Способ получения наноразмерного высоколюминесцентного апатита с примесью европия (Eu)

Изобретение относится к области синтеза новых материалов и может быть использовано в медицине и биологии.

Известен способ приготовления допированного европием наноразмерного апатита [1], который заключается в синтезе апатита методом осаждения из смеси нитрата кальция, нитрата европия и гидрофосфата аммония в водно-спиртовой среде. Недостатком известного способа является недостаточно высокий и неконтролируемый уровень люминесценции получаемых апатитов.

Известен способ получения пористой гидроксилапатитовой керамики с флюоресцентными свойствами [2], который заключается в синтезе апатита методом осаждения из смеси катионов кальция, нитрата европия и фосфорной кислоты. Недостатком известного способа является трудоемкость, а также недостаточно высокий и неконтролируемый уровень люминесценции получаемых апатитов.

Известен способ получения допированных европием гидроксилапатитовых наностержней [3], который заключается в синтезе апатита методом осаждения с использованием гидрофосфата аммония, цетилтриметиламмоний бромида, хлорида кальция и оксида европия. Недостатком известного способа является трудоемкость, а также недостаточно высокий и неконтролируемый уровень люминесценции получаемых апатитов.

Известен способ получения наноразмерного Eu-содержащего апатита, обладающего люминесцентными свойствами [4], который является наиболее близким к заявляемому изобретению по достигаемому техническому результату. Сущность состоит в синтезе апатита методом осаждения с использованием смеси хлоридов кальция и европия (в различных соотношениях) и гидрофосфата натрия с последующим отделением и промыванием осадка.

Недостатками прототипа являются недостаточно высокий и неконтролируемый уровень люминесценции получаемых апатитов с европием за счет неучтенной концентрационной зависимости люминесценции в апатите, а также более высокая стоимость за счет необходимости использования дорогостоящего оборудования.

Заявленное изобретение лишено этих недостатков.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение интенсивности люминесценции получаемых наноразмерных апатитов до максимально возможного значения ее интенсивности в ряду европийсодержащих апатитов, а также снижение стоимости получения апатита за счет осуществления промывки без использования центрифуги.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения наноразмерного Eu-содержащего апатита с максимальной люминесценцией, заключающемся в смешивании водных растворов, содержащих катионы Са²⁺ и Eu³⁺ при контроле их концентрации и соотношения их в растворе, одновременно готовят водный раствор, содержащий фосфат-анионы, при контроле их концентрации, каждый из приготовленных растворов берут в объеме 100 мл и перемешивают, после чего полученный осадок промывают дистиллированной водой; в соответствии с заявленным изобретением, используют нитраты кальция и европия и дигидрофосфат калия, при этом нитрат кальция берут с концентрацией 1 моль/л и в количестве 20 мл, а нитрат Eu берут с концентрацией 0,02 моль/л и в количестве 5-50 мл, что соответствует мольному соотношению Eu/Са 0,5-5%, и доводят дистиллированной водой объем раствора до 100 мл; второй раствор приготавливают из смеси дигидрофосфата калия, который берут в качестве источника анионов фосфатов, с концентрацией 1 моль/л в количестве 12 мл, и раствора KOH в количества 15 мл с концентрацией 1,5 моль/л, и доводят раствор дистиллированной водой до 100 мл и рН 11-12; каждый из полученных растворов нагревают до 90°С и смешивают их при активном перемешивании, после чего раствор выдерживают при температуре 90°С в течение 2-3 часов, затем раствор охлаждают и отделяют из него осадок, который промывают не менее 6 раз дистиллированной водой в объеме не менее 400 мл; полученный осадок высушивают при температуре 110°С в течение 6-7 часов.

Сущность заявленного изобретения поясняется Фиг. 1-4.

На Фиг. 1 представлены примеры рентгенограмм полученных апатитов с различным содержанием Eu. В оси абсцисс - угол 2Θ (градусы), в оси ординат - интенсивность (относительные единицы).

На Фиг. 2 представлены примеры инфракрасных спектров полученных апатитов. В оси абсцисс - волновое число (обратные сантиметры), в оси ординат - пропускание (относительные единицы).

На Фиг. 3 представлена концентрационная зависимость интегральной интенсивности люминесценции полученных апатитов от мольного соотношения Eu/Са в растворе. В оси абсцисс - мольное отношение Eu/Са в растворе (%), в оси ординат - интенсивность люминесценции (относительные единицы).

