eng
Содержание
Содержание
Предисловие 6
Глава 1. Металлические наночастицы 12
1.1.
О модифицировании поверхности наночастиц
неблагородных переходных металлов 12
1.2.
Химическое модифицирование поверхности
наночастиц благородных металлов 14
1.3.
Модифицированные наночастицы металлов
в неводных средах 25
1.4.
Применение химически модифицированных
наночастиц золота и серебра 29
1.4.1.
Фармакология и смежные области 29
1.4.2.
Применение в неорганическом анализе 33
1.4.3.
Определение органических соединений 41
1.4.4.
Определение биоорганических соединений 50
1.5.
Наночастицы металлов в ионных жидкостях 55
1.5.1.
Получение и стабилизация золей металлов
в ионных жидкостях 56
1.5.2.
Строение золей металлов в ионных жидкостях 63
1.5.3.
Каталитические свойства золей металлов в ионных
жидкостях 66
1.5.4.
Другие направления применения 72
Заключение 74
Литература к главе 1 76
Глава 2. Наночастицы оксидов 92
2.1.
Методы получения наночастиц оксидов из растворов 93
2.2.
Поверхностные функциональные группы —
реакционные центры для химического
модифицирования наночастиц оксидов 98
2.3.
Метод иммобилизации. Одностадийное химическое
модифицирование поверхности наночастиц оксидов 99
2.4.
Метод сборки на поверхности. Последовательное
химическое модифицирование поверхности
наночастиц оксидов 110
2.5.
Методы исследования химически модифицированных
наночастиц оксидов 119
2.6.
Применение химически модифицированных
наночастиц оксидов 121
Заключение 131
Литература к главе 2 132
Глава 3. Наночастицы галогенидов металлов 142
3.1.
Фторид кальция 143
3.2.
Фториды лантаноидов 146
3.2.1.
Модифицирование поверхности сформированных
наночастиц LnF3 147
3.2.2.
Модифицирование наночастиц LnF3 in situ 155
3.2.3.
Гидрофобизация наночастиц фторидов лантаноидов 160
3.3.
Хлорид натрия 163
3.3.1.
Синтез высокодисперсного хлорида натрия 165
3.3.2.
Модифицирование поверхности наночастиц
хлорида натрия 175
Литература к главе 3 179
Глава 4. Квантовые точки 187
4.1.
Модифицирование поверхности наночастиц
полупроводников 189
4.1.1.
Наночастицы кремния 189
4.1.2.
Наночастицы АIIBVI и АIIIBV 193
4.2.
Процессы преобразования привитого слоя 197
4.3.
Стабилизация квантовых точек аминокислотами 199
Заключение 200
Литература к главе 4 201
Глава 5. Высокодисперсные соли кислородных кислот 206
5.1.
Модифицирование поверхности — основа процесса
флотации 207
5.2.
Методы модифицирования поверхности наночастиц
солей кислородных кислот 212
5.2.1.
Модифицирование сформированной поверхности 212
5.2.2.
Модифицирование in situ 219
5.2.3.
Химические превращения привитого слоя 222
Литература к главе 5 224
Глава 6. Углеродные наночастицы 228
6.1.
Углеродные материалы 228
6.1.1.
Аллотропные формы углерода 232
6.1.2.
Получение углеродных наночастиц 235
6.1.3.
Строение поверхности углеродных наночастиц 251
6.1.4.
Функционализация поверхности углеродных
наночастиц 257
6.2.
Химическое модифицирование углеродных наночастиц 261
6.2.1.
Детонационный наноалмаз 261
6.2.2.
Углеродные нанотрубки 281
6.2.3.
Графен 303
6.3.
Конъюгаты биологически активных и лекарственных
веществ с углеродными наночастицами 324
6.3.1.
Иммобилизация биологически активных веществ
на поверхности детонационного наноалмаза 324
6.3.2.
Иммобилизация биомолекул и биологически
активных веществ на углеродных нанотрубках 339
6.3.3.
Иммобилизация биомолекул и биологически
активных веществ на поверхности графеновых
наночастиц 345
Литература к главе 6 352
Предисловие
Предлагаемая читателю книга посвящена синтезу, исследованию и применению поверхностно-модифицированных неорганических наночастиц. Это относительно новый класс материалов, представляющий собой наночастицы, на поверхности которых зафиксирован чрезвычайно тонкий, обычно мономолекулярный слой химических соединений. Химически модифицированные неорганические наночастицы представляют собой гибридные материалы, физические свойства которых определяются природой наночастицы, а химические — составом и строением привитого слоя. Основное содержание книги как раз и посвящено методам синтеза привитого слоя на поверхности металлических, оксидных, полупроводниковых, галогенидных, солевых и углеродных наночастиц.
Неутихающий интерес научного сообщества к нанотехнологиям обусловил появление обширного пласта литературы, посвященной синтезу и применению наночастиц. За последнее десятилетие по этой тематике во всем мире опубликованы десятки тысяч статей, сотни обзоров и монографий. Только на русском языке за период 2009—2019 гг. издано
не менее тридцати книг, включая учебные пособия (см., например).
Предлагаемая читателю монография дополняет это множество.
Специфика книги состоит в том, что в ней подробно рассмотрены вопросы химического модифицирования поверхности наночастиц, синтеза ассоциатов и конъюгатов, обладающих комплексом полезных физических, физико-химических или биологических свойств.
Заметим, что коллоидные растворы, иными словами дисперсии
наночастиц, металлов, многих оксидов и некоторых солей, химики
научились получать задолго до нынешнего «нанотехнологического
бума» — еще столетия тому назад, однако методы синтеза конъюгатов наночастиц с биологически активными и лекарственными веществами, методы направленного изменения свойств поверхности были разработаны лишь в последние десятилетия. Произошло это
главным образом в связи с запросами практики.
Примерно 40 лет тому назад было зафиксировано значительное увеличение сигнала комбинационного рассеяния органических молекул вблизи поверхности серебряных или золотых наночастиц.
Этот эффект позже получил название гигантского комбинационного рассеяния (ГКР). Коэффициент усиления сигнала ГКР может достигать 109—1010 раз, т. е. возникает реальная возможность детектировать ничтожно малые количества вещества.
Наночастицы соединений редкоземельных элементов вызывают все больший интерес, в первую очередь благодаря их возможному использованию в качестве лекарственных препаратов, контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии и биовизуализации, а также медикаментов в нейтронозахватной терапии рака. Эти материалы используются как люминофоры и компоненты оптических устройств, в частности в приборах ночного видения и тепловизорах.
Наночастицы благородных металлов с химически привитыми к их поверхности олигонуклеотидами (аптамерами) представляют собой исключительно селективные сорбенты. Их активно используют для определения различных биоорганических соединений.
Перспективное направление практического применения модифицированных наночастиц — биомедицина. На основе этих материалов уже разработаны и проходят доклинические испытания средства направленного транспорта лекарственных веществ, а также связывания токсинов в целях их последующего выведения. В качестве носителей
преимущественно используются ферромагнитные материалы — наночастицы магнетита, но все большее внимание исследователей привлекают углеродные наночастицы — нанотрубки, графен и детонационный наноалмаз.
Обширные и постоянно расширяющиеся сферы применения находят магнитные жидкости — золи ферромагнитных наночастиц, прежде всего магнетита.
Химически модифицированные наночастицы благородных металлов находят применение в аналитической химии для определения неорганических, органических и биологических соединений.
Нанокристаллы гидроксилапатита и других фосфатов кальция,
поверхностно-модифицированные биологически активными веществами, представляют интерес как материалы для остеопластики.
Специфическое взаимодействие некоторых органических соединений с поверхностью дисперсных минералов лежит в основе действия собирателей — ключевых реагентов процессов флотации.
Модификаторы поверхности позволяют регулировать размер и форму наночастиц, их свойства (устойчивость к агрегации, биосовместимость), что крайне важно, например, для изучения распределения частиц по организму и их проникновения в клетки. Создание
на поверхности наночастиц заданного функционального покрова дает возможность управлять растворимостью наночастиц, обеспечивая требуемую гидрофильность или гидрофобность.
Приведенный краткий перечень не исчерпывает всех реальных и потенциальных направлений практического применения поверхностно-модифицированных наночастиц.
Модифицирование поверхности дисперсных неорганических веществ относится к области химии привитых поверхностных соединений — разделу физической химии, который систематически разрабатывается в нашей лаборатории на химическом факультете МГУ
имени М. В. Ломоносова.
Настоящая книга завершает цикл из четырех монографий, посвя-
щенных разным классам модификаторов и носителей. Более 40 лет тому назад заведующий кафедрой химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ профессор Альфред Феликсович Платэ обратил внимание автора этих строк на актуальную в те годы задачу —разработку методов синтеза металлокомплексных катализаторов, закрепленных на поверхности носителей. Такие катализаторы позволяют объединить уникально высокую селективность координационных соединений с технологичностью традиционных гетерогенных катализаторов. Для реализации поставленной задачи были разработаны многочисленные методы закрепления на поверхности пористого кремнезема широкого круга комплексных соединений переходных металлов, в том числе метод поверхностной сборки. Первой стадией этого метода была химическая прививка лигандов, способных координировать ионы металлов, что привело к созданию целого класса селективных сорбентов на основе пористых минеральных носителей. Закрепление на поверхности оксидов кремнийорганических соединений, содержащих
якорную алкоксисилильную или хлорсилильную группу и алкильный радикал, представляет собой эффективный способ гидрофобизации оксидных поверхностей. Широкий круг синтезированных адсорбентов с различными функциональными и алкильными группами был использован в высокоэффективной жидкостной хроматографии и в процессах сорбционного концентрирования.
ЗАО «Биохиммак СТ» организовало масштабное производство как самих модифицированных сорбентов, так и хроматографических колонок и концентрирующих патронов, снаряженных сорбентами.
Если на начальных этапах нашей работы в качестве носителя использовался преимущественно кремнезем разных марок, а модификаторы на его поверхности фиксировали за счет образования системы связей — Si — O — Si — C —, то в дальнейшем мы расширили круг носителей практически на все классы неорганических веществ, а в качестве модификаторов использовали около десятка различных классов элементоорганических соединений. Результаты этого цикла
исследований вместе с анализом многочисленных литературных данных обобщены в нашей коллективной монографии.
Важнейшим этапом научного исследования в области привитых поверхностных соединений является выяснение состава и строения привитого слоя. Серьезные трудности возникают при изучении привитых слоев на носителях с низкой величиной удельной поверхности (пластинки, грани монокристаллов, металлическая фольга).
Подобные образцы содержат на своей поверхности исчезающе малое количество привитого вещества. Например, пластина кремния, модифицированная монослоем триметилхлорсилана, на площади 1 см2 содержит менее 30 нг привитого материала. Это обусловливает невоз- можность применения химических методов анализа и существенно уменьшает информативность физических методов. Поэтому пода вляющее большинство экспериментальных работ в рассматриваемой области выполнено на объектах, обладающих развитой поверхностью. Понятно, что высокие значения удельной поверхности могут быть достигнуты либо за счет пористости образцов, либо за счет диспергирования, и неудивительно, что множество исследований касаются оксидных подложек, склонных к образованию пористых структур. Однако такие объекты, как металлы и многие соли, не склонны к образованию микро- и мезопор, поэтому для получения достоверной информации о строении привитого к таким веществам слоя приходится исследовать высокодисперсные материалы, иными словами, наночастицы. Таким образом, выбор в качестве носителей металлических и солевых наночастиц — вынужденная мера, продиктованная объективными обстоятельствами, но отнюдь не данью моде.
