Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Общие сведения о наноалмазе 9
1.2. Детонационный синтез наноалмаза 10
1.3 . Строение частицы наноалмаза детонационного синтеза 11
1.4. Химический состав алмазной поверхности 13
1.5. Химическое модифицирование поверхности алмаза 14
1.5.1. Гидрирование поверхности алмаза 15
1.5.2. Окисление поверхности алмаза 15
1.5.3. Галогенирование поверхности алмаза 17
1.5.3.1. Фторирование поверхности алмаза 18
1.5.3.2. Хлорирование поверхности алмаза 20
1.5.3.3. Бромирование поверхности алмаза 22
1.5.4. Реакции нуклеофильного замещения на галогенированной поверхности алмаза
1.5.4.1. Реакции с N-нуклеофилами 23
1.5.4.2. Реакции с С-нуклеофилами 25
1.5.4.3. Реакции с S-нуклеофилами 26
1.5.5. Радикальные реакции на поверхности алмаза 26
1.5.6. Реакции [2+2] и [2+4] циклоприсоединения на реконструированной поверхности алмаза
1.6. Сорбционные свойства наноалмазов 31
1.6.1. Наноалмазы в адсорбционной хроматографии 33
1.6.2. Наноалмазы в ВЭЖХ 34
1.7. Наноалмазы в биологии и медицине 36
1.7.1. Краткие сведения о биологической активности наноалмазов 37
1.7.2. Биотехнологии и медицинские приложения 39
1.7.3. Прививка биологически активных молекул к поверхности наноалмаза 42
1.7.4. Использование наноалмаза для визуализации внутриклеточных процес- 45 сов
Глава 2. Объекты и методы исследования 50
2.1. Объекты исследования 50
2.1.1. Наноалмаз детонационного синтеза 50
2.1.2. Биологический материал 51
2.2. Методики химического модифицирования поверхности наноалмаза 51
2.2.1. Гидрирование поверхности нанаоалмаза 51
2.2.2. Галогенирование поверхности наноалмаза 52
2.2.3. Гидролиз галогенированных образцов 53
2.2.4. Модифицирование алмазной поверхности методом ковалентной прививки
2.2.4.1. Модифицирование гексадециллитием 53
2.2.4.2. Ковалентная прививка азотсодержащих соединений 54
2.2.5. Жидкофазное окисление поверхности наноалмаза 55
2.3. Методики подготовки биологических объектов 55
2.3.1. Подготовка образцов крови и изолированных нейтрофилов мыши 55
2.3.2. Подготовка изолированных клеток человека 56
2.3.3. Оценка выживаемости клеток без наноалмаза и в его присутствии 56
2.4. Методы исследования наноалмаза 56
2.4.1. ИК спектроскопия 56
2.4.2. КР спектроскопия 57
2.4.3. ЯМР спектроскопия 58
2.4.4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 59
2.4.5. Рентгенофазовый анализ 59
2.4.6. Измерение удельной поверхности 59
2.4.7. Электронная микроскопия 59
2.4.8. Рентгеноспектральний флуоресцентный анализ 60
2.4.9. Лазерное динамическое светорассеяние 60
2.4.10. Потенциометрическое титрование 61
2.4.11. Термодесорбция 61
2.5. Методы исследования живых клеток в присутствии наноалмазов 62
2.5.1. Изучение продукции активных форм кислорода клетками крови 62
2.5.1.1. Прибор для изучения кинетики хемилюминесценции и его программное обеспечение
2.5.1.2. Измерение хемилюминесценции в образцах цельной крови 63
2.5.1.3. Измерение хемилюминесценции в изолированных клетках 63
2.5.2. Оптическая микроскопия 64
Глава 3. Результаты и их обсуждение 66
3.1. Новые данные о составе и структуре химически модифицированных детонационных наноалмазов
3.2. Модифицирование поверхности наноалмаза 74
3.2.1. Галогенирование поверхности наноаламаза 75
3.2.2. Гидролитическая стабильность галогенированных образцов ND 78
3.2.3. Создание связи C-N на поверхности наноалмаза 79
3.2.4. Окислительная обработка поверхности наноалмаза 82
3.2.5. Модифицирование наноструктурных материалов на основе ND 83
3.3. Сорбционные свойства наноалмазных материалов 85
3.3.1. Применение наноалмазных материалов для сорбции Тс (VII) 85
3.3.2. Возможное применение PDD в ВЭЖХ 86
3.4. Биологическая совместимость наноалмаза 90
Выводы 96
Список литературы 98
Благодарности 108
Приложение 1. Глоссарий некоторых биологических терминов и понятий 109
