СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ЦЕРИЯ
METHOD OF PRODUCING CERIUM OXIDE NANOPARTICLES

Изобретение относится к бионанотехнологии и может быть использовано в медицинской и косметической промышленности, бытовой химии, производстве биосенсоров, а также в электронной промышленности.
Способ включает синтез наночастиц оксида церия в экстракте растения Петрушка кудрявая Petroselinum crispum.
Получение наночастиц металлов является активно развивающейся отраслью нанотехнологий и направлено на получение частиц различных размеров, формы и химического состава. Возможно получение наночастиц методом эрозионно-взрывного диспергирования металлов, но он имеет определенные недостатки, такие как полиморфность получаемых частиц, дороговизна и вредное влияние на окружающую среду.
В последние годы предложены новые экологически чистые способы получения наночастиц металлов с применением экстрактов растений и культур клеток растений («Фитосинтез»). Наиболее часто используемое английское названием этого метода «Green Synthesis of Metal Nanoparticles» [1, 2].
Поскольку растения обладают большим потенциалом для сверхкаскадного и биологического восстановления ионов металлов [3], то очевидна перспектива их использования в области синтеза биосовместимых оксидов металлов и полупроводниковых наноструктур [2, 4]. Присутствие в экстрактах естественных метаболитов-восстановителей (полифенолов, флавоноидов, алкалоидов, терпеноидов, фенольных кислот, сахаров и белков) способствует не только восстановлению ионов металлов до наночастиц металлов (НЧМ) различных размеров и форм [5-8], но и увеличению стабильности и биодоступности последних [9].
Биобезопасности нанообъектов в настоящее время уделяется повышенное внимание. Для эффективного промышленного использования без нанесения вреда человеку и окружающей биоте наиболее подходят наночастицы серебра размером 20-80 нм (в идеале 20-40 нм), как обеспечивающие «золотую середину» между активностью и безопасностью.
2
2
2
2
2
3
2
2
4+
3+
3+
4+
3+
4+
3+
4+
Особенно интересен с точки зрения влияния на окислительно-восстановительный баланс живых систем синтез НЧ оксида церия (IV) CeO как перспективного антиоксиданта (АО) [10, 11]. СеО является наиболее распространенным в области производства и практического использования из всех наноматериалов, хорошо поглощает УФ-излучение и может использоваться в косметике в качестве альтернативы ZnO или TiO. Кристаллическая решетка частиц диоксида церия имеет структуру, на поверхности которой могут находится две различные оксидные формы: CeO (Се) или CeO (Се) [12]. Ранее сообщалось, что за счет перехода Се в Се НЧ СеО проявляют миметические свойства по отношению к ряду ферментов, включая супероксидоксидазу, каталазу и оксидазу [13]. Поверхностное отношение Се/Се зависит от микроокружения, что играет немаловажную роль в определении биологической активности и токсичности НЧ CeO. Манипулирование поверхностным соотношением Се/Се может быть достигнуто путем управления методом синтеза [14] в сторону биологических приложений [15-18].
Для получения твердых растворов на основе диоксида церия обычно используют метод соосаждения с последующим прокаливанием осадков при высоких температурах [19]. Получаемые таким образом материалы состоят из сильно агрегированных частиц достаточно крупного размера (до 100 нм и более). Для получения твердых растворов на основе диоксида церия с наночастицами меньшего размера предложен метод, основанный на гидротермальной обработке соосажденных гидратированных диоксида церия и других редкоземельных элементов при 260°C в течение 10 ч [20]. Недостатком этих методов является то, что они не позволяют получать агрегативно-устойчивые водные золи.
Существует способ получения золей нанокристаллического диоксида церия, стабилизированных лимонной и полиакриловой кислотами [21]. Данный способ включает получение наночастиц диоксида церия с использованием разных исходных солей: нитрата церия (III) или сульфата церия (IV). В качестве стабилизатора коллоидного раствора используют лимонную кислоту и полиакриловую кислоту (ПАК). Золи диоксида церия, стабилизированные низкомолекулярной (средняя молекулярная масса - 8000 г/моль) полиакриловой кислотой, получали следующим образом. К 50 мл 0.1 М раствора сульфата церия (IV) в 0.1 N серной кислоте добавляли 10 мл 2%-ного водного раствора (ПАК). При непрерывном перемешивании в систему по каплям добавляли 3 М водный раствор аммиака до рН>11. Полученный раствор кипятили 40÷45 мин, вводили 2 мл 50% пероксида водорода и продолжали кипячение в течение еще 3÷4 ч. После термообработки раствор охлаждали и подкисляли 0.01 N серной кислотой до рН 4.5. Выпавший осадок отделяли декантацией, промывали водой и растворяли в 50 мл водного раствора аммиака (рН=8).
