Generasi Reaktif Oksigen yang Ditingkatkan oleh Nanopartikel GdVO4:Eu3+ dan Kompleks Metilen Biru di bawah Sinar UV–Vis dan X‑ray

Abstract

Studi ini menyelidiki generasi reaktif oksigen (ROS) dalam larutan air yang mengandung nanoparticle gadolinium orthovanadate GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) dan kompleksnya dengan metilen biru (MB). Dengan pembentukan konjugat‑diena, deteksi radikal hidroksil dengan kumerin, dan pemantauan oksigen tunggal melalui ADPA, kami membandingkan produksi ROS di bawah sinar UV–Vis dan X‑ray. Kompleks VNPs–MB menghasilkan tingkat tinggi radikal hidroksil dan oksigen tunggal saat diiluminasi dengan cahaya UV–Vis, berkat transfer energi non‑radiatif yang efisien dari VNPs ke MB. Sebaliknya, di bawah paparan X‑ray, VNPs menyerap radikal hidroksil, sebuah pengamatan baru untuk kelas material ini. Temuan ini menunjukkan bahwa kompleks VNPs–MB dapat berfungsi sebagai agen untuk terapi fotodinamis yang diaktifkan X‑ray.

Background

Terapi radiasi (RT) memperlakukan sekitar setengah dari semua pasien kanker, bergantung besar pada kerusakan DNA tidak langsung yang dihasilkan oleh ROS yang dihasilkan selama radiolisis air. Nanopartikel nomor atom tinggi (Au, Ag, Hf, Gd, Ti) dan nanoparticle semikonduktor (TiO₂, ZnO, CuO, CeO₂, Al₂O₃, ZnS) meningkatkan RT dengan memperkuat produksi ROS melalui interaksi fotoelektrik dan Compton. Sebagian besar, nanoparticle semikonduktor menghasilkan ROS di bawah sinar UV melalui pemisah penangkap muatan: lubang mengoksidasi air untuk menghasilkan radikal hidroksil, sementara elektron mengurangi oksigen menjadi superoxide, yang dapat membentuk oksigen tunggal lebih lanjut. Nanopartikel scintillating juga dapat mentransfer energi yang diinduksi X‑ray ke photosensitizer, memungkinkan terapi fotodinamis (PDT) jaringan dalam. Pekerjaan sebelumnya menunjukkan bahwa nanoparticle GdVO₄:Eu³⁺ (VNPs) dapat mentransfer energi eksitasi ke metilen biru, menyarankan potensi sebagai agen PDT yang diaktifkan X‑ray.

Experimental

Chemicals

Semua reagen adalah grade analitis; GdCl₃·6H₂O, EuCl₃·6H₂O, NaVO₃, dan metilen biru (MW = 373,90 g mol⁻¹) digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.

Synthesis of GdVO₄:Eu³⁺ Nanoparticles

Koloid Gd₀.₉Eu₀.₁VO₄ disiapkan oleh co‑precipitasi GdCl₃, EuCl₃, EDTA, dan Na₃VO₄ di bawah reflux (100 °C, 24 jam). Dispersi yang dihasilkan didialisis (MWCO 12 kDa) selama 24 jam untuk menghilangkan ion berlebih.

Characterization

TEM mengungkap VNPs berbentuk tumbuk (8 × 25 ± 5 nm). DLS memberikan diameter hidrodinamis rata‑rata 44 ± 0,3 nm. Potensi zeta adalah –18,75 ± 0,15 mV pada pH 7,8, mencerminkan capping permukaan EDTA. Absorpsi UV–Vis menampilkan pita lebar (250–350 nm) dari transfer muatan O→V dan pita emissi Eu³⁺ yang red‑shifted. Analisis TAC menghasilkan band gap 4,13 eV, lebih tinggi dari yang dilaporkan untuk bubuk partikel lebih besar, menunjukkan efek ukuran kuantum.

Preparation of VNPs–MB Complexes

MB (10 µM) dicampur dengan VNPs (0,1–10 mg mL⁻¹) dalam larutan air, diaduk selama 1 jam, dan kompleks yang dihasilkan memiliki konsentrasi MB terikat permukaan 10 µM.

ROS Detection Methods

Conjugated‑Diene Test: Liposom PC (1,2 mmol L⁻¹) dioksidasi oleh ROS, dipantau pada 234 nm setelah 30 menin sinar UV (310–400 nm, 43 W cm⁻²).

Hydroxyl Radical Assay: Kumerin (0,1 mmol L⁻¹) diiradiasi dengan laser 325 nm (1 jam) atau sinar X 30 kV (30 menit). Fluoresensi 7‑hidroksikumerin (λₘₐₓ ≈ 460 nm) mengukur OH•.

Singlet‑Oxygen Assay: ADPA (10 µM) fluoresensi (excitasi 378 nm) dipadamkan oleh oksigen tunggal yang dihasilkan di bawah sinar laser 457 nm (50 mW, 30 menit).

Results and Discussion

VNPs Characterization

VNPs berbentuk tumbuk menunjukkan struktur zircon tetragonal (XRD). Ukuran kecilnya menyebabkan edge absorpsi yang blue‑shifted, menjelaskan band gap yang diukur 4,13 eV.

ROS Generation under UV–Vis

Pembentukan konjugat‑diena terbesar dalam kompleks VNPs–MB, diikuti oleh VNPs sendirian, MB sendirian, dan kontrol. Hierarki ini mencerminkan: (1) produksi radikal hidroksil dan oksigen tunggal yang didorong VNP; (2) generasi oksigen tunggal yang dimediasi MB; dan (3) transfer energi sinergis dari VNPs ke MB dalam kompleks. Assay radikal hidroksil mengonfirmasi bahwa VNPs sendirian menghasilkan OH• yang signifikan di bawah UV, sedangkan kompleks VNPs–MB menghasilkan setengah jumlah itu, kemungkinan karena adsorpsi MB melindungi air permukaan dan mengalihkan rekombinasi lubang‑elektron ke eksitasi MB. Assay oksigen tunggal menunjukkan peningkatan dua kali dalam pemadaman ADPA untuk kompleks VNPs–MB versus MB atau VNPs sendirian, mengonfirmasi transfer energi yang efisien.

ROS Generation under X‑ray Irradiation

Sebaliknya dengan UV, paparan X‑ray mengakibatkan reduksi fluoresensi 7‑hidroksikumerin untuk larutan VNP, yang menunjukkan penyerapan OH• oleh VNPs. Efek ini meningkat dengan konsentrasi VNP yang lebih tinggi dan merupakan laporan pertama tentang nanoparticle GdVO₄:Eu³⁺ bertindak sebagai penyerap ROS di bawah kondisi sinar X. Mekanisme dasar mungkin melibatkan penangkapan elektron oleh VNPs atau neutralisasi radikal yang dimediasi permukaan, serupa dengan perilaku yang diketahui dari nanoparticle CeO₂.

Conclusions

Nanopartikel GdVO₄:Eu³⁺ dan kompleks metilen birunya menunjukkan produksi ROS yang signifikan di bawah sinar UV–Vis, menggabungkan jalur radikal hidroksil dan oksigen tunggal. Di bawah paparan sinar X, VNPs secara unik menyerap radikal hidroksil. Kemampuan ganda ini memosisikan kompleks VNPs–MB sebagai kandidat yang menjanjikan untuk terapi fotodinamis yang diaktifkan X‑ray.

Abbreviations

• MB – Metilen Biru
• PS – Photosensitizer
• ROS – Reaktif Oksigen
• VNPs – Nanopartikel GdVO₄:Eu³⁺