Langdurige nabij-infrarood persistente luminescente nanopartikelen geco-doopt met Cr³⁺/Eu³⁺ voor geavanceerde celbeeldvorming

Samenvatting

Nabij-infrarood (NIR)-emitterende persistente luminescente nanopartikelen zijn ontwikkeld als potentiële agenten voor bio-imaging. Het synthetiseren van uniforme nanopartikelen met lange nagloe voor langdurige imaging blijft echter een uitdaging. Hier demonstreren we de synthese van spinel-gestructureerde Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺ (ZGGO:Cr³⁺) en Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Eu³⁺ (ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺) nanopartikelen via een sol-gel-methode in combinatie met een daaropvolgende reductie-atmosfeervrije calcinatie. De monsters werden onderzocht via gedetailleerde karakterisaties door gecombineerde technieken van XRD, TEM, STEM, geselecteerde-gebied-elektrondiffractie, fotoluminescentie-opwekking (PLE)/fotoluminescentie (PL) spectroscopie, en temperatuur-afhankelijke PL-analyse. De einkristallijne nanopartikelen zijn homogene vaste oplossingen, bezittend een uniforme kubieke vorm en laterale grootte van ~80–100 nm. Bij UV-opwekking bij 273 nm, vertoonde ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ een NIR-emissieband bij 697 nm (²E → ⁴A₂ overgang van vervormde Cr³⁺ ionen in gallogermanaat), in de afwezigheid van Eu³⁺-emissie. NIR persistente luminesentie van het monster kan langer dan 7200 s duren en nog steeds intense intensiteit behouden. Eu³⁺-incorporatie verhoogde de persistente luminescentie-intensiteit en de nagloetijd van ZGGO:Cr³⁺, maar beïnvloedde de thermische stabiliteit niet significant. De verkregen ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ nanopartikelen bezaten een uitstekende beeldvormingscapaciteit voor cellen in vitro.

Achtergrond

Persistente luminescente materialen kunnen langdurig emitteren, tot uren na het stoppen van opwekking [1]. Voornamelijk door hun grote onderzoeksbelang zijn de phosphoren gecommercialiseerd als nacht- of donkere-omgevingsvisie-materialen voor een breed scala aan toepassingen zoals veiligheidstekens, noodroutetekens, identificatiemarkers of medische diagnostiek [2]. De typische langdurige phosphoren zijn de gecommercialiseerde primaire kleurenemitterende, zoals de rode Y₂O₂S:Eu³⁺,Mg²⁺,Ti⁴⁺ of CaS:Eu²⁺,Tm³⁺,Ce³⁺ [3, 4], de groene SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺ of MgAl₂O₄:Mn²⁺ [5, 6], en de blauwe CaAl₂O₄:Eu²⁺,Nd³⁺ of SrMgSi₂O₆:Eu²⁺,Dy³⁺ [7, 8] phosphoren. Hoewel veel successen zijn geboekt in zichtbare persistente phosphoren, is het onderzoek en de ontwikkeling van persistente phosphoren in het nabij-infrarood (NIR) gebied (~700–2500 nm) onvoldoende. In recente jaren hebben de potentiële toepassingen van persistente phosphoren met rode of NIR-luminesentie zich uitgebreid van nachtvisie-veiligheidstekens tot in-vivo-beeldvormingssystemen [1, 9, 10].

