транспорт лекарств, преобразование солнечной энергии, защита от подделок и т. д. [3—14]. АНЧ интересны в первую очередь благодаря нелинейному апконверсионному процессу преобразования инфракрасного (ИК) излучения ближнего диапазона в инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучение [1, 15]. Данная особенность позволяет избежать целого ряда негативных факторов воздействия интенсивного ближнего ультрафиолетового или видимого излучения на живые ткани, которые сопутствуют даунконверсионным люминофорам (таким как органические молекулы или квантовые точки) [16—20]. При использовании ближнего ИК излучения в области 700—1100 нм — окна прозрачности большинства биологических тканей — практически отсутствует автофлуоресценция и нагревание биопрепаратов, увеличивается глубина проникновения и уменьшается рассеяние возбуждающего излучения [21, 22]. Узкие эмиссионные пики редкоземельных ионов, большие антистоксовые сдвиги, отличная фото- и химическая стабильность делают АНЧ одними из самых перспективных кандидатов для применения в качестве малоинвазивных люминесцентных сенсоров [23—26].
В настоящей работе мы использовали гидротермальный метод для синтеза частиц NaYF4, активированных редкоземельными ионами Yb3+, Er3+. Для реализации возможности их применения в водных средах поверхности АНЧ были модифицированы L-цистеином, что придало АНЧ гидрофильные свойства. На примере живого образца нервной системы виноградной улитки показано, что полученные АНЧ успешно выполняют роль сенсоров температуры, а также могут быть использованы в задачах биовизуализации.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Процессы синтеза наночастиц и модификации поверхности подробно описаны в работе [27]. Наночастицы были получены гидротермальным методом с использованием олеиновой кислоты в качестве стабилизирующего агента. При постоянном перемешивании 8 мл этанола было добавлено к 2 мл водного раствора NaOH (15.0 M). Затем к раствору было добавлено 20 мл олеиновой кислоты для образования комплексов металл-олеиновой кислоты. Далее в условиях интенсивного помешивания в систему было добавлено 0.8, 0.18 и 0.02 ммоль Y(NO3)3, Yb(NO3)3 и Er(NO3)3, соответственно, а также 8 мл водного раствора NaF (1.0 M). Получившийся раствор был помещен в стальной автоклав емкостью 50 мл с тефлоновым покрытием и выдержан 24 ч при температуре 190 °C. После чего систему охлаждали до комнатной температуры естественным путем. Далее систему разделяли центрифугированием и промывали несколько раз этанолом и дистиллированной водой для удаления олеиновой кислоты и других остатков. После сушки в течение 12 ч при 60 °C был получен порошок наночастиц, пригодный для использования.
Синтезированные АНЧ имеют олеатные оболочки, придающие им гидрофобные свойства. С целью изменения их свойств на гидрофильные была выполнена модификация поверхности путем замены олеатной оболочки на молекулы L-цистеина. Для этого порошок наночастиц был диспергирован в хлороформе. Отдельно был приготовлен водный раствор L-цистеина с концентрацией 0.2 моль/л и кислотностью 10 pH. После смешивания раствора L-цистеина с диспергированными АНЧ получившаяся двухфазная система была нагрета до 90 °C при интенсивном перемешивании. По мере испарения хлороформа происходил переход наночастиц в водный слой. Для очистки полученной системы был добавлен этанол в соотношении 1:1 до помутнения раствора и растворения олеиновой кислоты. Смесь разделяли центрифугированием и промывали несколько раз дистиллированной водой.
Морфологию поверхности NaYF4: Yb, Er исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) EVO 50 XVP (Carl Zeiss). Образец представлял собой диспергированные в воде наночастицы, нанесенные и высушенные на подложке из высоколегированного проводящего кремния.
Сигнал люминесценции АНЧ, помещенных в физиологический раствор, регистрировали при помощи конфокального микроскопа, где в качестве возбуждающего источника был использован диодный лазер с длиной волны 980 нм. Пространственное разрешение микроскопа составляло 10 мкм. Образец помещали в фокальную плоскость объектива, после чего сканировали его с помощью гальвосканера, перемещавшего лазерный луч по образцу. В результате получали картина, представляющую собой зависимость интенсивности люминесценции от координаты на поверхности. Спектр регистрируемой люминесценции однозначно соответствовал эмиссионным линиям ионов Er3+ в АНЧ. Площадь сканируемой поверхности составляла 6×6 мм.
