WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 4 Наноалмазы для биологических исследований © В.С. Бондарь, А.П. Пузырь Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук, 660036 Красноярск, Россия E-mail: apuzyr@mail.ru Сообщается о получении из наноалмазов, выпускаемых в России, наночастиц с модифицированной поверхностью. Приводятся некоторые свойства модифицированных наноалмазов, их гидрозолей и органозолей. Данные исследования проведены биофизиками и ориентированы на придание наночастицам свойств, позволяющих адаптировать их для решения биологических задач.

Занимаясь в течение ряда лет изучением возмож- Необходимо отметить, что все образцы МНА обладают ности применения наноалмазов (НА) в биологических общими, достаточно близкими характеристиками, не исследованиях [1–3], мы пришли к выводу, что НА де- зависящими от свойств исходных НА, которые могут тонационного синтеза, имея несомненные достоинства, существенно различаться по коллоидной устойчивости обладают, с точки зрения биологов и биохимиков, рядом наночастиц. Поэтому мы не стали дублировать однотипнедостатков. К ним можно отнести: невозможность полуные данные, а привели их для одного вида образца МНА чения устойчивых гидрозолей без обработки ультразвус указанием производителя НА.

ком; трудности в получении строго определенных конВажным параметром, определяющим устойчивость центраций НА в гидрозолях; образование агрегатов НА наночастиц в гидрозолях, является энергия электропри автоклавировании гидрозолей (широко распрострастатического отталкивания (-потенциал). В зависимоненный метод стерилизации в биологии и медицине);

сти от pH гидрозолей и способа очистки значения образование агрегатов НА в процессе замораживания -потенциала для НА (ОФНМ) находятся в диапазоне гидрозолей и последующего оттаивания льда (прием, -30- mV [6,7]. Для МНА, полученных из них, --38 часто применяемый для стабилизации свойств биологи-потенциал смещен в область -50-52 mV. Согласно ческих препаратов при длительном хранении). Поэтому расчетам [7], такие изменения ведут к значительному мы предприняли попытку модифицировать поверхность возрастанию энергии электростатического отталкивания наночастиц, стремясь придать им свойства, желательные частиц, пропорциональному квадрату потенциала дифдля биологических исследований.

фузного слоя (приравниваемого в разбавленных раствоВ экспериментах использованы НА, синтезированные рах электролитов к электрокинетическому потенциалу:

в Отделе физики нанодисперсных материалов КрасноярUe 2). Вероятно, такое увеличение электростатического научного центра (ОФНМ) и Федерального научноского фактора устойчивости дисперсной системы обеспроизводственного центра „Алтай“, г. Бийск (ФНПЦ).

Выбор НА определялся тем, что существуют два типа порошков, которые после добавления воды и обработки Таблица 1. Процентное содержание примесей в порошках ультразвуковым диспергатором образуют или не обисходных и модифицированных наноалмазов (ОФНМ) разуют устойчивые длительное время гидрозоли. НА, синтезированные в ОФНМ методом [4] и прошедшие хиХимический Порошок НА Порошок МНА мическую очистку методом [5], обладают способностью элемент образовывать устойчивые гидрозоли. ФНПЦ выпускает несколько видов НА с различными свойствами, однако Fe 5.7 1.B 1 мы проводили эксперименты с образцами п. 1-3 / 91 и Na 0.216 0.п. 30 / 92, из которых невозможно получить устойчивые Ca 0.396 0.гидрозоли.

K 0.076 0.Как известно, многие физико-химические свойства Cu 0.1 0.НА в значительной мере зависят от состава и свойств Al 0.03 0.поверхности частиц, формируемой в процессе синтеза Sr 0.055 0.и химической очистки [6]. Вероятно, влиять на физикоTi 0.2 0.химические свойства НА посредством модификации алMg 0.034 0.мазного ядра практически невозможно. Поэтому измеNi 0.006 0.нить свойства НА можно только, модифицируя поверхCr 0.0046 0.ность наночастиц. В результате изменения поверхности Sn 0.0016 0.НА удалось получить модифицированные наноалмазы Pb 0.0015 0.(МНА), лишенные перечисленных выше недостатков.

Mo 0.0004 0.Данная статья посвящена описанию сравнительных Mn 0.00033 0.V 0.00012 0.характеристик НА и МНА и не включает описания техAg 0.0000093 0.нологии, по которой проводилась модификация частиц.

Наноалмазы для биологических исследований печивает повышенную агрегативную устойчивость гидрозолей МНА. Возможно, сказывается характерное для МНА уменьшение поверхностных примесей (табл. 1).

Несмотря на то что пока не установлено точных причин наблюдаемых изменений, нам удалось получить МНА с принципиально новыми свойствами.