Известен способ получения порошкообразных твердых растворов на основе диоксида церия, допированного неодимом и европием [22], методом гомогенного гидролиза растворов нитратов церия (III) и неодима (европия) в присутствии гексаметилентетрамина при относительно невысоких температурах (90°C), позволяющий получать наночастицы твердых растворов на основе диоксида церия размером менее 10 нм. Недостатком является то, что данный способ также не позволяет получать агрегативно-устойчивые золи твердых растворов на основе диоксида церия. Данный способ рассмотрен в качестве прототипа.
Недостатком этого способа является получение мелких наночастиц с размером менее 10 нм, что представляет опасность при их использовании человеком. Частицы получены неоднородные, поскольку разница их размеров достигает четырехкратной величины. Эффективность фитосинтеза невысокая.
Задачей изобретения является создание нового способа получения наночастиц металлов среднего размера с дальнейшим биологическим приложением, т.е. более совместимых с живыми клетками. Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в получении наночастиц размером 50-80 нм.
Целевой продукт, т.е. наночастицы металлов, получают следующим способом. В первую очередь готовят субстрат для синтеза. В качестве субтрата выступает водный экстракт из растения Петрушка кудрявая Petroselinum crispum, приготовленный по методике [24]. Для приготовления экстракта свежие листья растений измельчают в жидком азоте до порошкообразного состояния, добавляют дистиллированную воду в соотношении 1:10 (масса/объем), смесь перемешивают и кипятят в течение 30 мин. Далее процеживают экстракт через 2 слоя марли и центрифугируют 15 мин при 15000 об/мин. Супернатант пропускают через фильтр Millipore 0,45 μм и используют для дальнейшего синтеза.
Далее проводят фитохимический скрининг полученного экстракта на присутствие различных биологических соединений (танинов и фенольных соединений (ФС), алкалоидов, флавоноидов, сапонинов, гликозидов, белков, терпеноидов и стеролов, восстанавливающих сахаров) в соответствии со стандартными методами [23-26].
Результат качественного анализа представлен в Таблице 1.
Затем проводят количественный анализ экстрактов по содержанию общей суммы растворимых фенолов и флавоноидов. Определение суммарного содержания растворимых ФС в растительных экстрактах проводят согласно методу Фолина-Чокальтеу [27] с некоторыми модификациями. 2 г растительного сырья измельчают в жидком азоте, смешивают с 5 мл 80% этанола и нагревают на водяной бане в течение 30 мин. Для отделения растительных остатков экстракт фильтруют через 2 слоя марли и центрифугируют при 13000 об/мин в течение 10 мин. Конечный объем экстракта доводят до 5 мл. Аналитическая смесь состоит из 400 мкл экстракта, 400 мкл реактива Фолина-Чокальтеу и 3200 мкл воды. Раствор сравнения содержит аналогичный объем 80% этанола вместо экстракта. Поглощение измеряют при 720 нм. Опыт проводят в трехкратной повторности для каждого образца. Общее содержание растворимых ФС выражают в мг гидрохинона на 1 г сырой массы.
3
2
3
Определение суммарного содержания флавоноидов в растительных экстрактах определяют спектрофотометрически на основе реакции комплексообразования с AlCl [28]. Для этого известный объем экстракта (около 1 мл) помещают в колбу объемом 10 мл, добавляют 3,7 мл дистиллированный воды и 0,3 мл 5% водного раствора NaNO. Через 5 минут добавляют 0,3 мл 10% водного раствора AlCl, а спустя 6 мин - 2 мл 1 М раствора NaOH. После тщательного перемешивания измеряют поглощение полученной смеси при 510 нм. Эксперимент осуществляют в трех проворностях. Для количественного определения флавоноидов используют калибровочный график, построенный по стандартным растворам кверцетина. Суммарное содержание флавоноидов выражают в мг на 100 г сырой массы в пересчете на кверцетин.
