Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 9
1.1 Хитин и его производные: получение, свойства и применение 9
1.1.1 Деацетилирование хитина 10
1.1.2 Карбоксиметилирование хитина 13
1.1.3 Области применения карбоксиметилхитина 16
1.2 Наноструктуры: общая характеристика и методы получения 20
1.3 Металлсодержащие наночастицы: методы получения и стабилизации 25
1.3.1 Методы синтеза наночастиц металлов в обращенных мицеллах 25
1.3.2 Основные условия стабилизации наночастиц металлов полимерами 31
1.3.3 Химическое восстановление ионов металлов в присутствии полимеров 33
1.3.4 Фото- и радиационно-химическое восстановление ионов металлов в растворах полимеров 1.3.4.1 Фотолиз металл-полимерных систем 40
1.3.4.2 Радиолиз металл-полимерных систем 45
2. Результаты и их обсуждение 51
2.1 Разработка способов получения и стабилизации макромолекулярных систем на основе производных хитина и наночастиц металлов, полученных биохимическим способом 51
2.1.1 Исследование совместимости и агрегативной устойчивости макромолекулярных систем на основе производных хитина и наночастиц металлов, полученных биохимическим методом 52
2.1.2 Создание композитных пленок, модифицированных наночастицами серебра, полученными биохимическим способом и исследование антимикробных свойств пленок 62
2.2 Разработка способов получения и стабилизации макромолекулярных систем на основе карбоксиметилхитина и наночастиц металлов, полученных радиационно-химическим методом 66
2.2.1 Композиты карбоксиметилхитина с наночастицами железа 67
2.2.2 Композиты карбоксиметилхитина с наночастицами серебра. Влияние природных антиоксидантов на стабильность наночастиц серебра в матрице карбоксиметилхитина 79
2.3 Радиационно-химическое восстановление ионов серебра в матрице карбоксиметилхитина 92
2.3.1 Изучение сорбционной способности карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме по отношению к ионам серебра 99
2.3.2 Характеристика структуры и свойств карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме 103
2.3.3 Радиационно-химический синтез наночастиц серебра и характеристика структуры нанокомпозитов на основе карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме 113
2.3.4 Исследование антимикробной активности нанокомпозитов с наночастицами серебра в матрице солевой формы карбоксиметилхитина 121
3. Экспериментальная часть 127
3.1 Материалы 127
3.2 Методы 129
3.2.1 Синтез карбоксиметилхитина 129
3.2.2 Получение пленок из водных растворов полимеров 130
3.2.3 Перевод наночастиц металлов из мицеллярного раствора в водный раствор полимера с помощью обработки ультразвуком 130
3.2.4 Получение карбоксиметилхитина в кислой форме 131
3.2.5 Радиационно-химический синтез наночастиц серебра в матрице карбоксиметилхитина 131
3.3 Методы анализа 132
3.3.1 Количественное определение содержания серы 132
3.3.2 Определение молекулярной массы полимеров с использованием метода седиментации 132
3.3.3 Определение кинематической вязкости растворов полимеров 133
3.3.4 Определение показателя преломления растворов полимеров 134
3.3.5 Определение размеров наночастиц серебра, полимеров и их композиций методом фотонной корреляционной спектроскопии 134
3.3.6 Потенциометрическое титрование карбоксиметилхитина 137
3.3.7 УФ-Вид-спектроскопия 137
3.3.8 ИК-Фурье-спектроскопия 137
3.3.9 Определение концентрации свободных катионов серебра методом потен циометрического титрования 137
3.3.10 Исследования антимикробных свойств металл-полимерных коллоидных растворов и нанокомпозитных пленок 138
3.3.11 Растрово-электронная микроскопия 140
3.3.12 Просвечивающая электронная микроскопия 140
3.3.13 Атомно-силовая микроскопия 140
3.3.14 Рентгеноструктурный анализ 141
3.3.15 Микрорентгеноспектральный анализ 141
3.3.16 Термогравиметрический анализ и дифференциальная сканирующая калориметрия 141
3.3.17 НЯМР-спектроскопия 142
3.3.18 ЯМР-спектроскопия твердого тела 142
3.3.19 Физико-механические испытания 142
Выводы 144
Список литературы 145
Приложение 1 166
Приложение 2 167
- Наноструктуры: общая характеристика и методы получения
- Исследование совместимости и агрегативной устойчивости макромолекулярных систем на основе производных хитина и наночастиц металлов, полученных биохимическим методом
- Радиационно-химический синтез наночастиц серебра и характеристика структуры нанокомпозитов на основе карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме
- Определение размеров наночастиц серебра, полимеров и их композиций методом фотонной корреляционной спектроскопии
Введение к работе
Актуальность работы. Создание мультифункциональных полимерных материалов с комплексом ценных свойств является актуальным и перспективным направлением современных научных исследований. Выбор полиэлектролитов - производных хитина для создания макромолекулярных систем обусловлен уникальным комплексом свойств этих полимеров, таких как низкая токсичность, биосовместимость, возможность биодеструкции, способность образовывать волокна и пленки и др. материалы, широко применяемые в биохимии и медицине. Следует также отметить, что интерес исследователей к хитину ((1—>4)-2-ацетамидо-2-деокси-Р-О-глюкан) обусловлен наличием возобновляемых в природе источников сырья (панцири крабов, омаров и др. ракообразных, кутикула насекомых, стенки клеток грибов, а также дрожжи, оболочки микробов, зоопланктон, кораллы, водоросли).
