Люмінісцентні AlN:Mn наночастинки для оптичного зображення біологічних матеріалів

  • B. Berzina Інститут твердого тіла, Університет Латвії, вул. Кенгарага, 8, Рига, LV-1063, Латвія https://orcid.org/0000-0003-0896-0199
  • L. Trinkler Інститут твердого тіла, Університет Латвії, вул. Кенгарага, 8, Рига, LV-1063, Латвія https://orcid.org/0000-0003-0477-8736
  • V. Korsaks Інститут твердого тіла, Університет Латвії, вул. Кенгарага, 8, Рига, LV-1063, Латвія
  • R. Ruska Інститут твердого тіла, Університет Латвії, вул. Кенгарага, 8, Рига, LV-1063, Латвія
Ключові слова: нітрид алюмінію, нанопорошок, нітрид алюмінію, легований Мn, фотолюмінесценція, спектри збудження, біологічні матеріали

Анотація

Актуальність. Розробка нових люмінесцентних наноматеріалів для візуалізації біологічних матеріалів, включаючи клітини та їх складові, є досить актуальною. Ці матеріали повинні відповідати ряду вимог, таких як низька токсичність, висока інтенсивність люмінесценції, низькі витрати сировини та прості методи синтезу. Нанопорошок AlN — один з таких перспективних матеріалів, що відповідають вищезазначеним вимогам. Наші багаторічні дослідження спектральних характеристик нітридів елементів III групи дозволяють обрати легований нанопорошок AlN для розробки люмінесцентного маркера для візуалізації біологічних матеріалів.

Мета роботи. Мета цього дослідження — спектральна характеристика нанопорошку AlN, легованого Mn, та оцінка можливості його використання як люмінесцентного маркера для біологічних матеріалів.

Матеріали і методи. Нанопорошок AlN із середнім розміром полікристалічних зерен 60 нм та Mn такого ж розміру зерен, був синтезований в Інституті неорганічної хімії Ризького технічного університету. Фотолюмінесценцію та спектри збудження матеріалів вивчали при кімнатній температурі за допомогою установки, виготовленої в нашому інституті.

Результати. Було встановлено, що в нелегованому нанопорошку AlN при кімнатній температурі люмінесценція нативних дефектів утворює широку і складну смугу на довжині хвилі 415 нм. Ця синя люмінесценція може збуджуватися ультрафіолетовим світлом з двох спектральних областей приблизно 315–340 нм і 260 нм. Запропоновано два механізми люмінесценції залежно від спектральної області збуджуючого світла. Першим з них є внутрішньоцентрова люмінесценція, а другим — рекомбінаційна люмінесценція.

Включення атомів Mn у кристалічну решітку нанопорошку AlN, що утворює AlN:Mn наночастинки, призводить до появи інтенсивної червоної люмінесценції при 600 нм, яка може збуджуватися світлом з двох смуг збудження на 260 та 480 нм. Запропоновано два механізми, що відповідають за появу червоної люмінесценції Mn: внутрішньоцентрова та рекомбінаційна люмінесценція. У цьому випадку переважає червона емісія Mn і не спостерігається синя люмінесценція, що характеризує матеріал нелегований AlN.

Висновки. Нанопорошок AlN, легований атомами Mn, є перспективним матеріалом для використання як люмінесцентного маркера для зображення біологічних матеріалів. Властивості цього матеріалу добре узгоджуються з основними вимогами до біологічних маркерів: i) AlN наночастинки мають низьку токсичність; ii) AlN:Mn наночастинки мають інтенсивну червону люмінесценцію при 600 нм, яку можна збуджувати або ультрафіолетовим світлом близько 260 нм, або видимим світлом близько 480 нм; iii) це відносно дешевий матеріал, і його можна отримати за допомогою простих методів синтезу.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Palmer DW. Electronic Energy Levels in Group-III Nitrides. In: Bhattacharya P, Fornari R, Kamimura H, editors. Comprehensive Semiconductor Science and Technology. Vol. 4, Materials, Preparation, and Properties. Amsterdam: Elsevier; 2011. p. 390–447. https://doi.org/10.1016/b978-0-44-453153-7.00114-0

