Generatie van reactieve zuurstofsoorten in waterige oplossingen die GdVO4:Eu3+ nanodeeltjes en hun complexen met methyleenblauw bevatten

Abstract

In deze brief rapporteren we de studie van vrije radicalen en de vorming van reactieve zuurstofsoorten (ROS) in wateroplossingen die gadoliniumorthovanadaat GdVO₄ bevatten :Eu³⁺ nanodeeltjes (VNP's) en hun complexen met methyleenblauw (MB) fotosensitizer. De katalytische activiteit werd bestudeerd onder UV-Vis- en röntgenbestraling met drie methoden (geconjugeerde diënentest, OH-radicaal en singlet-zuurstofdetectie). Er is aangetoond dat de VNP's-MB-complexen een hoge efficiëntie van ROS-generatie onder UV-Vis-straling laten zien, geassocieerd met zowel hoge efficiëntie van OH-radicalengeneratie door VNP's als singlet-zuurstofgeneratie door MB als gevolg van niet-stralingsexcitatie-energieoverdracht van VNP's naar MB-moleculen . In tegenstelling tot dat bij röntgenbestraling, de sterke OH^. radicalen wegvangen door VNP's is waargenomen.

Achtergrond

Bestralingstherapie (RT) blijft een belangrijk onderdeel van de kankerbehandeling, waarbij ongeveer 50% van alle kankerpatiënten RT krijgt tijdens hun ziekteverloop [1,2,3]. Het exacte mechanisme van celdood als gevolg van straling is nog een gebied van actief onderzoek. Dubbelstrengs breuken van nucleair DNA worden beschouwd als het belangrijkste cellulaire effect van straling, wat leidt tot onomkeerbaar verlies van de reproductieve integriteit van de cel en uiteindelijke celdood [4]. Dergelijke stralingsschade kan worden veroorzaakt door (i) directe ionisatie en (ii) indirecte ionisatie via vrije radicalen en reactieve zuurstofsoorten (ROS), chemisch reactieve soorten die zuurstof bevatten, gevormd door de radiolyse van cellulaire water- en zuurstofmoleculen [2,3, 4]. In klinische therapie is schade gewoonlijk indirect ioniserend. Tijdens het proces verliest water een elektron en wordt het zeer reactief. Vervolgens wordt water via een kettingreactie in drie stappen achtereenvolgens omgezet in een aantal radicalen en moleculaire producten:gehydrateerde elektronen ($ {e}_{aq}^{-}\Big) $, waterstofatoom( H ^∙ ), hydroxylradicaal OH·, hydroperoxylradicaal ($ {HO}_2^{.}\Big) $, waterstofperoxide (H₂ O₂ ), en waterstofmoleculen (H₂ ) [5, 6]. Gehydrateerde elektronen en waterstofatomen zijn sterke reductiemiddelen. Daarentegen zijn hydroxylradicalen zeer sterke oxidatieve soorten en verwijderen ze onmiddellijk elektronen van elk molecuul op zijn pad, waardoor dat molecuul in een vrije radicaal verandert en zo een kettingreactie teweegbrengt [5]. Wanneer opgeloste moleculaire zuurstof wordt aangeboden in bestraald water, produceert de reductie ervan een superoxide-radicaal ($ {O}_2^{.-} $) en is het de voorloper van de meeste andere ROS, waaronder singlet-zuurstof (¹ O₂ ) [7].

Onlangs is aangetoond dat nanodeeltjes (NP's) [8,9,10,11], halfgeleider-NP's (metaaloxide TiO₂ ZnO, CuO, CeO₂ , Al₂ O₃; quantum dots ZnS, ZnS, LaF₃ , enz.) [8, 12,13,14] en sommige anorganische NP's (koolstofnanobuisjes) [15, 16] verbeteren de efficiëntie van RT. De theoretische principes van de interactie tussen röntgenstraling en NP zijn goed beschreven [8, 12, 14]. Een cascade-interactie van hoogenergetische fotonen met het NP-rooster vindt voornamelijk plaats via het foto-elektrische effect en het Compton-verstrooiingseffect. Compton-, Photo- of Auger-elektronen kunnen de emissie van secundaire elektronen induceren, die kunnen ontsnappen naar de omgeving en zullen worden opgevangen door een acceptor (dwz water, biomolecuul, zuurstof, stikstofoxiden) gelokaliseerd nabij het oppervlak van NP's en induceren biomoleculaire radicalen en ROS-productie [8, 12, 14]. Radiosensibiliserende effecten van NP's worden geassocieerd met biomoleculaire radicalen en ROS-generatie als een laatste fase van röntgeninteractie met NP's. In halfgeleider-NP's, zoals metaaloxide-NP's, kan het cytotoxische effect geassocieerd met ROS-generatie ook worden geïnduceerd door UV-straling [17,18,19,20]. Het mechanisme is dat wanneer NP's worden bestraald met UV-licht (energie groter dan de bandafstand), de ladingsscheiding wordt geïnduceerd waardoor een gat ontstaat (h⁺ ) in de volantband en een elektron (e⁻ ) in de dirigerende band. Elektronen en gaten vertonen respectievelijk een hoog reducerend en oxiderend vermogen [18]. De elektronen kunnen reageren met moleculaire zuurstof om via een reductieproces een superoxideradicaal ($ {O}_2^{\cdotp -} $) te produceren, terwijl de gaten elektronen uit water en/of hydroxylionen kunnen onttrekken en hydroxylradicalen (OH ·) door een oxidatief proces [18,19,20]. Voor TiO₂ , CeO₂ , Al₂ O₃ , en ZnO-nanodeeltjes, de ¹ O₂ generatie via de oxidatie van $ {O}_2^{\cdotp -} $ werd gerapporteerd [18, 21, 22].

