GdVO4：Eu3 +ナノ粒子とそれらのメチレンブルーとの複合体を含む水溶液での活性酸素種の生成

要約

この手紙では、オルトバナジン酸ガドリニウムGdVO ₄を含む水溶液中でのフリーラジカルと活性酸素種（ROS）の生成に関する研究を報告します。：Eu ³⁺ ナノ粒子（VNP）およびメチレンブルー（MB）光増感剤とのそれらの複合体。触媒活性は、3つの方法（共役ジエンテスト、OH・ラジカル、および一重項酸素検出）によってUV-VisおよびX線照射下で研究されました。 VNPs-MB複合体は、VNPsからMB分子への非放射励起エネルギー移動による、VNPsによるOH・ラジカル生成の高効率とMBによる一重項酸素生成の両方に関連するUV-Vis照射下でのROS生成の高効率を明らかにすることが示されています。。 X線照射下とは対照的に、強いOH ^。 VNPによるラジカルの除去が観察されています。

背景

放射線療法（RT）は依然として癌治療の重要な要素であり、すべての癌患者の約50％が病気の経過中にRTを受けています[1,2,3]。放射線による細胞死の正確なメカニズムは、依然として活発な調査の領域です。核DNAの二本鎖切断は、放射線の最も重要な細胞効果であり、細胞の生殖の完全性の不可逆的な喪失と最終的な細胞死につながると考えられています[4]。このような放射線による損傷は、（i）直接イオン化および（ii）細胞の水と酸素分子の放射線分解から形成される酸素を含む化学反応種であるフリーラジカルと活性酸素種（ROS）を介した間接イオン化によって引き起こされる可能性があります[2,3、 4]。臨床治療では、損傷は一般的に間接的な電離です。その過程で、水は電子を失い、反応性が高くなります。次に、3段階の連鎖反応により、水は一連のラジカルと分子生成物に順次変換されます。水和電子（\（{e} _ {aq} ^ {-} \ Big）\）、水素原子（ H ^∙ ）、ヒドロキシルラジカルOH・、ヒドロペルオキシルラジカル（\（{HO} _2 ^ {。} \ Big）\）、過酸化水素（H ₂ O ₂ ）、および水素分子（H ₂ ）[5、6]。水和電子と水素原子は強力な還元剤です。対照的に、ヒドロキシルラジカルは非常に強力な酸化種であり、その経路にある分子から電子を即座に除去し、その分子をフリーラジカルに変えて連鎖反応を伝播させます[5]。溶存分子状酸素が照射水中に存在すると、その還元によりスーパーオキシドラジカル（\（{O} _2 ^ {.-} \））が生成され、一重項酸素（¹ を含む他のほとんどのROSの前駆体になります。 O ₂ ）[7]。

最近、高原子番号（Au、Ag、Hf、Gd、Tiベース）のナノ粒子（NP）[8,9,10,11]、半導体NP（金属酸化物TiO ₂> ZnO、CuO、CeO ₂ 、Al ₂ O ₃;量子ドットZnS、ZnS、LaF ₃ など）[8、12、13、14]、および一部の無機NP（カーボンナノチューブ）[15、16]は、RTの効率を高めます。 X線とNPの相互作用の理論的原理は十分に説明されています[8、12、14]。高エネルギー光子とNPの格子とのカスケード相互作用は、主に光電効果とコンプトン散乱効果によって発生します。コンプトン、フォト、またはオージェ電子は二次電子の放出を誘発する可能性があり、それは環境に逃げることができ、NPの表面近くに局在するアクセプター（すなわち、水、生体分子、酸素、窒素酸化物）によって捕捉され、誘発します生体分子ラジカルとROS生成[8、12、14]。 NPの放射線増感効果は、生体分子ラジカルとNPとのX線相互作用の最終段階としてのROS生成に関連しています。金属酸化物NPなどの半導体NPでは、ROS生成に関連する細胞毒性効果はUV照射によっても誘発される可能性があります[17、18、19、20]。そのメカニズムは、NPにUV光（バンドギャップよりも大きいエネルギー）が照射されると、電荷分離が誘発されて正孔（h ⁺ ）が生成されることです。）バランスバンドと電子（e ^- ）伝導帯で。電子と正孔はそれぞれ高い還元能力と酸化能力を示します[18]。電子は分子状酸素と反応して還元プロセスによりスーパーオキシドラジカル（\（{O} _2 ^ {\ cdotp-} \））を生成しますが、正孔は水やヒドロキシルイオンから電子を引き抜いてヒドロキシルラジカル（OH・）酸化プロセスを介して[18、19、20]。 TiO ₂の場合、CeO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、およびZnOナノ粒子、¹ O ₂ \（{O} _2 ^ {\ cdotp-} \）の酸化による生成が報告されました[18、21、22]。

