Способ получения нанопорошка красного фотолюминофора с длительным послесвечением Российский патент 2024 года по МПК C09K11/57 C09K11/68 C09K11/78 C09K11/80 B82Y40/00 

Область техники

Изобретение относится к химической технологии, в частности к получению нанопорошков ультрафиолетовых (УФ) фотолюминофоров, и может быть использовано в медицине для проведения фотодинамической терапии (ФДТ) внутренних органов.

Уровень техники

Фотодинамическая терапия является современным методом лечения предопухолевых заболеваний и злокачественных новообразований, основанный на введении в организм фотосенсибилизатора - вещества, способного селективно накапливаться в опухолевой ткани и вырабатывать под действием света активный кислород, уничтожающий клетки опухоли. В настоящее время метод ФДТ широко применяется при лечении опухолей с поверхностной локализацией. Однако, применение метода ФДТ для лечения внутренних органов малоэффективно, из-за сложности подведения светового излучения внутрь, поскольку видимый свет активно поглощается в тканях организма. На данный момент проблема решается за счет добавления в раствор фотосенсибилизатора нанопорошков люминофора, излучаемых видимый свет в дальней красной области спектра (что необходимо для эффективной работы фотосенсибилизаторов), с последующей его активацией рентгеновским излучением. Однако это требует применения дорогостоящего рентгеновского оборудования и достаточно больших доз облучения (сравнимых с радионуклидной терапией) для активации нанолюминофоров, что вредно для человеческого организма.

Для осуществления фотодинамической терапии (ФДТ) внутренних органов, без облучения организма пациента, нужен биосовместимый фотолюминофор с долгим послесвечением, возбуждаемый УФ-излучением, излучаемый видимый свет в дальней красной области спектра с длиной волны 665-670 нм, с размером частиц не более 50 нм (для получения коллоидного раствора, пригодного для введения в организм пациента).

Из уровня техники известны УФ фотолюминофоры с длительным послесвечением на основе соединения SrAl2O4:Eu, Dy (US 5424006 А от 13.07.1995, RU 2634024 от 10.10.2016). Также из уровня техники известна работа (K. Bedyal et al. Effect of swift heavy ion irradiation on structural, optical and luminescence properties of SrAl2O4:Eu, Dy nanophosphorA //Radiation Physics and Chemistry 122(2016)48-5452), где данный материал представлен виде наночастиц размером 23-33 нм. Однако в этих работах, данные материалы предназначены для применения в светящихся красках и ультрафиолетовых метках. Нет данных по их биосовместимости с организмом человека. Кроме того, пик излучения данных материалов находится в сине-зеленой области спектра (длина волны 520 нм) и непригоден для возбуждения фотосенсибилизаторов.

В патенте RU 2604619 от 30.07.2015 описан биосовместимый фотолюминофор на основе Zn₃(PO₄)₂:Mn, получаемый в форме наночастиц со средним размером частиц 55 нм и красным свечением, с пиком на длине волны 632 нм. Однако данный материал активируется «жестким» рентгеновским излучением с длинами волн в области 0,12…0,31 Å, не обладает длительным послесвечением и не соответствует пику поглощения фотосенсибилизаторов (например, Е6-Хлорин имеет пик поглощения 665 нм).

Наиболее близким к данному изобретению является биосовместимый УФ-фотолюминофор и метод его синтеза описанный в работе (K. Naveen Kumar, L. Vijayalakshmi, J. Lim et al. Non-cytotoxic Dy3+ activated La10W22O81 nanophosphors for UV based cool white LEDs and anticancer applications // Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 278 (2022) 121309). Недостатком данного технического решения, является отсутствие длительного послесвечения описываемого УФ-фотолюминофора, люминесценция в желто-оранжевой области спектра с пиком 571 нм и большой размер частиц 200-300 нм.

Раскрытие сущности изобретения

Задача изобретения заключается в увеличении эффективности фотодинамической терапии.