Модификацию таких полимеров можно осуществлять путем полимеранало-гичных превращений с участием их функциональных групп или введением биологически активных веществ, в частности некоторых наночастиц металлов. Полимерная матрица в подобных системах играет роль стабилизатора наночастиц металлов, предотвращая их агрегацию.
Уникальные свойства металл-полимерных нанокомпозитных материалов (оптические, каталитические, электрофизические и т.д.) и перспективы их широкого использования определяют возрастающий интерес к разработке методов получения макромолекулярных нанокомпозитов.
Цель работы - разработка новых подходов к созданию стабильных макромолекулярных систем на основе водорастворимых производных хитина, в частности 6-О-карбоксиметилхитина (КМХ) и наночастиц металлов. В соответствии с целью исследования в работе были использованы физико-химические методы для решения следующих задач:
исследовать возможность совмещения водной дисперсии наночастиц серебра (ВДС) с полиэлектролитами ряда хитин-хитозана с целью получения стабильных наносистем;
осуществить транспорт наночастиц железа и серебра из их мицеллярного раствора в изооктане непосредственно в раствор водорастворимого производного хитина - КМХ с использованием обработки ультразвуком (УЗ) гетерофазной системы изооктан-вода;
провести радиационно-химический синтез наночастиц серебра при восстановлении ионов металла непосредственно в полимерной матрице КМХ. Выявить оптимальные условия (концентрация полимера и соли серебра, доза облучения и т.д.), необходимые для получения стабильных, однородных по форме и размерам наночастиц серебра. Изучить влияние степени ионизации карбоксильных групп КМХ на процессы формирования кластеров и наночастиц серебра при радиацион-но-химическом восстановлении из ионов;
получить нанокомпозитные материалы на основе разработанных макромолекулярных систем;
провести комплексные исследования состава и структуры полученных композитных наноматериалов методами УФ-Вид-спектроскопии, ИК-Фурье-спектроскопии, растровой электронной микроскопии, просвечивающей электрон-
ной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, микрорентгеноспектрального и ренгтгеноструктурного анализа;
провести оценку бактерицидного действия нанокомпозитных материалов, содержащих наночастицы серебра, в опытах in vitro.
Научная новизна. Получены новые макромолекулярные системы на основе КМХ и наночастиц металлов. Данные о закономерностях их образования и стабилизации дополняют и развивают теоретические представления в области химии высокомолекулярных соединений и нанохимии.
Впервые для создания металлсодержащих нанокомпозитных полимерных систем предложен одностадийный процесс, исключающий стадию получения водной дисперсии наночастиц металлов. Для этого использовали УЗ-обработку гете-рофазной системы изооктан-вода, содержащей наночастицы металла и КМХ соответственно.
Показано, что использование антиоксидантов растительного происхождения (галловая кислота, дигидрокверцетин и сиреневая кислота) приводит к дополнительной стабилизации наночастиц серебра в такой макромолекулярной системе вследствие образования водородных связей между функциональными группами фенольного антиоксиданта и КМХ.
Впервые показано, что при радиационно-химическом восстановлении ионов серебра Ag , связанных в поликомплекс с КМХ, образуются наночастицы серебра, характеризующиеся высокой стабильностью как в растворе, так и в пленочном композите.
