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XIV
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 International Conference on Molecular Spectroscopy, Białka Tatrzańska 2017
 
 
67
T1: O–25 
Spherical nanoparticles of silica-calcia glass: 
synthesis and spectroscopic characterization 
 
Anna Łukowiak
1
, Beata Borak
2
, Justyna Krzak
2
, Maciej Ptak
1
, and Wiesław Stręk
1
 
 
1 
Institute of Low Temperature and Structure Research, PAS, Wroclaw, Poland, 
e-mail: [e-mail] 
2 
Department of Mechanics, Materials Science and Engineering, Wroclaw University of Science and 
Technology, Wroclaw, Poland 
  
 
As  compared  to  the  conventional  bioactive  glasses  obtained  by  the  melt-quenching 
technique, the materials obtained by the sol–gel method often demonstrate higher bioactivity. In 
general,  such  processing  arrives  to  the  formation  of  samples  with  high  surface  area  rich  in 
silanol  groups  that  increases  the  degradation  rate  and  promotes  the  formation  of  the  hydroxy 
carbonate  apatite  layer.  Other  advantage  of  this  technology  is  the  possibility  of  glass  doping 
with different molecules, e.g. luminescent and organic bioactive species. Different spectroscopic 
techniques  allow  to  determine  the  structure,  composition  or  optical  properties  of  these 
biomaterials.  
 
In the presented work, the modified Stoeber method was used to synthesize nanosized SiO
2
–
CaO and SiO
2
–CaO–P
2
O
5
 glass. Two-steps acid–base hydrolysis resulted in spherical particles 
with average diameter  of around 90 nm. Amorphous material was transferred to glass-ceramic 
system when annealed at temperatures above 800°C as was shown by X-ray diffraction patterns. 
Energy dispersive X-ray and inductively coupled plasma atomic emission spectrometry analyses 
confirmed the glass composition. 
 
Silica–calcia  samples  doped  with  Eu
3+
  ions  were  also  prepared.  The  absorption  and 
photoluminescence  spectroscopy  techniques  were  used  to  describe  their  optical  properties. 
Modification  of  the  glass  structure  (crystallization  occurred  during  annealing  at  different 
temperatures) were observed as changes in the emission spectra of Eu
3+
. Eventually, Raman and 
FTIR  spectra  indicated  the  apatite  layer  formation  after  immersion  of  the  particles  in  the 
simulated body fluid. 
 
 
Keywords: sol–gel; nanoparticles; bioactive glass; europium  
 
Acknowledgment 
This  research  was  supported  by  the  National  Science  Centre  research  grant  No.  2016/22/E/ST5/00530. 
Authors would like to acknowledge Ewa Bukowska for XRD measurements. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 International Conference on Molecular Spectroscopy, Białka Tatrzańska 2017
 
68 
T1: O–26 
Correlations between the frequency shifts and the thermodynamic 
quantities for the α-β transition in quartz 
 
M. Cem Lider
1
, Hamit Yurtseven
2
 
 
1 
Middle East Technical University, Turkey,  
2 
Middle East Technical University, Turkey, e-mail: [e-mail] 
  
 
The  frequency  shifts  are  related  to  the  thermodynamic  quantities  (compressibility,  order 
parameter  and  susceptibility)  for  the  α-β  transition  in  quartz.  The  experimental  data  for  the 
frequency  shifts  and  the  bulk  modulus  from  the  literature  are  used  for  those  correlations.  By 
calculating the order parameter from the mean field theory, correlations between the frequencies 
of  various  modes  and  the  order  parameter  are  examined  according  to  quasi-harmonic  phonon 
theory for the α-β transition in quartz. Also, correlation between the bulk modulus in relation to 
the frequency shifts and the order parameter susceptibility is constructed for the α-β transition in 
this crystalline system. 
 