Rutz RF. Ultraviolet electroluminescence in AlN. Appl Phys Lett. 1976;28(7):379–81. https://doi.org/10.1063/1.88788

Feneberg M, Leute RAR, Neuschl B, Thonke K, Bickermann M. High-excitation and high-resolution photoluminescence spectra of bulk AlN. Phys Rev B. 2010 Aug 16;82(7):075208. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.075208

Li J, Nam KB, Nakarmi ML, Lin JY, Jiang HX, Carrier P, et al. Band structure and fundamental optical transitions in wurtzite AlN. Appl Phys Lett. 2003 Dec 22;83(25):5163-5. https://doi.org/10.1063/1.1633965

Silveira E, Freitas JA, Schujman SB, Schowalter LJ. AlN bandgap temperature dependence from its optical properties. J Cryst Growth. 2008 Aug;310(17):4007-10. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2008.06.015

Tansley TL, Egan RJ. Point-defect energies in the nitrides of aluminum, gallium, and indium. Phys Rev B. 1992 May 15;45(19):10942-50. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.45.10942

Gorczyca I, Svane A, Christensen N. Calculated defect levels in GaN and AlN and their pressure coefficients. Solid State Communications. 1997 Mar;101(10):747-52. https://doi.org/10.1016/S0038-1098(96)00689-8

Mattila T, Nieminen RM. Point-defect complexes and broadband luminescence in GaN and AlN. Phys Rev B. 1997 Apr 15;55(15):9571-6. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.55.9571

Koppe T, Hofsäss H, Vetter U. Overview of band-edge and defect related luminescence in aluminum nitride. Journal of Luminescence. 2016 Oct;178:267-81. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.05.055

Grabis J, Steins I, Patmalnieks A, Berzina B, Trinklere L. Preparation and processing of doped AlN nanopowders. Estonian J Eng. 2009;15(4):266. https://doi.org/10.3176/eng.2009.4.03

Stepanov BI, Gribkovskii VP. Theory of Luminescence. English edition. Chornet S, editor. London: Iliffe Books Ltd; 1968. 497 p. ISBN-10: 0592050467, ISBN-13: 978-0592050461

Slack G.A., Mcnelly T.F. Growth of high purity AlN crystals. J Cryst Growth. 1976;34:263–279. https://doi.org/10.1016/0022-0248(76)90139-1

Youngman RA, Harris JH. Luminescence Studies of Oxygen-Related Defects In Aluminum Nitride. Journal of the American Ceramic Society. 1990 Nov;73(11):3238-46. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb06444.x

Berzina B, Trinkler L, Sils J, Palcevskis E. Oxygen-related defects and energy accumulation in aluminum nitride ceramics. Radiation Effects and Defects in Solids. 2001 Dec;156(1-4):241-7. https://doi.org/10.1080/10420150108216900

Berzina B, Trinkler L, Sils J, Atobe K. Luminescence mechanisms of oxygen-related defects in AlN. Radiation Effects and Defects in Solids. 2002 Jan;157(6-12):1089-92. https://doi.org/10.1080/10420150215822

Berzina B., Trinkler L., Jakimovica L, Korsaks V, Grabis J, Steins I, Palcevskis E, Belluci S, Chen LC, Chattopadhyay S, Chen K. Spectral characterization of bulk and nanostructured aluminum nitride. J Nanophoton. 2009 Dec 1;3(1):031950. https://doi.org/10.1117/1.3276803

Schweizer S, Rogulis U, Spaeth JM, Trinkler L, Berzina B. Investigation of Oxygen-Related Luminescence Centres in AlN Ceramics. physica status solidi (b). 2000 June 14;219(1):171–180. https://doi.org/10.1002/1521-3951(200005)219:1<171::AID-PSSB171>3.0.CO;2-0

