Получение сенсорных гетероструктур для биомедицинского применения НИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Получение сенсорных гетероструктур для биомедицинского применения
Результаты этапа: 1. В 2013 году в рамках проекта были разработаны методы получения индивидуальных наночастиц серебра и золота, нанокомпозитов на их основе типа ядро-оболочка и частиц Януса. В зависимости от природы и концентраций используемых растворов прекурсоров и восстановителя проведена оптимизация методов получения наночастиц и композитов с заданной морфологией и составом. 2. Проведены кинетические исследования формирования наночастиц благородных металлов и композитов. Получение наночастиц золота. Из результатов исследования, можно сделать вывод, что процесс восстановления Au+3 является довольно быстрым, уже после первой минуты не наблюдается полоса, соответствующая Au+3. Дальнейшее кипячение с раствором восстановителя приводит, по-видимому, к изменению морфологии получаемых наночастиц, что подтверждается данными просвечивающей электронной микроскопии. Согласно результатам ПЭМ, образовавшиеся наночастицы золота в основном являются сферическими с размерами около 22,5 нм. Увеличение времени кипячения с восстановителем способствует образованию нанокластеров, что отчетливо проявляется. Этот процесс должен быть благоприятен для увеличения сигнала комбинационного рассеивания, поскольку образование кластеров усиливает электрическое поле, генерируемое наночастицами. Анализ изменения интенсивности полосы плазмонного резонанса золота показал, что быстрый рост концентрации наночастиц золота наблюдается в течение первых пяти минут восстановления, затем наблюдается стабилизация и после 20-минутного кипячения наблюдается интенсивный рост частиц. Получение наночастиц серебра. Реакция восстановления нитрата серебра, в отличие от аналогичной реакции для золота, не является автокаталитической и представляет собой обычную реакцию нулевого порядка, по крайней мере, в течение первых 30 минут эксперимента. Однако, для реализации этого процесса необходимо образование зародышей частиц серебра, что подтверждается длительным индукционным периодом. После появления зародышей в растворе скорость реакции резко увеличивается, а затем стабилизируется. Процесс восстановления является довольно медленным, поэтому полоса плазмонного резонанса, характерная для наночастиц серебра, начинает появляться только к 15-ой минуте кипячения. Увеличение времени кипячения с раствором восстановителя способствует росту размеров получаемых наночастиц. Получение нанокомпозитов серебро-золото. Формирование частиц композитов серебро/золото очень похоже на процесс восстановления серебра, очевидно последний процесс является лимитирующей стадией. Анализ кривой, описывающей зависимость интенсивности максимума поглощения растворов композитов серебра/золота от времени кипячения раствора, показал, что в течение 30 минут наблюдается непрерывный рост интенсивности сигнала, обусловленный укрупнением образовавшихся частиц. Из данных ПЭМ можно оценить, что размер нанокомпозитов по истечении этого времени достигает 30 нм. Полученные наночастицы благородных металлов и композиты на их основе были использованы для создания подложек, используемых в спектроскопии комбинационного рассеяния. В качестве модельного объекта использовали раствор родамина 6Ж с концентрацией 10-6М Полученные результаты свидетельствуют о том, что все подложки с нанесенными растворами наночастиц усиливают сигналы в спектрах комбинационного рассеяния по сравнению с чистой стеклянной подложкой, на которой совершенно не проявились линии аналита. Наиболее значительное увеличение сигнала наблюдается в случае использования композитов типа ядро(серебро)-оболочка(золото).
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Получение сенсорных гетероструктур для биомедицинского применения
Результаты этапа: В ходе выполнения настоящего исследования были решены следующие задачи: 1. Определены оптимальные условия и разработаны эффективные методики синтеза наночастиц золота, серебра и нанокомпозитов различной морфологии на их основе. 2. Изучена кинетика образования наночастиц благородных металлов и композитов на их основе. 3. Сформированы пленки из индивидуальных частиц и частиц-композитов. 4. Исследованы возможности использования бифункциональных наночастиц для спектроскопии комбинационного рассеяния. 5. Предложен ряд восстановителей для оксида графита, в качестве критерия степени восстановления предложено оценивать средний размер упорядоченных участков L=5600/Ee4 (ID/IG)-1. 6. В ходе выполнения исследования получены и исследованы композиты наночастиц золота с оксидом графита, восстановленного различными реагентами. 7. Методом спектроскопии комбинационного рассеяния показано, что значительное усиление сигнала красителя метиленового синего наблюдается в случае использования индивидуальных наночастиц золота, затем следует композит, приготовленный из наночастиц золота и оксида графита, восстановленного мочевиной, и наименьшее усиление сигнала наблюдается для композита, приготовленного из наночастиц золота и оксида графита. 8. Важными факторами для усиления сигналов в спектроскопии КР является резонансное поглощение наночастицами золота в области длин волн, которые близки к волне возбуждающего лазера, и увеличение среднего размера упорядоченных участков оксида графита.
