Способ получения систем на основе цеолита Beta и наноразмерного диоксида церия с антимикробными свойствами
METHOD FOR OBTAINING SYSTEMS BASED ON BETA ZEOLITE AND NANOSCALE CERIUM DIOXIDE WITH ANTIMICROBIAL PROPERTIES

2
Изобретение относится к способу приготовления систем с наноразмерным диоксидом церия и цеолита Beta с разной концентрацией CeO и разной температурой отжига образцов, применяемых в качестве антимикробных агентов в отношении грамотрицательных бактерий в отсутствии излучения.
The Prof. B.M. Kostyuchenko J.
По величине диаметра задержки зоны роста (Д, мм) бактерий антимикробные агенты делят на 4 группы [L. A. Blatun, , 2015, 2(3), 36]: Д< 10 мм - отсутствие чувствительности, Д = 11-15 мм - малая чувствительность, Д = 15-25 мм - средняя чувствительность, Д > 25 мм - высокая чувствительность к микроорганизмам
2
2
3
2
2
3
3
2
3
4
2
Candida albicans, Staphylococcus aureus, Listeria monocytogenes, Salmonella entericatyphi, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa
В работе [H. Yuliani, R. D. Mayasari, E. Kalembang, Y. Deni, D. R. Santi, P. W. Pangestika, S. Purwanto, B. Sugeng, S. M. Setyadji. Analysis of structure and antimicrobial activity of CeO and NdO nanoparticles. Jurnal Fisika dan Aplikasinya. 2019. V. 4, Is. 2. PP. 105-112] описан метод получения наноразменого CeO с антимикробными свойствами, заключающийся в осаждении наночастиц CeO из 0.03 М водного раствора Ce(NO)×6HO гидрокарбонатом натрия NaHCO (0.03 M) и гидроксидом аммония NHOH (0.02 M) при 55°С в течение 15 минут, с последующей сушкой осадка 2 часа при температуре 220°С и отжигом в печи 3 часа при 600°С. Показано, что полученный нанокристаллический CeO с размером кристаллита ~20 нм, демонстрировал слабую антимикробную активность (АМА) с диаметром задержки зоны роста бактерий : диапазон диаметров Д=0.67-4.28 мм (в темноте). Однако, согласно вышеописанной классификации, полученные образцы не проявляли АМА.
Недостатком данного метода является большое число используемых реагентов и низкая антимикробная активность в отношении патогенных бактерий.
E. Coli
Sida acuta
Escherichia coli
Mater. Res. Express,
S. acuta
E. coli
3
3
2
-
Описан способ получения наноразмерного диоксида церия с антимикробными свойствами в отношении грамотрицательной бактерии  [R.P.Senthilkumar, V. Bhuvaneshwari, V. Malayaman, G. Chitra, R. Ranjithkumar, K.P.B. Dinesh, B. Chandarshekar. Biogenic method of cerium oxide nanoparticles synthesis using wireweed (Burm.f.) and its antibacterial activity against . 2019 doi.org/10.1088/2053-1591/ab37b9], заключающийся в смешении 10 мл экстракта растения со 100 мл водного раствора Ce(NO) с концентрацией 1 ммоль/л, выдерживании смеси при 80°C при интенсивном перемешивании 3 часа до выпадения осадка белого цвета и окрашивания его в желтый цвет. Готовый порошкообразный продукт промывали дистиллированной водой в течение 10 минут, высушивали 1 час при 80°С и после отжигали 2 часа при 300С. В присутствии полученных образцов с наноразмерным CeO диаметр задержки зоны роста Гр бактерии  Д=12 мм при облучении УФ-светом.
E. coli
2
Недостатком данного метода является низкая антимикробная активность в отношении бактерии  и необходимость в использовании излучения для активации антимикробных свойств наночастиц CeO.
3
3
3
2
2
4
3
4
3
БЭТ
пор
2
3
3
пор
2
2
2
3
3
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ получения наноразмерного диоксида церия, заключающийся в отжиге солей Ce(III) (Ce(NO), Ce(OH), Ce(CO), Ce(ClO)) при температуре 260-340°С в течение 10-20 часов. Способ позволяет получить катализатор с удельной поверхностью S=35-101 м/г и объемом пор V=0.08-0.2 см/г, обеспечивающие высокие показатели каталитических свойств в реакции сульфуризации [Bo Guo, Sai Li, Yu Tian. Performance of Cerium Oxides from Different Preparation Methods for Desulfurizing Hot Coal Gas. ACS Omega 2019, 4, 9301-9305]. Установлено, что образцы с CeO, полученные отжигом Ce(NO), характеризовались наибольшим объемом пор V=0.2 см/г и демонстрировали наилучшие показатели каталитических свойств, по сравнению с остальными образцами с CeO. Антимикробные свойства наноразмерного CeO, полученного данным способом, изучены не были.
2
2
2
3
2
Для увеличения площади удельной поверхности и показателей функциональных свойств оксидные наночастицы (CeO, TiO, FeO, ZnO и т.д.) наносят на конструкционную основу с высокой удельной поверхностью (например, мезопористый SiO, оксид графена - GO, алюмосиликатные цеолиты и т.д.)
