Cr³⁺/Eu³⁺ 공동 도핑 장수명 근적외선 지속 발광 나노입자: 고급 세포 영상 응용

요약

근적외선(NIR) 방출 지속 발광 나노입자가 생체 영상 잠재적 제제로 개발되었습니다. 그러나 장기 영상용 긴 잔광 가진 균일 나노입자 합성은 아직 부족합니다. 본 연구에서는 환원 분위기 없는 후속 소성 결합 졸-겔 법으로 스펠라이트 구조 Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺(ZGGO:Cr³⁺) 및 Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Eu³⁺(ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺) 나노입자 합성 시연. XRD, TEM, STEM, 선택 영역 전자 회절, 광발광 여기(PLE)/광발광(PL) 분광법, 온도 의존 PL 분석 등 복합 기술로 상세 특성화. 단결정 나노입자 균일 고체 용액, 균일 입방체 형태, 측면 크기 ~80-100 nm. 273 nm 자외선 여기 시 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 갈륨게르마네이트 내 왜곡 Cr³⁺ 이온 ²E→⁴A₂ 전이 697 nm NIR 방출 밴드 나타남, Eu³⁺ 방출 없음. 시료 NIR 지속 발광 7200초 이상 지속 강도 유지. Eu³⁺ 도입 ZGGO:Cr³⁺ 지속 발광 강도, 잔광 시간 증가시켰으나 열안정성 유의적 영향 없음. 획득 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 나노입자 체외 세포 영상 우수 능력 보유.

배경

지속 발광 물질은 여기 중단 후 장시간(수시간) 발광 가능[1]. 큰 연구 관심으로 상용화되어 야간/어두운 환경 시야 소재로 보안 표지, 비상 대피 표지, 식별 마커, 의료 진단 등 광범위 응용[2]. 대표적 장수명 인광체 상용 원색 방출체: 적색 Y₂O₂S:Eu³⁺,Mg²⁺,Ti⁴⁺ 또는 CaS:Eu²⁺,Tm³⁺,Ce³⁺[3,4], 녹색 SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ 또는 MgAl₂O₄:Mn²⁺[5,6], 청색 CaAl₂O₄:Eu²⁺,Nd³⁺ 또는 SrMgSi₂O₆:Eu²⁺,Dy³⁺[7,8]. 가시광 지속 인광체 많은 성공 불구 근적외선(NIR, ~700-2500 nm) 영역 지속 인광체 연구 개발 부족. 최근 적색/NIR 발광 지속 인광체 잠재 응용 야간 보안 표지에서 생체 내 영상 시스템 확장[1,9,10].

부착된 광감작제 지속 발광 물질 생체 내 제제 최초 Chen, Zhang 광역학 치료 시도[11]. 이후 Scherman 등 Ca₀.₂Zn₀.₉Mg₀.₉Si₂O₆:Eu²⁺,Mn²⁺,Dy³⁺ NIR 방출 인광체 생체 내 바이오이미징 이정표 보고[12]. 직후 동일 그룹 CaMgSi₂O₆:Eu²⁺,Mn²⁺,Pr³⁺, Ca₂Si₅N₈:Eu²⁺,Tm³⁺ 개선 성능 NIR 인광체 개발[13,14]. 최근 고체상법으로 NIR 방출 긴 잔광 Cr³⁺ 도핑 갈레이트 지속 인광체: 스펠라이트 ZnGa₂O₄:Cr³⁺, 변종 Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺, Zn₃Ga₂GeO₈:Cr³⁺,Yb³⁺,Er³⁺, ZnGa₂₋ₓ(Ge/Sn)ₓO₄:Cr³⁺ 등 제조[1,9,10,15-21]. 세라믹 디스크 시료 NIR 영역 360시간 잔광 보이나 거대 물질 생체 내 바이오이미징 부적합. 졸-겔법+환원 분위기 없는 소성으로 NIR 방출 장수명 발광 나노입자 ZnGa₂O₄:Cr³⁺[22,23], ZnGa₂O₄:Cr³⁺,Sn⁴⁺[19-21], Zn₂.₉₄Ga₁.₉₆Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Pr³⁺[9] 합성. 나노입자 분말 생체 투명 창 밝은 NIR 발광, 초장수 잔광 시간. PEGylation 나노입자 생체적합성, 수용성 크게 개선, 현장 여기 없이 고 SNR 장기 생체 내 바이오이미징 잠재력. 알칼리 토금속 이온, 란타나이드 이온, Li⁺ 중 선택 이온이 아연 갈레이트/갈로게르마네이트 내 Cr³⁺ 공동 도핑 시 현저한 NIR 지속 발광 산출 예상[1]. Eu³⁺ 산화물 호스트서 항상 ~700 nm 적색 방출, 250 nm 전하 이동(CT) 밴드 단파장 자외선 여기 시 ⁵D₀-⁷F₄ 분자내 4f 전이 기인[24]. 반면 Cr³⁺ 고체서 유리한 발광 중심: 스핀 금지 ²E-⁴A₂ 전이 통상 700 nm 좁은 대역 방출, 또는 스핀 허용 ⁴T₂-⁴A₂ 전이 650-1600 nm 광대역 방출[1,20]. 이러한 관점 Cr³⁺/Eu³⁺ 공동 도핑 아연 갈레이트/갈로게르마네이트 강렬한 NIR 지속 발광 산출 예상: O²⁻-Eu³⁺ CTB, O²⁻-Ga³⁺ CTB 중첩, ~700 nm Eu³⁺ ⁵D₀-⁷F₄ 방출, Cr³⁺ ²E-⁴A₂ 방출 중첩. 추가 Eu³⁺ 이온 왜곡 팔면체 자리 Ga³⁺ 치환 시 Cr³⁺ 주변 적절한 호스트 결정장 강도 생성, NIR 방출 영향. 본 연구 졸-겔법+환원 분위기 없는 소성으로 Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Eu³⁺(ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺) 나노입자 합성, 향후 바이오이미징 유망 나노프로브. XRD, TEM, STEM, SAED, PLE/PL 분광법, 온도 의존 PL 분석 등 복합 기술 상세 특성화. 다음 섹션 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 나노입자 합성, 특성화, 응용 보고.

