Nanopartículas luminiscentes persistentes infrarrojo cercano co-dopadas Cr³⁺/Eu³⁺ de larga duración para imagen celular avanzada

Resumen

Nanopartículas luminiscentes persistentes emisión infrarrojo cercano (NIR) desarrolladas como agentes potenciales bioimagen. Sin embargo, sintetizar nanopartículas uniformes con afterglow largo para imagen long-term falta. Aquí demostramos síntesis nanopartículas estructuradas espinela Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺ (ZGGO:Cr³⁺) y Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Eu³⁺ (ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺) por método sol-gel combinado con calcinación subsiguiente atmósfera reductor-free. Muestras investigadas via caracterizaciones detalladas técnicas combinadas XRD, TEM, STEM, difracción electrónica área seleccionada, espectroscopía excitación fotoluminiscencia (PLE)/fotoluminiscencia (PL), y análisis PL dependiente temperatura. Nanopartículas mono-cristalinas son solución sólida homogénea, poseyendo forma cúbica uniforme y tamaño lateral ~80–100 nm. Bajo excitación UV 273 nm, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ exhibió banda emisión NIR 697 nm (²E → ⁴A₂ transición Cr³⁺ distorsionado en galogermanato), en ausencia emisión Eu³⁺. Luminiscencia persistente NIR muestra puede durar >7200 s y aún mantener intensidad intensa. Incorporación Eu³⁺ aumentó intensidad luminiscencia persistente y tiempo afterglow ZGGO:Cr³⁺, pero no afectó significativamente estabilidad térmica. Nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ obtenidas poseen excelente capacidad imagen células in vitro.

Antecedentes

Materiales luminiscentes persistentes pueden emitir largo tiempo hasta horas tras cese excitación [1]. Principalmente debido gran interés investigación, fosforescentes comercializados como materiales visión noche o ambiente oscuro para amplia gama aplicaciones como señales seguridad, señalización rutas emergencia, marcadores identificación, o diagnóstico médico [2]. Típicos fosforescentes long-persistent comercializados son emisores color primario, como rojo Y₂O₂S:Eu³⁺,Mg²⁺,Ti⁴⁺ o CaS:Eu²⁺,Tm³⁺,Ce³⁺ [3, 4], verde SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ o MgAl₂O₄:Mn²⁺ [5, 6], y azul CaAl₂O₄:Eu²⁺,Nd³⁺ o SrMgSi₂O₆:Eu²⁺,Dy³⁺ [7, 8] fosforescentes. Aunque muchos éxitos logrados fosforescentes persistentes visible, investigación y desarrollo fosforescentes persistentes región infrarrojo cercano (NIR) (~700–2500 nm) son insuficientes. Años recientes, aplicaciones potenciales fosforescentes persistentes mostrando luminiscencia rojo o NIR expandido desde señales seguridad visión nocturna a sistemas bioimagen in vivo [1, 9, 10].