Persistente luminescente materialen met gehechte fotosensitisers als in-vivo-agenten werden voor het eerst geprobeerd door Chen en Zhang voor fotodynamische therapie [11]. Vervolgens rapporteerde Scherman et al. een mijlpaalwerk over in-vivo-bio-imaging met de NIR-emitterende fosfor van Ca₀,₂Zn₀,₉Mg₀,₉Si₂O₆:Eu²⁺,Mn²⁺,Dy³⁺ [12]. Kort daarna zijn twee nieuwe NIR-emitterende phosphoren van CaMgSi₂O₆:Eu²⁺,Mn²⁺,Pr³⁺ en Ca₂Si₅N₈:Eu²⁺,Tm³⁺ met verbeterde prestaties ontwikkeld door dezelfde groep [13, 14]. Recentelijk zijn Cr³⁺-gedopte gallaat-persistente phosphoren met NIR-emissie en lange nagloe, inclusief spinel ZnGa₂O₄:Cr³⁺ en hun varianten, zoals Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺, Zn₃Ga₂GeO₈:Cr³⁺,Yb³⁺,Er³⁺, en ZnGa₂₋ₓ(Ge/Sn)ₓO₄:Cr³⁺, bereid via een vastestofmethode [1, 9, 10, 15,16,17,18,19,20,21]. De keramische-schijfmonsters vertoonden nagloetijd tot 360 u in het NIR-gebied, maar de bulky materialen zijn ongeschikt voor in-vivo-bio-imaging. NIR-emitterende langdurige luminescente nanopartikelen van ZnGa₂O₄:Cr³⁺ [22, 23], ZnGa₂O₄:Cr³⁺,Sn⁴⁺ [19,20,21], en Zn₂,₉₄Ga₁,₉₆Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Pr³⁺ [9] werden gesynthetiseerd via een sol-gel-methode in combinatie met een daaropvolgende reductie-atmosfeervrije calcinatie. De persistente luminesentie van de nanoparticelpoeder vertoont heldere NIR-luminesentie in het biologische-transparantie-venster met een superlange nagloetijd. PEGylatie verbetert de bio-compatibiliteit en wateroplosbaarheid van de nanopartikelen sterk, wat groot potentieel biedt voor langdurige in-vivo-bio-imagingtoepassingen met hoge SNR zonder de noodzaak voor in-situ-opwekking. Er wordt aangenomen dat ionen geselecteerd uit een groep bestaande uit aardalkalione, lanthanide-ionen en Li⁺ co-doping met Cr³⁺ in zinkgallaat en zinkgallogermanaat opmerkelijke NIR-persistente luminesentie zouden opleveren [1]. Eu³⁺ in oxide-gasten toont altijd een rode emissie bij ~700 nm voortkomend uit de ⁵D₀-⁷F₄ intra-4f elektronische overgang bij korte UV-opwekking in de ladingsoverdrachtsband (CT) bij 250 nm [24]. Aan de andere kant is Cr³⁺ een gunstig luminesencent centrum in vastestoffen vanwege zijn smalle-bandemissies (meestal bij 700 nm) door de spin-verboden ²E-⁴A₂ overgang, of een breedbandemissie (650–1600 nm) door de spin-toegelaten ⁴T₂-⁴A₂ overgang [1, 20]. In het licht hiervan zouden Cr³⁺/Eu³⁺ co-gedopte zinkgallaat en zinkgallogermanaat intense NIR-persistente luminesentie opleveren, omdat de ladingsoverdrachtsband (CTB) van O²⁻-Eu³⁺ overlappt met de CTB van O²⁻-Ga³⁺, en de emissie bij ~700 nm van ⁵D₀-⁷F₄ overgang van Eu³⁺ overlappt met die van ²E-⁴A₂ overgang van Cr³⁺. Bovendien kunnen Eu³⁺-ionen die Ga³⁺-ionen in vervormde octahedrale plaatsen substitueren, geschikte gast-kristalveldsterkte rond Cr³⁺-ionen opleveren, wat de NIR-emissie beïnvloedt. In dit werk werden Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀:Cr³⁺,Eu³⁺ (aangeduid als ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺) nanopartikelen gesynthetiseerd via een sol-gel-methode in combinatie met een daaropvolgende reductie-atmosfeervrije calcinatie, die gebruikt zouden worden als veelbelovende nanoprobes voor toekomstige bio-imaging. De monsters werden onderzocht via gedetailleerde karakterisaties door gecombineerde technieken van röntgendiffractometrie (XRD), transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), STEM, geselecteerde-gebied-elektrondiffractie (SAED), fotoluminescentie-opwekking (PLE)/fotoluminescentie (PL) spectroscopie, en temperatuur-afhankelijke PL-analyse. In de volgende secties rapporteren we de synthese, karakterisatie en toepassing van de ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ nanopartikelen.

