СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ПЛАЗМОННО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МАРКЕРОВ Российский патент 2017 года по МПК C09K11/58 C09K11/77 B82B1/00 B82Y40/00 G01N21/31 

Описание патента на изобретение RU2614245C1

Изобретение относится к области нанотехнологии новых материалов, которые можно использовать в биомедицинской диагностике, криминалистике, экологическом мониторинге и тех областях, в которых требуется использование люминесцентных маркеров.

В настоящее время широкое применение находят гибридные наноструктуры, состоящие из люминесцентных и плазмонных наночастиц. Подобные структуры обеспечивают: увеличение эффективности, яркости свечения за счет снижения роли безизлучательных каналов релаксации и сенсибилизации люминесцентных наночастиц (создание дополнительных каналов поглощения излучения возбуждения и передачи его энергии на центр люминесценции); предотвращение коалесценции и повышение химической стабильности металлических наночастиц; создание поверхности, позволяющей прививать на нее функциональные группы; создание поверхности, изменяющей параметры люминесценции наночастиц в зависимости от характера окружения; придание дополнительных функциональных свойств для решения комплексных задач за счет композитного строения гибридных наноструктур. Сочетание люминесцентных наночастиц и плазмонных наночастиц позволяет увеличивать яркость люминесценции за счет эффекта плазмонного резонанса на металлических наночастицах.

Известно, что в качестве нанолюминофоров обычно исследуются органические флюорофоры и полупроводниковые квантовые точки, а так же люминесцентные кристаллические наночастицы, активированные редкоземельными ионами [1]. Объединение люминесцентных наночастиц с наночастицами подгруппы меди (обладающих плазмонным резонансом) обеспечивает усиление люминесценции за счет энергии плазмонных колебаний металлических наночастиц [2]. Вместе с тем, следует отметить работу [3], в которой показан еще один механизм усиления люминесценции благодаря плазмонным колебаниям. Речь идет о передаче энергии активации от сенсибилизатора люминофору посредством плазмонных колебаний. Авторы произвели сравнительные оценки эффективностей прямого диполь-дипольного и плазмонного каналов переноса энергии.

Недостатком органических флюорофоров является низкая фотостабильность, а у полупроводниковых квантовых точек - высокая токсичность. Кроме того, синтез органических люминофоров и квантовых точек происходит с использованием большого количества химических реагентов, следовые количества которых остаются в конечном продукте. Следовые количества посторонних химических примесей приводят к увеличению токсичности люминесцентных маркеров.

Известны композитные наночастицы для фото динамической диагностики [4], сочетающие плазмонный резонанс и люминесценцию. Недостатком представленных композитных наночастиц является использование органических флюорофоров 2,4 диметоксигематопорфирина иттербия, обладающих невысокой фотостабильностью и низкой химической устойчивостью.

Известны композитные материалы на основе квантовых точек InGaN/GaN и плазмонных наночастиц серебра [5], в которых наблюдается явление усиления интенсивности фотолюминесценции. Недостатком представленных материалов является высокая токсичность материала на основе квантовых точек.

Известен способ синтеза гибридных наноструктур [6], наиболее близкий по решаемой технической задаче и совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению. Известный способ позволяет синтезировать гибридные наноструктуры NaYF4:Yb/Tm с усилением люминесценции за счет плазмонного резонанса золотых наночастиц или оболочек. В основе известного способа лежит многоступенчатый последовательный синтез гибридных наноструктур методами «мокрой» химии, используемыми для химического восстановления золота на поверхности люминесцентных наночастиц. Восстановление золота таким способом требует предварительного осаждения на поверхности люминесцентных наночастиц заранее приготовленных золотых затравок.

Недостатком известного способа является низкая химическая чистота гибридных плазмонно-люминесцентных наночастиц от остатков химических реагентов, высокая токсичность, небольшая глубина детектирования люминесцентных маркеров за счет невысокой яркости люминесценции (усиление люминесценции золотыми плазмонными наночастицами меньше, чем серебряными), большое количество сложных технологических этапов синтеза.