Так, сумма растворимых ФС и флавоноидов в экстракте из листьев петрушки P. crispum составляет 1,198±0,346 мг/г сырой массы и 0,975±0,063 мг/100 г, соответственно.
3
3
2
2
Далее в супернатант водного экстракта P. crispum (20 мл) добавляют 0,862 г церия азотнокислого 6-водного Ce(NO)⋅6HO (чда), нагревают при перемешивании 6 ч при 80-90°C. Образовавшийся осадок отделяют центрифугированием при 10000 об/мин в течение 10 мин, многократно промывают деионизированной водой для удаления несогласованных биомолекул из экстракта (ОСТ 11.029.003-80). Далее высушивают в печи горячим воздухом при 60°C в течение 6 ч и отжигают в муфельной печи при 500°C в течение 2 ч [24]. Изменение цвета от светло-желтого до мутно-желтого указывает на формирование НЧ CeO.
2
Далее полученные частицы CeO ресуспензируют в дистиллированной воде в количестве 1 г/л, суспензию обрабатывают в ультразвуковой ванне Elmasonic в течение 15 мин и характеризуют с использованием УФ-спектрофотометрии, Фурье Инфракрасной (ИК)-спектроскопии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии (СЭМ и ПЭМ), анализатора размеров частиц методом динамического светорассеяния (ДСР).
3+
4+
3
3
2
2
Согласно УФ-спектру наблюдается переход Се (Ce(NO)) в виде пика 303 нм в Се (СеО) при 298 нм (Фиг. 1). При этом, эффективность синтеза (рассчитанная исходя из максимума поглощения суспензии НЧ CeO к поглощению супернатанта в 100%) составляла около 133%.
2
2
Для подтверждения кристаллической природы частиц используют рентгенографическое исследование. XRD-спектры ясно показывают, что синтезированные НЧ СеО соответствуют порошковым данным базы PDF-2 (ICDD-2013) для кубической модификации оксида церия (PDF №89-8436) (Фиг. 2). Дополнительные дифракционные пики в образце XRD (~19,05А°) могли быть вызваны кристаллизацией следовой биоорганической фазы растительного экстракта в ходе прокаливания частиц при 400°C. Согласно расчетам, среднее значение параметра элементарной ячейки для плоскости [111] составляло 5,4052, а размер кристаллитов НЧ CeO был равен 16 нм.
2
4
3
3
3+
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
3+
4+
ИК-спектры синтезированных НЧ CeO показали сдвиг в положении пиков, а также появление новых пиков, что ясно указывает на эффективное взаимодействие биоорганических компонентов экстракта P. crispum с Се во время синтеза (Фиг. 3). Как видно из спектра, частоты пропускания при 3313,8 см и 1384 см обусловлены образованием связанных водородными связями групп О-Н ФС и Се(ОН). Полосы 1575,9, 1114,9 и 982,8 см указывают на присутствие биомолекул, таких как спирты, амины, нитраты и карбоновые кислоты, а также свидетельствуют о деформационных колебаниях гидроксилов на поверхности частиц Се-ОН. Полоса в области ниже 770 см (619,2 см) обусловливает растяжение связи Се-О [30]. С-О-С растяжение при 1114,9, 850 и 619,2 см указывает на наличие полисахаридных остовов. Пики 1384 и 1114,9 см подразумевают присутствие пептидных структур на поверхности частиц. Сочетание пиков 3313,8, 1575,9, 850,6 см и 619,2 см свидетельствует о наличии ФС и флавоноидов [32]. По результатам анализа ИК-спектров можно сделать вывод, что в образцах нанопорошков, полученных из Ce(NO), присутствует ряд функциональных групп, участвующих в восстановлении ионов Се до Се.
Для получения более детальной информации о топологии поверхности диоксида церия были проведены исследования порошков методом СЭМ. Согласно изображениям, в образце присутствуют очень мелкие частицы [<50 нм], запакованные в сплошной носитель [Фиг. 4].