Практическая значимость. Разработка способов, позволяющих регулировать процессы образования наночастиц металлов, их размер и форму, а также повышать их стабильность, имеет большое практическое значение. Макромолекулярные системы на основе КМХ, содержащие наночастицы серебра, могут быть использованы при создании раневых покрытий для ускорения процессов регенерации и эпителизации, для обеспечения пролонгированного антимикробного действия с целью предотвратить риск инфицирования раневой поверхности патогенной микрофлорой, а также поддерживать поступление в область раны кислорода, необходимого для процессов заживления. Макромолекулярные системы на основе КМХ, содержащие наночастицы железа, могут быть использованы в области биомедицины (биосенсоры, магнитно-резонансная томография, маркеры биомолекул, управляемая локальная гипертермия опухолей, биосепарация и т.д.).
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на 16 всероссийских и международных научных конференциях и симпозиумах: VIII, IX, X и XI Международные конференции «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана» (Казань, 2006; Ставрополь, 2008; Нижний Новгород, 2010; Мурманск, 2012), XIV Всероссийская конференция «Структура и динамика молекулярных систем Яльчик-2007» (Казань, 2007), Четвертая и Пятая Всероссийские Каргинские конференции «Наука о полимерах 21 -му веку» (Москва, 2007; Москва, 2010), «III International Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics» (Moscow, Russia, 2008), «Научная конференция ИНХС РАН, посвященная 75-летию института» (Москва, 2009), «9th International Conference of the European Chitin Society» (Venice, Italy, 2009), XVI и XIX Международные научные конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2009; Москва, 2012), «1st International Summer School - Nano2009. Nanomaterials and Na-
notechnologies in Living Systems» (Moscow region, Russia, 2009), Первая Всероссийская школа-конференция для молодых ученых «Макромолекулярные нанообъекты и полимерные нанокомпозиты» (Москва, 2009), 1st Russian-Hellenic Symposium with International Participation and Young Scientists School «Biomaterials and Nanobi-omaterials: Resent Advances Safety and Toxicology Issues» (Heraclion, Greece, 2010), «10th International Conference of the European Chitin Society» (Saint Petersburg, Russia, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 печатных работ: 3 статьи в квалификационных журналах, 1 патент, 10 статей в научных сборниках материалов конференций и 11 тезисов докладов российских и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 167 страницах, состоит из введения, литературного обзора (глава 1), результатов и их обсуждения (глава 2), экспериментальной части (глава 3), выводов и списка цитируемой литературы. Работа содержит 53 рисунка, 13 таблиц и 2 приложения. Список цитируемой литературы включает 206 наименований.
Список использованных сокращений приведен на странице 24 автореферата.
Наноструктуры: общая характеристика и методы получения
Систематическое изучение частиц малых размеров началось с развитием коллоидной химии. Особенно активно это направление науки стало развиваться с 90-х гг. XX века в связи с созданием технической базы для исследования частиц наномасштаба. Повышенный интерес исследователей к нанообъектам вызван обнаружением у них необычных физических и химических свойств, связанных со следующими факторами. Во-первых, при переходе от микро- к нанообъектам увеличивается отношение числа атомов, находящихся на поверхности, к числу атомов в объеме, вследствие чего растет влияние сил поверхностного взаимодействия и границ раздела на свойства вещества. Таким образом, с энергетической точки зрения уменьшение размеров частиц приводит к возрастанию роли поверхностной энергии, приводящей к возникновению необычных поверхностных явлений. Во-вторых, с уменьшением размера частиц все в большей степени проявляются квантовые размерные эффекты. Такие эффекты вызваны тем, что с переходом от макроскопического тела к масштабам наночастицы, геометрически сопоставимых с длиной волны де Бройля электронов, плотность состояний в валентной зоне и в зоне проводимости резко изменяется, что отражается, в первую очередь, на электрических и магнитных свойствах наночастиц [68].
Наночастицы различных элементов периодической системы открывают новые направления исследований в катализе, в разработке новых композитов и полимерных систем [69]. Различают два типа наночастиц: кластеры (нанокристаллы) и собственно наночастицы. К кластерам относят частицы упорядоченного строения (часто центросимметричные) размером 1-5 нм, содержащие до 10"1 атомов; к наночастицам относят собственно наночастицы размером 5-100 нм, состоящие из 10J-10 атомов. По числу атомов металла, образующих остов кластерного соединения, нуклеарности (q), кластеры делят на малые (q = 3-12), средние (q = 13—40), крупные (q=41-100) и сверхкрупные, «гигантские» (q 100) [70, 71]. Если наночастица имеет сложную форму и строение, то в качестве характеристического рассматривают не линейный размер частицы в целом, а размер ее структурного элемента, называя при этом такие частицы наноструктурами. Линейные размеры наноструктур могут значительно превышать 100 нм, при этом различия в линейных размерах наноструктур позволяют подразделять их на нуль- (кластеры и наночастицы в нанореакторах и в оболочке, квантовые точки, фуллерены и т.д.), одно-(нанотрубки, наностержни и т.д.), двух- (пленки Ленгмюра-Блоджетт, самособирающиеся слои и т. д.) и трехмерные (объемные материалы, нанокомпозиты) соответственно 0D-, 1D-, 2D- и ЗО-наноструктуры [72].
