Синтез и физико-химические свойства наночастиц оксида тантала и водных дисперсий на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кошевая Екатерина Дмитриевна

• Кошевая Екатерина Дмитриевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Кошевая Екатерина Дмитриевна

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Физико-химические свойства материалов на основе пентаоксида тантала

1.2 Методы синтеза НЧ оксида тантала в растворе

1.3 Агрегативная устойчивость дисперсных систем

1.4 Применение НЧ оксида тантала в медицине

1.4.1 Биосовместнимость НЧ оксида тантала

1.4.2 Контрастные агенты на основе НЧ оксида тантала

1.4.3 Радиосенсибилизаторы на основе НЧ оксида тантала

1.5 Перспективы использования НЧ оксида тантала в медицине

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Описание используемых материалов и реактивов

2.2 Методики синтеза материалов

2.2.1 Сольвотермальный (СТ) синтез НЧ

2.2.2 Золь-гель (ЗГ) синтез НЧ

2.3 Методы исследования материалов

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ

СВОЙСТВА НЧ Ta2O5, Ta2O5:Eu, Ta2O5:Er/Yb

3.1. Результаты синтеза НЧ и их физико-химическая характеризация

3.1.1. Сольвотермальный (СТ) метод

3.1.2 Золь-гель (ЗГ) метод

3.2 Исследование структуры НЧ

3.2.1 Температурная эволюция структуры оксида тантала

3.2.2 Уточнение параметров элементарной ячейки методом Ритвельда

3.2.3 Изучение зарядового состояния и локального окружения ионов металлов

3.3 Люминесцентные характеристики НЧ Ta2O5:Eu, Ta2O5:Er/Yb

3.3.1 Ta2O5:Eu

3.3.2 Ta2O5:Er/Yb

3.4 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ ЗОЛЕЙ Ta2O5, Ta2O5:Eu, Ta2O5:Er/YЪ

4.1 Поверхностные свойства и устойчивость водных золей на основе НЧ оксида тантала

4.1.1 Приготовление водных золей

4.1.2 Электрокинетические свойства частиц в водных дисперсиях

4.1.3 Кислотно-основные свойства поверхности частиц

4.1.4 Кинетика коагуляции золя

4.1.5 Расчеты энергии парного взаимодействия частиц

4.2 Изучение долговременной устойчивости водных золей

4.3 Выводы по главе

ГЛАВА 5. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ ЗОЛЕЙ Ta2O5 В МЕДИЦИНЕ

5.1 Устойчивость НЧ к деградации в кислых и щелочных средах (рН 2-8)

5.2 Исследование токсичности водных дисперсий

5.3 Рентгеноконтрастные свойства золя

5.4 Радиосенсибилизирующие свойства золя

5.5 Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

БЛАГОДАРНОСТИ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (тексты основных публикаций по теме исследования)

РЕФЕРАТ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы исследования.

В последнее десятилетие особое внимание исследователей привлекает разработка мультифункциональных тераностических (терапия+диагностика) платформ, которые представляют собой синтетические наноразмерные объекты и позволяют комбинировать функции адресной доставки препарата, детектирования и терапии заболеваний. Наночастицы (НЧ) оксида тантала обладают всем необходимым набором свойств для создания тераностических агентов на их основе. Так, высокий коэффициент поглощения рентгеновского излучения [1] позволяет использовать НЧ Ta2O5 для локальной радиосенсибилизации в лучевой терапии (ЛТ) злокачественных новообразований. При этом НЧ в опухоли могут быть визуализированы методом рентгеновской компьютерной томографии (КТ). Кроме того, допирование матрицы оксида редкоземельными элементами (РЗЭ) открывает возможности использования НЧ Ta2O5 для высокоточной люминесцентной диагностики in vivo. В частности, можно создать условия для антистоксовой (ап-конверсионной) люминесценции НЧ, что является неоспоримым преимуществом для биовизуализации: возбуждающее инфракрасное (ИК) излучение обеспечивает глубокое неповреждающее проникновение в ткани (окно прозрачности биологических тканей 700-1200 нм), при этом минимизируется их автолюминесценция. Также ап-конверсионно люминесцирующие НЧ обеспечивают высокую фотостабильность и узкие полосы излучения.

Чтобы обеспечить максимальный эффект, разрабатываемые тераностические агенты должны формировать устойчивые водные дисперсии, иметь размеры ядра до 100 нм (для проникновения НЧ в клетку) и обладать низкой цитотоксичностью. Однако в научной литературе отсутствует описание способа приготовления устойчивых водных дисперсий на основе НЧ оксида тантала с немодифицированной поверхностью (без использования стабилизаторов). Данный факт препятствует изучению фундаментальных характеристик поверхности НЧ

Та205 и, соответственно, установлению зависимости функциональных свойств материалов от структурно-морфологических и поверхностных параметров частиц дисперсной системы. Отсутствие точно установленных зависимостей «состав -строение - функциональные свойства», в свою очередь, затрудняет направленный дизайн функциональных материалов на основе НЧ Та205, в частности, тераностических агентов.

Целью данной работы являлась разработка методики синтеза НЧ оксида тантала, а также способа получения агрегативно устойчивых гидрозолей на их основе, исследование физико-химических, коллоидных и функциональных свойств, оценка возможности применения их для решения актуальных задач медицины.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать методики синтеза НЧ оксида тантала, в том числе допированных Ей и Er/Yb, определить влияние параметров сольвотермального (СТ) и золь-гель (ЗГ) синтезов на размер НЧ и способность к формированию устойчивых дисперсий;

2. Определить закономерности формирования структуры оксида тантала, в том числе допированного Ей и Er/Yb, изучить люминесцентные свойства, установить зависимости «состав - строение - оптические свойства» НЧ;

3. Изучить влияние различных параметров дисперсионной среды, а также состава НЧ (Та205, Та205:Еи и Ta2O5:Er/YЪ) и ультразвуковой обработки на электроповерхностные характеристики и агрегативную устойчивость водных дисперсий оксида тантала;

4. Разработать методику получения устойчивых гидрозолей на основе синтезированных НЧ без использования ПАВ или пептизаторов, изучить основные коллоидно-химические характеристики дисперсий;

5. Провести теоретическое исследование процессов межчастичных взаимодействий оксида тантала в водных дисперсиях, определить факторы, обусловливающие агрегативную устойчивость гидрозолей;

6. Определить влияние НЧ оксида тантала на биологические модели in vitro и in vivo, оценить токсичность, рентгеноконтрастные и радиосенсибилизирующие свойства НЧ.

Научная новизна:

Разработаны оригинальные методики синтеза НЧ Ta2O5, как чистых, так и допированных РЗЭ. Частицы имеют размер от 20 до 30 нм, в зависимости от метода синтеза. Установлен характер влияния различных условий СТ и ЗГ синтеза на размер частиц и способность к формированию устойчивых органо- и гидрозолей;

Установлена зависимость структурных, электроповерхностных, кислотно-основных и оптических свойств НЧ Ta2O5 от природы и концентрации допирующего РЗЭ (Eu, Er/Yb);

Впервые разработан способ получения агрегативно устойчивых водных золей на основе НЧ оксида тантала без использования поверхностно-активных веществ (ПАВ) и пептизаторов, сохраняющих свои характеристики не менее 4 месяцев. Полученные золи характеризуются нейтральным рН и гидродинамическим диаметром от 60 до 120 нм, концентрация твердой фазы устойчивых золей до 20 мг/мл. Изучены физико-химические и коллоидно-химические характеристики дисперсий. Показано, что водные золи не оказывают токсического действия на клеточные культуры и мышей, а также демонстрируют высокие рентгеноконтрастные (450 HU для 20 мг/мл) и радиосенсибилизирующие свойства (Коэффициент усиления (КУ) равен 2 при дозе облучения 4 Гр);

Впервые проведены расчеты парной энергии взаимодействия частиц оксида тантала от расстояния между ними в рамках теории устойчивости лиофобных коллоидов Дерягина - Ландау - Фервея - Овербека (ДЛФО). Изучены процессы адсорбции электролитов на границе раздела фаз твердое тело-раствор, впервые произведена оценка констант поверхностного комплексообразования НЧ в растворе электролита.

Практическая значимость работы:

Разработаны оригинальные методики получения спиртовых и водных дисперсий на основе НЧ оксида тантала, что подтверждено 2 патентами РФ.

Практическая значимость работы заключается в возможности масштабирования процесса синтеза устойчивых нетоксичных золей НЧ Та205, обладающих рентгеноконтрастными и радиосенсибилизирующими свойствами, для потенциального использования в диагностике (компьютерная томография) и терапии онкологических заболеваний (лучевая терапия). Также описаны методы получения стоксовых и антистоксовых люминофоров на основе НЧ Та205.

Положения, выносимые на защиту:

Условия СТ (время и температура выдержки, состав дисперсионной среды) и ЗГ (концентрация прекурсора, скорость гидролиза) синтезов определяют размер формируемых частиц (Та205, Та205:Еи и Ta2O5:Er/YЪ) и их способность к образованию устойчивых коллоидных дисперсий.

Результаты анализа влияния метода синтеза, состава частиц (наличие и вид допанта) и температуры обработки на структурные, морфологические и люминесцентные характеристики НЧ оксида тантала.

Зависимости физико-химических и коллоидных характеристик водных дисперсий оксида тантала от параметров дисперсионной среды (рН, концентрация фонового электролита, температура), состава частиц (наличие и вид допанта) и длительности ультразвуковой обработки.

Механизм взаимодействия и обоснование агрегативной устойчивости НЧ оксида тантала в водных дисперсиях, определенные на основании зависимостей энергии межчастичного взаимодействия от концентрации электролита и рН, полученных в рамках классической теории ДЛФО.

Отсутствие значительной цитотоксичности и острой токсичности непокрытых НЧ оксида тантала сферической формы размером 30 нм. Присутсвие НЧ в тканях организма приводит к усилению поглощения рентгеновского излучения и снижению выживаемости клеток при облучении.

Достоверность результатов и выводов

Достоверность результатов обеспечена использованием современного научного оборудования и физико-химических методов анализа, непротиворечивостью экспериментально полученных результатов

фундаментальным научным представлениям в данной области и воспроизводимостью данных. Также подтверждениеdм достоверности полученных результатов может служить рецензирование статей по материалам диссертации в международных научных журналах, представление результатов и выводов на конференциях всероссийского и международного уровня.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и физико-химические свойства наночастиц оксида тантала и водных дисперсий на их основе»

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

International conference «Materials science of the future: research, development, scientific training (MSF'2022)», Нижний Новгород, 2022; International Conference «Functional Materials (ICFM-2021)», Алушта, 2021; Международная молодежная научная конференция «Современные тенденции развития функциональных материалов», Сочи, 2021; X Всероссийская конференция «Керамика и композиционные материалы», Сыктывкар, 2021; XII International conference on Chemistry for Young Scientists «Mendeleev 2021», Санкт-Петербург, 2021; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2021», Москва, 2021; X Конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2021; Международная конференция стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель 2020», Самарканд, 2020; XIX Всероссийская молодежная научная конференция с элементами научной школы -«Функциональные материалы: синтез, свойства, применение», Санкт-Петербург, 2020; VII Всероссийская конференция по наноматериалам, Москва, 2020; XXIII Всероссийская конференция молодых учёных-химиков (с международным участием), Нижний Новгород, 2020; IX Конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2020; XVII Молодежная научная конференция ИХС РАН, Санкт-Петербург, 2019; III International School-Conference «Applied Nanotechnology & Nanotoxicology» (ANT-2019), ^чи, 2019; 20th International Sol-Gel Conference, Санкт-Петербург, 2019; IV Российская конференция по медицинской химии с международным участием «МедХим-Россия 2019», Екатеринбург, 2019; Научно-

практическая конференция «Февральские чтения» по итогам научно-исследовательской работы Сыктывкарского лесного института в 2018 году, Сыктывкар, 2018; Russian-German travelling seminar «Nanomaterials and Large-Scale Research Centers», Munich-Vienna-Trieste, 2018; V Международная конференция стран СНГ «Золь-гель синтез и исследование неорганических соединений, гибридных функциональных материалов и дисперсных систем «Золь-гель 2018», Санкт-Петербург, 2018; III Всероссийская (XVIII) молодежная научная конференция «Молодежь и наука на Севере», Сыктывкар, 2018.

Структура и объем диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка сокращений и условных обозначений, списка цитируемой литературы (207 наименований). Общий объем работы 243 страницы, включая 51 рисунок, 22 формулы и уравнения и 19 таблиц.

Публикации и личный вклад автора:

По теме диссертации опубликовано 36 работ, из них 5 статей в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК и индексируемых в Web of Science и Scopus, 1 статья в издании, индексируемом в РИНЦ, 26 тезисов докладов, 2 патента РФ. Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в постановке задач, планировании и проведении экспериментов, обработке и обсуждении полученных результатов, написании публикаций. Подавляющее большинство представленных в диссертации результатов получены непосредственно автором работы или при его участии.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, описаны научная новизна и практическая значимость исследования, представлены положения, выносимые на защиту.

В главе 1 обобщены и проанализированы литературные данные по теме исследования. Описаны основные свойства оксида тантала, особенности его кристаллической структуры, приведены способы синтеза НЧ на его основе. Подчеркнута необходимость разработки методов синтеза НЧ с чистой

поверхностью, способных формировать устойчивые водные дисперсии. Показаны преимущества ЗГ и СТ синтеза для получения НЧ без использования ПАВ и пептизаторов. Рассмотрены факторы, определяющие агрегативную устойчивость водных дисперсных систем, обсуждаются основы теории ДЛФО. Приведены примеры использования НЧ в качестве контрастных агентов (КА) и радиосенсибилизаторов, сформулированы основные требования к ним. Проведено обоснование цели и задач настоящего исследования.