シンチレーションNPを使用して癌治療（光線力学療法、PDT）の効率を高めるもう1つのアプローチが、ChenとZhangによって提案されました[23]。このアプローチは、X線励起（シンチレーション）NPと光増感剤（PS）分子を組み合わせたものです。シンチレーションNPは、X線照射から得られたエネルギーをPSに伝達するエネルギー変換器として機能し、腫瘍破壊のための一重項酸素を生成します。このアプローチは、深い癌治療を可能にし、PDTとRTの両方を強化します。これまで、さまざまなシンチレーションNPおよびそれらのPSとの複合体が、X線誘導光線力学剤として研究されてきました[12、14、23、24、25、26、27、28]。

最近、ユーロピウムイオンGdVO ₄をドープしたシンチレーションガドリニウムオルトバナジン酸NPに基づく錯体の生成について報告しました。：Eu ³⁺ （VNPs）およびメチレンブルー（MB）光増感剤および錯体における電子励起エネルギー移動の研究[29]。複合体における効果的な励起エネルギー変換のために、それらはX線誘導性光線力学剤として有望である可能性があることが示された。この論文の目的は、VNPとそれらのMBとの複合体を含む水溶液中でのROS生成の効率をUVおよびX線照射下で研究することでした。

実験的

化学薬品

塩化ガドリニウムGdCl ₃ ・6H ₂ O（99.9％）、塩化ユーロピウムEuCl ₃ ・6H ₂ O（99.9％）、EDTA・2Na二ナトリウム（99.8％）、および無水メタバナジン酸ナトリウムNaVO ₃ （96％）はAcros Organic（USA）から入手し、すべてさらに精製することなく使用しました。水酸化ナトリウムNaOH（99％）はMacrohim（ウクライナ）から購入しました。オルトバナジン酸ナトリウムNa ₃ VO ₄ 溶液は、NaOH水溶液NaVO ₃中のNaOHの1M溶液を加えることによって得られました。〜pH =13.卵黄からのL-a-ホスファチジルコリン（PC）、カチオン染料3,7-ビス（ジメチルアミノ）フェナザチオニウムクロリド（メチレンブルー（MB）、M _w =373.90 g / mol）、1,2-ベンゾピロン（クマリン、M _w =146.14 g / mol）はSigma-Aldrich（USA）から購入し、受け取ったままの状態で使用しました。アントラセン-9,10-ジプロピオン酸二ナトリウム塩（ADPA、M _w =366.32 g / mol）は、薄層クロマトグラフィーによって純度を制御したIgor Borovoy博士（ウクライナのNASシンチレーション材料研究所）の色素コレクションから得られました。他のすべての化学物質は分析グレードでした。

GdVO ₄の合成：Eu ³⁺ コロイド溶液

ユーロピウムイオンGd _0.9をドープしたオルトバナジン酸ガドリニウムナノ粒子のコロイド水溶液 Eu _0.1 VO ₄ （GdVO ₄ ：Eu ³⁺ ）以前に報告された方法[30]に従って合成された。まず、0.4 mLの塩化ガドリニウム水溶液（1 M）を0.05 mLの塩化ユーロピウム（1 M）と混合し、次に49.55mLの二重蒸留水を混合物に加えました。次に、得られた溶液を37.5 mLのEDTA二ナトリウム溶液（0.01 M）と混合しました。次に、37.5mLのNa ₃ VO ₄ （0.01 M）はドロップワイズで流れました（рН=10.5）。マグネチックスターラーを使用して混合物を激しく攪拌し、還流冷却器の下の水浴上で100°Cで24時間加熱しました。得られた無色透明の溶液は、側面照明（チンダルコーン）の下で光を散乱させます。次に、溶液を冷却し、水に対して24時間透析して、過剰なイオンを除去しました。この目的のために、得られた溶液を透析嚢（Cellu Sep T2、分子量カットオフが12 KDaの膜、孔径〜2.5 nm）に入れ、蒸留水を入れた2Lのガラスに入れました。 6時間ごとに、水をリフレッシュしました。

