Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы. Люминесцентные наночастицы: свойства и применение 11
1.1 Квантовые точки 12
1.2 Углеродные наночастицы 17
1.3 Системы, содержащие ионы лантаноидов 24
Заключения по главе 1 27
Глава 2. Экспериментальная часть 28
2.1 Материалы 28
2.2. Оборудование 29
2.3. Методики проведения экспериментов 30
Глава 3. Включение полупроводниковых квантовых точек разного цвета свечения в состав полиэлектролитных микрокапсул 40
3.1 Включение квантовых точек в поры микрочастиц карбоната кальция 46
3.2. Включение квантовых точек в полиэлектролитные слои на поверхности микрочастиц карбоната кальция 53
3.3. Одновременное включение квантовых точек различного цвета свечения в состав микрочастицы карбоната кальция и полиэлектролитных слоёв 55
Заключения по главе 3 58
Глава 4. Получение углеродных наночастиц в системах с ограниченным объемом 60
4.1. Получение углеродных наночастиц в порах микрочастиц карбоната кальция 60
4.2. Получение углеродных наночастиц в составе полиэлектролитных слоёв на поверхности микрочастиц карбоната кальция 85
4.3. Применение полученных углеродных наночастиц 89
Заключения по главе 4 90
Глава 5. Синтез люминесцентных наноструктур на основе фолиевой кислоты и их использование для функционализации золотых наночастиц 94
5.1. Оптические свойства фолиевой кислоты 94
5.2. Получение и свойства углеродных наночастицы на основе фолиевой кислоты 97
5.3. Гидротермальная функционализация золотых наночастиц фолиевой кислотой 111
Заключения по главе 5 117
Заключение 120
Список использованных источников 121
- Углеродные наночастицы
- Включение квантовых точек в поры микрочастиц карбоната кальция
- Получение углеродных наночастиц в составе полиэлектролитных слоёв на поверхности микрочастиц карбоната кальция
- Гидротермальная функционализация золотых наночастиц фолиевой кислотой
Углеродные наночастицы
Углеродные наночастицы (УНЧ), впервые были представленные в 2006 году, и охарактеризованы как кластеры, состоящие из атомов углерода с диаметром обычно от 2 до 8 нм [63-65]. Состав таких кластеров может варьироваться, они могут содержать кислород и водород, азот и серу. Полученные УНЧ могут иметь высокую ЛМ и не нуждаться в дополнительных включениях компонентов, повышающих КВ ЛМ. Цвет ЛМ зависит от состава исходных реагентов и условий синтеза. На рис. 1.2 представлены спектры ЛМ УНЧ из раствора декстран сульфата натрия при разных длинах волн возбуждения. Спектры поглощения и возбуждения, как правило достаточно широкие - от УФ до видимой/ИК области [64, 65].
Способы получения данных частиц можно классифицировать следующим образом:
1. По типу технологии получения разделяют:
Технология «сверху-вниз» ("top–down" nanotechnology) включает в себя материалы, получаемые в результате измельчения на более мелкие фрагменты для достижения частиц нанометрового размера. При синтезе углеродных нанотрубок производимых с помощью дугового разряда, побочным продуктом были обнаружены фотолюминесцентные УНЧ, что описано научной группой под руководством проф. Ху в 2004 году [67]. Частицы обрабатывали концентрированной азотной кислотой, далее их разделяли на фракции с помощью электрофореза. Частицы имели зеленовато-голубой, желтый и оранжевый цвет ЛМ. Рисунок 1.2. Спектры поглощения и ЛМ УНЧ при разных длинах волн [66]
Первые попытки непосредственно синтезировать флуоресцентные наночастицы углерода начались с 2006 года [68-72]. Авторы выполнили лазерную абляцию графита, в результате получили агрегированные не люминесцирующие углеродные частицы. Дальнейшая обработка поверхности частиц концентрированными кислотами позволила получить УНЧ с КВ ЛМ до 10%. В своих дальнейших исследованиях, та же группа использовала УНЧ для визуализации с помощью многофотонных изображений [73]. Размер УНЧ можно варьировать от 3 до 10 нм и более путем изменения ширины импульса излучения от 0,3, от 0,9 до 1,5 мс [70].