Технический результат изобретения заключается в получении ультрафиолетового фотолюминофора с длительным послесвечением.

Дополнительный технический результат заключается в создании технологических операций получения наночастиц размером не более 50 нм для изготовления порошка ультрафиолетового фотолюминофора.

Дополнительный технический результат заключается в получении порошка с красным спектром люминесценции с пиком длины волны 668 нм.

Технический результат достигается при помощи предложенного способа, заключающегося в том, что синтез нанопрошока красного ультрафиолетового люминофора состава La_1-x-y-z Al_xGa_yWO₆: Mn_z с длительным послесвечением, характеризуется последовательными стадиями осаждения из водных растворов нитратов Al(NO₃)₃, Ga(NO₃)₃, La(NO₃)₃, Mn(NO₃)₃, вольфрамата натрия Na₂WO₄, цитрата натрия Na₃C₆H₅O₇, под действием ультразвука, и высокотемпературного отжига осадка под давлением аргона. На первой стадии образуются сферические наночастицы ультрафиолетового фотолюминофора размером 20 - 50 нм, с низкой интенсивностью люминесценции, что обусловлено, низкой степенью их кристалличности. (Фиг.1.) Экспериментально доказано, что для их образования достаточна выдержка водного раствора исходных веществ в течение 1 часа, в ультразвуковой ванне мощностью 100 Вт с частотой 44 кГц при температуре 60°С. На второй стадии происходит раскристаллизация наночастиц ультрафиолетового фотолюминофора с образованием наностержней размером 20 нм на 50 нм (Фиг.2.) Экспериментально доказано, что увеличение кристалличности наночастиц ультрафиолетового фотолюминофора, без увеличения их размера, происходит при высокотемпературном отжиге при температуре 700°С в течение 1 часа под давлением аргона 1,5⋅10⁷ Па.

Для получения дальнего красного спектра люминесценции с пиком на длине волны 668 нм, необходимая концентрация ионов-активаторов марганца Mn⁺⁴ в составе ультрафиолетового фотолюминофора, составляет 2 ат.%. (Фиг. 3.)

Наличие в основе ультрафиолетового фотолюминофора ионов галлия Ga⁺³ и ионов алюминия Al⁺³ в концентрации 10 ат.% и 6 ат.%, позволяет получить эффект длительного послесвечения (200 минут) ультрафиолетового фотолюминофора (Фиг. 4).

Красный спектр свечения ультрафиолетового фотолюминофора с пиком на длине волны 668 нм, позволяет эффективно передавать световой поток энергии большинству применяемых в медицине фотосенсибилизаторов, а длительное послесвечение после облучения ультрафиолетовой лампой с длиной волны 270 нм, позволяет избежать облучение организма при проведении фотодинамической терапии. Размер частиц 50 нм, полученного фотолюминофора, позволяет приготовить коллоидный раствор для их доставки к опухолевым образованиям в организме.

Описание чертежей

На фиг. 1 показано изображение наносфер красного ультрафиолетового фотолюминофора на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-F200.

На фиг. 2 показано изображение наностержней красного ультрафиолетового фотолюминофора на просвечивающем электронном микроскопе JEOL JEM-F200.

На фиг. 3 показано изображение спектра высвечивания красного ультрафиолетового фотолюминофора.

На фиг. 4 показано изображение видимого послесвечения красного ультрафиолетового фотолюминофора La_0,82 Al_0.1Ga_0.06WO₆: Mn_0.02 после удаления источника ультрафиолетового возбуждения с длиной волны 270 нм: а) 1 минута, б) 200 минут.

