Наночастицы металлов в растворах - биохимический синтез, свойства и применение, страница 6

Подобная же картина наблюдается и при введении в мицеллярный раствор кверцетина раствора соли цинка (рис.22). Здесь процесс синтез протекает медленнее, чем в случае меди, так что для выявления промежуточных стадий специального замедления не требуется. Предположительно это обусловлено меньшей степенью связывания кверцетина с ионами цинка; такое различие отмечалось в исследованиях взаимодействии с этими ионами кверцетина, иммобилизованного в полимерных пленках (Sakaguchi T., Nakajima A., 1987). На рисунке отчетливо видна изобестическая точка (378 нм), отражающая прямую связь между распадом комплекса и образованием продукта окисления кверцетина (появление выраженного плеча при 330 нм). Полоса наночастиц Zn лежит в области 270-280 нм; ее можно выделить путем вычитания спектров комплекса и оставшегося кверцетина из конечного спектра, полученного после завершения реакции. Таким образом, в обоих случаях формирование наночастиц идет через образование комплекса.

Нами были определены коэффициенты экстинкции комплексов Qr с простыми и комплексными аммиак-содержащими катионами металлов путем вычитания спектра оставшегося Qr из спектра мицеллярного раствора после введения соли металла в условиях, когда в нем отсутствуют наночастицы и содержатся только комплекс Qr с ионами металла и не прореагировавший кверцетин. Процедура вычитания проиллюстрирована на примере мицеллярного раствора Qr с ионами [Cu(NH₃)₄]²⁺ (рис.23) Здесь же показан характерный вид спектра комплекса. Во всех случаях, кроме сульфата меди, в спектре комплексов присутствуют две полосы, сдвинутые в красную сторону относительно соответствующих полос Qr; для сульфата меди удается выделить лишь одну длинноволновую полосу.

Р ис.23. Выделение спектра комплекса кверцетина с ионами [Cu(NH₃)₄]²⁺ из суммарного спектра системы Qr(0) + Cu(NH₃)₄ SO₄. Спектр комплекса (на вставке) получен путем вычитания спектра не прореагировавшего кверцетина (Qr^*) из спектра, снятого через 2 мин после введения соли металла (Qr(0) + Cu(N)).

Коэффициенты экстинкции кверцетина, рутина, и комплексов кверцетина с металлами по полосе I приведены в таблице 1. Сравнение с доступными литературными данными по оптическим свойствам комплексов переходных металлов с флавоноидами в водных растворах показывает, что полученные нами значения коэффициентов экстинкции близки к найденным для комплексов меди в водном растворе с рутином (1-2*10⁴ л/моль [Мельникова Н.Б., Иоффе И.Д., Царева Л.А. 2002]) и кверцетином (2 10⁴ л/моль [Mira L., Fernandez M.T. et al 2002.]). Изменения спектров при взаимодействии ионов меди с рутином и морином свидетельствуют о том, что здесь возможно образование комплексов двух типов – с кислородами при С3’ и С4^’ в кольце В (Ru), или с кислородами при С3 и С4 в кольце С (Mo).

Таблица 1. Положения полос поглощения и коэффициенты экстинкции

рутина, кверцетина и его комплексов с ионами меди и цинка в мицеллярных

растворах. Приведены данные для сульфатов (S) и тетраамминсульфатов (N)

__________________________________________________________

Наименование _maxI _maxII _I  10^-4, л/моль см

__________________________________________________________

Рутин 364 258 2,32

Кверцетин 372 258 2,8

[Cu²⁺…Qr]S 422 - 3,73

[Cu²⁺…Qr]N 450 278 2,84

[Zn²⁺…Qr]S 416 265 3,06

[Zn²⁺…Qr]N 432 279 2,65

________________________________________________________

Обобщая приведенные выше сведения о механизме взаимодействия флавоноидов с ионами металлов в мицеллярном растворе можно заключить, что здесь выделяются две основные стадии: (1) образование комплекса и (2) распад комплекса в конечном счете на атомы металла (с последующим образованием наночастиц) и флавоноид в окисленной форме. При этом возможно образование комплексов с разной структурой (рис.20), различающейся фрагментами молекулы флавоноида, образующими связи с ионами металлов – либо через атомы кислорода при С3 и С4 в кольце С (наночастицы Ag и Au с Qr и наночастицы Cu с Mo), либо через атомы кислорода при С3^’ и С4^’ в кольце В (наночастицы Cu и Zn с Qr и Ru).

5. Водные растворы наночастиц металлов

При разработке различных вариантов применения наночастиц оказалось важным получать их стабильные дисперсии не только в органическом растворителе (в нашем случае, в углеводородах), но и в полярных средах, прежде всего в воде. Есть все основания полагать, что стабильные наночастицы металлов в водных растворах найдут полезные применения в медицине и биотехнологии. Большое значение для разработки медицинских приложений наночастиц, а также для определения степени токсичности различных наноматериалов для человека и других живых организмов имеют исследования механизмов биологического действия наночастиц металлов, которые могут проводиться только на водных дисперсиях.

Для расширения круга возможных применений наночастиц, полученных методом биохимического синтеза, была разработана методика получения водных дисперсий наночастиц из их мицеллярных растворов. Нами описаны две процедуры приготовления таких дисперсий: (1) центрифугирование двухфазной системы мицеллярный раствор/вода и (2) смешение мицеллярного раствора с водой и последующее отстаивание. В первом случае удается получить водную дисперсию наночастиц с малым содержанием АОТ, но здесь оказывается малой и концентрация наночастиц; кроме того, технически сложно получать достаточно большие количества раствора наночастиц, приемлемые для прикладных исследований. Поэтому изучение свойств и разработка различных вариантов применения водных дисперсий наночастиц проводилась с использованием второй из упомянутых процедур. Таким путем получены водные дисперсии наночастиц серебра, золота, меди и цинка.