Глава 2 содержит описание методов синтеза НЧ оксида тантала, как чистого, так и допированного РЗЭ, с использованием ЗГ и СТ подходов. Приведено описание методов исследования свойств полученных материалов.

СТ синтез НЧ осуществляли путем высокотемпературной обработки раствора этилата тантала в изопропиловом спирте (ИПС) в герметично закрытом сосуде-автоклаве. ЗГ синтез НЧ Ta2O5 проводился путем гидролиза этилата тантала. В данной работе были реализованы 2 подхода: прямой гидролиз, при котором вода вводилась в систему через раствор соляной кислоты, а также контролируемый гидролиз этоксида тантала, при котором вода в систему поступала в результате реакции этерификации между изопропиловым спиртом и уксусной кислотой. В качестве дисперсионной среды использовался ИПС. Для СТ и ЗГ синтеза образцов, содержащих РЗЭ, соответствующее количество ацетатов металлов предварительно растворяли в ИПС, после чего осуществляли добавление прекурсора.

Водные дисперсии с концентрацией 0.2-20 мг/мл формировалась на основе органозолей, полученных СТ методом, путем замены спиртовой дисперсионной среды на водную медленным выпариванием органического растворителя при нагреве (Т=65-75°С) и перемешивании. Порошковые образцы получали сушкой гелей/золей до сухого остатка при 60° с последующей часовой выдержкой при Т=105°С. Чтобы сохранить высокую удельную площадь поверхности ряд гелей высушивали в атмосфере сверхкритического СО2. Для формирования упорядоченной кристаллической решетки часть образцов подвергали отжигу при 700-800° (выдержка 1 ч, скорость нагрева 5°С/мин) в воздушной атмосфере.

Суспензии готовились путем добавления навески порошка к водному раствору хлорида натрия.

Гидродинамический диаметр частиц определяли методом динамического рассеяния света (ДРС). Величину дзета потенциала определяли методом лазерного доплеровского микроэлектрофореза. Фазовый состав и структуру образцов изучали при помощи метода порошковой рентгеновской дифракции. Микроструктура полученных материалов изучалась при помощи методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Термические свойства образцов исследовали методом синхронного термического анализа (СТА). Для определения функциональных групп на поверхности частиц использовали ИК-спектроскопию. Элементный состав образцов изучали методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС). Зарядовое состояние и локальное окружение элементов-металлов в структуре оксида изучали при помощи EXAFS/XANES-спектроскопии. Метод низкотемпературной адсорбции-десорбции азота использовался для изучения текстурных характеристик полученных материалов. Изучение кислотно-основных свойств поверхности проводилось при помощи метода потенциометрического титрования, расчет констант поверхностного комплексообразования (рК^) осуществлен в рамках концепции Дэвиса - Джеймса - Лекки. Расчет энергии парного взаимодействия частиц проводили по классической теории ДЛФО. Токсичность водных золей оксида тантала изучалась при помощи стандартного МТТ теста (in vitro) и теста на острую токсичность (in vivo). Рентгеноконтрастные свойства НЧ в фантомном и in vivo экспериментах изучались при помощи метода рентгеновской компьютерной томографии. Радиосенсибилизирующее действие НЧ Ta2O5 на модели плазмидной ДНК изучалось при помощи гель-электрофореза, выживаемость клеток после облучения оценивали при помощи МТТ-теста.

Глава 3 посвящена исследованию влияния условий синтеза на дисперсность НЧ оксида тантала и способность к формированию устойчивых органо- и гидрозолей, обсуждению механизмов реакций, подбору условий получения

высокодисперсных порошков, изучению физико-химических и люминесцентных свойств полученных систем.

В разделе 3.1 описывается подбор условий получения спиртовых дисперсий (органозолей и органогелей) на основе НЧ оксида тантала.

Установлено, что СТ обработка смеси прекурсоров в ИПС при 200° в течение 12 ч является оптимальной для получения устойчивых органо- и гидрозолей НЧ. Частицы, синтезированные при данных условиях, имеют форму, близкую к сферической, и размер 30 нм (Рисунок 1а). Выявлены факторы (увеличение времени выдержки и добавление воды в дисперсионную среду), способствующие образованию крупных микронных частиц (Рисунок 1б). Отмечено, что такие образцы представляют собой не золи, а суспензии, и не способны формировать устойчивые дисперсии НЧ после замены дисперсионной среды.

Также в работе было исследовано влияние

Рисунок 1 - ПЭМ изображение различных условий ЗГ синтеза на свойства НЧ. ^ц Та205, полученных СТ

По данным о величине удельной площади методом

поверхности было выделено три фактора, способствующих росту дисперсности образцов: уменьшение скорости гидролиза, увеличение концентрации прекурсора, сушка гелей в условиях сверхкритического С02. В результате были подобраны условия синтеза частиц, имеющих узкое распределение по размерам и сохраняющих высокую удельную площадь поверхности даже после высокотемпературной обработки (800°). Согласно ПЭМ, закристаллизованные материалы представляют собой трехмерную пористую сеть, представленную соединенными между собой высокодисперсными частицами Та205 со средним размером порядка 20 нм (Рисунок 2). Результаты изучения текстурных характеристик образцов представлены в Таблице 1.

Рисунок 2 - ПЭМ изображение НЧ Ta2O5, полученных ЗГ методом

Таблица 1 - Текстурные характеристики образцов

Образец Удельная поверхность abet, м /г Объем пор 3 VBJH, см /г Радиус пор Rbjh, нм

ЗГ (сушка на воздухе), 200° 6 0.005 0.8

ЗГ (сушка в св.кр. CO2), 200° 99 0.24 1.6

ЗГ (сушка в св.кр. CO), 800° 45 0.03 1.0

СТ, 200° 72 0.07 2.6

СТ, 800° 12 0.04 2.0

Раздел 3.2 посвящен изучению особенностей структурных и люминесцентных свойств НЧ Ta2O5, Ta2O5:Eu, Ta2O5:Er/Yb. Показано, что все полученные образцы, без дополнительной термообработки, представляют собой аморфную фазу оксида тантала (Рисунки 1, 2). Изучение температурной эволюции структуры НЧ методами СТА и рентгеновской дифракции показало, что структура остается рентгеноаморфной при температурах отжига <700°С. Термообработка образцов при 700° приводит к формированию гексагональной ¿-фазы, при 800° -ромбической T- фазы Ta2O5. На Рисунке 3 представлены порошковые рентгенограммы образцов, полученных с использованием Курчатовского источника синхротронного излучения. Образцы были термически обработанны при 800°. Результаты показали, что в изученном диапазоне концентраций (0.53 мол.% Eu, 0.5-1.5 мол.% Er/Yb), все образцы, вне зависимости от метода синтеза, являются монофазными и кристаллизуются в Т-фазе ромбического оксида тантала (пространственная группа Pmm2). Структурные параметры частиц Ta2O5 были уточнены Методом Ритвельда (COD ID 1540126). Результаты для образцов с максимальной изученной концентрацией представлены в Таблице 2.

а)

I

I-

^

л I-

о о

X

со ^

о

X

0)

Та2О5 (х мол.%)

X 1 Г А А« Л_ - . _ СТ, х=2

А « . . СТ, х=0.5 • СТ, х=0

> ЗГ, х=3

ЗГ, х=2

и

1лХ»<

ЗГ, х=0.5 ЗГ, х=0

Та2О5 :Ег/УЬ (х м ол.%/х мол.%) СТ, х=1.5

10 15 20

25 30 2©

35 40 45 50

10 15 20

25 30 2©

35 40 45 50

Рисунок 3 - Рентгенограммы чистых и допированных частиц Та205, синтезированных ЗГ и СТ методами и термически обработанных при 800°С: а) Та205:Еи (0.5-3 мол.%); б) Та205:Бг/УЬ (0.5/0.5-1.5/1.5 мол.%)

Таблица 2 - Структурные параметры образцов Та205, Та205:Еи (3 мол.%),

Га205:Ег/УЬ (1.5/1.5 мол.%)

Состав Параметры ячейки

а, А ь, А с, А V, А3

ЗГ, Та205 43.833(4) 3.8910(4) 6.2320(8) 1062.9(2)

ЗГ, Та205:Еи 43.8660(4) 3.89135(3) 6.23184(11) 1063.76(2)

ЗГ, Та205:Ег/УЬ 43.9522(5) 3.88914(3) 6.24513(10) 1067.52(2)

СТ, Та205 43.881(4) 3.8934(4) 6.2335(7) 1064.97(19)

СТ, Та205:Еи 43.8818(5) 3.89125(3) 6.23665(11) 1064.94(2)

СТ, Та205:Ег/УЬ 43.9354(4) 3.89139(2) 6.24181(10) 1067.16(2)

Показано, что допирование лантаноидами приводит к увеличению параметров элементарной ячейки оксида тантала. Согласно данным ЕХАБЗ/ХАКЕБ спектроскопии, ионы Еи, Ег и УЬ в допированном оксиде имеют степень окисления 3+, ион Та - 5+.

Раздел 3.3 посвящен изучению люминесцентных характеристик допированных образцов. На Рисунке 4а представлены спектры люминесценции НЧ оксида тантала, допированных европием Та205:Еи (0.5 мол.%), полученные при возбуждении ртутной лампой с фильтром, отсекающим излучение выше 350 нм (стоксова люминесценция). Линии, наблюдаемые в области 578-762 нм,

соответствуют

=0,1,2,3,4

электронным переходам иона Еи3+. Для изучения

симметрии локального окружения ионов европия использовали коэффициент асимметрии R21, определяющийся как отношение интегральных интенсивностей переходов 5В0^7Б1 и 5В0^7Б2. Полученные значения составили 2.9 и 4.1 для ЗГ и

СТ образцов соответственно, что свидетельствуют о том, что в процессе ЗГ синтеза НЧ формируется более симметричное окружение Еи+3. Отмечено, что разница в соотношении интенсивностей пиков при 620 нм и 613-614 нм в спектрах фотолюминесценции частиц, синтезированных различными методами, может быть связана с разницей в дисперсности образцов.

а)

ч

а>

х I-

о

о о

X

со ^

о

X

О)

б)

й

в)

550 600 650 700 750

Длина волны, нм

500 550 600 650

Длина волны, нм

500 550 600 650 700

Длина волны, нм

Рисунок 4 - Спектры фотолюминесценции допированных НЧ оксида тантала: а) Та205:Еи (0.5 мол.%), ЗГ (красный) и СТ (голубой), б) Та205:Ег/УЬ (0.5/0.5 мол.%), ЗГ синтез, в) Та205:Ег/УЬ (0.5/0.5 мол.%),СТ синтез

Люминесцентные свойства образцов оксида тантала, содопированных Ег и УЪ, исследовались при возбуждении БИК-лазером с длиной волны Хех=980 нм (антистоксова люминесценция). Спектры частиц, представленные на Рисунке 4б, в, содержат излучательные переходы в зеленой (2Ип/2^4115/2, 4Зз/2^4115/2) и красной (4Е9/2^-4115/2) областях спектра. Форма спектра (положение и соотношение полос) в каждом образце сохраняются вне зависимости от метода синтеза. Для изучения механизма ап-конверсии были определены значения п, которые показывают количество поглощенных фотонов накачки, приходящихся на один излучаемый фотон с повышением частоты. Их число оценивали по тангенсу угла наклона логарифмической зависимости интегральной интенсивности люминесценции от мощности лазера. В работе были получены значения п для трех самых интенсивных переходов (вставка Рисунок 4б,в). Все полученные значения близки между собой и равняются ~2, что указывает на двухфотонный процесс.

В Главе 4 обсуждается способ приготовления, поверхностные свойства и устойчивость водных золей на основе НЧ оксида тантала. Раздел 4.1 посвящен изучению влияния различных параметров дисперсионной среды (рН, концентрация

700

16

o^

¡1512

O

O10

X

и „

S 8

O £6

IX 4

S

2 0

0 50 100 150 200 250 300

Гидродинамический диаметр, нм

Рисунок 5 - Кривые распределения частиц по размерам золей Ta2O5 и

Ta2O5:Eu (3%), Ta2O5:Er/Yb (0.5/0.5%)

электролита, температура), а также состава НЧ (Ta2O5, Ta2O5:Eu и Ta2O5:Er/Yb) и ультразвуковой обработки на электроповерхностные характеристики и агрегативную устойчивость водных дисперсий оксида тантала. Показано, что НЧ оксида тантала, синтезированные СТ методом при 200° в течение 12 ч, образуют в воде агломераты со средним гидродинамическим диаметром -80 нм (Рисунок 5). Видно, что допирование РЗЭ не оказало значительного влияния на распределение частиц по размерам.

На Рисунке 6а представлены результаты изучения электрофоретической подвижности частиц от рН и концентрации фонового электролита (N0). Значение изоэлектрической точки (ИЭТ) НЧ Та^5, определенное в данной работе, лежит в области 3.4-3.5 единиц рН. Обнаружено, что допирование матрицы оксида ионами Eu3+ приводит к смещению положения ИЭТ на 0.2 ед. рН в сторону более высоких значений рН (черная кривая). Наблюдаемое явление соответствует теоретическим представлениям о положении ИЭТ оксидов металлических элементов, таких как европий, обладающих низкой электроотрицательностью и формирующих большие катионы с низким зарядом.

Рисунок 6 - а) Зависимость дзета потенциала НЧ Та^5 и Ta2O5:Eu от рН на фоне растворов №0 (0.001-0.15 М); Зависимость электрокинетического потенциала и гидродинамического диаметра НЧ Та^5 от температуры (б) и времени ультразвуковой обработки дисперсий (в)

Для подбора оптимальных условий получения устойчивых водных золей было также изучено влияние температуры (Рисунок 6б) и длительности ультразвуковой обработки дисперсии (Рисунок 6в) на величину дзета потенциала и гидродинамический диаметр агломератов частиц. Показано, что величина дзета потенциала частиц Та205 сохраняет свое значение > |30 мВ| во всем исследуемом температурном диапазоне (25-70°). Обнаружено, что ультразвуковая диспергация приводит к снижению величины рН дисперсии. Так, при разрушении агломератов частиц, все больше поверхности оксида тантала вступает в контакт с водой, что сопровождается десорбцией протонов в дисперсионную среду. При этом рН дисперсии снижается, приводя к снижению дзета потенциала частиц, что может отрицательно сказаться на долговременной устойчивости дисперсий.

