Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы. спектроскопия комбинационного рассеяния в исследовании и анализе наноразмерных материалов 13
1.1. Нормальное и гигантское КР света 13
1.2. Спектроскопия КР света в анализе наноразмерных объектов 25
1.3. Совмещение гигантского КР с методами разделения и концентрирования 33
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть 47
2.1. Материалы, оборудование и методы исследования 47
2.1.1. Материалы и реактивы 47
2.1.2. Оборудование и методы исследования 50
2.2. Синтез и характеризация структур «ядро-оболочка» на основе микроядер карбоната кальция, покрытых серебром 64
2.2.1. Синтез ядер карбоната кальция, содержащих НЧ магнетита, и их управление магнитным полем 64
2.2.2. Покрытие микроядер карбоната кальция серебром 66
2.3. Синтез и характеризация золь-гель материалов, содержащих частицы серебра 66
ГЛАВА 3. Конфокальная кр-спектроскопия в исследовании и анализе неорганических наноструктурированных объектов 68
3.1. КР-спектроскопия планарных наноразмерных полиэлектролитных покрытий, содержащих наночастицы магнетита... 69
3.2. Анализ микроядер карбоната кальция со встроенными наночастицами оксида железа (IIДП) методом спектроскопии КР 77
3.3. Определение модификации биосинтезированного селена в клетках мицелиев грибов шиитаке методом КР-спектроскопии 79
3.4. Влияние лазерного отжига на структуру наноразмерных пленок аморфного кремния по данным спектроскопии комбинационного рассеяния 84
ГЛАВА 4. Получение наноструктурирванных платформ для гигантского кр света и их применение для определения некоторых соединений 91
4.1. ГКР-платформы на основе структур «ядро-оболочка» для детектирования некоторых биологически активных соединений 92
4.2. Золь-гель материалы, содержащие наночастицы серебра, как ГКР-платформы и сорбенты для твердофазной экстракции 98
4.2.1. Синтез 3-Г материалов 98
4.2.2. Влияние состава 3-Г материалов на сигнал ГКР 107
4.3. 3-Г материалы в качестве платформ для ГКР и сорбента для твердофазной экстракции 116
Выводы 121
Список использованных источников 123
Благодарности
- Спектроскопия КР света в анализе наноразмерных объектов
- Оборудование и методы исследования
- Анализ микроядер карбоната кальция со встроенными наночастицами оксида железа (IIДП) методом спектроскопии КР
- Золь-гель материалы, содержащие наночастицы серебра, как ГКР-платформы и сорбенты для твердофазной экстракции
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Одной из актуальных задач современной аналитики является создание
методик анализа, ориентированных на изучение и применение
наноразмерных объектов. В связи с тем, что большинство наноразмерных, в
том числе биологических, объектов представляют собой сложные системы
неоднородного состава, содержащие несколько границ раздела фаз, то для их
изучения необходимы соответствующие методы анализа, обеспечивающие
получение большого количества информации с одного образца и, по
возможности, без его разрушения. Существующие сейчас методы подобного
анализа, например, сканирующая электронная микроскопия (СЭМ),
совмещенная с энер го дисперсно иной спектроскопией, уже стали
стандартными и обязательными для нанотехнологов. Однако их стоимость и
сложность оборудования, а также вероятность повреждения образца, дает
возможность развития и реализации потенциала других методов, в том числе
и конфокальной лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния (КР).
К преимуществам данного метода относятся неинвазивность и
недеструктивность, возможность изучения живых объектов и свойств
поверхности, низкая стоимость расходных материалов. При конфокальном
варианте КР-спектроскопии размер области регистрации спектров достигает
несколько кубических микрометров и менее, что позволяет получать 3D-
массивы спектров образцов. Интенсивность сигнала КР существенно ниже
интенсивности люминесценции и рэлеевского рассеяния (до 10 раз), однако
спектроскопия КР позволяет извлекать информацию о составе и структуре
объекта, фазовом состоянии и фазовых переходах, распределении локальной
температуры. Устранение основного недостатка спектроскопии КР,
связанного с низкой интенсивностью сигнала, возможно за счет реализации
спектроскопии гигантского КР (ГКР) света, суть которой заключается в
получении усиленных (в среднем, до 10 ) спектров молекул,
адсорбированных на наноструктурированных металлических поверхностях (Au, Ag).