Приложение 2. Некоторые первичные данные регистрации респираторного взры- 112 ва
- Строение частицы наноалмаза детонационного синтеза
- Реакции нуклеофильного замещения на галогенированной поверхности алмаза
- Методики химического модифицирования поверхности наноалмаза
- Модифицирование поверхности наноалмаза
Введение к работе
Актуальность теиы. Увеличение производства и сокращение потерь урожая требует своевременной послеуборочной обработки зернового материала. Применяемые в настоящее время зерноочистительные агрегаты при высоких энергозатратах 1,6...3,6 кВт/ч на одну тонну обработанного зерна не обеспечивают качественной очистки из-за низкой пропускной способности подсевных и сортировальных решет. В результате рефакция зерна по сорным примесям составляет 3...4% после очистки. Для повышения качества обрабатываемого материала требуется неоднократный его пропуск в агрегате, что приводит к увеличениям затрат, травмирования и потерь зерна до 12%.
Низкая эффективность работы агрегатов и комплексов обусловлена тем. что в зерноочистительных машинах плоские решета, осуществляя транспортировку зерна, не способствуют ориентации зерен и прохождению их в отверстия. Попытки повышения ориентирушей способности за счет наложения на решета электростатического магнитного поля, продувки их снизу воздушным потоком, создания решет с активными элементами и др., не нашли широкого распространения, т.к. не до конца изучены Факторы, влияющие на ориентацию частиц в отверстия.
Поэтому создание новых сепарирующих рабочих органов и совершенствование технологии очистки зерна и семян являются актуальными научными задачами. Для решения этих задач необходимо разработать сепарирующие устройства с повышенной пропускной способностью за счет улучшения условий ориентации частиц относительно отверстия решета и установить для него оптимальные кинематические и технологические параметры. В качестве такого сепарирующего устройства может служить решето, продольные перемычки которого изготовлены различной геометрии - одна перемычка плоская, а другая - випуклая, или обе перемычки круглой Формы разного диаметра.
Попадая на такую поверхность, частицы зерновой смеси занимают неустойчивое положение и достаточно незначительных возмущений, чтобы они развернулись на перемычках и соориентировались длинной осью относительно отверстия решета.
Актуальность данного направления подтверждается соответствием целевой комплексной программе 0.11.032 "Разработать и внедрить технологические процессы и технические средства послеуборочной обработки и хранения на промышленной основе семян зерновых и колосовых культур для семеперерабатываюших пунктов сезонной
производительностью 10 ТЫС. ТОНН- "
Ийль пабпты - повышение эффективности сепарации зерна на решетах с повышенной ориентирующей способностью.
nfiwk-r ипсярпппдния - процесс сепарации зерна на решетах с различной геометрией продольных перемычек отверстия.
Ппрлирт и^с^епппаяыя - выявление закономерности процесс; сепарации на решетах с различной геометрией перемычек.
Научная ндр^на - обосновано повышение эффективности процесса сепарации зерна на решетах с различной геометрией .продольных перемычек отверстия;, определена вероятность попадания частиц эллипсоидной Формы вдоль продолговатого отверстия; разработана математическая модель движения и ориентации частиц над отверстием, образованным перемычками различной геометрии; выявлена закономерность влияния кинематических и технологических параметров решета с различной геометрией перемычек отверстия на полноту разделения зерновой смеси; разработано решето проволочно-сварной конструкции с улучшенной ориентацией частиц относительно отверстия, образованного продольными перемычками различной геометрии, новизна которого подтверждена экспертизой ВНИИПВ.