Биологический препарат представлял собой изолированную нервную систему наземного легочного моллюска Helix lucorum (виноградная улитка) крымской популяции, который включал в себя подглоточный комплекс ганглиев, состоящий из плевральных париетальных и педальных висцеральных ганглий. Изолированную нервную систему помещали в физиологический раствор следующего состава: NaCl — 80 мM, KCl — 4 мM, CaCl2 — 7 мM, MgCl2 — 5 мM, NaHCO3 — 5 мM; кислотность pH = 7.6—7.8. Окологлоточное кольцо закрепляли вольфрамовыми скобками, затем с помощью пинцетов и миниатюрного скальпеля под бинокулярным микроскопом очищали от соединительно-тканной оболочки, закрывающей нервные клетки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1а представлены изображения СЭМ наночастиц NaYF4: Yb, Er после модификации поверхности L-цистеином. Видно, что АНЧ имеют стержневую форму, длина и ширина которой варьируются в диапазонах 0.4—2 мкм и 45—125 нм, соответственно. Большинство наночастиц NaYF4: Yb, Er имеют длину и ширину, близкую к 1.6 мкм и 75 нм.
Рис. 1. Изображение СЭМ наночастиц NaYF4: Yb, Er после поверхностной модификации L-цистеином (а); гистограмма распределения наночастиц NaYF4: Yb, Er по размерам (б)
Спектры люминесценции (на рис. 2а) соответствуют излучательным релаксационным переходам ионов Er3+: 2H11/2 → 4I15/2 (520 нм), 4S3/2 → 4I15/2 (535 нм), 4F9/2 → 4I15/2 (660 нм). При этом возбуждение осуществляется на длине волны 980 нм, которая соответствует ближнему инфракрасному диапазону, что ясно свидетельствует об апконверсионном характере наблюдаемой люминесценции. Апконверсия является результатом двух- и трехфотонного поглощения ионом Yb3+ с переносом энергии на ион Er3+ по механизму кросс-релаксации. Эффективность переноса энергии между ионами обусловлена тем, что уровень 2F5/2 иона Yb3+ находится в резонансе с промежуточным метастабильным состоянием 4I11/2 иона Er3+ (рис. 2б). В результате происходит последовательное возбуждение иона Er3+ из основного состояния 4I15/2 сначала на уровень 4I11/2, а затем на уровень 4F7/2. Отметим также, что возможны промежуточные безызлучательные переходы на нижележащие уровни с последующими апконверсионными переходами и на более высоколежащие состояния [28].
Рис. 2. Спектр апконверсионной люминесценции наночастиц NaYF4: Yb, Er (а); Диаграмма энергетических уровней и процессы переноса энергии в апконверсионной системе Yb3+ — Er3+ (б). Сплошные стрелки показывают излучательные переходы, пунктирные стрелки и линии — перенос энергии и безызлучательные переходы
На рис. 3а представлены спектры зеленых полос люминесценции АНЧ в физиологическом растворе для биологически значимого интервала температур 293—323 K. Зеленая эмиссия, состоящая из двух отдельных полос с максимумами на 525 и 535 нм, является результатом излучательных переходов 2H11/2 → 4I15/2 (525 нм) и 4S3/2 → 4I15/2 (535 нм) ионов Er3+. Важно отметить, что полоса в области 555 нм может включать в себя эмиссию с более высоких уровней энергии [29]. В этом случае температурная зависимость полосы на 555 нм может существенно отличаться от остальных спектральных пиков. В связи с чем мы посчитали целесообразным исключить ее из дальнейшего рассмотрения.
Рис. 3. Спектры апконверсионной люминесценции NaYF4: Yb, Er, полученные при разной температуре. Эксперименты были выполнены при мощности возбуждающего излучения 0.5 Вт/см2 (а). Зависимости относительной населенности уровней 2H11/2 и 4S3/2 ионов Er3+ RHS от обратной температуры 1/T (фиолетовые точки — экспериментальные данные, фиолетовая кривая — аппроксимация функцией (1)) и чувствительности S от температуры T (оранжевая кривая) (б)
Энергетический зазор между состояниями 2H11/2 и 4S3/2 не превышает 103 см−1. Считая процесс термической активации доминирующим в распределении населенностей близкорасположенных уровней и пренебрегая вкладами других процессов, заселенность уровней 2H11/2 и 4S3/2 ионов Er3+ будет близка к статистике Больцмана:
, (1)
где E — константа, по величине близкая к энергетическому зазору между уровнями 2H11/2 и 4S3/2, kB – постоянная Больцмана, T — абсолютная температура и A — коэффициент пропорциональности.
Отметим, что для температурных сенсоров важной характеристикой является чувствительность S = dRHS / dT, которая в соответствии с выражением (1) имеет вид
. (2)
Выражение вида (1) удобно использовать для аппроксимации зависимости спектральных амплитуд от температуры на основе ратиометрического метода путем калибровки соотношения интегральных интенсивностей двух полос люминесценции RHS в областях спектра 510—530 и 530—543 нм.