1. Гидрозоли Как правило, получение гидрозолей НА возможно только после ультразвуковой обработки смеси порошка с водой. При этом устойчивые в течение длительного времени гидрозоли гарантировано получают при конРис. 2. Содержание МНА (ФНПЦ) в обработанных и необцентрации не более 1 wt.% [8]. Несмотря на „жесткий“ работанных ультразвуком образцах гидрозолей после их ценметод приготовления с использованием ультразвука, трифугирования. Расчеты произведены из данных оптических часть НА образует осадок, что приводит к изменению их плотностей исходных гидрозолей и надосадочных жидкостей количества в суспензии. Для выяснения истинного содерпосле центрифугирования в течение 10 min при разных ускожания НА приходится высушивать аликвоту гидрозоли рениях. За 100% приняты оптические плотности исходных и определять вес частиц. Обычно из НА можно только гидрозолей без центрифугирования.

однократно получить гидрозоль. Уже после первого удаления дисперсионной среды и высушивания порошка в большинстве случаев невозможно повторно получить гидрозоль без его дополнительного механического измельчения, даже с помощью ультразвуковой обработки.

Порошки МНА обладают повышенной коллоидной устойчивостью частиц и образуют устойчивые гидрозоли уже при простом добавлении воды без применения ультразвукового диспергирования. Многократное удаление дисперсионной среды и последующее добавление воды к получаемому каждый раз сухому порошку МНА позволяют вновь получать устойчивую гидрозоль (рис. 1).

При изучении свойств наиболее существенные различия в устойчивости гидрозолей во времени наблюдались Рис. 3. Хроматография образцов на колонке с гелем AcA 22.

1 — гидрозоль МНА (ОФНМ), 2 — ферритин.

между исходными НА (ФНПЦ) и полученными из них МНА. Выше было указано, что эти НА даже после диспергирования ультразвуком не образуют устойчивую гидрозоль. Полученные из них МНА образуют гидрозоль при простом добавлении воды. Частицы (кластеры) в гидрозолях МНА невозможно полностью осадить даже центрифугированием при 16 000g в течение 10 min (рис. 2). Приведенные данные свидетельствуют о высоРис. 1. Динамика содержания МНА в надосадочных жидкокой коллоидной устойчивости частиц (кластеров). При стях гидрозоли при 12 циклах удаления и добавления дисперэтом необходимо отметить, что ультразвуковая обработсионной среды. Расчеты произведены из данных оптической ка способствует еще большему увеличению коллоидной плотности гидрозолей МНА (ФНПЦ) после их центрифуустойчивости МНА в гидрозоли.

гирования в течение 10 min при 16 000g. За 100% принята С точки зрения биологов, к достоинствам гидрозолей оптическая плотность исходной гидрозоли (первое добавление воды к порошку МНА) без центрифугирования. МНА можно отнести также их повышенную коллоидную Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 700 В.С. Бондарь, А.П. Пузырь устойчивость в растворах, применяемых в биологиче- Таблица 2. Растворители, образующие дисперсионные смеси, в которых получены устойчивые коллоидные растворы МНА ских исследованиях (буферные системы, питательные (ОФНМ) среды, физиологические жидкости), и возможность равномерного распределения наночастиц в агаровом геле.

Растворитель d o a h У гидрозолей НА и МНА имеются существенные отличия в поведении при замораживании–оттаивании.

Ацетон 9.4 6.8 5 2.5 В процессе образования кристаллов льда при замора1,2-дихлорэтан 9.7 8.2 4 0 0 0.живании гидрозолей НА наночастицы вытесняются из Этанол 11.2 6.8 4 5 5 1.водной фазы и образуют крупные агрегаты. При таянии Диметилформамид 11.5 7.льда агрегаты НА выпадают в осадок и повторный Уксусная кислота 12.4 7.0 1.Диметилсульфоксид 12.8 8.4 7.5 5 0 2.перевод их в коллоидное состояние проблематичен. При Вода 21 6.3 Большая образовании льда в гидрозолях МНА не наблюдается появление крупных агрегатов наночастиц, поэтому после — параметр растворимости (рассчитан по точке кипения);

таяния льда МНА сохраняют коллоидную устойчивость.

d — параметр дисперсионной растворимости;

С образцами гидрозолей МНА можно проводить коo — ориентационный (полярный) параметр растворимости (приблилоночную хроматографию (гель-фильтрация) без нару- зительные значения);

a — протоноакцепторный параметр растворимости (приблизительные шений свойств матрицы сорбента. При гель-фильтрации значения);

на колонке размером 1 46.5 cm при скорости потока h — протонодонорный параметр растворимости (приблизительные 5 ml / h регистрируется выход частиц в виде одного значения);

—вязкость (20C).

пика (рис. 3). Можно предположить, что частицы МНА выходят в свободном объеме колонок, не проникая в поры гелевых частиц сорбента. Некоторая асимметрия пороговое значение, наблюдается образование мелкопика, вероятно, свидетельствует о возможном слабом дисперсного осадка. Перевести осадок в коллоидное взаимодействии частиц с поверхностью гелевых шарисостояние можно, снизив концентрацию органического ков. Хроматография гидрозолей НА в тех же условиях растворителя добавлением воды.

приводит к их необратимой локализации в верхней части Высокая устойчивость гидрозолей МНА, практически геля, на которую подается образец.

не зависящая от количества частиц, позволяет получать Использование МНА существенно упрощает пригоорганозоли с высоким содержанием диспергируемой товление гидрозолей с точной концентрацией наночафазы.