Заявляемое изобретение свободно от указанного недостатка.

Технический результат, достигаемый в заявляемом изобретении, заключается в повышении химической чистоты гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров, уменьшении их токсичности, повышении глубины детектируемых люминесцентных маркеров за счет существенного повышения яркости люминесценции, уменьшении количества технологических этапов синтеза.

Указанный технический результат достигается тем, что в соответствии с заявленным изобретением коллоидный раствор люминесцентных кристаллических наночастиц в 1,2-дихлорэтане, покрытых буферным слоем SiO2, смешивается с раствором супрамолекулярного комплекса [{Au10Ag12(C2Ph)20}Au3(PPh2(C6H4)3PPh2)3][PF6]5 в 1,2-дихлорэтане с концентрацией 4 мг/мл и подвергается воздействию непрерывным лазерным излучением с длиной волны 325 нм и плотностью мощности 10 мВт/см2 по всему объему раствора.

Заявленный способ состоит в реализации лазерного восстановления металлических наночастиц на поверхности люминесцентных наночастиц. В основе лазерного восстановления лежит механизм фотоиндуцированной трансформации супрамолекулярного комплекса. Лазерное восстановление состоит из следующих последовательных процессов, возникающих после лазерного воздействия: возбуждение электронной подсистемы супрамолекулярного комплекса, внутримолекулярный перенос электрона с металлического ядра на лигандное окружение комплекса, электростатическая дестабилизация комплекса, восстановление металла из ядра комплекса, формирование стабилизирующей углеродной оболочки из лигандного окружения комплекса.

Сущность заявляемого изобретения иллюстрируется Фиг. 1 - Фиг. 3. На Фиг. 1 представлена схема реализации способа получения гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров для биомедицинского применения. Длина волны источника лазерного излучения 1 выбирается в соответствии с полосой поглощения раствора супрамолекулярного комплекса в 1,2-дихлорэтане. Смесь раствора супрамолекулярного комплекса и взвеси люминесцентных наночастиц помещается в кювету 2, установленную на вортексе 3 для обеспечения однородности смеси на протяжении всего времени синтеза. Время синтеза составляет от 10 минут до 1 часа. На Фиг. 2 приведена микрофотография гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. Светлые области размером около 10 нм - плазмонные Au-Ag/C наночастицы. Микрофотография на Фиг. 2 демонстрирует стохастическое распределение плазмонных наночастиц на поверхности люминесцентных наночастиц.

Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях СПбГУ в режиме реального времени. Результаты апробации приведены ниже в виде конкретных примеров.

Пример 1

В качестве супрамолекулярного комплекса используется золото-серебряный алкинил-фосфиновый комплекс [{Au10Ag12(C2Ph)20}Au3(PPh2(C6H4)3PPh2)3][PF6]5. Синтез комплекса проводили по методике, описанной в [7].

Супрамолекулярный комплекс в количестве 5 мг растворялся в 1 мл 1,2-дихлорэтана (ХЧ, «Вектон», ГОСТ 1942-86). Полученный раствор добавляли к коллоидному раствору люминесцентных кристаллических наночастиц в 1,2-дихлорэтане, покрытых буферным слоем SiO2, и перемешивали до получения однородной смеси.

Синтез гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров проводили путем одностадийного лазерного восстановления металла на поверхности люминесцентных наночастиц. Для реализации способа синтеза гомогенную смесь коллоидного раствора люминесцентных кристаллических наночастиц и раствора супрамолекулярного комплекса подвергали воздействию излучения гелий-кадмиевого лазера (ГКЛ-30, длина волны излучения 325 нм, режим генерации - непрерывный, плотность мощности излучения 0.5 мВт/см, диаметр лазерного пучка 2 мм). Длительность облучения составляла 30 мин. Во время облучения раствор перемешивали при помощи Вортекса V3 (скорость вращения 500 об/мин, амплитуда вращения 3 мм) (схема представлена на Фиг.1).