Nog een benadering om de efficiëntie van kankertherapie (fotodynamische therapie, PDT) te verbeteren met behulp van sprankelende NP's werd voorgesteld door Chen en Zhang [23]. Deze benadering combineert door röntgenstraling geëxciteerde (scintillerende) NP's en fotosensitizer (PS) moleculen. Sprankelende NP's dienen als een energietransducer die energie overbrengt die is geoogst van röntgenstraling naar de PS die singlet-zuurstof genereert voor tumorvernietiging. Deze benadering maakt diepe kankerbehandeling mogelijk en verbetert zowel PDT als RT. Tot nu toe is een verscheidenheid aan scintillatie-NP's en hun complexen met PS bestudeerd als door röntgenstraling induceerbare fotodynamische middelen [12, 14, 23,24,25,26,27,28].

Onlangs hebben we gerapporteerd over de vorming van complexen op basis van sprankelende gadoliniumorthovanadaat-NP's gedoteerd met europiumionen GdVO₄ :Eu³⁺ (VNP's) en methyleenblauw (MB) fotosensitizer en studie van elektronische excitatie-energieoverdracht in de complexen [29]. Er werd aangetoond dat vanwege de effectieve conversie van excitatie-energie in de complexen, ze prospectief zouden kunnen zijn als een door röntgenstraling induceerbaar fotodynamisch middel. Het doel van dit artikel was om de efficiëntie van ROS-generatie te bestuderen in wateroplossingen die VNP's en hun complexen met MB bevatten onder UV- en röntgenstraling.

Experimenteel

Chemische stoffen

Gadoliniumchloride GdCl₃ ·6H₂ O (99,9%), europiumchloride EuCl₃ ·6H₂ O (99,9%), dinatrium-EDTA·2Na (99,8%) en watervrij natriummetavanadaat NaVO₃ (96%) werden verkregen van Acros organic (VS) en werden allemaal zonder verdere zuivering gebruikt. Natriumhydroxide NaOH (99%) werd gekocht bij Macrohim (Oekraïne). Natriumorthovanadaat Na₃ VO₄ oplossing werd verkregen door toevoeging van een 1 M oplossing van NaOH in waterige oplossing NaVO₃ tot pH = 13 L-a-fosfatidylcholine (PC) uit eigeel, kationische kleurstof 3,7-bis(dimethylamino)fenazathioniumchloride (methyleenblauw (MB), M_w = 373,90 g/mol), 1,2-benzopyron (coumarine, M_w =-146,14 g/mol) werden gekocht bij Sigma-Aldrich (VS) en gebruikt zoals ontvangen. Antraceen-9,10-dipropionzuur dinatriumzout (ADPA, M_w = 366.32 g/mol) werd verkregen uit de kleurstofverzameling van Dr. Igor Borovoy (Institute for Scintillation Materials, NAS of Ukraine) met de zuiverheid gecontroleerd door dunnelaagchromatografie. Alle andere chemicaliën waren van analytische kwaliteit.