Отдельным методом выделяют химическое окисление в среде сильных кислот [74-76]. Более поздние работы сообщают об использовании альтернативных источников углерода, таких как сажа от горящих свечей или природного газа [74]. Сажу дополнительно обрабатывали концентрированной кислотой для того, чтобы разрушить агломераты и получить небольшие флуоресцентные УНЧ.
Технология «снизу–вверх» ("bottom–up" nanotechnology) —получение структурированных материалов, в которой реализуется формирование наночастиц из атомов и молекул, т. е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера. Такие синтезы дают возможность получить коллоидные УНЧ из большого разнообразия молекулярных предшественников с различными химическими функциональными возможностями. Большинство синтетических подходов включают в себя высокотемпературный пиролиз [77], использование СВЧ [79-81] или ультразвукового [82, 83] излучения, солво-термической метод [84, 85], синтез по шаблонным структурам [84], и гидротермальная обработка [80-86]. Последний метод в настоящее время получил наибольшее распространение.
УНЧ имеют ряд полезных свойств: низкую токсичность [87], высокий квантовый выход люминесценции, устойчивость во времени [88]. Это дает возможность использования их в качестве материалов для применения в биомедицинской визуализации и светодиодах [88-92]. Преимуществом УНЧ является широкий круг доступных исходных реактивов, в отличие от КТ. Недостатком гидротермальной обработки являются сложности контроля побочных продуктов, которые могут вызывать тушение люминесценции, а также не всегда достаточная однородность продуктов. Комбинации исходных реагентов влияет на свойства полученных УНЧ [63-65]. В работах [66-68] предлагают быстрый и простой доступ к производству широкого спектра УНЧ, с большим количеством поверхностных функциональных групп и оптических свойств.
Первая попытка синтеза УНЧ в органическом растворителе осуществлена в 2008 Бoрлиносом и соавт.[85]. Исследование состояло в прокаливании соли октадециламина и лимонной кислоты в нормальных условиях при 300С, в результате получили твёрдое вещество. В последние годы описан синтез углеродных частиц из огромного количества природных материалов, таких как апельсиновый сок [100], мука [101], молотый кофе [102], соевое молоко [103], овсяные хлопья [104], макулатура [105], известь [106], имбирь [84], рис [108].
Чжу и др. сообщают [100] о синтезе УНЧ с КВ до 82% в результате реакции лимонной кислоты с этилендиамином при температуре 150 - 300С в гидротермальных условиях. Оптические свойства полученных наночастиц зависят от соотношения между исходными реагентами, от количества растворителя и температуры [108]. С точки зрения предлагаемого механизма реакции, этилендиамин и лимонная кислота образуют соединения при высоких температурах, прежде чем происходит процесс нуклеации. Это связанно со строением молекул-предшественников, в составе которых содержится большое число функциональных групп. При температуре около 200C начинается процесс карбонизации, в результате чего получают аморфные УНЧ. В работе [109] осуществили синтез УНЧ с помощью однореакторной гидротермальной обработки лимонной кислоты и L-цистеина при 200C с КВ 73%.
Яинг и др. варьировали исходные вещества с целью получить наночастицы разного цвета свечения [77]. Синтез осуществляли гидротермальным методом в этаноле при температуре 180С в течение 12 часов, в качестве реагента использовали изомеры фенилдиамин (рис. 1.3). Изменение положения функциональной группы исходного реактива из орто- в мета- и пара-положения меняет цвет излучения полученных УНЧ от зеленого до синего и красного цветов.
Альтернативный подход к легированию представила группа Фенга с включением в структуру УНЧ атомов бора и фосфора [111]. После синтеза на основе гидрохинона в сочетании с трибромидом фосфора или трибромидом бора в гидротермальных условиях при 200С получали два вида углеродных точек с различными оптическими свойствами.
