СПОСОБ СИНТЕЗА АПКОНВЕРСИОННЫХ ЧАСТИЦ NaYF:Er,Yb Российский патент 2020 года по МПК C09K11/55 C09K11/61 C09K11/77 

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к получению апконверсионных частиц, которые можно использовать в качестве материала для преобразования инфракрасного излучения в видимое излучение и могут быть применены в области биофизики для исследования биологических тканей, а также в области медицинской диагностики и терапии.

Апконверсионные частицы - частицы, люминесцирующие в видимой области спектра при возбуждении в инфракрасной области. Одними из перспективных апконверсионных частиц являются частицы с матрицей NaYF₄, обеспечивающей минимальное тушащее действие. При этом спектр люминесценции частиц определяется добавленными элементами: например, пара ионов Er, Yb в частицах NaYF₄:Er, Yb обеспечивают три двойные полосы люминесценции частиц с максимумами 520 нм, 543 нм и 650 нм при возбуждении лазером ближнего инфракрасного диапазона с длиной волны 980 нм.

Частицы могут иметь различные размеры, морфологию в зависимости от способа синтеза, а так же люминесцентные свойства. Управление условиями синтеза позволяет получать частицы с различными характеристиками, что определяет необходимость разработки способов синтеза апконверсионных частиц для конкретных применений. Размеры частиц и интенсивность их люминесценции являются параметрами, определяющими возможности их применения. Интенсивность люминесценции ограничивает максимальную глубину возможных исследований или терапии. Излучение ближнего инфракрасного диапазона, к которому относится излучение возбуждающего апконверсионную люминесценцию лазера, проникает в биологическую ткань на глубину до 3 мм. Это позволяет использовать апконверсионные частицы для исследований биологической ткани на такой глубине. При этом допустимый размер частиц определяется исходя из возможных механизмов взаимодействия с системами биологического объекта. Например, для фотодинамической терапии размер частиц ограничивается диаметром опухолевых капилляров, редко превышающим 500 нм.

Известен способ, синтеза апконверсионных микростержней (заявка WO 2017125951 по кл. МПК C01F 17/00, опубл. 27.07.2017), который реализуется следующим образом. Смешивают олеиновую кислоту, гидроксид натрия, этанол и воду с получением реакционной смеси. К реакционной смеси добавляют раствор, содержащий фторид натрия и соединения лантана, а именно гексагидрат хлорида иттрия (III) (YCl₃⋅6H₂O), гексагидрат хлорида иттербия (III) (YbCl₃⋅6H₂O) и гексагидрат хлорида эрбия (III) (ErCl₃⋅6H₂O). Полученную смесь кипятят с обратным холодильником в течение 4-6 часов при температуре 160-180°С и оставляют охлаждаться при комнатной температуре. Затем нагревают смесь до 180-195°С и выдерживают в течение 50-60 часов в атмосфере азота. После просушивания получают микростержни.

Известен способ синтеза частиц, описанный в статье Nadort A. et al. Quantitative imaging of single upconversion nanoparticles in biological tissue (PloS one. - 2013. - T. 8. - №. 5. - С. e63292). Согласно этому способу в смесь оксидов редкоземельных металлов (0,78 ммоль Y₂O₃, 0,2 ммоль Yb₂O₃, 0,02 ммоль Er₂O₃). Согласно этому способу в смесь оксидов редкоземельных металлов (0,78 ммоль Y₂O₃, 0,2 ммоль Yb₂O₃, 0,02 ммоль Er₂O₃) добавляют 20 мл трифторуксусной кислоты (70%) и осторожно кипятят с обратным холодильником до получения прозрачного раствора (<6 часов), затем остужают до комнатной температуры. После выпаривания раствора образовавшийся осадок сушат в вакууме в течение 3 часов. Полученные трифторацетаты редкоземельных металлов смешивают с трифторацетатом натрия, затем к 1 ммоль полученной смеси добавляют 6 мл олеиновой кислоты и 6 мл 1-октадоцена. Затем раствор нагревают до 100°С и перемешивают в вакууме в течение 30 минут для дегазации и удаления воды. Полученную смесь нагревают со скоростью 8°С/мин до 290°С и выдерживают при этой температуре в течение 45 минут в атмосфере аргона. В полученную смесь добавляют раствор трифторацетата натрия (1 ммоль) в олеиновой кислоте (2 мл) и 1-октадецена (2 мл), нагретый до 85°С, и выдерживают при температуре 330°С в течение 15 минут в атмосфере аргона. Затем к остывшему раствору добавляют 130 мл изопропанола и центрифугируют в течение 30 минут. Полученные частицы 4 раза промывают этанолом, затем просушивают. Синтезированные таким способом частицы имеют размеры около 60 нм.