Следует иметь в виду, что авторы, будучи активно работающими исследователями, имеют собственные предпочтения и даже пристрастия в рассматриваемой области. Поэтому глава об углеродных наночастицах содержит явно выраженный уклон в сторону детонационного наноалмаза, изучению которого авторы посвятили много времени и сил.
Мы не смогли охватить все аспекты физикохимии неорганических наночастиц. Почти не отражена тематика, связанная с математическим моделированием поверхности и квантово-химическими расчетами.
В книге намеренно не рассмотрен такой важный класс наночастиц, какфуллерены. Это обусловлено тем, что произошло становление целой уллеренов (см. фундаментальную коллективную монографию5). По-видимому, имеются и другие пробелы. Мы будем благодарны читателям за любые замечания и рекомендации.
Цитируемый библиографический материал охватывает преимущественно публикации последних 10—15 лет. В связи со все возрастающим потоком информации нами для удобства читателей приведены достаточно обширные и детализированные библиографические списки, включающие как оригинальные, так и обзорные работы.
Книга предназначена для широкого круга физикохимиков, химиков-аналитиков, фармакологов, биохимиков, материаловедов, в первую очередь для специалистов, занимающихся применением наночастиц в практике. Она также представляет интерес для студентов и аспирантов, обучающихся по специальностям, связанным с нанотехнологиями.
Благодарим сотрудников и аспирантов лаборатории химии поверхности Алексея Владимировича Карпухина, Владимира Владимировича Королькова, Юрия Андреевича Крутякова, Тимура Радиковича Низамова, Анатолия Викторовича Сафронихина, Татьяну
Николаевну Щербу, Руслана Юрьевича Яковлева, материалы диссертаций которых были использованы при написании этой книги.
Считаем своим долгом поблагодарить сотрудников лаборатории химии поверхности — доктора химических наук Генриха Владимировича Эрлиха и кандидата химических наук Павла Германовича Мингалёва за полезные обсуждения и замечания, а также профессора
химического факультета МГУ Михаила Яковлевича Мельникова, без деятельной поддержки которого издание книги было бы невозможно.
Профессор Г. В. Лисичкин
Химический факультет МГУ, ноябрь 2020 г.
ГЛАВА 1
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
НАНОЧАСТИЦЫ
Интерес к химически модифицированным наночастицам металлов,
способам их получения, свойствам и практическому применению об-
условлен сочетанием ценных свойств металлического ядра (эффект
поверхностного плазмонного резонанса, усиление флуоресценции
и неупругих видов рассеяния, ферро- или парамагнетизм) и привито-
го слоя, который может обеспечивать селективность взаимодействия
с компонентами окружающей среды, обладать фармакологической
активностью и другими полезными свойствами. Ключевыми харак-
теристиками металлических наночастиц, определяющими их свой-
ства, являются природа металла, размер и геометрия частиц, состав
и строение привитого слоя. Для решения практических задач послед-
ний фактор имеет решающее значение, поскольку функциональные
свойства таких материалов обусловлены главным образом природой
привитых молекул. Несмотря на несомненные успехи, достигнутые
в рассматриваемой области, вопросы формирования хемосорбци-
онного слоя, управления свойствами металлических наночастиц
представляют собой интересное и актуальное направление развития
исследований.
1.1. О модифицировании поверхности наночастиц неблагородных переходных металлов
Специфика наноразмерного состояния состоит в наличии разви-
той поверхности. Удельная поверхность непористых сферических
частиц плотностью 10 г/см3 в интервале 1–100 нм составляет
6–600 м2/г, что сопоставимо с аналогичными величинами для тра-
диционных неорганических сорбентов. При этом химический со-
став поверхностного слоя для двух групп металлов — благородных
и неблагородных, принципиально отличается. Благородные ме-
таллы обладают высокими значениями стандартных электродных
потенциалов реакций окисления и поэтому содержат на поверхно-
сти атомы нульвалентного металла. Наличие в сорбционном слое
молекул кислорода и воды существенным образом не сказывается
на химическом состоянии поверхностных атомов. Принципиаль-
но иная ситуация для металлов, находящихся в ряду стандартных
потенциалов левее водорода. Неокисленная поверхность для них
возможна только в инертной атмосфере или в бескислордной кон-
денсированной среде. При контакте наночастиц металлов, относя-
щихся к этой группе, с воздухом, жидкостями, содержащими рас-
творенный кислород, на их поверхности образуется оксидный слой,
а частица состоит из металлического ядра и оксидной оболочки.
Кроме того, в случае использования воды в качестве дисперсионной
среды возможна ее хемосорбция с формированием поверхностных
гидроксильных групп:
Толщина такой оболочки составляет единицы нанометров
и в случае объектов, размер которых сопоставим с этой величиной,
значительная часть объема наночастицы фактически является окси-
дом/гидроксидом, а не металлом. Этим обстоятельством обусловле-
но различие в методах химического модифицирования поверхности
наночастиц благородных и неблагородных металлов. Задача хими-
ческого модифицирования поверхности наночастиц неблагородных
переходных металлов сводится к детально разработанной проблеме
модифицирования оксидных поверхностей [1, 2]. Модифицирование
поверхности оксидных наночастиц рассмотрено в главе 2.
1.2. Химическое модифицирование поверхности наночастиц благородных металлов
Привитый слой поверхностно модифицированной частицы состоит
из нескольких фрагментов: якорной группы, линкера (ножки) и це-
левой функциональной группы (рис. 1.1).
В случае благородных металлов закрепление модификатора
происходит за счет прямого взаимодействия поверхностных атомов
с якорной группой модификатора, имеющей высокое сродство к ним.
Такими группами могут быть тиольная (–SH), сульфидная (–S–),
дисульфидная (–S–S–), амино (–NH2), тиокарбокси (–C(O)SH,
–C(S)SH) и подобные им.
Главная функция якорной группы соединения, используемого
в качестве химического модификатора наночастиц благородных ме-
таллов, состоит в образовании прочных связей с поверхностными
атомами. В табл. 1.1 приведена сводная информация о функциональ-
ных группах, содержащихся в молекулах модификаторов. Если в мо-
лекуле модификатора есть несколько групп, способных к хемосорб-
ции на металлической поверхности, отнесение произведено к той,
которая характеризуется более прочным связыванием.
Наиболее часто в качестве якорных на практике используются
серосодержащие группы, такие как тиольная [3–11, 20–33], сульфид-
ная [34] и дисульфидная [12, 35], в том числе в составе гетероциклов
[13, 20, 23]. Способность образовывать прочные комплексы с переход-
ными металлами амино- и иминогрупп также обуславливает их при-
менение в качестве якорных [8, 15, 36, 37]. Это же свойство лежит в ос-
нове химического модифицирования поверхности соединениями, содержащими карбоксильную группу [14–16], фосфорсодержащими
органическими [38], неорганическими [39] и смешанными комплек-
сонами [19]. В качестве якорных групп также можно использовать
тиокарбаматы [17, 18].
Химический модификатор поверхности может вводиться в реак-
ционную среду как непосредственно в момент получения золя, так
и впоследствии. Образование химически модифицированных нано-
частиц условно может быть разделено на две стадии: формирование
металлического ядра и пассивация поверхности [20].
Гидрофильность/гидрофобность поверхности химически моди-
фицированных наночастиц, в том числе и металлических, определя-
ется главным образом природой внешней функциональной группы
модификатора. Степень ее полярности коррелирует с гидрофильно-
стью поверхности. содержащими карбоксильную группу [14–16], фосфорсодержащими
органическими [38], неорганическими [39] и смешанными комплек-
сонами [19]. В качестве якорных групп также можно использовать
тиокарбаматы [17, 18].
Химический модификатор поверхности может вводиться в реак-
ционную среду как непосредственно в момент получения золя, так
и впоследствии. Образование химически модифицированных нано-
частиц условно может быть разделено на две стадии: формирование
металлического ядра и пассивация поверхности [20].
Гидрофильность/гидрофобность поверхности химически моди-
фицированных наночастиц, в том числе и металлических, определя-
ется главным образом природой внешней функциональной группы
модификатора. Степень ее полярности коррелирует с гидрофильно-
стью поверхности.
Если такая группа способна к кислотно-основным взаимодей-
ствиям, то путем изменения рН среды можно генерировать на по-
верхности заряд нужной полярности. Внешняя сульфогруппа гидро-
фильных наночастиц золота или серебра, полученных боргидридным
восстановлением соединений Ag(I) и Au(III) [40], способна существо-
вать в виде пары кислота — сопряженное основание.
Аналогичное взаимодействие возможно и для наночастиц сере-
бра, химически модифицированных аминотиоэтанолом [41].
Использование соединений, включающих катион четвертичного
аммония, позволяет синтезировать частицы, содержащие хемосор-
бированные заряженные фрагменты, не изменяющиеся в результате
кислотно-основных превращений [42]:
При достаточно высокой степени заполнения поверхности нано-
частиц молекулами модификатора между ними возможны вторич-
ные взаимодействия. Например, при модифицировании наночастиц
золота меркаптопропионовой кислотой образуются межмолекуляр-
ные водородные связи [43]:
При наличии в молекуле модификатора функциональных групп,
способных к химическому взаимодействию между собой, например
амино- и карбонильной, происходит реакция конденсации:
На поверхности наночастиц золота под действием факторов
внешней среды возможен процесс окисления спиртовой группы ци-
трата, сопряженный с последовательным декарбоксилированием,
приводящий к частичной деструкции молекулы модификатора [44]:
Лазерное облучение наночастиц серебра, химически модифици-
рованных п-аминотиофенолом, в присутствии кислорода при доста-
точно высокой плотности прививки приводит к реакции конденса-
ции аминогрупп [45].
Подобного рода явления необходимо учитывать при разработке
методов химического модифицирования поверхности металличе-
ских наночастиц и при дальнейшем исследовании и практическом
использовании синтезированных объектов.
В зависимости от природы модификатора может происходить об-
разование как -, так и -связей между поверхностными атомами на-
ночастиц и молекулами модификатора.
Для серебра характерна хемосорбция молекул, содержащих кар-
боксильную группу, с формированием -связей Ag–O (1), тогда как
для золота более вероятен поверхностный комплекс (2), образован-
ный за счет -взаимодействия. Аналогичным образом может быть
описано взаимодействие поверхностных атомов наночастиц с атома-
ми серы, содержащимися в дитиолановых фрагментах химических
модификаторов наночастиц.
Большинство авторов приводят структуру поверхностных ком-
плексов без разрыва связи S–S дисульфидного фрагмента гетероцик-
ла (4), тем не менее в литературе встречается описание хемосорбции
с образованием -связей M–S (3) [46].
При использовании нескольких модификаторов, содержащих
функциональные группы разной природы, на поверхности метал-
лических наночастиц могут одновременно содержаться фрагменты,
хемосорбция которых происходит за счет образования как -, так
и -связей [8].