В настоящее время разработано множество разнообразных методов получения как металлсодержащих наноразмерных частиц (НРЧ), так и полимерных наночастиц. На сегодняшний день сформировались два основных направления получения наноматериалов: конденсационный («bottom-up») и диспергирующий («top-down») (табл. 1). Другая классификация предполагает деление методов синтеза наночастиц по способу их получения и стабилизации и является условной, поскольку четкой границы между этими группами методов не существует. Согласно такой классификации методы синтеза наночастиц подразделяют на химические (золь-гель метод, синтез в нанореакторах, химическое осаждение, удаление компонента гетерогенной системы), физические (молекулярно-лучевая эпитаксия и различные способы испарения с последующим контролем роста в инертной атмосфере и стабилизацией НРЧ, литография, механический помол, механохимический синтез и акустическое диспергирование твердых тел - сонохимия) и физико-химические (методы, в которых НРЧ образуются в результате воздействия УЗ, фото- и у-излучения, микроволн; сольвотермальный синтез, синтез в сверхкритических растворителях, пиролиз аэрозолей и большинство методов роста наночастиц или пленок из газовой фазы, например, химическое осаждение из газовой фазы, рост наноструктур по механизму пар-жидкость-кристалл) методы [69, 72].
Согласно [74] к наиболее важным факторам, которые необходимо учитывать в ходе синтеза наночастиц относятся: неравновесность наносыстем, позволяющая добиться спонтанного зародышеобразования и избежать роста и агрегации сформировавшихся наночастиц (исключением являются термодинамически стабильные растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ)): высокая химическая однородность наноматериалов (в процессе синтеза не происходит разделения компонентов как в пределах одной наночастицы, так и между частицами); монодисперсность, поскольку для получения наноматериалов с улучшенными характеристиками необходимо синтезировать частицы с узким распределением по размерам. Благодаря последним достижениям в области науки и нанотехнологий существенно возросли возможности создания и использования нарюматериалов во многих областях науки и техники, в частности, для получения эффективных и избирательных катализаторов, для создания элементов микроэлектронных и оптических устройств, для синтеза новых материалов. В последние годы наночастицы металлов, в особенности золота, серебра, меди и их композиты, для которых характерно явление плазмонного резонанса, широко используются как эффективные оптические преобразователи биоспецифических взаимодействий. В частности, резонансные оптические свойства нанометровых металлических частиц успешно применяются для разработки биочипов и биосенсоров. Среди способов получения наночастиц металлов преобладают методы, основанные на восстановлении ионов металлов в растворах в присутствии ПАВ и высокомолекулярных соединений в качестве стабилизаторов, а также приемы испарения и конденсации металлов. Так, в работе [75] для определения анализируемых веществ в биологических жидкостях разработан способ получения плазмонных жидкофазных сенсоров с высокой чувствительностью и стабильностью на основе анизотропных наночастиц серебра покрытых хитозаном. На рис. 2 представлено изображение металлической наночастицы в поле плоской электромагнитной волны.
Переменное электрическое поле приводит к когерентным колебаниям электронов в осциллирующем внешнем поле, которые называются поверхностным (дипольным) плазмоном, а оптический резонанс, связанный с этими колебаниями, - поверхностным плазменным резонансом [77]. Частота плазмонного резонанса определяется многими факторами, включая концентрацию и эффективную массу электронов проводимости, форму, структуру и размер частиц, а также межчастичные взаимодействия и влияние окружения.