Experiment

Synthese

De startmetaalbronnen zijn Zn(NO₃)₂·6H₂O, Cr(NO₃)₃·9H₂O, Ga₂O₃, Eu₂O₃ en GeO₂, allen 99,99% zuivere producten aangeschaft bij Sinopharm (Shanghai, China). De overige reagenten zijn analytische graad en aangeschaft bij Shenyang Chemische Reagentenfabriek (Shenyang, China). Zn(NO₃)₂·6H₂O en Cr(NO₃)₃·9H₂O werden opgelost in gedemineraliseerd water. Ga₂O₃ en Eu₂O₃ werden opgelost in salpeterzuuroplossing. GeO₂ en ethylenediaminetetraacetzijn (EDTA) werden opgelost in uitgezaagd ammoniumhydroxide. Aan de mengseloplossing werd EDTA-oplossing langzaam toegevoegd zonder enige neerslag, en de molaire verhouding van totale metaalionen tot EDTA werd gehandhaafd op 1:2. De atomaire molaire verhouding van Zn:Ga:Ge:Cr:Eu was vastgesteld op 3:1,984:2:0,01:0,006. De finale oplossing werd vigoreus geroerd bij kamertemperatuur gedurende 1 u, daarna verhit in een oven bij 85 °C voor de langzame verdamping van water tot de oplossing een sol werd die uiteindelijk een gel werd. Het verkregen gel werd verhit bij 200 °C gedurende 3 u om zwarte poreuze materialen te vormen. Tenslotte werden de poreuze materialen gemalen en geanleed onder stromend O₂-gas (200 mL/min) bij geselecteerde temperaturen gedurende 2 u.

Oppervlaktefunctionaliserings

Het ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeder werd 30 gemalen, waarna 150 mg van het verkregen monster werd toegevoegd aan 50 mL van een 0,1 mol/L NaOH-oplossing. Na sonicatie gedurende 1 u werd de suspensie vigoreus geroerd gedurende 24 u bij kamertemperatuur. De resulterende colloïde oplossing werd gecentrifugeerd bij 1000 toer/min gedurende 10 min om groot-deeltjes te verwijderen, en het supernatant werd gecentrifugeerd bij 10.000 toer/min gedurende 10 min om het neerslag te verzamelen. De verkregen ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-OH nanopartikelen werden driemaal gewassen met gedemineraliseerd water.

Tien milligram ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-OH nanopartikelen werd gedispergeerd in 4 mL dimethyformamide (DMF) met behulp van sonicatie gedurende 10 min. Vervolgens werd 40 µl van 3-aminopropyl-triethoxysilane (APTES) toegevoegd onder vigoreus roeren gedurende 24 u bij kamertemperatuur. De verkregen ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ nanopartikelen werden verzameld door centrifugatie bij 10.000 toer/min gedurende 10 min en driemaal gewassen met DMF om ongereageerde APTES te verwijderen.

Celbeeldvorming

Hek293T-cellen werden gekweekt in DMEM met 10% FBS en gezaaid in 35-mm-kweekschalen gedurende 2 u in een CO₂-incubator. De verkregen ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ nanopartikelen werden gedispergeerd in celmedium (50 mg/mL), welke 10 min geëxciteerd werden door een 254-nm UV-lamp en vervolgens naar kweekschalen verplaatst die 1 u behandeld werden. Na verwijdering van het celmedium werd 0,1 mL van 1% formaldehyde-PBS toegevoegd en de cellen gekleurd met 0,5 mL DAPI-kleurstof in het donker gedurende 10 min. Tenslotte werden de cellen meerdere keren gewassen met PBS voor verdere karakterisatie.

Alle studies met dieren werden goedgekeurd door het universiteitscommissie voor dierenverzorging en -gebruik.