Практическая иеннп^тъ pafinru - состоит в том, что теоретические положения диссертационной работы позволили по-новому подойти к решению задачи повышения эффективности процесса сепарации зерна на плоских решетах. Результаты исследований послужили обоснованием для создания новых рабочих органов - решет с повышенными ориентирушей и пропускной способностью, разработки проектов новой семеочистительной линии и реконструкции существующих агрегатов.
Внедваниа - по результатам исследований разработано решет проволочно-сварной конструкции с улучшенными условиями для ориен-т тации частиц. Направление работ по созданию таких решет одобрены НТС АПК РФ Спротокол № 2 от 19.09.90 г.). Разработаны и внедрены в ряде хозяйств Курганской области проекты новой семеочистительной линии и реконструкции существующих агрегатов для сортирования семян. НТС Курганского областного АПК от 10.07.91 г. рекомендовало указанные проекты к широкому внедрению.
Апробация. Основные положения диссертационной работы доложе ны и одобрены на научно-практических конференциях в ЧГАУ в 1993 - 96 гг., КГСХА в 1993 - 95 гг., на НТС АПК Курганской области в 199І году.
Публикация. По результатам выполненных исследований опублі
швано 7 работ, имеется положительное решение на выдачу патента по заявке на изобретение, одна заявка прошла экспертизу ВНИИГПЭ.
Структура л объем, лисс.р.ртаиии. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы С127 наименований) и приложений, диссертация изложена на 207 страницах машинописного текста и содержит 40 рисунков. 16 таблиц.
На защцгу пннпегятпя - следующие вопросы:
- определение вероятности попадания частиц эллипсоидной формы'
вдоль продолговатого отверстия при опускании их на решето:
~ математическая модель для изучения движения и ориентации частиц над отверстием, образованным продольными перемычками различной геометрии:
- закономерность влияния кинематических и технологических пара
метров решета с отверстиями,образованными продольными перемычка
ми различной геометрии, на полноту разделения зерновой смеси.
Строение частицы наноалмаза детонационного синтеза
В ходе детонационного синтеза образуется очень дефектная структура алмазной фазы, в которой наряду с вакансиями в кристаллической решётке и «разорванными» связями имеются включённые атомы различных химических элементов в виде структурных и неструктурных примесей [20].
После синтеза в продуктах детонации - алмазной шихте (АШ) обнаруживаются первичные частицы ND со средним размером преимущественно 4-6 нм, в которых очень велико содержание атомов углерода на поверхности и которые, по сути своей, являются коллоидными частицами.
Частица ND имеет сложное строение, что схематически представлено на рис. 1 [21]: алмазное ядро (до 3 нм), нарушенная углеродная оболочка, содержащая атомы углерода в sp и sp -состоянии, и слой поверхностных функциональных групп (ФГ). Толщина и состав нарушенной С-оболочки могут различаться в ND разного происхождения. В некоторых случаях в ней не обнаруживается sp - углерод. Так как в ND велико относительное содержание поверхностных атомов углерода, с которыми связаны ФГ, то их природа определяет многие свойства ND.
При изучении микродифракции с образцов ND [22] наблюдается характерная для алмаза дифракционная картина, на которой нет иных дифракционных колец, кроме как относящихся к алмазу. Таким образом, частица ND сочетает в себе химически инертное прочное алмазное ядро диаметром 3 нм с мобильным поверхностным слоем ФГ, прикрепленным к ядру с помощью нарушенного углеродного слоя [22, 23]. Это позволяет вводить ND в химические реакции и получать ND с различным привитым слоем. Но такие малые первичные частицы, к сожалению, при разложении АШ и последующей очистке ND агрегируют (рис. 2), образуя агрегаты разной прочности и размеров (в зависимости от причин агрегации). Агрегация может быть обусловлена высокой адсорбционной способностью ND, возможным образованием химических связей между частицами или межкристаллической аморфной фазы. Поверхность алмазных материалов в нативном состоянии всегда покрыта слоем кислородсодержащих функциональных групп (карбоксильные, кетонные, спиртовые, ангидридные и т.д.), образовавшихся за счет насыщения свободных валентностей поверхностных атомов углерода кислородом воздуха во время их синтеза и последующих обработок.
