Synthesis and luminescence investigation of nanoparticles doped with Pr³⁺ ions in selected fluoride and phosphate hosts

Abstract

Valgus on inimkonna ajaloos pikka aega tähelepanu köitnud – mitte ainult oma ilu, värvide mängu tõttu looduses, vaid ka läbi praktiliste väärtuste nagu selle kasutamine ruumide valgustamisel ja ka läbi selle tervendava potentsiaali inimeste ravimisel. Näidati, et UV kiirgust saab kasutada ühe karmima haiguse vähi raviks. Minu doktoritöö annab panuse kiiresti arenevasse materjaliteaduse ja füüsika valdkonda, otsides uusi Pr³⁺ ioonidega legeeritud fluoriidi ja fosfaadi nanoosakesi, mis kiirgavad nii UV kiirgust lainepikkustel 280–200 nm kui ka nähtavat valgust. Kõik see on tänu Pr³⁺ seisunditele, mis katavad vastavad spektraalpiirkonnad. Osa kiirgust vabaneb UV-C spektraalpiirkonnas, kus vähirakkude DNA neelab kiirgust kõige efektiivsemalt. Peale selle vabaneb kiirgus nähtavas spektraalpiirkonnas, mis on sobiv rakendamiseks fotodünaamilises teraapias, et aktiveerida selleks kasutatavaid ravimeid. Leiti, et nende materjalide struktuuri ja koostise peenhäälestamise abil saame luua strukturaalselt mitmefaasilisi materjale, kus Pr³⁺ ioonid kiirgavad samaaegselt nii UV-C spektraalpiirkonnas kui ka nähtavat valgust nagu BaLuF₅, BaGdF₅ ja segafaasilisi BaLu₂F₈-BaLuF₅ ja LuPO₄. See on uue nutika tööriista disainimine, mis teab, millal midagi kahjustada ja millal panustada rakkude paranemisse. Nende nano-osakeste kiirgusomaduste parandamiseks uuriti ka seda, kuidas temperatuuri mõjutusel tekkinud kristallstruktuuri muutused parandavad nende jõudlust sobivate kiirguste tekitamisel. Termilise lõõmutamise abil oli võimalik vähendada materjalide defektsust, kasvatada nano-osakesi ja seeläbi parandada nende kiirgusefektiivsust, muutes need eredamaks ja usaldusväärsemaks kiirguriks. Eksperimendid MAX IV Laboris Lundis ja PETRA III kogujaringil Hamburgis. viisid meid lähemale tulevikule, kus kiirituspõhine vähiravi muutub efektiivsemaks. Light has fascinated humanity for centuries, not only for its beauty but also for its practical value in illumination and healing. Recent research shows that specific wavelengths can be used against treatment of tumors. My PhD research develops and investigates wide bandgap fluoride and phosphate nanoparticles doped with praseodymium (Pr³⁺) ions. In my work I synthesized nanoparticles by hydrothermal and solvothermal synthesis methods (BaLuF₅, BaGdF₅, LuPO₄, BaLu₂F₈–BaLuF₅). I investigated their luminescence properties at synchrotron facilities (MAX IV, Sweden; PETRA III, Germany) using time-resolved spectroscopy across a wide temperature range. These nanoparticles emit either ultraviolet radiation in the 200–280 nm UV-C range or visible light when excited by ionizing radiation such as X-rays or energetic particles. A wide variation in the emission range arises from the unique energy-level scheme of Pr³⁺, spanning both UV-C and visible regions depending on the crystal field strength of the host material. Emission in the UV-C region overlaps with DNA absorption, enabling cancer cell destruction, while visible emissions from these nanoparticles activate photosensitizers molecules for the photodynamic therapy. By fine-tuning of nanoparticles’ structure and composition, simultaneous emission is achieved for UV-C and visible regions, enabling combined therapies. I also studied how temperature-driven structural changes influence luminescence. Thermal annealing reduced short-range disorder, increased nanoparticle size, and enhanced emission intensity up to four times. This research advances the development of multifunctional Pr³⁺ based light emitters for tumor therapies, where nanoparticles could be transported to locations of tumors and be activated by external radiation, working precisely without invasive surgery or severe side effects.