Fluorescence quenching in inorganic crystalline solids activated by neodymium ions; from bulk to micro- and nanocrystals

Abstract

Komplekssete fosfaatide ja fluoriidide ühendeid kasutatakse laialdaselt biomeditsiinis nende ühilduvuse tõttu bioloogilise koega. Selliseid fosfaatühendeid kasutatakse praegu peamiselt luuimplantaatides, aga samuti suurte implantaatide peal õhukese kattekihina. Nende materjalide dopeerimine haruldaste muldmetallide ioonidega, eriti neodüümiga, avardab nende rakendusvõimalusi. Näiteks, haruldaste muldmetallidega dopeeritud fluoriid-nanoosakesi kolloid-vesilahuses saab kasutada bioloogilise koe visualiseerimiseks (kuni sügavuseni 1 cm), lokaalseks kuumutamiseks, ravimite manustamiseks, jms. Selles kontekstis pakub nii baas- kui ka rakendusteaduse vaatevinklist suurt huvi valguse kiirgamine (fluorestsents) ja selle kustutamise mehhanismid. Fluorestsentsi kustutamise protsessid lõppkokkuvõttes määravad, kas fluorestsentsmaterjali saab kasutada näiteks bioloogilise koe visualiseerimisel, sh sügavamate kudede mitteinvasiivsel kujutamisel. Ühelt poolt on need protsessid ebasoovitavad ja nende minimeerimine suurendab fluorestsentsi intensiivsust. Teiselt poolt, fluorestsentsi kustutamise analüüsimine annab täiendavat infot uuritava materjali lokaalse struktuuri kohta. Väitekirjas käsitletakse detailselt mõlemat aspekti. Pakutakse lihtsad kriteeriumid sobiva kristallilise peremeesmaatriksi valimiseks lisandioonidele, mis minimeeriks fluorestsentsi kustutavad protsessid ja seeläbi suurendaks fluorestsentsi tugevust. Lisaks analüüsitakse fluorestsentsi kustumiskineetikat, et määrata neodüümi ioonidega seotud optiliste tsentrite lokaalset struktuuri tri-kaltsiumfosfaadi mikrokeraamikas, mis on luukoe tehisanaloog. Väitekirja tulemusi saab kasutada haruldaste muldmetallidega dopeeritud fluorestsentsmaterjalide funktsionaalsuse ja sooritusvõime edendamisel mitmesugustes biomeditsiinilistes rakendustes.

Complex phosphate and fluoride compounds are widely used in biomedicine due to their compatibility with biological tissues. Compounds of complex phosphates are currently used mainly as bone implants, but also as thin coatings for large implants for better engraftment. Doping of these materials with ions of rare earth (RE) ions, neodymium in particular, makes it possible to expand the area of their application. For example, fluoride compounds in the form of aqueous colloidal solutions of nanoparticles doped with RE ions can be used to visualize biological tissues at a depth of 1 cm, for local thermal heating, drug delivery, etc. In this context, from the point of view of both fundamental and applied science, the study of light radiation (fluorescence) and its quenching is of great interest. Fluorescence quenching processes ultimately determine the possibility of using a fluorescent material, for example, to visualize biological tissue, including non-invasive visualization at great depths. On the one hand, these processes are negative, and minimizing their contribution leads to an increase in the fluorescence intensity. On the other hand, by analyzing the fluorescence quenching processes, one can obtain additional information on the local crystal structure of the studied material. In the thesis, both aspects are discussed in detail. To minimize the quenching processes and, as a consequence, increase the fluorescence brightness, simple criteria are proposed for choosing a crystal matrix for doping with RE ions. In addition, the analysis of the fluorescence impurity quenching kinetics was used to determine the local structure of neodymium ions optical centers in an artificial analogue of bone tissue - tri-calcium phosphate microceramics. The results of the thesis can be used to expand the functions and improve fluorescence materials, doped with RE ions, in particular, for various biomedical applications.