Путем потенциометрического кислотно-основного титрования установлено, что депротонирование поверхностных ОН-групп частиц Та205 в золях и суспензиях возрастает с увеличением концентрации катионов фонового электролита, участвующих в нейтрализации отрицательного поверхностного заряда (Рисунок 7а). Это, в свою очередь, приводит к снижению рН дисперсии. При этом не наблюдается зависимости адсорбции ионов водорода от концентрации №С1 для НЧ, допированных РЗЭ, что свидетельствует об участии атомов редкоземельных элементов в стабилизации структуры поверхности оксида тантала (Рисунок 7в). Для всех исследованных образцов константы поверхностных кислотно-основных равновесий имеют близкие значения: рКм = 5.0-5.2 и рК2 = 5.9-6.4.

Изучение кинетики изменения величины оптической плотности дисперсии (П) показало, что золь Та205 кинетически и агрегативно стабилен при С(№С1)<0.005 М (Рисунок 8а). При более высоких концентрациях электролита

а)

0.100.05-

■о 0.00

Ц -0.05 А О

| -0.10-0.15-

.£2

С -0.20-0.25-0.30 0.1 0.0 ^ -0.1 -0.2

О

^ -0.3

^ -0.4 <=-0.5 -0.6 -0.7

\ *чК Т8205 золь —•—0.1 М N801 —•— 0.001 М N801 рН

4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

Т8205 суспензия

0.1 М N801

0.001 М N80

б)

•К рН

5.0 5.5 6.0 6.5 7

Т8,0 :Еи суспензия

0.01 М N801

-•- 0.1 М N801 XV

Т820 5:Ег^Ь суспензия \\

—•— 0.001 М N801

■ —- 0.15 М N801

Рисунок 7 - Зависимости адсорбции ионов водорода (пь) на поверхности НЧ от рН и С(№С1)

наблюдается рост И и диаметра агломератов частиц из-за процессов коагуляции. По наклону начального участка кинетических кривых были рассчитаны константы скорости коагуляции и факторы устойчивости (IV) системы при различных концентрациях ЫаС1. Для разбавленного золя ТагОз значение порога быстрой коагуляции водного раствора №С1 составило 0.036 М.

На Рисунке 86,в представлены результаты расчетов энергии взаимодействия частиц ТагСЬ-ТагОз. Видно, что при рН~ИЭТ, энергия взаимодействия имеет отрицательные значения на всем расстоянии, что означает преобладание сил притяжения (Рисунок 86). Между тем, потенциальный барьер, предотвращающий

0,20

0,18-

0,16

0,14-

0,12

0,10-

0,08

0,06-

0,04

а)

0 2 4 6

8 10 12 14 16 18 20 1 МИН

Рисунок 8 а) Зависимости оптической плотности I) золя от времени наблюдения и С(ЫаС1); б) Кривые парного взаимодействия НЧ ТагОз, рассчитанные по теории ДЛФО при различных значениях рН в 0.001 М №С1; в) Кривые парного взаимодействия НЧ ТагОз, рассчитанные по теории ДЛФО при различных значениях при различных значениях С(№С1), рН 5.6

коагуляцию, присутствует на кривых парного взаимодействия при рН<ИЭТ и рН>ИЭТ из-за взаимного отталкивания положительно или отрицательно заряженных частиц. Концентрация электролита также влияет на величину потенциального барьера. При рН=5.6 (Рисунок 8в) потенциальный барьер НЧ ТагОз максимален при минимальной концентрации электролита (0.001 М). Дальнейшее увеличение концентрации №С1 приводит к постепенному уменьшению высоты потенциального барьера, который исчезает в диапазоне концентраций электролита 0.035-0.050 М. На основе полученных потенциальных кривых были рассчитаны факторы устойчивости Ж. По результатам расчета, порог быстрой коагуляции составляет 0.044 М, что превышает экспериментальные значения (0.036 М), но попадает в диапазон 0.035-0.050 М. По результатам расчетов энергий

взаимодействия НЧ Та205:Еи-Та205:Еи, допированные системы демонстрируют те же тенденции.

На основе полученных данных, в разделе 4.2 были сформулированы рекомендации по приготовлению устойчивых водных золей на основе НЧ оксида тантала для изучения их долговременной устойчивости и проведения исследований на биологических системах. Использование на этапе замены дисперсионной среды со спиртовой на водную устойчивой спиртовой дисперсии, а не порошка, является ключевым фактором. Для электростатической стабилизации дисперсий и обеспечения их долговременной седиментационной и агрегативной устойчивости может производиться модификация рН (рНдисперсии>5). В случае если для достижения оптимальных параметров дисперсности водных НЧ Та205 используется ультразвуковая обработка, возможное сопутствующее падение рН системы предлагается компенсировать добавкой щелочи.

* а) б) в)

Рисунок 9 - а) Жизнеспособность клеток, обработанных НЧ Та205 в течение 72 ч; б, в) Концентрационная зависимость рентгеноконтрастных свойств НЧ Та205; в) КТ снимки желудка крыс до и после введения золя

Глава 5 посвящена изучению возможности практического использования водных золей Та205 в медицине, а именно оценке токсичности, рентгеноконтрастных и радиосенсибилизирующих свойств НЧ. Так, результаты стандартного МТТ-теста, представленные на Рисунке 9а, показали, что НЧ Та205 не оказывают существенного цитотоксического действия на клетки (клетки карциномы толстой кишки человека НСТ-116, мезенхимальные стволовые клетки МБС) во всем исследуемом диапазоне концентраций (0.8-200 мкг/мл). При времени инкубации 72 ч выживаемость клеток составила 80%. Исследование острой токсичности проводилось при введении в желудок крыс золя оксида тантала

до концентрации 3000 мг/кг. Контроль за состоянием испытуемых осуществляли в течение 14 дней после введения золя. Наблюдение показало, что общее состояние, поведенческая активность, отношение к воде и пище подопытных животных не отличалось от контрольной группы. Согласно рекомендациям Организации экономического сотрудничества и развития, золю был присвоен класс опасности V (нетоксичный материал, LD50>3 г/кг).

Рентгеноконтрастность водных золей оксида тантала измерялась в единицах Хаунсфилда (Hounsfield Units или HU). Результаты фантомного эксперимента, представленные на Рисунке 9б-г, показывают, что рентгеновская плотность золей растет линейно с увеличением концентрации НЧ Ta2O5. Наибольшее значение контрастности для золя с концентрацией 20 мг/мл составило -450 HU при пиковом киловольтаже 90 кВп. Эксперимент in vivo проводился на беспородных самцах крыс, водная дисперсия (20 мг/мл) вводилась в желудок перорально посредством атравматического желудочного зонда (Рисунок 9г). Исходная контрастность желудков крыс составляла 47.1±5.7 HU, контрастность сразу после ввода золя -426.1±2.8 HU. Таким образом, при использовании золя удалось достичь 9-ти кратного усиления контрастности изображения мягких тканей желудка.

Ввиду того, что адаптация НЧ-радиосенсибилизаторов к текущим клиническим условиям является важнейшей задачей на пути к обеспечению максимального терапевтического эффекта ЛТ, в данной работе был проведен подбор оптимальных условий облучения НЧ Ta2O5. Оптимизация условий облучения проводилась на модели плазмидной ДНК. В качестве меры радиосенсибилизирующих способностей НЧ был выбран Коэффициент усиления (КУ), определяемый как отношение доли неповрежденной (суперскрученной, СК) формы ДНК, оставшейся после облучения без НЧ, к доле СК ДНК после облучения в присутствии НЧ:

Т/,Л7 %СК без НЧ

КУ =--(1)

%СКсНЧ v у

Таким образом, в соответствии с формулой 1, значение КУ=1 указывает на отсутствие эффекта радиосенсибилизации.

Результаты изучения влияния различных параметров на эффект радиосенсибилизации представлены на Рисунке 10а-в. На каждом шаге изучали влияние одного параметра (концентрация НЧ, напряжение рентгеновской трубки, мощность дозы облучения) на эффект радиосенсибилизации, после чего при достижении максимального эффекта, этот параметр фиксировали и переходили к другому параметру. В соответствии с проведенными экспериментами были выбраны условия облучения, при которых наблюдался максимальный эффект: напряжение трубки 200 кВ, мощность дозы 0.2 Гр/мин, концентрация золя 8 мг/мл. Результаты исследования радиосенсибилизирующего действия НЧ Та205 при облучении культуры клеток карциномы толстой кишки человека НСТ116 рентгеновским излучением представлено на Рисунке 10г. В данном случае КУ рассчитывался как отношение процента выживших клеток после облучения без НЧ, к проценту клеток после облучения с НЧ. Показано, что наблюдается статистически достоверное уменьшение выживаемости клеток в присутствии НЧ Та205 (100 мкг/мл). При дозе облучения 1 Гр значение КУ составило 1.39±0.21, а при дозах 2 и 4 Гр - 1.98±0.10 и 2.0±0.27, соответственно.

а) £

б) >3

в) £

-&1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Концентрация, мг/мл

I I 5 Гр

I I Ю Гр

I I 15 Гр

пН

пЬ

0,2 0,85 1,36 2,1

Мощность дозы, Гр/мин

0)1,20-

■ей е-

100 120 140 160 180 200

Напряжение, кВ

0 12 3 4

Доза, Гр

Рисунок 10 - а) Концентрационная зависимость КУ НЧ Та205 на модели плазмидной ДНК; Зависимость КУ НЧ Та205 (8 мг/мл) на модели плазмидной ДНК от: напряжения на рентгеновской трубке (б), мощности дозы рентгеновского излучения при различных дозах облучения (5, 10, 15 Гр) (в); г) Дозовые зависимости выживаемости клеток НСТ-116 в отсутствии и в присутствии НЧ Та205. Погрешности - стандартные отклонения, рассчитанные по трем

независимым измерениям

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны СТ и ЗГ методики синтеза НЧ состава Та205, Та205:Еи, Та205:Ег/УЬ размером от 20 до 30 нм, в зависимости от метода синтеза. Установлено, что СТ обработка смеси прекурсоров в ИПС при 200° в течение 12 ч является оптимальной для получения устойчивых органо- и гидрозолей НЧ. Выявлены факторы (увеличение времени выдержки и добавление воды в дисперсионную среду), препятствующие формированию устойчивых дисперсий НЧ при СТ синтезе. Показано, что ЗГ синтез НЧ с последующей сушкой в условиях сверхкритического СО2 оптимален для получения высокодисперсных порошков, которые сохраняют высокую удельную площадь поверхности даже после высокотемпературного отжига. Выявлены факторы (уменьшение скорости гидролиза, увеличение концентрации прекурсора), позволяющие увеличить дисперсность ЗГ образцов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кошевая Екатерина Дмитриевна, 2022 год

Список литературы

1. Core-shell TaOx@ MnO2 nanoparticles as a nano-radiosensitizer for effective cancer radiotherapy / Gong F. [et al.] // Journal of Materials Chemistry B. — 2018. — V. 6. — №. 15. — P. 2250-2257.

2. Core-shell TaOx@ MnO2 nanoparticles as a nano-radiosensitizer for effective cancer radiotherapy / Gong F. [et al.] // Journal of Materials Chemistry B. — 2018. — V. 6. — №. 15. — P. 2250-2257.

3. Askeljung C. Effect of heat treatment on the structure of L-Ta2O5: a study by XRPD and HRTEM methods / Askeljung C., Marinder B. O., Sundberg M. // Journal of Solid State Chemistry. — 2003. — V. 176. — №. 1. — P. 250-258.

4. Химическая технология ниобия и тантала: учебное пособие / Маслов, А. А., Оствальд, Р. В., Шагалов, В. В. [и др.]; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2010. — 97 с.

5. Unravelling the interplay of crystal structure and electronic band structure of tantalum oxide (Ta2O5) / Nashed R. [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2013. — V. 15. — №. 5. — P. 1352-1357.

6. Huang H. C. Preparation and characterizations of tantalum pentoxide (Ta2Os) nanoparticles and UV-curable Ta2O5-acrylic nanocomposites / Huang H.-C., Hsieh T.-E. // Journal of Applied Polymer Science. — 2010. — V. 117. — №. 3. — P. 1252-1259.

7. Krishnaprasanth A. Solvent free synthesis of Ta2O5 nanoparticles and their photocatalytic properties / Krishnaprasanth A., Seetha M. // AIP advances. — 2018. — V. 8. — №. 5. — P. 055017.

8. A search for the ground state structure and the phase stability of tantalum pentoxide / Perez-Walton S. [et al.] // Journal of Physics: Condensed Matter. — 2015. — V. 28. — №. 3. — P. 035801.

9. Yang Y.. Prediction of new ground-state crystal structure of Ta2O5 / Yang Y., Kawazoe Y. // Physical Review Materials. — 2018. — V. 2. — №. 3. — P. 034602.

10. Complementary ab initio and X-ray nanodiffraction studies of Ta2O5 / Hollerweger R. [et al.] // Acta materialia. — 2015. — V. 83. — P. 276-284.

11. Nanosized tantala based materials-synthesis and applications / Naveenraj S. [et al.] // Materials Research Bulletin. — 2015. — V. 67. — P. 20-46.

12. Superior Penetration and Retention Behavior of 50 nm Gold Nanoparticles in Tumors Cell Penetration and Tumor Retention of Gold Nanoparticles / Huo S. [et al.] // Cancer research. - 2013. — V. 73. — №. 1. — P. 319-330.