Прочно связанные с поверхностью модификаторы обуславливают
высокую стабильность частиц. Так, наличие на поверхности наноча-
стиц золота хемосорбированной 2-меркаптоянтарной кислоты пре-
пятствует реакции цианидного аэробного растворения золота, широко
используемой в промышленности для его извлечения из руды [47].
Процесс получения золей серебра, содержащих привитый слой
додекантиола, с использованием в качестве исходных компонен-
тов нитрата серебра, боргидрида натрия и додекантиосульфата на-
трия может быть представлен в виде нескольких последовательных
превращений [48].
Окислительно-восстановительная реакция между нитратом се-
ребра и боргидридом натрия приводит к образованию наночастиц,
содержащих на поверхности анионы боргидрида, которые затем вы-
тесняются додекантиосульфатом, имеющим бoльшее сродство к по-
верхности металла. Из-за способности иона боргидрида к гидролизу
он в большинстве методик синтеза золей благородных металлов бе-
рется в избытке. Наличие в реакционной смеси сильного восстано-
вителя способствует преобразованию тиосульфата в тиолят, прочно
удерживаемый поверхностными атомами металла.
Один из наиболее часто используемых синтетических приемов
получения химически модифицированных наночастиц благородных металлов состоит в восстановлении исходного соединения металла
в присутствии вещества, способного к хемосорбции на поверхности
наночастиц. Типичная методика, в основе которой лежит такого
рода стратегия, приведена в работе [4]. Авторы предварительно полу-
чают раствор, содержащий нитрат серебра и цистеин, охлаждают его
на ледяной бане, а затем вводят боргидрид натрия. Продукт реакции
представляет собой золь наночастиц серебра, химически модифици-
рованных цистеином.
В ряде случаев раствор модификатора вводится после восста-
новления исходного соединения и формирования золя металла.
Такой прием использован авторами [10] для химического модифи-
цирования наночастиц серебра тиолированными производными
1,3,5-триазинов.
Если рассматривать химическое модифицирование поверхности
наночастиц как вторичное взаимодействие по отношению к окисли-
тельно-восстановительной реакции, то фактически в реакционной
системе происходит замена одного компонента поверхностного слоя
другим, имеющим бoльшее сродство. За счет этого взаимодействия
происходит переход системы в область меньшего избытка поверх-
ностной энергии, ее стабилизации. Так, при боргидридном восста-
новлении нитрата серебра в присутствии цитрата натрия образуется
золь серебра, содержащий в поверхностном слое цитрат-ионы, кото-
рые, в свою очередь, могут быть вытеснены -меркаптоалкильными
производными пропановой или нонановой кислот [7].
Аналогичный подход, описанный авторами [21], позволяет полу-
чать золи наночастиц золота, содержащие на поверхности хемосор-
бированные тиольные производные 1,2,4-триазолов, для определе-
ния соединений Cr(III).
Процесс вытеснительной хемосорбции на поверхности нано-
частиц благородных металлов широко используется в методиках
получения реагентов, обладающих высокой селективностью к ши-
рокому спектру неорганических, органических и биоорганических
соединений.
Реакционная способность внешних функциональных групп мо-
лекул стабилизатора может быть использована для дальнейшего хи-
мического модифицирования поверхности наночастиц благородных
металлов. Например, наночастицы золота или серебра, поверхностно
модифицированные меркаптоуксусной кислотой,
далее могут быть введены в химические реакции с аминокислотами,
белками [49],
практически важными гликопептидами, такими как ванкомицин
так и в сочетании с аминами [52].
Для решения практических задач, связанных с хемилюминес-
ценцией живых объектов, необходимо получить биосовместимые
золотые наночастицы, содержащие, например, комплекс рутения
с бипиридилом. Достижение поставленной цели достигается после-
довательной обработкой исходного золя золота тиолированными
олигомерами этиленгликоля, а затем предварительно синтезирован-
ным тиолсодержащим комплексом рутения в соответствии со схе-
мой, приводимой ниже [53].
Таким образом, возникает возможность синтеза конъюгатов на-
ночастиц с широким набором биологически активных и лекарствен-
ных веществ.
1.3. Модифицированные наночастицы металлов в неводных средах
Традиционные методы получения органозолей химически модифици-
рованных металлических наночастиц, основанные на жидкофазных
окислительно-восстановительных реакциях, имеют существенные
ограничения, связанные с растворимостью компонентов. В тех случа-
ях, когда требуемый модификатор поверхности плохо либо вообще не-
растворим в воде, в качестве реакционной среды используют неводный
растворитель. Задача подбора растворителя обычно решается эмпири-
чески, причем ее конкретное решение представляет собой компромисс.
Так, в работе [54] для получения неводных золей наночастиц золота,
стабилизированных тиолами, авторы предлагают следующий подход:
получают метанольные растворы золотохлористоводородной кисло-
ты и тиола, объединяют их, подкисляют ледяной уксусной кислотой,
а затем в реакционную массу вводят раствор боргидрида натрия. После
прохождения окислительно-восстановительной реакции летучие ком-
поненты удаляют под вакуумом, а полученный продукт редиспергиру-
ют в диэтиловом эфире. В момент замены дисперсионной среды может
происходить агрегация наночастиц.
В последнее десятилетие получили развитие работы по синтезу
наночастиц благородных металлов в среде низкотемпературных ион-
ных жидкостей [55], см. раздел (1.5).
Органозоли химически модифицированных наночастиц благо-
родных металлов могут быть получены методами низкотемпера-
турной соконденсации паров металла и органического соединения
(металлопаровой синтез) [56], лазерной абляции в органической дис-
персионной среде [57], радиолитическими методами [58].
Для того чтобы получить устойчивый металлический органо-
золь совместной низкотемпературной конденсацией паров метал-
ла и органического соединения, необходимо ввести в реакционную
среду модификатор поверхности в процессе плавления криома-
трицы. Описанный подход использован для получения золей пал-
ладия, стабилизированных поливинилпирролидоном [59]. После
низкотемпературной соконденсации паров палладия и органическо-
го соединения и последующего плавления криоматрицы в систему
вводится поливинилпирролидон, который вытесняет молекулы рас-
творителя из сорбционного слоя наночастиц, тем самым стабилизи-
руя органозоль. Методом низкотемпературной соконденсации паров
получены Au-Cu биметаллические коллоидные системы [60]. При-
рода используемого органического соединения существенным обра-
зом сказывается на устойчивости золя и значительно меньше влияет
на средний размер частиц. Без дополнительной стабилизации по-
верхности золь стабилен от 1 часа до 4 суток. Средний размер частиц
после плавления криоматрицы находится в интервале 2–5 нм.
Авторами [61] исследована стехиометрия взаимодействия наноча-
стиц золота, полученных методом низкотемпературной соконденса-
ции, размером от 2 до 8 нм с алифатическими тиолами. Количествен-
ные оценки показывают, что одна молекула модификатора приходится
примерно на восемь атомов золота. Стехиометрия частицы размером
4 нм может быть описана формулой Au2000 — (S — R)235. В нашем обзо-
ре [62] приведены оценочные характеристики аналогично полученных
наночастиц серебра размером 5 нм, содержащих ~4450 атомов, с долей
на поверхности на уровне 3,5 %. По данным авторов, модификатор об-
разует ковалентно связанный плотный монослой.
Дисперсии наночастиц золота, полученные методом низко-
температурной соконденсации паров, могут быть унифицированы
по размеру путем последующего введения в свежеполученный золь
додекантиола в бутаноне, триоктилфосфина в п-третбутилтолуоле,
отгонки низкокипящих фракций и выдержки полученной реакци-
онной массы при 190 °C в атмосфере аргона от полутора часов до двух
дней. Конечный продукт содержит наночастицы размером 6,6 1
и 6,0 2 нм при использовании додекантиола и триоктилфосфина
соответственно [63].
В работе [64] приводится описание металлопарового метода
получения золей золота в бутаноне и взаимодействия наночастиц
с первичными алифатическими аминами, содержащими в основ-
ной цепи от 12 до 18 атомов углерода. Авторы исследовали эффекты,
способствующие оствальдову и расщепляющему (digestive) созрева-
нию частиц золя. Для этого они вводили в химически модифици-
рованный золь мезитилен, отгоняли бутанон и выдерживали полу-
ченную систему при ~165 °C длительное время (вплоть до 30 часов).
Экспериментальные данные показывают, что при такой обработке
не происходит увеличения среднего размера частиц и их ширины
распределения. Основной вывод состоит в том, что в системе суще-
ствует равновесие между оствальдовым и расщепляющим созревани-
ем коллоидной системы.
Применение металлопарового синтеза для получения наноча-
стиц благородных металлов в препаративном плане вряд ли может
конкурировать с традиционным коллоидно-химическим синтезом:
производительность установок для соконденсации паров металла
и лиганда низка. Однако для получения наночастиц металлов, хими-
ческое восстановление которых термодинамически запрещено при
невысоких температурах, металлопаровой синтез незаменим.
В [57] приведено описание прямого получения наночастиц зо-
лота и серебра в жидком аммиаке методом лазерной абляции. Рас-
пределение частиц по размерам и стабильность во времени сопо-
ставимы с аналогами, полученными в водной среде. Вместе с тем
в аэробных условиях дисперсии серебра подвергаются деструкции
с образованием аммиакатов Ag(I), чего не происходит в случае зо-
лота. Однако главный недостаток метода абляции — его низкая
производительность.
Радиолиз соединений Ag(I) в 2-пропаноле приводит к образо-
ванию золей серебра [65]. Основу механизма составляют свободно-
радикальные процессы с участием молекул растворителя, ионов
Ag+ и атомарного серебра. Ключевой интермедиатной частицей,
по мнению авторов, является катион-радикал Ag2
+ ·. В [58] содержит-
ся описание радиационно индуцированных реакций восстановле-
ния перхлората серебра в среде органических растворителей, таких
как тетрагидрофуран и 1-метокси-2-пропанилацетат. Выход наноча-
стиц, определяемый по интенсивности поглощения полосы поверх-
ностного плазмонного резонанса, коррелирует с дозой облучения
и исходной концентрацией соединения серебра. Восстановление ио-
нов Ag+ происходит путем их взаимодействия с сольватированными
электронами, образующимися при радиолизе молекул растворителя.
При введении в реакционную среду воды или спиртов при той же
дозе облучения выход наночастиц существенно снижается.
Органозоли химически модифицированных металлических на-
ночастиц могут быть получены в двухфазных водно-органических
системах [66–69]. В этом случае происходит перенос довольно круп-
ных объектов размером порядка единиц-десятков нанометров сквозь
границу раздела фаз. Для этого в систему вводится специальный
компонент — фазовый переносчик, в качестве которого в большин-
стве случаев используется катионное ПАВ. Но такого рода соедине-
ния сами способны к взаимодействию с поверхностью наночастиц.
Экспериментальные данные, полученные нами [70], говорят о том,
что прямое химическое модифицирование поверхности с использо-
ванием тиолсодержащих органических соединений более эффектив-
но по отношению к аналогичному, включающему фазовый перенос.