Materiales luminiscentes persistentes con fotosensibilizadores adheridos como agente in vivo first tried Chen y Zhang terapia fotodinámica [11]. Luego, Scherman et al. reportaron trabajo hito bioimagen in vivo con fosforescente NIR-emisor Ca_0.2Zn_0.9Mg_0.9Si₂O₆:Eu²⁺,Mn²⁺,Dy³⁺ [12]. Poco después, dos nuevos fosforescentes NIR-emisores CaMgSi₂O₆:Eu²⁺,Mn²⁺,Pr³⁺ y Ca₂Si₅N₈:Eu²⁺,Tm³⁺ con rendimiento mejorado desarrollados mismo grupo [13, 14]. Recientemente, fosforescentes persistentes Cr³⁺-dopado galato con emisión NIR y afterglow largo, incluyendo espinela ZnGa₂O₄:Cr³⁺ y variantes, como Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺, Zn₃Ga₂GeO₈:Cr³⁺,Yb³⁺,Er³⁺, y ZnGa_2−x(Ge/Sn)_xO₄:Cr³⁺, preparados método estado-sólido [1, 9, 10, 15,16,17,18,19,20,21]. Muestras disco-cerámicas exhibieron afterglow hasta 360 h región NIR, pero materiales bulky unsuitable bioimagen in vivo. Nanopartículas luminiscentes persistentes NIR-emisoras ZnGa₂O₄:Cr³⁺ [22, 23], ZnGa₂O₄:Cr³⁺,Sn⁴⁺ [19,20,21], y Zn_2.94Ga_1.96Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Pr³⁺ [9] sintetizadas método sol-gel combinado calcinación subsiguiente atmósfera-reductor-free. Luminiscencia persistente nanopartículas polvo exhibe brillante luminiscencia NIR ventana transparencia biológica con afterglow super-largo. PEGilación greatly mejora biocompatibilidad y solubilidad agua nanopartículas, que gran potencial bioimagen in vivo long-term alto SNR sin necesidad excitación in situ. Se cree iones seleccionados grupo consistiendo iones alkali-tierra, iones lantánidos, y Li⁺ co-dopando con Cr³⁺ en galato zinc y galogermanato zinc rendirían notable luminiscencia persistente NIR [1]. Eu³⁺ en huéspedes óxido siempre exhibe emisión roja ~700 nm surgiendo transición intra-4f ⁵D₀-⁷F₄ tras excitación UV corta en banda transferencia carga (CT) 250 nm [24]. Por otro lado, Cr³⁺ centro luminiscente favorable sólidos debido emisiones banda-estrecha (usualmente 700 nm) debida transición spin-forbidden ²E-⁴A₂, o emisión banda-ancha (650–1600 nm) debida transición spin-allowed ⁴T₂-⁴A₂ [1, 20]. Vista estos, Cr³⁺/Eu³⁺ co-dopado galato zinc y galogermanato zinc rendirían intensa luminiscencia persistente NIR, debido a que banda transferencia carga (CTB) O²⁻-Eu³⁺ solapa CTB O²⁻-Ga³⁺, y emisión ~700 nm desde ⁵D₀-⁷F₄ transición Eu³⁺ solapa esa desde ²E-⁴A₂ transición Cr³⁺. Además, iones Eu³⁺ sustituyendo iones Ga³⁺ en sitios octaédricos distorsionados pueden rendir fuerza campo cristalino huésped adecuada alrededor iones Cr³⁺, afectando emisión NIR. En este trabajo, nanopartículas Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Eu³⁺ (termed ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺) sintetizadas método sol-gel combinado calcinación subsiguiente atmósfera-reductor-free, usadas como nanoprobes prometedores futuro bioimagen. Muestras investigadas via caracterizaciones detalladas técnicas combinadas difractometría rayos X (XRD), microscopía electrónica transmisión (TEM), STEM, difracción electrónica área seleccionada (SAED), espectroscopía excitación fotoluminiscencia (PLE)/fotoluminiscencia (PL), y análisis PL dependiente temperatura. En secciones siguientes, reportamos síntesis, caracterización, y aplicación nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺.

Experimental

Síntesis

Fuentes metal inicio Zn(NO₃)₂·6H₂O, Cr(NO₃)₃·9H₂O, Ga₂O₃, Eu₂O₃, y GeO₂ todos 99.99% puros productos comprados Sinopharm (Shanghai, China). Otros reactivos grado analítico comprados Fábrica Reactivos Químicos Shenyang (Shenyang, China). Zn(NO₃)₂·6H₂O y Cr(NO₃)₃·9H₂O disueltos agua desionizada. Ga₂O₃ y Eu₂O₃ disueltos solución ácido nítrico. GeO₂ y ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) disueltos hidróxido amonio diluido. A mezcla solución, solución EDTA añadida lentamente sin precipitación, y ratio molar iones metal totales a EDTA mantenido 1:2. Ratio molar átomo Zn:Ga:Ge:Cr:Eu fijado 3:1.984:2:0.01:0.006. Solución final agitada vigorosamente temperatura ambiente 1 h, luego calentada horno 85 °C 3 h para evaporación lenta agua hasta solución became sol finally became gel. Gel obtenido calentado 200 °C 3 h formar materiales porosos negros. Finalmente, materiales porosos molidos y recocidos bajo flujo gas O₂ (200 mL/min) temperaturas seleccionadas 2 h.

Funcionalización Superficie

Polvo ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ molido 30 min, luego 150 mg muestra obtenida añadido 50 mL solución 0.1 mol/L NaOH. Tras sonicación 1 h, suspensión agitada vigorosamente 24 h temperatura ambiente. Coloide resultante centrifugado 1000 rpm 10 min remover partículas gran tamaño, y sobrenadante centrifugado 10,000 rpm 10 min recoger precipitado. Nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-OH obtenidas lavadas agua desionizada tres veces.