На Фиг. 4 представлены спектры возбуждения и люминесценции апатитов, полученных из растворов с различным мольным соотношением Eu/Са. В оси абсцисс - длина волны (нанометры), в оси ординат - интенсивность (относительные единицы).

Кроме этого, сущность заявленного способа иллюстрируется приведенными таблицами 1-3.

В таблице 1 представлены результаты площадного химического EDX-анализа полученных апатитов (рентгеноспектральный микроанализ, масс %)

В таблице 2 представлены результаты рассчитанных химических формул полученных апатитов (по данным из табл. 1).

В таблице 3 представлены кристаллохимические и люминесцентные характеристики полученных апатитов такие как: параметры элементарной ячейки (ПЭЯ), размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) и интегральная интенсивность перехода ⁵D₀-⁷F₂.

Сущность заявленного способа осуществляется в следующей последовательности его реализации.

Готовят растворы Са(NO₃)₂×4Н₂О (марка Ч) с концентрацией 1 моль/л, Eu(NO₃)₃×6Н₂О (степень чистоты 99,99%) с концентрацией 0,02 моль/л, KH₂PO₄ (марка ЧДА) с концентрацией 1 моль/л и KOH (марка Ч) с концентрацией 1,4 моль/л.

20 мл раствора нитрата кальция смешивают с 5-50 мл раствора нитрата европия (для получения мольных соотношений Eu/Са 0,5-5%), смесь доливают дистиллированной водой до объема 100 мл 12 мл раствора дигидрофосфата калия смешивают с 10 мл раствора гидроксида калия, смесь доливают дистиллированной водой до 100 мл и при необходимости доводят значение рН до 12 единиц раствором гидроксида калия.

Оба раствора нагревают до 90°С. Раствор, содержащий кальций и европий, быстро (в течение 5-10 секунд) вливают в раствор, содержащий фосфаты, при активном перемешивании. Получившийся раствор с белой взвесью выдерживается 2 часа в сушильном шкафу при 90°С, после раствор оставляют остывать. Осадок промывается декантацией дистиллированной водой 6 раз в объеме не менее 400 мл. Осадок высушивается в сушильном шкафу при температуре 110°С в течение 6-7 часов. Осадок перетирается в ступке.

Заявленный способ был апробирован в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени. Результаты апробации приведены ниже в виде конкретных примеров лабораторных испытаний (примеры 1, 2, 3). Краткое описание используемых авторами методик при исследовании апатитов, в частности, приведенных в примерах 1-3, даны в приложении к описанию заявленного изобретения.

Пример 1

Для первого раствора смешали 20 мл 1 моль/л раствора нитрата кальция и 5 мл 0,02 моль/л раствора нитрата европия (III), после чего долили дистиллированной водой до объема 100 мл; раствор имел величину рН 5 и был нагрет до 90°С.

Для второго раствора смешали 12 мл 1 моль/л раствора дигидрофосфата калия и 7 мл 1,4 моль/л раствора едкого кали (KOH), после чего долили дистиллированной водой до объема 100 мл; раствор имел величину рН 10 и был нагрет до 90°С.

При интенсивном перемешивании первый раствор влили во второй раствор, величина рН результирующего раствора составила 6.

Полученный раствор с образовавшимся осадком выдержали при 90°С в течение 1,5 часов. Затем остудили до комнатной температуры и промыли 5 раз (общим объемом около 2 л дистиллированной воды). Полученный осадок высушили при 110°С в течение 5 часов и затем перетерли в фарфоровой ступке.

Как показано в Табл. 1, строка 3, полученный апатит содержит 0,63 масс % европия, что соответствует 0,07 формульным единицам, как показано в Табл. 2, строка 3. Рентгеновские и инфракрасные исследования подтвердили, что полученный продукт является апатитом (Фиг. 1, позиция а, Фиг. 2, позиция а). Как показано в Табл. 3, строка 3, расчеты ПЭЯ дали значения, характерные для апатитов: параметр а=9,444 ; с=6,886 ; расчеты размеров ОКР показали, что размеры наночастиц апатита составляют 19 нм.

Спектр возбуждения люминесценции образца (Фиг. 4, позиция а) состоит из характеристических полос, соответствующих переходам электронов с нижних уровней ⁷F₀ и ⁷F₁ на возбужденные уровни катионов европия. Наиболее интенсивным является переход ⁷F₀-⁵L₆ с максимумом на длине волны λ_ех=393 нм и интенсивностью I=1.05444Е6 импульсов в секунду на микроампер (CPS/MicroAmps). Остальные наблюдаемые линии соответствуют переходам ⁷F₀-⁵Н₆ (λ_ех=318 нм; I=433663 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₄ (λ_ех=361 нм; I=220333 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵L₇ (λ_ех=381.5 нм; I=262943 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₃ (λ_ех=414.5 нм; I=47473 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₂ (λ_ех=464 нм; I=163363 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₁ (λ_ех=534 нм; I=35465 CPS/MicroAmps).