Авторами [71] также проведено сравнение альтернативных мето-
дов получения неводных золей золота, модифицированных тиолами
или аминами. Первый из них основан на низкотемпературной со-
конденсации паров металла и бутанона с последующим плавлением
и введением в реакционную массу стабилизаторов поверхности, ис-
парением бутанона и редиспергированием коллоида в толуол. Второй
метод — окислительно-восстановительная реакция между золото-
хлористоводородной кислотой и боргидридом натрия в мицеллярной
среде, состоящей из толуола, воды и бромида дидодецилдиметилам-
мония, с последующим взаимодействием наночастиц золота с моди-
фикатором, находящимся в органической фазе. Конечные продукты
в обоих случаях представляют собой химически модифицированные
золи наночастиц золота в толуоле. Золи, для которых не применял-
ся фазовый перенос, существенно менее склонны к расщепляющему
созреванию. Скорее всего, причина такого поведения состоит в не-
полном вытеснении молекул фазового переносчика из сорбционного
слоя наночастиц
1.4. Применение химически модифицированных наночастиц 31
золота и серебра
Синтез высокоспецифичных материалов на основе металлических
наночастиц в настоящее время представляет собой бурно развиваю-
щийся раздел науки, находящийся на стыке препаративной химии,
материаловедения, аналитической химии, фармакологии, катали-
за, оптики, спектроскопии, методов биомедицинской диагностики
[72–90].
Направление, включающее получение конъюгатов металличе-
ских наночастиц с биологически активными веществами (БАВ),
в настоящее время находится в стадии интенсивного роста [87, 88,
91–96]. Количество работ в этой области постоянно растет, тенден-
ции стабилизации их в ближайшее десятилетие не наблюдается.
Такие золи способны к обратимому взаимодействию с широ-
ко используемым цитостатиком доксорубицином. Этот цитостатик
весьма токсичен, поэтому снижение его дозы за счет использования
наночастиц-носителей — важная задача фармакологии.
При попадании конъюгата внутрь клетки происходит высвобож-
дение лечебного препарата. При этом до 60 % от общего количества
доксорубицина оказывается в клеточном ядре.
Олигопептиды, содержащие дисульфидный фрагмент, успешно
использованы авторами [101] в качестве модификаторов поверхности
наночастиц золота и серебра.
Природа металла существенным образом влияет на свойства ко-
нечного продукта. Так, дисперсии серебра, модифицированные та-
кого рода олигопептидами, проявляют биологическую активность
в отношении клеток макрофагов THP-1, в то время как аналогичные
золи золота — нет.
1.4.1. Фармакология и смежные области
Одно из наиболее перспективных направлений применения химиче-
ски модифицированных наночастиц благородных металлов — это фар-
макология, где они рассматриваются в качестве платформ для адресной
доставки лекарственных средств. При значении удельной поверхности
наночастиц порядка 10 м2/г и выше их сорбционная способность по-
зволяет успешно создавать подобные материалы. Золи наночастиц
благородных металлов, получаемые традиционными химическими
методами, в исходном состоянии токсичны [97–99] и для объединения
с целевой фармакологической субстанцией требуют предварительного
химического модифицирования поверхности. Кроме обеспечения со-
вместимости компонентов такое модифицирование может выполнить
защитную функцию, препятствуя прямому контакту поверхностных
атомов металла с биообъектом. Так, авторами [100] приводится описа-
ние способа получения конъюгатов наночастиц золота с доксорубици-
ном, поверхностно стабилизированных тиолсодержащими пептидны-
ми димерами аминокислот, например тиопропином.
Такие золи способны к обратимому взаимодействию с широ-
ко используемым цитостатиком доксорубицином. Этот цитостатик
весьма токсичен, поэтому снижение его дозы за счет использования
наночастиц-носителей — важная задача фармакологии.
При попадании конъюгата внутрь клетки происходит высвобож-
дение лечебного препарата. При этом до 60 % от общего количества
доксорубицина оказывается в клеточном ядре.
Олигопептиды, содержащие дисульфидный фрагмент, успешно
использованы авторами [101] в качестве модификаторов поверхности
наночастиц золота и серебра.
Природа металла существенным образом влияет на свойства ко-
нечного продукта. Так, дисперсии серебра, модифицированные та-
кого рода олигопептидами, проявляют биологическую активность
в отношении клеток макрофагов THP-1, в то время как аналогичные
золи золота — нет.
Одной из наиболее интенсивно развивающихся областей при-
менения химически модифицированных наночастиц благородных
металлов является определение нуклеотидных последовательностей
в олигонуклеотидах или ДНК [102–104]. Наночастицы непосред-
ственно после получения модифицируют нуклеотидными последо-
вательностями, комплементарными к определяемым. После этого
проводят полимеразно-цепные реакции (ПЦР) с аналитом, добива-
ясь селективного связывания комплементарных нуклеотидных по-
следовательностей. Такие связанные с аналитом наночастицы могут
быть выделены из реакционной среды седиментацией.
В табл. 1.2 приведена информация о конъюгатах БАВ с наноча-
стицами благородных металлов, а также областях практического ис-
пользования конъюгатов.
Химические модификаторы поверхности, одновременно явля-
ющиеся БАВами, содержат функциональные группы, способные
к прямому взаимодействию с поверхностными атомами наночастиц.
Мирамистин, представляющий собой катионное поверхностно-ак-
тивное вещество, может стабилизировать поверхность наночастиц
серебра, что использовано авторами [105] для получения конъюга-
тов, обладающих антибактериальными свойствами. Природные вы-
сокомолекулярные вещества полисахаридной природы, такие как
хитозан и циклодекстрин, за счет своих функциональных групп до-
вольно эффективно стабилизируют золи золота и серебра, которые
в дальнейшем могут быть использованы в химическом анализе и как
среды, обладающие эффектом гигантского комбинационного рассе-
яния [106, 107, 111, 127, 128].
1.4.2. Применение в неорганическом анализе
Благодаря стабильности свойств и относительно невысокой стои-
мости наиболее часто в практике анализа используются золи золота
и серебра. Опубликованы единичные работы по использованию пла-
тины и палладия, но они не играют значимой роли в данной области.
В методиках определения неорганических аналитов чаще использу-
ют золи серебра, при анализе органических, а особенно биооргани-
ческих объектов — золота.
Химически модифицированные наночастицы благородных ме-
таллов находят применение при определении неорганических со-
единений [25, 72, 84, 129]. Такие аналитические реагенты могут быть
использованы в качестве групповых для суммарного определения
однотипных аналитов либо индивидуальных для селективного
определения того или иного катиона или аниона. При выборе моди-
фикатора может иметь значение метод регистрации аналитического
сигнала: например, функциональная группа, образующая комплекс
с аналитом, может тушить флуоресценцию или иметь сильное погло-
щение в той или иной области спектра.
В основе определения катионов и/или анионов лежит взаимодей-
ствие наночастиц с аналитом, приводящее к формированию анали-
тического сигнала, фиксируемого инструментально. Чаще всего для
целей неорганического анализа используют абсорбционную молеку-
лярную спектрометрию, реже — электрохимические и люминесцент-
ные методы. Обзор методик определения неорганических аналитов
с использованием золей наночастиц благородных металлов приведен
в табл. 1.3.
В большинстве случаев наличие функциональных групп в моле-
куле модификатора является необходимым и достаточным условием
для образования комплекса с аналитом. Иногда для этого необходи-
мо введение в состав системы добавочного реагента.
Наличие карбоксильных групп в цитрат-стабилизированных на-
ночастицах серебра способствует координации ионов редкоземель-
ных металлов, имеющих собственную флуоресценцию. В работе [130]
описана методика определения ионов тербия(III) с участием цитрат-
стабилизированных коллоидов серебра. Ион тербия координируется
с карбоксильными группами модификатора, образуя поверхностный
комплекс. В качестве дополнительного компонента в систему вводят
дипиколиновую кислоту:
Ее присутствие способствует устранению сразу нескольких
проблем, осложняющих флуоресцентное определение аналита.
Во-первых, дипиколиновая кислота способна к вытеснению из ко-
ординационной сферы иона тербия молекул воды, тушащих флуо-
ресценцию. Во-вторых, формирование такого рода разнолигандного
поверхностного комплекса препятствует взаимодействиям наноча-
стиц между собой, устраняя их агрегацию.
Устойчивость подобных поверхностных фрагментов, включа-
ющих аналит, определяется конкурентными реакциями комплек-
сообразования с участием зафиксированных на поверхности внеш-
них лигандов. Константы устойчивости комплексов на поверхности
и в объеме с участием внешнего реагента должны быть сопоставимы
между собой. В случае высоких значений констант устойчивости по-
верхностных комплексов при введении аналита в концентрациях
выше критического (порогового) значения может происходить необ-
ратимая агрегация наночастиц. На этом принципе основано опреде-
ление малых концентраций ионов Hg2+ с использованием золей нано-
частиц серебра, поверхностно стабилизированных цистеином [131].
Кроме того, возможно разрушение двойного электрического слоя на-
ночастиц, возникновение эффекта приобретенной гидрофобности,
что также способствует потере устойчивости коллоидной системы.
При образовании более устойчивого комплекса с внешним лиган-
дом использование химически модифицированных наночастиц для
определения аналита теряет смысл.
Образование комплексов с участием функциональных групп
нескольких наночастиц и ионов металлов может быть использова-
но для определения последних. Основная задача химического ана-
лиза, связанная с такими объектами, — получение специфического
аналитического сигнала, ассоциированного с супрамолекулярными
структурами, возникающими в ходе взаимодействия металл — ли-
ганд. В большинстве случаев аналитическим сигналом является ин-
тенсивность поглощения в видимой и ближней ИК-областях спектра
при больших длинах волн по сравнению с максимумом полосы ППР.
Формы полос, соотношение интенсивностей в максимуме и при фик-
сированных значениях длин волн для индивидуальных наночастиц
и их ассоциатов отличаются. Таким методом может быть определен
широкий круг соединений щелочноземельных, редкоземельных,
переходных металлов [79, 131–142]. Использование несферических
наночастиц благородных металлов, содержащих в спектре ППР не-
сколько полос, — в данном случае скорее мешающий фактор. Види-
мо, этим обусловлено наличие буквально единичных работ с исполь-
зованием золей несферических наночастиц [143, 144].
При химическом модифицировании за счет вытеснения другим
реагентом (модификатором) молекул стабилизатора с поверхности
наночастиц необходимо добиваться его относительно высокого со-
держания в конечном продукте. Это условие не всегда является обя-
зательным. В ряде случаев формирование поверхностного комплекса
возможно с участием двух типов молекул — стабилизатора, вводи-
мого при синтезе наночастиц, и модификатора, используемого для
связывания аналита. В работе [79] синтезирован золь серебра, со-
держащий одновременно на поверхности ионы цитрата и изонико-
тиновую кислоту. Последующая обработка этого золя соединениями
хрома(III) приводит к образованию разнолигандных поверхностных
комплексов с участием нескольких наночастиц, фиксируемых спек-
трофотометрически по наличию дополнительной полосы поглоще-
ния с максимумом в области 550 нм.
Модифицирование поверхности наночастиц серебра меркапто-
бензойной кислотой использовано для определения переходных ме-
таллов, например меди [132].
Соединения, образующие с металлами хелаты, такие как ими-
нодиуксусная кислота, использованы в качестве модификаторов
поверхности наночастиц серебра для определения катионов с коор-
динационным числом 4, например свинца(II) [139]. При связывании
свинца наночастицы серебра образуют дополнительную полосу по-
глощения ППР в области 650 нм. Аналогичный эффект не наблю-
дается для соединений Mn(II), Cd(II), Cu(II), Hg(II), Ba, Ca, Zn(II),
Co(II), Li, Ag(I), Fe(III), Mg, K, Al при соотношении концентраций
металл — аналит в диапазоне 2 : 1–20 : 1.