стиц. Повышенная коллоидная устойчивость МНА позКак правило, органозоли МНА проявляют высокую воляет снять ограничение по 1% содержанию частиц в коллоидную устойчивость в широком диапазоне темустойчивых гидрозолях.

ператур: от температуры кипения дисперсионной фазы до температуры ее замерзания. После оттаивания льда 2. Органозоли органозоль сохраняет коллоидную устойчивость. Например, органозоль МНА–этанол устойчива до температуПолучение устойчивых коллоидных систем из МНА -82.5C (температура задана с помощью кельвинары возможно не только в воде, но и с использованием тора „ScienTemp“, USA), а также после оттаивания льда, других дисперсионных сред. В табл. 2 приведены дис- полученного при ее замораживании в жидком азоте.

персионные среды (характеристики растворителей взяты Ранее нами были показаны возможности применения из [9]), в которых удается получить коллоидные системы НА в биотехнологических целях: экспрессное выделение МНА.

из грубого белкового экстракта бактериальных клеток Сухие порошки НА и МНА не способны в чистых рекомбинантного белка [1], создание плоскостного люорганических растворителях образовывать коллоидные минесцентного биочипа [2]. Получение этих результатов растворы (органозоли). Однако в отличие от НА ор- стало возможным благодаря свойству НА адсорбировать ганозоли МНА могут быть получены добавлением к белковые молекулы. Данные по исследованию адсорбции сухому порошку смеси органический растворитель–вода. на МНА маркерного белка цитохрома С показали, что Например, добавление порошка МНА к 35-40% этано- модификация поверхности наночастиц не привела к лу приводит к образованию органозоли без обработки изменению их сорбционных свойств.

ультразвуком. Необходимо отметить, что МНА не являются идеПовышенная коллоидная устойчивость МНА позво- альными. Об этом, например, свидетельствует снижение ляет сохранить устойчивость наночастиц и в смесях, их коллоидной устойчивости при многократном высушиобразующихся при добавлении их гидрозолей к органи- вании гидрозолей, вероятно, связанное с увеличением ческому растворителю. В некоторых случаях возможно агрегации наночастиц (рис. 1). Однако, несмотря на получение устойчивых органозолей с большим содер- это, для применения в биологических исследованиях жанием органического растворителя (например, 80% МНА обладают рядом существенных преимуществ по этанол). В том случае, когда количество добавляемо- сравнению с НА. Применение МНА позволяет готовить го органического растворителя превышает некоторое устойчивые гидрозоли со строго определенной весовой Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Наноалмазы для биологических исследований концентрацией частиц. После автоклавирования гидрозоли МНА не образуют осадок или агрегаты, что позволяет применять их в исследованиях, требующих асептических (стерильных) условий. Сохранение гидрозолями МНА коллоидной устойчивости после замораживания– оттаивания наравне с перечисленными выше свойствами позволяет считать их достаточно близкими к другим реагентам, используемым в биологических исследованиях. В некоторых случаях это позволяет не менять методические приемы и стереотипы, сложившиеся в этой области.

Таким образом, результаты работы сводятся к следующему.

1) Из наноалмазов, производимых в России, получены модифицированные наночастицы, обладающие „полезными“ свойствами, которые отсутствуют у исходного материала.

2) Работа по изменению свойств наноалмазов была направлена на их адаптацию к биологическим исследованиям. Однако модифицированные наночастицы, вероятно, могут быть использованы во всех областях, где требуется применение золей наноалмазов с повышенной коллоидной устойчивостью или с минимальными размерами кластеров наночастиц, а так же предъявляются требования к высокой точности их содержания в золях.

Авторы признательны Г.А. Чигановой за измерение -потенциала и полезное обсуждение полученных результатов, И.С. Ларионовой за предоставленные образцы наноалмазов, А.А. Степень и Г.К. Зиненко за проведение элементного анализа.

Список литературы [1] В.С. Бондарь, А.П. Пузырь. ДАН 373, 2, 251 (2000).

[2] К.В. Пуртов, В.С. Бондарь, А.П. Пузырь. ДАН 380, 3, (2001).

[3] А.П. Пузырь, С.В. Тарских, Г.В. Макарская, Г.А. Чиганова, И.С. Ларионова, П.Я. Детков, В.С. Бондарь. ДАН 385, 4, 561 (2002).

[4] А.М. Ставер, Н.В. Губарева, А.И. Лямкин, Е.А. Петров.

ФГВ 20, 35, 100 (1984).

[5] А.С. Чиганов, Г.А. Чиганова, Ю.В. Тушко, А.М. Ставер.

Патент РФ № 2004491, МКИ С 01 В 31 / 06. БИ 45–46, (1993).

[6] Г.А. Чиганова. Коллоидный журнал 56, 2, 266 (1994).

[7] Г.А. Чиганова. Коллоидный журнал 62, 2, 272 (2000).

[8] Г.А. Чиганова. Коллоидный журнал 59, 1, 93 (1997).

[9] Современное состояние жидкостной хроматографии / Под ред. Дж. Киркленда. Мир, М. (1974). С. 106.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.