Synthese van GdVO₄ :Eu³⁺ colloïdale oplossingen

Waterige colloïdale oplossingen van gadoliniumorthovanadaat-nanodeeltjes gedoteerd met europiumionen Gd_0.9 Eu_0.1 VO₄ (GdVO₄ :Eu³⁺ ) werden gesynthetiseerd volgens de eerder gerapporteerde methode [30]. Eerst werd 0,4 ml waterige oplossing van gadoliniumchloride (1 M) gemengd met 0,05 ml europiumchloride (1 M) en vervolgens werd 49,55 ml dubbel gedestilleerd water aan het mengsel toegevoegd. Vervolgens werd de verkregen oplossing gemengd met 37,5 ml dinatrium-EDTA-oplossing (0,01 M). Daarna 37,5 ml Na₃ VO₄ (0,01 M) werd druppelsgewijs gestroomd (рН = 10,5). Het mengsel werd intensief geroerd met behulp van een magnetische roerder en verwarmd op een waterbad onder een terugvloeikoeler gedurende 24 uur bij 100 ° C. Verkregen kleurloze transparante oplossing verstrooit licht onder de zijverlichting (de Tyndall-kegel). Vervolgens werd de oplossing afgekoeld en 24 uur tegen water gedialyseerd om de overmaat aan ionen te verwijderen. Voor dit doel werd de verkregen oplossing gesponnen in een dialysezak (Cellu Sep T2, membraan met een molecuulgewichtgrens van 12 KDa, poriegrootte ~ -2,5 nm) en in een glas van 2 L met gedestilleerd water geplaatst. Na elke 6 uur werd het water ververst.

Instrumentatie en karakterisering

Gesynthetiseerde VNP's werden gekarakteriseerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM-125 K elektronenmicroscoop, Selmi, Oekraïne) en dynamische lichtverstrooiingsmethode (ZetaPALS-analysator, Brookhaven Instruments Corp., VS). Absorptiespectra werden gemeten met behulp van een Speccord 200-spectrometer (Analytik Jena, VS). Fluorescentie- en fluorescentie-excitatiespectra werden genomen met een spectrofluorimeter Lumina (Thermo Scientific, VS).

Voorbereiding van VNP's–MB-complexen

Oplossingen voor onderzoek werden als volgt bereid. Eerst werden voorraadoplossingen van MB in water (1 mmol/L) bereid. Om VNP's-MB waterige oplossingen te verkrijgen, werd de vereiste hoeveelheid van de kleurstofvoorraadoplossing en VNP's waterige oplossing toegevoegd in een kolf en zorgvuldig geroerd met behulp van een roterende verdamper (Rotavapor R-3, Buchi) gedurende 1 uur tot een volledige verdamping van chloroform. Vervolgens werd 1 ml van een VNPs-waterige oplossing toegevoegd in een kolf en gedurende 1 uur zachtjes geschud voor de vorming van VNPs-MB-complex. De concentratie MB in de verkregen oplossing was 10 mol/L. De concentraties van nanodeeltjes waren 0,1, 1 of 10 mg/ml.

Detectie van actieve zuurstof en vrije radicalen

De vorming van ROS onder UV/röntgenstraling van waterige oplossingen die VNP's, MB of VNPs-MB-complexen bevatten, werd spectroscopisch gedetecteerd met behulp van verschillende methoden.

Geconjugeerde diënenvormingstest

Lipideoxidatie onder UV-bestraling werd gemeten met behulp van PC-liposomensuspensie. Unilamellaire PC-lipidevesikels werden bereid met de extrusiemethode [31]. In het kort werd een geschikte hoeveelheid PC (25 mg / ml) in chloroform in een kolf gedaan en gedroogd tot volledige chloroformverdamping met behulp van een roterende verdamper (Rotavapor R-3, Buchi). De dunne lipide-kleurstoffilm werd vervolgens gehydrateerd met 10,8 ml dubbel gedestilleerd water. De verkregen lipidesuspensie werd uiteindelijk geëxtrudeerd door een polycarbonaatfilter met een poriegrootte van 100 nm met behulp van een mini-extruder (Avanti Polar Lipids, Inc., VS). De concentratie PC was 1,2 mmol/L. Voor de vormingstest van geconjugeerde dienen, werd 1 ml van de PC-liposoomsuspensie gemengd met 1 ml VNPs-wateroplossing (MB-wateroplossing of VNPs-MB-wateroplossing). De uiteindelijke MB-concentratie was 10 mol/L en VNP's 1 g/L. De PC-concentratie in de oplossingen was 0,6 mmol/L. De verkregen waterige oplossingen werden in kwartscuvetten (10 × 10 mm) geplaatst en bestraald met een 250 W kwiklamp (banddoorlaat l = 310–400 nm, lichtstroom was 43 W/cm² ) gedurende 30 minuten. Vervolgens werd de absorptie van de suspensies geregistreerd bij 234 nm (maximaal geconjugeerde dienen) met behulp van een Speccord 200-spectrofotometer (Analytik Jena, Duitsland). De concentratie van geconjugeerde dienen gevormd in water zonder toevoegingen (NP's, MB of VNP's-MB-complexen) werd als controle genomen. Elk experimenteel punt was de gemiddelde waarde van ten minste drie onafhankelijke tests. Statistische verwerking werd uitgevoerd met behulp van het softwarepakket Statistika v. 5.0 (StatSoft, VS).