На рис. 3б приведены экспериментальные данные RHS (точки), а также результат их аппроксимации зависимостью вида (1) (линии). Таким образом, выражение (1) приобретает смысл калибровочной кривой с постоянными A = 14.2 и E/kB = 1130 K. Температурная чувствительность АНЧ NaYF4: Yb, Er в диапазоне температур 293—323 K варьируется в пределах 15%. Точность измерения температуры на основе представленных экспериментальных данных оказалась равной 1.0 K, что является хорошим показателем для подобных сенсоров.
Нами были проведены эксперименты по визуализации препарата нервной системы виноградной улитки Helix lucorum. Для этого АНЧ, модифицированные L-цистеином, были нанесены на поверхность нервной ткани. Важно отметить, что нахождение АНЧ в физиологическом растворе не привело к заметному уменьшению яркости апконверсионной люминесценции [30—33].
В процессе эксперимента были получены два изображения препарата (рис. 4). Верхнее изображение снято с помощью камеры тринокулярного микроскопа. На нем видны овальные образования размерами до 300 мкм, которые являются поверхностью нейронов. Нижнее изображение — результат сканирования люминесцентного сигнала на конфокальном микроскопе. Оно показывает распределение интенсивности люминесцентного сигнала на поверхности препарата нервной системы виноградной улитки. Цветовой градиент от темного до ярко желтого соответствует минимуму и максимуму интенсивности сигнала, соответственно.
Рис. 4. Фотография препарата нервной системы виноградной улитки Helix lucorum (верхнее изображение), скан конфокального микроскопа, показывающего интенсивность люминесценции АНЧ, нанесенных на препарат (нижнее изображение)
На основе определенной выше калибровочной кривой нами сделаны оценки температуры в трех локальных областях, обозначенных цифрами 1, 2, 3 на рис. 4. Результаты сопоставления отношения интегральных интенсивности RHS с калибровочной кривой дали следующие значения температуры: 295.0, 296.9 и 295.2 K. Учитывая величину погрешности измерения ±1.0 K, можно заключить, что температура на поверхности препарата близка к 296±1.0 K. Данное значение полностью согласуется с результатами измерения температуры физиологического раствора в препарате терморезистором 23±0.5 °C.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований установлено, что полученные нами апконверсионные частицы NaYF4: Yb, Er можно использовать в качестве люминесцентных сенсоров температуры в биологически значимом диапазоне 293—323 K со средней чувствительностью 43·10–4 K−1, которая позволяет удаленно измерять температуру с точность ±1.0 K. Для проверки возможности использования сенсоров для удаленного контроля температуры в биологических объектах был выполнен эксперимент по биовизуализации, в котором прокалиброванные температурные сенсоры были нанесены на поверхность живой нервной системы виноградной улитки. С помощью конфокального микроскопа получена карта яркости апконверсионной люминесценции при лазерном облучении на длине волны 980 нм, которое попадает в «окно прозрачности» биотканей и является малоинвазивным для них. В частности, это позволило провести локальное измерение температуры с пространственным разрешением ~10 мкм. Результаты удаленного измерения температуры оказались в хорошем согласии с измерением температуры физиологического раствора терморезистором 23 °C. На основании представленных данных можно заключить, что приготовленные нами сенсоры являются готовым решением для измерения температуры.
Синтез наночастиц выполнен при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда № 23-42-10012, https://rscf.ru/project/23-42-10012/. Спектроскопические измерения выполнены в рамках темы государственного задания ФИЦ КазНЦ РАН.
Sobre autores
A. Leontyev
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
Autor responsável pela correspondência
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan
L. Nutrdinova
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences; Kazan Federal University
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan; Kazan
E. Mityushkin
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan
A. Shmelev
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan
D. Zharkov
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan
V. Andrianov
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences; Kazan Federal University
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan; Kazan
L. Muranova
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences; Kazan Federal University
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan; Kazan
Kh. Gainutdinov
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences; Kazan Federal University
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan; Kazan
V. Nikiforov
Zavoisky Physical-Technical Institute of the Kazan Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
Email: vgnik@mail.ru
Rússia, Kazan
Bibliografia
- Chen G., Qiu H., Prasad P.N., Chen X. // Chem. Rev. 2014. V. 114. No. 10. P. 5161.
- Ding M., Chen D., Yin S. et al. // Sci. Reports. 2015. V. 5. P. 12745.