Основным недостатком указанных способов является то, что в процессе синтеза образуются токсичные вещества, а так же требуется строгий контроль условий, при которых протекает каждый этап синтеза, что определяет высокие требования к оборудованию и условиям синтеза, и как следствие, приводит к повышению стоимости синтеза.

Известен способ синтеза частиц, описанный в статье Zhao J. Et al. Controlled synthesis, formation mechanism, and great enhancement of red upconversion luminescence of NaYF4 : Yb3+, Er3+ nanocrystals/submicroplates at low doping level (The Journal of Physical Chemistry B. - 2008. - T. 112. - №.49. - C. 15666-15672). Водный раствор нитрата редкоземельных металлов молярностью 0,1 смешивают с водным раствором цитрата натрия при постоянном перемешивании, при этом отношение количества цитрата натрия к редкоземельным металлам равно 1,5. Затем добавляют фторид натрия, причем отношение количества фторида натрия к редкоземельным металлам равно 12. После перемешивания в течение 1 часа, полученную смесь помещают в автоклав и выдерживают при температуре 180°С в течение 2 часов. Продукты синтеза отделяют центрифугированием и отмывают несколько раз деионизированной водой. Полученные известным способом частицы имеют размеры около 100 нм неправильной формы со значительной дефектностью поверхности.

Недостатком данного способа является тушение люминесценции частиц на дефектах кристаллической решетки.

Наиболее близким к заявляемому является способ синтеза апконверсионных частиц NaYF₄:Er, Yb, описанный в статье Ding М. Et al. Controllable synthesis, formation mechanism and upconversion luminescence of β-NaYF 4: Yb 3+/Er 3+ microcrystals by hydrothermal process (CrystEngComm. - 2013. - T. 15. - №. 41. - C. 8366-8373). Согласно этому способу 2 ммоль гексагидрата хлорида редкоземельных металлов RECl₃⋅6H₂O растворяют в 10 мл воды. Затем к полученному раствору добавляют 20 мл водного раствора цитрата натрия, содержащего 2 ммоль цитрата натрия. После перемешивания в течение 30 минут добавляют 30 мл водного раствора фторида натрия, содержащего 8 ммоль фторида натрия (в вариантах синтеза 11, 12, 22, 36 ммоль фторида натрия). После перемешивания в течение 15 минут полученный раствор помещают в автоклав и выдерживают при 220°С в течение 24 часов. После остывания полученный осадок отделяют центрифугированием и промывают деионизированной водой и этанолом, после чего просушивают при 80°С в течение 12 часов. Полученные частицы имеют размеры от 900 нм.

Однако, известный способ имеет существенный недостаток, а именно:

- ограниченная область применения, обусловленная их размерами: от 900 нм, что может приводить к накоплению агрегатов частиц в биологической ткани,

- длительное время синтеза и высокая температура синтеза, что определяет его высокую энергозатратность.

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание нового способа синтеза апконверсионных частиц, позволяющего расширить их область применения при снижении энергозатрат синтеза и сохранении его нетоксичности.

Техническим результатом изобретения является уменьшение размера частиц до размера не более 500 нм при сохранении низкой дефектности их поверхности, а также уменьшение времени и температуры синтеза.