Выделение гибридных люминесцентных маркеров из раствора проводили при помощи лабораторной центрифуги Sigma 2-16Р (скорость вращения 10000 об/мин). После центрифугирования гибридные плазмонно-люминесцентные маркеры промывались ацетоном (ХЧ, «Вектон», ТУ 2633-018-44493179-98).

Полученные гибридные плазмонно-люминесцентные маркеры исследовали методами сканирующей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа. Согласно данным сканирующей электронной микроскопии (Фиг. 2) и спектроскопии энергетической дисперсии (Фиг. 3) полученные наноструктуры состоят из нанокристаллических частиц ванадата иттрия, активированного европием, и гибридных плазмонных Au-Ag/C наночастиц на их поверхности (светлые точки размером около 10 нм). Отсутствие посторонних химических включений свидетельствует о высокой химической чистоте синтезированных маркеров. Наличие на спектре энергетической дисперсии (Фиг. 3) углерода и стохастическое распределение неагломерированных золото-серебряных наночастиц (Фиг. 2) свидетельствуют о стабилизации металлических наночастиц и уменьшении их токсичности за счет углерода, обладающего высокой степенью биосовместимости.

Пример 2

В качестве супрамолекулярного комплекса используется золото-серебряный алкинил-фосфиновый комплекс [{Au10Ag12(C2Ph)20}Au3(PPh2(C6H4)3PPh2)3][PF6]5. Синтез комплекса проводили по методике, описанной в [7].

Супрамолекулярный комплекс в количестве 5 мг растворялся в 1 мл 1,2-дихлорэтана (ХЧ, «Вектон», ГОСТ 1942-86). Полученный раствор добавляли к коллоидному раствору люминесцентных кристаллических наночастиц в 1,2-дихлорэтане, покрытых буферным слоем SiO2, и перемешивали до получения однородной смеси.

Синтез гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров проводили путем одностадийного лазерного восстановления металла на поверхности люминесцентных наночастиц. Для реализации способа синтеза гомогенную смесь коллоидного раствора люминесцентных кристаллических наночастиц и раствора супрамолекулярного комплекса подвергали воздействию излучения гелий-кадмиевого лазера (ГКЛ-30, длина волны излучения 325 нм, режим генерации - непрерывный, плотность мощности излучения 0.1 мВт/см2, диаметр лазерного пучка 2 мм). Длительность облучения составляла 1 час. Во время облучения раствор перемешивали при помощи Вортекса V3 (скорость вращения 500 об/мин, амплитуда вращения 3 мм) (схема представлена на Фиг. 1).

Выделение гибридных люминесцентных маркеров из раствора проводили при помощи лабораторной центрифуги Sigma 2-16Р (скорость вращения 10000 об./мин). После центрифугирования гибридные плазмонно-люминесцентные маркеры промывались ацетоном (ХЧ, «Вектон», ТУ 2633-018-44493179-98). Микрофотография полученных гибридных люминесцентных маркеров представлена на Фиг. 4.

Пример 3

В качестве супрамолекулярного комплекса используется золото-серебряный алкинил-фосфиновый комплекс [{Au10Ag12(C2Ph)20}Au3(PPh2(C6H4)3PPh2)3][PF6]5. Синтез комплекса проводили по методике, описанной в [7].

Супрамолекулярный комплекс в количестве 5 мг растворялся в 1 мл 1,2-дихлорэтана (ХЧ, «Вектон», ГОСТ 1942-86). Полученный раствор добавляли к коллоидному раствору люминесцентных кристаллических наночастиц в 1,2-дихлорэтане, покрытых буферным слоем SiO2, и перемешивали до получения однородной смеси.

Синтез гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров проводили путем одностадийного лазерного восстановления металла на поверхности люминесцентных наночастиц. Для реализации способа синтеза гомогенную смесь коллоидного раствора люминесцентных кристаллических наночастиц и раствора супрамолекулярного комплекса подвергали воздействию излучения гелий-кадмиевого лазера (ГКЛ-30, длина волны излучения 325 нм, режим генерации - непрерывный, плотность мощности излучения 1 мВт/см2, диаметр лазерного пучка 2 мм). Длительность облучения составляла 10 мин. Во время облучения раствор перемешивали при помощи Вортекса V3 (скорость вращения 500 об/мин, амплитуда вращения 3 мм) (схема представлена на Фиг. 1).