OH· detectie van radicalen

Om de vorming van hydroxylradicaal in de oplossing onder UV-straling te detecteren, werd cumarine gebruikt als een sondemolecuul. Coumarine reageert met OH·-radicalen en produceert zeer fluorescerend 7-hydroxycoumarine [32, 33]. De experimentele procedure was als volgt. Waterige cumarineoplossing (0,1 mmol/L) werd gemengd met MB (10 μmol/L), VNP's (0,1, 1 of 10 g/L) of VNPs-MB waterige oplossingen. De verkregen waterige oplossingen werden in kwartscuvetten (10 × 10 mm) geplaatst en bestraald met He-Cd-laser λ _exc = 325 nm gedurende 1 uur. In het geval van röntgenbestraling werd de cuvet van bovenaf (vanaf het open gedeelte) bestraald met een röntgenfoto met behulp van ISOVOLT 160 Titan E-apparatuur met een wolfraamkathode gedurende 30 minuten. De spanning op de buis was 30 kV (20 mA). De afstand van de röntgenbuis tot de bestraalde monsters was 25 cm. De fluorescentiespectra (geëxciteerd bij 325 nm) van de oplossingen werden geregistreerd met een spectrofluorimeter Lumina (Thermo Scientific, VS). De relatieve intensiteit van 7-hydroxycoumarine-fluorescentie werd geanalyseerd.

Singlet zuurstofdetectie

¹ O₂ productie in de oplossingen die VNP's, MB of VNP's-MB-complexen bevatten, werd geanalyseerd op de evaluatie van ADPA-fluorescentiespectra [34, 35]. De metingen zijn uitgevoerd in kwartscuvetten (10 × 10 mm). ADPA-waterige oplossing (10 mol / L) werd gemengd met MB (10 μmol / L), NP's (1 g / L) of VNP's-MB waterige oplossingen in cuvetten. De oplossingen werden bestraald bij 457 nm met behulp van High Stability Blue Solid State Laser MBL-457, 50 mW (Changchun New Industries Optoelectronics Tech. Co., Ltd.). De fluorescentie-emissie van ADPA geëxciteerd bij 378 nm werd verzameld op verschillende tijdschalen (0, 10, 20, 30, 40 en 60 min) met behulp van een spectrofluorimeter Lumina (Thermo Scientific, VS).

Resultaten en discussies

Kenmerk van gesynthetiseerde VNP's

Afbeelding 1a en Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 tonen de TEM-afbeeldingen van gesynthetiseerde VNP's met een zijdistributiehistogram en een XRD-patroon, die de GdVO₄ ondersteunen :Eu³⁺ NP's kristallijne structuur. Gesynthetiseerde GdVO₄ :Eu³⁺ NP's hebben een spilachtige vorm met een grootte van 8 × 25 nm ± 5 nm en een tetragonale fasestructuur van het zirkoontype. De negatieve lading van het NPs-oppervlak (ζ-potentiaal is − 18,75 ± 0,15 mV, pH = 7,8) is te wijten aan carboxylaatgroepen van dinatrium-EDTA-stabilisator die tijdens de synthese zijn gebruikt. De overmaat hydrodynamische diameter van GdVO₄ :Eu³⁺ nanodeeltjes is 44,0 ± 0,3 nm. Het absorptiespectrum van GdVO₄ :Eu³⁺ NP's vertegenwoordigen de intense brede band in het spectrale bereik van 250-350 nm die overeenkomt met een ladingsoverdracht van zuurstofliganden naar het vanadiumatoom in de groep $ {VO}_4^{3-} $ (Fig. 1b) [36 ]. Doping GdVO₄ NP's met Eu³⁺ ionen geven sterke fluorescentie aan VNP's in het rode spectrale bereik, dat wordt bepaald door de overgang binnen de f-elektronenconfiguratie van de europium-ionen [37] (zal in dit artikel niet worden besproken).