2
3
3
2
3
2
2
2
Описан способ получения систем с наноразмерным оксидом церия(IV) и оксидом графена - CeO/GO, заключающийся в добавлении по каплям водного раствора оксида графена с концентрацией 0.9 г/л в реакционную смесь 0.01 М Ce(NO), 0.03 M KCO и воды (рН=8), с последующим старением полученной смеси. Готовый порошкообразный продукт фильтровали, промывали водой и высушивали при 60°C 12 ч [Garvit Sharma, D. Prema, K.S. Venkataprasanna, J. Prakash, S. Sahabuddin, G. Devanand Venkatasubbu. Photo induced antibacterial activity of CeO/GO against wound pathogens. Arabian Journal of Chemistry. 2020. V. 13. Is. 11. PP. 7680-7694]. Показано, что диаметр задержки зоны роста бактерий Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus и Salmonella typhi выше в присутствии систем CeO- GO и равен Д=6-12 мм (в темноте и при облучении люминесцентной лампой с λ=450 нм и мощность 5 Вт), по сравнению с оксидом графена (Д=6-8 мм), и практически не отличается от диаметра Д=6-12, достигнутого на наноразмерном CeO (с учетом погрешности метода определения АМА, метод «колодцев»).
2
3
3
3
2
2
2
Acacia nilotica
K. aerogenes
S. aureus
3+
2+
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является метод получения фотокатализаторов и антимикробных агентов с наноразмерными CeO и ZnO методом горения, основанный на смешении прекурсоров Ce(NO), Zn(NO) и 30 мл сока фрукта дерева  (содержащий аминокислоты, играющих роль связующего звена между Ce и Zn и топлива для горения смеси), с последующим отжигом полученной реакционной смеси 4 часа при 400°С [A. Syed, L. Sagar Reddy Yadav, A. H. Bahkali, A. M. Elgorban, D. A. Hakeem, N. Ganganagappa. Effect of CeO2-ZnO Nanocomposite for Photocatalytic and Antibacterial Activities. Crystals. 2020. V. 10. doi 0817; doi:10.3390/cryst10090817]. Полученные образцы CeO/ZnO демонстрировали малую АМА с диаметром Д=11-14 мм (в темноте) в отношении  и , но большую, по сравнению с чистыми CeO и ZnO (диаметры авторами не указаны).
2
Недостатком вышеописанных методов получения композитов с CeO является низкая антимикробная активность с Д<15 мм и токсичность для организма человека конструкционных материалов (оксид графена, наноразмерный ZnO) [Lingling Ou, Bin Song, Huimin Liang, Jia Liu, Xiaoli Feng, Bin Deng, Ting Sun, Longquan Shao. Toxicity of graphene-family nanoparticles: a general review of the origins and mechanisms. Particle and Fibre Toxicology. 2016. V. 13, Is. 57], что делает невозможным их применение.
2
2
БЭТ
Σ
n
n
64-n
128
2
2
3
-
w
Pseudomonas aeruginosa
Технический результат изобретения заключается в получении новых наноразмерных систем CeO-Beta, основанный на нанесении наночастиц CeO на алюмосиликатный биосовместимый цеолит Beta с развитой удельной поверхностью (S = 640-680 м/г, общий объем пор V=0.403 см/г) и составом H[AlSiO]×HO c Si/Al=12, 19, проявляющих высокие бактерицидные свойства в отношении условно-патогенной грамотрицательной бактерии (Гр)  (синегнойная палочка) в темноте при упрощении процесса получения и уменьшения количества используемых реагентов, снижения стадийности и затратности.
3
3
2
n
n
64-n
128
2
отж
2
2
2
w
Технический результат достигается смешением и перетиранием в течение 1-2 минут порошкообразных реагентов, гексагидрата нитрата церия Ce(NO)×6HO с цеолитом Beta состава H[AlSiO]×HO c Si/Al=12 и 19, с последующим отжигом при температуре t=420°С в течение 1 ч при варьировании концентрации CeO в составе систем CeO-Beta c(CeO)=30-70%.
2
2
2
Образцы CeO-Beta получали смешением и перетиранием порошкообразных гексагидрата нитрата церия(III) и цеолита Beta, с последующим отжигом смеси при температуре 420°C в течение 60 минут. В этих условиях образуется образцы с конструкционной основой - Beta с модулем Si/Al=12-19, и функциональной основой - наноразмерным CeO, в разных соотношениях CeO : Beta = 30% : 70% - 70% : 30%.
а
а
2
Фазовый состав образцов контролировали традиционным рентгенографическим методом (фиг.1, 2). Показано, что образцы содержат наноразмерный диоксид церия (2θ~28.5°, 33°, 47.5°; JCPDS №34-0394) и цеолит Beta с Si/Al=12 (фиг. 1) и Beta c Si/Al=19 (фиг. 2) в разных соотношениях. Для определения средних размеров областей когерентного рассеяния (D, нм) CeO использовалась формула Шеррера: D=Кλ/βcosΘ: λ - длина волны, 2Θ~28.5°, β - интегральная ширина пика, эмпирический коэффициент К=0.9. Стандартное отклонение ±5%.