Выделение гибридных люминесцентных маркеров из раствора проводили при помощи лабораторной центрифуги Sigma 2-16Р (скорость вращения 10000 об/мин). После центрифугирования гибридные плазмонно-люминесцентные маркеры промывались ацетоном (ХЧ, «Вектон», ТУ 2633-018-44493179-98). Микрофотография полученных гибридных люминесцентных маркеров представлена на Фиг.5.

Таким образом, приведенные примеры подтверждают заявленный технический результат о повышении химической чистоты гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров, уменьшении их токсичности, повышении глубины детектируемых люминесцентных маркеров за счет существенного повышения яркости люминесценции, уменьшении количества технологических этапов синтеза.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения состоит в том, что наряду со свойственной прототипу возможностью синтеза гибридных наноструктур, обладающих эффектом усиления интенсивности люминесценции за счет плазмонного резонанса на золотых наночастицах, преимуществом данного способа является одностадийный синтез химически чистых маркеров, в состав которых входят нетоксичные Au-Ag/C плазмонные наночастицы. Использование в качестве плазмонных наночастиц сплав золото-серебро дает возможность повысить эффект усиления люминесценции по сравнению с золотыми наночастицами и, таким образом, увеличить глубину обнаружения маркеров. Заявленное изобретение может стать эффективным способом синтеза гибридных плазмонно-люминесцентных макреров в биомедицинской диагностике, криминалистике, экологическом мониторинге и других областях.

Список использованных источников информации

1. Tang L., Ding К.J.J., Chen N., Du G.P. An ion аdsorption-diffusion process for preparing YVO4:Eu3+ @SiO2 core-shell nanoparticles with strong luminescence // Ceramics International. - 2014. - T. 40, №7. - C. 9621-9628.

2. Derom S., Berthelot A., Pillonnet A., Benamara O., Jurdyc A.M., Girard C., Colas Des Francs G. Metal enhanced fluorescence in rare earth doped plasmonic core-shell nanoparticles // Nanotechnology. - 2013. - V. 24. - P. 495704.

3. Кислов Д.А., Кучеренко M.Г., Чмерева Т.М. Ускоренный режим безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения между молекулами вблизи проводящих тел // Вестник Оренбургского ГУ. - 2011. - Т. 4, №123. - С. 128-135.

4. Патент РФ №2463074 С1, МПК А61K 49/18, 2006.

5. Sun L., Zhang S., Liu F., Han M. Influence of localized surface plasmons on carrier dynamics in InGaN/GaN quantum wells covered with Ag nanoparticles for enhanced photoluminescence // Superlattices and Microstructures. - 2015 - V. 86, - P. 418-424.

6. Zhang H., Li Yu., Ivanov I.A., Qu Yo., Huang Yu, Duan X. Plasmonic modulation of the upconversion fluorescence in NaYF4:Yb/Tm hexaplate nanocrystals using gold nanoparticles or nanoshells // Angewandte Chemie. - 2010. - V. 49, - P. 2865-2868. (прототип)

7. Koshevoy I.O., Karttunen A.J., Tunik S.P., Haukka M., Selivanov S.I., Melnikov A.S., Serdobintsev P.Y., Pakkanen T.A. Synthesis, Characterization, Photophysical, and Theoretical Studies of Supramolecular Gold(I)-Silver(I) Alkynyl-Phosphine Complexes // Organometallics. - 2009. - V. 28, - P. 1369-1376.

