Наночастицы металлов в растворах - биохимический синтез, свойства и применение, страница 5

В нашем случае требовалось выяснить, прежде всего, идет ли формирование наночастиц в обратных мицеллах через стадию образования комплекса флавоноида с ионами металла. С практической точки зрения решение этого вопроса давало возможность определить коэффициент экстинкции наночастиц и, следовательно, их концентрацию в мицеллярном растворе. Как мы уже упоминали выше, определение коэффициента экстинкции в случае наночастиц осложняется тем, что, как правило, неизвестно, какая часть изначально введенных ионов металла перешла в наночастицы. В случае образования комплекса он, как промежуточный продукт, может присутствовать в мицеллярном растворе наночастиц; поэтому для определения концентрации наночастиц важно было определить стехиометрию и концентрацию комплекса. Для этого, в свою очередь, необходимо было найти коэффициент экстинкции комплекса. Ниже дано краткое изложение полученных нами результатов.

4.1. Наночастицы серебра

При стандартной процедуре биохимического синтеза наблюдается быстрое формирование и рост полосы наночастиц, так что выявить промежуточные стадии оказывается невозможным. Выделение стадии образования комплекса можно было осуществить в условиях, когда взаимодействие Qr с ионами Ag⁺ протекает достаточно медленно, так чтобы можно было наблюдать формирование полосы комплекса без одновременного появления полосы наночастиц. В серии экспериментов на мицеллярных растворах с малыми концентрациями реагентов было показано, что образованию комплекса отвечает появление полосы 295 нм. Выделение этой полосы удалось осуществить при проведении реакции с мицеллярным раствором Qr, приготовленным не на предварительно дегидратированном (как при получении стандартных растворов), а на слабо гидратированном АОТ. При введении ионов Ag⁺ в полученный таким образом мицеллярный раствор Qr, происходит постепенное уменьшение интенсивности поглощения обеих полос кверцетина и одновременно усиление полосы 295 нм. Процесс завершается образованием хорошо оформленной полосы 295 нм и небольшого плеча в области 370-380 нм, обусловленного присутствием остатка кверцетина. Характерный вид спектра мицеллярного раствора, содержащего преимущественно комплекс [Ag…Qr] показан на рис.19. Спектры типа показанного на рис.19 использовали для определения коэффициента экстинкции комплекса по формуле, вытекающей из известного закона Бугера-Ламберта-Бера:

* = D_max(295)/(C⁰_Qr -C^t_Qr) * l (1)

где C⁰_Qr - начальная концентрация кверцетина, C^t_Qr - его конечная концентрация в растворе, l – длина оптического пути. Величину C^t_Qr можно определить графически по разности оптических плотностей () при длине волны, равной _max полосы I кверцетина (^I _max), используя найденный ранее коэффициент экстинкции для этой полосы¹ при соответствующей степени гидратации: C^t_Qr = Δ/^I l. По данным пяти определений при разных концентрациях серебра и кверцетина * = (1.98 ± 0.05) * 10⁴ л/моль см.

Рис.19. Определение коэффициента экстинкции комплекса Ag-Qr в мицеллярном растворе. 1 – спектр исходного раствора Qr, 2 – конечная стадия образования комплекса. C⁰(Qr) и C^t(Qr) – концентрация кверцетина, соответственно, в исходном растворе и на конечной стадии образования комплекса.  - разность оптических плотностей при ^I _max между спектром 2 и продолжением полосы комплекса в области 350-400 нм.

Для определения стехиометрии комплекса рассчитывали максимальное (равновесное) количество кверцетина, перешедшее в комплекс при введении равного или меньшего количества ионов Ag⁺. Для этого использовали спектры, полученные при малых концентрациях реагентов через несколько суток после введения ионов серебра, когда изменения полос поглощения полностью прекращались. Во всех исследованных случаях количество Qr, перешедшее в комплекс, оказалось близким к начальной концентрации ионов Ag⁺. Отсюда вытекает, что ионы серебра и кверцетин в комплексе находятся в соотношении 1:1.