Karakterisatietechnieken

Fase-identificatie werd uitgevoerd door XRD (model SmartLab; Rigaku, Tokio, Japan) werkend bij 40 kV/40 mA met nickel-gefilterde Cu Kα-straling en een scansnelheid van 6,0° 2θ/min. Morfologieën van de producten werden waargenomen via TEM (model JEM-2000FX; JEOL, Tokio). Fotoluminescentie van de phosphoren werd geanalyseerd met een FP-8600 fluorospectrofotometer (JASCO, Tokio). De persistente luminesente signalen werden verkregen met Horiba JY FL3-21. De nagloedecay-afbeeldingen werden vastgelegd in een donkere kamer met een Kodak In-Vivo Imaging System FX Pro. De celbeeldvorming werd uitgevoerd door een laserscannende confocalemicroskoop (LEICA TCS SP2, Duitsland).

Alle studies met dieren werden goedgekeurd door het universiteitscommissie voor dierenverzorging en -gebruik.

Resultaten en Discussie

XRD-patronen van de bereide ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ en de kristalstructuur van spinel ZnGa₂O₄

Figuur 2 (links) toont de TEM-morfologie voor ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ deeltjes, duidelijk aantoonend dat ze volledig bestaan uit kubieke deeltjes, met laterale groottes van ~80–100 nm. De scherpe hoeken en de goed-opgeloste roosterfranjes suggereren hun uitstekende kristalliniteit, terwijl de afstanden van ~0,29 nm goed overeenkomen met het (220) vlak van spinel-gestructureerde ZnGa₂O₄ (d(220) = ~0,29 nm, JCPDS Nr. 38-1240) (inset in Fig. 2). Omdat de deeltjesgroottes dicht bij de gemiddelde kristallijngroottes berekend uit de XRD-data liggen, kunnen de verkregen monsters einkristallijn zijn. De SAED-analyse (Fig. 2 (rechts)) bevestigde verder dat de nanopartikelen onder analyse einkristallijn zijn. De hier onderzochte nanopartikelen zijn directe vaste-stof-oplossingen in plaats van een mechanische mengsel. Elementaire mapping van Zn, Ga, Ge, Cr en Eu levert bewijs van deze vaste oplossing, zoals onthuld in Fig. 3 voor ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺. Niet alleen bevat elk deeltje Zn, Ga, Ge, Cr en Eu, maar alle elementen zijn gelijkmatig verdeeld over de deeltjes.

TEM, HR-TEM (links) afbeelding, en SAED-patroon (rechts) van de ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ nanopartikelen

STEM deeltjesmorfologie (helder-veldafbeelding, de eerste afbeelding) en elementaire mapping van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ nanopartikelen

Figuur 4 toont de opwekkingsspectra van de ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeder bij kamertemperatuur. Het opwekkingsspectrum gemonitoreerd bij 697 nm dekt een zeer breed spectraal gebied (van 200 tot 650 nm) en bestaat uit vier hoofdopwekkingsbanden met piekken bij 273, 328, 410 en 569 nm, respectievelijk. De opwekkingsband bij 273 nm wordt toegeschreven aan de ladingsoverdrachtsband van O²⁻-Ga³⁺ in ZnGa₂O₄-gastheer, terwijl de latere banden afkomstig zijn van de inwendige overgangen van Cr³⁺, inclusief de 328-nm band afkomstig van de ⁴A₂ → ⁴T₁(tₑ²) overgang, de 410-nm band afkomstig van de ⁴A₂ → ⁴T₁(t²ₑ), en de 569-nm band afkomstig van de ⁴A₂ → ⁴T₂(t²ₑ) [19, 20]. Incorporatie van Eu³⁺ veranderde de posities van de PLE-banden niet merkbaar, maar verhoogde de intensiteiten van de inwendige overgangen van Cr³⁺ significant, met I₄₁₀/I₂₇₃ stijgend van 0,18 tot 0,56. De bovenstaande resultaten wijzen erop dat Eu³⁺-incorporatie gunstig is voor zichtbare-lichtopwekking. Echter, de sterkste opwekkingsband bij 273 nm onthulde ook dat de ladingsoverdrachtsband van O²⁻-Ga³⁺ de effectiefste opwekkingsgolfengte is. Opwekking van het poeder bij 273 nm gaf een NIR-emissieband bij 697 nm (Fig. 5) door de ²E → ⁴A₂ overgang in vervormde Cr³⁺ ionen in gallogermanaat, in de afwezigheid van Eu³⁺-emissie.