3 24 марта 2015 г.-31 декабря 2015 г. Получение сенсорных гетероструктур для биомедицинского применения
Результаты этапа: В ходе выполнения исследования были получены композиты на основе наночастиц парамагнитного оксида железа состава Fe3O4 и золота с различной химической предысторией. 1. Получение композитов состава Fe3O4@Au Перед всеми экспериментами вся посуда была тщательно вымыта царской водкой, а затем промыта дистиллированной водой. 1.1. Метод на основе частиц Fe3O4, полученных с использованием NH3 ∙ H2O Перед экспериментом был приготовлен раствор наночастиц Fe3O4 с концентрацией 1 мМ. Так же для проведения эксперимента были взяты навески: 0.029 г Na3Cit ∙ 2H2O. Описание эксперимента: В стакан налили 20 мл воды, 1 мл раствора Fe3O4 и добавили цитрат натрия. После этого образовавшийся раствор был доведен до кипения и выдержан при перемешивании в течение 20 минут. Затем добавили 210 мкл 0.0412 М раствора HAuCl4 и продолжили нагревание при непрерывном перемешивании в течение 15 минут, а затем оставили остывать до комнатной температуры (~ 35 минут). Наблюдения: После добавления раствора HAuCl4 цвет раствора практически не изменился (немного потемнел). В течение реакции цвет раствора менялся с бледно-коричневого до сине-фиолетового. Результат: На Рис. 1 слева находится коллоидный раствор композитных наночастиц Fe3O4-Au, полученных по описанному выше методу. 1.2. Метод на основе частиц Fe3O4, полученных с использованием NaOH Перед экспериментом были приготовлены растворы: 0.1 М раствор Fe3O4, 0.1 М раствор Na3Cit, 0.2 М раствор NH2OH ∙ HCl. Описание эксперимента: В стакан на 100 мл налили 45 мл воды, 70 мкл суспензии Fe3O4 и 6 мл раствора цитрата натрия. Образовавшийся раствор нагрели до 80°С и выдержали при перемешивании в течение 10 минут. Затем в раствор добавили 1 мл раствора гидроксиламина и продолжали нагревать при перемешивании в течение 5 минут. После этого к раствору добавили 700 мкл 0.0412 М раствора HAuCl4 и довели раствор до кипения (Au : Fe3O4 ≈ 3 : 1) . Раствор кипятили в течение 10 минут при перемешивании и затем выдержали, продолжая перемешивание, в течение 20 минут. После этого раствор остывал в течение 10 минут. Образовавшийся осадок собрали с помощью магнита, промыли дистиллированной водой и диспергировали в воде путем обработки в ультразвуковой ванне. Рис. 2. Фотография реакционного процесса получения композитов Fe3O4-Au. Наблюдения: Изначальный цвет раствора при добавлении Fe3O4 был черный. В течение реакционного процесса цвет менялся с черного до красно-коричневого. Конечный продукт был красновато-коричневого цвета и хорошо реагировал на магнит. 2. Получение композитов состава Au@Fe3O4 Перед экспериментом вся посуда была тщательно вымыта царской водкой, а затем промыта дистиллированной водой. Для проведения эксперимента были приготовлены растворы: 34 мМ раствор цитрата натрия, 6.25 мМ раствор Fe3O4. Описание эксперимента: Для получения золотых наночастиц использовался цитратный метод, описанный в п. 3.2.1. К 10 мл воды прилили 95 мкл 0.0412 М раствора HAuCl4 и довели до кипения. Затем добавили 1 мл раствора цитрата натрия. После этого раствор покипятили в течение 5 минут при перемешивании. Затем добавили раствор Fe3O4 и продолжили нагревание при перемешивании еще в течение 15 минут. Наблюдения: Раствор наночастиц золота до добавления раствора Fe3O4 имел бледно-фиолетовый цвет. После добавления цвет раствора менялся от бледно-коричневого до грязно-фиолетового (рис. 3, 4) Рис. 3. Фотография реакционного процесса, описанного выше до (а) и после (б) добавления раствора Fe3O4. Рис. 4. Фотография полученных композитов Au@Fe3O4 (слева). Результат: На рис. 4 слева находятся раствор полученных композитов Au@Fe3O4, а справа для сравнения исходный раствор Fe3O4, который использовался для синтеза. 3. Получение композитов Fe3O4-Ag 3.1. Метод, основанный на взаимном окислении – восстановлении Fe(OH)2 и Ag2O Для проведения эксперимента были взяты навески: 0.610 г FeCl2 ∙ 4H2O, 0.425 г AgNO3, 2 х 2.22 г PVP, 0.4 г КОН. Так же были приготовлены растворы: AgNO3+PVP в 20 мл воды, КОН в 10 мл воды. Описание эксперимента: В стакан со 150 мл воды добавили FeCl2 и PVP и нагрели до 90°С при перемешивании. После полного растворения веществ в раствор последовательно добавили раствор гидроксида калия и раствор AgNO3+PVP и выдержали при 90°С в течение 10 минут. Образовавшийся продукт собрали с помощью магнита и дважды промыли водой и спиртом. Полученный порошок диспергировали в минимальном количестве спирта путем обработки в ультразвуковой ванне в течение 5 минут. 