13. Malugin A. Cellular uptake and toxicity of gold nanoparticles in prostate cancer cells: a comparative study of rods and spheres / Malugin A., Ghandehari H. // Journal of Applied Toxicology: An International Journal. — 2010. — V. 30. — №. 3. — P. 212217.

14. Niederberger M. Metal oxide nanoparticles in organic solvents: synthesis, formation, assembly and application / Niederberger M., Pinna N. — Springer Science & Business Media, 2009. — 217 c.

15. Synthesis of Ta2O5 Nanorods in the Presence of Poly L-Lysine by a Sol-Gel Process / Monreal Romero H. [et al.] // Annali di Chimica: Journal of Analytical, Environmental and Cultural Heritage Chemistry. — 2005. —V. 95. — №. 9-10. — P. 703-707.

16. Preparation and performances of nanosized Ta2O5 powder photocatalyst / Zhu Y. [et al.] // Journal of Solid State Chemistry. — 2005. — V. 178. — №. 1. v P. 224-229.

17. Nanocrystalline mesoporous Ta2O5-based photocatalysts prepared by surfactant-assisted templating sol-gel process for photocatalytic H2 evolution / Sreethawong T. [et al.] //Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. — 2005. — V. 235. — №. 1-2. — P. 1-11.

18. Lehovec K. Lattice structure of ß-Ta2O5 / Lehovec K. //Journal of the Less Common Metals. - 1964. - V. 7. - №. 6. - P. 397-410.

19. Stephenson N. C. Structural systematics in the binary system Ta2O5-WO3. V. The structure of the low-temperature form of tantalum oxide L- Ta2O5 / Stephenson N. C., Roth R. S. // Acta Crystallographica Section B: Structural Crystallography and Crystal Chemistry. — 1971. — V. 27. — №. 5. — P. 1037-1044.

20. Hummel H. U. Tantaloxide durch Gasphasenhydrolyse, Druckhydrolyse und Transportreaktion aus 2H-TaS2: Synthesen von TT- Ta2O5 und T- Ta2O5 und

Kristallstruktur von T-Ta2Ü5 / Hummel H. U., Fackler R., Remmert P // Chemische Berichte. — 1992. — V. 125. — №. 3. — P. 551-556.

21. Ramprasad R. First principles study of oxygen vacancy defects in tantalum pentoxide / Ramprasad R. // Journal of applied physics. — 2003. — V. 94. — №. 9. — P. 56095612.

22. Aleshina L. A. Rietveld analysis of X-ray diffraction pattern from ß- Ta2Ü5 oxide / Aleshina L. A., Loginova S. V. // Crystallography Reports. — 2002. — V. 47. — №. 3. — p. 415-419.

23. Lee S. H. Hidden structural order in orthorhombic Ta2Ü5 / Lee S. H. [et al.] // Physical review letters. - 2013. - V. 110. - №. 23. - P. 235502.

24. Grey I. E. The crystal chemistry of L-Ta2Ü5 and related structures / Grey I. E., Mumme W. G., Roth R. S // Journal of Solid State Chemistry. — 2005. — V. 178. — №. 11. — P. 3308-3314.

25. Fukumoto A. Prediction of hexagonal Ta2Ü5 structure by first-principles calculations / Fukumoto A., Miwa K. // Physical Review B. — 1997. — V. 55. — №. 17. — P. 11155.

26. Stephenson N. C. The crystal structure of the high temperature form of Ta2Ü5 / Stephenson N. C., Roth R. S // Journal of Solid State Chemistry. — 1971. — V. 3. — №. 2. — P. 145-153.

27. The crystal structure of high temperature phase Ta2Ü5 / Liu X. Q. [et al.] //Acta materialia. — 2007. — V. 55. — №. 7. — P. 2385-2396.

28. Structures and phase transitions of B- Ta2Ü5 and Z- Ta2Ü5: two high-pressure forms of Ta2Ü5 / Zibrov I. P. [et al.] // Acta Crystallographica Section B: Structural Science. — 2000. — V. 56. — №. 4. — P. 659-665.

29. Izumi F. A new modification of tantalum (V) oxide / Izumi F., Kodama H. // Journal of the Less Common Metals. — 1979. — V. 63. — №. 2. — P. 305-307.

30. Получение фотокатализаторов на основе диоксида титана, синтезированных с использованием микрореактора со сталкивающимися струями / Кудряшова Ю. С. [и др.] // Физика и химия стекла. — 2020. — Т. 46. — №. 4. — С. 427-434.

31. Investigation of the photocatalytic efficiency of tantalum alkoxy carboxylate-derived Ta2O5 nanoparticles in rhodamine B removal / Ambreen S. [et al.] // Beilstein journal of nanotechnology. — 2017. — V. 8. — №. 1. — P. 604-613.

32. Solvothermal synthesis and characterization of anatase TiO2 nanocrystals with ultrahigh surface area / Wahi R. K. [et al.] // Journal of colloid and interface science. — 2006. — V. 302. — №. 2. — P. 530-536.

33. Agoudjil N. Synthesis of inorganic membrane by sol-gel process / Agoudjil N., Kermadi S., Larbot A. // Desalination. — 2008. — V. 223. — №. 1-3. — P. 417-424.

34. Investigation of the photocatalytic efficiency of tantalum alkoxy carboxylate-derived Ta2O5 nanoparticles in rhodamine B removal / Ambreen S. [et al.] //Beilstein journal of nanotechnology. — 2017. — V. 8. — №. 1. — P. 604-613.

35. Lanthanide-doped hafnia nanoparticles for multimodal theranostics: Tailoring the physicochemical properties and interactions with biological entities / Gerken L. R. H. [et al.] // ACS applied materials & interfaces. — 2018. — V. 11. — №. 1. — P. 437-448.

36. Preparation of Eu3+-doped Ta2O5 phosphor particles by sol-gel method / Sanada T. [et al.] // Optical Materials. — 2010. — V. 33. — №. 2. — P. 164-169.

37. Synthesis, design, and morphology of metal oxide nanostructures. In book: Metal Oxide Nanostructures/ Nunes D. [et al.] //Metal Oxide Nanostructures. — 2019. — V. 40. — P.21-57

38. Non-aqueous synthesis of high-purity metal oxide nanopowders using an ether elimination process / Pinna N. [et al.] // Advanced Materials. — 2004. — V. 16. — №. 23-24. — P. 2196-2200.

39. Solvothermal synthesis of tantalum (V) oxide nanoparticles and their photocatalytic activities in aqueous suspension systems / Kominami H. [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2001. — V. 3. — №. 13. — P. 2697-2703.

40. Narasimhan A. K. Influence of europium (Eu) doped tantalum oxide nanoparticles (TaOx NPs): A potential contrast agent / Narasimhan A. K., Balasubramanian S. L., Krishnamurthi G. // Materials Letters. — 2021. — V. 300. — P. 130214.

41. Mesoporous tantalum oxide. 1. Characterization and photocatalytic activity for the overall water decomposition / Takahara Y. [et al.] // Chemistry of materials. — 2001. — V. 13. — №. 4. — P. 1194-1199.

42. Synthesis of methotrexate-loaded tantalum pentoxide-poly (acrylic acid) nanoparticles for controlled drug release applications / Bogusz K. [et al.] // Journal of colloid and interface science. — 2019. — V. 538. — P. 286-296.

43. Facile hydrothermal synthesis of crystalline Ta2O5 nanorods, MTaO3 (M= H, Na, K, Rb) nanoparticles, and their photocatalytic behaviour / Gömpel D. [et al.] // Journal of Materials Chemistry A. — 2014. — V. 2. — №. 21. — P. 8033-8040.

44. Eastoe J. Recent advances in nanoparticle synthesis with reversed micelles / Eastoe J., Hollamby M. J., Hudson L. // Advances in colloid and interface science. — 2006. — V. 128. — P. 5-15.

45. Large-scale synthesis of bioinert tantalum oxide nanoparticles for X-ray computed tomography imaging and bimodal image-guided sentinel lymph node mapping / Oh M. H. [et al.] //Journal of the American Chemical Society. — 2011. — V. 133. — №2. 14. — P. 5508-5515.

46. Naito M. Nanoparticle technology handbook // Naito M. [et al.] (ed.) — Elsevier, 2018.

47. B.M. Moudgil. Handbook of Applied Surface and Colloid Chemistry in: K. Holmberg (Ed.) / B.M. Moudgil, P.K. Singh, J.J. Adler// New York : Wiley, 2002. — V. 1. — P. 320.

48. Analysis of nanoparticle agglomeration in aqueous suspensions via constant-number Monte Carlo simulation / Liu H. H. [et al.] //Environmental science & technology. — 2011. — V. 45. — №. 21. — P. 9284-9292.

49. Wiesner M. R. Assessing the risks of manufactured nanomaterials / Wiesner M. R. [et al.] // Environmental Science & Technology. — 2006. — V.40. — №2 14. — P. 43364345.

50. Farre M. Ecotoxicity and analysis of nanomaterials in the aquatic environment / Farre M. [et al.] // Analytical and bioanalytical chemistry. — 2009. — V. 393. — №. 1. — P. 81-95.

51. Petosa A. R. Aggregation and deposition of engineered nanomaterials in aquatic environments: role of physicochemical interactions / Petosa A.R. [et al.] // Environmental science & technology. — 2010. — V. 44. — №. 17. — P. 6532-6549.

52. Dispersion and stability optimization of TiO2 nanoparticles in cell culture media / Ji Z. [et al.] // Environmental science & technology. — 2010. — V. 44. — №. 19. — P. 7309-7314.

53. Jiang J. Characterization of size, surface charge, and agglomeration state of nanoparticle dispersions for toxicological studies / Jiang J., Oberdörster G., Biswas P. // Journal of Nanoparticle Research. — 2009. — V. 11. — №. 1. — P. 77-89.

54. Influence of ionic strength, pH, and cation valence on aggregation kinetics of titanium dioxide nanoparticles / French R. A. [et al.] // Environmental science & technology. — 2009. — V. 43. — №. 5. — P. 1354-1359.

55. Stability of commercial metal oxide nanoparticles in water / Zhang Y. [et al.] //Water research. — 2008. — V. 42. — №. 8-9. — P. 2204-2212.

56. Dunphy Guzman K. A. Influence of surface potential on aggregation and transport of titania nanoparticles / Dunphy Guzman K. A., Finnegan M. P., Banfield J. F. // Environmental science & technology. — 2006. — V. 40. — №. 24. — P. 7688-7693.

57. Stability and aggregation of metal oxide nanoparticles in natural aqueous matrices / Keller A. A. [et al.] // Environmental science & technology. — 2010. — V. 44. — №. 6. — P. 1962-1967.

58. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects / Klaine S. J. [et al.] // Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal. — 2008. — V. 27. — №. 9. — P. 1825-1851.

59. Stability of dispersions of colloidal alumina particles in aqueous suspensions / Singh B. P. [et al.] // Journal of colloid and interface science. — 2005. — V. 291. — №. 1. — P. 181-186.

60. Physical characterization and in vivo organ distribution of coated iron oxide nanoparticles / Sharma A. [et al.] // Scientific reports. — 2018. — V. 8. — №. 1. — P. 112.

61. Volkova A. V. Peculiarities of coagulation of the pseudohydrophilic colloids: Aggregate stability of the positively charged y-Al2O3 hydrosol in NaCl solutions / Volkova A. V., Ermakova L. E., Golikova E. V. // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. — 2017. — V. 516. — P. 129-138.

62. Synthesis and characterization of polystyrene embolization particles doped with tantalum oxide nanoparticles for X-ray contrast / Morrison R. [et al.] // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. — 2015. — V. 26. — №. 8. — P. 1-14.

63. Zeta potential measurements of Ta2O5 and SiO2 thin films / Bousse L. [et al.] // Journal of Colloid and Interface Science. — 1991. — V. 147. — №. 1. — P. 22-32.

64. Kosmulski M. Attempt to determine pristine points of zero charge of Nb2O5, Ta2O5, and HfO2 / Kosmulski M. // Langmuir. — 1997. — V. 13. — №. 23. — P. 6315-6320.

65. Kosmulski M. Compilation of PZC and IEP of sparingly soluble metal oxides and hydroxides from literature / Kosmulski M. // Advances in colloid and interface science. — 2009. — V. 152. — №. 1-2. — P. 14-25.

66. Conduction and valence band positions of Ta2O5, TaON, and Ta3N5 by UPS and electrochemical methods / Chun W. J. [et al.] // The Journal of Physical Chemistry B. — 2003. — V. 107. — №. 8. — P. 1798-1803.

67. Behavior of oxide electrodes in aqueous-solutions of electrolytes-adsorption of anions / Kokarev G. A. [et al.] // Soviet electrochemistry. — 1982. — V. 18. — №. 3. — P. 360363.

68. Butler M. A.. Prediction of flatband potentials at semiconductor-electrolyte interfaces from atomic electronegativities / Butler M. A., Ginley D. S. // Journal of the Electrochemical Society. — 1978. — V. 125. — №. 2. — P. 228.

69. Vijh A. K. Acid-base properties of solid metal oxides in electrolyte solutions in relation to the solid-state properties of metals / Vijh A. K. // Applied physics communications. — 1994. — V. 13. — №. 3-4. — P. 275-281.

70. Hotze E. M. Nanoparticle aggregation: challenges to understanding transport and reactivity in the environment / Hotze E. M., Phenrat T., Lowry G. V. // Journal of environmental quality. — 2010. — V. 39. — №. 6. — P. 1909-1924.

71. Derjaguin B. Theory of the stability of strongly charged lyophobic sols and of the adhesion of strongly charged particles in solutions of electrolytes / Derjaguin B., Landau L. // Acta Physicochim: USSR. — 1941. — V. 14. — №. 1-4. — P. 633-662.

72. Verwey E. J. W. Theory of the stability of lyophobic colloids / Verwey E. J. W. // The Journal of Physical Chemistry. — 1947. — V. 51. — №. 3. — P. 631-636.

