В рамках реализации первого этапа проекта оптимизирована методика гидротермального синтеза и проведен синтез стоксовых и антистоксовых люминофоров на основе NaYF4, со-легированного люминесцирующими (Eu, Tb, Sm, Ho, Yb) и нелюминесцирующими (Gd, Lu, La) ионами лантаноидов. Методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), рентгенофазового анализа (РФА), энергодисперсинной спектроскопии (EDX), спектроскопии люминесценции, магнитометрии исследованы свойства полученных материалов. Установлено влияние концентрации лантаноидов на морфологию наночастиц, фазовый состав, параметры элементарной ячейки и люминесцентные свойства нанокристаллических стоксовых люминофоров состава NaYF4: Eu, Gd/Lu, NaYF4: Tb, Gd/Lu/La и NaYF4: Sm, Gd/Lu/La и антистоксовых люминофоров состава NaYF4: Yb, Ho, Gd/Lu/La. Синтез проводился гидротермальным методом по ранее разработанной нами методике в автоклавах при температуре 180 °С. Соотношение лантаноидов подтверждено методом EDX.
Рентгенофазовый анализ показал, что все полученные соединения кристаллизуются в гексагональной фазе β-NaYF4: наблюдается практически полное совпадение дифракционных максимумов синтезированного образца и образца сравнения (β-NaYF4 база данных JCPDS 16-0334). Дополнительные дифракционные пики, соответствующие примесям, не выявлены. Таким образом, ионы Eu3+, Tb3+, Sm3+, Yb3+, Ho3+, La3+, Gd3+ и Lu3+ способны изоморфно замещать ионы Y3+ в кристаллической решётке полученных образцов. Образцы NaY0.6-xTb0.4LaxF4, NaY0.98-ySm0.02LayF4 и NaY0.78-zYb0.2Ho0.02LazF4 кристаллизовались в виде β-NaYF4 при содержании лантана менее 20 ат. % При концентрации ионов лантана более 60 ат. % указанные серии соединений кристаллизовались только в виде LaF3 (JCPDS № 32-0483). Анализ порошковых дифрактограмм соединений с 40% La показал наличие обеих кристаллических фаз β-NaYF4 и LaF3.
Подробный анализ положения дифракционных максимумов позволил уточнить параметры элементарной ячейки для всех измеренных образцов. Для соединений NaY1-xLnxF4(Ln = Eu, Tb, Sm) замещение иттрия (r = 1.075 Å) на более крупные ионы европия (r = 1.120 Å, КЧ = 9), тербия (r =1,095Å, КЧ = 9) и самария (r = 1.132 Å, КЧ = 9) приводит к увеличению объема элементарной ячейки. Аналогично, легирование NaY0.7Eu0.3F4, NaY0.6Tb0.4F4, NaY0.98Sm0.02F4 и NaY0.78Yb0.2Ho0.02F4 ионами лантаноидов (III) с большим ионным радиусом, чем у ионов Y3+ (Gd3+: 1,107 Å; La3+: 1,216 Å) приводит к увеличению объема элементарной ячейки. Более того, при легировании ионами лантана объем элементарной ячейки увеличивается в большей степени, чем для ионов гадолиния, поскольку ионы La3+ имеют больший ионный радиус, чем Gd3+. Уменьшение объема элементарной ячейки для частиц, легированных ионами лютеция также можно объяснить меньшим ионным радиусом ионов Lu3+ (1,032 Å), чем ионный радиус ионов Y3+. В случае с NaY0.8-xYb0.2HoxF4 объем элементарной ячейки практически не меняется, что можно объяснить схожестью радиуса ионов гольмия (r = 1,072Å, КЧ = 9) с радиусом ионов иттрия.