計装と特性評価

合成されたVNPは、透過型電子顕微鏡（TEM-125 K電子顕微鏡、セルミ、ウクライナ）および動的光散乱法（ZetaPALSアナライザー、ブルックヘブンインスツルメンツ社、米国）を使用して特性評価されました。 Specord 200分光計（Analytik Jena、USA）を使用して吸収スペクトルを測定しました。蛍光および蛍光励起スペクトルは、分光蛍光光度計Lumina（Thermo Scientific、USA）を使用して取得しました。

VNP-MB複合体の準備

調査のための解決策は次のように準備されました。まず、MBの水溶液（1 mmol / L）を準備しました。 VNPs-MB水溶液を得るには、必要量の染料ストック溶液とVNPs水溶液をフラスコに加え、ロータリーエバポレーター（Rotavapor R-3、Buchi）を使用して1時間注意深く攪拌し、クロロホルムを完全に蒸発させました。次に、1 mLのVNPs水溶液をフラスコに加え、VNPs-MB複合体を形成するために1時間穏やかに振とうしました。得られた溶液中のMB濃度は10μmol/ Lでした。ナノ粒子の濃度は0.1、1、または10 mg / mLでした。

活性酸素とフリーラジカル種の検出

VNP、MB、またはVNP-MB複合体を含む水溶液のUV / X線照射下でのROSの形成は、いくつかの方法を使用して分光的に検出されました。

共役ジエン形成テスト

ＵＶ照射下の脂質酸化は、ＰＣリポソーム懸濁液を使用して測定された。単層PC脂質ベシクルは押し出し法[31]によって調製されました。簡単に説明すると、クロロホルム中の適切な量のPC（25 mg / ml）をフラスコに入れ、ロータリーエバポレーター（Rotavapor R-3、Buchi）を使用してクロロホルムが完全に蒸発するまで乾燥させました。次に、脂質染料の薄いフィルムを10.8mlの再蒸留水で水和しました。得られた脂質懸濁液は、最終的に、ミニ押出機（Avanti Polar Lipids、Inc.、USA）を使用して、孔径100nmのポリカーボネートフィルターを通して押し出されました。 PCの濃度は1.2ミリモル/ Lでした。共役ジエン形成試験では、1mLのPCリポソーム懸濁液を1mLのVNPs水溶液（MB水溶液またはVNPs–MB水溶液）と混合しました。最終的なMB濃度は10μmol/ L、VNPは1 g / Lでした。溶液中のPC濃度は0.6ミリモル/ Lでした。得られた水溶液を石英キュベット（10×10 mm）に入れ、250 W水銀ランプ（バンドパス l ）を照射しました。 =310–400 nm、光束は43 W / cm ² ）30分間。次に、Specord 200分光光度計（Analytik Jena、ドイツ）を使用して、懸濁液の吸光度を234 nm（共役ジエン最大）で記録しました。添加物（NP、MB、またはVNP-MB複合体）を含まない水中で形成された共役ジエンの濃度をコントロールとして採用しました。各実験ポイントは、少なくとも3つの独立したテストの平均値でした。統計処理は、ソフトウェアパッケージStatistikav。5.0（StatSoft、USA）を使用して実行されました。

OH・ラジカル検出

UV照射下での溶液中のヒドロキシルラジカル形成を検出するために、クマリンをプローブ分子として使用しました。クマリンはOH・ラジカルと反応して、蛍光性の高い7-ヒドロキシクマリンを生成します[32、33]。実験手順は以下の通りである。クマリン水溶液（0.1 mmol / L）は、MB（10μmol/ L）、VNP（0.1、1、または10 g / L）、またはVNP-MB水溶液と混合されました。得られた水溶液を石英キュベット（10×10 mm）に入れ、He-Cdレーザーλを照射しました。 _exc =325nmで1時間。 X線照射の場合、キュベットは、タングステンカソードを備えたISOVOLT 160 Titan E装置を使用してX線で上から（開いた部分から）30分間照射されました。チューブの電圧は30kV（20 mA）でした。 X線管から照射されたサンプルまでの距離は25cmでした。溶液の蛍光スペクトル（325 nmで励起）は、分光蛍光光度計Lumina（Thermo Scientific、USA）で記録されました。 7-ヒドロキシクマリン蛍光の相対強度を分析しました。