Несмотря на то, что теоретические основы конфокальной микроскопии
и совмещенных с ней спектральных методов (в т.ч. КР-спектроскопии)
разносторонне проработаны, остаются актуальными разработка и
применение соответствующих методик при анализе конкретных объектов,
особенно наноструктурированных. В биологии, медицине,
материаловедении, аналитической и физической химии метод спектроскопии КР и особенно её конфокальный вариант остаются крайне редко используемыми, а универсальность таких методик остается под вопросом. Поэтому исследования, направленные на разработку методологии использования спектроскопии КР в наноаналитике, являются актуальными.
Цель работы состояла в оценке возможностей применения конфокальной спектроскопии КР для определения состава и структуры микро- и наноразмерных объектов и в создании новых
наноструктурированных материалов для получения усиленных КР-спектров (платформ для ГКР).
Для достижения этой цели решали следующие задачи:
разработка методики регистрации КР-спектров коллоидных растворов наночастиц (НЧ) магнетита и планарных наноразмерных покрытий на основе полиаллиламин гидрохлорида (ПААГ) с включенными НЧ магнетита, применение этих методик для определения соотношения фаз маггемита и магнетита в получаемых нанокомпозитных покрытиях, изучение влияния этого соотношения на величину их магнитной проницаемости;
оценка возможности применения метода конфокальной спектроскопии КР для изучения био- и in vitro синтезированных микрочастиц селена, и определения аллотропных модификаций селена непосредственно в биообъектах;
определение структуры (аморфная или кристаллическая) наноразмерных пленок кремния методом конфокальной спектроскопии КР, изучение влияния лазерного отжига на структуру пленок;
получение и исследование магнитоуправляемых платформ для ГКР на основе микроядер карбоната кальция, содержащих НЧ магнетита и покрытых серебряной оболочкой;
синтез золь-гель (3-Г) материалов на основе тетраэтоксиортосилана (ТЭОС), содержащих НЧ серебра, изучение влияния условий синтеза на способность усиливать КР-спектры родамина 6Ж (Р6Ж), адсорбированного на полученных материалах;
оценка возможности применения полученных 3-Г материалов для одновременного концентрирования модельных органических соединений (Р6Ж, фолиевая кислота, w-аминобензойная кислота (wABK), пирен) методом твердофазной экстракции (ТФЭ) и определения непосредственно в твердой фазе сорбента методом ГКР.
Методы и объекты. Для решения поставленных в работе задач применяли комплекс физических методов исследования: спектроскопия КР, флуориметрия, спектрофотометрия, спектроскопия диффузного отражения, фотон-корреляционная спектроскопия, СЭМ в комбинации с энергодисперсионной спектроскопией, вискозиметрия. Объектами исследования стали нано- и микроразмерные неорганические материалы (микроядра карбоната кальция, планарные пленки аморфного кремния, НЧ оксида железа (II,III), био- и in vitro синтезированные субмикрочастицы селена, 3-Г материалы на основе ТЭОС со встроенными НЧ серебра, наноразмерные композитные материалы (планарные полимерные покрытия, содержащие НЧ оксида железа (II,III)); объектами определения методом ГКР явились Р6Ж, пирен, фолиевая кислота и wABK.
Научная новизна исследования
Методом спектроскопии КР изучен состав НЧ оксида железа (11,111), встроенных в планарные наноразмерные покрытия на основе
полиэлектролита, показано влияние соотношения фаз маггемита и магнетита на значение магнитной проницаемости нанокомпозитных покрытий.
Синтезированы новые магнитоуправляемые платформы для получения спектров ГКР на основе микроядер карбоната кальция, содержащих НЧ магнетита и покрытых серебряной оболочкой.
Проведено in vivo детектирование субмикрочастиц селена, биосинтезированного в мицелиях грибов шиитаке.
Получены 3-Г порошки на основе ТЭОС, содержащие НЧ серебра различного размера. Изучено влияние условий синтеза на размер НЧ и оптические свойства полученных 3-Г материалов, оценен коэффициент усиления спектров КР.
Продемонстрирована возможность использования полученных 3-Г материалов для одновременного сорбционного концентрирования и определения непосредственно в твердой фазе методом спектроскопии ГКР некоторых модельных соединений (Р6Ж, пирен, wABK, фолиевая кислота). Показано снижение детектируемых концентраций на 2 порядка за счет совмещения данных методов.
Практическая значимость работы
Показана возможность применения конфокальной КР-спектроскопии для определения состава и структуры неорганических микро- и наноразмерных материалов (аморфный и кристаллический кремний, оксиды железа, микрочастицы красного и серого селена), в том числе в матрицах композитных материалов (наноразмерные пленки на основе полиэлектролита) и биообъектов (клетки мицелиев грибов шиитаке).