Diez miligramos nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-OH dispersados 4 mL dimetilformamida (DMF) asistencia sonicación 10 min. Luego, 40 µl 3-aminopropil-trietoxisilano (APTES) añadido bajo agitación vigorosa 24 h temperatura ambiente. Nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ obtenidas recogidas centrifugación 10,000 rpm 10 min y lavadas DMF tres veces remover APTES no reaccionado.

Imagen Celular

Células Hek293T cultivadas DMEM 10% FBS y sembradas platos cultivo 35-mm 2 h incubadora CO₂. Nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ obtenidas dispersadas medio celular (50 mg/mL), excitadas 10 min lámpara UV 254-nm y movidas platos cultivo tratados 1 h. Tras remover medio celular, 0.1 mL 1% formaldehído-PBS añadido y células teñidas 0.5 mL tinte DAPI oscuridad 10 min. Finalmente, células lavadas PBS varias veces further caracterización.

Todos estudios involucrando animales aprobados comité cuidado y uso animales universidad.

Técnicas Caracterización

Identificación fase realizada XRD (modelo SmartLab; Rigaku, Tokyo, Japan) operando 40 kV/40 mA usando radiación Cu Kα filtrado níquel y velocidad exploración 6.0° 2θ/min. Morfologías productos observadas via TEM (modelo JEM-2000FX; JEOL, Tokyo). Fotoluminiscencia fosforescentes analizada espectrofluorómetro FP-8600 (JASCO, Tokyo). Señales luminiscencia persistente obtenidas Horiba JY FL3-21. Imágenes decaimiento afterglow registradas cuarto oscuro usando sistema Kodak In-Vivo Imaging FX Pro. Imagen celular conducida microscopio confocal láser escaneo (LEICA TCS SP2, Alemania).

Todos estudios involucrando animales aprobados comité cuidado y uso animales universidad.

Resultados y Discusión

Pureza fase muestras first investigada XRD. Figura 1 (arriba) muestra patrones XRD ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ as-preparados calcinados 1000 °C, identificados junto espinela estructurada Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀ [1, 9]. Estructura cristalina Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀ same con ZnGa₂O₄ (JCPDS No. 38-1240), que es solución sólida ZnGa₂O₄ y Zn₂GeO₄. En estructura Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀, Ge juega rol sustitución Ga, conducive formación trampas, mientras ZnGa₂O₄ estructura cristalina dominante [1]. Hay dos cationes en una celda unidad; Zn²⁺ y Ga³⁺ rodeados cuatro y seis aniones oxígeno formando tetraedro y octaedro, respectivamente (Fig. 1, abajo). Cálculos datos difracción rindieron constantes celda ZGGO:Cr³⁺ a = b = ~0.8335 nm, cercano espinela ZnGa₂O₄ (a = b = ~0.8335 nm, JCPDS No. 38-1240). Debido mayores radios iónicos Eu³⁺ (coordinación seis-pliegues, \( {r}_{{\mathrm{Eu}}^{3+}} \) = 0.0947 nm y \( {r}_{{\mathrm{Ga}}^{3+}} \) = 0.062 nm) [25], valor mayor a = b = ~0.8336 nm observado ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺. Análisis ensanchamiento perfil reflexión Bragg (311) conducido aplicando ecuación Scherrer para tamaños cristalitos promedio 83 ± 6 nm ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ muestras. En Fig. 1 (arriba), también encontramos productos resultantes calcinados 900 °C son mezcla fase espinela (JCPDS No. 38-1240) y romboédrica (JCPDS No. 11-0687), indicando temperatura calcinación ≥ 1000 °C needed rendir espinela Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀ forma fase-pura.

Patrones XRD ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ as-preparados y estructura cristalina espinela ZnGa₂O₄

Figura 2 (izquierda) muestra morfología TEM ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ partículas, indicando clearly consisten enteramente partículas cúbicas, tamaños laterales ~80–100 nm. Esquinas agudas y franjas red well-resolved sugieren excelente cristalinidad, mientras espaciados ~0.29 nm corresponden bien plano (220) espinela estructurada ZnGa₂O₄ (d(220) = ~0.29 nm, JCPDS No. 38-1240) (inset Fig. 2). Porque tamaños partículas cercanos tamaños cristalitos promedio calculados datos XRD, muestras obtenidas pueden ser mono-cristalinas. Análisis SAED (Fig. 2 derecha) further confirmó nanopartículas bajo análisis son mono-cristalinas. Nanopartículas investigadas aquí son soluciones sólido directas en lugar mezcla mecánica. Mapeo elemental Zn, Ga, Ge, Cr, y Eu proporciona evidencia esta solución sólida, revelado Fig. 3 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺. No solo cada partícula contiene Zn, Ga, Ge, Cr, y Eu, sino todos elementos evenly distributed entre partículas.