Помимо приведённых углеводородных, галоидных и кислородсодержащих групп, синтезированные алмазы, в зависимости от условий их обработки, на своей поверхности могут содержать азотсодержащие (аминные, амидные, циано- и нитрогруппы), сульфоновые и др. группы [5].
Алмаз способен адсорбировать водород, кислород, моно- и диоксид углерода. Кислород адсорбируется на поверхности алмаза уже при 195 К, а при 273-417 К наряду с обратимой физической адсорбцией наблюдается необратимая хемосорбция. Десорбция хемсорбированного кислорода возможна лишь при повышенных температурах с одновременным отрывом поверхностных атомов углерода в виде СО или С02. На разных гранях количество хемосорбированного кислорода приблизительно одинаково, но на грани {100} хемосорбированный кислород существует в двух формах, что обусловлено возможностью образования и двойной, и одинарной связей между кислородом и поверхностными атомами углерода [27-29].
Р. Саппок и Н. Боэм [32-34] исследовали изотермы адсорбции водяного пара на поверхности алмаза, окисленной кислородом при 693 К, нагретой в вакууме при 1173 К и обработанной водородом при 1073 К. При этом наиболее сильная адсорбция водяного пара наблюдалась на окисленной поверхности, а наиболее слабая - на поверхности, обработанной водородом. В такой же последовательности уменьшались теплоты смачивания водой алмазных поверхностей.
Окисленная поверхность алмаза также может служить хорошей матрицей для проведения на ней различных реакций. Так, например, описаны [37] реакции хлорирования окисленной поверхности с использованием тионил хлорида (кипячение в течение 12 ч без растворителя) и радикальные реакции фторирования, что, в свою очередь, открывает большие возможности для дальнейшего модифицирования. Окисление поверхности алмазных материалов можно проводить как в жидкой, так и в газовой фазе.
Жидкофазное окисление поверхности алмаза. Оксифункциональные группы на поверхности алмаза могут быть синтезированы обработкой его целым рядом жидкофазных окислителей, такими как: концентрированные кислоты - H2S04, HN03, НСЮ4; смеси кислот-окислителей - HN03+H2S04, НМОз+Н2804+олеум; расплавы солей - NaOCl, (NH4)2S20s и др. [35, 37].
Применение к окисленным алмазным порошкам методов щелочной нейтрализации показало [35, 37], что окисленная поверхность алмаза имеет кислые свойства. Соотношение между количеством кислотных центров на поверхности алмаза, определённое методом нейтрализации раствором гидрокарбоната натрия, и количеством групп, вступивших в реакцию с ацилхлори-дом и тионилхлоридом, указывает на присутствие на поверхности кислотных групп, вероятнее всего, карбоксильных [35, 37].
Реакции нуклеофильного замещения на галогенированной поверхности алмаза
Галогенированная поверхность алмаза использовалась для модифицирования его различными нуклеофилами. В литературе описаны методы модифицирования N-нуклеофилами (NH3, этилендиамин, метиламин, н-бутиламин, глицинэтиловый эфир). Также описана макромолекулярная реакция прививки фторированных частиц наноалмаза на предварительно амини-рованную поверхность стекла. Помимо N-нуклеофилов, модифицирование проводилось С-нуклеофилами (ряд литийорганических содеинений) и S-нуклеофилами.