Наночастицы, обладающие магнитными свойствами, представляют значительный интерес для медицины, катализа и электроники [78. 79]. В настоящее время синтезирован широкий спектр наночастиц с магнитными свойствами: на основе металлов Со, Fe, Ni, оксидов железа, ферритов MgFe204, CoFe204, MnFe204, LiFe5Os, а также CoPt, FePt, MnAl, SmCo5, Fe,4Nd2B. Оксидные частицы обладают более слабыми магнитными свойствами, чем наночастицы на основе металлов, однако они более устойчивы к окислению. Наиболее широкое применение в биомедицине получили частицы наноразмерного оксида железа Fe2C 3, что обусловлено их низкой токсичностью и стабильностью магнитных характеристик. Различают несколько путей синтеза магнитных наночастиц: механические (диспергирование), химические (синтез или разложение), физические (применение высокоэнергетических воздействий) и физико-химические методы. Наряду с наночастицами благородных металлов, используют также наночастицы магнетита биогенного происхождения, формирующиеся бактериями.
В качестве восстановителей при синтезе наночастиц металлов используют как традиционные неорганические (в основном бор гидр ид натрия NaBH4, газообразный водород Н2) и органические соединения (цитрат натрия Ыа3СбН507, амины, гидразин H2N NH2, альдегиды, сахара, n-дифенолы), так и нетрадиционные восстановители, такие как, экстракты и антиоксиданты растительного происхождения (алоин, кверцетин, дигидрокверцетин, рутин). Многие высокомолекулярные соединения способны восстанавливать катионы металлов в мягких условиях.
Исследование совместимости и агрегативной устойчивости макромолекулярных систем на основе производных хитина и наночастиц металлов, полученных биохимическим методом
При получении наночастиц, в частности наночастиц металлов, необходимо учитывать их неустойчивость и высокую реакционную способность, которые могут приводить к агрегации наночастиц металлов, изменению структуры наночастиц, потере требуемых свойств при взаимодействии с окружающей средой, и как следствие, в конечном итоге определить низкий уровень качества эксплуатационных характеристик.
В методе биохимического синтеза наночастиц серебра сочетаются преимущества системы обратных мицелл и восстановителей природного происхождения. В основе метода лежит восстановление ионов металлов в обратных мицеллах природными биологически активными веществами -растительными пигментами из группы флавоноидов. Изучение механизмов биологического действия флавоноидов позволило установить, что во многих случаях наблюдаемые эффекты обусловлены способностью этих веществ образовывать комплексы с ионами металлов в водных растворах (в основном, меди и железа), играющих важную роль в процессах перекисного окисления липидов. Идея метода биохимического синтеза наночастиц металлов состояла в возможности использования способности флавоноидов образовывать комплексы с ионами металлов для синтеза наночастиц металлов, происходящего в водном ядре обращенной мицеллы [101]. По признанию самого автора метода, название «биохимический синтез» не вполне корректно, поскольку оно ассоциируется с процессами биосинтеза, протекающими в живых клетках, тогда как, по существу, речь идет о химической реакции восстановления ионов металла до атомов биологическими молекулами. Поэтому со временем прочно утвердился лишь один вариант названия метода - «биохимический синтез в обратных мицеллах», а в публикациях и докладах используется обычно сокращенный вариант - «биохимический синтез».
Принцип метода биохимического синтеза наночастиц серебра состоит в восстановлении ионов металла из солей металла биологически активным веществом (кверцетином) в обращенных мицеллах анионного ПАВ - АОТ в изооктане. Поскольку АОТ хорошо растворим во многих неполярньгх растворителях, и позволяет получать стабильные обращенные мицеллы в широком диапазоне концентраций ПАВ и степеней гидратации оз = [Н20]/[ПАВ], то АОТ находит широкое применение для создания водно-органических мицеллярных растворов наночастиц металлов. На рис. 7 приведено схематичное изображение мицеллярного раствора наночастиц серебра в изооктане и ВДС.
К числу преимуществ биохимического метода могут быть отнесены: получение с высоким выходом стабильных на воздухе наночастиц металлов размером не более 15 нм, широкий спектр применяемых металлов, простота и экономичность технологии.
Типичный спектр оптического поглощения и распределение частиц по размерам в ВДС представлен на рис.8. Как видно из рис. 8а, наночастицы серебра в водной дисперсии имеют характерную полосу поглощения при ліакс 420 нм. Используя коэффициент поглощения (экстинкции) наночастиц серебра є = (1.03 ± 0.08) х 104 л/моль см [101], по величине оптической плотности в максимуме полосы поглощения определяли концентрацию наночастиц серебра в водной дисперсии и в композиции с КМХ. Из данных рис. 86 видно, что значительная доля частиц -75 % представляет собой малые мицеллы диаметром порядка 1-3 нм.