Созданы платформы для получения ГКР-спектров некоторых органических соединений на основе магнитоуправляемых микроядер карбоната кальция, покрытых серебром.
Получены 3-Г материалы, способные одновременно как концентрировать некоторые органические вещества методом ТФЭ, так и усиливать спектры ГКР адсорбированных веществ.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением современных методов исследования, научного оборудования, сертифицированого в соответствии с международными стандартами обеспечения единства измерений, единообразием средств измерений, а также не противоречием полученных результатов литературным данным.
Основные результаты исследований, выносимые на защиту:
применение конфокальной сканирующей лазерной спектроскопии КР для определения состава и структуры микро- и наноразмерных объектов на основе неорганических материалов: субмикронных кремниевых пленок, микроядер карбоната кальция, содержащих НЧ магнетита;
методика определения состава оксидов железа, встроенных в планарные покрытия на основе полиаллиламина методом конфокальной КР-спектроскопии; оценка магнитных свойств покрытий по полученным спектральным данным;
in vivo анализ состава субмикронных частиц селена, встроенных в биоматрицу мицелиев грибов шиитаке, методом конфокальной спектроскопии КР;
новые магнитоуправляемые ГКР платформы на основе микроядер карбоната кальция, содержащих НЧ магнетита;
методика синтеза 3-Г материалов, содержащих НЧ серебра, и возможность их использования в качестве сорбентов для ТФЭ и платформ для ГКР при определении некоторых органических веществ.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования представлены в докладах: XIV ежегодной международной Школе для молодых учёных и студентов по оптике, лазерной физике и биофизике «Saratov Fall Meeting-2010» (Саратов, 2010, стендовый доклад); III международной школе-семинаре «Nanoparticles, nano structured coatings and microcontainers: technology, properties, applications» (Турция, 2011, устный доклад); Второй школе молодых ученых по физике наноструктурированных и кристаллических материалов: Конспекты лекций и тезисы докладов (Нижний Новгород, 2011, заочное участие); VII Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (Саратов, 2012); Всероссийской конференции «Аналитическая спектроскопия» (Туапсе, 2012, стендовый доклад); Втором съезде аналитиков России (Москва, 2013, стендовый доклад), SFM'13: Optics & Biophotonics Symposium, в рамках программы У.М.Н.И.К. (Саратов, 2013, устный доклад); на семинарах ОНИ наноструктур и биоситем Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Саратов, 2011, 2012, 2013, устные доклады).
Гранты. Диссертационная работа выполнена в рамках следующих проектов: «Функционализация поверхности дисперсной фазы эмульсионных систем неорганическими наночастицами» (грант РФФИ № 09-03-00245-а, 2009-2011, исп.); «Создание мультифункциональных нано композитных структур с возможностью адаптации их физико-химических свойств под воздействием ионизирующего и лазерного излучений» (грант РФФИ № 11-08-12058-офи-м-2011, 2011, исп.); «Биосенсорные системы на основе наноразмерных материалов для детектирования пищевых и водных токсинов» (грант РФФИ № 12-03-92699-ИНД_а, 2012-2013, исп.); грант при поддержке Института биомедицинских технологий имени Фраунгофера (ЮМТ, Гольм/Потсдам, Германия, 21.05.2012-30.09.2012); грант Германской службы академических обменов (DAAD) по программе Михаил Ломоносов III (IBMT, Гольм/Потсдам, Германия, 01.10.2012-31.03.2013).
Личный вклад диссертанта заключается в постановке цели и задач исследования, выборе объектов и подходов к получению, обработке и описанию экспериментальных данных; непосредственном проведении эксперимента по получению 3-Г материалов с иммобилизованными НЧ серебра, изучению их спектральных и физико-химических свойств;
получению структур «ядро-оболочка» на основе микроядер карбоната кальция со встроенными НЧ магнетита и покрытыми серебром, хар актер изации полученных структур с использованием СЭМ, конфокальной лазерной сканирующей спектроскопии КР, спектроскопии диффузного отражения света; обобщении полученных результатов, формулировании научных положений и выводов.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 18 работ, из них: 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборниках научных трудов, 10 тезисов докладов конференций.