Используя известные коэффициент экстинкции и стехиометрию комплекса, определяли коэффициент экстинкции наночастиц Ag. Для этого эксперимент проводили в условиях, когда в результате взаимодействия с ионами Ag⁺ кверцетин полностью переходит в комплекс, а ионы серебра либо связаны в комплекс, либо присутствуют в виде наночастиц. Коэффициент экстинкции наночастиц находили из соотношения:

^NP = D_max(λ^NP _max) /C ( AgNO₃ (s)) * l (2)

где D_max(λ^NP _max) – оптическая плотность в максимуме полосы поглощения наночастиц, C ( AgNO₃ (s)) – концентрация ионов Ag⁺, присутствующих в растворе в виде наночастиц. По результатам нескольких экспериментов с разными соотношениями концентраций кверцетина и ионов Ag⁺ для наночастиц серебра получен коэффициент экстинкции ^NP = (1.03 ± 0.08) * 10⁴ л/моль* см. По литературным данным, несколько меньшие значения ^NP (7-8 * 10³ л/моль*см) были определены для мицеллярного и водного растворов наночастиц серебра, синтезированных с другими восстановителями. Найденный нами коэффициент экстинкции был подтвержден также путем сравнения экспериментальных спектров наночастиц серебра и рассчитанных по теории Ми при размерах частиц, измеренных на стационарной стадии методом ФКС.

Определение коэффициентов экстинкции комплекса и наночастиц серебра позволяет находить их концентрации в мицеллярном растворе, полученном при различных параметрах системы (концентрациях исходных реагентов, АОТ, степени гидратации), а также изменения концентрации наночастиц при адсорбции их из раствора на твердых материалах.

Опираясь на полученные данные, можно предложить следующую вероятную последовательность реакций, протекающих при взаимодействии кверцетина с ионами серебра в мицеллярном растворе:

Ag⁺ + Qr  [Ag^+(-) … Qr^(+)] (I)

[Ag^+(-) … Qr^(+)]  Ag⁰ + Qr⁺ (II)

Ag⁰ + Ag⁺  Ag₂⁺ + Ag⁰ + … Ag_k^l+ (III)

Вначале образуется комплекс кверцетина с катионом серебра (I), затем этот комплекс распадается с образованием атома серебра и окисленного кверцетина (II), затем атомы и ионы серебра ассоциируют с образованием наночастиц (III). Жирным шрифтом выделены компоненты, которые удается обнаружить по их характерным полосам поглощения в мицеллярном растворе. Индексы (-) и (+) указывают на смещение электронной плотности в комплексе от кверцетина к иону металла.

Р ис.20. Возможные виды комплексов кверцетина с ионами металлов (по данным А.Д.Рошаль и Т.В Сахно, 2001).

Анализ полученных результатов позволяет также высказать предположения о структуре комплекса. Можно заключить, что он образуется не через 3^’ и 4^’ кислороды катехиновой группы (в кольце В, рис.3), поскольку, как известно из литературы, при этом наблюдается изменение спектра поглощения (батохромный сдвиг полосы I), которое в нашем случае отсутствует. Об этом же свидетельствует тот факт, что замена кверцетина на морин приводит к быстрому формированию наночастиц серебра; при этом изменение спектров поглощения аналогично регистрируемому для кверцетина. Поскольку отличие структуры морина от кверцетина заключается в удалении друг от друга ОН групп в кольце В, в силу чего образование комплекса с кислородами при С3’ и C4’ оказывается невозможным (рис.3), можно предположить, что с обоими флавоноидами комплекс образуется через кислороды при С3 и С4, или С4 и С5. Эта версия подтверждается результатами теоретического анализа вероятности образования комплексов с ионами металлов 5- гидроксифлавонов, в том числе кверцетина. Показано (Рошаль и Сахно, 2001), что для кверцетина возможно образование 4-х видов комплексов (рис.20) – двух видов хелатов с участием карбонильной группы при С4 и гидроксильных групп у С3 (MQr3) либо С5 (MQr5) и двух видов хелатов с участием гидроксильных групп у С3^’ и С4^’ (MQr3^’ и MQr4^’). На основании результатов расчетов энтальпий образования комплексов кверцетина с ионами разных металлов и геометрических соображений (оценок размеров полостей между кислородами в положениях С4 и С5 или С4 и С3) авторами сделан вывод о том, что, во-первых, образование комплексов типа MQr3^’ и MQr4^’ маловероятно, и во-вторых, что тип образующегося здесь комплекса (MQr3 или MQr5) определяется размерами и электронным строением иона металла, причем для ионов большого размера предпочтительно образование комплекса MQr3. Из этих данных вытекает, что в нашем случае более вероятно образование комплекса типа MQr3. Однако из этого не следует, что комплекс ионов Ag⁺ через кислороды при С3’ и С4’ в принципе невозможен. Как вытекает из аналогичных экспериментов с рутином, в этом случае на промежуточной стадии наблюдается батохромный сдвиг полосы I, характерный для образования комплекса именно с катехиновой группой в кольце В.