Задачей первоначального этапа работы было выявление оптимальных условий получения совместимых и агрегативно устойчивых наносистем полимер- наночастицы серебра. Включение наночастиц серебра в структуру полимерной матрицы (КМХ) осуществляли путем постепенного введения ВДС в раствор полимера заданной концентрации при непрерывном перемешивании. После этого полученный раствор перемешивали в течение 15-20 мин при комнатной температуре. В случае применения поликатионов (хитозан, триметилхитозан и др.) получению устойчивых к агрегации наносистем в какой-то мере препятствовало образование ПАВ-полиэлектролитного комплекса, обусловленного взаимодействием функциональных сульфогрупп ПАВ (АОТ) с аминогруппами макромолекул хитозана, что приводило к дестабилизации наночастиц серебра и выпадению осадка [165, 166]. Количественный анализ содержания серы в образовавшемся осадке - 5.83 мае. % (содержание серы в АОТ 7.21 мае. %) подтверждает предположение о возможном образовании ПАВ-полиэлектролитного комплекса, которое сопровождается дальнейшим разрушением мицелл. Таким образом, выбор исходной полимерной матрицы был обусловлен отсутствием в его структуре функциональных групп, вступающих в конкурирующее взаимодействие со стабилизирующей оболочкой мицеллы наночастиц серебра. В качестве таких полимеров были выбраны водорастворимые производные хитина. Карбоксиалкилированное производное хитина - КМХ с ММ 12x104 и степенью карбоксиметилирования 1.0 синтезировали из хитина (ЗАО «Биопрогресс», Россия) по методике [29]. Водорастворимые сульфатированные производные хитозана - сульфаты хитозана (СХ) с ММ 7x104 (СХ-70) и 12x104 (СХ-120) любезно предоставлены проф., д.х.н. Вихоревой Г.А., МГТУ им. А.Н. Косыгина.
Путем сравнения спектров поглощения и размеров частиц в растворах индивидуальных компонентов (ВДС и растворы полимера) и наносистем на их основе судили о стабильности и устойчивости к агрегации образующихся макромолекулярных систем (рис. 9 и 10). Отсутствие существенных различий в положении XnaKC и величины оптической плотности в максимуме полосы поглощения для наночастиц серебра в полимерной наносистеме СХ-70-ВДС (рис. 9а, 3) по сравнению с исходной ВДС (рис. 9а, 2) подтверждает совместимость раствора полимера и ВДС без разрушения наночастиц серебра. При этом величина оптической плотности в максимуме полосы поглощения образовавшейся металл-полимерной наносистеме оставалась постоянной в течение как минимум трех недель (рис. 96), что подтверждает стабильность НРЧ серебра. Значения величин Х акс и оптической плотности в максимуме полосы поглощения для СХ-120 практически совпадали по величине со значениями этих величин для СХ-70. Из данных электронного спектра КМХ, представленных на рис. 10а, I, видно отсутствие полос поглощения в той области, которая характеризует наночастицы серебра (?ц1акс 420 нм). Это позволяет легко регистрировать и количественно определять наночастиц серебра в их композиции с КМХ, как в растворах, так и в пленках.
Из сравнения данных, представленных на рис. 10а, 2, 3, видно, что интенсивность поглощения наночастиц серебра пропорциональна их концентрации в полимерной композиции. Следует отметить, что величина оптического поглощения наночастиц серебра в полимерной композиции ( Чіакс 420 нм) оставалась практически неизменной в течение длительного периода наблюдений (рис. 106), что подтверждает стабильность этих частиц в данных условиях.
Исследование процессов структурообразования, происходящих как в чистых растворах полимеров, так и в их смесях с ВДС, проводились таюке с использованием метода фотонной корреляционной спектроскопии, который таюке называют динамическим рассеянием света, позволяющего измерять размер частиц. Результаты анализа автокорреляционной функции интенсивности света, рассеиваемого исследуемым раствором, в котором присутствуют частицы в состоянии броуновского движения, позволяют проводить оценку размера частиц [167]. Значения вязкости и показателя преломления nd25 исследуемых растворов, необходимые в качестве исходных параметров для оценки размера частиц, определяли экспериментально с использованием капиллярного вискозиметра и рефрактометра соответственно. Исследуемыми образцами являлись макромолекулярные системы сульфатов хитозана (СХ-70 и СХ-120), а также КМХ с ВДС. Помимо этого были изучены отдельно все исходные компоненты. Кинематическую вязкость образцов определяли по методике, описанной в разделе 3.3.3.