一重項酸素の検出

¹ O ₂ VNP、MB、またはVNP-MB複合体を含む溶液での生成は、ADPA蛍光スペクトルの評価で分析されました[34、35]。測定は石英キュベット（10×10mm）で行いました。 ADPA水溶液（10μmol/ L）をMB（10μmol/ L）、NP（1 g / L）、またはVNP-MB水溶液とキュベットで混合しました。溶液は、高安定性青色固体レーザーMBL-457、50 mW（Changchun New Industries OptoelectronicsTech。Co.、Ltd。）を使用して457nmで照射されました。 378 nmで励起されたADPAの蛍光発光は、分光蛍光光度計Lumina（Thermo Scientific、USA）を使用して、さまざまな時間スケール（0、10、20、30、40、および60分）で収集されました。

結果と考察

合成されたVNPの特性

図1aと追加ファイル1：図S1は、GdVO ₄をサポートする側方分布ヒストグラムとXRDパターンを使用して合成されたVNPのTEM画像を示しています。：Eu ³⁺ NPの結晶構造。合成されたGdVO ₄ ：Eu ³⁺ NPは、8×25nm±5nmのサイズで、ジルコンタイプの正方晶相構造を持つ紡錘体のような形をしています。 NP表面の負電荷（ζ電位は-18.75±0.15mV、pH =7.8）は、合成中に使用されたEDTA二ナトリウム安定剤のカルボン酸基によるものです。 GdVO ₄の超過流体力学的直径：Eu ³⁺ ナノ粒子は44.0±0.3nmです。 GdVO ₄の吸収スペクトル：Eu ³⁺ NPは、\（{VO} _4 ^ {3-} \）グループの酸素配位子からバナジウム原子への電荷移動に対応する250〜350 nmのスペクトル範囲の強い広帯域を表します（図1b）[36 ]。 GdVO ₄のドーピング Eu ³⁺ のNP イオンは、赤色スペクトル範囲のVNPに強い蛍光を与えます。これは、ユーロピウムイオンのf電子配置内の遷移によって支配されます[37]（このホワイトペーパーでは説明しません）。

NPのサイズが半導体材料の光エネルギーギャップに影響を与えることが知られています。バンドギャップエネルギー、 E _g 、Taucの関係[38]：

に従って、バンド間遷移の吸収端波長から推定できます。 $$ {\ left（a \ mathrm {hv} \ right）} ^ {\ left（1 / n \ right）} =A \ cdot \ left（\ mathrm {hv}-{E} _g \ right）、$ $（1）

ここで、aは吸収係数、hvは入射光子エネルギー A はエネルギーに依存しない定数（バンドテーリングパラメータ）であり、 n は定数（遷移モードの力率）であり、材料の性質（結晶またはアモルファス）に依存します。 n の値遷移の性質を示します n =1/2直接許可される遷移の場合、 n =3/2直接禁制遷移の場合、 n 間接的に許可された遷移の場合は=2、 n 間接禁制遷移の場合は=3 [39]。 GdVO ₄ はダイレクトギャップ半導体であり、 n =1/2 [40]したがって、式。（1）次のように書き直すことができます：

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

吸光係数（ a ）は吸光度から a として計算されます =2.303 D / l 、ここで D は吸光度であり、 l は光路長です。

図1cは、（ a hv）² 合成されたGdVO ₄の場合：Eu ³⁺ ナノ粒子。バンドギャップ値 E _g （ a の線形部分の外挿によって決定されました hv）² ゼロへの光子エネルギーhvに対する曲線。得られた値 E _g =4.13 eV GdVO ₄で報告された値よりも高い：Eu ³⁺ 結晶子サイズが14.4〜43 nm（3.56〜3.72 eV）の粉末[41、42]。使用した合成方法の違いが原因である可能性があります。この場合、熱水法またはペチーニ法で得られたものと比較して、吸収帯が狭く、青方偏移した小さなNPが得られます。