Поставленная техническая проблема достигается тем, что в способе синтеза апконверсионных частиц, заключающемуся в приготовлении водных растворов гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида иттербия, гексагидрата хлорида эрбия, смешивании их, добавлении к полученной смеси водного раствора цитрата натрия с последующим перемешиванием, добавлении к полученной смеси водного раствора фторида натрия с последующим перемешиванием, выдерживании полученной реакционной смеси при повышенной температуре в герметичных условиях до образования частиц заданного размера, отделении их, промывке и сушке, согласно настоящему изобретению, раствор цитрата натрия берут молярностью не менее 2,98 М, при этом на 1 моль суммарного количества гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида иттербия, гексагидрата хлорида эрбия добавляют не менее 29 молей цитрата натрия в виде водного раствора, а выдерживание реакционной смеси осуществляют при температуре не менее 160°С и не более 200°С в течение 2-12 часов.

Сущность заявляемого изобретения и возможность его практической реализации поясняется приведенными ниже иллюстрациями, где:

- на фиг. 1 представлена микрофотография апконверсионных частиц, полученных предлагаемым способом; микрофотография получена с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа MIRA II LMU;

- на фиг. 2 представлен спектр апконверсионной люминесценции частиц, полученных предлагаемым способом, при возбуждении светом с длиной волны 980 нм; в качестве источника возбуждающего излучения использован лазер LSR980NL-1000 мощностью 108 мВт (Lasever, China), спектр апконверсионной люминесценции зарегистрирован с помощью спектрометра QE6500 FL (Ocean Optics, USA);

- на фиг. 3 представлены интенсивности полос апконверсионной люминесценции, прошедшей через биологическую ткань, в зависимости от ее толщины;

- на фиг. 4 представлена калибровочная кривая, связывающая отношение интенсивностей полос люминесценции и температуру частиц.

Способ осуществляется следующим образом.

Получение реакционной смеси проводят при комнатной температуре. Готовят водные растворы редкоземельных металлов путем растворения гексагидрата хлорида иттрия в воде, гексагидрата хлорида эрбия в воде, гексагидрата хлорида иттербия в воде при комнатной температуре. Готовят водный раствор цитрата натрия путем растворения цитрата натрия в воде при комнатной температуре. Готовят водный раствор фторида натрия путем растворения фторида натрия в воде при комнатной температуре. Смешивают водные растворы гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида иттербия и гексагидрата хлорида эрбия. Добавляют водный раствор цитрата натрия и перемешивают. Затем добавляют водный раствор фторида натрия и перемешивают. Полученную реакционную смесь переливают в тефлоновую емкость, которую помещают в автоклав, и выдерживают при повышенной температуре. Затем остужают автоклав в естественных условиях до комнатной температуры. Затем полученный белый осадок отделяют центрифугированием, промывают водой не менее трех раз для удаления растворителей и просушивают при температуре 70-85°С до высыхания.

Молярность растворов гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида эрбия, гексагидрата хлорида иттербия выбирают в диапазоне 0,5-1 М. Это позволяет избежать излишнего разведения реакционной смеси, что способствует сохранению в ней высокой концентрации цитрата натрия. При этом обеспечивается полное растворение гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида эрбия, гексагидрата хлорида иттербия.

Количество растворов гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида иттербия и гексагидрата хлорида эрбия выбирают исходя из оптимального процентного соотношений редкоземельных металлов: Y/Yb/Er=78-80/20-17/2-3. Количество иттрия, иттербия и эрбия определяет квантовый выход люминесценции и соотношение интенсивностей полос люминесценции. В частицах NaYF₄:Er, Yb в матрице NaYF₄ в некоторых узлах иттрий заменяется на эрбий или иттербий. Под действием лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона ионы иттербия переходят в возбужденное состояние, а затем передают энергию ионам эрбия, которые излучают апконверсионную люминесценцию. Соотношения концентраций металлов из приведенного диапазона обеспечивают эффективное преобразование возбуждающего излучения ближнего инфракрасного диапазона в апконверсионную видимую люминесценцию.