Объем, логика и структура работы обусловлены поставленной целью и сформулированными задачами исследования, а также требованиями, предъявляемыми к диссертационным работам. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. В тексте работы содержатся таблицы, схемы, диаграммы и графические иллюстрации. Общий объем диссертации составляет 140 страниц, включая 58 рисунков и 8 таблиц.
Спектроскопия КР света в анализе наноразмерных объектов
Спектроскопия КР - это метод спектрального анализа и исследования веществ, основанный на явлении комбинационного рассеяния монохроматического света. Первым КР света предсказал Адольф Смекаль в 1923 г., затем последовали теоретические работы Крамерса, Гейзенберга, Дирака, Шрёдингера и других, а в 1928 г. Ландсберг и Мандельштам обнаружили эффект КР света в кристаллах [1, 2]. В том же году явление КР света в жидкостях обнаружено в Университете Калькутты индийскими физиками Ч.В. Раманом и К.С. Кришнаном [3]. Эти результаты были ими опубликованы в европейском журнале ранее Ландсберга и Мандельштама, поэтому в зарубежной практике эффект КР света носит название «эффект Рамана», а соответствующий метод спектрального анализа называется рамановской спектроскопией (Raman spectroscopy). Таким образом, спектроскопия КР заключается в регистрации спектральных линий света, рассеянного образцом (в твердой, жидкой или газообразной фазах). Эти спектральные линии, отсутствующие в спектре первичного (возбуждающего) излучения, соответствуют определенным колебаниям групп атомов, аналогичные спектральным частотам поглощения веществ в ИК-диапазоне. Это позволяет определить наличие определенных функциональных групп по характеристическим частотам колебаний их фрагментов [4]. В случае резонансного рамановского рассеяния, частота возбуждающего излучения подбирается в соответствии с электронными переходами в молекуле или кристалле, которые отвечают возбужденным электронным состояниям, т.е. длина волны возбуждающего света совпадает с максимумом поглощения в видимом УФ диапазоне. В этом случае сечение рассеяния увеличивается, что позволяет получить высокую интенсивность рассеяния и увеличить чувствительность метода. При использовании длинноволновых лазеров в ближнем ИК диапазоне можно добиться отсутствия нежелательных флуоресцентных помех, частота которых ниже частоты возбуждающего излучения.
Есть две теоретические модели, описывающие явление КР света: электромагнитная (классическая) и квантовая. С точки зрения классической теории электрическое поле света индуцирует переменный дипольныи момент молекулы, который колеблется с частотой падающего света, а изменения дипольного момента в свою очередь приводят к испусканию молекулой излучения во всех направлениях. В классической модели принимается, что вещество содержит заряды, которые могут быть разделены, но удерживаются вместе некоторыми силами, действующими наряду с кулоновским притяжением. Образование волны на границе с веществом вызывает осциллирующее разделение этих зарядов, т.е. появляется осциллирующий электрический диполь, который излучает на частоте осцилляции. Это излучение и является рассеянием [5]. Выражение для интенсивности излучения имеет вид 16тг4И / = Ъс2 где Р - индуцированный дипольныи момент, определяемый как Р = аЕ. Коэффициент пропорциональности а в этом уравнении называется поляризуемостью молекулы. Рассмотрим световую волну как электромагнитное поле напряженности Е с частотой колебаний v0: Е = Ео cos(2/rv0/), где Е0 - амплитуда, t - время. Для двухатомной молекулы, помещенной в это поле, индуцированный дипольныи момент Р записывается как P = aEo cos(27rv0t) (1).
В общем случае поляризуемость а зависит от частоты поля, поэтому для статического поля и электромагнитного излучения она будет различной. Если диполь излучает по классическим законам, и исходное излучение поляризовано, то и рассеяние тоже может быть поляризовано, поскольку частицы изотропны и направления Р и Е совпадают. Это и есть рэлеевское рассеяние, его интенсивность пропорциональна среднеквадратичному значению Р. Если молекула колеблется с частотой V/, то смещение ядер q (некая обобщённая координата) можно записать как q = q0 cos(2 v,0 (2), где qo - колебательная амплитуда.