TEM-afbeelding (a ), absorptiespectrum (b ), en energieafhankelijkheid van (αhv )² (c ) van GdVO₄ :Eu³⁺ nanodeeltjes

Het is bekend dat de grootte van NP's de optische energiekloof in halfgeleidermaterialen beïnvloedt. De band gap-energie, E _g , kan worden geschat op basis van de absorptierandgolflengte van de interbandovergang volgens de relatie van Tauc [38]:

$$ {\left(a\mathrm{hv}\right)}^{\left(1/n\right)}=A\cdot \left(\mathrm{hv}-{E}_g\right), $ $ (1)

waarbij a de absorptiecoëfficiënt is, hv de invallende fotonenergie is, A is de energie-onafhankelijke constante (de parameter band tailing), en n is de constante (vermogensfactor van de overgangsmodus), die afhangt van de materiële aard (kristallijn of amorf). De waarde van n geeft de aard van de overgang aan, n = 1/2 voor direct toegestane overgangen, n = 3/2 voor direct verboden overgangen, n = 2 voor indirect toegestane overgangen, en n = 3 voor indirecte verboden overgang [39]. GdVO₄ is een direct gap halfgeleider, waarvoor n = 1/2 [40] Dus, Vgl. (1) kan worden herschreven als:

$$ {\left(\alpha \mathrm{hv}\right)}^2=A\cdot \left(\mathrm{hv}-{E}_g\right) $$ (2)

Absorptiecoëfficiënt (a ) wordt berekend op basis van absorptie als a = 2.303D /l , waar D is absorptie en l is de optische padlengte.

Figuur 1c geeft de energieafhankelijkheid weer van (a hv)² voor gesynthetiseerde GdVO₄ :Eu³⁺ nanodeeltjes. De band gap-waarde E _g werd bepaald door extrapolatie van het lineaire deel van de (a hv)² kromme versus de fotonenergie hv tot nul. De verkregen waarde E _g = 4.13 eV is hoger dan gerapporteerd voor GdVO₄ :Eu³⁺ poeders met kristallietgrootte variërend van 14,4 tot 43 nm (3,56-3,72 eV) [41, 42]. We veronderstellen dat het te wijten kan zijn aan het verschil in gebruikte synthesemethoden die in ons geval kleinere NP's geven met een smalle en blauw verschoven absorptieband in vergelijking met die verkregen door de hydrothermale of Pechini's methoden.

Foto-geïnduceerde vorming van vrije radicalen (geconjugeerde dienes-test)

Het is algemeen aanvaard dat boomtypes van ROS ($ \mathrm{OH}\cdotp, {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -} $, en ¹ O₂ ) genereren in NP-systemen onder UV-straling dragen bij aan de belangrijkste oxidatieve stress in biologische systemen [43, 44]. Hoewel fotokatalytische activiteit van metaaloxide-NP's als TiO₂ , ZnO, CuO, CeO₂ , Al₂ O₃ , en Fe₂ O₃ is goed beschreven [17,18,19,20], er is weinig onderzoek gedaan naar de fotokatalytische activiteit van ReVO₄ NP's [45,46,47,48]. Er werd aangetoond dat ReVO₄ NP's zijn effectief in de fotokatalytische vernietiging van organische verontreinigende stoffen. Er is echter geen onderzoek gedaan naar de soorten ROS die worden gegenereerd door ReVO₄ NP's onder UV-straling.

Om de biologische omgeving na te bootsen, gebruikten we PC-liposoomsuspensie en detecteerden we de vorming van vrije radicalen onder UV-straling in de suspensies die MB-, VNP's of VNP's-MB-complexen bevatten op lipide-oxidatie (geconjugeerde diënenvormingstest) [49,50,51]. Lipideoxidatie door moleculaire zuurstof via radicale kettingreacties kan worden geïnitieerd door ioniserende straling wanneer ROS en vrije radicalen in het systeem verschijnen [43, 44]. Radicale kettingreacties waarbij meervoudig onverzadigde vetzuren betrokken zijn, veroorzaken een herschikking van de dubbele bindingen die leiden tot geconjugeerde dienen. De resulterende geconjugeerde dienen vertonen een absorptieband bij 234 nm die fotometrisch kan worden gedetecteerd. Figuur 2 toont relatieve concentraties van geconjugeerde dienen gevormd in lipidesuspensies die MB-, VNP's of VNP's-MB-complexen bevatten. Men kon zien dat in alle oplossingen de concentratie van geconjugeerde dienen toeneemt in vergelijking met de zuivere PC-liposoomsuspensie. De efficiëntie van dit proces verschilt echter. Methyleenblauw is een van de conventionele fotosensibiliserende moleculen met de belangrijkste absorptiemaxima λ _max = 665 nm en een minder intense absorptieband in het UV-spectrale bereik (aanvullend bestand 1:figuur S2). Onder UV-bestraling van MB kunnen de twee belangrijkste fotochemische processen plaatsvinden [34, 52]. MB geëxciteerd door UV-licht ondergaat intersysteemoverschrijdingsproces (Q _p =0,54 [53]) naar de langlevende triplettoestand (³ MB^* ) en reageert met zuurstofmoleculen (³ O₂ ) singletzuurstof vormen (¹ O₂ ):

$$ {\mathrm{MB}}^{+}+ hv\to {}^3{\mathrm{MB}}^{+^{\ast }} $$ (3) $$ {}^3{\ mathrm{MB}}^{+^{\ast }}+{}^3{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{MB}}^{+}+{}^1{\mathrm{O }}_2 $$ (4)

