Способ получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота
METHOD FOR OBTAINING MAGNETITE NANOPARTICLES EPITAXIALLY GROWN ON GOLD NANOPARTICLES

3
4
Изобретение относится к области неорганической химии и касается способа получения наночастиц магнетита (FeO) эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, которые могут быть использованы в магнитно-резонансной томографии в качестве контрастного агента, в магнитной сепарации, магнитной гипертермии, адресной доставке лекарств при помощи внешнего магнитного поля и т.д. Строение таких наночастиц напоминает гантель, в которой наночастица магнетита химически связана с наночастицей золота.
3
4
Известен способ получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, включающий нагрев до 110°С смеси 0,5 ммоль олеиновой кислоты, 0,5 ммоль олеиламина, 0,1 ммоль коллоидной дисперсии золота, 1 ммоль олеата железа и 5 мл октадецена, выдерживание смеси при этой температуре в течение 20 мин, последующий нагрев смеси до 310°С, ее выдерживание при этой температуре в течение 30 мин, охлаждение смеси до комнатной температуры и отделение наночастиц магнетита путем добавления в смесь этанола и центрифугирования полученной смеси (Lin F., Doong R. Bifunctional Au-FeO Heterostructures for Magnetically Recyclable Catalysis of Nitrophenol Reduction // J. Phys. Chem. C, 2011. V. 115, P. 6591-6598). Данный способ имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как введение в реакционную систему олеиновой кислоты, олеиламина, органического соединения железа, поэтапный нагрев реакционной смеси в атмосфере инертного газа, выдерживание нагретой смеси, охлаждение смеси до комнатной температуры, добавление в смесь одноатомного спирта и отделение наночастиц центрифугированием.
Известен способ получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, включающий выдерживание в атмосфере аргона при комнатной температуре в течение 1 ч смеси 0,15 мл пентакарбонила железа, 0,18 г ацетата золота, 0,1 мл олеиновой кислоты, 0,1 мл олеиламина, 350 мг 1,2-гексадекандиола и 20 мл дибензилового эфира, нагрев смеси до 250°С в течение 45 мин, выдерживание смеси при этой температуре в течение 1 ч, последующее охлаждение смеси до комнатной температуры и отделение наночастиц магнетита путем добавления в смесь этанола и центрифугирования полученной смеси (Kostevsek N., Locatelli Е., Garrovo С. et al. One-Step Synthesis and Surface Functionalization of Dumbbell-Like Gold-Iron Oxide Nanoparticles. A Chitosan-Based Nanotheranostic System // Chem. Commun., 2016. V. 52, P. 378-381). Данный способ имеет такие признаки, совпадающие с существенными признаками предлагаемого технического решения, как введение в реакционную систему олеиновой кислоты, олеиламина, 1,2-гексадекандиола, пентакарбонила железа и соединения золота, нагрев реакционной смеси в атмосфере инертного газа, выдерживание нагретой смеси и ее охлаждение до комнатной температуры, добавление в смесь одноатомного спирта и отделение наночастиц центрифугированием.
3
4
Наиболее близким к заявляемому является известный способ получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, включающий нагрев до 120°С в атмосфере инертного газа - азота при перемешивании смеси 20 мл высококипящего органического растворителя - 1-октадецена, 6 ммоль олеиновой кислоты, 6 ммоль олеиламина и 10 ммоль 1,2-гексадекандиола с последующим введением вначале 0,3 мл (2 ммоль) пентакарбонила железа, выдерживание полученной смеси с последующим введением раствора, содержащего смесь 40 мг (0,1 ммоль) тригидрата золотохлористоводородной кислоты и 0,5 мл (1,5 ммоль) олеиламина в 5 мл 1-октадецена, предварительно выдержанного в атмосфере азота, повторный нагрев полученной смеси от 120°С до 310°С, выдерживание нагретой смеси в течение 45 мин, ее последующее охлаждение до комнатной температуры, проводимые в атмосфере инертного газа, выдерживание смеси в присутствии воздуха в течение 1 ч, добавление в смесь 40 мл одноатомного спирта - изопропанола и отделение наночастиц магнетита центрифугированием (Yu Н., Chen М., Rice P.M. et al. Dumbbelllike Bifunctional Au-FeO Nanoparticles // Nano Lett, 2005. V. 5 (2), P. 379-382 - прототип).
