ZnGa2O4:Cr3+ als Persistente Fosfor voor in vivo Beeldvorming

Jarmo Fatermans
Kankercellen uitgelichtZonder het te beseffen, speelt licht een zeer belangrijke rol in het leven van ieder mens. Het zorgt voor onze veiligheid in het verkeer, luchtvaart en scheepvaart. Het laat ons toe de duisternis van de nacht te verdrijven. Zonder licht zouden we gewoon niet kunnen overleven. We doen ons best onze lichtbronnen zo duurzaam mogelijk aan te wenden om onze natuurlijke leefomgeving zo veel mogelijk te sparen. Maar de mogelijkheden van licht zijn nog lang niet ten einde...Gezond blijven. Deze uitspraak staat met stip op één bij de nieuwjaarswensen.

ZnGa2O4:Cr3+ als Persistente Fosfor voor in vivo Beeldvorming

Kankercellen uitgelicht

Zonder het te beseffen, speelt licht een zeer belangrijke rol in het leven van ieder mens. Het zorgt voor onze veiligheid in het verkeer, luchtvaart en scheepvaart. Het laat ons toe de duisternis van de nacht te verdrijven. Zonder licht zouden we gewoon niet kunnen overleven. We doen ons best onze lichtbronnen zo duurzaam mogelijk aan te wenden om onze natuurlijke leefomgeving zo veel mogelijk te sparen. Maar de mogelijkheden van licht zijn nog lang niet ten einde...

Gezond blijven. Deze uitspraak staat met stip op één bij de nieuwjaarswensen. Iedereen hoopt een gezond en zorgeloos leven te kunnen leiden. Jammer genoeg is deze deugd niet voor iedereen weggelegd. De medische wereld doet immense inspanningen om tijdig dodelijke ziektes te kunnen detecteren, te behandelen en te genezen. Verrassend genoeg kan ook licht hier een belangrijke rol in spelen. Om bijvoorbeeld tumoren tijdig op te sporen, worden op dit moment radioactieve tracers gebruikt die in het lichaam worden ingebracht. Deze geven aan waar een verhoogde activiteit wordt waargenomen dan normaal. Dit kan wijzen op een kwaadaardige cel of groep cellen. De radioactiviteit van de tracer heeft echter ook een effect op de patiënt en andere mensen. Dit nadelig effect kan vermeden worden door het gebruik van een lichtbron.Het is hierbij belangrijk dat de lichtbron rood/infrarood licht uitstuurt om zich door dierlijk weefsel te kunnen voortbeweging zodat het gedetecteerd kan worden buiten het lichaam. Verder moet het ook licht uitstralen gedurende een voldoende lange tijd. Hiernaar wordt verwezen als persistentie. Het materiaal ZnGa2O4 met daarin Cr3+ toegevoegd heeft de gepaste eigenschappen om als lichtbron te kunnen gebruiken. En Het is ook reeds met succes ingebracht in levende muizen zonder dat dit enig nadelig effect voor de muizen met zich meebracht.Het werkingsprincipe van het gebruik van een tracer die licht uitstuurt en van een radioactieve tracer is zeer gelijkaardig. Het grote voordeel is dat in de nieuwe techniek via rood/infrarood persistent licht zowel de geneesheer, als de patiënt, als de familie van de patiënt niet in aanraking hoeven te komen met radioactiviteit.

Het gebruik van licht in de gezondheidszorg is een nieuwe van de vele toepassingen die mogelijk zijn met licht. Het kan van cruciaal belang zijn in het verschil tussen leven en dood. Net als alle andere toepassingen van licht. De mens is erin geslaagd licht aan te wenden om het leven aangenamer te maken, maar ook om levens te redden. Uiteindelijk kan geen levend organisme zonder licht overleven. Zonder licht kan men niet leven.