Включение квантовых точек в поры микрочастиц карбоната кальция
Проводилось исследование по включению в состав полиэлектролитных микрокапсул полупроводниковых КТ различного цвета свечения с различными гидрофилизующими агентами. Методики синтеза представлены в главе 2. Для получения микрокапсул использовали технологию послойного нанесения за счет адсорбции из раствора положительно и отрицательно заряженных молекул полиэлектролитов. Для формирования покрытий могут использоваться либо планарные подложки, либо дисперсные частицы различной природы. Полученные микрочастицы карбоната кальция с КТ различного цвета свечения и различными гидрофилизующими агентами выступали в качестве подложки. Количественную оценку значения степени включения (R, %) КТ в состав микрокапсул проводили на основе сравнения интенсивности ЛМ в её максимуме (зеленый-545, оранжевый-605 и красный-648 нм) (табл.4.1) до и после процесса адсорбции.
Максимальное значение степени включения наблюдается у КВ с оранжевым цветом свечения – 98%, а для остальных зеленые-65%, красные-44%. Как видно из данных рисунка 4.1 и табл.4.1, в изученном интервале концентраций КТ полученные зависимости линейны. Поэтому в дальнейших работах использовали максимальную концентрацию 6 нМ. В таблицах 4.2 и 4.3 приведены результаты количественной оценки включения КТ модифицированные ПМАО–ДМ1000-ДД600 и ПМАО, соответственно.
Степень загрузки с минимальным значением имеют КТ модифицированные ПМАО–ДМ1000-ДДи600 степень включения составляла не более 25%, о чём может говорить низкий потенциал. Наилучший результат по включению ( 80%) в полиэлектролитные слои наблюдается для образцов с гидрофилизирующим агентом ПМАО.
Визуальное наблюдение и количественная оценка загрузки в полиэлектролитные слои на поверхности микрочастиц карбоната кальция показывает, что при гидрофилизации квантовых точек ПМАО увеличивается процент включения КТ вне зависимости от цвета свечения. Это связано с ограниченным объёмом пор микрочастиц карбоната кальция; также на степень включения влияет значение -потенциала и размер, модифицированных КТ. На рис 3.7 представлены изображения микрокапсул, в состав которых входят КТ- в ядре, в оболочке 4 слой, соответственно.
Получение углеродных наночастиц в составе полиэлектролитных слоёв на поверхности микрочастиц карбоната кальция
Как было ранее описано при гидротермальной обработке декстран сульфата натрия образуются люминесцентные углеродные частицы, которые также можно использовать в качестве меток. В связи с этим нами была исследована замена отрицательно заряженного полиэлектролита полистиролсульфонат натрия на декстрана сульфат натрия при формировании капсул методом полиионного наслаивания. Для получения люминесцентных структур полученные капсулы подвергали гидротермальной обработке. Первый этап эксперимента состоял в получении микрочастиц карбоната кальция. Второй - в поочерёдном нанесении положительно и отрицательно заряженных полиэлектролитов методом полиионной самосборки на микрочастицы карбоната кальция (описание эксперимента находится в главе 2). Использовали следующие комбинации полиэлектролитов:
1. полиаллиламин гидрохлорид (катион) и полистиролсульфонат натрия (анион), образцы характеризовали в качестве контрольного образца;
2. полиаллиламин гидрохлорид (катион) и декстран сульфат натрия (анион).
Далее образцы разделяли на два равные части и в одной из частей проводили растворения микрочастиц карбоната кальция раствором соляной кислоты (0,1 М). Получили 4 типа полиэлектролитных микрокапсул, состоящих из 6 монослоев или 3 бислоев (рис. 4.23):
Полученные полиэлектролитные микрокапсулы подвергали гидротермальной обработке в течении 3 часов при 180 оС. Так как в состав полиэлектролитных капсул входят углеродсодержащие вещества, в результате гидротермального синтеза образуются люминесцентные структуры. Свечение гидротермально обработанных микрокапсул наблюдали с помощью конфокальной микроскопии (рис 4.24). Более яркое свечение наблюдается для образцов содержащие в своём составе ДС. Микрокапсулы сохранили сферическую форму не зависимо от содержания внутри микрочастицы карбоната кальция (рис. 4.25).