Keywords: frequency shifts, thermodynamic quantities, α-β transition, quartz
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 International Conference on Molecular Spectroscopy, Białka Tatrzańska 2017
 
 
69
T2: O–1 
Quantitative fluorescence spectroscopy of pigmented 
and non-pigmented tissues 
 
Paszcza Pawel
1
, Szczygieł Małgorzata
2
, and Matuszak Zenon
1
 
 
1 
Department of Medical Physics and Biophysics, Faculty of Physics and Applied Computer Science, 
AGH University of Science and Technology, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland, 
e-mail: [e-mail] 
2 
Department of Biophysics, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian 
University, 7 Gronostajowa St., 30-387 Krakow, Poland 
 
 
Photodynamic therapy (PDT) is based on the  dye-sensitized  photooxidation of biologically 
important  cell  structures.  Direct  cell  kill  is  caused  by  damage  to  plasma  membranes  or 
mitochondria.  In  PDT,  a  tissue  containing  dye  is  exposed  to  light,  mainly  corresponding  to 
wavelength at maximum of its absorption.  The dye (PS-photosensitizer)  is transformed from its 
ground state to excited triplet state, interacts with oxygen, transfers its energy directly to oxygen 
to  form  highly  reactive  singlet  oxygen  (type  II  reaction).  This  type  of  therapy  has  some 
advantages:  PS  is  non-toxic  for  organism  before  irradiation,  selectivity  is  obtained  by 
localization of PS in tissue and photodynamic damage is restricted to irradiated tissue area. PS 
used in PDT are often fluorophores and monitoring of their fluorescence allows the localization 
of  the  tumor,  determination  of  PS  concentration,  and  definition  of  tissue  margins  for  light 
delivery.  However,  with  tissues  being  turbid  media,  their  absorption  and  scattering  properties 
influence  strongly  both  excitation  and  emission  photons  transport,  as  a  consequence  ─  the 
intensity and shape of PS emission. Due to these complications, absolute quantification of drug 
fluorescence  (and  concentration  in  tissue)  is  complex  [1].  We  were  particularly  interested  in 
quantitative PDT of melanoma, and how to predict concentration and shape of fluorescing dye 
in tissue. The aim of this study was to elaborate and test a simple method of quantification of PS 
(hematoporphyrin, eosin, fluorescein, rose bengal) in tissue mimicking phantoms using various 
detection  configurations:  absorption  and  fluorescence  spectrometry  with  fiber  optics  detection 
and plate-reader. Non-pigmented tissues were simulated by Intralipid solutions, a good model of 
scattering properties of tissues. Pigmented tissues were mimicked by mixtures of Intralipid and 
synthetic melanin in various proportions. The Monte Carlo method (modified codes – MCML, 
MCVM) was used to quantify spatial distributions of excitations/emission photons in both non-
pigmented  and  pigmented  tumor  tissues,  true  excitation/emission  spectrum  were  simulated  for 
each fluorophore for various experimental conditions. Reflectance spectra and visual appearance 
of pigmented tissue phantoms was simulated additionally. Optical properties of tissue phantoms 
used  in  simulations  are  based  on  measured  and  reported  (literature)  values.  Volumetric 
distributions of both, fluorescence excitation and emission spectra were obtained as functions of 
tissue optical properties for different PS and melanin concentrations. It was demonstrated that: 
(1)  emitted  fluorescence  intensity  is  a  function  of  the  depth  of  fluorescence  generation,  (2) 
strong  influence  of  melanin  content  on  the  intensity  and  shape  of  PS  emission  (more  than  10 
times  delay).  Diffuse  reflectance  was  calculated  separately  as  a  function  of  melanin 
concentration,  and  compared  with  skin  appearance,  giving  visual  criterion  for  estimation 
melanin  content  within  tissues  layers.  It  was  demonstrated  that  the  models  used  are  able  to 
predict  the  spatial  distribution  of  the  PS  fluorescence  excitation/emission  pattern  within  skin 
phantoms  as  functions  of  PS  and  melanin  concentrations.  Only  in  the  case  of  non-melanized 
tissues  was  it  possible  to  predict  distribution  of  PS,  concentration  and  spectrum  shape  within 
tissue on the basis of its fluorescence intensity with high accuracy. 
 
Keywords: photosensitizers, fluorescence, Monte Carlo simulation, melanin 
 

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