Bibliografie

Bibliografie[1] W. M. Yen, M. J. Weber, Inorganic Phosphors: Compositions, Preparation, and OpticalProperties, CRC Press, Boca Raton, FL, (2004).[2] W. de Groot, Luminescence decay and related phenomena, Physica, 6, 275, (1939).[3] P. E. A. Lenard, F. Schmidt, R. Tomaschek, Phosphoreszenz und Fluoreszenz, in Handbuchder Experimentalphysik, Vol. 23, Akademie Verlagsgesellschaft, Leipzig, (1928).[4] W. Lehmann, Activators and coactivators in calcium sulde phosphors, J. Lumin., 5, 87,(1972).[5] T. Matsuzawa, Y. Aoki, N. Takeuchi, Y. Murayama, A new long phosphorescent phosphorwith high brightness, SrAl2O4:Eu2+,Dy3+, J. Electrochem. Soc., 143, 26702673, (1996).[6] K. Van den Eeckhout, P. F. Smet, D. Poelman, Persistent Luminescence in Eu2+-DopedCompounds: A Review, Materials, 3, 2536-2566, (2010).[7] K. Van den Eeckhout, D. Poelman, P. F. Smet, Persistent Luminescence in Non-Eu2+-Doped Compounds: A Review, Materials, 6, 2789-2818, (2013).[8] J. J. Fatermans, Luminescentie in Email, Pemco Brugge, Stage, (2014).[9] Q. Chermont, C. Chanac, J. Seguin, F. Pell, S. Matrejean, J.-P. Jolivet, D. Gourier, M.Bessodes, D. Scherman, Nanoprobes with near-infrared persistent luminescence for in vivoimaging, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104, 92669271, (2007).[10] P. F. Smet, K. Van den Eeckhout, A. J.J. Bos, E. van der Kolk, P. Dorenbos, Tempe-rature and wavelength dependent trap lling in M2Si5N8:Eu(M=Ca, Sr, Ba), Journal ofLuminescence 132, 682-689, (2012).[11] T. B. Shrestha, G. M. Seo, M. T. Basel, M. Kalita, H. Wang, D. Villaneuva, M. Pyle,S. Balivada, R. S. Rachakatla, H. Shinogle, P. S. Thapa, D. Moore, D. L. Troyer, S. H.Bossmann, Stemm Cell Based Photodynamic Therapy, Photochem. Photobiol. Sci., 11,1251-1258, (2012).[12] B. S. Zolnik, A. Gonzlez-Fernndez, N. Sadrieh, M. A. Dobrovolskaia, Nanoparticles andthe Immune System, Endocrinology, 151(2), 458465, (2010).[13] I. Nys, Persistente Fosforen voor in vivo Beeldvorming, Masterthesis, (2013).[14] K. Van den Eeckhout, Persistent Luminescence: Kinetics and Compounds, Doctoraat,(2012-2013).[15] W. M. Yen, S. Shionoya, H. Yamamoto, Phosphor handbook, The CRC Press, 793-814,(2007).[16] M. Born, E. Wolf, Principles of Optics; Electromagnetic Theory of Propagation, Inter-ference and Diraction of Light, 2nd ed., Cambridge University Press: Cambridge, UK,(2003).[17] M. S. Rea, J. D. Bullough, J. P. Freyssinier-Nova, and A. Bierman, A proposed uniedsystem of photometry, Light Res. Technol. , 36, 85-111, (2004).[18] D. Poelman, P. F. Smet, Photometry in the Dark: Time Dependent Visibility of LowIntensity Light Sources, Optics Express, 18, 26293-26299, (2010).[19] Y. Zhuang, Y. Katayama, J. Ueda, S. Tanabe, A Brief Review on Red to Near-Infrared Per-sistent Luminescence in Transition-Metal-Activated Phosphors, Optical Materials, (2014).[20] M. S. Rea, J. D. Bullough, J. P. Freyssinier-Nova, and A. Bierman, A Proposed UniedSystem of Photometry, Light Res. Technol., 36, 85-111, (2004).[21] P. Dorenbos, Energy of the rst 4f7-4f65d transition of Eu2+ in inorganic compounds, J.Lumines, 104, 239260, (2003).[22] X. Wang, Z. Zhang, Z. Tang, Y. Lin, Characterization and properties of a red and orangeY2O2S-based long afterglow phosphor, Mater. Chem. Phys., 80, 15, (2003).