Trinkler L, Bos A, Winkelman A, Christensen P, Angersnap Larsen N, Berzina B. Thermally and Optically Stimulated Luminescence of AlN-Y2O3 Ceramics after Ionising Irradiation. Radiation Protection Dosimetry. 1999 Aug 1;84(1):207-10. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.rpd.a032718

Trinkler L, Bøtter-Jensen L, Christensen P, Berzina B. Stimulated luminescence of AlN ceramics induced by ultraviolet radiation. Radiation Measurements. 2001 Oct;33(5):731-5. https://doi.org/10.1016/S1350-4487(01)00093-2

Trinkler L, Bøtter-Jensen L, Berzina B. Aluminium Nitride Ceramics: A Potential UV Dosemeter Material. Radiation Protection Dosimetry. 2002 Jul 1;100(1):313-6. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.rpd.a005876

Trinkler L, Berzina B. Recombination luminescence in aluminum nitride ceramics. physica status solidi (b). 2014 Mar;251(3):542-8. https://doi.org/10.1002/pssb.201350090

Schulman JH, Compton WD. Color Centers in Solids. Oxford: Pergamon Press; 1962. p.368

Stampfl C, Van de Walle CG. Theoretical investigation of native defects, impurities, and complexes in aluminum nitride. Phys Rev B. 2002 Apr 15;65(15):155212. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.155212

Soltamov V, Ilyin I, Soltamova A, Tolmachev D, Mokhov E, Baranov P. Identification of the deep-level defects in AlN single crystals: EPR and TL studies. Diamond and Related Materials. 2011 Jul;20(7):1085-9. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2011.04.009

Lan Y, Chen X, Cao Y, Xu Y, Xun L, Xu T, et al. Low-temperature synthesis and photoluminescence of AlN. J Cryst Growth. 1999 Dec;207(3):247-50. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(99)00448-0

Lei F, Lei X, Ye Z, Zhao N, Yang X, Shi Z, et al. Photoluminescent properties of AlN:Mn2+ phosphors. Journal of Alloys and Compounds. 2018 Sep;763:466-70. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.291

Xu J, Cherepy NJ, Ueda J, Tanabe S. Red persistent luminescence in rare earth-free AlN:Mn2+ phosphor. Materials Letters. 2017 Nov;206:175-7. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.07.015

Jeevanandam J, Barhoum A, Chan YS, Dufresne A, Danquah MK. Review on nanoparticles and nanostructured materials: history, sources, toxicity and regulations. Beilstein J Nanotechnol. 2018 Apr 3;9:1050-74. https://doi.org/10.3762/bjnano.9.98

Zhou L, Zhuang W, Wang X, Yu K, Yang S, Xia S. Potential acute effects of suspended aluminum nitride (AlN) nanoparticles on soluble microbial products (SMP) of activated sludge. Journal of Environmental Sciences. 2017 Jul;57:284-92. https://doi.org/10.1016/j.jes.2017.02.001

Zhang XQ, Yin LH, Tang M, Pu YP. ZnO, TiO(2), SiO(2,) and Al(2)O(3) nanoparticles-induced toxic effects on human fetal lung fibroblasts. Biomed Environ Sci. 2011 Dec;24(6):661-9. https://doi.org/10.3967/0895-3988.2011.06.011

Berzina B, Trinkler L, Korsaks N, Ruska R, Krieke G, Sarakovskis A. F-center Luminescence and Oxygen Gas Sensing Properties of AlN Nanoparticles. Sensors & Transducers. 2019 Nov;238(11):87-93. Available from: https://www.sensorsportal.com/HTML/DIGEST/november_2019/Vol_238/P_3145.pdf

Опубліковано
2020-05-11
Цитовано
0 статей
Як цитувати
Berzina, B., Trinkler, L., Korsaks, V., & Ruska, R. (2020). Люмінісцентні AlN:Mn наночастинки для оптичного зображення біологічних матеріалів. Біофізичний вісник, (43), 22-29. Retrieved із https://periodicals.karazin.ua/biophysvisnyk/article/view/14751
Розділ
Матеріали для біомедичного застосування