СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГИБРИДНЫХ ПЛАЗМОННО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МАРКЕРОВ

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.