73. Hamaker H. C. The London—van der Waals attraction between spherical particles / Hamaker H. C. // Physica. — 1937. — V. 4. — №. 10. — P. 1058-1072.

74. Lyklema J. Molecular interpretation of electrokinetic potentials / Lyklema J. // Current opinion in colloid & interface science. — 2010. — V. 15. — №. 3. — P. 125130.

75. DLVO theoretical analyses between montmorillonite and fine coal under different pH and divalent cations / Yu Y. [et al.] // Powder Technology. — 2018. — V. 330. — P. 147151.

76. M. Elimelech. Particle deposition and aggregation: measurement, modelling and simulation / M. Elimelech, in: M. Elimelech, J. Gregory, X. Jia, R.A. Williams (Eds.). — Butterworth-Heinemann, 2013. — 496 p.

77. Polte J. Fundamental growth principles of colloidal metal nanoparticles—a new perspective / Polte J. // CrystEngComm. — 2015. — V. 17. — №. 36. — P. 6809-6830.

78. Derjaguin B. V. Structural component of disjoining pressure / Derjaguin B. V., Churaev N. V. // Journal of Colloid and Interface Science. — 1974. — V. 49. — №. 2. — P. 249-255.

79. Zareei M. Investigating the effects of pH, surfactant and ionic strength on the stability of alumina/water nanofluids using DLVO theory / Zareei M., Yoozbashizadeh H., Madaah Hosseini H. R. Investigating // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. — 2019. — V. 135. — №. 2. — P. 1185-1196.

80. Roles of pH, cation valence, and ionic strength in the stability and aggregation behavior of zinc oxide nanoparticles / Wang X. [et al.] // Journal of Environmental Management. — 2020. — V. 267. — P. 110656.

81. Hydrothermal and wet-chemical synthesis of pure LiTaO3 powders by using commercial tantalum hydroxide as starting material / Zheng F. [et al.] // Journal of alloys and compounds. — 2009. — V. 477. — №. 1-2. — P. 688-691.

82. Porous tantalum and tantalum oxide nanoparticles for regenerative medicine / Mohandas G. [et al.] // Acta Neurobiol Exp (Wars). — 2014. — V. 74. — №. 2. — P. 188-196.

83. Fabrication of tantalum oxide layers onto titanium substrates for improved corrosion resistance and cytocompatibility / Xu G. [et al.] // Surface and Coatings Technology. — 2015. — V. 272. — P. 58-65.

84. Surface chemistry and cytotoxicity of reactively sputtered tantalum oxide films on NiTi plates / McNamara K. [et al.] // Thin Solid Films. — 2015. — V. 589. — P. 1-7.

85. Study on the anticorrosion, biocompatibility, and osteoinductivity of tantalum decorated with tantalum oxide nanotube array films / Wang N. [et al.] // ACS applied materials & interfaces. — 2012. — V. 4. — №. 9. — P. 4516-4523.

86. Fabrication of ultrathin films of Ta2O5 by a sol-gel method / Wolf M. J. [et al.] // Thin solid films. — 2013. — V. 527. — P. 354-357.

87. Minagar S. Fabrication and characterization of nanoporous niobia, and nanotubular tantala, titania and zirconia via anodization / Minagar S., Berndt C. C., Wen C. // Journal of functional biomaterials. — 2015. — V. 6. — №. 2. — P. 153-170.

88. Epa U. Environmental Protection Agency Nanotechnology White Paper // EPA, Ed. — 2007.

89. Tantalum oxide nanoparticles as versatile contrast agents for X-ray computed tomography / Chakravarty S. [et al.] // Nanoscale. — 2020. — V. 12. — №. 14. — P. 7720-7734.

90. Oxidative stress, inflammation, and cancer: how are they linked? / Reuter S. [et al.] // Free radical biology and medicine. — 2010. — V. 49. — №. 11. — P. 1603-1616.

91. Liposomal architecture boosts biocompatibility of nanohybrid cerasomes / Ma Y. [et al.] // Nanotoxicology. — 2011. — V. 5. — №. 4. — P. 622-635.

92. Zinc oxide nanoparticles as selective killers of proliferating cells / Taccola L. [et al.] // International journal of nanomedicine. — 2011. — V. 6. — P. 1129.

93. Ling D. Chemical design of biocompatible iron oxide nanoparticles for medical applications / Ling D., Hyeon T. // Small. — 2013. — V. 9. — №. 9-10. — P. 1450-1466.

94. Multifunctional Fe3O4/TaOx Core/Shell nanoparticles for simultaneous magnetic resonance imaging and X-ray computed tomography / Lee N. [et al.] // Journal of the American Chemical Society. — 2012. — V. 134. — №. 25. — P. 10309-10312.

95. Brown R. S. Investigating the properties and application of tantalum pentoxide nanostructures for cancer radiotherapy: Doctor of Philosophy thesis / Brown R. S.; School of Physics, University of Wollongong. — Wollongong, 2017. — 222 p.

96. PEGylated tantalum nanoparticles: a metallic photoacoustic contrast agent for multiwavelength imaging of tumors / Miao Z. [et al.] // Small. — 2019. — V. 15. — №. 41. — P. 1903596.

97. De La Vega J. C. Utilization of nanoparticles as X-ray contrast agents for diagnostic imaging applications / De La Vega J. C., Hafeli U. O. // Contrast media & molecular imaging. — 2015. — V. 10. — №. 2. — P. 81-95.

98. Koshevaya E. Tantalum oxide nanoparticles as an advanced platform for cancer diagnostics: a review and perspective / Koshevaya E., Krivoshapkina E., Krivoshapkin P. // Journal of Materials Chemistry B. — 2021. — V. 9. — №. 25. — P. 5008-5024.

99. All-in-one Theranostic Nanoplatform based on hollow TaOx for chelator-free labeling imaging, drug delivery, and synergistically enhanced radiotherapy / Song G. [et al.] // Advanced Functional Materials. — 2016. — V. 26. — №. 45. — P. 8243-8254.

100. Gram-scale synthesis of highly biocompatible and intravenous injectable hafnium oxide nanocrystal with enhanced radiotherapy efficacy for cancer theranostic / Li Y. [et al.] // Biomaterials. — 2020. — V. 226. — P. 119538.

101. Gold nanoparticles: a new X-ray contrast agent / Hainfeld J. F. [et al.] // The British journal of radiology. — 2006. — V. 79. — №. 939. — P. 248-253.

102. Synthesis, characterization, and X-ray attenuation properties of polyacrylic acid-coated ultrasmall heavy metal oxide (Bi2O3, Yb2O3, NaTaO3, Dy2O3, and Gd2O3) nanoparticles as potential CT contrast agents / Ghazanfari A. [et al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. - 2019. - V. 576. - P. 73-81.

103. Opportunities for new CT contrast agents to maximize the diagnostic potential of emerging spectral CT technologies / Yeh B. M. [et al.] //Advanced drug delivery reviews.

- 2017. - T. 113. - P. 201-222.

104. CT image contrast of high-Z elements: phantom imaging studies and clinical implications / FitzGerald P. F. [et al.] // Radiology. - 2016. - T. 278. - №. 3. - P. 723.

105. A proposed CT contrast agent using carboxybetaine zwitterionic tantalum oxide nanoparticles: Imaging, biological, and physicochemical performance / FitzGerald P. F. [et al.] // Investigative radiology. - 2016. - V. 51. - №. 12. - P. 786.

106. Gold nanoparticles as high-resolution X-ray imaging contrast agents for the analysis of tumor-related micro-vasculature / Chien C. C. [et al.] // Journal of nanobiotechnology.

- 2012. - V. 10. - №. 1. - P. 1-12.

107. Encapsulating tantalum oxide into polypyrrole nanoparticles for X-ray CT/photoacoustic bimodal imaging-guided photothermal ablation of cancer / Jin Y. [et al.] // Biomaterials. - 2014. - V. 35. - №. 22. - P. 5795-5804.

108. Assessment of candidate elements for development of spectral photon-counting CT specific contrast agents / Kim J. [et al.] // Scientific reports. - 2018. - V. 8. - №. 1. - P. 1-12.

109. Synthesis, characterization, and computed tomography imaging of a tantalum oxide nanoparticle imaging agent / Bonitatibus Jr P. J. [et al.] // Chemical Communications. -2010. - V. 46. - №. 47. - P. 8956-8958.

110. Biological performance of a size-fractionated core-shell tantalum oxide nanoparticle x-ray contrast agent / Torres A. S. [et al.] // Investigative radiology. - 2012. - V. 47. -№. 10. - P. 578-587.

111. An intravascular tantalum oxide-based CT contrast agent: Preclinical evaluation emulating overweight and obese patient size / Lambert J. W. [et al.] // Radiology. - 2018.

- V. 289. - №. 1. - P. 103.

112. Tantalum oxide nanoparticles for the imaging of articular cartilage using X-ray computed tomography: visualization of ex vivo/in vivo murine tibia and ex vivo human index finger cartilage / Freedman J. D. [et al.] // Angewandte Chemie International Edition. - 2014. - V. 53. - №. 32. - P. 8406-8410.

113. In vivo comparison of tantalum, tungsten, and bismuth enteric contrast agents to complement intravenous iodine for double-contrast dual-energy CT of the bowel / Rathnayake S. [et al.] // Contrast media & molecular imaging. - 2016. - V. 11. - №. 4. -P. 254-261.

114. Material decomposition in dual-energy computed tomography separates high-Z elements from iodine, identifying potential contrast media tailored for dual contrast medium examinations / Falt T. [et al.] // Journal of computer assisted tomography. - 2015. - V. 39. - №. 6. - P. 975-980.

115. Hyaluronic acid modified tantalum oxide nanoparticles conjugating doxorubicin for targeted cancer theranostics / Jin Y. [et al.] // Bioconjugate chemistry. - 2015. - V. 26. -№. 12. - P. 2530-2541.

116. In vivo comparison of tantalum, tungsten, and bismuth enteric contrast agents to complement intravenous iodine for double-contrast dual-energy CT of the bowel / Rathnayake S. et al // Contrast media & molecular imaging. - 2016. - V. 11. - №. 4. - P. 254-261.

117. Metal-based nanoenhancers for future radiotherapy: radiosensitizing and synergistic effects on tumor cells / Liu Y. [et al.] // Theranostics. - 2018. - V. 8. - №. 7. - P. 1824.

118. Pottier A. Metals as radio-enhancers in oncology: The industry perspective / Pottier A., Borghi E., Levy L. // Biochemical and Biophysical Research Communications. -2015. - V. 468. - №. 3. - P. 471-475.

119. Lu Y. C. Radiopaque tantalum oxide coated persistent luminescent nanoparticles as multimodal probes for in vivo near-infrared luminescence and computed tomography bioimaging / Lu Y. C., Yang C. X., Yan X. P. // Nanoscale. - 2015. - V. 7. - №. 42. - P. 17929-17937.

120. Multifunctional Fe3O4/TaOx Core/Shell nanoparticles for simultaneous magnetic resonance imaging and X-ray computed tomography / Lee N. [et al.] // Journal of the American Chemical Society. - 2012. - V. 134. - №. 25. - P. 10309-10312.

121. Multifunctional nanoparticles as a tissue adhesive and an injectable marker for image-guided procedures / Shin K. [et al.] // Nature communications. - 2017. - V. 8. -№. 1. - P. 1-12.

122. Radiopaque fluorescence-transparent TaOx decorated upconversion nanophosphors for in vivo CT/MR/UCL trimodal imaging / Xiao Q. [et al.] // Biomaterials. - 2012. - V. 33. - №. 30. - P. 7530-7539.

123. A tantalum oxide-based core/shell nanoparticle for triple-modality image-guided chemo-thermal synergetic therapy of esophageal carcinoma / Jin Y. [et al.] // Cancer letters. - 2017. - V. 397. - P. 61-71.

124. Drug-loaded mesoporous tantalum oxide nanoparticles for enhanced synergetic chemoradiotherapy with reduced systemic toxicity / Chen Y. [et al.] // Small. - 2017. -V. 13. - №. 8. - P. 1602869.

125. Action of gold nanospikes-based nanoradiosensitizers: cellular internalization, radiotherapy, and autophagy / Ma N. [et al.] // ACS applied materials & interfaces. -

2017. - V. 9. - №. 37. - P. 31526-31542.

126. High atomic number contrast media offer potential for radiation dose reduction in contrast-enhanced computed tomography / Roessler A. C. [et al.] // Investigative radiology. - 2016. - V. 51. - №. 4. - P. 249-254.

127. Наноразмерные оксиды тантала, гафния и церия для монохроматических пучков фотонов и брахитерапии / Морозов В. Н. и др. // Оптика и спектроскопия. -

2018. - T. 125. - №. 1. - C. 101-104.

128. H2O2-activatable and O2-evolving nanoparticles for highly efficient and selective photodynamic therapy against hypoxic tumor cells / Chen H. [et al.] // Journal of the American Chemical Society. - 2015. - V. 137. - №. 4. - P. 1539-1547.

129. Catalase-loaded TaOx nanoshells as bio-nanoreactors combining high-Z element and enzyme delivery for enhancing radiotherapy / Song G. [et al.] // Advanced materials. - 2016. - V. 28. - №. 33. - P. 7143-7148.

130. All-in-one Theranostic Nanoplatform based on hollow TaOx for chelator-free labeling imaging, drug delivery, and synergistically enhanced radiotherapy / Song G. [et al.] // Advanced Functional Materials. - 2016. - V. 26. - №. 45. - P. 8243-8254.

131. Hyaluronic acid modified tantalum oxide nanoparticles conjugating doxorubicin for targeted cancer theranostics / Jin Y. [et al.] // Bioconjugate chemistry. - 2015. - V. 26. -№. 12. - P. 2530-2541.

132. Hollow mesoporous tantalum oxide based nanospheres for triple sensitization of radiotherapy / Peng C. [et al.] // ACS applied materials & interfaces. - 2019. - V. 12. -№. 5. - P. 5520-5530.