Дополнительные полосы с максимумом при 640–680 нм зафик-
сированы в работе [146], их целью было определение ионов тяжелых
металлов, в частности кадмия, на химически модифицированных
производными 1,2,4-триазола золотых наночастицах. Многоцентровое взаимодействие аналита с молекулами модифи-
катора, содержащимися на одной наночастице, с образованием ассо-
циатов лежит в основе определения ионов хрома(III) [145]. В присут-
ствии хрома(III) в спектре поглощения возникает дополнительная
полоса при 630 нм, не проявляющаяся для соединений Zn(II), Ni(II),
Co(II), Cu(II), Mn(II), Pb(II), Hg(II), Fe(III), Pt(IV), Mo(V), W(VI),
Cr(VI).
В случае недостаточной устойчивости комплексов, включающих
ион металла и лиганд, химически закрепленный на поверхности на-
ночастиц, в систему дополнительно вводят соединение-линкер, обе-
спечивающее формирование супрамолекулярных структур.
В работах [25, 147] описано получение наночастиц золота, хи-
мически модифицированных меркаптопропионовой кислотой.
При введении в них дипиколиновой кислоты (2,6-дикарбоксипири-
дина) и ионов ртути(II) формируются упорядоченные ансамбли на-
ночастиц. Это явление можно использовать в высокоселективном
и чувствительном методе определения ртути(II).
Эффекты формирования комплексов с участием функциональ-
ных групп химически модифицированных наночастиц благородных
металлов обычно проявляются в интервале концентраций аналита
0,1–10 мкМ. Перспективным направлением исследований в данной
области является поиск пар «химически модифицированная наноча-
стица — аналит», позволяющих проводить анализ на уровне концен-
траций 1 нМ и ниже.
Предлагаемая читателю книга посвящена синтезу, исследованию и применению поверхностно-модифицированных неорганических наночастиц. Это относительно новый класс материалов, представляющий собой наночастицы, на поверхности которых зафиксирован чрезвычайно тонкий, обычно мономолекулярный слой химических соединений. Химически модифицированные неорганические наночастицы представляют собой гибридные материалы, физические свойства которых определяются природой наночастицы, а химические — составом и строением привитого слоя. Основное содержание книги как раз и посвящено методам синтеза привитого слоя на поверхности металлических, оксидных, полупроводниковых, галогенидных, солевых и углеродных наночастиц.
Неутихающий интерес научного сообщества к нанотехнологиям обусловил появление обширного пласта литературы, посвященной синтезу и применению наночастиц. За последнее десятилетие по этой тематике во всем мире опубликованы десятки тысяч статей, сотни обзоров и монографий. Только на русском языке за период 2009—2019 гг. издано
не менее тридцати книг, включая учебные пособия (см., например).
Предлагаемая читателю монография дополняет это множество.
Специфика книги состоит в том, что в ней подробно рассмотрены вопросы химического модифицирования поверхности наночастиц, синтеза ассоциатов и конъюгатов, обладающих комплексом полезных физических, физико-химических или биологических свойств.
Заметим, что коллоидные растворы, иными словами дисперсии
наночастиц, металлов, многих оксидов и некоторых солей, химики
научились получать задолго до нынешнего «нанотехнологического
бума» — еще столетия тому назад, однако методы синтеза конъюгатов наночастиц с биологически активными и лекарственными веществами, методы направленного изменения свойств поверхности были разработаны лишь в последние десятилетия. Произошло это
главным образом в связи с запросами практики.
Примерно 40 лет тому назад было зафиксировано значительное увеличение сигнала комбинационного рассеяния органических молекул вблизи поверхности серебряных или золотых наночастиц.
Этот эффект позже получил название гигантского комбинационного рассеяния (ГКР). Коэффициент усиления сигнала ГКР может достигать 109—1010 раз, т. е. возникает реальная возможность детектировать ничтожно малые количества вещества.
Наночастицы соединений редкоземельных элементов вызывают все больший интерес, в первую очередь благодаря их возможному использованию в качестве лекарственных препаратов, контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии и биовизуализации, а также медикаментов в нейтронозахватной терапии рака. Эти материалы используются как люминофоры и компоненты оптических устройств, в частности в приборах ночного видения и тепловизорах.
Наночастицы благородных металлов с химически привитыми к их поверхности олигонуклеотидами (аптамерами) представляют собой исключительно селективные сорбенты. Их активно используют для определения различных биоорганических соединений.
Перспективное направление практического применения модифицированных наночастиц — биомедицина. На основе этих материалов уже разработаны и проходят доклинические испытания средства направленного транспорта лекарственных веществ, а также связывания токсинов в целях их последующего выведения. В качестве носителей
преимущественно используются ферромагнитные материалы — наночастицы магнетита, но все большее внимание исследователей привлекают углеродные наночастицы — нанотрубки, графен и детонационный наноалмаз.
Обширные и постоянно расширяющиеся сферы применения находят магнитные жидкости — золи ферромагнитных наночастиц, прежде всего магнетита.
Химически модифицированные наночастицы благородных металлов находят применение в аналитической химии для определения неорганических, органических и биологических соединений.
Нанокристаллы гидроксилапатита и других фосфатов кальция,
поверхностно-модифицированные биологически активными веществами, представляют интерес как материалы для остеопластики.
Специфическое взаимодействие некоторых органических соединений с поверхностью дисперсных минералов лежит в основе действия собирателей — ключевых реагентов процессов флотации.
Модификаторы поверхности позволяют регулировать размер и форму наночастиц, их свойства (устойчивость к агрегации, биосовместимость), что крайне важно, например, для изучения распределения частиц по организму и их проникновения в клетки. Создание
на поверхности наночастиц заданного функционального покрова дает возможность управлять растворимостью наночастиц, обеспечивая требуемую гидрофильность или гидрофобность.
Приведенный краткий перечень не исчерпывает всех реальных и потенциальных направлений практического применения поверхностно-модифицированных наночастиц.
Модифицирование поверхности дисперсных неорганических веществ относится к области химии привитых поверхностных соединений — разделу физической химии, который систематически разрабатывается в нашей лаборатории на химическом факультете МГУ
имени М. В. Ломоносова.
Настоящая книга завершает цикл из четырех монографий, посвя-
щенных разным классам модификаторов и носителей. Более 40 лет тому назад заведующий кафедрой химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ профессор Альфред Феликсович Платэ обратил внимание автора этих строк на актуальную в те годы задачу —разработку методов синтеза металлокомплексных катализаторов, закрепленных на поверхности носителей. Такие катализаторы позволяют объединить уникально высокую селективность координационных соединений с технологичностью традиционных гетерогенных катализаторов. Для реализации поставленной задачи были разработаны многочисленные методы закрепления на поверхности пористого кремнезема широкого круга комплексных соединений переходных металлов, в том числе метод поверхностной сборки. Первой стадией этого метода была химическая прививка лигандов, способных координировать ионы металлов, что привело к созданию целого класса селективных сорбентов на основе пористых минеральных носителей. Закрепление на поверхности оксидов кремнийорганических соединений, содержащих
якорную алкоксисилильную или хлорсилильную группу и алкильный радикал, представляет собой эффективный способ гидрофобизации оксидных поверхностей. Широкий круг синтезированных адсорбентов с различными функциональными и алкильными группами был использован в высокоэффективной жидкостной хроматографии и в процессах сорбционного концентрирования.
ЗАО «Биохиммак СТ» организовало масштабное производство как самих модифицированных сорбентов, так и хроматографических колонок и концентрирующих патронов, снаряженных сорбентами.
Если на начальных этапах нашей работы в качестве носителя использовался преимущественно кремнезем разных марок, а модификаторы на его поверхности фиксировали за счет образования системы связей — Si — O — Si — C —, то в дальнейшем мы расширили круг носителей практически на все классы неорганических веществ, а в качестве модификаторов использовали около десятка различных классов элементоорганических соединений. Результаты этого цикла
исследований вместе с анализом многочисленных литературных данных обобщены в нашей коллективной монографии.
Важнейшим этапом научного исследования в области привитых поверхностных соединений является выяснение состава и строения привитого слоя. Серьезные трудности возникают при изучении привитых слоев на носителях с низкой величиной удельной поверхности (пластинки, грани монокристаллов, металлическая фольга).
Подобные образцы содержат на своей поверхности исчезающе малое количество привитого вещества. Например, пластина кремния, модифицированная монослоем триметилхлорсилана, на площади 1 см2 содержит менее 30 нг привитого материала. Это обусловливает невоз- можность применения химических методов анализа и существенно уменьшает информативность физических методов. Поэтому пода вляющее большинство экспериментальных работ в рассматриваемой области выполнено на объектах, обладающих развитой поверхностью. Понятно, что высокие значения удельной поверхности могут быть достигнуты либо за счет пористости образцов, либо за счет диспергирования, и неудивительно, что множество исследований касаются оксидных подложек, склонных к образованию пористых структур. Однако такие объекты, как металлы и многие соли, не склонны к образованию микро- и мезопор, поэтому для получения достоверной информации о строении привитого к таким веществам слоя приходится исследовать высокодисперсные материалы, иными словами, наночастицы. Таким образом, выбор в качестве носителей металлических и солевых наночастиц — вынужденная мера, продиктованная объективными обстоятельствами, но отнюдь не данью моде.
Следует иметь в виду, что авторы, будучи активно работающими исследователями, имеют собственные предпочтения и даже пристрастия в рассматриваемой области. Поэтому глава об углеродных наночастицах содержит явно выраженный уклон в сторону детонационного наноалмаза, изучению которого авторы посвятили много времени и сил.
Мы не смогли охватить все аспекты физикохимии неорганических наночастиц. Почти не отражена тематика, связанная с математическим моделированием поверхности и квантово-химическими расчетами.
В книге намеренно не рассмотрен такой важный класс наночастиц, какфуллерены. Это обусловлено тем, что произошло становление целой уллеренов (см. фундаментальную коллективную монографию5). По-видимому, имеются и другие пробелы. Мы будем благодарны читателям за любые замечания и рекомендации.
Цитируемый библиографический материал охватывает преимущественно публикации последних 10—15 лет. В связи со все возрастающим потоком информации нами для удобства читателей приведены достаточно обширные и детализированные библиографические списки, включающие как оригинальные, так и обзорные работы.
Книга предназначена для широкого круга физикохимиков, химиков-аналитиков, фармакологов, биохимиков, материаловедов, в первую очередь для специалистов, занимающихся применением наночастиц в практике. Она также представляет интерес для студентов и аспирантов, обучающихся по специальностям, связанным с нанотехнологиями.
Благодарим сотрудников и аспирантов лаборатории химии поверхности Алексея Владимировича Карпухина, Владимира Владимировича Королькова, Юрия Андреевича Крутякова, Тимура Радиковича Низамова, Анатолия Викторовича Сафронихина, Татьяну
Николаевну Щербу, Руслана Юрьевича Яковлева, материалы диссертаций которых были использованы при написании этой книги.
