Люмінісцентні AlN:Mn наночастинки для оптичного зображення біологічних матеріалів

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.