TEM, HR-TEM (izquierda) imagen, y patrón SAED (derecha) nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺

Morfología partícula STEM (imagen campo brillante, primera imagen) y mapeo elemental ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ nanopartículas

Figura 4 muestra espectros excitación ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ polvo temperatura ambiente. Espectro excitación monitoreado 697 nm cubre región espectral muy ancha (200 a 650 nm) y consiste cuatro bandas excitación principales pico 273, 328, 410, y 569 nm, respectivamente. Banda excitación 273 nm atribuida banda transferencia carga O²⁻-Ga³⁺ huésped ZnGa₂O₄, mientras bandas laterales originan transiciones internas Cr³⁺, incluyendo banda 328-nm originando ⁴A₂ → ⁴T₁(te²) transición, banda 410-nm originando ⁴A₂ → ⁴T₁(t²e), y banda 569-nm originando ⁴A₂ → ⁴T₂(t²e) [19, 20]. Incorporación Eu³⁺ no alteró apreciablemente posiciones bandas PLE pero aumentó significativamente intensidades transiciones internas Cr³⁺, con I₄₁₀/I₂₇₃ aumentando 0.18 a 0.56. Resultados above indican incorporación Eu³⁺ conducive excitación luz visible. Sin embargo, banda excitación más fuerte 273 nm also revealed banda transferencia carga O²⁻-Ga³⁺ es longitud onda excitación más efectiva. Excitación polvo 273 nm dio banda emisión NIR 697 nm (Fig. 5) debido transición ²E → ⁴A₂ en iones Cr³⁺ distorsionados galogermanato, en ausencia emisión Eu³⁺.

Espectros excitación fotoluminiscencia (PLE) ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ polvos

Espectros fotoluminiscencia (PL) ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ polvos

Curvas decaimiento luminiscencia persistente NIR ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ nanopartículas monitoreadas 697 nm tras 254 nm UV luz iluminación (lámpara xenón fuente luz) 5 min temperatura ambiente como muestra Fig. 6. Resultado demuestra luminiscencia persistente NIR ZGGO:Cr³⁺ muestra puede durar >7200 s y still hold appreciable intensidad. Intensidad luminiscencia persistente ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ aumenta con incorporación ion Eu³⁺. Se cree iones lantánidos co-dopando con Cr³⁺ en zinc galogermanato rendirían notable luminiscencia persistente NIR, por su importante papel aumentando cantidad defectos anti-sitio responsible luminiscencia persistente Cr³⁺ huésped zinc galogermanato [1]. Por otro lado, luminiscencia persistente NIR ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ muestra puede durar longer que ZGGO:Cr³⁺, indicando incorporación Eu³⁺ puede aumentar tiempo afterglow. Figura 7 muestra imágenes decaimiento afterglow NIR ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ polvos obtenidas sistema Kodak In-Vivo Imaging FX Pro diferentes tiempos tras parar irradiación UV, further confirmando afterglow puede durar >120 min y keep intensa emisión NIR intensidad.

Curvas decaimiento luminiscencia persistente NIR ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ polvos monitoreadas 697 nm tras 254 nm UV luz iluminación 5 min

Imágenes decaimiento afterglow NIR ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ polvos obtenidas sistema Kodak In-Vivo Imaging FX Pro diferentes tiempos tras parar irradiación UV