При малых колебаниях а линейно зависит от q, поэтому, разложив а в ряд Тейлора по координатам смещения ядер q вблизи положения равновесия, обычно ограничиваются первым членом (дал Ч. а = а0 + dq В этом выражении а0 - поляризуемость молекулы в равновесной (даУ конфигурации, а Л — производная поляризуемости а по смещению q в точке равновесия. Подставив выражения (2) и (3) в уравнение (1), получим следующее выражение для индуцированного дипольного момента: Р = aEo cos(27rvQt) = а0Ео cos(27rv0t) + (да_ q0Eo cos(2 v0/)cos(2 v, да} 8q а0Ео cos(27rv0t) + — 0 o{cos[2 (v0 + v,) ] + cos[2 "(v0 -v,)/]}. Первый член описывает осциллирующий диполь, частота излучения которого v0 (рэлеевское рассеяние), второй член относится к комбинационному рассеянию с частотами v0+v/ (антистоксовое) и v0-vj (стоксовое). Таким образом, когда молекула облучается монохроматическим светом с частотой v0, в результате индуцируемой электронной поляризации она рассеивает излучение как с частотой v0, так и с частотами v0±v/ (КР), где V] - частота колебания [6].
С точки зрения квантовой теории излучение частоты v рассматривается как поток фотонов с энергией hv, где h - постоянная Планка. При столкновениях с молекулами фотоны рассеиваются. В случае упругого рассеивания, они будут отклоняться от направления своего движения, не изменяя своей энергии (рэлеевское рассеяние) (рис. 1.1).
Но может быть и так, что при столкновении произойдет обмен энергией между фотоном и молекулой. Молекула при этом может как приобрести, так и потерять часть своей энергии в соответствии с правилами квантования - ее энергия может измениться на величину АЕ, соответствующую разности энергий двух разрешенных ее состояний. Иначе говоря, величина АЕ должна быть равна изменению колебательной и/или вращательной энергий молекулы. Если молекула приобретает энергию АЕ, то после рассеяния фотон будет иметь энергию hv-AE и соответственно частоту излучения v-AE/h. А если молекула потеряет энергию АЕ, частота рассеяния излучения будет равна v+AE/h.
Излучение, рассеянное с частотой, меньшей, чем у падающего света, называется стоксовым излучением, а излучение с большей частотой -антистоксовым [7]. При не очень высоких температурах населенность первого колебательного уровня невелика, при комнатной температуре при колебательной частоте 1000 см"1 на первом колебательном уровне находится всего 0.7% молекул, поэтому интенсивность антистоксового рассеяния мала. С повышением температуры населенность возбужденного колебательного уровня возрастает, и интенсивность антистоксового рассеяния растет [8].
Оборудование и методы исследования
Мицелии грибов шиитаке содержащие частицы селена Образцы селена, биосинтезированного в глубинных культурах высшего гриба Lentinula edodes (шиитаке) путем трансформации 1,5-дифенил-З-селенпентандиона-1,5 (препарат ДАФС-25) [107, 108] предоставлены научной группой под руководством д.х.н., проф., профессора кафедры аналитической химии и химической экологии Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского А.Н. Панкратова и д.б.н., вед.н.с. лаборатории микробиологии Института биологии и физиологии растений и микроорганизмов РАН (г. Саратов) О.М. Цивилевой. О.А. Цымбалом, аспирантом кафедры аналитической химии и химической экологии СГУ имени Н.Г.Чернышевского (руководитель А.Н. Панкратов) предоставлены образцы селена (серый и красный), синтезированные in vitro путем взаимодейстия ДАФС-25 с Х-цистеином, а также контрольный образец чистого селена (99.99%). Серый селен получали в виде осадка в гетерогенной реакции диацетофенонилселенида с 5-кратным мольным избытком L-цистеином (0.5 г органического селенида в 50 мл фосфатного буферного раствора с рН 6.5), красный селен - в виде микрогетерогенного раствора и взвеси (молярное соотношение препарат ДАФС-25 : цистеин -1:5) (0.5 мг бис(бензоилметил)селенида в 1 мл того же буферного раствора) [109].
Пленки аморфного кремния В работе исследовали два типа пленок: пленки аморфного кремния, выращенные в плазмообразующей системе, предоставлены А.А. Сердобинцевым и Д.М. Митиным [ПО], пленки аморфного гидрогенизованного кремния (Н-кремния), полученные методом разложения моносилана в СВЧ плазме газового разряда низкого давления во внешнем магнитном поле, любезно предоставлены Д.В. Нефедовым [111]. Осаждение пленок аморфного Н-кремния проводили на подложки из монокристаллического кремния (КЭФ-5 111 ) и поликора (корундовая керамика А1203 ВК-100-1) по известной технологии, изложенной в [112]. Материалы для твердофазной экстракции:
Колонки (Bond Elut reservoir, 1 мл) и полиэтиленовые пористые фильтры (фриты) (1/4 в диаметре) произведены "Varian Belgium NV/SA" (Sint-Katelijne-Waver, Бельгия).