Спектр люминесценции образца (Фиг. 4, позиция б) состоит из характеристических полос, соответствующих переходам с метастабильного уровня ⁵D₀ на нижележащие уровни ⁷F_J (J=1-4) в катионах европия. Наиболее интенсивным переходом является вынужденный электрический дипольный переход ⁵D₀-⁷F₂ с максимумом на длине волны λ_em=616 нм и интенсивностью I=266722 CPS. Остальные наблюдаемые линии соответствуют переходам ⁵D₀-⁷F₁ (λ_em=589.5 нм; I=92189 CPS), ⁵D₀-⁷F₃ (λ_em=652.5 нм; I=16084 CPS), ⁵D₀-⁷F₄ (λ_em=700 нм; I=128186 CPS).

Пример 2

Для первого раствора смешали 20 мл 1 моль/л раствора нитрата кальция и 30 мл 0,02 моль/л раствора нитрата европия (III), после чего долили дистиллированной водой до объема 100 мл; раствор имел величину рН 5 и был нагрет до 90°С.

Для второго раствора смешали 12 мл 1 моль/л раствора дигидрофосфата калия и 7 мл 1,4 моль/л раствора едкого кали (KOH), после чего долили дистиллированной водой до объема 100 мл; раствор имел величину рН 11 и был нагрет до 90°С.

При интенсивном перемешивании первый раствор влили во второй раствор, величина рН результирующего раствора составила 6,5.

Полученный раствор с образовавшимся осадком выдержали при 90°С в течение 2 часов. Затем остудили до комнатной температуры и промыли 5 раз (общим объемом около 2 л дистиллированной воды). Полученный осадок высушили при 110°С в течение 4,5 часов и затем перетерли в фарфоровой ступке.

Как показано в Табл. 1, строка 8, полученный апатит содержит 3,72 масс % европия, что соответствует 0,37 формульным единицам, как показано в Табл. 2, строка 8. Рентгеновские и инфракрасные исследования подтвердили, что полученный продукт является апатитом (Фиг. 1, позиция б, Фиг. 2, позиция б). Как показано в Табл. 3, строка 8, расчеты ПЭЯ дали значения, характерные для апатитов: параметр а=9,439 ; с=6,885 ; расчеты размеров ОКР показали, что размеры наночастиц апатита составляют 22 нм.

Спектр возбуждения люминесценции образца (Фиг. 4, позиция в) состоит из характеристических полос, соответствующих переходам электронов с нижних уровней ⁷F₀ и ⁷F₁ на возбужденные уровни катионов европия. Наиболее интенсивным является переход ⁷F₀-⁵L₆ с максимумом на длине волны λ_ex=393 нм и интенсивностью I=3.47915Е6 CPS/MicroAmps. Остальные наблюдаемые линии соответствуют переходам ⁷F₀-⁵H₆ (λ_ex=318 нм; I=1.34259Е6 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₄ (λ_ex=361 нм; I=737656 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵L₇ (λ_ex=381.5 нм; I=855766 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₃ (λ_ex=414.5 нм; I=130940 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₂ (λ_ex=464 нм; I=452014 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₁ (λ_ex=534 нм; I=87888 CPS/MicroAmps).

Спектр люминесценции образца (Фиг. 4, позиция г) состоит из характеристических полос, соответствующих переходам с метастабильного уровня ⁵D₀ на нижележащие уровни ⁷F_J (J=1-4) в катионах европия. Наиболее интенсивным переходом является вынужденный электрический дипольный переход ⁵D₀-⁷F₂ с максимумом на длине волны λ_em=616 нм и интенсивностью I=926059 CPS. Остальные наблюдаемые линии соответствуют переходам ⁵D₀-⁷F₁ (λ_em=589.5 нм; I=451956 CPS), ⁵D₀-⁷F₃ (λ_em=652.5 нм; I=68534 CPS), ⁵D₀-⁷F₄ (λ_em=700 нм; I=531870 CPS).

Пример 3

Для первого раствора смешали 20 мл 1 моль/л раствора нитрата кальция и 50 мл 0,02 моль/л раствора нитрата европия (III), после чего долили дистиллированной водой до объема 100 мл; раствор имел величину рН 5 и был нагрет до 90°С.