Осуществление изобретения

Для получения ультрафиолетового фотолюминофора состава La_0,82 Al_0.1Ga_0.06WO₆: Mn_0.02, на первой стадии синтеза смешивают 35.46 г La(NO₃)₃·6H₂O, 2.85 г Al(NO₃)₃·4H₂O, 2,29 г Ga(NO₃)₃·7H₂O, 0.49 г Mn(NO₃)₂·6H₂O, 32.9 г Na₂WO₄·2H₂O и 2.48 г Na₃C₆H₅O₇·2H₂O и растворяют в 500 мл дистиллированной воды при активном перемешивании. Концентрация ионов алюминия Al⁺³ 10 ат.% и ионов галлия Ga⁺³ 6 ат.%, а концентрация иона-активатора Mn⁺⁴ составляет 2 ат.%. Далее раствор помещают на 1 час в ультразвуковую ванну мощностью 100 Вт c частой колебаний 44 кГц, при температуре 60°С. Полученный осадок центрифугируют, промывают дистиллированной водой и сушат на воздухе при температуре 90°С в течение 12 часов. На второй стадии синтеза полученный порошок загружают в корундовый тигель емкостью 500 мл. Тигель помещают в высокотемпературную печь высокого давления. Печь вакуумируют до значений 0.1 Па, разогревают до температуры 700°С в течение одного часа, и заполняют аргоном до давления 1,5⋅10⁷ Па. После выдержки в течение одного часа на температуре 700°С, печь охлаждают до комнатной температуры, давление сбрасывают и выгружают полученный УФ-фотолюминофор.

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовано в медицине для проведения фотодинамической терапии (ФДТ) внутренних органов. Исходные компоненты Al(NO₃)₃, Ga(NO₃)₃, La(NO₃), Mn(NO₃)₂, вольфрамат натрия Na₂WO₄, а также Na₃C₆H₅O₇ растворяют в воде. Смешанный раствор помещают на 1 ч в ультразвуковую ванну мощностью 100 Вт c частотой колебаний 44 кГц при температуре 60°С. Образовавшийся осадок отделяют, промывают и сушат на воздухе при 90°С в течение 12 ч. Затем проводят высокотемпературный отжиг высушенного осадка при температуре 700°С в течение одного часа под давлением аргона 1,5⋅10⁷ Па для улучшения кристалличности и предотвращения роста частиц. Получают нанопорошок красного фотолюминофора с длительным послесвечением, имеющего химическую формулу La_1-x-y-zAl_xGa_yWO₆:Mn_z, где концентрация ионов алюминия Al⁺³ и галлия Ga⁺³ составляет 10 ат.% и 6 ат.% соответственно, а концентрация иона-активатора – Mn⁺⁴ - 2 ат.%. Пик длины волны люминесценции люминофора находится в красной области спектра и составляет 668 нм. Размер частиц полученного порошка не более 50 нм, что позволяет получить коллоидный раствор, пригодный для введения в организм пациента. 4 ил.

Способ получения нанопорошка фотолюминофора, включающий растворение исходных компонентов в воде, отделение, промывку и сушку осадка на воздухе при 90°С в течение 12 ч, а также его последующий высокотемпературный отжиг, отличающийся тем, что для получения нанопорошка красного фотолюминофора с длительным послесвечением La_1-x-y-zAl_xGa_yWO₆ :Mn_z, в котором концентрация ионов алюминия Al⁺³ и ионов галлия Ga⁺³ составляет 10 ат.% и 6 ат.%, а концентрация иона-активатора – Mn⁺⁴ составляет 2 ат.%, в качестве исходных компонентов используют Al(NO₃)₃, Ga(NO₃)₃, La(NO₃), Mn(NO₃)₂, вольфрамат натрия Na₂ WO₄, а также Na₃C₆H₅O₇, при этом смешанный раствор помещают на 1 час в ультразвуковую ванну мощностью 100 Вт c частотой колебаний 44 кГц при температуре 60°С, после чего полученный осадок отделяют, промывают и сушат, а высокотемпературный отжиг проводят при температуре 700°С в течение одного часа под давлением аргона 1,5⋅10⁷ Па.