Измерение вязкости в процессе гелеобразования проводили на вискозиметре SV-10 (A&D, Япония). 10 мл исследуемого образца помещали в специальную кювету, погружали в него лопасти вискозиметра и термодатчик и проводили измерение до застывания геля. Вискозиметр позволяет задать временной интервал между измерениями и проводит параллельную авторегистрацию изменений температуры. При обработке данных, полученных при измерении вязкости 3-Г материалов, начало гелеобразования отслеживали по появлению первого пика, который свидетельствует о появлении в системе зародышей 3-Г материала.
Измерение спектров методом конфокальной спектроскопии КР Конфокальный микроскоп отличается от «классического» оптического микроскопа (рис. 2.2 а) тем, что в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования (движения образца или перестройки оптической системы) [113]. Для того, чтобы регистрировать свет только от одной точки, после объективной линзы располагается диафрагма малого размера таким образом, что свет, испускаемый анализируемой точкой (красные лучи на рис. 2.2 б), проходит через диафрагму и будет зарегистрирован, а свет от остальных точек (например, синие лучи на рис. 2.2 б) в основном задерживается диафрагмой. Вторая особенность состоит в том, что осветитель создает не равномерную освещенность поля зрения, а фокусирует свет в анализируемую точку (рис. 2.2 в). Это может достигаться расположением второй фокусирующей системы за образцом, но при этом требуется, чтобы образец был прозрачным. Кроме того, объективные линзы обычно сравнительно дорогие, поэтому использование второй фокусирующей системы для подсветки мало предпочтительно. Альтернативой является использование светоделительной пластинки, так чтобы и падающий и отраженный свет фокусировались одним объективом (рис. 2.2 г). Такая схема к тому же облегчает юстировку.
Применение конфокальной схемы должно приводить к увеличению контрастности изображения, за счет того, что «паразитный» свет от точек соседних с анализируемой перестает попадать в детектор. "Платой" за увеличение контрастности будет необходимость применения достаточно сложных схем сканирования: либо путем перемещения образца, либо путем перестройки оптической системы.
Анализ микроядер карбоната кальция со встроенными наночастицами оксида железа (IIДП) методом спектроскопии КР
Возможно следующее объяснение полученных результатов. Атмосферный кислород способен взаимодействовать с НЧ оксида железа при нанесении нанокомпозитных покрытий и при их хранении, и приводить к трансформации Fe304 в маггемит (у-Ре2Оз) [119,120]. В результате чего в нанокомпозитных пленках присутствуют оба оксида железа. Изменение соотношения оксидов железа от числа наносимых слоев можно объяснить, используя следующее предположение. Формирование большего числа слоев НЧ требует больше времени. Таким образом, частицы больше подвержены окислению. Поскольку процесс окисления продолжается и после формирования нанокомпозитного покрытия, толщина покрытия (число слоев) также влияет на способность нанокомпозитных покрытий защищать фазу магнетита от фазы окисления. Для более толстых пленок с большим количеством слоев увеличение фракции маггемита меньше, чем для небольшого количества сформированных слоев, поскольку эффективность окисления ограничивается диффузией кислорода к НЧ магнетита и уменьшается с увеличением толщины покрытия. Оба процесса (увеличение времени нанесения и увеличение толщины наносимой пленки) приводят к немонотонной зависимости отношения оксидов железа от числа бислоев. Зависимость магнитной проницаемости от числа бислоев также имеет максимум при 11 слоях.
Результаты КР-спектроскопического изучения соотношения оксидов железа также могут полезны при интерпретации других физических свойств наноразмерных покрытий, например, показателя преломления [124].
Таким образом, установлено, что зависимость величины магнитной проницаемости от числа слоев НЧ оксида железа в нанокомпозитных покрытиях объясняется изменением их химического состава. Данные результаты необходимо учитывать при использовании метода послойной сборки для создания нанокомпозитных покрытий с НЧ оксида железа. Данные нанокомпозитные пленки имеют хорошие перспективы для применения в электронике, для создания антиотражающих покрытий, а также в биомедицинских применениях при получении усовершенствованных материалов (например, матриц в клеточной инженерии и систем доставки лекарств) с возможностью дистанционного управления за счет использования приложенного магнитного поля или микроволнового излучения.