Анализ морфологии полученных веществ с помощью сканирующей электронной спектроскопии показал, что образцы состоят из частиц, имеющих форму гексагональных призм размером от 40 до 1800 нм. Анализ частиц серии NaY0.8-xYb0.2HoxF4 показал, что концентрация ионов гольмия не влияет ни на форму, ни на размер частиц. Для соединений NaY1-xLnxF4 (Ln = Eu, Tb, Sm) замещение иттрия на более крупные ионы европия, тербия или самария приводит к уменьшению размера частиц. Аналогичные результаты были получены при легировании NaY0.7Eu0.3F4, NaY0.6Tb0.4F4, NaY0.98Sm0.02F4и NaY0.78Yb0.2Ho0.02F4 ионами лантана и гадолиния, которые имеют больший радиус, чем у иттрия. Это можно объяснить механизмом роста кристаллов. Ионы лантаноидов с большим ионным радиусом значительно быстрее образуют зародыши кристаллов, поэтому увеличение отношения Ln3+/Y3+ приводит к увеличению количества зародышей и, как следствие, к уменьшению размера частиц. Однако при легировании тех же образцов ионами лютеция размер частиц с увеличением концентрации Lu3+ увеличивается. Меньший ионный радиус соответствует более высокой плотности положительного заряда на поверхности зародыша кристалла. Это, в свою очередь, приводит к более быстрой диффузии к поверхности отрицательно заряженных ионов F- и, как следствие, большей скорости роста кристаллов и большему конечному размеру частиц. Для частиц NaY0.6Tb0.4F4, NaY0.98Sm0.02F4 и NaY0.78Yb0.2Ho0.02F4 при концентрации La3+, начиная с 40 мол. % обнаружены два типа гексагональных частиц: крупные частицы в кристаллической структуре β-NaYF4 и мелкие частицы в кристаллической фазе LaF3. Частицы LaF3 имеют значительно меньшие размеры и форму «таблетки».
Были изучены люминесцентные свойства синтезированных соединений. Выявлено, что при возбуждении светом с длиной волны 401 нм образцы с Sm3+ демонстрировали полосы люминесценции с максимумами при 561, 595, 646 и 703 нм, что соответствует переходам 4G5/2→6H5/2, 5G5/2→6H7/2, 4G5/2→6H9/2, и 4G5/2→6H11/2 соответственно. Установлено, что мольная доля Sm3+, соответствующая максимальной эффективности люминесценции, составляет 0,02. Измерены времена жизни люминесценции иона самария и показано, что при концентрации ионов самария выше 0,02 времена жизни резко падают. Затем частицы NaY0,98Sm0,02F4 были дополнительно легированы Gd3+, Lu3+ и La3+, что привело к увеличению интенсивности люминесценции. Максимум люминесценции соответствует мольной доле 0,005 для Gd3+, Lu3+ и La3+. Образцы, легированные Tb3+ демонстрировали полосы люминесценции с максимумами при 489, 544, 584, 591 и 616 нм, что соответствует переходам 5D4→7F6 (489 нм), 5D4→7F5 (544 нм), 5D4→7F4 (584 и 591 нм), и 5D4→7F2 (616 нм). Мольная доля Tb3+, соответствующая максимальной эффективности люминесценции, составляет 0,4. Измерены времена жизни люминесценции иона самария и показано, что при концентрации ионов самария выше 0,4 времена жизни резко падают. Затем частицы NaY0,6Tb0,4F4 были дополнительно легированы Gd3+, Lu3+ и La3+, что аналогично привело к увеличению интенсивности люминесценции. Максимум люминесценции соответствует мольной доле 0,1 для Gd3+, 0,01 для Lu3+ и 0,07 для La3+. При возбуждении Eu3+ наблюдались следующие переходы: 7F0 - 5K6 (266 нм), 7F0 - 5I6 (284 нм), 7F0 - 5FJ (292, 297, 300 нм), 7F0 - 5L8 (316 нм), 7F0 - 5D4 (361 нм), 7F0 - 5GJ (375, 380, 384 нм), 7F0 - 5D3 (415 нм), 7F0 - 5D2 (464 нм), 7F0 - 5D1 (524, 534 нм), и 7F1 - 5D0 (590 нм). Мольная доля Eu3+, соответствующая максимальной эффективности люминесценции, составляет 0,3. Измерены времена жизни люминесценции иона самария и показано, что при концентрации ионов самария выше 0,3 времена жизни резко падают. Затем частицы NaY0,7Eu0,3F4 были дополнительно легированы Gd3+ и Lu3+, что привело к увеличению интенсивности люминесценции. Максимум люминесценции соответствует мольной доле 0,01 для Gd3+ и Lu3+. Образцы, легированные Ho3+ и Yb3+ демонстрировали полосы люминесценции с максимумами при 540, 647, 752 нм, что соответствует переходам 5F4→5I8, 5F5→5I8, 5F4→5I7 соответственно. Мольная доля Ho3+, соответствующая максимальной эффективности люминесценции, составляет 0,02. Затем частицы NaY0.78Yb0.2Ho0.02F4 были дополнительно легированы Gd3+, Lu3+, что привело к увеличению интенсивности люминесценции. Максимум люминесценции соответствует мольной доле 0,7 для Gd3+, 0,1 для Lu3+. Добавление La3+ привело к уменьшению интенсивности люминесценции.