133. Research progress on nano-sensitizers for enhancing effects of radiotherapy / Zhang Y. [et al.] // Materials Advances. - 2022. - V. 3. - P. 3709-3725.

134. Fabrication of Tm-doped Ta2Ü5 thin films using a co-sputtering method / Miura K. [et al.] // Results in Physics. - 2014. - V. 4. - P. 148-149.

135. Agoudjil N. Synthesis of inorganic membrane by sol-gel process / Agoudjil N., Kermadi S., Larbot A. // Desalination. - 2008. - V. 223. - №. 1-3. - P. 417-424.

136. Svetogorov R. D. Belok/XSA diffraction beamline for studying crystalline samples at Kurchatov Synchrotron Radiation Source / Svetogorov R. D., Dorovatovskii P. V., Lazarenko V. A. // Crystal Research and Technology. - 2020. - V. 55. - №. 5. - P. 1900184.

137. Petricek V. Crystallographic computing system JANA2006: general features / Petricek V., Dusek M., Palatinus L. // Zeitschrift für Kristallographie-Crystalline Materials. - 2014. - V. 229. - №. 5. - P. 345-352.

138. Chernyshov A. A. Structural Materials Science end-station at the Kurchatov Synchrotron Radiation Source: Recent instrumentation upgrades and experimental results / Chernyshov A. A., Veligzhanin A. A., Zubavichus Y. V. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 2009. - V. 603. - №. 1-2. - P. 95-98.

139. Structural diagnostics of functional nanomaterials with the use of X-ray synchrotron radiation / Trofimova N. N. [et al.] // Nanotechnologies in Russia. - 2013. - V. 8. - №. 5. - P. 396-401.

140. Ravel B. ATHENA, ARTEMIS, HEPHAESTUS: data analysis for X-ray absorption spectroscopy using IFEFFIT / Ravel B., Newville M. // Journal of synchrotron radiation. - 2005. - V. 12. - №. 4. - P. 537-541.

141. Newville M. IFEFFIT: interactive XAFS analysis and FEFF fitting / Newville M. // Journal of synchrotron radiation. - 2001. - V. 8. - №. 2. - P. 322-324.

142. Theoretical models for surface forces and adhesion and their measurement using atomic force microscopy / Leite F. L. [et al.] // International journal of molecular sciences.

- 2012. - V. 13. - №. 10. - P. 12773-12856.

143. Berg J. C. An introduction to interfaces & colloids: the bridge to nanoscience. -World Scientific, 2010.

144. Davis J. A. Surface ionization and complexation at the oxide/water interface: I. Computation of electrical double layer properties in simple electrolytes / Davis J. A., James R. O., Leckie J. O. // Journal of colloid and interface science. - 1978. - V. 63. -№. 3. - P. 480-499.

145. Spotheim-Maurizot M. DNA radiolysis by fast neutrons / Spotheim-Maurizot M., Charlier M., Sabattier R.// International Journal of Radiation Biology. - 1990. - V. 57. -№. 2. - P. 301-313.

146. Energy deposition events produced by fission neutrons in aqueous solutions of plasmid DNA / Stankus A. A. [et al.] // International journal of radiation biology. - 1995.

- V. 68. - №. 1. - P. 1-9.

147. Niederberger M., Pinna N. Metal oxide nanoparticles in organic solvents: synthesis, formation, assembly and application. - Springer Science & Business Media, 2009.

148 Synthesis, Characterization, and Photoactivity of Ta2O5-Grafted SiO2 Nanoparticles / Ndiege N. [et al.] // Chemistry-A European Journal. - 2011. - V. 17. - №. 27. - P. 76857693.

149. Structural and spectroscopic properties of luminescent Er3+-doped SiO2-Ta2O5 nanocomposites / Ferrari J. L. [et al.] // Journal of the American Ceramic Society. - 2011.

- V. 94. - №. 4. - P. 1230-1237.

150. Physisorption of gases, with special reference to the evaluation of surface area and pore size distribution (IUPAC Technical Report) / Thommes M. [et al.] // Pure and applied chemistry. - 2015. - V. 87. - №. 9-10. - P. 1051-1069.

151.Thommes M., Cychosz K. A. Physical adsorption characterization of nanoporous materials: progress and challenges //Adsorption. - 2014. - V. 20. - №. 2. - P. 233-250.

152.Monson P. A. Understanding adsorption/desorption hysteresis for fluids in mesoporous materials using simple molecular models and classical density functional

theory / Monson P. A. // Microporous and Mesoporous Materials. - 2012. - V. 160. - P. 47-66.

153. Recent advances in the textural characterization of hierarchically structured nanoporous materials / Cychosz K. A. et al. // Chemical Society Reviews. - 2017. - V. 46. - №. 2. - P. 389-414.

154. Nanocrystalline mesoporous Ta2Ü5-based photocatalysts prepared by surfactant-assisted templating sol-gel process for photocatalytic H2 evolution / Sreethawong T. et al. // Journal of Molecular Catalysis A: Chemical. - 2005. - V. 235. - №. 1-2. - P. 1-11.

155. Grosman A. Capillary condensation in porous materials. Hysteresis and interaction mechanism without pore blocking/percolation process / Grosman A., Ortega C. / Langmuir. - 2008. - V. 24. - №. 8. - P. 3977-3986.

156. Change in desorption mechanism from pore blocking to cavitation with temperature for nitrogen in ordered silica with cagelike pores / Morishige K. [et al.] / Langmuir. -2006. - V. 22. - №. 22. - P. 9220-9224.

157. Tantalum oxide nanoparticles as versatile contrast agents for X-ray computed tomography / Chakravarty S. [et al.] // Nanoscale. - 2020. - V. 12. - №. 14. - P. 77207734.

158. Structural investigations on the hydrolysis and condensation behavior of pure and chemically modified alkoxides. 1. Transition metal (Hf and Ta) alkoxides / Krishnan V. et al. // The Journal of Physical Chemistry B. - 2007. - V. 111. - №. 26. - P. 7501-7518.

159. Cozzoli P. D. Low-temperature synthesis of soluble and processable organic-capped anatase TiO2 nanorods / Cozzoli P. D., Kornowski A., Weller H. // Journal of the American chemical society. - 2003. - V. 125. - №. 47. - P. 14539-14548.

160. Crystallization behavior of poly (e-caprolactone)/layered double hydroxide nanocomposites / Yang Z. [et al.] // Journal of applied polymer science. - 2010. - V. 116. - №. 5. - P. 2658-2667.

161. Supercritical drying of aerogels using CO2: Effect of extraction time on the end material textural properties / García-González C. A. et al. // The Journal of Supercritical Fluids. - 2012. - V. 66. - P. 297-306.

162. Rechberger F. Synthesis of aerogels: from molecular routes to 3-dimensional nanoparticle assembly / Rechberger F., Niederberger M. // Nanoscale Horizons. - 2017.

- V. 2. - №. 1. - P. 6-30.

163. Synthesis of a low-density tantalum oxide tile-like aerogel monolithic / Ren H. [et al.] // Journal of sol-gel science and technology. - 2010. - V. 53. - №. 2. - P. 307-311.

164. Direct solution-based reduction synthesis of Au, Pd, and Pt aerogels / Burpo F. J. [et al.] // Journal of Materials Research. - 2017. - V. 32. - №. 22. - P. 4153-4165.

165. Pore characterization of different types of coal from coal and gas outburst disaster sites using low temperature nitrogen adsorption approach / Qi L. [et al.] // International Journal of Mining Science and Technology. - 2017. - V. 27. - №. 2. - P. 371-377.

166. Evidence for structural transition in crystalline tantalum pentoxide films grown by RF magnetron sputtering / Perez I. [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. - 2017.

- V. 712. - P. 303-310.

167. Krishnaprasanth A. Solvent free synthesis of Ta2Os nanoparticles and their photocatalytic properties / Krishnaprasanth A., Seetha M. // AIP advances. - 2018. - V. 8. - №. 5. - P. 055017.

168. Shannon R. D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides / Shannon R. D. // Acta crystallographica section A: crystal physics, diffraction, theoretical and general crystallography. - 1976. - V. 32.

- №. 5. - P. 751-767.

169. Electrooxidation of methanol and ethanol in acidic medium using a platinum electrode modified with lanthanum-doped tantalum oxide film / Zhao Y. [et al.] // Electrochimica Acta. - 2015. - V. 151. - P. 544-551.

170. Lützenkirchen-Hecht D. Reflection mode XAFS investigations of reactively sputtered thin films / Lützenkirchen-Hecht D., Frahm R. // Journal of Synchrotron Radiation. - 2001. - V. 8. - №. 2. - P. 478-480.

171. Structure of (Ta2Os)x(SiO2)i-x Xerogels (x= 0.05, 0.11, 0.18, 0.25 and 1.0) from FTIR, 29Si and 17O MAS NMR and EXAFS / Pickup D. M. [et al.] // Journal of Materials Chemistry. - 2000. - V. 10. - №. 8. - P. 1887-1894.

172. Brese N. E. Bond-valence parameters for solids / Brese N. E., O'keeffe M. // Acta Crystallographica Section B: Structural Science. - 1991. - V. 47. - №. 2. - P. 192-197.

173. Montes P. J. R. Radioluminescence properties of rare earths doped SrAkO4 nanopowders / Montes P. J. R., Valerio M. E. G. // Journal of Luminescence. - 2010. -V. 130. - №. 8. - P. 1525-1530.

174. Mechanism of X-ray excited optical luminescence (XEOL) in europium doped BaAl2O4 phosphor / Rezende M. V. S. [et al.] // Physical Chemistry Chemical Physics. -2016. - V. 18. - №. 26. - P. 17646-17654.

175. Structural differences in the luminescence properties of lanthanide doped orthorhombic and monoclinic phases of Y2GeO5 / Shah A. [et al.] // RSC advances. -

2013. - V. 3. - №. 45. - P. 23172-23177.

176. Avella F. J. Rare earth cathodoluminescence in InBO3 and related orthoborates / Avella F. J., Sovers O. J., Wiggins C. S. // Journal of The Electrochemical Society. -1967. - V. 114. - №. 6. - P. 613.

177. Morphology-and size-dependent spectroscopic properties of Eu3+-doped Gd2O3 colloidal nanocrystals / Wawrzynczyk D. [et al.] // Journal of nanoparticle research. -

2014. - V. 16. - №. 11. - P. 1-13.

178. Колесников И. Е. Исследование люминесцентных свойств оксидных нанокристаллических порошков, легированных ионами европия // Колесников И. Е. Диссер. кандидата физ.-мат. наук, Санкт-Петербург. - 2015.

179. Asymmetry ratio as a parameter of Eu3+ local environment in phosphors / Kolesnikov I. E. [et al.] // Journal of Rare Earths. - 2018. - V. 36. - №. 5. - P. 474-481.

180. Structural and optical properties of Ta2O5: Eu3+: Mg2+ or Ca2+ phosphor prepared by molten salt method / Verma N. [et al.] // AIP Conference Proceedings. - AIP Publishing LLC, 2016. - V. 1724. - №. 1. - P. 020082.

181. Binnemans K. Interpretation of europium (III) spectra / Binnemans K. // Coordination Chemistry Reviews. - 2015. - V. 295. - P. 1-45.

182. Rare-Earth oxide nanopolyhedra, nanoplates, and nanodisks / Si R. [et al.] // Angewandte Chemie International Edition. - 2005. - V. 44. - №. 21. - С. 3256-3260.

183. Comparative Investigation of Green and Red Upconversion Luminescence in Er3+ Doped and Yb 3+/Er 3+ Codoped LaOCl / Xia Z. [et al.] // Journal of the American Ceramic Society. - 2012. - V. 95. - №. 10. - P. 3229-3234.

184. Yb3+/Er3+- codoped GeO2-PbO-PbF2 glass ceramics for ratiometric upconversion temperature sensing based on thermally and non-thermally coupled levels / Kalinichev A. A. [et al. // Optical Materials. - 2019. - V. 90. - P. 200-207.

185. Facile method for fabrication of surfactant-free concentrated CeO2 sols / Shcherbakov A. B. [et al.] // Materials Research Express. - 2017. - V. 4. - №. 5. - P. 055008.

186. Parks G. A. The isoelectric points of solid oxides, solid hydroxides, and aqueous hydroxo complex systems / Parks G. A. // Chemical Reviews. - 1965. - V. 65. - №. 2. -P. 177-198.

187. Synthesis of a rare-earth doped hafnia hydrosol: Towards injectable luminescent nanocolloids / Furasova A. D. [et al.] // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2017.

- V. 154. - P. 21-26.

188. Garcia-Garcia S. Temperature effect on the stability of bentonite colloids in water / Garcia-Garda S., Jonsson M., Wold S. // Journal of Colloid and Interface Science. - 2006.

- V. 298. - №. 2. - P. 694-705.

189. Shrestha S. Nanoparticle processing: Understanding and controlling aggregation / Shrestha S., Wang B., Dutta P. // Advances in Colloid and Interface Science. - 2020. -V. 279. - P. 102162.

190. Zuo Q. The effect of the electric double layer on very thin thermal elastohydrodynamic lubricating film / Zuo Q., Lai T., Huang P.// Tribology Letters. -2012. - V. 45. - №. 3. - P. 455-463.

191. Effective ultrasonication process for better colloidal dispersion of nanofluid / Mahbubul I. M. [et al.] // Ultrasonics sonochemistry. - 2015. - V. 26. - P. 361-369.

192. Preparation of nanoparticle dispersions from powdered material using ultrasonic disruption / Taurozzi J. S. [et al.] // NIST special publication. - 2012. - V. 1200. - №. 2.

- P. 1200-2.

193. Dispersion and stability of titanium dioxide nanoparticles in aqueous suspension: effects of ultrasonication and concentration / Qi J. [et al.] // Water science and technology.