На первом этапе работы разработана методика включения НЧ магнетита в ядра карбоната кальция, основанная на замене воды в исходной методике синтеза ядер [117] на водную суспензию НЧ магнетита. Показано, что в этом случае необходимо придерживаться строгой последовательности при сливании растворов реагентов: в суспензию НЧ магнетита одновременно приливали растворы карбоната натрия и хлорида кальция. При последовательном приливаний растворов солей НЧ магнетита выпадают в осадок из-за высокой ионной силы растворов реагентов. Кроме того, полученные образцы требуют многократной тщательной промывки водой для удаления избытка НЧ магнетита.
На рис. 3.6 представлены микрофотографии (полученные на оптичексом микроскопе) двух образцов ядер карбоната кальция: микроядра на основе чистого карбоната кальция (рис. 3.6 а) и со встроенными НЧ магнетита (рис. 3.6 б). Видно, что диаметр полученных микроядер варьируется в пределах от 2-3 (чистый карбонат кальция) до 5-8 мкм (ядра с магнетитом). Интересно, что условия синтеза в обоих случаях одинаковые (объемы и концентрации используемых реагентов), за исключением присутствия во втором случае НЧ магнетита. Факт увеличения размера мы связываем с отсутствием этапа зародышеобразования во втором случае, благодаря наличию НЧ магнетита, на которые и происходит наращивание карбоната кальция.
На рис. 3.7 представлены КР-спектры полученных образцов. В случае микроядер со встроенными НЧ магнетита (рис. 3.7 б) в КР-спектрах присутствует пик при 670 см" , наличие которого свидетельствует о том, что НЧ магнетита при встраивании в микроядра химического превращения не претерпевают. Из пиков, соответствующих карбонату кальция, в образце, содержащем магнетит, можно четко выделить только пик при 1085 см"1, соответствующий карбонат-аниону.
Дальнейший анализ и применение композитных структур на основе полученных микроядер с НЧ магнетита будет рассмотрен в главе 4. Т.о. методом КР-спектроскопии показано наличие НЧ магнетита в ядрах карбоната кальция, а также отсутствие их химических превращений в процессе встраивания.
Биогенный элементный наноразмерный селен бактериального происхождения до последнего времени получают из токсичных неорганических соединений - оксида селена(ІУ) [125], используя для очистки частиц селена органические растворители [126]. В работе [127] проводили исследование селена, продуцируемого бактериями Sulfurospirillum barnesii, Bacillus selenitireducens и Selenihalanaerobacter shriftii, однако спектры КР получали от очищеных НЧ селена (рис. 3.8), выделенных из клеточной культуры во внешнюю среду. При том, что спектры полученных образцов сильно отличаются, авторы статьи объясняют это различными конформациями молекулярных колец селена, формирующего полученные образцы.
Золь-гель материалы, содержащие наночастицы серебра, как ГКР-платформы и сорбенты для твердофазной экстракции
Используя результаты ЭДС измерений образцов 3-Г материалов, содержащих различное количество серебра, рассчитано содержание в них основных элементов (кислорода и кремния) (таблица 4.3). На основе полученных значений содержания элементов во всех образцах вычислены относительные стандартные отклонения массового содержания кислорода (10) и кремния (20) (между образцами в серии), по которым можно сделать вывод, что образцы, полученные по используемой методике не сильно отличаются по количественному содержанию от основных компонентов синтеза и, следовательно, состав гелей и степень их гидратации воспроизводятся хорошо.
Также установлено, что массовое содержание серебра в 3-Г материалах нелинейно увеличивается с увеличением концентрации добавляемого нитрата серебра (R2 0.867) (рис. 4.24), но после проведения нормировки концентрации серебра относительно содержания кремния как внутреннего стандарта данная зависимость становится практически линейной (R 0.977).
Массовое содержание атомов серебра, кремния и кислорода в синтезированных 3-Г материалах, содержащих добавку нитрата серебра различной концентрации. Относительные стандартные отклонения содержания кремния и кислорода для всей серии образцов составили 10 и 20, соответственно.
Зависимость содержания серебра в полученных 3-Г материалах от величины концентрации добавки нитрата серебра: а - по данным ЭДС анализа, б - после проведения процедуры нормировки на содержание контрольного компонента (кремния)
С использованием полученных силикагелей, содержащих НЧ серебра, проведено изучение возможности их применения для одновременного сорбционного концентрирования анализируемых веществ из растворов (ТФЭ) и их прямого детектирования в матрице сорбента методом ГКР света без стадии элюирования. Для решения указанной задачи применяли 3-Г порошок, полученный с добавлением 0.3 М раствора нитрата серебра, поскольку именно данный композит обладает максимальным усилением спектров КР, что продемонстрировано в разделе 4.2. В качестве анализируемых веществ применяли Р6Ж в качестве модельного соединения, широко используемого при создании новых ГКР-платформ, а также соединения, проявляющие биологическую активность (ФК и пАБК), и токсичные свойства (пирен).
