Комплексные подходы к характеризации наноалмазов детонационного синтеза и их коллоидных растворов (1105580), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Более того, наноалмазы с различной предварительнойобработкой поверхности способствуют различной дифференцировке нервных стволовых клеток[44, 45]. Это позволяет отказаться от традиционных белковых подложек, обладающих низкойбиосовместимостью (из-за применения чужеродных организму белков), и открывает новыевозможности создания медицинских имплантантов для восстановления функций центральнойнервной системы и лечения нейродегенеративных болезней, в частности, болезней Паркинсонаи Альцгеймера [44].Исследования in vivo, проведенные на мышах [46-48] показали, что наноалмазынакапливаются в печени, легких, костях, селезенке, сердце, а затем медленно выводятся изорганизма. Относительно токсичного воздействия на указанные органы однозначных данныхпока, к сожалению, нет.Еще одна крупная перспективная область применения наноалмазов — использование их вкачестве маркеров в биологических объектах (биосовместимых квантовых точек) за счетналичия центров окраски в кристалле наноалмазов [40, 49-51].
Способность наноалмазов кфлуоресценцииоткрываетвозможностиихиспользованиявсверхразрешающейфлуоресцентной микроскопии дальнего поля [52] Флуоресцентные алмазы можно разделить на2 типа. Первые обладают собственной флуоресценцией за счет дефектов кристаллическойрешетки, создаваемых в основном примесями азота [53] (центры азотной вакансии, (N–V)0 и(N–V)–) и кремния (Si–V) [54] Этот тип дефектов интересен тем, что его квантовый выходблизок к 1, продолжительность флуоресценции составляет 11.6 нс (при 295 К) [55], содержащиеего частицы очень фотостабильны, не обесцвечиваются [56], не изменяют своего спектрафлуоресценции [53], поглощают на длине волны 560 нм и имеют максимум флуоресценцииоколо 700 нм, что позволяет легко отделить их излучение от клеточной флуоресценции [56].Однако зачастую имеющихся в исходном наноалмазе центров недостаточно для сильнойфлуоресценции и тогда прибегают к их искусственному созданию путем облученияэлектронами [57], ионами 1H+ [56, 58, 59], 2He+ [58, 60, 61] с последующей термическойобработкой в вакууме.
В принципе возможно создание и других центров окраски на основедефектов кристаллической решетки (например, никель-азотные центры (NE8) в пленкахнаноалмазов, полученных термическим разложением углеродсодержащих газов (CVD алмазы),поглощающие при 745 нм и излучающие на 800 нм [62]). Собственная флуоресценциянаноалмазов замечательна тем, что не требует химической модификации флуорофорнымигруппами, зачастую токсичными, что позволяет сохранить все преимущества алмазногоматериала.17Ксожалению,привсехсвоихпреимуществахионнаяимплантациятребуетспецифического и дорогого оборудования и, что более важно, весьма ограничен набор длинволн поглощения и флуоресценции. Поэтому наряду с физическими разрабатываютсяхимическиеметодысозданияфлуоресцентныхнаноалмазовпутеммодификацииихповерхности органическими соединениями, в частности, октадециламином [63], флуоресцеином[64], тионином [65] Выбор органических модификаторов практически неограничен, поэтомупринципиально возможно создавать частицы с любым набором линий поглощения и излучения.В КР-спектре наноалмазов наблюдается узкая изолированная линия с максимумом1332 см–1, характерная именно для алмазной структуры, что позволяет отличить ее отподавляющего большинства КР сигналов не только других углеродных частиц, но ибиологических образцов.
Поэтому ее удобно использовать для получения КР изображенийбактерий, тканей и клеток [66, 67].В целом, получение и использование в биомедицинских целях флуоресцентныхнаноалмазов в настоящее время является одним из основных направлений в исследовании этихматериалов [39, 40, 57, 63, 64, 68-76].Обработка пучком ионов способно придать наноалмазам не только флуоресцентные, но имагнитные свойства. Это было продемонстрировано в работе [77], где они подверглисьвоздействию ионов15Nи12C. Наноалмазы с магнитными свойствами можно также получитьпри смешивании с Fe или Co магнитными частицами [78] или разложении ферроцена [79] вприсутствии наноалмазов, при этом образуются конгломераты из алмазного ядра иметаллических наночастиц на его поверхности.
Можно применять и химическую модификациюповерхности с использованием металлсодержащих органических лигандов, например Gd (III)[80]. Однако модификация поверхности может приводить к появлению нежелательныхэффектов с точки зрения биосовместимости и токсичности. Полученные любым способомчастицы предлагается применять в качестве контрастных агентов для магнитной резонанснойтомографии (МРТ) [80], для неразрушающего МРТ-контроля распределения терапевтическихмолекул в тканях животных и людей (аналогично [81]) и в качестве сканирующего зондовогомагнетометра в живых клетках [82].Таким образом, сочетая различные виды воздействия на наноалмазы появляетсяуникальная возможность получить частицы с различными свойствами, например магнитныефлуоресцентные [72, 82], без изменения их поверхности и, следовательно, не снижаябиосовместимости.Важным свойством наноалмазов является их способность образовывать комплексы сбиомакромолекулами (биоконъюгаты) [83].
Высокая биосовместимость делает их прекраснымматериалом для создания биосенсоров. Белки [84] и нуклеиновые кислоты [85, 86] способны18ковалентно [87] и нековалентно [88, 89] связываться с пленками модифицированныхнаноалмазов, сохраняя при этом свою активность. В сочетании с электрическимихарактеристиками это дает возможность использовать наноалмазные пленки для созданиябиосенсоров [84, 85, 90], Уже созданы прототипов биочипов на основе комплексов НА–ДНК[85, 91, 92], бактериальной люциферазой [93]; пероксидазой хрена [90]; белком обелином,хемилюминесцирующим при взаимодействии с ионами Ca2+ [94].