Модифицирование хлорированного микронного порошка алмаза газообразным аммиаком при различных температурах было изучено в [66], а при облучении УФ светом в [10]. Показано [66], что температура процесса оказывает существенное влияние на химический состав поверхности, который характеризовали с помощью ИК-спектроскопии диффузного отражения. Так, при комнатной температуре происходит образование солей аммония, по-видимому, вследствие взаимодействия аммиака с адсорбированным НС1, несмотря на предпринятые меры по удалению адсорбатов после хлорирования. При увеличении температуры аминирования до 200 С регистрируются полосы поглощения при 1610 и 1514 см" , которые авторы относят к валентным колебаниям C=N в группе C=NH и деформационным колебаниям H-N-H в группе C-NH2, соответственно. При 300 С регистрируется лишь полоса поглощения при 1610 см" и авторы делают вывод, что на поверхности остаются лишь иминогруппы. При этом авторы также указывают на образование аммонийных групп на поверхности при комнатной температуре и аминогрупп при повышенных температурах. Также ими отмечается образование нитрильных групп при проведении аминирования при 450 С, что может быть вызвано дегидрированием группы C-NH2. Авторы работы [10] провели аминирование хлорированной поверхности с помощью аммиака и метиламина, при комнатной температуре и облучении УФ-светом
В работе [71] в качестве N-нуклеофила использовали «-бутиламин. Модифицирование проводили при комнатной температуре в атмосфере аргона. Анализ модифицированного образца проводили на основе ИК-спектра, в котором были зарегистрированы полосы поглощения связей СН, в то время как характерных полос поглощения аминогруппы не наблюдалось. Для количественной оценки степени прививки я-бутиламина модифицированный образец подвергли пиролизу (528-1313 К), а полученные вещества анализировали на газовом хроматографе, детектор которого зафиксировал ряд углеводородов. Это позволило авторам сделать вывод о прививке н-бутиламина к поверхности алмаза.
В работе [60] описано модифицирование поверхности предварительно аминированной стеклянной пластинки фторированными наноалмазами (рис. 4): реакцию проводили при 130 С в течение 1-2 дней, в качестве растворителя использовали 1,2-дихлорбензол. Как отмечают авторы, размер пришитых наночастиц (измерен с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ)) составлял 10-40 нм. Наслаивание на полученную систему дополнительных порций фторированного наноалмаза посредством образования новых слоев с помощью диаминов, по-видимому [74], в дальнейшем позволит использовать подобные материалы, например, для создания сенсоров и для получения различных защитных поверхностей.
Во всех работах модифицирование проводили в инертном растворителе (ТГФ, гексан) при комнатной температуре в атмосфере инертного газа. Авторам [70] удалось покрыть бутильными группами 6% поверхностных атомов углерода. Контроль за ходом реакции осуществляли, как и авторы [44], путем хроматографического анализа продуктов пиролиза: были обнаружены метан, этан, пропан, пропен, н-бутан, изо-бутан. При аналогичном анализе исходного гидрированного образца не удалось зафиксировать даже метан.
Авторы [10] пытались провести модифицирование восстановленной и хлорированной поверхности монокристалла алмаза с помощью сероводорода. Модифицирование проводили при пониженном давлении и УФ-облучении в течение 0,5 ч. В обоих случаях авторы регистрировали появление в ИК-спектрах полос поглощения при 2970 см" , которые они отнесли к валентным колебаниям S-H. Это вызывает серьезные сомнения, так как обычно полосы поглощения групп S i-H находятся существенно ниже при 2600-2550 см"1, а в области 2800-3000 см" проявляются валентные колебания С-Н связей при sp атоме углерода. Тем не менее, авторам удалось зарегистрировать пик S2p в РФЭ-спектрах для обоих образцов. При этом в случае модифицирования хлорированного алмаза интегральная интенсивность пика S2p была выше, чем в случае восстановленного.
В данном разделе приведен ряд методов получения привитых поверхностных соединений, основанных на радикальных процессах. Разумеется, ранее рассмотренные процессы гидрировании и галогенирования также являются радикальными, однако, они обычно приводят к промежуточным продуктам, которые далее вовлекаются в процессы модифицирования.
В литературе подробно рассмотрены три радикальные процесса, приводящие к получению определенных привитых соединений на алмазе: прививка перфторалкильных групп пиролизом перфторалкилйодидов или азо-соединений, прививка ацильных групп и прививка алкенов с образованием С-С связи с поверхностью.