Как видно из табл. 7, кинематическая вязкость КМХ значительно выше вязкости СХ-70 и СХ-120. На основании этого можно предположить, что взаимодействие КМХ с наночастицами в растворе этого полимера будет носить более замедленный характер, чем в случае растворов сульфатов хитозана, что и было подтверждено при исследовании размеров частиц.
Радиационно-химический синтез наночастиц серебра и характеристика структуры нанокомпозитов на основе карбоксиметилхитина в солевой, кислой и смешанной форме
Поскольку известно, что исходная концентрация ионов серебра оказывает существенное влияние на процесс формирования наночастиц серебра, в настоящей работе при проведении радиационно-химического синтеза таких частиц были исследованы три степени заполнения макромолекул полиэлектролита КМХ в трех формах ионами серебра - 0.2, 0.4 и 0.6 от максимально возможной, согласно кривым сорбции.
Для получения коллоидного раствора наночастиц серебра использовали водный раствор AgN03 так, чтобы концентрация нитрата серебра в растворе 0.5 мае. % КМХ составляла 3.5-10.1 мМ; при этом в исходную смесь вводили 0.05 мл ИПС, необходимого для инактивации радикалов. При использовании концентрации AgNCb меньше указанного интервала, количество образующихся наночастиц существенным образом уменьшалось. Если концентрация AgN03 превышала указанный интервал, то наблюдалось образование более крупных наночастиц серебра, что в некоторых случаях сопровождалось выпадением осадка.
Полученные растворы полимера, содержащие ионы серебра, продували инертным газом (аргон или азот) 1.5-3 ч и тщательно герметизировали. Затем полученный раствор подвергали у-облученшо в дозе от 2-12 кГр . Наличие наночастиц серебра в полученных макромолекулярных системах подтверждали с помощью метода УФ-Вид-спектроскопии. Размеры и форму наночастиц в металлсодержащих в нанокомпозитах определяли используя метод ПЭМ.
На рис. 45 представлены электронные спектры макромолекулярных систем, полученных на основе КМХ в двух исследуемых формах, при дозе облучения 2 кГр, содержащих наночастицы серебра. Для оценки стабильности наночастиц серебра в растворе КМХ снятие спектров проводили повторно через определенные промежутки времени, при этом, реакционные смеси выдерживали в темноте при комнатной температуре.
Из сравнения данных (рис. 45), полученных для двух форм KMX-Na и КМХ-50Н, при равной степени заполнения макромолекул ионами Ag+, видно, что оптическая плотность наночастиц серебра, полученных в матрице KMX-Na выше, чем для КМХ-50Н. Для всех описанных систем полосы поглощения в области 300-500 нм идентичны, при этом с увеличением степени заполнения наблюдался рост оптической плотности наночастиц серебра. Полосы поглощения в области 340-550 нм относятся к кластерам серебра, содержащим различное число атомов металла [147].
В результате получали коллоидный раствор однородных по форме наночастиц серебра с размером частиц 1-5 нм (рис. 46). Частицы, полученные из ионов, введенных в полимерную матрицу в количестве не превышающем предельную степень заполнения, характеризуются стабильностью во времени (рис. 45), что свидетельствует об отсутствии процессов агрегации наночастиц серебра [134]. Следует отметить, что на микродифрактограммах, приведенных на рис. 46, присутствуют рефлексы соответствующие межплоскостным расстояниям кристаллической решетки серебра [195].
Представленные на рис. 47 электронные спектры наносистем, полученных с использованием в качестве исходной полимерной матрицы КМХ в трех формах, подтверждают, что в исследуемых полиэлектролитах радиационно-химическое восстановление наночастиц серебра из ионов проходит эффективно, при этом достигается оптическая плотность 2.3-2.4 (при А акс 420 нм).
Однако, из электронных микрофотографий (рис. 48) этих систем видно, что для ICMX-Na при степенях заполнения 0.2 и 0.4 (рис. 48а и 486) образуются наночастицы серебра размером 1-5 нм сферической формы. При увеличении степени заполнения макромолекулы ионами Ag+ до 0.6 формировались уже более крупные частицы, достигающие 10-15 нм, причем появлялись наночастицы овальной формы.
При степени заполнения 0.6 для КМХ-50Н (рис. 48е) наблюдалось агрегирование частиц и образование фрактальных структур. Образование подобных структур может быть обусловлено, как внутри-, так и межмолекулярным некооперативным взаимодействием карбоксильных групп макромолекулы с ионами Ag+. Для кислой формы КМХ-Н эти процессы агрегирования частиц видны уже при малых степенях заполнения.