Для капсул в составе которых были микрочастицы карбоната кальция изменение в размере и морфологии не происходило, о чём свидетельствуют изображения, полученные с помощью СЭМ (рис. 4.25). Полученные спектры показывают высокую интесивность ЛМ для образцов состава из ПААГ/ДС (рис. 4.26 и 4.27).
Помимо люминесценции, УНЧ также обладают и другими важными свойствами, которые могут быть использованы в многофункциональных материалах. В первую очередь – это их способность поглощать световую энергию и переводить её в тепловую. Полученные УНЧ впервые были протестированы в качестве альтернативы золотым наноструктурам для адсорбции световой энергии и последующего открытия полимерных контейнеров, содержащих флуоресцентный краситель (рис.4.28).1
Изображения СЭМ массивов микроконтейнеров на основе полимолочной кислоты с ЗНЧ и агрегатами УНЧ, представлены на рис 4.28. Вскрытие контейнеров проводили в водном растворе, использовали 2 лазера – 532 и 785 нм. Ранние исследования показали, что при вскрытии микроконтейнеров появляется небольшой пузырь на поверхности контейнера. Появление пузыря происходит вследствие закипания жидкости вокруг фотопоглощающего агента. Повышение температуры также приводит к расплавлению полимера и открытию контейнера. Такой эффект наблюдался при воздействии как 532 нм, так и 785 нм лазеров на микроконтейнеры содержащие ЗНЧ и УНЧ (рис. 4.29). Данный эффект для УНЧ продемонстрирован впервые.
Гидротермальная функционализация золотых наночастиц фолиевой кислотой
Установив закономерности получения люминесцентных наноструктур на основе фолиевой кислоты, проводили изучение возможности модификации поверхности ЗНЧ с помощью ФК посредством гидротермальной обработки. Синтез ЗНЧ и методика гидротермального синтеза описаны в главе 2.
Спектры поглощения ЗНЧ до и после гидротермального синтеза, а также ЗНЧ, подвергшихся гидротермальной обработке в присутствии ФК (Ф-ЗНЧ) представлены на рисунке 5.15. Положение полосы поверхностного плазмонного резонанса (ППР) ЗНЧ практически не изменяется: 522 и 523 до и после гидротермической обработки, 525 нм для Ф-ЗНЧ. Уменьшение оптической плотности полосы ППР ЗНЧ связано с уменьшением концентрации ЗНЧ в два раза во время подготовки Ф-ЗНЧ. Из спектров поглощения разбавленного раствора ФКР-ЗНЧ можно видеть, что он содержит характерную полосу поглощения ФК (max=282 нм). Вследствие гидротермальной обработки раствора ЗНЧ можно наблюдать лишь слабую ЛМ (рис.5.15), тогда как в присутствии ФК интенсивность выше (рис.5.15), хотя относительный КВ Ф-ЗНЧ остаётся низким (1%, меньше, чем для УНЧ (3%), но выше, чем для ФК (0,2%)).
Интенсивность ЛМ Ф-ЗНЧ, очевидно, ниже, чем для УНЧ (даже с учётом двукратного разведения ФК для получения Ф-ЗНЧ). Для проверки возможного тушения ЛМ остатков фолатов посредством переноса энергии на ЗНЧ спектры ЛМ Ф-ЗНЧ сравнивали со спектрами ЛМ смеси равных объёмов ЗНЧ и Ф-УНЧ. Эта смесь имеет те же начальные концентрации ФК и ЗНЧ, что и Ф-ЗНЧ, но не имеет непосредственной близости между остатками фолатов и ЗНЧ, как в УНЧ. Идентичность спектров ЛМ указывает на отсутствие переноса передачи энергии от гидротермально обработанных структур фолатов на ЗНЧ. Таким образом, мы предполагаем, что уменьшение интенсивности ЛМ Ф-ЗНЧ по сравнению с УНЧ является результатом поглощения фотонов ЗНЧ. ИК-спектр УНЧ (рис. 5.11) не показывает новых сигналов в области 1450-1550 см-1. Ослабление сигнала птерина в области 1485 см-1 может свидетельствовать о разрушении структуры молекулы ФК посредством гидротермальной обработки и образование на поверхности ЗНЧ слоя их свободных фрагментов птерина путём физического взаимодействия. Размерные характеристики оценивали с помощью просвечивающей электронной микроскопии и методом динамического светорассеивания [208208]. Согласно полученным данным ПЭМ, слой ФК на поверхности ЗНЧ очень тонкий (рис. 5.16).