Для второго раствора смешали 12 мл 1 моль/л раствора дигидрофосфата калия и 8 мл 1,4 моль/л раствора едкого кали (KOH), после чего долили дистиллированной водой до объема 100 мл; раствор имел величину рН 12 и был нагрет до 90°С.

При интенсивном перемешивании первый раствор влили во второй раствор, величина рН результирующего раствора составила 7.

Полученный раствор с образовавшимся осадком выдержали при 90°С в течение 2 часов. Затем остудили до комнатной температуры и промыли 5 раз (общим объемом около 2 л дистиллированной воды). Полученный осадок высушили при 110°С в течение 5 часов и затем перетерли в фарфоровой ступке.

Как показано в Табл. 1, строка 10, полученный апатит содержит 5,72 масс % европия, что соответствует 0,57 формульным единицам, как показано в Табл. 2, строка 10. Рентгеновские и инфракрасные исследования подтвердили, что полученный продукт является апатитом (Фиг. 1, позиция в, Фиг. 2, позиция в). Как показано в Табл. 3, строка 10, расчеты ПЭЯ дали значения, характерные для апатитов: параметр а=9,442 ; с=6,887 ; расчеты размеров ОКР показали, что размеры наночастиц апатита составляют 20 нм.

Спектр возбуждения люминесценции образца (Фиг. 4, позиция д) состоит из характеристических полос, соответствующих переходам электронов с нижних уровней ⁷F₀ и ⁷F₁ на возбужденные уровни катионов европия. Наиболее интенсивным является переход ⁷F₀-⁵L₆ с максимумом на длине волны λ_ex=393 нм и интенсивностью I=2.15338Е6 CPS/MicroAmps. Остальные наблюдаемые линии соответствуют переходам ⁷F₀-⁵H₆ (λ_ex=318 нм; I=775075 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₄ (λ_ex=361 нм; I=459654 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵L₇ (λ_ex=381.5 нм; I=520396 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₃ (λ_ex=414.5 нм; I=83389 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₂ (λ_ex=464 нм; I=297947 CPS/MicroAmps), ⁷F₀-⁵D₁ (λ_ex=534 нм; I=63045 CPS/MicroAmps).

Спектр люминесценции образца (Фиг. 4, позиция е) состоит из характеристических полос, соответствующих переходам с метастабильного уровня ⁵D₀ на нижележащие уровни ⁷F_J (J=1-4) в катионах европия. Наиболее интенсивным переходом является вынужденный электрический дипольный переход ⁵D₀-⁷F₂ с максимумом на длине волны λ_em=616 нм и интенсивностью I=577572 CPS. Остальные наблюдаемые линии соответствуют переходам ⁵D₀-⁷F₁ (λ_em=589.5 нм; I=259568 CPS), ⁵D₀-⁷F₃ (λ_em=652.5 нм; I=39732 CPS), ⁵D₀-⁷F₄ (λ_em=700 нм; I=313826 CPS).

Полученные результаты подтверждают, что заявленный способ синтеза позволяет получать наноразмерные апатиты с заданным, в том числе максимальным, уровнем люминесценции; заявленный способ синтеза существенно превосходит известный уровень техники по достигаемому уровню люминесценции и является более дешевым и простым.

Технико-экономическая эффективность заявленного способа состоит в достоверном и информативном его использовании в качестве чувствительного люминесцентного маркера в биологии и медицине. Европий-содержащий апатит с высокими люминесцентными свойствами должен найти свое применение не только при проведении фундаментальных исследований при изучении взаимодействия апатит-содержащих материалов с костной тканью, но и как перспективный биомедицинский материал, который может использоваться в протезировании и при имплантации. Также материал может быть востребован как люминесцентный маркер в прикладных исследованиях по клеточной биологии. Это особенно важно для современного уровня российской экономики, с перспективой на импортозамещение.

Используемые источники информации

1. Патент CN 101214382. Method for preparing europium-labeled hydroxyapatite nano particle, КНР, 2008.

2. CN 102557609 B. Porous hydroxyapatite ceramic with fluorescence labeling characteristic, and preparation method thereof, КНР, 2012.

3. CN 103788946. Method for preparing europium-doped hydroxyapatite nanorod. КНР, 2014.

4. Патент CN 103525417. Preparation method of europium-doped hydroxyapatite (HAP) fluorescent nanoparticles, КНР, 2013 (прототип).