Молярность раствора цитрата натрия не менее 2,98 М. Молярность 2,98 М соответствует насыщенному раствору цитрата натрия при комнатной температуре. На 1 моль гексагидрата хлорида редкоземельных металлов добавляют не менее 29 молей цитрата натрия. Избыточное количество цитрата натрия обуславливает наличие большого количества ионов цитрата, которые адсорбируются на грани растущих кристаллов, оказывая ограничивающее воздействие. Поэтому избыток цитрат натрия позволяет синтезировать частицы меньшего размера. Количество избыточного цитрата натрия определяется общей площадью поверхности частиц и размером иона цитрата. Наибольшее относительное количество цитрата использовано при синтезе [Li С. et al. Highly uniform and monodisperse β-NaYF4: Ln3+ (Ln=Eu, Tb, Yb/Er, and Yb/Tm) hexagonal microprism crystals: hydrothermal synthesis and luminescent properties // Inorganic chemistry. - 2007. - T. 46. - №. 16. - C. 6329-6337.] и равно 8. При таком количестве ионов цитрата поверхность растущих кристаллов полностью ими «укрыта» и дальнейшее увеличение концентрации и количества цитрата натрия не должно оказывать какого-либо действия. Однако, приведенные примеры реализации предлагаемого способа синтеза апконверсионных частиц демонстрируют эффект от добавления большого количества концентрированного раствора цитрата натрия, а именно уменьшение размера частиц, уменьшение возможного времени синтеза частиц при сохранении низкодефектной поверхности кристаллов.

Смесь растворов гексагидрата хлорида редкоземельных металлов и цитрата натрия перемешивают в течение 30-60 минут. Это время является необходимым и достаточным для образования мелкодисперсного нерастворимого комплекса цитрат-металл без излишних энергетических затрат.

Молярность раствора фторида натрия выбирают в диапазоне 0,5-1 М. Это позволяют избежать излишнего разведения реакционной смеси, что способствует сохранению в ней высокой концентрации цитрата натрия. При этом обеспечивается полное растворение фторида натрия.

На 1 моль гексагидрата хлорида редкоземельных металлов добавляют не менее 4 молей фторида натрия. Такое количество фторида натрия обеспечивает образование кристаллов с номинальной формулой NaYF₄:Er, Yb. Недостаток фторида натрия приводит к нарушениям структуры кристаллической решетки, что негативно сказывается на люминесцентных свойствах частиц, оказывая тушащее действие.

Смесь растворов гексагидрата хлорида редкоземельных металлов, цитрата натрия и фторида натрия перемешивают в течение 30-60 минут. Это время является необходимым и достаточным для образования однородной реакционной смеси.

Реакционную смесь в автоклаве выдерживают при температуре из диапазона 160-200°С. Температуры ниже 160°С недостаточно для роста люминесцирующих кристаллов гексагональной фазы. Повышение температуры более 200°С приводит к излишней затрате энергии с одной стороны и к стремительному росту кристаллов с другой. В результате стремительного роста образуются кристаллы с высокодефектной поверхностью, что приводит к дополнительному тушению люминесценции.

Реакционную смесь в автоклаве выдерживают в течение 2-12 часов. Для роста кристаллов необходимо не менее 2 часов, причем с увеличением времени выдержки может увеличиваться размер кристаллов и улучшаться качество их поверхности. Превышение времени выдержки более 12 часов приводит к неоправданной затрате энергии.

При этом формируются кристаллы с поверхностью без значительных дефектов, что положительно влияет на интенсивность люминесценции, т.к. дефекты поверхности оказывают тушащее действие на люминесценцию. Частицы полученных размеров могут быть использованы в области биофизики для исследования биологических тканей, а так же в области медицинской диагностики и терапии.

Пример демонстрирует конкретные условия реализации предлагаемого способа синтеза апконверсионных частиц, а в таблице представлены параметры синтеза частиц, полученных заявляемым способом.

Пример.

Готовят водный раствор гексагидрата хлорида иттрия молярностью 0,5 М путем растворения 0,97 6 г гексагидрата хлорида иттрия в 10 мл воды при комнатной температуре. Готовят водный раствор гексагидрата хлорида иттербия молярностью 0,5 М путем растворения 1,397 г гексагидрата хлорида иттербия в 10 мл воды при комнатной температуре. Готовят водный раствор гексагидрата хлорида эрбия молярностью 1 М путем растворения 1,368 г гексагидрата хлорида эрбия в 5 мл воды при комнатной температуре. Готовят водный раствор цитрата натрия молярностью 2,98 М путем растворения 38,452 г цитрата натрия в 50 мл воды при комнатной температуре. Готовят водный раствор фторида натрия молярностью 1 М путем растворения 4,2 г фторида натрия в 100 мл воды при комнатной температуре.