- Pang G., Zhang Y., Wang X. et al. // Nano Today. 2012. V. 40. Art. No. 101264.
- Li S., Wei X., Li S. et al. // Int. J. Nanomed. 2020. V. 15. P. 9431.
- Jiang W., Yi J., Li X. et al. // Biosensors. 2022. V. 12. No. 11. Art. No. 1036.
- Arai M.S., de Camargo A.S.S. // Nanoscale Advances. 2021. V. 3. No. 18. P. 5135.
- Lv H., Liu J., Wang Y. // Front. Chem. 2022. V. 10. Art. No. 996264.
- Chen W., Xie Y., Wang M., Li C. // Front. Chem. 2020. V. 8. Art. No. 596658.
- Lee G., Park Y.I. // Nanomaterials. 2018. V. 8. No. 7. P. 511.
- Zhang L., Jin D., Stenzel M.H. // Biomacromol. 2021. V. 22. No. 8. P. 3168.
- Ghazy A., Safdar M., Lastusaari M. et al. // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2021. V. 230. Art. No. 111234.
- Richards B.S., Hudry D., Busko D. et al. // Chem. Rev. 2021. V. 121. No. 15. P. 9165.
- Chaudhary B., Kshetri Y.K., Kim T.H. // In: Upconversion nanoparticles (UCNPs) for functional applications. POSP. V. 24. Singapore: Springer Nature, 2023. P. 193.
- Qingqing K., Xiaochun H., Chengxue D. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2023. V. 25. No. 27. P. 17759.
- Yang Y., Wang L., Wan B. et al. // Front. Bioeng. Biotechnol. 2019. V. 15. No. 7. P. 320.
- Hilderbrand S.A., Shao F., Salthouse C. // Chem. Commun. 2009. No. 28. P. 4188.
- Larson D.R., Zipfel W.R., Williams R.M. et al. // Science. 2003. V. 300. P. 1434.
- van de Rijke F., Zijlmans H., Li S. et al. // Nature Biotechnol. 2001. V. 19. P. 273.
- Nikiforov V.G., Leontyev A.V., Shmelev A.G. et al. // Laser Phys. Lett. 2019. V. 16. No. 6. Art. No. 065901.
- Leontyev A.V., Shmelev A.G., Zharkov D.K. et al. // Laser Phys. Lett. 2019. V. 16. No. 1. Art. No. 015901.
- Wu X.J., Zhang Q.B., Wang X. et al. // Eur. J. Inorg. Chem. 2011. V. 2011. No. 13. P. 2158.
- Chatterjee D.K., Rufaihah A.J., Zhang Y. // Biomaterials. 2008. V. 29. No. 7. P. 937.
- Johnson N.J.J., Sangeetha N.M., Boye J.C., van Veggel F. C.J.M. // Nanoscale. 2010. V. 2. No. 5. P. 77.
- Park Y.I., Kim J.H., Lee K.T. et al. // Adv. Mater. 2009. V. 21. No. 44. P. 4467.
- Jalil A.R., Zhang Y. // Biomaterials. 2008. V. 29. No. 30. P. 4122.
- Xiong L.Q., Yang T.S., Yang Y. et al. // Biomaterials. 2010. V. 31. No. 27. P. 7078.
- Митюшкин Е.О., Жарков Д.К., Леонтьев А.В. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. Т. 87. № 12. С. 1724; Mityushkin E.O., Zharkov D.K., Leontyev A.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023. V. 87. No. 12. P. 1806.
- Kaiser M., Wurth C., Kraft M. et al. // Nano Res. 2019. V. 12. P. 1871.
- Ruhl P., Wang D., Garwe F.R. et al. // J. Luminescence. 2021. V. 232. Art. No. 117860.
- Леонтьев А.В., Жарков Д.К., Шмелев А.Г. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2019. Т. 83. № 12. С. 1644; Leontyev A.V., Zharkov D.K., Shmelev A.G. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. № 12. P. 1484.
- Шмелев А.Г., Никифоров В.Г., Жарков Д.К. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 12. С. 1696; Shmelev A. G., Nikiforov V.G., Leontyev A.V., Zharkov D.K. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020. V. 84. № 12. P. 1439.
- Жарков Д.К., Шмелев А.Г., Леонтьев А.В. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 3. С. 317; Zharkov D.K., Shmelev A.G., Leontyev A.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020. V. 84. № 3. P. 241.
- Жарков Д.К., Шмелев А.Г., Леонтьев А.В. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2020. Т. 84. № 12. С. 1746; Zharkov D.K., Shmelev A.G., Leontyev A.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2020. V. 84. № 12. P. 1486.
Arquivos suplementares