Данные ренгеноструктурного анализа также подтверждают, что наносистемы, полученные на основе KMX-Na, характеризуются наиболее высоким содержанием наночастиц в кристаллической фазе - 77.3%. При этом, с увеличением степени заполнения макромолекулы ионами Ag+ от 0.2 до 0.6, содержание наночастиц серебра в кристаллической фазе заметно снижалось до 69.8%. Такое же снижение содержания наночастиц серебра в кристаллической фазе в наносистеме при увеличении степени заполнения макромолекулы наблюдали и для другой формы - КМХ-50Н (табл. 12).
Повышение содержания наночастиц серебра в кристаллической фазе в наносистеме может быть достигнуто при увеличении дозы радиационного облучения до 15 кГр, при этом достигается практически полное восстановление ионов в наночастицьт. Дальнейшее увеличение суммарной дозы облучения нежелательно, поскольку может приводить к уменьшению ММ КМХ вследствие расщепления основной цепи по гликозидным связям.
Определение размеров наночастиц серебра, полимеров и их композиций методом фотонной корреляционной спектроскопии
Исследование размеров частиц проводили методом фотонной корреляционной спектроскопии на лазерном автокорреляционном спектрометре (микросайзере) модели COLTER MODEM N4 MD («Coulter Electronics», США). Размер частиц оценивали по результатам анализа автокорреляционной функции интенсивности света, рассеиваемого исследуемым раствором, в котором присутствовали частицы в состоянии броуновского движения. Блок-схема прибора и процесс его работы представлены на рис. 53а и 536 соответственно. Как видно из рис. 53 поток монохроматического света от излучателя через фокусирующую линзу попадет в кювету с анализируемым раствором, которая находится в термостатирующем боксе. Монохроматический свет рассеивается раствором, содержащим взвешенные частицы. Квазиупруго рассеянный свет собирается фотоумножителем; спектр интенсивности рассеянного света подвергается статической обработке в корреляторе. Полученные сигналы автокорреляционной функции интенсивности рассеянного света далее передаются на электронную вычислительную машину и обрабатывается с помощью специализированных программ. Если получаемые данные не удовлетворяют условиям задаваемых параметров программы, то компьютер выдает соответствующее сообщение, и предлагает варианты коррекции. Более детальное описание действий по работе на лазерном автокорреляционном спектрометре описано далее.
Анализируемый раствор помещают в термостатирующий бокс с кюветой и выдерживают в течение некоторого времени (порядка 10-15 мин), при котором замеряется значение интенсивности рассеяния. Обязательным условием корректности измерений является абсолютная прозрачность анализируемого раствора. Интенсивность рассеяния должна находиться в интервале чувствительности прибора (sample intensity) 5.00-104-1.00-10б отн. ед/сек. После удовлетворения данного условия проводят унимодальный анализ (Unimodal Analysis), в котором задаются значения температуры (в нашем случае 25 С), вязкость раствора, показатель преломления и время анализа исследуемого раствора. В число выдаваемых параметров входит определение среднего размер частиц (гидродинамический радиус), интервал их распределения, стандартное отклонение, коэффициент диффузии и полидисперсность частиц в предположении, что они имеют логарифмически нормальное распределение по размерам (т.е. одномодовый анализ). Иными словами, унимодальный анализ предполагает, что распределение частиц по размерам подчиняется гауссову распределению. Стандартное отклонение должно находиться в определенных пределах: в случае приемлемого значения отклонения программа выдает на различных образцах сообщение об его узком интервале (NARROW), в граничном значении (BROAD), или его числовое наиболее вероятное значение. В случае некорректного стандартного отклонения выдается сообщение о недостатке данных NOT ENOUGH DATA, при котором следует увеличить время сканирования анализируемого раствора. В отдельных случаях нужно прибегнуть к изменению более серьезных параметров, таких как время регистрации сигнала в микросекундах, угол рассеивания и т.д.
На основе допустимых значений унимодального анализа проводят SDP анализ (Size Distribution Processor). Это специальная компьютерная программа, основанная на математических расчетах, которые уточняют размер частиц в образце, и определяет распределение частиц по размерам. Полученные результаты представляют в виде среднего диаметра частиц, уточненных размеров, величины отклонения и процентного содержания частиц в анализируемом растворе. Погрешность определения ±10%.