Смешивают водные растворы гексагидрата хлорида редкоземельных металлов: 1,394 мл раствора гексагидрата хлорида иттрия, 0,297 мл раствора гексагидрата хлорида иттербия и 26 мкл раствора гексагидрата хлорида эрбия. Общее количество солей редкоземельных металлов 0,87 ммоль. Добавляют 10,5 мл водного раствора цитрата натрия (25,2 ммоль) и перемешивают в течение 30 минут. Затем добавляют 3,5 мл водного раствора фторида натрия (3,5 ммоль). После перемешивания в течение 30 минут полученную смесь переливают в тефлоновую емкость, которую помещают в автоклав и выдерживают в течение 12 часов при температуре 160°С. После того, как автоклав остыл до комнатной температуры, полученный белый осадок отделяют центрифугированием, три раза промывают водой и просушивают при 75°С в течение 12 часов.

Полученные частицы NaYF₄ имеют форму шестигранных призм высотой 325 нм и диаметром 250 нм, поверхность которых не имеет выраженных дефектов (Фиг. 1). Частицы такого размера могут быть использованы для исследований биологических тканей.

Апконверсионные частицы, полученные предлагаемым способом, покрывают оболочкой SiO₂ согласно следующему протоколу. Частицы NaYF₄:Yb, Er (0,1 г) заливают изопропанолом (31 мл), добавляют 7 мл дистиллированной воды, 1 мл водного раствора аммиака (12%) и 20 мклтетраэтоксисилан и оставляют перемешиваться в течение 2,5 часов. Затем центрифугированием отделяют частицы, отмывают три раза дистиллятом и просушивают при 75°С в течение 12 часов. Для увеличения интенсивности люминесценции полученные частицы NaYF₄:Yb, Er@SiO₂ отжигают при температуре 400°С в течение 1 часа. На фигуре 2 представлен спектр апконверсионной люминесценции полученных частиц при возбуждении светом с длиной волны 980 нм при плотности мощности лазера 1 мВт/см², который демонстрирует, что частицы обладают апконверсионными люминесцентными свойствами.

Апконверсионные частицы могут использоваться для решения различных задач, требующих преобразования ближнего инфракрасного излучения в видимое излучение. Размеры полученных частиц до 500 нм в совокупности с их люминесцентными свойствами определяют возможности их применения для исследования процессов в биологических объектах.

Известно, что излучение ближнего инфракрасного диапазона соответствует «окну прозрачности» биологической ткани и проникает в нее глубже, чем видимое, а именно до 3 мм. Это определяет потенциал применения частиц как люминесцентных маркеров, позволяющих увеличить глубину визуализации биологической ткани при ее исследовании. На фигуре 3 представлены интенсивности полос апконверсионной люминесценции, прошедшей через биологическую ткань, в зависимости от ее толщины при возбуждении люминесценции через биологическую ткань светом с длиной волны 980 нм при плотности мощности лазера 1 мВт/см². Люминесценция апконверсионных частиц, синтезированных предлагаемым способом, может быть зафиксирована через биологическую ткань толщиной более 3 мм, что открывает широкие возможности в диагностике и терапии кожных заболеваний.

Одним из приложений апконверсионных частиц, синтезированных предлагаемым способом, может быть фотодинамическая терапия кожных заболеваний. В этом случае необходимо создание комплекса, состоящего из фоточувствительной части и апконверсионной частицы, причем спектр люминесценции частицы должен перекрываться со спектром поглощения фоточувствительной части. В качестве фоточувствительной части могут быть молекулы фотосенсибилизатора. Добавление к фотосенсибилизатору апконверсионной частицы позволяет изменить длину волны необходимого для фотодинамической терапии излучения с области синего света в ближнюю инфракрасную область. Это играет решающую роль в перспективности такого метода, потому что инфракрасное излучение глубже проникает в биологическую ткань, чем видимое. Таким образом, применение апконверсионных частиц может позволить увеличить глубину действия фотодинамической терапии.