Т ипичный спектр поглощения водного раствора наночастиц серебра показан на рис.24. Максимум полосы поглощения наночастиц лежит в интервале 400 – 420 нм, в согласии с известными из литературы положениями максимума для наночастиц серебра в водных растворах.

Рис.24. Характерный вид спектра поглощения водной дисперсии наночастиц серебра.

Пример электронной микрофотографии и гистограмма распределения по размерам показаны на рис.25. Средний размер частиц по данным ТЕМ практически совпадает с найденным для соответствующих мицеллярных растворов, но разброс по размерам часто оказывается больше. При измерениях методом ФКС, как и в случае мицеллярных растворов, размеры оказываются обычно больше

Рис.25. Электронная микрофотография и распределение по размерам в водном растворе наночастиц серебра.

найденных по электронным микрофотографиям. Возможно, что увеличение среднего размера в этом случае обусловлено присутствием агрегатов АОТ, который в избытке переходит в водную дисперсию из мицеллярного раствора. Помимо концентрации и размеров наночастиц, концентрация АОТ в водной дисперсии является важным параметром при разработке некоторых вариантов применения этих растворов (например, в качестве добавок к косметическим средствам) а также для исследований биологических эффектов наночастиц, поскольку этот ПАВ может быть токсичным для биологических объектов. Для контроля этого параметра нами была поставлена методика определения концентрации анионных ПАВ в воде (ГОСТ Р 51211-98) и разработаны процедуры, позволяющие существенно уменьшить концентрацию АОТ в водной дисперсии наночастиц серебра, что давало возможность устранить побочные эффекты действия этого ПАВ (см. раздел 7).

6. Адсорбционные свойства наночастиц

Нанесение наночастиц на твердые поверхности производилось путем адсорбции их из раствора с целью получения различных модифицированных материалов со специальными свойствами, для применения в технике и медицине. Для каждого вида материала подбирались условия, обеспечивающие достаточно высокие скорость адсорбции и плотность покрытия наночастицами, а также его достаточную устойчивость при предполагаемых условиях эксплуатации. Тип раствора, из которого наносятся наночастицы, зависит от свойств поверхности адсорбента. При этом в основном выполняются общие закономерности, известные из теории адсорбции – из неполярной среды с полярными примесями адсорбция этих примесей активно идет на гидрофильных поверхностях, а из полярной среды с неполярными примесями – на гидрофобных. Мицеллярный раствор с этой точки зрения является неполярной средой, в которой наночастицы в обратных мицеллах можно рассматривать как полярный компонент; такой раствор использовали для нанесения на стекло, металлы, ткани, порошки оксидов металлов, силикагель и другие материалы с полярными группами на поверхности. Водный раствор – полярная среда, в которой наночастицы в мицеллах из АОТ представляют неполярный компонент; из таких растворов наночастицы хорошо адсорбировались на активированном угле, углеродных тканях, а также на других материалах, поверхности которых обладают преимущественно гидрофобными свойствами.

Контроль скорости адсорбции производили методом спектрофотометрии – по изменению интенсивности характерной полосы поглощения наночастиц в растворе, из которого они наносятся на данный материал. Количество наночастиц, адсорбированных на материале, оценивали в количестве нанесенного металла на единицу веса материала (обычно в мг/г) или (если известна удельная поверхность образца) – в количестве металла на единицу площади поверхности (мг/см²). При нанесении из монодисперсных растворов определялась также плотность покрытия (число наночастиц на единицу площади поверхности образца).

Для определения оптимальных условий, позволяющих получить заданные скорость адсорбции и плотность покрытия, а также обеспечить высокую степень извлечения наночастиц из раствора, изучали влияние на эти параметры различных факторов –

концентраций наночастиц и АОТ в мицеллярном или водном растворе, специфики поверхности адсорбента, его происхождения (например, для активированного угля – источника его получения) и др. В отдельных случаях удавалось определить удельную поверхность адсорбента по результатам измерений адсорбции АОТ из мицеллярного раствора. Практическое значение таких исследований можно проиллюстрировать на примере получения силикагеля с нанесенными наночастицами серебра (рис. 26).

Рис. 26. Изменение концентрации наночастиц серебра в мицеллярном растворе при адсорбции на

силикагеле из стандартного раствора на неподготовленной поверхности (А) и из раствора

оптимизированного состава на предварительно подготовленной поверхности (Б).

Здесь показаны изменения концентрации наночастиц при адсорбции из стандартного мицеллярного раствора на неподготовленной поверхности и из раствора с оптимизированными концентрациями наночастиц и АОТ на предварительно подготовленной (увлажненной) поверхности силикагеля. В первом случае за 2 недели удается осадить менее 50% наночастиц, тогда как во втором случае всего за 6 часов можно добиться практически полного извлечения наночастиц из раствора.

Работы по модификации твердых материалов проводились с наночастицами серебра, меди и цинка. На сегодняшний день наиболее востребованными оказались материалы, модифицированные наночастицами серебра. Нами получены различные ткани и изделия из тканей, порошки оксидов, образцы металлов, активированный уголь, силикагель, полимерные мембраны и другие материалы с различными плотностями покрытия наночастицами. Примеры таких материалов показаны на рис.27 и 28. Нанесение наночастиц серебра приводит к появлению характерной красно-коричневой или желтой окраски, интенсивность которой зависит от плотности покрытия. Лабораторные исследования позволили установить высокую антимикробную активность таких материалов; некоторые примеры результатов испытаний приведены в следующем разделе.