3FeCl2 + 6NaOH = 3Fe(OH)2 + 6NaCl 2AgNO3 + 2NaOH = Ag2O + 2NaNO3 + H2O 3Fe(OH)2 + Ag2O = Fe3O4 + 2Ag + 3H2O Наблюдения: Образовавшийся продукт был черного цвета и хорошо реагировал на магнит. 3. 2. Метод, основанный на восстановлении AgNO3 Перед проведением эксперимента были приготовлены растворы: 4.8 мМ раствор AgNO3, 0.1 М раствор Na3Cit, 0.2 М раствор NH2OH ∙ HCl, 0.4 мМ раствор Fe3O4. Описание эксперимента: В стакан с 20 мл воды добавили 200 мкл раствора Fe3O4 и 6 мл раствора цитрата натрия. Затем получившийся раствор выдержали при 80°С при интенсивном перемешивании в течение 10 минут. После этого к раствору добавили 600 мкл раствора гидроксиламина и продолжили нагревание и перемешивание в течение 5 минут. Затем добавили 1 мл раствора нитрата серебра и выдержали раствор при непрерывном перемешивании в течение 35 минут. Рис. 5. Фотография процесса синтеза композитов Fe3O4-Ag. Рис. 6. Фотография полученных композитных наночастиц Fe3O4-Ag методом, описанным выше. Наблюдения: Изначально после добавления раствора Fe3O4 раствор был бледно-черным. Затем, спустя 3 минуты после добавления AgNO3, раствор стал мутнеть и к концу синтеза цвет раствора был мутно-желтый. Результаты рентгенофазового анализа. Рентгенограммы полученных наночастицы Fe3O4-Ag представлены на рис. 7. а б Рис. 7. Результаты рентгенофазового анализа образцов состава Fe3O4, Au и композитов на основе наночастиц золота и Fe3O4, полученных с использованием NH3 ∙ H2O (а), и с использованием NaOH (б). Как видно из рис. 7, на рентгенограммах композитов Fe3O4-Au с различной химической предысторией интенсивность рефлексов, присущих золоту и серебру, значительно превышает интенсивности сигналов Fe3O4, что однозначно может свидетельствовать о получении оболочки из наночастиц благородного металла, сформировавшейся вокруг ядра, состоящего из Fe3O4. 4. Результаты просвечивающей электронной микроскопии Результаты просвечивающей электронной микроскопии и электронной дифракции наночастиц золота, полученных цитратным методом, свидетельствуют об образовании золотых частиц сферической формы с однородным распределением по размерам, средний размер составляет (8 ± 1) нм. Рис. 8. Слева направо: Микрофотография полученных наночастиц золота. Электронная дифракция на наночастицах золота. Распределение полученных наночастиц золота по размерам. Из рис. 9 видно, что наночастицы Fe3O4, полученные с использованием раствора гидроксида аммония, имеют сложную разветвленную форму и размер (8 ± 3) нм. На приведенных микрофотографиях наблюдается образование кластеров из наночастиц оксида железа, размеры которых находятся в интервале 400-4000 нм. Из данных электронной дифракции однозначно следует, что это Fe3O4. Рис. 9. Слева направо: Микрофотография полученных наночастиц Fe3O4 (см. раздел 3.1.1.). Электронная дифракция на наночастицах Fe3O4. Распределение полученных наночастиц Fe3O4 по размерам. Из результатов ПЭМ, полученных для композитов на основе наночастиц оксида железа и золота видно, что образуются множество композитных микрочастиц (более темные области соответствуют золотым частицам), размер которых составляет около 12 нм, что превышает размеры индивидуальных частиц оксида железа и золота (рис. 10). Рис. 10. Слева направо: Микрофотография полученных композитов Fe3O4-Au (см. раздел 3.3.1.). Электронная дифракция на частицах Fe3O4-Au. Распределение полученных композитов по размерам. 5. Результаты УФ-видимой спектроскопии Из результатов оптической спектроскопии образцов оксида железа, наночастиц золота и композитов на их основе, представленных на рис. 11 (а-в), видно, что спектры поглощения композита сочетают в себе черты, присущие его составным частям. В композите сохраняется плечо при 364 нм, наблюдаемое для чистого образца Fe3O4, и полоса поглощения при 533 нм, характерная для наночастиц золота. Необходимо отметить значительное уширение полосы поглощения золота в длинноволновую область, что может дать дополнительные преимущества для исследования методом ГКР. а б в Рис. 11. Спектры поглощения образцов Fe3O4 (а), Au (б), Fe3O4+Au (в). 