- 2013. - V. 67. - №. 1. - P. 147-151.

194. Oxide/electrolyte interface: electric double layer in mixed solvent systems / Kosmulski M. // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. -1995. - V. 95. - №. 2-3. - P. 81-100.

195. Volkova A. V. Photometric study of the kinetics of TiO2 hydrosol coagulation in electrolyte solutions / Volkova A. V., Golikova E. V., Ermakova L. E. // Colloid Journal.

- 2012. - V. 74. - №. 1. - P. 32-37.

196. General principles of colloid stability and the role of surface forces / Tadros T. // Colloid stability. - 2007. - V. 1. - P. 1-22.

197. Verezhnikov V. N. Peculiarities of the coagulation mechanism of a nanocrystalline cellulose hydrosol and a latex / Verezhnikov V. N., Ostankova I. V., Kuznetsov V. A. // Colloid Journal. - 2014. - V. 76. - №. 6. - P. 668-674.

198. Mylon S. E. Influence of natural organic matter and ionic composition on the kinetics and structure of hematite colloid aggregation: Implications to iron depletion in estuaries / Mylon S. E., Chen K. L., Elimelech M. // Langmuir. - 2004. - V. 20. - №. 21. - P. 9000-9006.

199. He Y. T. Kinetic stability of hematite nanoparticles: the effect of particle sizes / He Y. T., Wan J., Tokunaga T. // Journal of nanoparticle research. - 2008. - V. 10. - №. 2.

- P. 321-332.

200. Reerink H. The rate of coagulation as a measure of the stability of silver iodide sols / Reerink H., Overbeek J. T. G. // Discussions of the Faraday Society. - 1954. - V. 18. -P. 74-84.

201. Carroll-Webb S. A surface complex reaction model for the pH-dependence of corundum and kaolinite dissolution rates / Carroll-Webb S. A., Walther J. V. // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 1988. - V. 52. - №. 11. - P. 2609-2623.

202. ISO 10993-5. Biological evaluation of medical devices, Part 5, Tests for Cytotoxicity: In Vitro Methods //Biological evaluation of medical devices. - 2009.

203. Cormode D. P. Nanoparticle contrast agents for computed tomography: a focus on micelles / Cormode D. P., Naha P. C., Fayad Z. A. // Contrast media & molecular imaging. - 2014. - V. 9. - №. 1. - P. 37-52.

204. Radiosensitization by gold nanoparticles: Will they ever make it to the clinic? / Cui L. [et al.] // Radiotherapy and Oncology. - 2017. - V. 124. - №. 3. - P. 344-356.

205. Radiosensitization by gold nanoparticles: Impact of the size, dose rate, and photon energy / Morozov K. V. [et al.] // Nanomaterials. - 2020. - V. 10. - №. 5. - P. 952.

206. Radiation dose rate affects the radiosensitization of MCF-7 and HeLa cell lines to X-rays induced by dextran-coated iron oxide nanoparticles / Khoshgard K. [et al.] // International journal of radiation biology. - 2017. - V. 93. - №. 8. - P. 757-763.

207. Synchrotron activation radiotherapy: Effects of dose-rate and energy spectra to tantalum oxide nanoparticles selective tumour cell radiosentization enhancement / Engels E. [et al.] // Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2017. - V. 777. -№. 1. - P. 012011.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (тексты основных публикаций по теме исследования)

SURFACES! INTERFACES

Contents lists available at ScienceDirect

Surfaces and Interfaces

ELSEVIER journal homepage: www.sciencedirect.com/journal/surfaces-and-interfaces

Electrosurface properties and acid-base equilibria of Ta2O5 and Ta2O5:Eu nanoparticles in NaCl solutions

Ekaterina Koshevayaa,b, Vasily Mikhaylova, Petr Sitnikova, Elena Krivoshapkina c, Pavel Krivoshapkin c

a Institute of Chemistry of Federal Research Center "Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences ", Syktyvkar 167000, Russia b State Research Center — Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of Federal Medical Biological Agency, Moscow 123182, Russia c ITMO University, St. Petersburg 191002, Russia

H)

Check for updates

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Keywords:

Surface properties

Tantalum oxide nanoparticles

Isoelectric point

Aggregative stability

Critical coagulation concentration

Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO)

The electrosurface properties and aggregative stability of nanoparticles (NPs) are key factors that determine their performance and biological or environmental fate. However, there is still a lack of data on the stability of aqueous dispersions of some important NPs for biomedical applications, such as tantalum oxide. In the present work, the effects of pH, electrolyte concentration, temperature, and Eu-doping on the stability of Ta2O5 NPs aqueous dispersions were carefully studied. Surfactant-free Ta2O5 and Ta2O5:Eu NPs were synthesized via a solvothermal method. Stable hydrosols and powder samples were prepared on their basis for a comparative study. The particle size, morphology, and amorphous structure of samples were investigated by transmission electron microscopy and dynamic light scattering. The laser Doppler electrophoresis was used to investigate the pH and temperature dependence of zeta potential of NPs. Obtained results were also discussed within the Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory for the first time for tantalum oxide NPs. A turbidimetry study was performed to investigate the coagulation kinetics of Ta2O5 NPs in NaCl solutions. The critical coagulation concentration and stability factor were determined experimentally and via DLVO calculations; the obtained results showed a good agreement. The acid-base surface properties of samples were studied by potentiometric titration, and constants of surface acid-base equilibria were determined within 2pK-modeling.

1. Introduction

Nanomaterials are an essential product of the global market in the 21st century, and their production volumes are growing steadily. The physicochemical properties of nanomaterials could be adapted to a wide range of applications, from sewage treatment and energy storage to biomedical applications [1]. Nevertheless, along with the integration of nanoparticles (NPs) into various spheres of our life, their presence in the environment, especially aquatic [2], and the risk of potentially adverse effects on natural systems increase. Thus, it is especially important to find out their influence on the environment and living organisms, and vice versa [3]. Colloidal stability of nanodispersions is one of the key factors provides not only high functional characteristics of product but also determining NPs fate and biological effects [4]. Thus, to ensure the sustainable development of nanotechnology, stability and coagulation of NPs in aqueous dispersions should be carefully studied.

Generally, the colloid stability/instability of nanodispersions is

determined by the sum of interaction forces such as Van der Waals attraction and electrostatic repulsion. The combination of these interactions forms the basis of Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory of colloid stability [5,6]. The predominance of attractive Van der Waals interactions may lead to reversible or even irreversible coagulation of NPs. One way to impart stability to dispersion is electrostatic stabilization. Electrostatic stabilization is generally provided by particle surface charge resulting in the formation of electric double-layer (EDL). When NPs approach each other, their EDLs begin to repel with a force determined by the magnitude of the surface or zeta potential and electrolyte ions concentration and valency. The resulting repulsion forces (Coulomb interaction) between the NPs decay exponentially with particle to particle distance. Wherein, the sufficiently high electrostatic repulsion prevents the particles from any kind of coagulation [7,8].

Tantalum oxide Ta2O5 is an important biocompatible nontoxic compound. Due to its high chemical inertness and corrosion resistance,

* Corresponding author. E-mail address: [e-mail] (P. Krivoshapkin).

https://doi.Org/10.1016/j.surfin.2021.101713

Received 8 July 2021; Received in revised form 17 December 2021; Accepted 30 December 2021

Available online 2 January 2022

2468-0230/© 2021 Elsevier B.V. All rights reserved.

it finds applications as protective coatings for biomedical implants [9-11], surgical instruments [12], and chemical equipment [13]. Ta2O5 thin films are characterized by a high dielectric constant and have wide applications in the semiconductor industry [14,15]. Aqueous dispersions of tantalum oxide nanoparticles (NPs) are used as X-ray contrast agents [16], drug delivery systems [17], radiosensibilizators [18], and photocatalysts [19]. However, despite the high practical relevance, there is a lack of research devoted to the stability investigation of tantalum oxide aqueous nanodispersions. In addition, the data on the position of point of zero charge (PZC) and isoelectric point (IEP) - the most important electrosurface characteristics of oxide surface - are scattered. The pHIEP and pHPZC values of Ta2O5 given in [20-25] range from 2.7 to 5.3 units. It should be noted that there are only a few works in which considerable attention is paid to the study of the colloid-chemical propertiesof tantalum oxide aqueous dispersions [22], and most of the references contain only fragmentary data. The variability of IEP and PZC is primarily due to the fact that their position is strongly influenced by many parameters: surface modification, crystal structure, synthesis method, composition of the dispersion medium, temperature, and particle size [26]. Thus, with the development of new methods for obtaining nanosized particles, their electrosurface properties must be verified.

Due to high density of tantalum oxide and high hygroscopicity of precursors, Ta2O5 NPs are difficult to obtain in the form of stable hydrosol without using surfactants and stabilizers (PEG, zwitterionic li-gands, and others [27]). However, to investigate pristine electrosurface characteristics of a material, NPs with a bare surface should be synthesized. Recently, we report on the development of surfactant-free and dispersant-free Ta2O5 hydrosols preparation protocol [28]. According to this original procedure, bare NPs and their highly stable hydrosols could be obtained. Such sols are excellent for surface properties investigation. Here, we have extended this protocol to prepare NPs and hydrosols of Eu-doped Ta2O5.

Rare earth elements (REEs) are frequently used to tune NPs properties, such as photoluminescence, magnetic, catalytic, and dielectric ones, as well as crystalline structure [29-32]. Europium-doped NPs serve as an effective optical [33] or photocatalytic [34] material. Eu could also act as a structural probe to study local crystalline environment [35]. Luminescent dispersions of europium-doped NPs are particularly promising for bio-imaging applications [36-38]. Eu-doped Ta2O5 NPs are investigated for photocatalytic [34,35], in-vivo imaging [39] and luminescent applications [40,41].

In the majority of works devoted to the doping of oxide matrices with REEs, their influence on the functional properties of materials, such as optical, electrical conductive or magnetic properties, is considered. The REEs influence on the processes of particles interaction in dispersion or the regulation of the electrosurface characteristics of materials has been barely studied, and there is also no unified theoretical model. In this work, new theoretical and experimental data are presented, which makes it possible to comprehensively describe the electrosurface characteristics and aggregate stability of Ta2O5 NPs, and to draw a conclusion about the processes occurring on the material surface in solution. The NPs for investigation were synthesized via a simple solvothermal method. The influence of pH, electrolyte concentration, temperature, and Eu-doping on colloid properties of Ta2O5 dispersions was discussed. The particle size, morphology and amorphous structure of samples were investigated by transmission electron microscopy and dynamic light scattering. The dependences of zeta potential (laser Doppler electro-phoresis) and hydrogen ion adsorption (potentiometric titration) on pH were investigated in different electrolyte concentrations. Sodium chloride (NaCl) was used as a background electrolyte as it is the most abundant salt in seawater and blood. The effect of temperature on the aggregative stability of Ta2O5 hydrosols was also investigated via dynamic light scattering. Turbidimetry study of coagulation kinetics was performed for Ta2O5 NPs and a critical coagulation concentration (CCC) and stability factor W were specified. Furthermore, the deep

understanding of the underlying processes was achieved with the usage of theoretical methods. The classical DLVO theory was used to explore the interactions of Ta2O5 and Ta2O5:Eu NPs for the first time. The information on the acid-base properties of oxide surfaces discussed within a 2-pK model is also new.

2. Materials and methods

2.1. Materials

Tantalum (V) ethoxide (99.98%; Aldrich, USA), isopropyl alcohol (IPA; Chimmed, Russia), hydrochloric acid (36%; Chimmed, Russia), sodium chloride (>99.0% (ACS reagent); Aldrich, USA), sodium hydroxide (>97% (ACS reagent), Aldrich, USA), europium (III) acetate hydrate (99.9%, Aldrich) were used as received. For the preparation of electrolyte solutions and NPs dispersions, Milli-Q grade deionized water (DI, 18.2 M^^cm resistivity) was used. The solvothermal treatment was performed in Teflon-lined stainless steel autoclaves with 84 mL Teflon cups.

2.2. Solvothermal synthesis and hydrosol preparation

Ta2O5 and Eu-doped Ta2O5 NPs were prepared by solvothermal method described in [12] with minor changes. Briefly, 0.468 mL of tantalum ethoxide (Ta(OC2H5)5) was added dropwise to 45 mL of IPA under an inert argon atmosphere. The Eu-doped sample was synthesized according to the molar composition of Ta1.g7Euo.o3O5 (Eu concentration of 1.5 mol%). For this purpose, europium acetate hydrate was pre-dissolved in IPA. The solution mixed in a Teflon cup was placed in a stainless steel autoclave and carefully sealed. The autoclave was heated at 200 °C for 12 h, then it was allowed to cool down under ambient conditions. Finally, a transparent stable organosol of NPs was obtained. To obtain stable hydrosol of NPs, appropriate organosol was added to water under stirring. The colloidal solution and water were mixed in volumetric ratios, calculated to achieve concentration of 0.2 mg NPs /mL (electrokinetic measurements) or 0.5 mg NPs/mL (turbidimetry study) in the final sols, unless otherwise concentrations are stated. After that, the excess of IPA was evaporated from the mixture by heating below its boiling point (82.5 ° C). The native pH of the sol was 5.4 - 5.6 pH units, depending on the mass fraction of tantalum oxide.