Para evaluar rendimiento aplicación fosforescente, especialmente aplicaciones alta-potencia, estabilidad térmica parámetro clave. Evaluar comportamiento quenching térmico fosforescentes este trabajo, espectros PL analizados temperaturas 298 a 573 K (Fig. 8). Todas muestras, elevar temperatura rindió disminución intensidades emisión 697 nm. Obtener picture más comprehensivo comportamiento quenching térmico y estimar valor energía activación (E_a), ecuación Arrhenius (Eq. (1)) empleada como sigue [26,27,28]:

$$ {I}_{\mathrm{T}}=\frac{I_0}{1+c\exp \left(-\frac{E_{\mathrm{a}}}{kT}\right)} $$ (1)

donde I₀ y I_T son intensidades temperaturas inicial y final, respectivamente; c constante velocidad; E_a energía activación; y k constante Boltzmann (8.629 × 10⁻⁵ eV K⁻¹). Figura 8 muestra In(I₀ / I_T − 1) vs 10,000 / T líneas relación para banda emisión centrada 697 nm ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺. Energías activación similares calculadas: E_a = 0.23 eV ZGGO:Cr³⁺ y E_a = 0.25 eV ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺. Probabilidad transición no-radiativa ocurre por unidad tiempo (α) puede definirse según Eq. (2) como sigue [29]:

$$ \alpha =s\ \exp \left(-\frac{E_{\mathrm{a}}}{kT}\right) $$ (2)

donde s factor frecuencia (s⁻¹), k constante Boltzmann, y T temperatura. Puede verse menor energía activación (E_a) conduce mayor probabilidad (α) transición no-radiativa. Debido similar energía activación, ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ exhibieron estabilidad térmica closed, indicando incorporación Eu³⁺ no afectó significativamente estabilidad térmica. Sin embargo, bandas laterales fonón asociadas (PSBs) centradas 670 nm became dominant temperatura más alta, thus inducing enhanced emission peaks.

Energía activación quenching térmico bandas emisión en a ZGGO:Cr³⁺ y b ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ polvos. Insets muestran correspondiente dependencia temperatura espectros PL 298 a 573 K

También investigamos espectros excitación y emisión PL dispersión acuosa ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ (Fig. 9). Comparado polvo ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺, dispersión acuosa exhibió almost mismo perfil curvas excitación y emisión PL excepto intensidad excitación relativamente débil 300 y 600 nm. Intensidad debilitada probably due quenching effect vibración O–H agua.

Espectros excitación y emisión ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ solución acuosa temperatura ambiente. Inset muestra fotos digitales ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ solución acuosa bajo irradiación 254 nm UV luz

Células Hek293T empleadas aquí prueba imagen in vitro. Nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ obtenidas dispersadas medio celular (50 mg/mL), excitadas 10 min lámpara UV 254-nm y movidas platos cultivo tratados 1 h. Figura 10 (izquierda, color rojo) muestra imagen luminiscencia celular recopilada microscopio confocal láser escaneo ausencia excitación. Señal luminiscencia afterglow células Hek293T still strong enough precisely measured tras 1 h, though afterglow luminiscencia signals gradually decreased over time. Para comparación, imagen luminiscencia celular recopilada microscopio confocal láser escaneo otro modo mismas células teñidas 0.5 mL tinte DAPI (derecha Fig. 10, excitación simultánea). Señales imagen similares sugirieron nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ poseían excelente capacidad imagen células in vitro.

Imagen LSCM (izquierda, color rojo) células Hek293T incubadas nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 1 h. Imagen derecha (color azul) aparición mismas células teñidas 0.5 mL tinte DAPI. Barra escala = 25 μm

Conclusiones

En este trabajo, nanopartículas ZGGO:Cr³⁺ y ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ estructuradas espinela sintetizadas método sol-gel combinado calcinación subsiguiente atmósfera-reductor-free. Muestras investigadas via caracterizaciones detalladas técnicas combinadas XRD, TEM, STEM, SAED, espectroscopía PLE/PL, y análisis PL dependiente temperatura. Nanopartículas con forma cúbica uniforme y tamaño lateral ~80–100 nm son mono-cristalinas y solución sólida homogénea. Excitación polvo 273 nm dio banda emisión NIR 697 nm debido transición ²E → ⁴A₂ en iones Cr³⁺ distorsionados galogermanato, en ausencia emisión Eu³⁺. Luminiscencia persistente NIR ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ puede durar >7200 s y still hold intensa intensidad. Intensidad luminiscencia persistente ZGGO:Cr³⁺ y tiempo afterglow aumentan con incorporación ion Eu³⁺. Sin embargo, incorporación Eu³⁺ no afectó significativamente estabilidad térmica. Finalmente, nanopartículas ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ obtenidas poseen excelente capacidad imagen células in vitro.