[23] S. Ye, J. Zhang, X. Zhang, X. Wang, Mn2+ activated red long persistent phosphors inBaMg2Si2O7, J. Lumines., 122-123, 914916, (2007).[24] D. D. Jia, W. Y. Jia, D. R. Evans, W. M. Dennis, H. M. Liu, J. Zhu, and W. M. Yen,Trapping processes in CaS:Eu2+,Tm3+, J. Appl. Phys. 88, 3402-3407, (2000)[25] P. F. Smet, N. Avci, D. Poelman, Red Persistent Luminescence in Ca2SiS4:Eu,Nd, Journalof the Electrochemical Society 156, 243-248, (2009)[26] X. J.Wang, D. D. Jia, andW. M. Yen, Mn2+ activated green, yellow, and red long persistentphosphors, J. Lumin., 102, 34-37, (2003).[27] K. Van den Eeckhout, P. F. Smet, D. Poelman, Persistent luminescence in rare-earthcodoped Ca2Si5N8:Eu2+, Journal of Luminescence 129, 1140-1143, (2009).[28] Z. Li, H. Zhang, H. Fu, Red long-lasting phosphorescence based on color conversion process,Optical Materials, 35, 451-455, (2013).[29] H. N. Luitel, T.Watari, T. Torikai, M. Yada, Luminescent properties of Cr3+ dopedSr4Al14O25:Eu=Dy blue-green and red phosphor, Optical Materials, 31, 1200-1204, (2003).[30] T. Maldiney, A. Lecointre, B. Viana, A. Bessiere, D. Gourier, M. Bessodes, C. Richard,D. Scherman, Trap depth optimization to improve optical properties of diopside-based na-nophosphors for medical imaging, Proceedings of SPIE 8263, Oxide-based Materials andDevices III, San Francisco, article id. 826318, (2012).[31] T. Maldiney, G. Sraiki, B. Viana, D. Gourier, C. Richard, D. Scherman, M. Bessodes, K.Van den Eeckhout, D. Poelman, P. F. Smet, In vivo optical imaging with rare earth dopedCa2Si5N8 persistent luminescence nanoparticles, Optical Materials Express 2, 261-268,(2012).[32] F. Liu, W. Yan, Y.-J. Chuang, Z. Zhen, J. Xie, Z. Pan, Photostimulated near-infraredpersistent luminescence as a new optical read-out from Cr3+-doped LiGa5O8, Scienticreports 3, article number 1554, (2013).[33] A. Bessiere, S. Jacquart, K. Priolkar, A. Lecointre, B. Viana, D. Gourier, ZnGa2O4:Cr3+:a new red long-lasting phosphor with high brightness, Opt. Express 19, 1013110137, (2011).[34] T. Maldiney, A. Bessiere, J. Seguin, E. Teston, S. K. Sharma, B. Viana, A. J. Bos, P.Dorenbos, M. Bessodes, D. Gourier, D. Sherman, C. Richard, The in vivo Activation ofPersistent Nanophosphors for Optical Imaging of Vascularization, Tumours and GraftedCells, Nature >Materials, 10.1038, NMat3908, (2014).[35] W. Nie, F.M. Michel-Chaendini, C. Linars, G. Boulon, C. Daul, New results on opticalproperties and term-energy calculation in Cr3+-doped ZnAl2O4, J. Lumin. 46, 117190,(1990).[36] D. Errandonea, R. S. Kumar, F. J. Manjn, V. V. Ursaki, and E. V. Rusu, Post-spineltransformations and equation of state in ZnGa2O4: Determination at high pressure by insitu x-ray diraction, Phys. Rev. B 79(2), 024103, (2009).[37] C. M. Mutlu, H. G. Jaari, S. Aksoy, S. I. Shah, T. Firat, Synthesis and Characterizationof ZnGa2O4 Particles Prepared by Solid State Reaction, Journal of Alloys and Compounds,549, 303-307, (2013).[38] R. D. Shannon and C. T. Prewitt, Eective ionic radii in oxides and uorides, ActaCrystallogr. B 25(5), 925946, (1969).[39] P. Dhak, U. K. Gayen, S. Mishra, P. Pramanik, and A. Roy, Optical emission spectra ofchromium doped nanocrystalline zinc gallate, J. Appl. Phys. 106(6), 063721, (2009).