실험

합성

시작 금속 소스 Zn(NO₃)₂·6H₂O, Cr(NO₃)₃·9H₂O, Ga₂O₃, Eu₂O₃, GeO₂ 모두 99.99% 순도 Sinopharm(상하이, 중국) 구입. 타 시약 분석등급 Shenyang Chemical Reagent Factory(심양, 중국) 구입. Zn(NO₃)₂·6H₂O, Cr(NO₃)₃·9H₂O 탈ion수 용해. Ga₂O₃, Eu₂O₃ 질산 용액 용해. GeO₂, 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA) 묽은 암모니아수 용해. 혼합 용액 EDTA 용액 천천히 첨가 침전 없이, 총 금속 이온:EDTA 몰비 1:2 유지. 원자 몰비 Zn:Ga:Ge:Cr:Eu 3:1.984:2:0.01:0.006 고정. 최종 용액 실온 1시간 격렬 교반, 85°C 오븐 물 느린 증발 솔→겔. 겔 200°C 3시간 가열 검은 다공성 물질 형성. 다공성 물질 분쇄 흐르는 O₂ 가스(200 mL/min) 선택 온도 2시간 소성.

표면 작용기화

ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 30분 분쇄, 150 mg 시료 50 mL 0.1 mol/L NaOH 용액 첨가. 1시간 초음파 후 실온 24시간 격렬 교반. 콜로이드 용액 1000 rpm 10분 원심분리 큰 입자 제거, 상등액 10,000 rpm 10분 원심분리 침전물 수집. 얻어진 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-OH 나노입자 탈ion수 3회 세척.

10 mg ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-OH 나노입자 4 mL 디메틸포름아미드(DMF) 초음파 10분 분산. 40 µL 3-아미노프로필-트리에톡시실란(APTES) 실온 24시간 격렬 교반 첨가. 얻어진 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 나노입자 10,000 rpm 10분 원심분리 수집, 미반응 APTES 제거 DMF 3회 세척.

세포 영상

Hek293T 세포 DMEM 10% FBS 배양, 35 mm 배양 접시 2시간 CO₂ 인큐베이터 파종. 얻어진 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 나노입자 세포 배양액(50 mg/mL) 분산, 254 nm UV 램프 10분 여기 후 1시간 처리 배양 접시 이동. 세포 배양액 제거 후 0.1 mL 1% 포르말린-PBS 첨가, 암실 0.5 mL DAPI 염색 10분. 최종 PBS 수회 세척 추가 특성화.

동물 실험 대학 동물 관리 사용 위원회 승인.

특성화 기술

상 확인 XRD(모델 SmartLab; Rigaku, 도쿄) 40 kV/40 mA 니켈 필터 Cu Kα 방사선, 주사 속도 6.0° 2θ/min. 생성물 형태 TEM(모델 JEM-2000FX; JEOL, 도쿄) 관찰. 인광체 광발광 FP-8600 형광 분광광도계(JASCO, 도쿄) 분석. 지속 발광 신호 Horiba JY FL3-21 획득. 잔광 붕괴 이미지 어두운 방 Kodak In-Vivo Imaging System FX Pro 기록. 세포 영상 레이저 주사 공초점 현미경(LEICA TCS SP2, 독일) 수행.

동물 실험 대학 동물 관리 사용 위원회 승인.