6. Результаты сканирующей электронной микроскопии Рис. 12. Результаты сканирующей электронной микроскопии композитов Fe3O4-Ag. Образцы композитов на основе наночастиц Fe3O4 и серебра были изучены методом СЭМ, результаты которого свидетельствуют об однородном покрытии наночастиц оксида железа сферическими частицами серебра. 7. Результаты динамического светорассеяния Все синтезированные в работе образцы, как индивидуальных наночастиц, так и композитов на их основе, были исследованы методом динамического светорассеяния (ДСР) (типичные графики представлены на рис. 13). а б Рис. 13. Распределение наночастиц золота (см. раздел 3.2.1.) по размерам по данным динамического светорассеяния (а) и просвечивающей электронной микроскопии (б). Из рис. 13 видно, что по данным ДСР размер наночастиц золота составляет (75 ± 25) нм, что находится в противоречии с результатами, полученными методом ПЭМ (аналогичная величина для наночастиц золота составила 8 ± 1 нм). Вероятно, методом ДСР мы фиксируем размеры наночастиц с сольватной оболочкой, что является малоинформативным для наших исследований. 8. Результаты исследования магнитных свойств Рис. 14. Зависимость намагниченности М от напряженности магнитного поля Н наночастиц Fe3O4, полученных по методу, описанному в разделе 3.1.2. Зависимость М(Н) имеет обратимый характер и не линейна, остаточная намагниченность отсутствует (рис. 14). Оба эти факта однозначно подтверждают, что в ходе данной работы были получены суперпарамагнитные частицы Fe3O4. 9. Результаты спектроскопии комбинационного рассеяния В качестве модельного объекта для возможного использования синтезированных композитов в спектроскопии ГКР выбрали раствор дофамина с концентрацией 1∙10-5М. Дофамин является одним из наиболее важных нейромедиаторов, т.к. он обеспечивает нормальную деятельность гормональной и центральной нервной системы. Поскольку в биологических объектах концентрация дофамина довольно низкая, то крайне важно разработать аналитические приемы, позволяющие определять это вещество в низких концентрациях. Из литературы известно, что соединения железа (III) образуют устойчивые комплексы с катехоламинами, к числу которых принадлежит и дофамин. При этом образуется комплекс, в котором электроны переносятся от лиганда к металлу. Этот электронный переход изменяет льюисовскую кислотность железных центров и вызывает сдвиг полосы поглощения в оптическом спектре комплекса в область 620 нм. Новая полоса поглощения попадает в резонанс с He - Ne лазером, который использовали в настоящем исследовании (длина излучения He – Ne лазера составляет 633 нм). Это явление было учтено при подготовке анализируемого раствора дофамина, к нему дополнительно была добавлена соль Fe3+. Рис. 15. Спектр дофамина с концентрацией 1∙10-5 М (1) и спектр дофамина с концентрацией 1∙10-5 усиленный композитами Fe3O4-Au, полученными по методу, описанному в разделе 3.3.2. Из полученных результатов очевидно, что нанокомпозиты на основе оксида железа и золота выполняют две функции. Наночастицы оксида железа фиксируют на себе наночастицы золота и образуют комплекс с переносом заряда с молекулами аналита. Полоса поглощения образовавшегося комплекса близка к длине излучения лазера и полосе поглощения наночастиц золота (533 нм), что способствует усилению сигнала от образовавшегося комплекса в спектроскопии ГКР (рис. 15). Благодаря синергетическому взаимодействию оксида железа, золота и дофамина, удалось получить спектр от раствора дофамина с концентрацией 1∙10-5 М.   В ходе выполнения исследования показано, что нанокомпозиты на основе оксида железа и золота позволяют получить сигнал дофамина в спектроскопии ГКР для сильно разбавленных растворов. В работе доказано, что композиты на основе наночастиц оксида железа и золота выполняют две функции. Наночастицы оксида железа образуют комплекс с переносом заряда с молекулами аналита, полоса поглощения которого близка к полосе поглощения наночастиц золота (533 нм) и длине излучения лазера, а наночастицы золота, полоса поглощении которых близка к полосе поглощения комплекса, усиливают сигнал от образовавшегося комплекса в спектроскопии ГКР. Благодаря синергетическому взаимодействию оксида железа, золота и дофамина, удалось получить спектр от раствора дофамина с концентрацией 1∙10-5 М.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".