Способность наноалмазов кфизической адсорбции биомакромолекул позволит использовать их в клинической протеомике вкачестве эффективных твердофазных экстрагентов [89, 95]ЕщеоднимнаправлениемявляетсяадреснаядоставкалекарственныхсредствОнкологические заболевания могут проявлять устойчивость к стандартной химиотерапии. Этарезистентность часто вызвана тем, что транспортные белки быстро удаляют лекарства изклетки.Применениекомплексовхимиотерапевтическихпрепаратовснаноалмазамиобеспечивает доставку лекарств в обход клеточного насоса и подавляют рост злокачественныхопухолей.
Например, комплексы наноалмазов с доксорубицином обладают более длительным ивыраженным терапевтическим эффектом, нежели свободный доксорубицин [96-98]. При этомкомплексы присоединяются только к раковым клеткам, и не оказывают токсическоговоздействия на белые кровяные тельца.1.5. Строение алмазной частицыПрежде,чемстатьнаучноипрактическиинтереснымобъектом,наноалмазыдетонационного синтеза проходят длительный путь, включающий собственно синтез,выделение алмазной фазы и очистку от различных примесей. Все эти процессы оказываютсущественное влияние на количественный и качественный состав как алмазного ядра, так и егофункционального покрова.
Поэтому для понимания структуры, свойств и химии наноалмазныхчастиц необходимо ясно представлять всю цепочку воздействий, которым они подвергаются.Детальноеизучениеповерхностимакрокристаллическихалмазов[99]привелоисследователей к идее о существовании «оборванных связей» на их поверхности. Этихимически ненасыщенные поверхностные атомы углерода обладают свободной валентностью,которая может быть насыщена хемосорбцией других элементов или реакцией с ними собразованием функциональных групп. Микрокристаллы наноалмазов образуются в крайненестационарном режиме за очень короткое время (менее 10 -6 с) и обладают большимколичеством поверхностных дефектов. Поэтому атомы углерода на поверхности алмазныхчастиц не успевают стабилизировать свою электронную оболочку замыканием неспаренныхэлектронов на соответствующие связи внутри кристалла с внутренними атомами углерода.Вместо этого стабилизация электронной оболочки происходит за счет образования различных19поверхностных групп путем реакции атомов углерода с окружающими атомами другихэлементов [100].
Так как в состав молекул исходных взрывчатых веществ кроме углерода входятатомы кислорода, водорода и азота, содержащие эти элементы функциональные группы исоставляют подавляющую часть покрова первичных частиц наноалмазов. Таким образом,кристаллы наноалмазов, имея химически пассивное ядро классического кубического алмазакруглой или овальной формы без режущих кромок, в то же время имеют и достаточнохимически активную (пусть в слабой форме) поверхностную оболочку функциональных групп(окси-, карбокси-, карбонильные и др.) [101].На основании структурных исследований, проведенных методами рентгеновскойдифракции и малоуглового рентгеновского рассеяния, предложена модель, согласно которойнаноалмазная частица состоит из алмазного ядра и оболочки из аморфного углерода [102],толщиной в 3–4 атомных слоя [103]. Таким образом, частицы наноалмазов после образованиязаключены в оболочку из аморфного углерода и других его неалмазных форм.
В результатечастичной графитизации во время синтеза на алмазной поверхности наноалмазных частицобразуются графитоподобные слои [104]. При этом, судя по данным КР спектроскопии, графитана поверхности нет [105], а sp2-углерод связан с различными функциональными группами.Для сферической частицы общее число составляющих ее атомов (Nобщ) можно оценить поформуле [23]:общ =4 3 ,30(1)где V0 — атомный объем (в кристалле алмаза он составляет 5.667Å3), R — радиус частицы(Å). Тогда алмазная частица диаметром 4.3 нм состоит из ~ 7200 атомов, 6 нм — 20000 атомов, а10 нм — 92000 атомов.Число атомов на поверхности также можно оценить.
Полагая верным следующеесоотношение между поверхностной (nпов) и объемной (nоб) атомной плотностью [23]:2/3пов = об ,(2)получаем следующее выражение для оценки числа атомов на поверхности сферическойчастицы:пов3=.общ 41/3об(3)Тогда на поверхности алмазной частицы диаметром 4.3 нм сосредоточено 1100 атомов[106], что составляет около 15% общего числа атомов.Строго говоря, частицы наноалмазов и тем более их агрегаты не являются идеальнымисферами.
Однако, говоря о размере, обычно имеют в виду диаметр сферы, которой можно20описать агрегат или отдельный кристалл. В случае наноалмазами с их близкой к сферическойформе первичных кристаллов такое приближение видится вполне обоснованным.Элементный анализ показал, что алмазные кластеры содержат 85–87% углерода, 0.1–2.5%азота, 0.5–2.5% водорода, 0.5–8% несгораемого остатка, до 10% кислорода [23-26, 107-109].Углерод находится в виде алмазной (90–97%) и неалмазной (3–10%) форм. Доля примесей вдетонационных наноалмазах выше, чем в других синтетических алмазах, поэтому их влияние нафизико-химические свойства наноалмазов должно быть выражено сильнее [26].Все кислородные и водородные атомы сосредоточены на поверхности частиц [24, 107, 108,110, 111]. Азот входит в состав нитро–групп [111, 112], амидных групп [107], а также внедряетсяв саму структуру алмаза. Ранее уже говорилось о том, что допирование наноалмазов азотомпридает им люминесцентные свойства без модифицирования поверхности органическимифлуорофорами [52, 57, 113].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