Для серии NaY(0,7-x)Eu0,3GdxF4 были проведены исследования магнитной восприимчивости. Было выяснено, что магнитная восприимчивость линейно увеличивается при увеличении концентрации Gd3+.
В расширение поставленных на первый год задач для выявления эффекта влияния природы допирующего иона лантаноида на морфологию частиц и структуру соединений были синтезированы и изучены две серии наночастиц состава NaYF4:Ln3+ (Ln = La–Nd, Sm–Lu), содержащие 20 ат. % и 40 ат. % ионов различных трехвалентных ионов лантаноидов. Показано, что также, как и для других полученных соединений, частицы данных материалов (NaYF4:Ln3+) имеют форму однородных гексагональных призм с примерным размером 80–1100 нм. Средний диаметр кристаллов NaYF4:Ln3+ немонотонно зависит от атомного номера лантанидов. Средний диаметр частиц уменьшается от La к Gd, где достигает минимального значения, а далее возрастает от Gd до Lu. Отношение диаметра к длине увеличивалось от La к Lu в обеих исследованных сериях. В то же время, по данным рентгенофазового анализа параметры элементарной ячейки уменьшались от La до Lu. Влияние природы легирующего иона лантаноида(III) на размер и форму частиц объяснялось динамикой роста кристаллов. Полученные результаты позволяют связать состав материалов с их морфологией и структурными особенностями, что позволяет синтезировать материалы с заданным размером частиц.
Проведены тестовые эксперименты по исследованию клеточной токсичности синтезированных наноматериалов. Изучение цитотоксичности было проведено для соединения NaGd0,7Eu0,3F4. Цитотоксичность данного образца исследована по отношению к клеточной линии HeLa в диапазоне концентраций 0.01-25 мг/л, суспензированных в культуральной среде при времени инкубации 72 часа. Для диапазона 0.01-12.5 мг/л жизнеспособность клеток составила выше 90% относительно интактного контроля. Для максимальной концентрации 25 мг/л было достигнуто значение цитотоксичности 72±8%, что свидетельствует о низкой токсичности для концентраций наночастиц, используемых для целей биовизуализации, и позволяет сделать предварительный вывод о возможности использования данных материалов для целей in vitro аналитики и возможной безопасности использования in vivo. Полученные результаты свидетельствуют, что синтезированные наночастицы состава NaGd0,7Eu0,3F4 обладают свойствами бимодального зонда, совмещая в себе магнитные и люминесцентные свойства. Низкая цитотоксичность наночастиц позволяет говорить о биоортогональности полученного материала и его потенциальной применимости в живых объектах в составе средств диагностики и терапии.
Таким образом, все поставленные задачи выполнены и показатели за первый этап достигнуты. Опубликованы 3 статьи в научных журналах, индексированных в Web of Science и Scopus, а также 4 тезиса научно-практических конференций. Результаты первого этапа проекта представлены в виде четырёх докладов на российских и международных научно-практических конференциях. Руководителем проекта проведено 12 учебных курсов.