Недостатком известного способа является то, что он дает возможность получать наночастицы магнетита, эпитаксиально выращенные на наночастицах золота, имеющие средний диаметр 14 нанометров (нм) со стандартным отклонением в пределах 12%, которые способны проникать во внутриклеточное пространство, но из-за своих относительно больших размеров не способны проходить внутрь ядра и/или органелл клеток.
Задача изобретения заключается в разработке способа получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, лишенного вышеуказанного недостатка.
Технический результат изобретения заключается в снижении до 4±1 нм диаметра наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота диаметром 2±1 нм. Такой размер наночастиц и дальнейшее связывание с их поверхностью различных специально подобранных органических соединений, выполняющих функцию векторов для прохождения через мембраны клетки и ее органелл, позволяет наночастицам проникать как внутрь самих клеток, так и внутрь ее органелл, таких как ядро и/или митохондрии. В качестве такого вектора может быть использован, например, низкомолекулярный лиганд простатического специфического мембранного антигена для проникновения внутрь клеток аденокарциномы предстательной железы человека (Machulkin А.Е., Ivanenkov Y.A., Aladinskaya A.V. et al. Small-molecule PSMA ligands. Current state, SAR and perspectives // J Drug Target, 2016. V. 24, P. 679-693) или пептиды, содержащие сигнал ядерной локализации - NLS-пептиды (Gupta В., Levchenko T.S., Torchilin V.P. Intracellular delivery of large molecules and small particles by cell-penetrating proteins and peptides // Adv. Drug Deliv. Rev. 2005, V. 57 (4), P. 637-651) для доставки наночастиц в ядро клеток, соответственно. При этом может происходить избирательная сорбция одного из векторов на наночастицах магнетита, а другого - на связанных с магнетитом наночастицах золота. Следует отметить, что при использовании только частиц магнетита малого диаметра (4±1 нм), химически не связанных с наночастицами золота, невозможно осуществить избирательное проникновение наночастиц магнетита либо в клетку, либо в ее органеллы.
Предварительно были проведены эксперименты с различными способами получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенными на наночастицах золота, которые показали, что указанный результат достигается в том случае, когда в известном способе получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, включающем нагрев до 120°С в атмосфере инертного газа при перемешивании смеси высококипящего органического растворителя, олеиновой кислоты, олеиламина и 1,2-гексадекандиола, введение в смесь пентакарбонила железа, выдерживание полученной смеси с последующим введением раствора, содержащего смесь тригидрата золотохлористоводородной кислоты и олеиламина в высококипящем органическом растворителе, предварительно выдержанного в атмосфере инертного газа, повторный нагрев и выдерживание нагретой смеси и ее последующее охлаждение до комнатной температуры, проводимые в атмосфере инертного газа, выдерживание смеси в присутствии воздуха, добавление в смесь одноатомного спирта и отделение наночастиц магнетита центрифугированием, в качестве высококипящего органического растворителя используют дифениловый эфир, и повторный нагрев смеси в атмосфере инертного газа проводят при температуре 250-260°С, и выдерживание смеси при 250-260°С осуществляют в течение 25-30 мин.
Предлагаемый способ получения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, является новым и не описан в патентной и научно-технической литературе.
В предлагаемом способе в качестве высококипящего органического растворителя используют дифениловый эфир. Экспериментально было показано, что при использовании в предлагаемом способе вместо дифенилового эфира других высококипящих органических растворителей, например, таких, как 1-октадецен или дибензиловый эфир, образуются наночастицы магнетита существенно большего размера (7-14 нм), которые после их модификации способны проникать во внутриклеточное пространство, но из-за своих относительно больших размеров не способны проходить внутрь ядра и/или митохондрий клеток.