Методики химического модифицирования поверхности наноалмаза
Модифицирование наноалмаза водородом проводили по ранее описанной методике [22] в специальной установке, состоящей из печи и кварцевого реактора и системы подачи, регулирования и измерения скорости потока водорода. Для модифицирования использовали водород из баллона, его чистота составляла 99,99% . Навеску наноалмазного порошка (порядка 500 мг) в лодочке из кварцевого стекла помещали в кварцевый реактор. Для удаления из системы воздуха в холодный реактор подавали водород в течение 20 мин. Скорость потока водорода измеряли с помощью пенного расходомера; она была 2 л/ч. Затем реактор вставляли в нагретую до 800 С печь и проводили модифицирование в течение 5 ч. По окончании модифицирования образец охлаждали в токе водорода до комнатной температуры.
Галогенирование поверхности проводили как с помощью молекулярных хлора (жидкофазно) и фтора (газофазно), так и в плазме СС14 или SF6, соответственно. Для фторирования газообразным фтором навеску ND в тефлоновой лодочке помещали в реактор из тефлона, реактор вакуумировали и образец выдерживали при комнатной температуре и давлении фтора -50 кПа в течение 48 ч.
Фторирование в плазме SF6 проводили в установке, собранной на основе роторного испарителя. Колба (объемом 0,5 л) была покрыта изнутри слоем тефлона для предотвращения взаимодействия фтора со стеклом, перемешивание наноалмаза осуществляли с помощью стеклянных шариков (Dmap = 0,3-0,5 мм), также покрытых пленкой тефлона ( 2 мкм). Высокочастотную плазму тлеющего разряда зажигали в потоке газовой смеси SF6+Ar (1:3). Рабочая частота генератора - 13,56 МГц, максимальная мощность - 50 Вт. Давление и расход смеси регулировали с помощью вентилей тонкой регулировки. Фторирование проводили при комнатной температуре и давлении 133 Па в течение 2,5 ч. После фторирования порошок НА отделяли от шариков, просеивая через сито.
Молекулярный хлор получали по реакции бихромата калия с соляной кислотой и растворяли в четыреххлористом углероде до насыщения (5,6% масс). Хлорирование ND (навеска -500 мг) проводили при комнатной температуре и постоянном перемешивании в 50 мл насыщенного хлором ССЦ. Для инициирования фотохимической реакции использовали облучение светом в УФ- или видимом диапазоне. В первом случае использовали кварцевый реактор и УФ-лампу СВД-120А, находящуюся на расстоянии 10 см от реактора. Во втором случае реакцию вели в реакторе из молибденового стекла с применением лампы накаливания мощностью 150 Вт, расположенной на расстоянии 5-6 см от реактора. Хлорирование проводили в атмосфере аргона. После хлорирования образец отмывали сухим четыреххлористым углеродом, отделяли осадок на центрифуге и высушивали, сначала при 7-10 мм рт. ст. и 70-80 С, а затем выдерживали в течение 5-6 ч при 0,1-0,2 мм рт. ст. и 70-80 С для удаления адсорбированных соединений.
Хлорирование в плазме СС14 проводили в установке, описанной выше для фторирования, однако время обработки составило 6 ч (стенки колбы в этом случае тефлоном не были защищены).
Для исследования гидролитической стабильности полученных галогенированных образцов, их навеску 0,2 г перемешивали в течение определенного времени (2,5 ч) с 50 мл 0,05 М раствора NaOH. Затем образцы многократно промывали водой и высушили в эксикаторе с Рг05.
Взаимодействие литийорганического реагента с хлорированным наноалмазом проводили следующим образом: к 20 г полученного Сі6Н3зЬі в абсолютном эфире добавляли 300-500 мг PDD в атмосфере аргона, после чего реакционную смесь подвергали воздействию ультразвукового излучения (50 Вт, 35±10% кГц) в течение 1 ч и оставляли на 12 ч. Затем к реакционной массе для разложения избытка литийорганического реагента осторожно добавляли дистиллированную воду при интенсивном охлаждении и перемешивании. После завершения бурной реакции разложения, к полученной суспензии приливали концентрированную соляную кислоту. Отмывку и выделение модифицированного PDD осуществляли центрифугированием сначала в водных растворах с добавкой 0,1 М НС1, а затем в ацетоне. Полученный таким образом образец, выдерживали в вакуум-эксикаторе над P2Os в течение суток, а затем 5-6 ч при 0,1-0,2 мм рт. ст. и 160-170 С.