Предварительно оценивали степень извлечения веществ при пропускании 1 мл раствора через слой сорбента (40мг). Использовали растворы Р6Ж: 5-Ю"5, 10"5, 5-Ю"6 и 10"6М, пирена: 10"4, 10"5, 10"6М), при этом регистрируя спектры поглощения растворов аналитов до и после колонки (или спектры люминесценции для растворов низкой концентрации). Установлено, что степень извлечения для Р6Ж находится в интервале от 75% (5-Ю"5 М) до 93 % и для пирена - от 77% (10"4М) до 98% (10"6М). Далее для осуществления концентрирования через колонку пропускали больший объем раствора (10-100 мл) с наименьшей концентрацией (10" М) аналита и методом конфокальной спектроскопии КР регистрировали КР-спектры непосредственно в твердой фазе. Для ФК - 2-10"5М и пАБК - 2-10"5М растворы (1 мл) также пропускали через колонки и регистрировали ГКР спектры веществ. Полученные спектры веществ, адсорбированных на 3-Г порошке, представлены на рис. 4.25. Положение пиков для Р6Ж [45, 135] и ФК [134] полностью согласуются с описанными в литературе, однако для пАБК [140] согласие заметно ухудшается.
На рис. 4.26 представлен ГКР спектр фолиевой кислоты. Серой областью обозначены величины стандартных отклонений сигнала для фолиевой ксилоты адсорбированной на образце 3-Г материал с использованием выборки из 20 точек. Из полученных данных видно, что, несмотря на высокое значение разброса сигнала КР, основная погрешность исходит от сигнала люминесценции, что однако не мешает регистрации спектров на приемлемом уровне.
Сравнивая интенсивности спектров ГКР, полученных после ТФЭ и без неё, а также сопоставляя результаты по ГКР на структурах «ядро-оболочка» видно, что концентрирование позволяет снизить предел обнаружения на 2 порядка.
Измеряя спектры поглощения в УФ области водного раствора после промывки колонки, установлено, что при величине навески сорбента 40 мг, промывка 10 мл воды достаточна для удаления всех возможных примесей.
Установлено, что концентрирование позволяет детектировать гигантские спектры Р6Ж и пирена на полученных материалах вплоть до концентрации 10"6 М соответственно. Кроме того, наблюдается линейная корреляция между концентрацией аналита в пропускаемом растворе и интенсивность пиков ГКР (при постоянном объеме раствора и усреденным значением интенсивности в различных точках сорбента).
Сравнивая полученные результаты с экспериментальными работами других исследователей, применявших ГКР в качестве детектирующего метода, можно выделить следующее. Во-первых, в работе [66] ГКР применяли только после проведения стадии элюирования, включенной в стандартную методику ТФЭ. Наша методика в принципе не требует процедуры элюирования. Хотя избирательность концентрирования и степень извлечения у коммерчески доступных образцов для ТФЭ лучше, но полученные в ходе наших исследований 3-Г материалы могут быть далее усовершенствованы путем изменения пористости, изменением гидрофобности (например, включением более длинноцепочечных алкоксидов), введением соответствующих функциональных групп (например, использование аминопропилтриэтоксисилана).
Во-вторых, потенциально 3-Г материалы для одновременного концентрирования методом ТФЭ и детектирования методом ГКР можно использовать многократно, как и стандартные колонки для ТФЭ. Это обусловлено высокой химической и физической устойчивостью 3-Г материалов как ГКР-платформ, в то время как большинство вариантов структур, описанных в литературе (НЧ, пленки), можно использовать только однократно. К тому же матрица силикагеля защищает поверхность НЧ серебра от перманентной адсорбции анализируемых молекул.
В-третьих, важным аспектом разработанной процедуры является возможность использования малых количеств сорбента, так как в случае применения спектрометра с системой фокусирования размер колонки для ТФЭ может быть значительно уменьшен (вплоть до размера капилляра сечением 1 мм и такой же длины).
Похожие диссертации на Возможности спектроскопии комбинационного рассеяния применительно к анализу наноструктурированных объектов