Fotoluminescentie-opwekking (PLE) spectras van ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeders

Fotoluminescentie (PL) spectras van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeders

De NIR-persistente luminesentie-vervalcurves van ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ nanopartikelen werden gemonitoreerd bij 697 nm na 254 nm UV-lichtverlichting (xenonlamp als lichtbron) gedurende 5 min bij kamertemperatuur zoals getoond in Fig. 6. Het resultaat toont aan dat de NIR-persistente luminesentie van het ZGGO:Cr³⁺ monster langer dan 7200 s kan duren en nog steeds apreciabele intensiteit behoudt. De persistente luminescentie-intensiteit van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ neemt toe met de incorporatie van Eu³⁺-ion. Er wordt aangenomen dat lanthanide-ionen co-doping met Cr³⁺ in zinkgallogermanaat opmerkelijke NIR-persistente luminesentie zou opleveren, vanwege zijn belangrijke rol in het verhogen van de hoeveelheid anti-site-defecten die verantwoordelijk zijn voor persistente luminesentie van Cr³⁺ in zinkgallogermanaat-gastheer [1]. Aan de andere kant kan NIR-persistente luminesentie van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ monster langer duren dan die van ZGGO:Cr³⁺, wat aangeeft dat Eu³⁺-incorporatie de nagloetijd kan verhogen. Figuur 7 toont NIR-nagloedecay-afbeeldingen van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeders verkregen door een Kodak In-Vivo Imaging System FX Pro op verschillende tijden na het stoppen van UV-verlichting, wat verder bevestigt dat de nagloe langer dan 120 min kan duren en een intense NIR-emissie-intensiteit behoudt.

NIR-persistente luminesentie-vervalcurves van ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeders gemonitoreerd bij 697 nm na 254 nm UV-lichtverlichting gedurende 5 min

NIR-nagloedecay-afbeeldingen van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeders verkregen door een Kodak In-Vivo Imaging System FX Pro op verschillende tijden na het stoppen van UV-verlichting

Voor het evalueren van de prestaties van fosfor-toepassing, met name voor hoge-vermogen-toepassingen, is thermische stabiliteit een cruciale parameter. Om het thermische kwenchingsgedrag van de phosphoren in dit werk te evalueren, werden de PL-spectra geanalyseerd bij temperaturen variërend van 298 tot 573 K (Fig. 8). Voor alle monsters leverde het verhogen van de temperatuur een afname in de emissie-intensiteiten bij 697 nm op. Om een meer compleet beeld van het thermische kwenchingsgedrag te krijgen en de waarde van de activeringsenergie (Eₐ) te schatten, werd de Arrhenius-vergelijking (Verg. (1)) gebruikt als volgt [26,27,28]:

$$ {I}_{\mathrm{T}}=\frac{I_0}{1+c\exp \left(-\frac{E_{\mathrm{a}}}{kT}\right)} $$ (1)

waarbij I₀ en I_T de intensiteiten van de initiële en finale temperaturen zijn, respectievelijk; c is de snelheidsconstante; Eₐ is de activeringsenergie; en k is de Boltzmann-constante (8,629 × 10⁻⁵ eV K⁻¹). Figuur 8 toont de In(I₀ / I_T − 1) vs 10.000 / T relatie-lijnen voor het emissieband gecentreerd bij 697 nm voor ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺. Vergelijkbare activeringsenergieën werden berekend: Eₐ = 0,23 eV voor ZGGO:Cr³⁺ en Eₐ = 0,25 eV voor ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺. De kans dat een niet-stralende overgang per tijdseenheid optreedt (α) kan gedefinieerd worden volgens Verg. (2) als volgt [29]:

$$ \alpha =s\ \exp \left(-\frac{E_{\mathrm{a}}}{kT}\right) $$ (2)

waarbij s de frequentiefactor (s⁻¹) is, k de Boltzmann-constante, en T de temperatuur. Het kan gezien worden dat een lagere activeringsenergie (Eₐ) leidt tot een grotere kans (α) op een niet-stralende overgang. Vanwege de vergelijkbare activeringsenergie vertoonden ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ gesloten thermische stabiliteit, wat aangeeft dat Eu³⁺-incorporatie de thermische stabiliteit niet significant beïnvloedde. Echter, geassocieerde fonon-zijbanden (PSBs) gecentreerd bij 670 nm werden dominant bij een hogere temperatuur, wat versterkte emissiepieken induceerde.