В предложенном техническом решении смесь, содержащую дифениловый эфир, олеиновую кислоту, олеиламин и 1,2-гексадекандиол, помещают в трехгорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, высокотемпературным термометром, системой для подачи инертного газа и магнитным телом для перемешивания. При этом количества введенных олеиновой кислоты, олеиламина, 1,2-гексадекандиола и дифенилового эфира могут варьироваться и составлять, например, 1,5-2,5 мл, 1,5-2,5 мл, 2,1-3,1 г и 18-22 мл, соответственно. Затем подают ток инертного газа, под колбой размещают электрическую нагревательную плитку с функцией магнитного перемешивания, включают плитку и осуществляют нагрев содержимого колбы до 120°С в атмосфере любого инертного газа, например, такого, как аргон, азот и т.д. При этом продолжительность нагрева может варьироваться и составлять, например, 30-90 мин. Затем в колбу вводят жидкий пентакарбонил железа в количестве, например, 0,25-0,30 мл. Следует отметить, что и эту стадию синтеза необходимо проводить в атмосфере инертного газа. Пентакарбонил железа вводят одноразово, и после его введения реакционную смесь выдерживают в атмосфере инертного газа в течение определенного времени, например, в течение 3-5 мин.
После выдерживания реакционной смеси туда вводят смесь тригидрата золотохлористоводородной кислоты и олеиламина в дифениловом эфире, предварительно выдержанную в атмосфере любого инертного газа. При этом количества введенных тригидрата золотохлористоводородной кислоты, олеиламина и дифенилового эфира могут быть различными и составлять, например, 38,0-42,0 мг, 0,4-0,6 мл и 4,9-5,1 мл, соответственно. При реализации способа происходит как термическое разложение пентакарбонила железа с образованием наночастиц магнетита, так и восстановление тригидрата золотохлористоводородной кислоты 1,2-гексадекандиолом с образованием наночастиц золота. Ввиду того, что эти процессы протекают с различной скоростью, при осуществлении способа вначале вводят в реакционную смесь 1,2-гексадекандиол и пентакарбонил железа, проводят частичное термическое разложение пентакарбонила железа, и только затем, спустя, например, 3-5 мин, в реакционную систему вводят раствор, содержащий смесь тригидрата золотохлористоводородной кислоты и олеиламина в дифениловом эфире. Введение на первом этапе синтеза 1,2-гексадекандиола, не принимающего участия в реакции термического разложения пентакарбонила железа, обусловлено тем, что 1,2-гексадекандиол является твердым и достаточно труднорастворимым соединением, и ему требуется определенное время и температура для полного растворения в реакционной системе. После введения раствора тригидрата золотохлористоводородной кислоты и олеиламина реакционную смесь повторно нагревают от 120°С до 250-260°С и выдерживают нагретую смесь при этой температуре в течение 25-30 мин. Следует отметить, что данную стадию синтеза также проводят в атмосфере любого инертного газа.
При необходимости получения более значительных количеств наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, количество каждого из используемых реагентов должно быть пропорционально увеличено.
В предлагаемом способе после выдерживания реакционной смеси ее охлаждают до комнатной температуры в атмосфере инертного газа и выдерживают при комнатной температуре в присутствии воздуха в течение определенного времени, например, в течение 30-60 мин.
Если любую из вышеперечисленных стадий синтеза вообще не проводить или проводить в других условиях, чем указано выше, то технический результат изобретения не достигается.
После выдерживания реакционной смеси при комнатной температуре туда вводят одноатомный спирт, в качестве которого можно использовать, например, метанол, этанол, изопропанол и т.д., необходимый для эффективного выпадения наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, в осадок в ходе центрифугирования полученной смеси. При этом количество вводимого одноатомного спирта может варьироваться и составлять, например, 150-200% от объема полученной реакционной смеси. Также возможно использовать смесь одноатомных спиртов.