光誘起フリーラジカル生成（共役ジエンテスト）

ROSのツリータイプ（\（\ mathrm {OH} \ cdotp、{\ mathrm {O}} _ 2 ^ {\ cdotp-} \）、および¹ O ₂ ）UV照射下でNPシステムで生成することは、生物学的システムの主要な酸化ストレスに寄与します[43、44]。 TiO ₂などの金属酸化物NPの光触媒活性が、ZnO、CuO、CeO ₂ 、Al ₂ O ₃ 、およびFe ₂ O ₃ はよく説明されており[17、18、19、20]、ReVO ₄の光触媒活性を研究した研究はほとんどありません。 NP [45,46,47,48]。 ReVO ₄ NPは、有機汚染物質の光触媒破壊に効果的です。ただし、ReVO ₄によって生成されるROSの種類を調査した研究はありません。 UV照射下のNP。

生物学的環境を模倣するために、PCリポソーム懸濁液を使用し、脂質酸化（共役ジエン形成試験）でMB、VNP、またはVNP-MB複合体を含む懸濁液でUV照射下でフリーラジカルの生成を検出しました[49,50,51]。ラジカル連鎖反応を介した分子状酸素による脂質酸化は、ROSとフリーラジカルがシステムに現れるときに電離放射線によって開始することができます[43、44]。多価不飽和脂肪酸が関与するラジカル連鎖反応は、二重結合の転位を引き起こし、共役ジエンをもたらします。得られた共役ジエンは、測光で検出できる234nmの吸収帯を示します。図2は、MB、VNP、またはVNP-MB複合体を含む脂質懸濁液で形成された共役ジエンの相対濃度を示しています。すべての溶液において、純粋なPCリポソーム懸濁液と比較して、共役ジエンの濃度が増加していることがわかりました。ただし、このプロセスの効率は異なります。メチレンブルーは、主な吸収極大λを持つ従来の光増感剤分子の1つです。 _max =665 nmおよびUVスペクトル範囲の吸収帯の強度が低い（追加ファイル1：図S2）。 MBのUV照射下では、2つの主要な光化学的プロセスが発生する可能性があります[34、52]。紫外線で励起されたMBは項間交差プロセス（ Q _p =0.54 [53]）長寿命の三重項状態（³ MB ^* ）そして酸素分子と反応します（³ O ₂ ）一重項酸素を形成する（¹ O ₂ ）：

$$ {\ mathrm {MB}} ^ {+} + hv \ to {} ^ 3 {\ mathrm {MB}} ^ {+ ^ {\ ast}} $$（3）$$ {} ^ 3 {\ mathrm {MB}} ^ {+ ^ {\ ast}} + {} ^ 3 {\ mathrm {O}} _ 2 \ to {\ mathrm {MB}} ^ {+} + {} ^ 1 {\ mathrm {O }} _ 2 $$（4）

2番目の光化学プロセスは高MB濃度で発生する可能性があります。基底状態のMB分子は、MB三重項に電子を供与し、それぞれ半還元ラジカル（MB・）と半還元ラジカル（MB ^{・）を形成する還元剤として機能します。 2+} ）[52]：

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

基底状態の色素を戻し、スーパーオキシドラジカルを生成する分子状酸素によるMB・の酸化（\（{O} _2 ^ {\ cdotp-} \））：

$$ \ mathrm {MB} \ cdotp + ^ 3 {\ mathrm {O}} _ 2 \ kern0.5em \ to {\ mathrm {MB}} ^ {+} + {O} _2 ^ {\ cdotp-} $$ （6）

一重項酸素とスーパーオキシドラジカル、および反応（4）〜（6）で形成されたMBラジカルは、脂質の酸化プロセスに影響を与える可能性があります。 MBダイマーの形成が観察されない希釈溶液（[MB] <20μM）では、反応（3）と（4）が支配的になります[52]。ただし、VNP表面内のMB濃度の増加によるVNP-MB複合体[29]では、2番目の光化学的プロセスが発生する可能性があります。したがって、MBを含む脂質懸濁液での共役ジエン形成の増加は、MBの作用によって¹ として説明できます。 O ₂ UV照射下の光発生器。このプロセスの効率は、長波長吸収極大内のMB励起下の効率よりもはるかに小さいことに注意してください。

GdVO ₄を含む懸濁液中：Eu ³⁺ ナノ粒子、脂質酸化はより効果的です。この効果は、UV照射下でのVNPの光触媒挙動に起因する可能性があります。伝導帯電子（e ⁻ ）および価電子帯の穴（h ⁺ ）UV照射下で形成された（ E > E _g ）次の反応によって、NP表面に吸着された分子状酸素および水分子と相互作用することができます[18、20、47]：

$$ {} ^ 3 {\ mathrm {O}} _ 2 + {e} ^ {-} \ to \ kern0.5em {\ mathrm {O}} _ 2 ^ {.-} $$（7）$$ {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} + {\ mathrm {h}} ^ {+} \ to \ mathrm {OH} \ cdot $$（8）

水の光分解中に形成され、NP表面に吸着されたヒドロキシルイオンも、正孔と相互作用してヒドロキシルラジカルを生成する可能性があります：

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

さらに、\（{O} _2 ^ {\ cdotp-} \）の酸化により、一重項酸素が生成されます[18、21、22]：

$$ {\ mathrm {O}} _ 2 ^ {\ cdotp-} + {\ mathrm {h}} ^ {+} {\ to} ^ 1 {\ mathrm {O}} _ 2 $$（10）

水素イオンとの反応により、過酸化水素が形成されます：

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

電子との相互作用の結果として、ヒドロキシルラジカルとヒドロキシルイオンが形成される可能性があります：

$$ {\ mathrm {H}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 2 + {\ mathrm {e}} ^ {-} \ to \ mathrm {OH} \ cdot + {\ mathrm {O} \ mathrm {H} } ^ {-} $$（12）

したがって、VNPを含む懸濁液中の共役ジエン濃度の効率の向上（図2、列3）は、反応（7）〜（12）を介して生成され、脂質の酸化を促進する生成物に起因する可能性があります。

複合体VNPs–MBを含む脂質懸濁液では、共役ジエンの最高濃度は、反応（3）–（6）と反応（7）–（12）の両方で生成された生成物によって説明できます（図2、列4）。さらに、反応（3）および（4）のVNP-MB複合体では、一重項酸素の生成は、直接MB励起と、この組成でかなり効果的なVNPからMBへの非放射励起エネルギー移動の両方によって発生する可能性があります[29]。

ヒドロキシルラジカルの検出

次のステップは、OH・と¹ の効率をより正確に調べることでした。 O ₂ UV / X線照射下での溶液中での生成。クマリンは、検討中の溶液中のヒドロキシルラジカルの出現を検証するためのプローブ分子として使用されました。 OH・ラジカルは、UV / X線照射下での水の光分解/放射線分解の主な生成物の1つであることが知られています[5、6]。水溶液中で、OH・ラジカルはクマリン分子と相互作用して、新しいバンド（λの出現によって分光的に検出できる高蛍光生成物7-ヒドロキシクマリン（図3のスキームを参照）を形成します。 _max 〜460 nm）は、クマリン蛍光バンド（λ）に対して長波長スペクトル領域にシフトしました。 _max 〜400 nm）、図3 [32、33]。溶液中のOH・ラジカルの濃度が高いほど、クマリンの酸化がより効果的になり、その結果、長波長帯がより強くなります。したがって、長波長帯域の相対強度の分析は、さまざまな要因の影響下にある溶液中のOH・ラジカルの濃度に関する情報を提供する可能性があります。

1時間のUV照射後に測定されたMB、VNP、またはVNP-MB複合体を含むクマリン水溶液の蛍光発光スペクトルを図3に示します。添加剤（コントロール）を含まないクマリン水溶液のUV照射が誘発することが示されています。 OH・ラジカルの生成とクマリンの酸化を示す新しい長波長蛍光バンドの形成（図3）。溶液中にMB分子が存在する場合、このバンドの相対強度は変化しません。これは、OH・ラジカルの生成に対するMBの追加の影響がないことを示しています（図3）。 VNPを含む溶液では、UV照射下でのVNPの光触媒活性、反応（8）、（9）、（12）により、7-ヒドロキシクマリンバンドの強度が著しく増加します（図3）。 535〜540 nm付近の鋭いピークは、GdVO ₄のユーロピウムイオン蛍光に属していることに注意してください。：Eu ³⁺ ナノ粒子（構成内遷移）。 VNPs-MB複合体を含む溶液では、7-ヒドロキシクマリンバンドの相対強度は、効果の低いOH・ラジカル生成を示すVNPsを含む溶液と比較して、約2倍小さかった（図3）。これは、VNP表面内のMB色素吸着が水分子とヒドロキシルイオンの吸着を防ぎ、その結果、反応（8）および（9）を介したOH・ラジカル生成に関するVNPの光触媒活性を低下させるという事実によって説明できます。さらに、VNP-MB複合体では、吸着エネルギーの一部が非放射的にMB分子に移動し[29]、その結果、電子正孔対の生成効率が低下し、その結果、このような複合体でのOH・ラジカル生成に対するVNPの能力が低下します。

VNPを含む溶液のX線照射下で、予期しない結果が観察されました（図4）。 UV照射の場合とは異なり、7-ヒドロキシクマリンバンドの相対強度は、ナノ粒子を含まないクマリン水溶液と比較して減少し、水の放射線分解の結果として溶液中に形成されたOH・ラジカルの除去を示します。観察された効果は、VNP濃度に強く依存します（図4）。 ROSスカベンジャーとして機能するナノ粒子の能力に関する主な議論は主にCeO ₂に焦点を合わせていることに注意する必要がありますナノクリスタル（ナノセリア）[54,55,56,57]。ナノセリアをROSスカベンジャーとして機能させる主な特徴は、一般に、酸素空孔とCe ³⁺ の含有量が高いことに起因します。ナノセリア中のイオンとその3+と4+の酸化状態の切り替え。しかし、ナノセリアの生物活性がそのサイズと自己再生メカニズムに決定的に依存していることについては、まだ議論が続いています[54,55,56,57]。また、GdVO ₄の保護効果にも注意してください。：Eu ³⁺ およびCeO ₂ X線誘発損傷に対するNPは、私たちのグループの初期のinvivo実験で観察されました[57]。私たちの知る限りでは、GdVO ₄の能力：Eu ³⁺ X線照射下で水溶液中に生成されたOH・ラジカルを掃引するナノ粒子が初めて観察され、さらに詳細な研究が必要です。

一重項酸素の生成

¹ のVNP-MB複合体の効率を評価するには O ₂ 水中で生成する場合、一重項酸素によるメソッドベースのADPA酸化を使用し、非蛍光性エンドペルオキシドADPAO ₂を形成します。（図5）。したがって、一重項酸素の存在下では、ADPA蛍光は不可逆的に消光されます。 UV照射下では、ADPA分子は強い光退色を起こし、¹ に関連するMB、VNP、またはVNP-MB複合体の影響の識別が複雑になることに注意してください。 O ₂ 世代。この欠点を克服するために、Eu ³⁺ の励起ピークの1つと一致する457nmでレーザー照射を適用します。 GdVO ₄にドープされたイオンナノクリスタル（追加ファイル1：図S3）。図5は、ADPA分子が457nmの光の照射で光化学反応を起こさないことを示しています。 MBを含む溶液では、時間の経過とともにADPA強度のわずかな減少が観察されました（図5）。これは、この波長でのMBのわずかな励起と、反応（3）および（4）による光増感剤としての作用に関連しています。 VNPを含む溶液でも同じ効果が観察され（図5）、VNPの表面での\（{O} _2 ^ {\ cdotp-} \）ラジカルの形成に起因する可能性があります（反応（7））。一重項酸素生成を伴う反応（10）によるその酸化による。より強いADPA蛍光消光は、VNP-MB複合体で観察されます。このプロセスの効率は、MBまたはVNPを使用したソリューションの2倍です。 The higher efficiency of singlet oxygen generation in the solution containing VNPs–MB complexes is associated with the energy transfer from VNPs to the MB in the complexes, in which VNPs serve as energy transducer for MB photosensitizer.

Unfortunately, due to ADPA sensor instability, we were not successful to measure the efficiency of the ¹ O ₂ generation in water solution under X-ray excitation.

結論

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 O ₂ 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.