Прививка гидрохлорида этилового эфира глицина. Навеску наноалма-за (200 мг) помещали в колбу объемом 50 мл, добавляли 2 г гидрохлорида этилового эфира глицина и все смешивали с 30 мл о-дихлорбензола. Прикапывали несколько капель пиридина для связывания освобождающегося в процессе реакции НС1. Смесь кипятили с обратным холодильником в течение 12 ч при 120 С. Полученный модифицированный наноалмаз центрифугированием отделяли от жидкости, многократно промывали водой и этанолом, затем сушили на роторном испарителе при 70-80 С в течение 6 ч.
Прививка октадеццламина. К навеске хлорированного образца PDD массой 1 г добавляли 200 мг перекристаллизованного октадециламина. Реакцию проводили в кипящем толуоле в течение 10 ч. Продукт многократно промывали небольшим количеством этилового спирта, после чего сушили на воздухе.
Прививка диаминов. К наноалмазу были привиты этилендиамин и гек-саметилендиамин. При этом каждый синтез проводили параллельно с двумя образцами: НА, фторированном в газе и хлорированном в плазме СС14. В тщательно высушенную колбу приливали 50 мл растворителя - диметил-сульфоксида, затем добавляли навеску наноалмаза (500 мг) и 2,5 мл этилен-диамина и добавляли несколько капель пиридина для связывания выделяющегося в процессе реакции НС1. Смесь кипятили с обратным холодильником, снабженным хлоркальциевой трубкой при температуре 120 С в течение суток. Затем наноалмаз многократно промывали водой и ацетоном и трижды сушили на роторном испарителе при температуре 90 С (промывая после каждой сушки порцией ацетона).
Синтез с гексаметилендиамином проводили по аналогичной методике, но без растворителя ДМСО. К навеске наноалмаза массой 200 мг добавляли 10 мл смеси концентрированных серной и азотной кислот (4:1) и кипятили в течение 10 ч с обратным холодильником, добавляя по необходимости (при снижении количества выделяющегося диоксида азота) азотную кислоту. Полученную смесь многократно промывали водой, 0,1 М раствором NaOH, затем 0,1 М раствором НС1, и, наконец, опять несколько раз водой до нейтрального рН промывной жидкости (по универсальной индикаторной бумаге). Выделение алмаза проводили так же, как после жидкофазного хлорирования.
Данная часть работы была выполнена в лаборатории клеточной нейро-биологии ИБК РАН (г. Пущино Московской обл.). В экспериментах были использованы лабораторные мыши-самцы аутбредной линии NMRI весом 25-30 г. Животные содержались в конвенциональных (нестерильных) условиях с 12-часовым световым днем и свободным доступом к еде и воде. Мы работали в соответствии с Европейским Соглашением по защите позвоночных животных, используемых в экспериментальных и других научных целях 1986 86/609/ЕЕС. ИБК РАН, разрешение №12306.
Образцы цельной крови животного после его декапитации собирали в емкость с гепарином (конечная концентрация гепарина составляла 20 ед/мл). Кровь разводили модифицированным раствором Хенкса без добавления Са2+ (HBS) в объемном отношении 1:1 и хранили при 4 С в течение 1 ч до проведения измерений.