결과 및 고찰

시료 상 순도 우선 XRD 조사. 그림 1(상단) 1000°C 소성 제조 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ XRD 패턴, 스펠라이트 구조 Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀[1,9] 동정. Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀ 결정 구조 ZnGa₂O₄(JCPDS No. 38-1240) 동일, ZnGa₂O₄, Zn₂GeO₄ 고체 용액. Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀ 구조서 Ge Ga 치환 역할, 트랩 형성 촉진, ZnGa₂O₄ 주 결정 구조[1]. 단위 세포 두 양이온: Zn²⁺, Ga³⁺ 각각 4, 6 산소 음이온 둘러싸 사면체, 팔면체 형성(그림 1 하단). 회절 데이터 계산 ZGGO:Cr³⁺ 격자 상수 a=b=~0.8335 nm, 스펠라이트 ZnGa₂O₄(a=b=~0.8335 nm, JCPDS No. 38-1240) 근접. Eu³⁺ 더 큰 이온 반경(6배 배위 r_Eu³⁺=0.0947 nm, r_Ga³⁺=0.062 nm)[25]으로 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ a=b=~0.8336 nm 더 큰 값 관측. (311) 브래그 반사 프로파일 브로드닝 분석 셔러 방정식 적용 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 평균 결정립 크기 83±6 nm. 그림 1(상단) 900°C 소성 생성물 스펠라이트 상(JCPDS No. 38-1240), 삼방정계 상(JCPDS No. 11-0687) 혼합, ≥1000°C 소성 필요 스펠라이트 Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀ 상순도 형태로 얻음 지시.

제조 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ XRD 패턴 및 스펠라이트 ZnGa₂O₄ 결정 구조

그림 2(좌) ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 입자 TEM 형태, 완전 입방체 입자 구성, 측면 크기 ~80-100 nm 명확. 예리한 모서리, 잘 분해된 격자 무늬 우수 결정성 지시, 간격 ~0.29 nm 스펠라이트 ZnGa₂O₄ (220) 면 잘 일치(d(220)=~0.29 nm, JCPDS No. 38-1240)(그림 2 인셋). 입자 크기 XRD 평균 결정립 크기 근접, 단결정 가능성. SAED 분석(그림 2 우) 분석 나노입자 단결정 추가 확인. 여기 조사 나노입자 직접 고체 용액, 기계적 혼합 아님. Zn, Ga, Ge, Cr, Eu 원소 매핑 그림 3 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 고체 용액 증거. 각 입자 Zn, Ga, Ge, Cr, Eu 모두 포함, 모든 원소 입자 간 균일 분포.

ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 나노입자 TEM, HR-TEM(좌) 이미지, SAED 패턴(우)

STEM 입자 형태(명시야 이미지, 첫 번째) 및 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 나노입자 원소 매핑

그림 4 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 실온 여기 스펙트럼. 697 nm 모니터링 여기 스펙트럼 매우 넓은 영역(200-650 nm) 커버, 273, 328, 410, 569 nm 피크 네 주요 여기 밴드. 273 nm 밴드 ZnGa₂O₄ 호스트 O²⁻-Ga³⁺ 전하 이동 밴드 기인, 이후 밴드 Cr³⁺ 내부 전이: 328 nm ⁴A₂→⁴T₁(te²), 410 nm ⁴A₂→⁴T₁(t²e), 569 nm ⁴A₂→⁴T₂(t²e)[19,20]. Eu³⁺ 도입 PLE 밴드 위치 미미 변경이나 Cr³⁺ 내부 전이 강도 유의 증가, I₄₁₀/I₂₇₃ 0.18→0.56. 위 결과 Eu³⁺ 도입 가시광 여기 촉진 지시. 그러나 최강 273 nm 여기 밴드 O²⁻-Ga³⁺ 전하 이동 밴드 최적 여기 파장 재확인. 273 nm 분말 여기 697 nm NIR 방출 밴드(그림 5) 갈로게르마네이트 내 왜곡 Cr³⁺ 이온 ²E→⁴A₂ 전이 기인, Eu³⁺ 방출 부재.

ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 광발광 여기(PLE) 스펙트럼

ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 광발광(PL) 스펙트럼

ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 나노입자 NIR 지속 발광 붕괴 곡선 254 nm UV 조명(크세논 램프 광원) 5분 후 697 nm 모니터링 실온 그림 6. 결과 ZGGO:Cr³⁺ 시료 NIR 지속 발광 7200초 이상 지속 감상 강도 유지 입증. ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 지속 발광 강도 Eu³⁺ 이온 도입 증가. 란타나이드 이온 아연 갈로게르마네이트 내 Cr³⁺ 공동 도핑 시 반자리 결함량 증가로 Cr³⁺ 지속 발광 책임[1] 현저 NIR 지속 발광 산출 믿음. 한편 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ NIR 지속 발광 ZGGO:Cr³⁺보다 오래 지속, Eu³⁺ 도입 잔광 시간 증가 지시. 그림 7 Kodak In-Vivo Imaging System FX Pro UV 조사 정지 후 다른 시간 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 NIR 잔광 붕괴 이미지, 잔광 120분 이상 지속 강렬한 NIR 방출 강도 유지 추가 확인.