Малая толщина слоя ФК на поверхности ЗНЧ также подтверждается очень малым изменением значения среднего диаметра Ф-ЗНЧ (38 нм) по сравнению со значением гидротермально обработанных ЗНЧ (36 нм) (таблица 5.3). Важно отметить резкое изменение дзета-потенциала: -46 мВ для УНЧ-ЗНЧ по сравнению с -10 мВ для ЗНЧ, обработанных без ФК; это изменение подтверждает сугубо модификацию поверхности ЗНЧ. Для контроля коллоидной стабильности Ф-ЗНЧ проводили проверку с добавлением 0,9% раствора хлорида натрия. Индикатором коллоидной стабильности являлось сохранение цвета исходного коллоида ЗНЧ, при агрегации цвет изменялся на серый.
Для Ф-ЗНЧ не наблюдалось изменения цвета, связанного с агрегацией, тогда как для ЗНЧ без гидротермальной обработки отчётливо видна агрегация в присутствии ФСБ, Д-ФСБ и хлорида натрия (рис.5.17).
При добавлении раствора хлорида натрия к образцам ЗНЧ без автоклавирования происходит агрегирование, раствор становится синего цвета (рис. 5.17) и спектры поглощения (рис. 5.17) меняют свою форму, характеристичный плазмонный пик ЗНЧ пропадает. При добавлении хлорида натрия к ЗНЧ, автоклавированные с УНЧ, раствор не изменяет цвет и пик остаётся в своей области (520 нм). В результате гидротермальной обработки образуются стабильные наночастицы золота.
Для проверки сохранения функциональности фолиевой кислоты после гидротермальной обработки с ЗНЧ, был проведен контроль связывания со специфическими антителами. С целью нахождения оптимальных условий реакции были исследованы следующие параметры и найдены оптимальные условия (табл. 5.4).
Для контроля за взаимодействием Ф-ЗНЧ с антителами использовали полосы ППР ЗНЧ. Было показано, что в присутствии БСА (0,5%) эта полоса сдвигается на 10 нм в длинноволновую область (до 535 нм) (рис. 5.18).
Для доказательства специфического взаимодействия Ф-ЗНЧ с антителами на ФК были выполнены два эксперимента.
В первом было проведено изучение взаимодействия Ф-ЗНЧ со специфическими антителами на ФК, неспецифическими IgG мыши, раствор БСА (0,5%) и пустой лункой (рис.5.19). Показано появление ППР ЗНЧ только в лунке со специфическими к ФК, подтверждающие, что только мАТ на ФК могут связывать Ф-ЗНЧ.
Второй эксперимент был оптимизирован так, чтобы показать способность специфических антител на ФК избирательно формируют иммунокомплекс с Ф-ЗНЧ. Для этой цели растворы мАТ на ФК были иммобилизированы в лунках микропланшета, в которых инкубировали растворы Ф-ЗНЧ, ЗНЧ до и после гидротермальной обработки.
Результаты показали наличие пика ППР в первой лунке, что указывает на специфическое взаимодействие Ф-ЗНЧ с мАТ на ФК.
Результаты этих экспериментов подтверждают наличие фрагментов молекул фолатов на поверхности ЗНЧ, и сохранение их способности специфически взаимодействовать с соответствующими антителами ФК (рис.5.20).