2.3. Characterization

Hydrodynamic sizes and zeta (electrokinetic) potentials of Ta2O5 and Eu-doped Ta2O5 NPs in aqueous dispersions were determined by the methods of dynamic light scattering (DLS) and laser Doppler electro-phoresis (Malvern ZetaSizer Nano ZS, 4 mW He/Ne laser, 633 nm) at 25 °C in a DTS1070 disposab0le capillary cell. The thermal stability of sols was studied using the "temperature trend" measurement type (25—70 °C) in a glass cuvette PCS8501 (Malvern). All of the measurements were done at least three times. The results were processed with the usage of Zetasizer Software. Transmission electron microscopy was conducted by high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) JEM-2010 (JEOL, Japan). TEM specimens were prepared by dropping an aqueous solution containing NPs onto a carbon-coated copper grid (300 mesh) and evaporating the solvent. Histograms of the particle size distribution were obtained by counting 438 particles. Particle size was analyzed using an ImageJ software. Fourier transform infrared (FTIR) spectra were obtained on a Prestige 21 FTIR spectrometer (Shimadzu, Japan). The dispersed phase concentration in sols was determined by thermogravimetric analysis via calcination of dry residues in corundum crucibles at 400 ° C. Before measurements, the crucibles were washed with chromic-sulfuric acid mixture and calcined at 800 °C. The results of measurements of the crucible mass differed no greater than 0.0002 g.

2.4. Potentiometric titration and mathematical pK-modeling

Potentiometric titration is widely used to study acid-base equilibria on the oxides surface in water-salt systems [42]. The study of acid-base properties was carried out using an automatic titrator Aquilon ATP-02 with a combination electrode ESLK-01.7. The initial volume of dispersion was 50 mL. The pH values were measured after adding each portion of the titrant (Vtitr) and after the stabilization of pH, which means that the equilibrium value was reached. Each sample was titrated three times. The concentration of the background electrolyte (NaCl) was 0.001, 0.01, and 0.1 M. For a comparative titration, a stable Ta2O5 hy-drosol was prepared directly from the organosol of primary particles (bypassing obtain of powder), following the procedure described in 2.2. To obtain powder samples, hydrosols were dried in a drying oven at 80 °C to solid residue, after which the temperature was gradually increased to 105 °C with an exposure time of 1 h. Suspensions for titration were prepared by adding a weighted portion of powder to aqueous solution of NaCl. The final concentration of NPs ranged from 2 to 5 mg/mL.

According to the model of surface complexation, it is assumed that the adsorption (chemisorption) of ions occurs not on the entire surface of the adsorbent, but is localized on active sites. Within the 2pK-model, it is assumed that all active sites are energetically equivalent and surface charge arises only as a result of the following chemical reactions [43]:

-S - OH+ « - S - OH + H+

-S-OH« -S-O" + H+

(1)

(2)

where S denotes the surface of the solid.

The adsorption of electrolyte ions (M+, A"), where M+ and A" are monovalent cation and anion, respectively, in the Stern layer is usually described by the following reactions:

-S — OH + H+ + A" « - S

-OH+-A"

-S-OH + M+ « - S-O--M+ + H+

(3)

(4)

In accordance with the Eqs. (1)-(4), the surface complexation constants (pKi), within the Davis-James-Leckie concept [43], at fixed values of the concentration of the background electrolyte, are determined by the Eqs. (5)-(8):

K, =

[H+][-SOH]

SOH

or pK? = pH + lg

-SOH+]

- lg[-SOH]

(5)

Anh =

V total ,OH ,0 cH+ ,OH ,e )

mmol / g

(9)

where Vtotal is the total volume of the suspension taken for titration with alkali or acid with a concentration of cH+ OH 0, m is the mass of the taken oxide sample (g). The concentration of hydrogen ions cH+ OH e in Eq. (9) is calculated from the pH of the solution according to the equation [H+]=10"pH.

2.5. Turbidimetry method

Suspension stability was studied by the turbidimetry method, which is based on the measuring of optical density (D) of the systems. According to [45,46], turbidity is a measure of particle aggregation degree and it can be used to study the initial stages of sol coagulation. Measurements were carried out using an Solar PB2201 UV-VIS spectrophotometer at a wavelength of 340 nm. To study the influence of concentration of NaCl solutions (0.001 - 0.075 M) on aggregate stability of Ta2O5 hydrosol, equal volumes (1.5 mL) of aqueous NPs dispersion and water or electrolyte solution of double concentration were mixed. Mixing was carried out in quartz cuvette, the moment of mixing corresponded to the coagulation zero time. Then, the dependences of the optical density D and relative optical density AD = D'BoD° x 100% on the observation time were plotted, where Do is the optical density of a system in the presence 0.001 M NaCl, and Dt is the optical density at the corresponding NaCl concentration at the current time.

For the turbidimetry study, an initially stable hydrosol of Ta2O5 NPs with zeta potential of 36.10±0.17 mV and hydrodynamic diameter of 87.8 ± 0.8 nm was chosen. The pH of the system was 5.6.

2.6. The calculation of DLVO interaction energy

The total energy of the pair interaction (E) of Ta2O5-Ta2O5 in aqueous media was determined by the DLVO theory, which takes into account electrostatic (Ee) and molecular (Em) components of pair interaction energy. All the calculations have been performed based on the assumption that the form of the particle is spherical. The particle radii determined by the TEM method are used in the calculations. For simplicity, the measured zeta potential was used instead of the surface potential.

The electrostatic component was calculated according to the formula (10) [47]:

K2 =

[H+]h SO-]

Ka =

SOH] -SOH+A

orpK2 = pH + lg[-SOH] — lg[-SO-]

[- SOH][H+][A-]

0r PKA

= pH - lg[ - SOH] — lg[A-] + lg[ - SOH+A-

Km —

[ - SO M+][H+]

0rpKM

[ - SOH][M+] — pH + lg[- SOH] + lg[M+]

-lg[- SO"M+]

(6)

(7)

(8)

Based on the proposed concept, a number of mathematical models have been proposed for calculating the parameters of the electric double layer, one of them is a "pK-spectroscopy"[44]. This approach not only allows the calculation of the surface equilibrium constant pKi but also to determine the amount of this center (qi) based on the change in the adsorption of hydrogen ions (nb) with a change in pH. The calculation of pKi is carried out on the basis of the experimental titration curve, which expresses the dependence of hydrogen ion Gibbs surface adsorption on the pH of the solution (per 1 g of the sample under study) [42]:

n££onr2 I 1 + e

Ee — - \4WlW2ln~i

r, + r-2

1e

-+ (w ?+w 2)n( i-

(10)

where e is the permittivity of the dispersive medium: e0 is the permittivity of vacuum, F/m; ri are particle radii, m; y are the potentials of the interacting particles, V; k is the Debye parameter, m_1; and h is the distance between the surfaces of the particles, m.

The molecular attraction energy (Em) of the particles was calculated by the Eq. (11) [48]:

E — —■

A

2r?r2

2r?r2

6 {h2 + 2r?h + 2r2h + h2 + 2r?h + 2r2h + 4r?r2 h2 + 2r?h + 2r2h

+ In

h2 + 2r?h + 2r2h + 4r?r2

(11)

where A is the Hamaker constant. For Ta2O5 particles, the value of the constant A was calculated using the Lifshitz approach based on quantum physics for the "symmetric case" of two identical phases by the Eq. (12) [49,50]:

3

A — fBT

e?~ + 3hve (n? - n2)2 ei + ej 16^2 (n2 + n2)3

(12)

m

e

where e1 and e3 is the permittivity of Ta2O5 (30) and water (80), respectively; n1 and n3 is the refractive index of Ta2O5 (2.1306) and water (1.333), respectively; h is the Planck constant (6.626 x 10~34 J-s), ve is the UV absorption frequency (~3 x 1015 s-1).

As a result, the value of the Hamaker constant for Ta2O5 particles interacting in water medium is 4.65 x 10~20 J. The values of the Hamaker constant, permittivity and refractive index for Ta2O5:Eu were taken equal for Ta2O5.

3. Results & discussion

3.1. NPs and sols characterization

TEM images of Ta2O5 NPs in hydrosol are presented in Fig. 1a,b. They show polydisperse spherical NPs with a mean diameter of 29.5 nm (Fig. 1c). Both Ta2O5 NPs and Ta2O5:Eu NPs have an amorphous structure (Fig. 1b and Fig. S1). The homogeneous distribution of Eu in the oxide matrix was shown by EDX-mapping of the doped sample (Fig. S2). The FTIR spectra of NPs are presented and discussed in SI (Fig. S3). They show O-H and C-OH vibrations on Ta2O5 and Ta2O5:Eu NPs surfaces. According to intensity-based DLS measurements, in water Ta2O5 NPs and Ta2O5:Eu NPs form aggregates with the mean hydrodynamic diameter of 81.1 ± 1.3 and 66.2 ± 0.4 nm correspondingly. Nonetheless, number-based particle size distributions show peaks at 44.8 ± 1.7 and 41.9 ± 2.1 nm, which is closer to TEM results. Typical size distributions for diluted hydrosols (0.2 mg NPs/mL) are presented in Fig. 2. It could be seen from these data that doping with Eu did not significantly affect tantalum oxide size distributions.

Sol stability was checked for 4 months. It was shown that both the size of aggregates and zeta potentials did not significantly change (Fig. S4, Table S1).

Particles of this size and morphology are especially interesting for application in medicine, as they can be used as a platform for the development of new theranostic agents [27]; they can also act as effective photocatalysts [19].

3.2. Electrosurface properties 3.2.1. Stability in NaCl solutions

3.2.1.1. Isoelectric point determination of Ta2O5 and Ta2O5:Eu NPs. In aqueous solutions, oxide surfaces possess amphoteric properties due to the hydroxide groups formed in the hydrolysis process. Thus, the hydrated surface of Ta2O5 or Ta2O5:Eu NPs acquire a positive charge at pH of solution less than IEP and a negative surface charge at pH > IEP Eq. (1), (2)[51].

The effect of pH and NaCl concentration on the zeta potential value of the Ta2O5 and Ta2O5:Eu NP in hydrosols is shown in Fig. 3a. The pH of sols was regulated by the addition of 0.1 M HCl or 0.1 M NaOH. The IEP

value of Ta2O5 NPs of 3.4 pH units was previously reported by us in [28]. In the present article, the IEP of Ta2O5 NPs corresponds to 3.5 in 0.001 M NaCl. Taking into account the measurement accuracy, and the closeness of the obtained values, it can be said that there is no specific adsorption of Na+ and Cl~ ions on the Ta2O5 NPs surface. However, the doping of Ta2O5 NPs with Eu3+ ions led to a shift of IEP towards higher values. The IEP was found to be 3.7 for doped NPs. It is generally admitted that IEP is located at low pH values for oxides of elements with high electronegativity, producing small cations of high charge (like tantalum), while IEP at high pH values is observed for oxides of typical metallic elements that possesses low electronegativity and large cations of low charge (like europium) [22,52]. Thus, this shift is in line with theoretical concepts. A similar effect was previously observed for HfO2:Eu NPs (10 mol%) [53], where the IEP shifts by ~ 0.5 pH units upward after doping.

It should be noted that the determined IEPs lie within the range found in the literature (2.7-5.3) for pure Ta2O5 materials. The obtained values are close to the reported for nanosized tantalum oxide particles [20] and lie in a more acidic region than for bigger particles [22]. Indeed, at the same pH, smaller particles are less charged than larger particles, and therefore their EDL repulsion is less. This leads to a shift of the IEP to the acidic region, which was previously shown for hematite particles [54].

3.2.1.2. Potentiometric titration study of acid-base surface properties of Ta2O5 and Ta2O5:Eu NPs. In water-salt systems surface equilibria have a significant effect on the acid-base properties of oxides, which is important for many practical applications of NPs [55]. Upon solid-liquid interaction, the surface layer properties of each phase change under mutual influence [56]. Depending on pH, the surface of particles is characterized by a surface charge arising from protonation-deprotonation of surface hydroxyl groups (-S - OH) in accordance with Eqs. (1)-(4). Fig. 3b shows the change in the sorption of protons (nb) on the surface of Ta2O5 in sol and suspension depending on pH (c(NaCl) = 0.01 M).

As could be seen from Fig. 3b, no significant changes were observed in the acid-base characteristics of the surface reaction centers after drying of Ta2O5 sol. The small curve shifting can be explained by an increase in the particle size that occurs during the drying of powder. The rate of the curves during acid titration can be explained by the aggregation of the dispersed phase, which leads to a decrease in the specific surface area with a decrease in pH [57]. During alkali titration, the particle size of the dispersed phase does not change. Therefore, further investigation of the acid-base properties of the Ta2O5 surface was carried out on the basis of potentiometric titration with NaOH.

The proton sorption, both for sol and powder, significantly depends on the concentration of the background electrolyte in the initial dispersed system (Fig. 3c).

With an increase in the NaCl concentration, a shift of the titration curves to the acidic region was observed (Fig. 3c). This indicates the participation of the background electrolyte cations in the neutralization

Fig. 1. a, b) TEM image of Ta2O5 NPs; c) Size histograms representing the distribution of NPs in diameter. Text on the graph presents the results of statistical analysis: mean value and standard deviation (SD).

a)

.3-

<3-v

N.

a)

i6

|fio

-Ta2Os

V

X

50 100 150 200 250

Hydrodynamic diameter, nm

b)

25

15-

10

TajOjiEu

-Ta2Os

I

300

50 100 150 200 250

Hydrodynamic diameter, nm

300

Fig. 2. Size distributions of Ta2O5 and Ta2O5:Eu NPs in water. a) Intensity size distributions, b) number size distributions.

Fig. 3. a) The dependence of zeta potential values of Ta2O5 and Ta2O5:Eu NPs on pH at different concentrations of NaCl. The results are shown as average±standard deviation of n = 3 individual measurements. Curves for 0 M, 0.01 M and 0.15 M concentration of NaCl reproduced from Ref.28 with permission from The Royal Society of Chemistry; b) The pH dependence of hydrogen ion adsorption (nb) on the Ta2O5 surface in sol and suspension (c(NaCl) = 0.01 M); c) The pH dependence of hydrogen ion adsorption (nb) on the Ta2O5 and Ta2O5:Eu surfaces depending on NaCl concentration.

TajOjEnCCNaCD • OlOOI M

\

V v\ ■»-............

—•—i--i-a

■ TaA,C(NaCD\ vo ~

h • 0l15M • 0l01 M ■ —• f

h olooi m - i : • 0 M (water)

L

PH