Считаем своим долгом поблагодарить сотрудников лаборатории химии поверхности — доктора химических наук Генриха Владимировича Эрлиха и кандидата химических наук Павла Германовича Мингалёва за полезные обсуждения и замечания, а также профессора
химического факультета МГУ Михаила Яковлевича Мельникова, без деятельной поддержки которого издание книги было бы невозможно.
Профессор Г. В. Лисичкин
Химический факультет МГУ, ноябрь 2020 г.
ГЛАВА 1
МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ
НАНОЧАСТИЦЫ
Интерес к химически модифицированным наночастицам металлов,
способам их получения, свойствам и практическому применению об-
условлен сочетанием ценных свойств металлического ядра (эффект
поверхностного плазмонного резонанса, усиление флуоресценции
и неупругих видов рассеяния, ферро- или парамагнетизм) и привито-
го слоя, который может обеспечивать селективность взаимодействия
с компонентами окружающей среды, обладать фармакологической
активностью и другими полезными свойствами. Ключевыми харак-
теристиками металлических наночастиц, определяющими их свой-
ства, являются природа металла, размер и геометрия частиц, состав
и строение привитого слоя. Для решения практических задач послед-
ний фактор имеет решающее значение, поскольку функциональные
свойства таких материалов обусловлены главным образом природой
привитых молекул. Несмотря на несомненные успехи, достигнутые
в рассматриваемой области, вопросы формирования хемосорбци-
онного слоя, управления свойствами металлических наночастиц
представляют собой интересное и актуальное направление развития
исследований.
1.1. О модифицировании поверхности наночастиц неблагородных переходных металлов
Специфика наноразмерного состояния состоит в наличии разви-
той поверхности. Удельная поверхность непористых сферических
частиц плотностью 10 г/см3 в интервале 1–100 нм составляет
6–600 м2/г, что сопоставимо с аналогичными величинами для тра-
диционных неорганических сорбентов. При этом химический со-
став поверхностного слоя для двух групп металлов — благородных
и неблагородных, принципиально отличается. Благородные ме-
таллы обладают высокими значениями стандартных электродных
потенциалов реакций окисления и поэтому содержат на поверхно-
сти атомы нульвалентного металла. Наличие в сорбционном слое
молекул кислорода и воды существенным образом не сказывается
на химическом состоянии поверхностных атомов. Принципиаль-
но иная ситуация для металлов, находящихся в ряду стандартных
потенциалов левее водорода. Неокисленная поверхность для них
возможна только в инертной атмосфере или в бескислордной кон-
денсированной среде. При контакте наночастиц металлов, относя-
щихся к этой группе, с воздухом, жидкостями, содержащими рас-
творенный кислород, на их поверхности образуется оксидный слой,
а частица состоит из металлического ядра и оксидной оболочки.
Кроме того, в случае использования воды в качестве дисперсионной
среды возможна ее хемосорбция с формированием поверхностных
гидроксильных групп:
Толщина такой оболочки составляет единицы нанометров
и в случае объектов, размер которых сопоставим с этой величиной,
значительная часть объема наночастицы фактически является окси-
дом/гидроксидом, а не металлом. Этим обстоятельством обусловле-
но различие в методах химического модифицирования поверхности
наночастиц благородных и неблагородных металлов. Задача хими-
ческого модифицирования поверхности наночастиц неблагородных
переходных металлов сводится к детально разработанной проблеме
модифицирования оксидных поверхностей [1, 2]. Модифицирование
поверхности оксидных наночастиц рассмотрено в главе 2.
1.2. Химическое модифицирование поверхности наночастиц благородных металлов
Привитый слой поверхностно модифицированной частицы состоит
из нескольких фрагментов: якорной группы, линкера (ножки) и це-
левой функциональной группы (рис. 1.1).
В случае благородных металлов закрепление модификатора
происходит за счет прямого взаимодействия поверхностных атомов
с якорной группой модификатора, имеющей высокое сродство к ним.
Такими группами могут быть тиольная (–SH), сульфидная (–S–),
дисульфидная (–S–S–), амино (–NH2), тиокарбокси (–C(O)SH,
–C(S)SH) и подобные им.
Главная функция якорной группы соединения, используемого
в качестве химического модификатора наночастиц благородных ме-
таллов, состоит в образовании прочных связей с поверхностными
атомами. В табл. 1.1 приведена сводная информация о функциональ-
ных группах, содержащихся в молекулах модификаторов. Если в мо-
лекуле модификатора есть несколько групп, способных к хемосорб-
ции на металлической поверхности, отнесение произведено к той,
которая характеризуется более прочным связыванием.
Наиболее часто в качестве якорных на практике используются
серосодержащие группы, такие как тиольная [3–11, 20–33], сульфид-
ная [34] и дисульфидная [12, 35], в том числе в составе гетероциклов
[13, 20, 23]. Способность образовывать прочные комплексы с переход-
ными металлами амино- и иминогрупп также обуславливает их при-
менение в качестве якорных [8, 15, 36, 37]. Это же свойство лежит в ос-
нове химического модифицирования поверхности соединениями, содержащими карбоксильную группу [14–16], фосфорсодержащими
органическими [38], неорганическими [39] и смешанными комплек-
сонами [19]. В качестве якорных групп также можно использовать
тиокарбаматы [17, 18].
Химический модификатор поверхности может вводиться в реак-
ционную среду как непосредственно в момент получения золя, так
и впоследствии. Образование химически модифицированных нано-
частиц условно может быть разделено на две стадии: формирование
металлического ядра и пассивация поверхности [20].
Гидрофильность/гидрофобность поверхности химически моди-
фицированных наночастиц, в том числе и металлических, определя-
ется главным образом природой внешней функциональной группы
модификатора. Степень ее полярности коррелирует с гидрофильно-
стью поверхности. содержащими карбоксильную группу [14–16], фосфорсодержащими
органическими [38], неорганическими [39] и смешанными комплек-
сонами [19]. В качестве якорных групп также можно использовать
тиокарбаматы [17, 18].
Химический модификатор поверхности может вводиться в реак-
ционную среду как непосредственно в момент получения золя, так
и впоследствии. Образование химически модифицированных нано-
частиц условно может быть разделено на две стадии: формирование
металлического ядра и пассивация поверхности [20].
Гидрофильность/гидрофобность поверхности химически моди-
фицированных наночастиц, в том числе и металлических, определя-
ется главным образом природой внешней функциональной группы
модификатора. Степень ее полярности коррелирует с гидрофильно-
стью поверхности.
Если такая группа способна к кислотно-основным взаимодей-
ствиям, то путем изменения рН среды можно генерировать на по-
верхности заряд нужной полярности. Внешняя сульфогруппа гидро-
фильных наночастиц золота или серебра, полученных боргидридным
восстановлением соединений Ag(I) и Au(III) [40], способна существо-
вать в виде пары кислота — сопряженное основание.
Аналогичное взаимодействие возможно и для наночастиц сере-
бра, химически модифицированных аминотиоэтанолом [41].
Использование соединений, включающих катион четвертичного
аммония, позволяет синтезировать частицы, содержащие хемосор-
бированные заряженные фрагменты, не изменяющиеся в результате
кислотно-основных превращений [42]:
При достаточно высокой степени заполнения поверхности нано-
частиц молекулами модификатора между ними возможны вторич-
ные взаимодействия. Например, при модифицировании наночастиц
золота меркаптопропионовой кислотой образуются межмолекуляр-
ные водородные связи [43]:
При наличии в молекуле модификатора функциональных групп,
способных к химическому взаимодействию между собой, например
амино- и карбонильной, происходит реакция конденсации:
На поверхности наночастиц золота под действием факторов
внешней среды возможен процесс окисления спиртовой группы ци-
трата, сопряженный с последовательным декарбоксилированием,
приводящий к частичной деструкции молекулы модификатора [44]:
Лазерное облучение наночастиц серебра, химически модифици-
рованных п-аминотиофенолом, в присутствии кислорода при доста-
точно высокой плотности прививки приводит к реакции конденса-
ции аминогрупп [45].
Подобного рода явления необходимо учитывать при разработке
методов химического модифицирования поверхности металличе-
ских наночастиц и при дальнейшем исследовании и практическом
использовании синтезированных объектов.
В зависимости от природы модификатора может происходить об-
разование как -, так и -связей между поверхностными атомами на-
ночастиц и молекулами модификатора.
Для серебра характерна хемосорбция молекул, содержащих кар-
боксильную группу, с формированием -связей Ag–O (1), тогда как
для золота более вероятен поверхностный комплекс (2), образован-
ный за счет -взаимодействия. Аналогичным образом может быть
описано взаимодействие поверхностных атомов наночастиц с атома-
ми серы, содержащимися в дитиолановых фрагментах химических
модификаторов наночастиц.
Большинство авторов приводят структуру поверхностных ком-
плексов без разрыва связи S–S дисульфидного фрагмента гетероцик-
ла (4), тем не менее в литературе встречается описание хемосорбции
с образованием -связей M–S (3) [46].
При использовании нескольких модификаторов, содержащих
функциональные группы разной природы, на поверхности метал-
лических наночастиц могут одновременно содержаться фрагменты,
хемосорбция которых происходит за счет образования как -, так
и -связей [8].
Прочно связанные с поверхностью модификаторы обуславливают
высокую стабильность частиц. Так, наличие на поверхности наноча-
стиц золота хемосорбированной 2-меркаптоянтарной кислоты пре-
пятствует реакции цианидного аэробного растворения золота, широко
используемой в промышленности для его извлечения из руды [47].
Процесс получения золей серебра, содержащих привитый слой
додекантиола, с использованием в качестве исходных компонен-
тов нитрата серебра, боргидрида натрия и додекантиосульфата на-
трия может быть представлен в виде нескольких последовательных
превращений [48].
Окислительно-восстановительная реакция между нитратом се-
ребра и боргидридом натрия приводит к образованию наночастиц,
содержащих на поверхности анионы боргидрида, которые затем вы-
тесняются додекантиосульфатом, имеющим бoльшее сродство к по-
верхности металла. Из-за способности иона боргидрида к гидролизу
он в большинстве методик синтеза золей благородных металлов бе-
рется в избытке. Наличие в реакционной смеси сильного восстано-
вителя способствует преобразованию тиосульфата в тиолят, прочно
удерживаемый поверхностными атомами металла.
Один из наиболее часто используемых синтетических приемов
получения химически модифицированных наночастиц благородных металлов состоит в восстановлении исходного соединения металла
в присутствии вещества, способного к хемосорбции на поверхности
наночастиц. Типичная методика, в основе которой лежит такого
рода стратегия, приведена в работе [4]. Авторы предварительно полу-
чают раствор, содержащий нитрат серебра и цистеин, охлаждают его
на ледяной бане, а затем вводят боргидрид натрия. Продукт реакции
представляет собой золь наночастиц серебра, химически модифици-
рованных цистеином.
В ряде случаев раствор модификатора вводится после восста-
новления исходного соединения и формирования золя металла.
Такой прием использован авторами [10] для химического модифи-
цирования наночастиц серебра тиолированными производными
1,3,5-триазинов.