254 nm UV 조명 5분 후 697 nm 모니터링 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 NIR 지속 발광 붕괴 곡선

UV 조사 정지 후 다른 시간 Kodak In-Vivo Imaging System FX Pro 획득 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 NIR 잔광 붕괴 이미지

인광체 응용 성능 평가, 특히 고출력 응용, 열안정성 핵심 파라미터. 본 연구 인광체 열 소광 거동 평가 위해 298-573 K 온도 범위 PL 스펙트럼 분석(그림 8). 모든 시료 온도 상승 697 nm 방출 강도 감소. 열 소광 거동 포괄적 그림, 활성화 에너지(E_a) 추정 위해 아레니우스 식(식 1) 사용[26-28]:

$$ I_T = \frac{I_0}{1 + c \exp\left(-\frac{E_a}{kT}\right)} $$ (1)

I₀, I_T 초기, 최종 온도 강도; c 비율 상수; E_a 활성화 에너지; k 볼츠만 상수(8.629×10⁻⁵ eV K⁻¹). 그림 8 697 nm 중심 방출 밴드 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ In(I₀/I_T - 1) vs 10,000/T 관계선. 유사 활성화 에너지 계산: ZGGO:Cr³⁺ E_a=0.23 eV, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ E_a=0.25 eV. 단위 시간당 비복사 전이 확률(α) 식(2) 정의[29]:

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

s 주파수 인자(s⁻¹), k 볼츠만 상수, T 온도. 낮은 활성화 에너지(E_a) 비복사 전이 확률(α) 증가 의미. 유사 활성화 에너지로 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 근접 열안정성, Eu³⁺ 도입 열안정성 유의적 영향 없음 지시. 그러나 연관 포논 사이드 밴드(PSB) 670 nm 중심 고온서 우세, 방출 피크 강화 유도.

방출 밴드 열 소광 활성화 에너지 a ZGGO:Cr³⁺, b ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말. 인셋 298-573 K 온도 의존 PL 스펙트럼

ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 수용액 분산 PL 여기, 방출 스펙트럼 추가 조사(그림 9). ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 분말 대비 수용액 분산 PL 여기, 방출 곡선 거의 동일 프로파일이나 300, 600 nm 여기 강도 상대적 약화. 약화 원인 물 O-H 진동 소광 효과 추정.

실온 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 수용액 여기, 방출 스펙트럼. 인셋 254 nm UV 조사 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 수용액 디지털 사진

Hek293T 세포 체외 영상 시험 사용. 얻어진 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 나노입자 세포 배양액(50 mg/mL) 분산, 254 nm UV 램프 10분 여기 후 1시간 처리 배양 접시 이동. 그림 10(좌, 적색) 여기 부재 레이저 주사 공초점 현미경 수집 세포 발광 영상. 1시간 후 잔광 발광 신호 여전히 정확히 측정 가능, 시간 경과 점진적 감소. 비교 위해 동일 세포 0.5 mL DAPI 염색 동시 여기 모드 공초점 현미경 수집 세포 발광 영상(그림 10 우, 청색). 유사 영상 신호 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 나노입자 체외 세포 영상 우수 능력 보유 시사.

ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 나노입자 1시간 배양 Hek293T 세포 LSCM 이미지(좌, 적색). 우측 이미지(청색) 0.5 mL DAPI 염색 동일 세포 모습. 척도 막대 = 25 µm

결론

본 연구 졸-겔법+환원 분위기 없는 소성으로 스펠라이트 구조 ZGGO:Cr³⁺, ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ 나노입자 합성. XRD, TEM, STEM, SAED, PLE/PL 분광법, 온도 의존 PL 분석 복합 기술 상세 특성화. 균일 입방체 형태, 측면 크기 ~80-100 nm 단결정 균일 고체 용액. 273 nm 분말 여기 갈로게르마네이트 내 왜곡 Cr³⁺ 이온 ²E→⁴A₂ 전이 697 nm NIR 방출 밴드, Eu³⁺ 방출 부재. ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ NIR 지속 발광 7200초 이상 지속 강도 유지. ZGGO:Cr³⁺ 지속 발광 강도, 잔광 시간 Eu³⁺ 이온 도입 증가. 그러나 Eu³⁺ 도입 열안정성 유의적 영향 없음. 최종 ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ 나노입자 체외 세포 영상 우수 능력 보유.