Relatieve efficiëntie van de vorming van geconjugeerde dienen in lipidesuspensies:1 - zonder toevoegingen; 2 - met MB; 3 - met VNP's; 4 - met VNPs-MB-complexen

Het tweede fotochemische proces kan plaatsvinden bij hoge MB-concentraties. De MB-moleculen in de grondtoestand kunnen werken als reductiemiddelen door een elektron aan het MB-triplet te doneren en respectievelijk de semi-gereduceerde radicaal (MB·) en semi-gereduceerde radicaal te vormen (MB^{· 2+} ) [52]:

$$ {}^3{\mathrm{MB}}^{+^{\ast }}+{\mathrm{MB}}^{+}\to \mathrm{MB}\cdotp +{\mathrm{MB} }^{\cdotp 2+} $$ (5)

De oxidatie van MB· door moleculaire zuurstof die de kleurstof in de grondtoestand teruggeeft en leidt tot de vorming van superoxideradicaal ($ {O}_2^{\cdotp -} $):

$$ \mathrm{MB}\cdotp +^3{\mathrm{O}}_2\kern0.5em \to {\mathrm{MB}}^{+}+{O}_2^{\cdotp -} $$ (6)

Singlet-zuurstof- en superoxideradicalen, evenals MB-radicalen gevormd in Reacties (4)-(6) kunnen het lipide-oxidatieproces beïnvloeden. In verdunde oplossing waar geen MB-dimeervorming wordt waargenomen ([MB] <20 μM), zullen reacties (3) en (4) domineren [52]. In VNPs-MB-complexen als gevolg van verhoogde MB-concentratie binnen VNPs-oppervlak [29], kan het tweede fotochemische proces plaatsvinden. De toename van de vorming van geconjugeerd dieen in de lipidesuspensie die MB bevat, kan dus worden verklaard door de werking van MB als ¹ O₂ fotogenerator onder UV-straling. Opgemerkt moet worden dat de efficiëntie van dit proces veel kleiner is dan die onder MB-excitatie binnen een absorptiemaximum met lange golflengte.

In de suspensie met GdVO₄ :Eu³⁺ nanodeeltjes, lipide-oxidatie is effectiever. Dit effect kan worden toegeschreven aan het fotokatalytische gedrag van VNP's onder UV-straling. Geleidende bandelektronen (e⁻ ) en valentiebandgaten (h⁺ ) gevormd onder UV-straling (E> E _g ) kan interageren met moleculaire zuurstof- en watermoleculen die zijn geadsorbeerd op het oppervlak van NP's door de volgende reacties [18, 20, 47]:

$$ {}^3{\mathrm{O}}_2+{e}^{-}\to \kern0.5em {\mathrm{O}}_2^{.-} $$ (7) $$ {\mathrm {H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{h}}^{+}\naar \mathrm{OH}\cdot $$ (8)

Hydroxyl-ionen gevormd tijdens fotolyse van water en geadsorbeerd op het oppervlak van NP's kunnen ook interageren met gaten om hydroxylradicalen te produceren:

$$ {\mathrm{OH}}^{-}+{\mathrm{h}}^{+}\naar \mathrm{OH}\cdot $$ (9)

Bovendien produceert de oxidatie van $ {O}_2^{\cdotp -} $ singletzuurstof [18, 21, 22]:

$$ {\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+{\mathrm{h}}^{+}{\to}^1{\mathrm{O}}_2 $$ (10)

Zijn reactie met waterstofionen leidt tot vorming van waterstofperoxide:

$$ 2{\mathrm{O}}_2^{\cdotp -}+2{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2 $$ (11)

als gevolg van de interactie met elektronen kunnen hydroxylradicalen en hydroxylionen worden gevormd:

$$ {\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{e}}^{-}\to \mathrm{OH}\cdot +{\mathrm{O}\mathrm{H} }^{-} $$ (12)

De toename van de efficiëntie van de concentratie van geconjugeerde dienen in een suspensie die VNP's bevat (Fig. 2, kolom 3) kan worden toegeschreven aan de producten die via Reacties (7)-(12) worden gegenereerd en de oxidatie van lipiden vergemakkelijken.