Если рассматривать химическое модифицирование поверхности
наночастиц как вторичное взаимодействие по отношению к окисли-
тельно-восстановительной реакции, то фактически в реакционной
системе происходит замена одного компонента поверхностного слоя
другим, имеющим бoльшее сродство. За счет этого взаимодействия
происходит переход системы в область меньшего избытка поверх-
ностной энергии, ее стабилизации. Так, при боргидридном восста-
новлении нитрата серебра в присутствии цитрата натрия образуется
золь серебра, содержащий в поверхностном слое цитрат-ионы, кото-
рые, в свою очередь, могут быть вытеснены -меркаптоалкильными
производными пропановой или нонановой кислот [7].
Аналогичный подход, описанный авторами [21], позволяет полу-
чать золи наночастиц золота, содержащие на поверхности хемосор-
бированные тиольные производные 1,2,4-триазолов, для определе-
ния соединений Cr(III).
Процесс вытеснительной хемосорбции на поверхности нано-
частиц благородных металлов широко используется в методиках
получения реагентов, обладающих высокой селективностью к ши-
рокому спектру неорганических, органических и биоорганических
соединений.
Реакционная способность внешних функциональных групп мо-
лекул стабилизатора может быть использована для дальнейшего хи-
мического модифицирования поверхности наночастиц благородных
металлов. Например, наночастицы золота или серебра, поверхностно
модифицированные меркаптоуксусной кислотой,
далее могут быть введены в химические реакции с аминокислотами,
белками [49],
практически важными гликопептидами, такими как ванкомицин
так и в сочетании с аминами [52].
Для решения практических задач, связанных с хемилюминес-
ценцией живых объектов, необходимо получить биосовместимые
золотые наночастицы, содержащие, например, комплекс рутения
с бипиридилом. Достижение поставленной цели достигается после-
довательной обработкой исходного золя золота тиолированными
олигомерами этиленгликоля, а затем предварительно синтезирован-
ным тиолсодержащим комплексом рутения в соответствии со схе-
мой, приводимой ниже [53].
Таким образом, возникает возможность синтеза конъюгатов на-
ночастиц с широким набором биологически активных и лекарствен-
ных веществ.
1.3. Модифицированные наночастицы металлов в неводных средах
Традиционные методы получения органозолей химически модифици-
рованных металлических наночастиц, основанные на жидкофазных
окислительно-восстановительных реакциях, имеют существенные
ограничения, связанные с растворимостью компонентов. В тех случа-
ях, когда требуемый модификатор поверхности плохо либо вообще не-
растворим в воде, в качестве реакционной среды используют неводный
растворитель. Задача подбора растворителя обычно решается эмпири-
чески, причем ее конкретное решение представляет собой компромисс.
Так, в работе [54] для получения неводных золей наночастиц золота,
стабилизированных тиолами, авторы предлагают следующий подход:
получают метанольные растворы золотохлористоводородной кисло-
ты и тиола, объединяют их, подкисляют ледяной уксусной кислотой,
а затем в реакционную массу вводят раствор боргидрида натрия. После
прохождения окислительно-восстановительной реакции летучие ком-
поненты удаляют под вакуумом, а полученный продукт редиспергиру-
ют в диэтиловом эфире. В момент замены дисперсионной среды может
происходить агрегация наночастиц.
В последнее десятилетие получили развитие работы по синтезу
наночастиц благородных металлов в среде низкотемпературных ион-
ных жидкостей [55], см. раздел (1.5).
Органозоли химически модифицированных наночастиц благо-
родных металлов могут быть получены методами низкотемпера-
турной соконденсации паров металла и органического соединения
(металлопаровой синтез) [56], лазерной абляции в органической дис-
персионной среде [57], радиолитическими методами [58].
Для того чтобы получить устойчивый металлический органо-
золь совместной низкотемпературной конденсацией паров метал-
ла и органического соединения, необходимо ввести в реакционную
среду модификатор поверхности в процессе плавления криома-
трицы. Описанный подход использован для получения золей пал-
ладия, стабилизированных поливинилпирролидоном [59]. После
низкотемпературной соконденсации паров палладия и органическо-
го соединения и последующего плавления криоматрицы в систему
вводится поливинилпирролидон, который вытесняет молекулы рас-
творителя из сорбционного слоя наночастиц, тем самым стабилизи-
руя органозоль. Методом низкотемпературной соконденсации паров
получены Au-Cu биметаллические коллоидные системы [60]. При-
рода используемого органического соединения существенным обра-
зом сказывается на устойчивости золя и значительно меньше влияет
на средний размер частиц. Без дополнительной стабилизации по-
верхности золь стабилен от 1 часа до 4 суток. Средний размер частиц
после плавления криоматрицы находится в интервале 2–5 нм.
Авторами [61] исследована стехиометрия взаимодействия наноча-
стиц золота, полученных методом низкотемпературной соконденса-
ции, размером от 2 до 8 нм с алифатическими тиолами. Количествен-
ные оценки показывают, что одна молекула модификатора приходится
примерно на восемь атомов золота. Стехиометрия частицы размером
4 нм может быть описана формулой Au2000 — (S — R)235. В нашем обзо-
ре [62] приведены оценочные характеристики аналогично полученных
наночастиц серебра размером 5 нм, содержащих ~4450 атомов, с долей
на поверхности на уровне 3,5 %. По данным авторов, модификатор об-
разует ковалентно связанный плотный монослой.
Дисперсии наночастиц золота, полученные методом низко-
температурной соконденсации паров, могут быть унифицированы
по размеру путем последующего введения в свежеполученный золь
додекантиола в бутаноне, триоктилфосфина в п-третбутилтолуоле,
отгонки низкокипящих фракций и выдержки полученной реакци-
онной массы при 190 °C в атмосфере аргона от полутора часов до двух
дней. Конечный продукт содержит наночастицы размером 6,6 1
и 6,0 2 нм при использовании додекантиола и триоктилфосфина
соответственно [63].
В работе [64] приводится описание металлопарового метода
получения золей золота в бутаноне и взаимодействия наночастиц
с первичными алифатическими аминами, содержащими в основ-
ной цепи от 12 до 18 атомов углерода. Авторы исследовали эффекты,
способствующие оствальдову и расщепляющему (digestive) созрева-
нию частиц золя. Для этого они вводили в химически модифици-
рованный золь мезитилен, отгоняли бутанон и выдерживали полу-
ченную систему при ~165 °C длительное время (вплоть до 30 часов).
Экспериментальные данные показывают, что при такой обработке
не происходит увеличения среднего размера частиц и их ширины
распределения. Основной вывод состоит в том, что в системе суще-
ствует равновесие между оствальдовым и расщепляющим созревани-
ем коллоидной системы.
Применение металлопарового синтеза для получения наноча-
стиц благородных металлов в препаративном плане вряд ли может
конкурировать с традиционным коллоидно-химическим синтезом:
производительность установок для соконденсации паров металла
и лиганда низка. Однако для получения наночастиц металлов, хими-
ческое восстановление которых термодинамически запрещено при
невысоких температурах, металлопаровой синтез незаменим.
В [57] приведено описание прямого получения наночастиц зо-
лота и серебра в жидком аммиаке методом лазерной абляции. Рас-
пределение частиц по размерам и стабильность во времени сопо-
ставимы с аналогами, полученными в водной среде. Вместе с тем
в аэробных условиях дисперсии серебра подвергаются деструкции
с образованием аммиакатов Ag(I), чего не происходит в случае зо-
лота. Однако главный недостаток метода абляции — его низкая
производительность.
Радиолиз соединений Ag(I) в 2-пропаноле приводит к образо-
ванию золей серебра [65]. Основу механизма составляют свободно-
радикальные процессы с участием молекул растворителя, ионов
Ag+ и атомарного серебра. Ключевой интермедиатной частицей,
по мнению авторов, является катион-радикал Ag2
+ ·. В [58] содержит-
ся описание радиационно индуцированных реакций восстановле-
ния перхлората серебра в среде органических растворителей, таких
как тетрагидрофуран и 1-метокси-2-пропанилацетат. Выход наноча-
стиц, определяемый по интенсивности поглощения полосы поверх-
ностного плазмонного резонанса, коррелирует с дозой облучения
и исходной концентрацией соединения серебра. Восстановление ио-
нов Ag+ происходит путем их взаимодействия с сольватированными
электронами, образующимися при радиолизе молекул растворителя.
При введении в реакционную среду воды или спиртов при той же
дозе облучения выход наночастиц существенно снижается.
Органозоли химически модифицированных металлических на-
ночастиц могут быть получены в двухфазных водно-органических
системах [66–69]. В этом случае происходит перенос довольно круп-
ных объектов размером порядка единиц-десятков нанометров сквозь
границу раздела фаз. Для этого в систему вводится специальный
компонент — фазовый переносчик, в качестве которого в большин-
стве случаев используется катионное ПАВ. Но такого рода соедине-
ния сами способны к взаимодействию с поверхностью наночастиц.
Экспериментальные данные, полученные нами [70], говорят о том,
что прямое химическое модифицирование поверхности с использо-
ванием тиолсодержащих органических соединений более эффектив-
но по отношению к аналогичному, включающему фазовый перенос.
Авторами [71] также проведено сравнение альтернативных мето-
дов получения неводных золей золота, модифицированных тиолами
или аминами. Первый из них основан на низкотемпературной со-
конденсации паров металла и бутанона с последующим плавлением
и введением в реакционную массу стабилизаторов поверхности, ис-
парением бутанона и редиспергированием коллоида в толуол. Второй
метод — окислительно-восстановительная реакция между золото-
хлористоводородной кислотой и боргидридом натрия в мицеллярной
среде, состоящей из толуола, воды и бромида дидодецилдиметилам-
мония, с последующим взаимодействием наночастиц золота с моди-
фикатором, находящимся в органической фазе. Конечные продукты
в обоих случаях представляют собой химически модифицированные
золи наночастиц золота в толуоле. Золи, для которых не применял-
ся фазовый перенос, существенно менее склонны к расщепляющему
созреванию. Скорее всего, причина такого поведения состоит в не-
полном вытеснении молекул фазового переносчика из сорбционного
слоя наночастиц
1.4. Применение химически модифицированных наночастиц 31
золота и серебра
Синтез высокоспецифичных материалов на основе металлических
наночастиц в настоящее время представляет собой бурно развиваю-
щийся раздел науки, находящийся на стыке препаративной химии,
материаловедения, аналитической химии, фармакологии, катали-
за, оптики, спектроскопии, методов биомедицинской диагностики
[72–90].
Направление, включающее получение конъюгатов металличе-
ских наночастиц с биологически активными веществами (БАВ),
в настоящее время находится в стадии интенсивного роста [87, 88,
91–96]. Количество работ в этой области постоянно растет, тенден-
ции стабилизации их в ближайшее десятилетие не наблюдается.
Такие золи способны к обратимому взаимодействию с широ-
ко используемым цитостатиком доксорубицином. Этот цитостатик
весьма токсичен, поэтому снижение его дозы за счет использования
наночастиц-носителей — важная задача фармакологии.
При попадании конъюгата внутрь клетки происходит высвобож-
дение лечебного препарата. При этом до 60 % от общего количества
доксорубицина оказывается в клеточном ядре.
Олигопептиды, содержащие дисульфидный фрагмент, успешно
использованы авторами [101] в качестве модификаторов поверхности
наночастиц золота и серебра.