Модифицирование поверхности наноалмаза
Наибольший интерес с точки зрения химического модифицирования наноалмаза, как и других алмазных материалов, представляют реакции, позволяющие проводить ковалентную прививку к поверхности за счет образования С-С связи между прививаемой группой и поверхностью, что обеспечивает формирование на поверхности прочно закрепленного слоя привитого соединения. Для повышения эффективности прививки важную роль играет мо-нофункционализация поверхности. Поэтому стратегия осуществления кова-лентной прививки предусматривает в качестве необходимой стадии унифицирование поверхности наноалмаза. Для достижения этой цели часто используют обработку водородом. Однако, поверхностные гидридные группы отличаются достаточно низкой реакционной способностью, и поэтому требуется дополнительная активация такой поверхности. Практичным и универсальным способом является электрофильная активация поверхности, заключающаяся в ее предварительном галогенировании, в частности, фторировании и хлорировании, которые могут быть, как видно из раздела 1 литературного обзора, осуществлены различными способами. 3.2.1. Галогенирование поверхности наноалмаза
До настоящего времени в литературе не было сравнительных количественных оценок эффективности модифицирования галогенами по различным методикам. Поэтому в данной работе использовались два галогена -хлор и фтор, которые вводились на поверхность наноалмаза различными способами. Хлорирование ND было выполнено двумя способами: жидко-фазно молекулярным хлором и в плазме СС14. Методом рентгеновской флуоресценции было установлено, что введение хлора на поверхность восстановленного наноалмаза радикальным фотохимическим хлорированием в жидкой фазе позволяет достичь концентрации хлора в образце до 12,0 % ат. (3,8% масс). Хлорирование в плазме позволило достичь на поверхности лишь 8,7% ат. хлора (по данным РФлА), т.е. хлорирование в плазме оказалось менее эффективным. Таким образом, максимальная поверхностная концентрация хлора, которую нам удалось достичь, составляет 12,0% ат.
Фторирование поверхности ND осуществляли также двумя способами: молекулярным фтором и в плазме SF6. Поскольку метод РФлА не чувствителен для фтора, количественные данные о его прививке к поверхности ND получали методом РФЭС. Концентрация фтора на поверхности, введенного укзанными способами, составила 12,6% ат. и 14,5% ат. соответственно. На рис. 28 представлены спектры РФЭС для фторированного ND. Как видно из представленных спектров, способ фторирования поверхности ND влияет на природу образующихся фторсодержащих групп.
При обработке фтором образца наноалмаза также как и после его хлорирования происходит заметная дезагрегация частиц (ср. рис. 25а и 25в). Но, тем не менее, остаются достаточно большие агрегаты, которые не разрушились во время синтеза. На поверхности фторированных зерен ND нет налипших мелких алмазных частиц, что может объясняться их сильным электростатическим отталкиванием за счет фторсодержащих групп на поверхности. Сам фторированный ND совершенно не смачивается водой.
Таким образом, галогенирование ND достаточно успешно можно применять для дезагрегации частиц, которая необходима для дальнейшего модифицирования и применения ND в различных сферах техники и медицины.
Полученные хлорированные и фторированные образцы ND были исследованы методом ИК спектроскопии. Полосы, соответствующие привитым хлор- и фтор-группам, имеют низкую интенсивность, экранируются по лосами поглощения других групп, и мы не смогли их идентифицировать в полученных спектрах. Однако, о протекании на поверхности реакций замещения атомов водорода на галоген можно было судить по уменьшению ин-тенсивностей поглощения полос при 2800-3000 см" , отвечающих валентным колебаниям С-Н групп. Кроме того, РФЭС спектры свидетельствуют, что присутствующие галогены связаны с углеродом.
Для выяснения реакционной способности полученных галогенирован-ных образцов были проведены реакции взаимодействия с соединениями, содержащими гШ2-группы, которые входят и в состав ряда биологических молекул. Так, в качестве такого прививаемого соединения был взят глицин. Поскольку молекула глицина имеет две функциональные группы, которые могут взаимодействовать с поверхностью ND-Hal, то, чтобы обеспечивать создание C-N связи, карбоксильную группу блокировали путем образования этилового эфира глицина.
По данным РФЭС следует, что при прививке этилендиамина к хлорированному наналмазу количество хлора на поверхности снижается с 8,7% ат. до 3% ат., а азота увеличивается до 2,9% ат. При прививке этилендиамина к фторированному образцу количество фтора на поверхности снижается с 14,5% ат. до 4,4% ат., при этом концентрация азота становится равной 3,5% ат. Сопоставление исходного соотношения атомов фтора и хлора на образцах НА (1,66:1) и соотношения атомов азота на этих образцах после прививки этилендиамина (1,2:1) позволяет сделать вывод, что связь С-С1 оказывается более реакционноспособной, чем C-F.