Полученные наночастицы магнетита, эпитаксиально выращенные на наночастицах золота, можно хранить при комнатной или при пониженной температуре в герметично закрытой емкости в сухом виде без ухудшения их эксплуатационных свойств в течение длительного времени, например, в течение года. При этом хранение целесообразно осуществлять в инертной атмосфере в отсутствие влаги.
Методом рентгенофазового анализа было доказано, что в предложенном способе действительно образуются наночастицы с кристаллической структурой магнетита, эпитаксиально выращенные на наночастицах золота. Размер и распределение по размерам наночастиц магнетита, эпитаксиально выращенных на наночастицах золота, были исследованы методом просвечивающей электронной микроскопии. При этом было показано, что каждая сферическая частица магнетита, имеющая диаметр 4±1 нм, соединена с одной сферической частицей золота, имеющей диаметр 2±1 нм. Магнитные свойства полученных наночастиц были исследованы на приборе Вибромагнетометр VSM-250.
После связывания с поверхностью полученных наночастиц различных органических соединений, выполняющих функцию векторов для прохождения через мембраны клетки и ее органелл, проникновение модифицированных наночастиц в клетку и ее органеллы было доказано с использованием метода просвечивающей электронной микроскопии.
Преимущества предлагаемого способа иллюстрируют следующие примеры.
Пример 1.
В трехгорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, высокотемпературным термометром, системой для подачи инертного газа и магнитным телом для перемешивания, помещают 20 мл (126 ммоль) дифенилового эфира, 1,9 мл (2 ммоль) олеиновой кислоты, 2,0 мл (2 ммоль) олеиламина и 2,6 г (10 ммоль) 1,2-гексадекандиола. Затем подают ток аргона, под колбой размещают электрическую нагревательную плитку с функцией магнитного перемешивания, включают плитку и осуществляют нагрев в течение 30 мин содержимого колбы до 120°С при постоянном перемешивании с последующим введением вначале 0,28 мл (2 ммоль) пентакарбонила железа, затем, через 3 мин, раствора, содержащего смесь 40 мг (0,1 ммоль) тригидрата золотохлористоводородной кислоты и 0,5 мл (1,5 ммоль) олеиламина в 5 мл дифенилового эфира, предварительно выдержанного в атмосфере аргона. Затем полученную смесь повторно нагревают от 120°С до 250°С, выдерживают в течение 25 мин при 250°С, после чего охлаждают до комнатной температуры, причем все стадии синтеза проводят в атмосфере аргона. Охлажденную смесь выдерживают при комнатной температуре в присутствии воздуха в течение 30 мин, добавляют в смесь 45 мл одноатомного спирта - изопропанола и отделяют наночастицы магнетита, эпитаксиально выращенные на наночастицах золота, центрифугированием. Отделенные наночастицы сушат до постоянной массы. Получают 45 мг порошка наночастиц. Полученные наночастицы хранят в герметично закрытой емкости в атмосфере аргона в отсутствие влаги при комнатной температуре. В этих условиях наночастицы сохраняют свои эксплуатационные свойства в течение года.
2
Методом просвечивающей электронной микроскопии было показано, что строение полученных наночастиц напоминает гантель, в которой каждая наночастица магнетита, имеющая сферическую форму и диаметр 4 нм, связана со сферической наночастицей золота диаметром 2 нм. С помощью прибора Вибромагнетометр VSM-250 было показано, что у полученных кристаллов намагниченность насыщения равна 55 Ам/кг.
Пример 2.
В трехгорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, высокотемпературным термометром, системой для подачи инертного газа и магнитным телом для перемешивания, помещают 22 мл (139 ммоль) дифенилового эфира, 2,5 мл (7,9 ммоль) олеиновой кислоты, 2,5 мл (7,5 ммоль) олеиламина и 3,1 г (12 ммоль) 1,2-гексадекандиола. Подают ток азота, под колбой размещают электрическую нагревательную плитку с функцией магнитного перемешивания, включают плитку и осуществляют нагрев в течение 90 мин содержимого колбы до 120°С при постоянном перемешивании с последующим введением вначале 0,30 мл (2,1 ммоль) пентакарбонила железа, затем, через 5 мин, раствора, содержащего смесь 42 мг (0,11 ммоль) тригидрата золотохлористоводородной кислоты и 0,6 мл (1,8 ммоль) олеиламина в 5,1 мл дифенилового эфира, предварительно выдержанного в атмосфере азота. Затем полученную смесь повторно нагревают от 120°С до 260°С, выдерживают в течение 30 мин при этой температуре, после чего охлаждают до комнатной температуры, причем все стадии синтеза проводят в атмосфере азота. Охлажденную смесь выдерживают при комнатной температуре в присутствии воздуха в течение 45 мин, добавляют в нее 35 мл одноатомного спирта - метанола и отделяют наночастицы магнетита, эпитаксиально выращенные на наночастицах золота, центрифугированием. Отделенные наночастицы сушат до постоянной массы. Получают 48 мг порошка наночастиц. Полученные наночастицы хранят в герметично закрытой емкости в атмосфере азота в отсутствие влаги при комнатной температуре. В этих условиях наночастицы сохраняют свои эксплуатационные свойства в течение года.
2
Методом просвечивающей электронной микроскопии было показано, что строение полученных наночастиц напоминает гантель, в которой каждая наночастица магнетита, имеющая сферическую форму и диаметр 5 нм, связана со сферической наночастицей золота диаметром 3 нм. С помощью прибора Вибромагнетометр VSM-250 было показано, что у полученных кристаллов намагниченность насыщения равна 59 Ам/кг.
Пример 3.
В трехгорлую круглодонную колбу, снабженную обратным холодильником, высокотемпературным термометром, системой для подачи инертного газа и магнитным телом для перемешивания, помещают 18 мл (113 ммоль) дифенилового эфира, 1,5 мл (4,7 ммоль) олеиновой кислоты, 1,5 мл (4,5 ммоль) олеиламина и 2,1 г (8 ммоль) 1,2-гексадекандиола. Подают ток аргона, под колбой размещают электрическую нагревательную плитку с функцией магнитного перемешивания, включают плитку и осуществляют нагрев в течение 60 мин содержимого колбы до 120°С при постоянном перемешивании с последующим введением вначале 0,25 мл (1,8 ммоль) пентакарбонила железа, затем, через 4 мин, раствора, содержащего смесь 38 мг (0,09 ммоль) тригидрата золотохлористоводородной кислоты и 0,4 мл (1,2 ммоль) олеиламина в 4,9 мл дифенилового эфира, предварительно выдержанного в атмосфере аргона. Затем полученную смесь повторно нагревают от 120°С до 255°С, выдерживают в течение 28 мин при этой температуре, после чего охлаждают до комнатной температуры, причем все стадии синтеза проводят в атмосфере аргона. Охлажденную смесь выдерживают при комнатной температуре в присутствии воздуха в течение 45 мин, добавляют в смесь 40 мл одноатомного спирта - этанола и отделяют наночастицы магнетита, эпитаксиально выращенные на наночастицах золота, центрифугированием. Отделенные наночастицы сушат до постоянной массы. Получают 40 мг порошка наночастиц. Полученные наночастицы хранят в герметично закрытой емкости в атмосфере аргона в отсутствие влаги при комнатной температуре. В этих условиях наночастицы сохраняют свои эксплуатационные свойства в течение года.
2
Методом просвечивающей электронной микроскопии было показано, что строение полученных наночастиц напоминает гантель, в которой каждая наночастица магнетита, имеющая сферическую форму и диаметр 3 нм, связана со сферической наночастицей золота диаметром 1 нм. С помощью прибора Вибромагнетометр VSM-250 было показано, что у полученных кристаллов намагниченность насыщения равна 47 Ам/кг.
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предложенный способ действительно позволяет получать наночастицы магнетита диаметром 4±1 нм, эпитаксиально выращенные на наночастицах золота диаметром 2±1 нм.