Природа металла существенным образом влияет на свойства ко-
нечного продукта. Так, дисперсии серебра, модифицированные та-
кого рода олигопептидами, проявляют биологическую активность
в отношении клеток макрофагов THP-1, в то время как аналогичные
золи золота — нет.
1.4.1. Фармакология и смежные области
Одно из наиболее перспективных направлений применения химиче-
ски модифицированных наночастиц благородных металлов — это фар-
макология, где они рассматриваются в качестве платформ для адресной
доставки лекарственных средств. При значении удельной поверхности
наночастиц порядка 10 м2/г и выше их сорбционная способность по-
зволяет успешно создавать подобные материалы. Золи наночастиц
благородных металлов, получаемые традиционными химическими
методами, в исходном состоянии токсичны [97–99] и для объединения
с целевой фармакологической субстанцией требуют предварительного
химического модифицирования поверхности. Кроме обеспечения со-
вместимости компонентов такое модифицирование может выполнить
защитную функцию, препятствуя прямому контакту поверхностных
атомов металла с биообъектом. Так, авторами [100] приводится описа-
ние способа получения конъюгатов наночастиц золота с доксорубици-
ном, поверхностно стабилизированных тиолсодержащими пептидны-
ми димерами аминокислот, например тиопропином.
Такие золи способны к обратимому взаимодействию с широ-
ко используемым цитостатиком доксорубицином. Этот цитостатик
весьма токсичен, поэтому снижение его дозы за счет использования
наночастиц-носителей — важная задача фармакологии.
При попадании конъюгата внутрь клетки происходит высвобож-
дение лечебного препарата. При этом до 60 % от общего количества
доксорубицина оказывается в клеточном ядре.
Олигопептиды, содержащие дисульфидный фрагмент, успешно
использованы авторами [101] в качестве модификаторов поверхности
наночастиц золота и серебра.
Природа металла существенным образом влияет на свойства ко-
нечного продукта. Так, дисперсии серебра, модифицированные та-
кого рода олигопептидами, проявляют биологическую активность
в отношении клеток макрофагов THP-1, в то время как аналогичные
золи золота — нет.
Одной из наиболее интенсивно развивающихся областей при-
менения химически модифицированных наночастиц благородных
металлов является определение нуклеотидных последовательностей
в олигонуклеотидах или ДНК [102–104]. Наночастицы непосред-
ственно после получения модифицируют нуклеотидными последо-
вательностями, комплементарными к определяемым. После этого
проводят полимеразно-цепные реакции (ПЦР) с аналитом, добива-
ясь селективного связывания комплементарных нуклеотидных по-
следовательностей. Такие связанные с аналитом наночастицы могут
быть выделены из реакционной среды седиментацией.
В табл. 1.2 приведена информация о конъюгатах БАВ с наноча-
стицами благородных металлов, а также областях практического ис-
пользования конъюгатов.
Химические модификаторы поверхности, одновременно явля-
ющиеся БАВами, содержат функциональные группы, способные
к прямому взаимодействию с поверхностными атомами наночастиц.
Мирамистин, представляющий собой катионное поверхностно-ак-
тивное вещество, может стабилизировать поверхность наночастиц
серебра, что использовано авторами [105] для получения конъюга-
тов, обладающих антибактериальными свойствами. Природные вы-
сокомолекулярные вещества полисахаридной природы, такие как
хитозан и циклодекстрин, за счет своих функциональных групп до-
вольно эффективно стабилизируют золи золота и серебра, которые
в дальнейшем могут быть использованы в химическом анализе и как
среды, обладающие эффектом гигантского комбинационного рассе-
яния [106, 107, 111, 127, 128].
1.4.2. Применение в неорганическом анализе
Благодаря стабильности свойств и относительно невысокой стои-
мости наиболее часто в практике анализа используются золи золота
и серебра. Опубликованы единичные работы по использованию пла-
тины и палладия, но они не играют значимой роли в данной области.
В методиках определения неорганических аналитов чаще использу-
ют золи серебра, при анализе органических, а особенно биооргани-
ческих объектов — золота.
Химически модифицированные наночастицы благородных ме-
таллов находят применение при определении неорганических со-
единений [25, 72, 84, 129]. Такие аналитические реагенты могут быть
использованы в качестве групповых для суммарного определения
однотипных аналитов либо индивидуальных для селективного
определения того или иного катиона или аниона. При выборе моди-
фикатора может иметь значение метод регистрации аналитического
сигнала: например, функциональная группа, образующая комплекс
с аналитом, может тушить флуоресценцию или иметь сильное погло-
щение в той или иной области спектра.
В основе определения катионов и/или анионов лежит взаимодей-
ствие наночастиц с аналитом, приводящее к формированию анали-
тического сигнала, фиксируемого инструментально. Чаще всего для
целей неорганического анализа используют абсорбционную молеку-
лярную спектрометрию, реже — электрохимические и люминесцент-
ные методы. Обзор методик определения неорганических аналитов
с использованием золей наночастиц благородных металлов приведен
в табл. 1.3.
В большинстве случаев наличие функциональных групп в моле-
куле модификатора является необходимым и достаточным условием
для образования комплекса с аналитом. Иногда для этого необходи-
мо введение в состав системы добавочного реагента.
Наличие карбоксильных групп в цитрат-стабилизированных на-
ночастицах серебра способствует координации ионов редкоземель-
ных металлов, имеющих собственную флуоресценцию. В работе [130]
описана методика определения ионов тербия(III) с участием цитрат-
стабилизированных коллоидов серебра. Ион тербия координируется
с карбоксильными группами модификатора, образуя поверхностный
комплекс. В качестве дополнительного компонента в систему вводят
дипиколиновую кислоту:
Ее присутствие способствует устранению сразу нескольких
проблем, осложняющих флуоресцентное определение аналита.
Во-первых, дипиколиновая кислота способна к вытеснению из ко-
ординационной сферы иона тербия молекул воды, тушащих флуо-
ресценцию. Во-вторых, формирование такого рода разнолигандного
поверхностного комплекса препятствует взаимодействиям наноча-
стиц между собой, устраняя их агрегацию.
Устойчивость подобных поверхностных фрагментов, включа-
ющих аналит, определяется конкурентными реакциями комплек-
сообразования с участием зафиксированных на поверхности внеш-
них лигандов. Константы устойчивости комплексов на поверхности
и в объеме с участием внешнего реагента должны быть сопоставимы
между собой. В случае высоких значений констант устойчивости по-
верхностных комплексов при введении аналита в концентрациях
выше критического (порогового) значения может происходить необ-
ратимая агрегация наночастиц. На этом принципе основано опреде-
ление малых концентраций ионов Hg2+ с использованием золей нано-
частиц серебра, поверхностно стабилизированных цистеином [131].
Кроме того, возможно разрушение двойного электрического слоя на-
ночастиц, возникновение эффекта приобретенной гидрофобности,
что также способствует потере устойчивости коллоидной системы.
При образовании более устойчивого комплекса с внешним лиган-
дом использование химически модифицированных наночастиц для
определения аналита теряет смысл.
Образование комплексов с участием функциональных групп
нескольких наночастиц и ионов металлов может быть использова-
но для определения последних. Основная задача химического ана-
лиза, связанная с такими объектами, — получение специфического
аналитического сигнала, ассоциированного с супрамолекулярными
структурами, возникающими в ходе взаимодействия металл — ли-
ганд. В большинстве случаев аналитическим сигналом является ин-
тенсивность поглощения в видимой и ближней ИК-областях спектра
при больших длинах волн по сравнению с максимумом полосы ППР.
Формы полос, соотношение интенсивностей в максимуме и при фик-
сированных значениях длин волн для индивидуальных наночастиц
и их ассоциатов отличаются. Таким методом может быть определен
широкий круг соединений щелочноземельных, редкоземельных,
переходных металлов [79, 131–142]. Использование несферических
наночастиц благородных металлов, содержащих в спектре ППР не-
сколько полос, — в данном случае скорее мешающий фактор. Види-
мо, этим обусловлено наличие буквально единичных работ с исполь-
зованием золей несферических наночастиц [143, 144].
При химическом модифицировании за счет вытеснения другим
реагентом (модификатором) молекул стабилизатора с поверхности
наночастиц необходимо добиваться его относительно высокого со-
держания в конечном продукте. Это условие не всегда является обя-
зательным. В ряде случаев формирование поверхностного комплекса
возможно с участием двух типов молекул — стабилизатора, вводи-
мого при синтезе наночастиц, и модификатора, используемого для
связывания аналита. В работе [79] синтезирован золь серебра, со-
держащий одновременно на поверхности ионы цитрата и изонико-
тиновую кислоту. Последующая обработка этого золя соединениями
хрома(III) приводит к образованию разнолигандных поверхностных
комплексов с участием нескольких наночастиц, фиксируемых спек-
трофотометрически по наличию дополнительной полосы поглоще-
ния с максимумом в области 550 нм.
Модифицирование поверхности наночастиц серебра меркапто-
бензойной кислотой использовано для определения переходных ме-
таллов, например меди [132].
Соединения, образующие с металлами хелаты, такие как ими-
нодиуксусная кислота, использованы в качестве модификаторов
поверхности наночастиц серебра для определения катионов с коор-
динационным числом 4, например свинца(II) [139]. При связывании
свинца наночастицы серебра образуют дополнительную полосу по-
глощения ППР в области 650 нм. Аналогичный эффект не наблю-
дается для соединений Mn(II), Cd(II), Cu(II), Hg(II), Ba, Ca, Zn(II),
Co(II), Li, Ag(I), Fe(III), Mg, K, Al при соотношении концентраций
металл — аналит в диапазоне 2 : 1–20 : 1.
Дополнительные полосы с максимумом при 640–680 нм зафик-
сированы в работе [146], их целью было определение ионов тяжелых
металлов, в частности кадмия, на химически модифицированных
производными 1,2,4-триазола золотых наночастицах. Многоцентровое взаимодействие аналита с молекулами модифи-
катора, содержащимися на одной наночастице, с образованием ассо-
циатов лежит в основе определения ионов хрома(III) [145]. В присут-
ствии хрома(III) в спектре поглощения возникает дополнительная
полоса при 630 нм, не проявляющаяся для соединений Zn(II), Ni(II),
Co(II), Cu(II), Mn(II), Pb(II), Hg(II), Fe(III), Pt(IV), Mo(V), W(VI),
Cr(VI).
В случае недостаточной устойчивости комплексов, включающих
ион металла и лиганд, химически закрепленный на поверхности на-
ночастиц, в систему дополнительно вводят соединение-линкер, обе-
спечивающее формирование супрамолекулярных структур.
В работах [25, 147] описано получение наночастиц золота, хи-
мически модифицированных меркаптопропионовой кислотой.
При введении в них дипиколиновой кислоты (2,6-дикарбоксипири-
дина) и ионов ртути(II) формируются упорядоченные ансамбли на-
ночастиц. Это явление можно использовать в высокоселективном
и чувствительном методе определения ртути(II).
Эффекты формирования комплексов с участием функциональ-
ных групп химически модифицированных наночастиц благородных
металлов обычно проявляются в интервале концентраций аналита
0,1–10 мкМ. Перспективным направлением исследований в данной
области является поиск пар «химически модифицированная наноча-
стица — аналит», позволяющих проводить анализ на уровне концен-
траций 1 нМ и ниже.