Похожие патенты RU2614245C1

название год авторы номер документа
Способ получения высокоэффективной апконверсионной люминесценции комплексов оксида иттербия с наночастицами золота 2021
  • Цибульникова Анна Владимировна
  • Мыслицкая Наталья Александровна
  • Самусев Илья Геннадьевич
  • Слежкин Василий Анатольевич
  • Брюханов Валерий Вениаминович
RU2779620C1
ХАЛЬКОГЕНИДНАЯ ПОДЛОЖКА ДЛЯ БИОЧИПА 2013
  • Тверьянович Андрей Станиславович
  • Тверьянович Юрий Станиславович
  • Поволоцкий Алексей Валерьевич
  • Маньшина Алина Анвяровна
  • Васильева Анна Сергеевна
  • Киреев Алексей Андреевич
RU2559582C2
СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО НАНЕСЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ И ПРОВОДНИКОВ НА ДИЭЛЕКТРИКИ 2010
  • Маньшина Алина Анвяровна
  • Поволоцкий Алексей Валерьевич
  • Поволоцкая Анастасия Валерьевна
  • Туник Сергей Павлович
  • Кошевой Игорь Олегович
  • Грунский Олег Сергеевич
  • Курочкин Алексей Викторович
  • Тверьянович Юрий Станиславович
RU2444161C1
КОМПОЗИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 2011
  • Хлебцов Борис Николаевич
  • Хлебцов Николай Григорьевич
  • Терентюк Георгий Сергеевич
  • Румянцева Валентина Дмитриевна
  • Иванов Андрей Валентинович
RU2463074C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗОЛОТЫХ НАНОСТЕРЖНЕЙ С ЗАДАННЫМ ПОЛОЖЕНИЕМ ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА 2020
  • Ханадеев Виталий Андреевич
  • Хлебцов Борис Николаевич
  • Хлебцов Николай Григорьевич
RU2759484C1
ЭКСИТОН-ПЛАЗМОННЫЙ НАНОИЗЛУЧАТЕЛЬ 2009
  • Витухновский Алексей Григорьевич
  • Чубич Дмитрий Анатольевич
RU2417483C1
Способ декорирования поверхности полупроводниковых квантовых точек AgS наночастицами золота для управления люминесцентными свойствами 2021
  • Овчинников Олег Владимирович
  • Смирнов Михаил Сергеевич
  • Кондратенко Тамара Сергеевна
  • Дерепко Виолетта Николаевна
  • Гревцева Ирина Геннадьевна
  • Перепелица Алексей Сергеевич
  • Асланов Сергей Владимирович
RU2773321C1
ПОДЛОЖКА ДЛЯ БИОЧИПА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 2009
  • Сидоров Александр Иванович
  • Никоноров Николай Валентинович
  • Цехомский Виктор Алексеевич
  • Игнатьев Александр Иванович
  • Подсвиров Олег Алексеевич
  • Нащекин Алексей Викторович
  • Усов Олег Алексеевич
RU2411180C1
Способ лазероиндуцированного создания наночастиц типа ядро-оболочка в полимерных матрицах 2022
  • Битюрин Никита Михайлович
  • Кудряшов Андрей Александрович
RU2785991C1
СПОСОБ СИНТЕЗА ПОКРЫТИЙ ИЗ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ ДЛЯ КОЛЛОИДНЫХ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА РАЗЛИЧНОЙ ГЕОМЕТРИИ 2020
  • Овчинников Олег Владимирович
  • Смирнов Михаил Сергеевич
  • Гревцева Ирина Геннадьевна
  • Перепелица Алексей Сергеевич
  • Кондратенко Тамара Сергеевна
  • Чевычелова Тамара Андреевна
  • Дерепко Виолетта Николаевна
RU2769057C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 614 245 C1

Реферат патента 2017 года СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ПЛАЗМОННО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МАРКЕРОВ