Другим применением апконверсионных частиц, синтезированных предлагаемым методом, является создание локальной гипертермии при терапии кожных заболеваний. Гипертермия может создаваться за счет нагрева частиц лазерным возбуждающим излучением ближнего инфракрасного диапазона. При этом частицы позволяют контролировать температуру нагрева, поскольку их спектр люминесценции чувствителен к температуре. С увеличением температуры уменьшается отношение интенсивностей зеленых полос люминесценции согласно известной зависимости:

где I_H и I_S - интенсивности люминесценции полос, соответствующих энергетическим переходам ⁴Н_11/2→⁴I_15/2 (525 нм) и ⁴S_3/2→⁴I_15/2 (543 нм),

w - скорость излучения с соответствующего уровня,

g - вырожденность уровня,

hυ - энергия излученного фотона,

ΔЕ - разность энергий между переходами,

k - постоянная Больцмана.

Т - температура частиц.

На фигуре 4 представлена калибровочная кривая, связывающая обратную температуру частиц с логарифмом отношения зеленых полос люминесценции и позволяющая определить температуру частиц по их спектру люминесценции с использованием аппроксимации функцией

В таблице приведены параметры синтезов - вариантов осуществления изобретения, а так же размеры полученных частиц. Во всех вариантах синтеза редкоземельные металлы взяты в соотношении Y/Yb/Er=80/17/3.

В результате синтезов 1, 2, проведенных известным способом, получены частицы размерами от 1300 нм. Результаты синтезов 2-8, проведенных предлагаемым способом с большим количеством цитрата натрия повышенной концентрации, демонстрируют возможность получения апконверсионных частиц размерами до 500 нм при различных соотношениях компонентов и условиях синтеза.

Таким образом, заявляемый способ позволяет расширить область применения частиц за счет получения частиц с размерами до 500 нм при сохранении низкой дефектности поверхности и нетоксичности синтеза.

Изобретение может быть использовано в биофизике, медицинской диагностике и терапии для преобразования инфракрасного излучения в видимое. Готовят водные растворы гексагидратов хлорида иттрия, хлорида иттербия, хлорида эрбия, а также цитрата натрия и фторида натрия. Полученные растворы гексагидратов хлорида иттрия, хлорида иттербия и хлорида эрбия смешивают. К полученной смеси добавляют водный раствор цитрата натрия молярностью не менее 2,98 М в количестве не менее 29,0 молей на 1 моль суммарного количества указанных гексагидратов с последующим перемешиванием в течение 30-60 мин. Затем в смесь вводят водный раствор фторида натрия в количестве не менее 4 молей на 1 моль суммарного количества указанных гексагидратов и снова перемешивают в течение 30-60 мин. Полученную реакционную смесь выдерживают при температуре не менее 160°C и не более 200°C в течение 2-12 ч в герметичных условиях до образования частиц заданного размера, которые затем отделяют, промывают и сушат. Апконверсионный люминофор имеет химическую формулу NaYF₄:Er,Yb, размер частиц не более 500 нм при сохранении низкой дефектности их поверхности. Предложенный способ позволяет уменьшить время и температуру синтеза указанного люминофора. 4 ил., 1 табл.

Способ синтеза апконверсионных частиц NaYF₄:Er,Yb, заключающийся в приготовлении водных растворов гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида иттербия, гексагидрата хлорида эрбия, смешивании их, добавлении к полученной смеси водного раствора цитрата натрия с последующим перемешиванием, добавлении к полученной смеси водного раствора фторида натрия с последующим перемешиванием, выдерживании полученной реакционной смеси при повышенной температуре в герметичных условиях до образования частиц заданного размера, отделении их, промывке и сушке, отличающийся тем, что раствор цитрата натрия берут молярностью не менее 2,98 М, при этом на 1 моль суммарного количества гексагидрата хлорида иттрия, гексагидрата хлорида иттербия, гексагидрата хлорида эрбия добавляют не менее 29,0 молей цитрата натрия в виде водного раствора и не менее 4 молей фторида натрия в виде водного раствора, а выдерживание реакционной смеси осуществляют при температуре не менее 160°C и не более 200°C в течение 2-12 ч, причем перемешивание после добавления водного раствора цитрата натрия и перемешивание после добавления водного раствора фторида натрия осуществляют в течение 30-60 мин.