4.2. Наночастицы золота

Анализ изменений спектров поглощения в процессе синтеза наночастиц золота позволяет заключить, что здесь реализуется та же последовательность событий, что и описанная выше для синтеза наночастиц серебра. Вначале образуется комплекс [Au^3+(δ-) …Qr ^(δ+)] также через атомы кислорода в положениях С3 и С4 или С4 и С5. В комплексе (вероятно, через ряд промежуточных стадий) происходит восстановление ионов золота до атомов, затем ассоциация атомов и ионов с образованием наночастиц. Учитывая, что с рутином, для которого невозможно образование комплекса типа MQr3, синтез наночастиц золота реализовать не удается, можно предположить, что для иона золота более вероятно связывание с молекулой Qr через атомы кислорода в положениях С3 и С4.

4.3. Наночастицы меди и цинка

Спектрофотометрическое исследование взаимодействия ионов меди и цинка с кверцетином в мицеллярных растворах показало, что при введении водных растворов простых солей (сульфатов или нитратов) наблюдается батохромный сдвиг полосы I, свидетельствующий об образовании комплекса типа MQr3^’ или MQr4^’ , однако далее процесс не идет и образования наночастиц не происходит. Мы предположили, что причиной этого является нестабильность однозарядных ионов Cu⁺ и Zn⁺ (которые образуются на первой стадии восстановления соответствующих двухзарядных ионов), вследствие чего они не могут образовать комплекс с кверцетином, в котором идет восстановление до атома. Как было известно из литературы, такую проблему можно решить путем введения агента, образующего прочные комплексы с однозарядными ионами; в качестве такого агента мы использовали аммиак, заменив для этого простые ионы металлов на комплексные аммиак-содержащие ионы. И действительно, при введении в мицеллярный раствор Qr аммиачных солей меди или цинка

Рис. 21. Формирование наночастиц Cu. Изменение спектра мицеллярного раствора Qr через 2 мин (1) и 30 мин (2) после введения аммиачной соли меди до концентрации 4 мМ, w = 3.7.

(тетрааминсульфатов или тетрааминнитратов) наблюдается вначале образование комплекса, а затем наночастиц. Эти события отражаются в соответствующих изменениях спектров поглощения мицеллярного раствора Qr. Типичная картина для меди показана на рис.21. Вначале наблюдается батохромный сдвиг обеих полос кверцетина, свидетельствующий об образовании комплекса, затем полоса I исчезает и появляется полоса наночастиц (545-555 нм). Комплекс распадается с образованием двух продуктов – окисленного кверцетина (полоса 320-330 нм) и наночастиц. При стандартных условиях синтез идет достаточно быстро, так что уже через 2 мин не видна полоса I исходного кверцетина и появляется слабое поглощение в области полосы наночастиц. Для выявления стадий, предшествующих образованию наночастиц, как и в случае серебра, требуется замедлить процесс, например, уменьшая концентрации реагентов.

Рис.22. Пример кинетики формирования наночастиц цинка.Показаны изменения спектра мицеллярного раствора Qr через 5 мин (1), 30 мин (2), 70 мин (3) и 100 мин (4) после введения аммиачной соли цинка, w = 3.7.