Изобретение относится к способам синтеза гибридных наноструктурированных материалов, а именно к способу получения гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров. Способ заключается в формировании металлических плазмонных наночастиц на поверхности неорганических люминесцентных наночастиц, предварительно активированных ионами редкоземельных металлов. Плазмонные наночастицы получают восстановлением из жидких растворов. При этом коллоидный раствор неорганических люминесцентных наночастиц в 1.2-дихлорэтане смешивают с раствором супрамолекулярного комплекса [{Au10Ag12(C2Ph)20}Au3(PPh26Н4)3PPh2)3][PF6]5 в 1.2-дихлорэтане с получением жидкого раствора, а восстановление жидкого раствора проводят лазерным излучением с длиной волны, соответствующей полосе поглощения супрамолекулярного комплекса, плотностью мощности от 0.1 до 1 мВт/см2, при времени лазерного воздействия 10-60 мин. Изобретение позволяет обеспечить высокую химическую чистоту получаемых маркеров и малое количество технологических операций. 5 ил., 3 пр.

Формула изобретения RU 2 614 245 C1

Способ получения гибридных плазмонно-люминесцентных маркеров, заключающийся в формировании металлических плазмонных наночастиц на поверхности неорганических люминесцентных наночастиц, предварительно активированных ионами редкоземельных металлов, плазмонные наночастицы получают восстановлением из жидких растворов, отличающийся тем, что коллоидный раствор неорганических люминесцентных наночастиц в 1.2-дихлорэтане смешивают с раствором супрамолекулярного комплекса [{Au10Ag12(C2Ph)20}Au3(PPh26Н4)3PPh2)3][PF6]5 в 1.2-дихлорэтане с получением жидкого раствора, а восстановление жидкого раствора проводят лазерным излучением с длиной волны, соответствующей полосе поглощения супрамолекулярного комплекса, плотностью мощности от 0.1 до 1 мВт/см2, при времени лазерного воздействия 10-60 мин.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2017 года RU2614245C1

ZHANG H
et al, Plasmonic modulation of the upconversion fluorescence in NaYF4:Yb/Tm hexaplate nanocrystals using gold nanoparticles or nanoshells, Angewandte Chemie, 2010, v
Способ смешанной растительной и животной проклейки бумаги 1922
  • Иванов Н.Д.
SU49A1
ПРУЖИННОЕ РУЖЬЕ ДЛЯ СТРЕЛЬБЫ ДРОБИНКАМИ 1925
  • Войтов-Ямщиков В.С.
SU2865A1
KOSHEVOY I.O
et al, Synthesis, Characterization, Photophysical, and Theoretical Studuis of Supramolecular Gold(I)-Silver(I) Alkynyl-Phosphine Complexes, Organometallics, 2009, v
Видоизменение прибора с двумя приемами для рассматривания проекционные увеличенных и удаленных от зрителя стереограмм 1919
  • Кауфман А.К.
SU28A1
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ С ВЫДЕРЖКОЙ ВРЕМЕНИ 1924
  • Бекаури В.И., Миткевич В.Ф., Аничков В.В.
SU1369A1
SUN L
et al, Influence of localized surface plasmons on carrier dynamics in InGaN/GaN quantum wells covered with Ag nanoparticles for enhanced photoluminescence, Superlattices and Microstructures, 2015, v
Пюпитр для работы на пишущих машинах 1922
  • Лавровский Д.П.
SU86A1
Способ пропитывания дерева 1925
  • Ф. Петерс
SU418A1
КОМПОЗИТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ДЛЯ ФОТОДИНАМИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ 2011
  • Хлебцов Борис Николаевич
  • Хлебцов Николай Григорьевич
  • Терентюк Георгий Сергеевич
  • Румянцева Валентина Дмитриевна
  • Иванов Андрей Валентинович
RU2463074C1
SABOKTAKIN M
et al, Metal-Enhanced Upconversion luminescence Tunable through Metal Nanoparticle-Nanophoshor Separation, ASN Nano, 2012, v
Приспособление для точного наложения листов бумаги при снятии оттисков 1922
  • Асафов Н.И.
SU6A1

RU 2 614 245 C1

Авторы

Маньшина Алина Анвяровна

Поволоцкий Алексей Валерьевич

Поволоцкая Анастасия Валерьевна

Колесников Илья Евгеньевич

Даты

2017-03-24Публикация

2015-11-19Подача