Activeringsenergie van thermische kwensing voor emissiebanden in a ZGGO:Cr³⁺ en b ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeders. De insets tonen de corresponderende temperatuurafhankelijkheid van PL-spectra van 298 tot 573 K

We onderzochten ook de PL-opwekkings- en emissiespectra van de waterige dispersie van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ (Fig. 9). Vergeleken met het ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ poeder, vertoonde de waterige dispersie bijna hetzelfde profiel van de PL-opwekkings- en emissiecurves behalve de relatief zwakke opwekkingsintensiteit bij 300 en 600 nm. Het verzwakte intensiteit is waarschijnlijk te wijten aan het kwenchings-effect van de O–H-trilling van water.

Opwekkings- en emissiespectra van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ waterige oplossing bij kamertemperatuur. De inset toont de digitale foto's van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ waterige oplossing onder bestraling van 254 nm UV-licht

Hek293T-cellen werden hier gebruikt voor in-vitro-beeldvormingstest. De verkregen ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ nanopartikelen werden gedispergeerd in celmedium (50 mg/mL), welke 10 min geëxciteerd werden door een 254-nm UV-lamp en vervolgens naar kweekschalen verplaatst die 1 u behandeld werden. Figuur 10 (links, rode kleur) toont de celluminesentie-beeldvorming verzameld op een laserscannende confocalemicroskoop in de afwezigheid van opwekking. Het nagloeluminescentiesignaal van de Hek293T-cellen was nog steeds sterk genoeg om na 1 u precies gemeten te worden, hoewel de nagloeluminescentiesignalen geleidelijk afnamen over de tijd. Voor vergelijking werd de celluminesentie-beeldvorming verzameld op een laserscannende confocalemicroskoop door een andere modus van dezelfde cellen gekleurd met 0,5 mL DAPI-kleurstof (rechts in Fig. 10, gelijktijdige opwekking). De vergelijkbare beeldvormingssignalen suggereerden dat de ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ nanopartikelen een uitstekende beeldvormingscapaciteit voor cellen in vitro bezitten.

LSCM-afbeelding (links, rode kleur) van Hek293T-cellen geïncubeerd met ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ nanopartikelen gedurende 1 u. De rechterafbeelding (blauwe kleur) is de verschijning van dezelfde cellen gekleurd met 0,5 mL DAPI-kleurstof. Schaalbalk = 25 µm

Conclusies

In dit werk werden spinel-gestructureerde ZGGO:Cr³⁺ en ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ nanopartikelen gesynthetiseerd door een sol-gel-methode in combinatie met een daaropvolgende reductie-atmosfeervrije calcinaties. De monsters werden onderzocht via gedetailleerde karakterisaties door gecombineerde technieken van XRD, TEM, STEM, SAED, PLE/PL-spectroscopie en temperatuur-afhankelijke PL-analyse. De nanopartikelen met uniforme kubieke vorm en laterale grootte van ~80–100 nm zijn einkristallijn en homogene vaste oplossing. Opwekking van het poeder bij 273 nm gaf een NIR-emissieband bij 697 nm door de ²E → ⁴A₂ overgang in vervormde Cr³⁺ ionen in gallogermanaat, in de afwezigheid van Eu³⁺-emissie. NIR-persistente luminesentie van ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺ kan langer dan 7200 s duren en nog steeds intense intensiteit behouden. De persistente luminescentie-intensiteit van ZGGO:Cr³⁺ en de nagloetijd nemen toe met de incorporatie van Eu³⁺-ion. Echter, Eu³⁺-incorporatie beïnvloedde de thermische stabiliteit niet significant. Tenslotte bezaten de verkregen ZGGO:Cr³⁺,Eu³⁺-NH₂ nanopartikelen een uitstekende beeldvormingscapaciteit voor cellen in vitro.