2
Следует учитывать то, что в суспензии существует тенденция частиц к агломерации, что дает размер кластеризованных, а не отдельных частиц. Поэтому немаловажным этапом тестирования физико-химических характеристик наноматериалов служит анализ их седиментационной устойчивости, или стабильности. Согласно ПЭМ-изображениям видно формирование в жидкой фазе (дистиллированной воде) сферических и нерегулярных аморфных частиц CeO (Фиг. 5), большинство из которых запакованы в матриксы-кластеры (А-С) и располагаются отдельно (диаметр от 50 до 100 нм) или в виде своеобразных цепочек длиной более 200 нм (D).
Список литературы
1. Bali R., Siegele R., Harris A.T. Biogenic Pt uptake and nanoparticle formation in Medicago sativa and Brassica juncea. J. Nanopart. Res. 2010. doi: 10.1007/sll051-010-9904-7.
2. Gowramma В., Keerthi U., Mokula R., Rao D.M. Biogenic silver nanoparticles production and characterization from native stain of Corynebacterium species and its antimicrobial activity. Biotech 2015. 5: 195-201.
3. Kulkarni N., Muddapur U. Biosynthes is of metal nanoparticles: Areview. J. Nanotechnol. 2014. 510246.
4. Igwe O.U., Ekebo E.S. Biofabrication of cobalt Nanoparticles using leaf extract of Chromolaena odorata and their potential antibacterial application. Res. J. Chem. Sci. 2018. 18. 1: 11-17.
5. Mittal A.K., Chisti Y., Banerjee U.C. Synthesis of metallic nanoparticles using plants. Biotechnol. Adv. 2013. 31: 346-356.
6. Xiao Z., Yuan M., Yang В., Liu Z., Huang J., Sun D. Plant-mediated synthesis of highly active iron nanoparticles for Cr(VI) removal: Investigation of the leading biomolecules. Chemosphere. 2016. 150: 357-364. doi: 10.1016/j.chemosphere.2016.02.056.
7. Al-Kalifawi E.J., Al-Obodi E.E., Al-Saadi T.M. Characterization of CrA nanoparticles prepared by using different plant extracts. Academia Journal of Agricultural Research. 2017. 6(5): 026-032. DOI: 10.15413/ajar.2017.IECCNA.12
8. Saranya S., Eswari A., Gayathri E., Eswari S., Vijayarani K. Green synthesis of metallic nanoparticles using aqueous plant extract and their antibacterial activity. Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci. 2017. 6(6): 1834-1845.
9. Milani N. Dissolution kinetics of macronutrient fertilizers coated with manufactured zinc oxide nanoparticles. J. Agric. Food Chem. 2012. 60: 3991-3998. doi: 10.1021/jf205191y.
10. Arumugam A, Karthikeyan C, Hameed ASH, Gopinath K, Gowri S, Karthika V. Synthesis of cerium oxide nanoparticles using Gloriosa superba L. leaf extract and their structural, optical and antibacterial properties. Mater Sci Eng С Biol Appl. 2015. 49.408-415.
11. Arya A., Gangwar A., Singh S.K. et al. Cerium oxide nanoparticles promote neurogenesis and abrogate hypoxia-induced memory impairment through AMPK-PKC-CBP signaling cascade. Int J Nanomedicine. 2016. 11: 1159-1173.
12. Beaudoux X., Virot M., Chave Т., Durand G., Leturcq G., Nikitenko S.I. Vitamin С boosts ceria-based catalyst recycling. Green Chem. 2016. 18: 3656-3668.
13. Xu C., Qu X. Cerium oxide nanoparticle: a remarkably versatile rare earth nanomaterial for biological applications. NPG Asia Mater. 2014: 6:e90.
14. Dowding J.M., Das S., Kumar A. et al. Cellular interaction and toxicity depend on physicochemical properties and surface modification of redox-active nanomaterials. ACS Nano. 2013. 7(6): 4855-4868.
2
15. Tamizhdurai P., Sakthinathan S., Chen S.M., Shanthi K., Sivasanker K., Sangeetha P. Environmentally friendly synthesis of CeO nanoparticles for the catalytic oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde and selective detection of nitrite. Scientific Reports. 2017. 7.