In de lipidesuspensie die complexen VNP's-MB bevat, kunnen de hoogste geconjugeerde diënenconcentraties worden verklaard door producten die zijn gegenereerd via zowel reacties (3)-(6) als reactie (7)-(12) (Fig. 2, kolom 4). Bovendien zou in VNP's-MB-complexen in Reactie (3) en (4) singlet-zuurstofgeneratie kunnen plaatsvinden, zowel door directe MB-excitatie als door niet-stralingsexcitatie-energieoverdracht van VNP's naar MB, die vrij effectief is in deze samenstelling [29].

Hydroxyradicaaldetectie

De volgende stap was om de efficiëntie van OH· en ¹ . nauwkeuriger te onderzoeken O₂ generatie in de oplossingen onder UV/X-ray bestraling. Cumarine werd gebruikt als een sondemolecuul om het verschijnen van hydroxylradicalen in de beschouwde oplossingen te valideren. Het is bekend dat OH·-radicalen een van de belangrijkste producten zijn van de fotolyse/radiolyse van water onder UV-/röntgenstraling [5, 6]. In waterige oplossing interageren OH·-radicalen met cumarinemoleculen om het zeer fluorescerende product 7-hydroxycoumarine te vormen (zie schema in Fig. 3) dat spectroscopisch kan worden gedetecteerd door het verschijnen van een nieuwe band (λ _max ~ 460 nm) verschoven naar het spectrale gebied met lange golflengte ten opzichte van de coumarine-fluorescentieband (λ _max ~ 400 nm), Afb. 3 [32, 33]. Hoe hoger de concentratie van OH·-radicalen in de oplossing, des te effectiever is de oxidatie van cumarine en bijgevolg des te intenser de lange-golflengteband. Analyse van de relatieve intensiteit van de band met lange golflengte zou dus informatie kunnen verschaffen over de concentratie van OH·-radicalen in de oplossing onder invloed van verschillende factoren.

Reactie van cumarine met hydroxylradicaal om fluorescerend 7-hydroxycoumarine te vormen. Genormaliseerde fluorescentiespectra van cumarine-wateroplossing, λ _exc = 325 nm

De fluorescentie-emissiespectra van de cumarine-wateroplossing die MB-, VNP's of VNP's-MB-complexen bevat, gemeten na 1 uur UV-belichting, wordt weergegeven in Fig. 3. Er wordt aangetoond dat UV-bestraling van cumarinewateroplossing zonder enige toevoegingen (controle) provoceert een vorming van een nieuwe fluorescentieband met lange golflengte die de vorming van OH-radicalen en cumarine-oxidatie aangeeft (Fig. 3). In aanwezigheid van MB-moleculen in de oplossing verandert de relatieve intensiteit van deze band niet, wat erop wijst dat MB geen extra effecten heeft op de vorming van OH-radicalen (Fig. 3). In de oplossing die VNP's bevat, neemt de intensiteit van de 7-hydroxycoumarineband opmerkelijk toe (Fig. 3) als gevolg van fotokatalytische activiteit van VNP's onder UV-straling, Reacties (8), (9) en (12). Merk op dat de scherpe pieken rond 535–540 nm behoren tot de europium-ionfluorescentie in GdVO₄ :Eu³⁺ nanodeeltjes (intraconfiguratie-overgangen). In de oplossing die VNP's-MB-complexen bevatte, was de relatieve intensiteit van de 7-hydroxycoumarineband ongeveer twee keer zo klein in vergelijking met die in de oplossing die VNP's bevatte, wat wijst op de minder effectieve productie van OH-radicalen (Fig. 3). Dat kan worden verklaard door het feit dat de MB-kleurstofadsorptie in het VNP-oppervlak de adsorptie van watermoleculen en hydroxylionen kan voorkomen en bijgevolg de fotokatalytische activiteit van VNPs met betrekking tot de vorming van OH-radicalen via Reacties (8) en (9) vermindert. Bovendien wordt in VNP's-MB-complexen een deel van de geadsorbeerde energie niet-stralings overgedragen naar MB-moleculen [29], wat ook de efficiëntie van de productie van elektron-gatparen vermindert en bijgevolg het vermogen van VNP's voor het genereren van OH-radicalen in dergelijke complexen.

Onverwachte resultaten werden waargenomen onder röntgenbestraling van de oplossingen die VNP's bevatten (Fig. 4). In tegenstelling tot het geval van UV-straling, zien we dat de relatieve intensiteit van de 7-hydroxycoumarineband afneemt in vergelijking met de cumarine-wateroplossing zonder nanodeeltjes, wat wijst op het wegvangen van OH-radicalen die in de oplossingen zijn gevormd als gevolg van radiolyse van water. Het waargenomen effect is sterk afhankelijk van de VNP-concentraties (Fig. 4). Opgemerkt moet worden dat de belangrijkste discussie over het vermogen van nanodeeltjes om als ROS-scavenger te dienen, voornamelijk is gericht op CeO₂ nanokristallen (nanoceria) [54,55,56,57]. De belangrijkste kenmerken die nanoceria dwingen als ROS-scavenger te werken, worden over het algemeen toegeschreven aan een hoog gehalte aan zuurstofvacatures en Ce³⁺ ionen in nanoceria en het schakelen tussen 3+ en 4+ oxidatietoestanden. De kritische afhankelijkheid van de biologische activiteit van nanoceria van de grootte en het zelfregeneratiemechanisme staat echter nog steeds ter discussie [54,55,56,57]. We merken ook op dat de beschermende effecten van GdVO₄ :Eu³⁺ en CeO₂ NP's tegen door röntgenstraling veroorzaakte schade werden in onze groep eerder in vivo-experimenten waargenomen [57]. Voor zover wij weten, is het vermogen van GdVO₄ :Eu³⁺ nanodeeltjes om OH·-radicalen weg te vegen die in de wateroplossing worden gegenereerd onder röntgenstraling is voor het eerst waargenomen en vereist verder diepgaander onderzoek.

Genormaliseerde fluorescentiespectra van cumarine-wateroplossing met verschillende VNP-concentraties geregistreerd na 30 min röntgenbestraling

Singlet zuurstofgeneratie

Om de efficiëntie van VNP's–MB-complexen van ¹ . te evalueren O₂ generatie in water, gebruiken we de methode-gebaseerde ADPA-oxidatie door singlet-zuurstof met een vorming van niet-fluorescerend endoperoxide ADPAO₂ (Afb. 5). Dus in de aanwezigheid van singlet-zuurstof wordt de ADPA-fluorescentie onomkeerbaar gedoofd. We moeten opmerken dat ADPA-moleculen onder UV-straling een sterke fotobleking ondergaan die de identificatie van MB-, VNP's of VNP's-MB-complexen-impact geassocieerd met de ¹ bemoeilijkt. O₂ generatie. Om dit nadeel te verhelpen, passen we laserbestraling toe bij 457 nm, wat overeenkomt met een van de excitatiepieken van Eu³⁺ ionen gedoteerd in GdVO₄ nanokristallen (Extra bestand 1:Figuur S3). Figuur 5 laat zien dat de ADPA-moleculen geen fotochemische reacties ondergaan bij de bestraling van 457 nm licht. In de oplossing die MB bevatte, kon een lichte afname van de ADPA-intensiteit in de tijd worden waargenomen (Fig. 5) die gepaard gaat met lichte MB-excitatie bij deze golflengte en actie als fotosensibilisator volgens Reactie (3) en (4). Hetzelfde effect wordt waargenomen voor de oplossing die VNP's bevat (Fig. 5) en kan worden toegeschreven aan de vorming van $ {O}_2^{\cdotp -} $ radicalen op het oppervlak van VNP's (Reactie (7)) gevolgd door de oxidatie ervan volgens Reactie (10) met vorming van singletzuurstof. De sterkere ADPA-fluorescentie-uitdoving wordt waargenomen in VNPs-MB-complexen. De efficiëntie van dit proces is twee keer zo hoog als in de oplossing met MB of VNP's. De hogere efficiëntie van singlet-zuurstofgeneratie in de oplossing die VNP's-MB-complexen bevat, wordt geassocieerd met de energieoverdracht van VNP's naar de MB in de complexen, waarin VNP's dienen als energietransducer voor MB-fotosensitizer.

Reaction of ADPA with singlet oxygen to form endoperoxide ADPAO₂ . ADPA photobleaching after irradiation with λ = 457 nm in water solutions

Unfortunately, due to ADPA sensor instability, we were not successful to measure the efficiency of the ¹ O₂ generation in water solution under X-ray excitation.

Conclusies

The efficiency of ROS generation in water solutions containing GdVO₄ :Eu³⁺ nanoparticles and their complexes with MB have been analyzed under UV-Vis and X-ray irradiation by three methods (conjugated dienes test, OH· radical, and singlet oxygen detection). Complexes VNPs–MB reveal high efficiency of ROS generation under UV-Vis irradiation associated with both high efficiency of OH· radicals generation by VNPs and ¹ O₂ generation by MB due to nonradiative excitation energy transfer from VNPs to MB molecules. For the first time, the strong OH· radicals scavenging by VNPs has been observed under X-ray irradiation. Our observation indicates that VNPs–MB complexes can be potentially used to activate photodynamic therapy.