[40] M. Allix, S. Chenu, E. Vron, T. Poumeyrol, E. Kouadri-Boudjelthia, S. Alahrach, F.Porcher, D. Massiot, F. Fayon, Considerable improvement of long-persistent luminescencein germanium and tin substituted ZnGa2O4, Chem. Mater., 25, 16001606, (2013).[41] A. Abdukayum, J. Chen, Q. Zhao, X. Yan, Functional near infrared-emitting Cr3+/ Pr3+co-doped zinc gallogermanate persistent luminescent nanoparticles, J. Am. Chem. Soc.,135, 1412514133, (2013).[42] I. J. Hsieh, K. T. Chu, C. F. Yu, and M. S. Feng, Cathodoluminescent characteristics ofZnGa2O4 phosphor grown by radio frequency magnetron sputtering, J. Appl. Phys., 76(6),37353739, (1994).[43] S. K. Sahoo, S. Parveen, J. J. Panda, The Present and Future of Nanotechnology in HumanHealth Care, Nanomedicine, 3(1), 20-31, (2007).[44] F. Alexis, E. Pridgen, L. K. Molnar, O. C. Farokhzad, Factors Aecting the Clearance andBiodistribution of Polymeric Nanoparticles, Molecular Pharmaceutics 5, 505-515, (2008).[45] S. Zhang, J. Li, G. Lykotratis, G. Bao, S. Suresh, Size-Dependent Endocytosis of Nano-particles, Advanced materials, 21, 419-424, (2008).[46] S. J. Soenen, P. Rivera-Gil , J.-M. Montenegro, W. J. Parak, S. C. De Smedt, K. Braeckmans,Cellular toxicity of inorganic nanoparticles: Common aspects and guidelines for im-proved nanotoxicity evaluation, Nano Today, 6, 446-465, (2011).[47] G. Prencipe, S. M. Tabakman, K. Welsher, Z. Liu, A. P. Goodwin, L. Zhang, J. Henry, H.Dai, PEG Branched Polymer for Functionalization of Nanomaterials with Ultralong BloodCirculation, J. Am. Chem. Soc., 131(13), 4783-7, (2009).[48] K. N. Satish, G. Padmaja, K. T. Praveen, L. Ying-Ying, M. L. Forrest, C. J. Berkland,Nanoparticles for Biomedical Imaging, Expert Opin Drug Deliv., 6(11), 11751194, (2009).[49] J. F. Hainfeld, D. N. Slatkin, T. M. Focella, H. M. Smilowitz, Gold nanoparticles: a newX-ray contrast agent, Br J Radiol., 79(939), 24853, (2006).[50] J. S. Kim, J. S. Kim, H. L. Park, Optical and Structural Properties of NanosizedZnGa2O4:Cr3+ Phosphor, Solid State Communications, 131, 735738, (2004).[51] J. T. Randall, M. H. Wilkins, Phosphorescence and electron traps. I. The study of trapdistributions, Proc. Roy. Soc. Lond. A 184, 366, (1945).[52] G. F. Garlick, A. F. Gibson, The electron trap mechanism of luminescence in sulphide andsilicate phosphors, Proc. Phys. Soc. 60, 574, (1948).[53] C. E. May, J. A. Partridge, Thermoluminescence kinetics of alpha irradiated alkali halides,J. Chem. Phys. 40, 1401, (1964).[54] M. N. Berberan-Santos, E. N. Bodunov, B. Valeur, Mathematical functions for the analysisof luminescence decays with underlying distributions: 2 Becquerel (compressed hyperbola)and related decay functions, Chemical Physics, 317, 57-62, (2005).[55] F. Urbach, Winer Ber., IIa 139, 363, (1930).[56] C. Furetta, Handbook of Thermoluminescence, World Scientic Publishing, (2010).[57] K. Korthout, P. F. Smet, D. Poelman, Rare earth doped core-shell particles as phosphorfor warm-white light-emitting diodes, Applied Physics Letters 98, 261919, (2011).[58] W. Mikenda and A. Preisinger, N-lines in the luminescence spectra of Cr3+-doped spinels:I. Identication of N-lines, J. Lumin. 26(1-2), 5366, (1981).