16. Sharma J.K., Srivastava P., Ameen S., Akhtar M.S., Sengupta S.K., Singh G. Phytoconstituents assisted green synthesis of cerium oxide nanoparticles for thermal decomposition and dye remediation. Materials Research Bulletin. 2017. 91: 98-107.
2
2
17. Pandiyan N., Murugesan В., Sonamuthu J., Samayanan S., Mahalingam S. Facile biological synthetic strategy to morphologically aligned CeO/ZrO core nanoparticles using Justicia adhatoda extract and ionic liquid: Enhancement of its bio-medical properties. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2018. 178: 481-488.
2
18. Vennila R., Banu H.A., Kamaraj P., Devikala S., Arthanareeswari M., Arockia selvi J., Pushpamalini Т., Buela GJ., Priya D., Sivasankari R. A novel glucose sensor using green synthesized ag doped CeO nanoparticles. Materialstoday: proceedings. 2018. 5(2): 8683-8690.
19. Jadhava L.D., Chourashiy M.G., Jamale AP., Chavan A.U., Paul S.P. Synthesis and characterization of nano-crystalline Cel-xGdxO2-x/2 [x=0-0.30] solid solutions. Journal of Alloys and Compounds. 2010.506: 739-744.
20. Dikmen S., Shuk M.P. Greenblatt, Gomez H. Hydrothermal synthesis and properties of Cel-xGdxO2-δ solid solutions. Solid State Sciences. 2002. 4: 585-590.
21. Иванов В.К., Полежаева О.С., Шапорев А.С., Баранчиков А.Е., Щербаков А.Б., Усатенко А.В. Синтез и исследование термической устойчивости золей нанокристаллического диоксида церия, стабилизированных лимонной и полиакриловой кислотами. Журн. неорган, химии. 2010. 55. 3: 368-373.
22. Полежаева О.С., Иванов В.К., Долгополова Е.А., Баранчиков А.Е., Щербаков А.Б., Третьяков Ю.Д. Синтез нанокристаллических твердых растворов Cel-xRxO2-δ (R=Nd, Eu) методом гомогенного гидролиза. Докл. Акад. наук. 2010. 433. 2: 196-198.
23. Kumar A., Ilavarasan R., Decaraman J., Aravindhan P. Phytochemicals Investigation on a tropical plant in South India. Pakistan Journal of Nutrition. 2009. 8(1): 83-85.
24. Makarov V.V., Love A.J., Sinitsyna O.V., Makarova S.S., Yaminsky I.V., Taliansky M.E., Kalinina N.O. Green nanotechnologies: synthesis of metal nanoparticles using plants. Acta Naturae. 2014. 6: 35-44.
25. Aiyegoro O.A., Okoh A.I. Preliminary Phytochemical Screening and In Vitro antioxidant Activities of the Aqueous Extract of Helichrysum Longifolium DC. BMC Complementary and Alternative Medicine. 2010. 10(2010): 21.
26. Boxi M., Rajesh Y., Kumar V., Raja В., Mangamma P.K. Extraction, phytochemical screening and in-vitro evaluation of anti-oxidant properties of Commicarpus chinesis (aqueous leaf extract Int. J. Pharm. Biosci. 2010. 1: 537-547.
27. Singleton V.L., Rossi J.A. Colorunetry of Total Phenolics with Phosphomolybdic-Phosphotungstic Acid Reagents. Am. J. Enol. Viticult. 1965. 16: 144-158.
28. Zhishen J., Mengcheng Т., Jiamming W., Zhishen J. The determination of flavonoid contents in mulberry and their scavenging effect on superoxide radicals. Food Chem. 1999. 64: 555-559.
2
29. Maqbool Q. Green-synthesised cerium oxide nanostructures (CeO-NS) show excellent biocompatibility for phyto-cultures as compared to silver nanostructures (Ag-NS). RSC Adv. 2017. 7: 56575-56585.
30. Theivasanthi Т., Alagar M. Konjac biomolecules assisted-rod/ spherical shaped lead nano powder synthesized by electrolytic process and its characterization studies. Nano Biomed. Eng. 2013. 5(1): 11-19.