Pseudomonas aeruginosa (Синегнойная палочка).
2
-
Изучениеантимикробной активности (АМА) систем CeO-Beta проведено методом «колодцев» по отношении к грамотрицательной (Гр) бактерии Тест-бактерию засевали “газоном” в чашки Петри на агар Мюллера-Хинтона. С помощью тонкостенного цилиндра (диаметром 6-8 мм) на поверхности агара делали лунки, в которые вносили тестируемые образцы в порошкообразном виде (с добавление 2-3 капель физраствора - водного раствора NaCl). Далее чашки Петри помещали в термостат при 37°C на 24 ч. Оценка чувствительности микроорганизмов осуществлена по зоне задержки роста бактерий (величина Д, мм) вокруг лунки с помощью линейки.
Пример 1
Ce-420
Ce-420
Ce-420
3
3
2
2
б
Pseudomonas aeruginosa
. Образец  получен в качестве образца сравнения: Ce(NO)×6HO (Cas:10294-41-4; EINECS:233-297-2) отжигали 1 час при температуре 420°С. Рентгенографическое исследование образца  (фиг.1) показывает, что в его составе присутствует наноразмерный диоксид церия со средними размерами кристаллитов D=8.7(3) нм. Диаметр задержки зоны роста (Д, мм) бактерии  в присутствии образца  Д=0 мм, то есть наноразмерный CeO, полученный в примере 1 не демонстрировал АМА (фиг.3).
Пример 2
Ce-Beta-1
Ce-Beta-1
3
3
2
2
2
(Si/Al=12)
в
Pseudomonas aeruginosa
. Образец  получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO)×6HO и цеолита Beta  в соотношении CeO : Beta = 30% : 70%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 1) присутствуют отражения цеолита Beta и наноразмерного CeO с размером кристаллита D=5.6(2) нм. В присутствии  диаметр задержки зоны роста  равен Д=17 мм (в темноте) (фиг. 3).
Пример 3
Ce-Beta-2
Ce-Beta-2
3
3
2
2
2
(Si/Al=12)
г
Pseudomonas aeruginosa
. Образец  получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO)×6HO и цеолита Beta  в соотношении CeO : Beta = 50% : 50%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 1) есть отражения цеолита Beta и наноразмерного CeO с размером кристаллита D=5.5(2) нм. В присутствии  диаметр задержки зоны роста  равен Д=30 мм (в темноте) (фиг. 3).
Пример 4
Ce-Beta-3
Ce-Beta-3
3
3
2
2
2
(Si/Al=12)
д
Pseudomonas aeruginosa
. Образец  получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO)×6HO и цеолита Beta  в соотношении CeO : Beta = 70% : 30%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 1) присутствуют отражения цеолита Beta и наноразмерного CeO с размером кристаллита D=7.2(3) нм. На образце  достигнут диаметр задержки зоны роста  Д=30 мм (в темноте) (фиг. 3).
Пример 5
Ce-Beta-4
Ce-Beta-4
3
3
2
2
2
(Si/Al=19)
б
а
Pseudomonas aeruginosa
. Образец  получен смешением и перетиранием порошкообразных Ce(NO)×6HO и цеолита Beta  в соотношении CeO : Beta = 30% : 70%, с последующим отжигом смеси 1 час при температуре 420°C. На рентгенограмме образца (фиг. 2) присутствуют отражения цеолита Beta (фиг. 2) и наноразмерного CeO с размером кристаллита D=7.2(3) нм. На образце  достигнут диаметр задержки зоны роста  Д=12 мм (в темноте) (фиг. 3).
2
2
На образцах системы CeO-Beta, полученных в примерах 2-5, достигнута значительно большая АМА, чем на наноразмерном CeO (фиг. 3).
2
2
2
2
2
Ce-Beta-1
Ce-Beta-2
Ce-Beta
-
3
Ce-Beta-1
Ce-Beta-4
3+
Наблюдается зависимость диаметра Д от содержания CeO: величина Д растет с увеличением количества CeO в составе образцов  и , что согласуется с полученными ранее данными в [K. Mohan Kumar , M. Mahendhiran, M. Casales Diaz, N. Hernandez-Como, A. Hernandez-Eligio, Gilberto Torres-Torres, S. Godavarthi, L. Martinez Gomez. Green synthesis of Ce rich CeO nanoparticles and its antimicrobial studies. Materials Letters. 2018. V. 214, PP. 15-19]. Но при дальнейшем увеличение содержания CeO до 70% () не наблюдалось увеличения диаметра Д (фиг. 3). Диаметр Д выше при значениях цеолитного модуля Si/Al=12 (образец , пример 2), чем при модуле Si/Al=19 (образец , пример 5) при равном содержании CeO 30%.