[59] S. C. Abrahams, J. L. Bernstein, Remeasurement of the Structure of hexagonal ZnO, ActaCrystallographica B (24,1968-38,1982), 25, 1233-1236, (1969).[60] F. Litimein, D. Rached, R. Khenata, H. Baltache, FPLAPW Study of the Structural,Electronic and Optical of Ga2O3: Monoglinic and Hegagonal Phases, Journal of Alloysand Compounds, 488, 148-156, (2010).[61] R. E. Newnham, Y. M. de Haan, Renement of the alpha Al2O3, Ti2O3, V2O3 and Cr2O3Structures, Zeitschrift fuer Kristallographie, Kristallgeometrie, Kristallphysik, Kristallchemie(-144,1977), 117, 235-237, (1962).[62] L. W. Finger, R. M. Hazen, Crystal structure and compression of ruby to 46 kbar, Journalof Applied Physics, 49, 5823-5826, (1978).[63] Y. le Page, G. Donnay, Renement of the Crystal Structure of Low-Quartz, Acta CrystallographicaB, 32, 2456-2459, (1976).[64] A. Patterson, The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination, Phys. Rev.,56(10), 978982, (1939).[65] Z. Li, Y. Zhang, X. Wu, L. Huang, D. Li, W. Fan, G. Han, Direct Aqueous-Phase Synthesisof Sub-10 nm Luminous Pearls with Enhanced in vivo Renewable Near-Infrared PersistentLuminescence, Journal of the American Chemical Society, 137 (16), 53045307, (2015).[66] W. Zhang, J. Zhang, Z. Chen, T. Wang, and S. Zheng, Spectrum designation and eectof Al substitution on the luminescence of Cr3+ doped ZnGa2O4 nano-sized phosphors, J.Lumin. 130(10), 17381743, (2010).[67] H. M. Kahan and R. M. Macfarlane, Optical and microwave spectra of Cr3+ in the spinelZnGa2O4, J. Chem. Phys., 54(12), 51975205, (1971).[68] Y. Zhuang, J. Ueda, S. Tanabe, Enhancement of red persistent luminescence in Cr3+-dopedZnGa2O4 phosphors by Bi2O3 codoping, Appl. Phys. Express, 6, 052602, (2013).[69] S. K. Sharma, A. Bessiere, N. Basavaraju, K. R. Priolkar, L. Binet, B. Viana, D. Gourier,Interplay between Chromium Content and Lattice Disorder on Persistent Luminescence ofZnGa2O4:Cr3+, Journal of Luminescence, 155, 251-256, (2014).[70] W. Mikenda, A. Preisinger, N-lines in the luminescence spectra of Cr3+ -doped spinels: IIorigins of N-lines, J.Lumin., 26(67), (1981).[71] T. Kippeny, L. A. Swaord, Semiconductor Nanocrystals: A Powerful Visual Aid forIntroducing the Particle in a Box, J. Chem. Educ., 79(9), 1094-1100, (2002).[72] H. Dixit, N. Tandon, S. Cottenier, R. Saniz, D. Lamoen, B. Partoens, V. Van Speybroeck,M. Waroquier, Electronic Structure and Band Gap of Zink Spinel Oxides beyondLDA:ZnAl2O4, ZnGa2O4 and ZnIn2O4, New Journal of Physics, 13, (2011).[73] P. Kubelka, F. Munk, Ein Beitrag zur Optik der Farbanstriche, Zeits. f. Techn. Physik, 12,593601, (1931).[74] B. Liu, C. Shi, M. Yin, L. Dong, Z. Xiao, The Trap States in the Sr2MgSi2O7 and(Sr,Ca)MgSi2O7 long Afterglow Phosphor Actived by Eu2+ and Dy3+, Journal of Alloysand Compounds, 387, 65-69, (2005).[75] K. S. Gibson, E. P. Tyndall, Visibility of Radiant Energy, Scientic Papers of the Bureauof Standards, 19, 131-191, (1923).[76] Commission Internationale de l'Eclairage Proceedings, Cambridge, Cambridge UniversityPress.[77] S.-H. Yang, M. Yokoyama, Enhanced Luminance of ZnGa2O4 Phosphor by In2O3 Doping,Journal of Vacuum Science Technology, 19, 2463, (2001).

Universiteit of Hogeschool
Master Fysica & Sterrenkunde
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: