На правах рукописи

КРУТЯКОВ Юрий Андреевич

СИНТЕЗ, ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ И АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ

СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА

02.00.11 – коллоидная химия и физико-химическая механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Москва – 2008 www.sp-department.ru

Работа выполнена в лаборатории органического катализа кафедры химии нефти и органического катализа Химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: Вед. научн. сотр., кандидат хим. наук Оленин Андрей Юрьевич

Официальные оппоненты: Доктор химических наук, профессор Матвеенко Владимир Николаевич Химический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова Доктор химических наук, профессор Губин Сергей Павлович Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова

Ведущая организация: Российский химикотехнологический университет имени Д.И. Менделеева

Защита состоится " 27 " ноября 2008 г. в 1645 на заседании диссертационного совета Д 501.001.49 по химическим наукам при Московском Государственном Университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 3, ГСП-1, МГУ, Химический факультет, ауд. 337.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан " 24 " ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук Ю.Г. Богданова www.sp-department.ru

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее десятилетие наблюдается экспоненциальный рост в фундаментальных и прикладных областях науки, связанный с синтезом наночастиц (НЧ) благородных металлов, изучением их свойств и практическими применениями. Подъем в этой сфере обусловлен, прежде всего, развитием инструментальных и синтетических методов получения и исследования таких материалов, на которые возлагаются большие надежды, связанные с их использованием в микроэлектронике, оптике, катализе, медицине, сенсорном анализе и других областях.

НЧ серебра обладают редким сочетанием ценных физико-химических качеств. Тенденция к миниатюризации и необходимость совершенствования технологических процессов привела к значительному увеличению числа исследовательских работ, посвященных получению и свойствам серебряных НЧ, а их синтез в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений коллоидной химии.

Несмотря на превосходные оптические характеристики, уникальную способность усиления сигнала в спектроскопии комбинационного рассеяния и флуоресцентной спектроскопии, а также ярко выраженные антибактериальные свойства наночастиц серебра по сравнению с золотом, использование последнего в научных и прикладных целях оказалось несравненно более широким благодаря химической инертности золотых НЧ и простоте их получения. В связи с этим важную роль приобретает разработка простых и эффективных химических и физико-химических методов направленного синтеза НЧ серебра. Дисперсии НЧ серебра – типичные лиофобные коллоидные системы и нуждаются в стабилизации.

Синтез НЧ с использованием стабилизаторов приводит к созданию нового класса перспективных материалов, сочетающих уникальные свойства наноразмерного металла и специфические свойства поверхностного слоя стабилизатора, что особенно важно для решения прикладных задач.

Цели работы и постановка задачи. С целью выявления условий формирования НЧ серебра, влияния стабилизаторов на их физикохимические свойства в представленной работе решались следующие основные задачи:

- систематическое изучение закономерностей образования органозолей серебра в двухфазных водно-органических средах, влияния экспериментальных факторов на дисперсность и агрегативную устойчивость серебряных НЧ;

- разработка методики, позволяющей целенаправленно изменять гидрофильный/гидрофобный характер поверхности металлических НЧ;

- изучение возможности использования стабилизированных гидрофобных и гидрофильных НЧ серебра для концентрирования полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) из разбавленных растворов для последующего люминесцентного определения ПАУ при комнатной температуре;

- разработка методики получения НЧ серебра, стабилизированных коммерчески доступным поверхностно-активным антибактериальным агентом, обладающих ярко выраженными биоцидными свойствами;

- разработка методики модифицирования пленок и волокон полиэтилентерефталата, деформированных по механизму крейзинга, НЧ серебра.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в экспериментальном обосновании следующих положений:

- осуществлено систематическое изучение закономерностей образования органозолей серебра в двухфазных водно-органических средах, влияния экспериментальных факторов (прекурсора металла, межфазного переносчика и используемого стабилизатора) на дисперсность и агрегативную устойчивость серебряных НЧ;

- предложен новый универсальный способ синтеза поверхностномодифицированных гидрофильных НЧ серебра методом экстракции из неполярной среды. Показано, что синтез НЧ путем восстановления соли серебра в органической фазе и последующей экстракцией позволяет получать водные дисперсии НЧ с фракционным составом, недоступным при использовании традиционных однофазных методов синтеза;

';

- получены водные дисперсии НЧ серебра, стабилизированных широко известным антибактериальным агентом местного действия – хлоридом бензилдиметил[3-(миристоиламино)пропил]-аммония ("Мирамистином®");

- показано, что использование бромида цетилтриметиламмония в качестве стабилизатора позволяет получать высококонцентрированные (до г/л по металлу) и агрегативно устойчивые гидрозоли металла;

- показан эффект сенсибилизированной флуоресценции НЧ серебра в системах НЧ серебра – пирен – гексан и НЧ серебра – пирен – вода;

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в следующем:

- показано, что стабилизированные «Мирамистином» НЧ серебра обладают ярко выраженными антибактериальными свойствами в отношении патогенных грамположительных и грамотрицательных бактерий, грибов, дрожжей;

- продемонстрирована возможность использования нековалентно стабилизированных гидрофобных и гидрофильных НЧ серебра для концентрирования полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) из разбавленных растворов в н-гексане и воде с последующим люминесцентным определением при комнатной температуре;

- предложена методика модифицирования пленок и волокон полиэтилентерефталата, деформированных по механизму крейзинга, НЧ серебра. Показано, что модифицированные НЧ серебра полимерные материалы обладают выраженным антибактериальным действием.

Апробация работы и публикации. Опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей, 6 тезисов докладов на Российских и международных конференциях, 3 статьи приняты к печати.

Результаты работы представлялись на следующих конференциях:

XVIII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 23сентября 2007 г.); ІІ Международная конференция "Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии" (Киев, 21-23 ноября 2007 г.); VII Конференция молодых ученых "Актуальные проблемы современной неорганической химии и материаловедения" (Звенигород, 23-25 ноября г.); Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов – 2008", секция "Химия", Москва (8-11 апреля 2008 г.); III International Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics (Moscow 24-28 June 2008); Второй Международный форум "Аналитика и аналитики" (Воронеж, 22-26 сентября 2008).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех основных разделов, выводов и списка литературы.

В первом разделе, представляющем собой литературный обзор, рассматриваются основные традиционные и нетрадиционные методы синтеза НЧ серебра, их преимущества и недостатки. Обсуждаются оптические и антибактериальные свойства наносеребра и связанные с ними практические применения в областях спектроскопии и биомедицины.

Во втором разделе описываются экспериментальные методики синтеза НЧ серебра, процедуры исследования полученных образцов физикохимическими и микробиологическими методами.

В третьем разделе обсуждаются основные результаты по синтезу НЧ серебра и их характеристики. Рассматриваются сорбционно-люминесцентные и антибактериальные свойства НЧ серебра.

В выводах подводится итог проведенных исследований.

Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, включая 54 рисунка, 4 таблицы и список литературы, содержащий источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА

1.1. Синтез органозолей серебра Методика синтеза заключалась в добавлении водного раствора восстановителя (борогидрида натрия, NaBH4) при интенсивном перемешивании к двухфазной водно-органической смеси, содержащей исходное соединение металла, межфазный переносчик и стабилизатор. Для возможности корректного сравнения дисперсности и агрегативной устойчивости все реакции восстановления осуществлялись в идентичных условиях, в системе вода-толуол с одинаковым отношением водной и органической фаз. В качестве прекурсоров использовали нитрат серебра, дицианоаргентат калия, а также предварительно полученные гидрозоль бромида серебра и нитрат диамминсеребра. В качестве межфазных переносчиков использовали бромид тетра(н-октил)аммония (ТОАБ) и бромид (н-гексадецилтриметил)аммония (ЦТМАБ). Стабилизаторами во всех случаях выступал 1-додекантиол или сами межфазные переносчики в его отсутствие.

1.2. Синтез гидрозолей серебра Стандартная методика получения гидрозолей серебра состояла в медленном добавлении AgNO3 к раствору стабилизатора (четвертичной аммонийной соли или тиола), после чего к реакционной системе при интенсивном перемешивании добавлялся избыток водного раствора борогидрида натрия.

Методика получения небольших количеств концентрированных гидрозолей НЧ серебра для люминесцентного анализа заключалась в растворении навесок ЦТМАБ и AgNO3 в воде и медленном введении раствора борогидрида натрия при непрерывной ультразвуковой обработке.

1.3. Методы исследования полученных материалов В работе использовались просвечивающая (ПЭМ) и растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ (РФА), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), динамическое светорассеяние и абсорбционная электронная спектроскопия. Для оценки антибактериальной активности дисперсий НЧ серебра и других образцов использовали стандартный микрометод серийных разведений. Критерием антибактериальной активности служила величина минимальной подавляющей концентрации (МПК) – концентрация активного компонента, при которой наблюдалось подавление роста микроорганизмов.

2. Синтез гидрофобных наночастиц серебра в двухфазных водноорганических системах Применительно к НЧ серебра особенность метода синтеза в двухфазных водно-органических системах заключается в первоначальном образовании устойчивого органозоля бромида серебра в результате обменной реакции между молекулами переносчика (ЦТМАБ или ТОАБ) и солью металла. Образование органозоля происходит вследствие приобретения частицами AgBr отрицательного заряда из-за поверхностной адсорбции избыточных бромид-ионов, в результате чего становится возможным дальнейшее взаимодействие частиц золя с гидрофобными катионами четвертичного аммония и перенос частиц в неполярную среду.

2.1. Синтез НЧ из дицианоаргентата(I) калия Непосредственный перенос соединения металла в органическую фазу возможен при использовании прекурсора, способного к образованию ионного комплекса с межфазным переносчиком. Единственным доступным соединением, в котором серебро находится в форме отрицательно заряженного комплексного иона, является K[Ag(CN)2]. В процессе синтеза осуществляется перенос серебра в органическую фазу:

K+(aq) + [Ag(CN)2]-(aq) + N(C8H17)4Br(толуол) N(C8H17) [Ag(CN)2] (толуол) + K+(aq) + Br-(aq).

При добавлении водного раствора боргидрида натрия при наличии 1додекантиола происходит восстановление [Ag(CN)2]- до НЧ серебра и их последующая стабилизация:

m([Ag(CN)2])N(C8H17)4(толуол) + nC12H25SH(толуол) + 1me- mCN-(aq) + (Agm) (C12H25SH)n(толуол) + mN(C8H17)4CN(толуол).

Следует отметить, что удовлетворительных результатов удалось добиться лишь с использованием большого избытка стабилизатора по сравнению с теоретически рассчитанным количеством, необходимым для монослойного покрытия всей поверхности образовавшихся НЧ. Тем не менее, количество введенного тиола было в 500 раз меньше количества введенного серебра (в мольном отношении). В спектре поглощения такого органозоля наблюдается широкая полоса поверхностного плазмонного резонанса с максимумом при 460 нм (рис. 1). Электронно-микроскопическое изучение образцов показало, что они содержали довольно большое количество чрезвычайно мелких НЧ серебра с максимумом распределения около 1 нм (рис. 2 а, в). Отсутствие четко выраженных рефлексов на электронной дифрактограмме (рис. 2 б) свидетельствовало о малом среднем размере НЧ и их сильной дефектности.

Интенсивность, отн. ед Рис. 1. Спектры поглощения толуольных растворов НЧ серебра, стабилизированных 1-додекантиолом, синтезированных из: 1 - дицианоаргентата калия;2 полученных из дицианоаргентата калия: а) нитрата серебра; 3- нитрата диаминсеребра;4 гидрозоля бромида серебра и 5- спектр поглощения электронная микрофотография; б) толуольного раствора НЧ серебра, электронная дифрактограмма; в) стабилизированных ЦТМАБ. гистограмма распределения частиц серебра Таким образом, отличительной чертой метода с использованием K[Ag(CN)2] в качестве прекурсора является возможность получения мелких НЧ с максимумом распределения по размерам около 1 нм.

2.2. Синтез НЧ из нитрата серебра При использовании в качестве прекурсора AgNO3 на первой стадии в результате межфазного переноса происходило образование высокодисперсного органозоля бромида серебра (рис. 3), стабилизированного катионами четвертичной аммонийной соли.

При введении в систему борогидрида натрия при интенсивном перемешивании в присутствии 1-додекантиола осуществлялось восстановление бромида серебра. Микроскопическое изучение образцов показало, что полученные НЧ представляли собой умеренно полидисперсные кристаллические образования с гранецентрированной кубической решеткой и максимумом распределения 2 нм (рис. 4). Кроме того, на отдельных участках микрофотографий прослеживались самоорганизованные двумерные структуры, состоящие из монодисперсных НЧ серебра. С целью идентификации кристаллической структуры НЧ, стабилизированных 1додекантиорлом, проводился рентгенофазовый анализ порошков НЧ, который выявил присутствие фазы металлического серебра во всех образцах.

На рис. 5 представлена типичная дифрактограмма порошка НЧ серебра, полученных из нитрата серебра и стабилизированных 1-додекантиолом. С помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) удалось получить сведения об энергиях связи электронов внутренних оболочек атомов металла и атомов стабилизатора НЧ серебра.

Спектр Ag3d отчетливо демонстрировал пики при 368,3 эВ (Ag3d5/2) и при 374,0 эВ (Ag3d3/2), что соответствовало энергиям связи электронов внутренних оболочек металлического серебра. Для выяснения химического состава модифицирующего слоя регистрировались спектры РФЭС для серы.

Интенсивность, имп/с Рис. 5. Рентгеновская дифрактограмма скоагулированных НЧ серебра, стабилизированных сера с энергией связи 163-164 эВ. В небольшом количестве присутствовала сера в высшей степени окисления, что скорее всего было связано с незначительным взаимодействием приповерхностного слоя с кислородом воздуха. Самым низким значениям энергии связи (159-161 эВ) отвечала сульфидная сера из Ag2S, который, весьма вероятно, мог образоваться в 167 166 165 164 163 162 161 160 Рис. 6. РФЭ спектр S 2p НЧ серебра, стабилизированных 1-додекантиолом.

видимых спектров поглощения) получаемых дисперсий.

2.3. Синтез НЧ из нитрата диамминсеребра При использовании [Ag(NH3)2]NO3 в качестве исходного соединения наблюдалось образование более крупных НЧ серебра со средним размером 2нм (рис. 7). Так как растворимость Рис. 7. Характеристики НЧ серебра, полученных из нитрата диамминсеребра: а) электронная микрофотография; б) электронная дифрактограмма; в) гистограмма распределения частиц серебра теоретически рассчитанным количеством, необходимым для монослойного заполнения поверхности НЧ, были крайне стабильными и сохраняли первоначальные свойства на протяжении многих месяцев. Восстановление в присутствии большого избытка тиола, как и в предыдущих случаях, приводило к получению нестабильного органозоля. Практически полная дестабилизация системы происходила за сутки.

2.4. Синтез НЧ серебра, нековалентно стабилизированных солями четвертичных аммониевых оснований Рис. 8. Характеристики НЧ серебра, стабилизированных на поверхности ЦТМА: а) электронная микрофотография; б) электронная дифрактограмма; в) гистограмма распределения частиц серебра по размерам. плотность упаковки гидрофобных радикалов в приповерхностном слое, которая была более высокой в случае ЦТМАБ, в то время как стабилизирующий слой, образованный ТОАБ, довольно был довольно "рыхлым". Спектры поглощения органозолей, стабилизированных ЦТМАБ и ТОАБ, были практически идентичны и содержали полосу с максимумом при 418 нм (рис. 1). Сдвиг максимума в коротковолновую область по сравнению с образцами наносеребра, модифицированными 1-додекантиолом, свидетельствовал о нековалентной тетраоктиламмония. Ввиду неустойчивости органозолей серебра, стабилизированных ТОАБ, основные усилия были направлены на получение и изучение НЧ, стабилизированных ЦТМАБ. Электронные микрофотографии свежеполученных образцов свидетельствовали, что НЧ серебра представляли собой сферы размером от 1 до 15 нм с максимумом распределения около нм (рис. 8).

Интенсивность (имп/с) существенных изменений не претерпевал. Данные РФА для образцов, стабилизированных ЦТМАБ, свидетельствовали о содержании небольшого количества примеси бромида.

При прямом восстановлении соли серебра в однофазной водной системе в присутствии натриевой соли 3-меркаптопропансульфокислоты (3МПСК-Na) формировался интенсивно окрашенный золь гидрофильных серебряных НЧ со средним диаметром около 1 нм, имеющий широкую полосу поглощения в видимой области (кривая 1, рис. 10) с максимумом при 450 нм.

В отличие от необратимой стабилизации сераорганическими соединениями, нековалентная стабилизация поверхности НЧ солями четвертичных аммониевых оснований позволила осуществить последующее изменение химического состава поверхностного слоя образцов с целью получения НЧ с гидрофильной поверхностью. Реакция восстановления проводилась в двухфазной водно-органической среде в присутствии межфазных переносчиков с получением органозолей серебра. Вне зависимости от природы растворителя и межфазного переносчика все органозоли содержали НЧ серебра с максимумом распределения около 3 нм, имеющие в спектре поглощения существенно более узкую полосу с максимумом при 406 - 410 нм (рис. 11). Было показано, что поверхность таких НЧ может быть затем гидрофилизована путем обработки соответствующих органозолей водным раствором 3-МПСК-Na.

Рис. 10. Спектры поглощения гидрозолей НЧ серебра, модифицированных 3ЦТМАБ. 1 – НЧ серебра, стабилизированные меркаптопропансульфокислотой. 1 – прямое восстановление; 2 – восстановление с получением гидрофобных НЧ с их последующей гидрофилизацией.

В процессе экстракции водная фаза приобретала интенсивную окраску, характерную для дисперсий НЧ. Микрофотографии аквазолей (рис. 12) показали больший размер частиц в сравнении с однофазным синтезом, описанным выше. После экстракции средний размер частиц не превосходил 10 нм, а все распределение частиц по размерам укладывалось в интервал до 15 нм.

Рис. 12. Электронная микрофотография, микродифракция и гистограмма распределения по размерам гидрозоля НЧ серебра при экстракции водным раствором 3-МПСК-Na из органозоля, В спектрах отмечалась существенно более узкая полоса поглощения с максимумом при 408 нм (кривая 2, рис. 10), практически совпадающая с полосами поглощения гидрофобных НЧ серебра в органических растворителях. Образцы НЧ серебра, полученные экстракцией из органической среды, были высушены и исследованы методом РФА (рис. 13).

Интенсивность, имп/с Рис. 13. Рентгеновская дифрактограмма экстракцией позволяет получать водные дисперсии НЧ с фракционным составом и оптическими характеристиками, недоступными при использовании традиционных однофазных методов синтеза.

4. Синтез гидрофильных наночастиц серебра, стабилизированных Дифильные свойства аммонийных солей, содержащих достаточно объемные углеводородные радикалы, позволяют использовать их как для получения гидрофобных, так и гидрофильных НЧ. Эта особенность связана со специфической перестройкой стабилизирующих слоев, образованных этими соединениями, в зависимости от полярности дисперсионной среды.

Варьируя природу органической части аммонийных солей, используемых в качестве стабилизаторов НЧ, можно получать серебряные НЧ, обладающие различными физико-химическими характеристиками. Одним из перспективных соединений, содержащих группу четвертичного аммонийного основания, является хлорид бензилдиметил[3миристоиламино)пропил]аммония ("Мирамистин "), обладающий высокой антибиотической активностью. В работе синтезированы гидрофильные НЧ серебра, стабилизированные ЦТМАБ и "Мирамистином®".

Методика получения гидрофильных НЧ заключалась в однофазном восстановлении нитрата серебра борогидридом натрия в присутствии соли четвертичного аммонийного основания. Уникальность ЦТМАБ состояла в том, что его присутствие позволило получить дисперсии НЧ серебра в воде вплоть до концентраций 5 г/л, тогда как обычные стабилизаторы (3-МПСК и др.) позволяли получать сравнительно устойчивые гидрозоли при Доля наночастиц, % Диаметр наночастиц, нм Рис. 14. Электронная микрофотография, микродифракция и гистограмма распределения по стабилизированного ЦТМАБ.

гидрофильных стабилизированных ЦТМАБ НЧ серебра совпадали с аналогичными для гидрофобных НЧ в органозолях. Так, в спектрах РФЭС НЧ наблюдались характеристические линии Ag3d5/2, Ag3d3/2 и Br3d5/2. В дифрактограмме НЧ серебра отмечались линии, отвечающие плоскостям (111), (220), (200) и (311) кубической гранецентрированной решетки серебра.

4.2. Синтез наночастиц серебра, стабилизированных "Мирамистином " Предложенный в настоящей работе способ, в отличие от описанных в литературе, предполагает одностадийное получение НЧ серебра, стабилизированных хорошо известным антибактериальным агентом – хлоридом бензилдиметил[3-(миристоиламино)-пропил]аммония, производимым промышленно под торговой маркой "Мирамистин®". Это "Мирамистина " отмечается, что типичный диапазон его терапевтических концентраций составляет 0,01 – 2 % - довольно высокое содержание, являющееся фактором, ограничивающим его широкое использование в медицинской практике. "Мирамистин®" представляет собой типичное катионное ПАВ. В качестве образца сравнения для оценки антибактериальной активности синтезировались гидрозоли НЧ серебра, стабилизированные цитрат-анионом. Абсорбционные спектры водных дисперсий НЧ, стабилизированных «Мирамистином®» представлены на рис.

15. В спектрах регистрировались полосы плазмонного поглощения НЧ серебра в диапазоне 400-413 нм. После двух месяцев старения золя положение полосы максимума плазмонного поглощения сместилось в Поглощение, отн. ед 0. Рис. 15. Спектры поглощения в видимой – цитрат-анионом, (2) – "Мирамистином", (3) –"Мирамистином" через 2 месяца после широкое распределение по размерам.

Доля частиц, % Рис. 16. Данные динамического светорассеяния: А – НЧ серебра, стабилизированные цитратанионом (1) и "Мирамистином" (2). Б - НЧ серебра, стабилизированные "Мирамистином" через Данные динамического светорассеяния оказались в хорошем соответствии с результатами исследований методом ПЭМ. Микроскопия, однако, выявила, что НЧ, стабилизированные цитратом, имели почти бимодальное распределение по размерам с двумя максимумами при 2 и 14 нм.

Модифицированные "Мирамистином®" НЧ имели максимум распределения 8-9 нм.

Рис. 17. Электронная микрофотография, электростатического отталкивания дифракция электронов, распределение частиц коллоидных систем, ± (10-30) мВ умеренной стабильности. Таким образом, если -потенциал по абсолютной величине превышает 30 мВ, система может считаться устойчивой. Абсолютные значения -потенциалов полученных в работе НЧ представлены в таблице 1.

Таблица 1. Величины -потенциала и средний диаметр НЧ серебра, стабилизированных цитрат-анионом и мирамистином.

Знаки при -потенциалах находились в соответствии с зарядами ионов стабилизаторов – цитрата и «Мирамистина®». Таким образом, было показано, что устойчивость гидрозолей была обусловлена силами электростатического отталкивания между частицами.

Для доказательства закрепления «Мирамистина®» на поверхности НЧ серебра использовали результаты РФЭС. Спектр Ag 3d содержал линии, соответствующие энергиям 368,3 эВ (3d5/2) и 374,0 эВ (3d3/2), что соответствовало серебру в нуль-валентном состоянии.

Для получения более детальной информации о состоянии стабилизирующего органического слоя экспериментальная кривая, соответствующая энергии связи электрона С 1s оболочки, была представлена в виде суперпозиции трех линий (рис. 19). Было найдено, что линия с наибольшей интенсивностью (энергия связи 284,5 эВ) отвечала ароматическому углероду, что находилось в хорошем соответствии с данными литературы. Линия с наименьшей интенсивностью (энергия связи 289 эВ) отвечала карбоксильному углероду, промежуточный же пик (энергия связи 286,5 эВ) соответствовал алифатическому углероду.

Регион N 1s1/2 перекрывался с линией-сателлитом 3d-фотоэлектронов серебра, тем самым интерпретация данных (представление в виде суперпозиции функций, отвечающих четвертичному и амидному азотам) в этой области оказалась затруднительной.

II. СОРБЦИОННО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА

НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА

В настоящей работе показано, что НЧ серебра (гидрофильные или гидрофобные), стабилизированные ЦТМАБ, могут служить для концентрирования ПАУ как из органических, так и из водных сред.

Исследования спектрально-люминесцентных характеристик систем, включающих НЧ серебра и пирен, были обусловлены тем, что последний эффективно используется в качестве флуоресцентного зонда для изучения состояния сорбатов и физико-химических свойств сорбентов благодаря высокой чувствительности спектров его флуоресценции к изменению ближайшего окружения. Кроме того, линии флуоресценции пирена и линия плазмонного поглощения НЧ серебра лежат в одной спектральной области.

1. Сорбционно-люминесцентные свойства гидрофобных НЧ Спектрально-люминесцентное изучение растворов пирена различных концентраций (10-8–10-4 г/мл) в присутствии НЧ серебра, модифицированных ЦТМАБ, проводили в н-гексане при комнатной температуре. В работе регистрировались спектры возбуждения флуоресценции и флуоресценции разбавленного (1,2·10-6 г/мл) и концентрированного (10-4 г/мл) растворов пирена в н-гексане при возб = 337 нм при комнатной температуре. Спектры совпадали с литературными данными. Разбавленные растворы флуоресцировали в фиолетовой (350–420 нм) области спектра, тогда как концентрированные растворы обладали свечением и в более длинноволновой синей (420–600 нм) области. Известно, что за фиолетовое свечение отвечают возбужденные мономеры пирена, за синее – эксимеры и возбужденные димеры пирена.

Интенсивность, отн. ед.

характерное для излучения эксимеров пирена. Причиной образования эксимеров при введении НЧ серебра в раствор пирена является, повидимому, концентрирование пирена на поверхности НЧ серебра. Это приводит к тому, что концентрация молекул пирена в приповерхностном слое становится достаточной для образования эксимеров. При введении свежеприготовленного золя серебра в концентрированный раствор пирена (10-4 г/л) в спектре флуоресценции сохранялась полоса эмиссии мономеров пирена при 380 нм и появлялась новая интенсивная полоса флуоресценции при 490 нм (рис. 21), которую можно отнести к сенсибилизированной флуоресценции НЧ серебра. Расстояния углеводородных радикалов ЦТМАБ от поверхности металлического серебра не превышают 2 нм и составляют ближнюю сферу частицы, в которой происходят сорбционные явления. То есть выполняется условие, необходимое для диполь-дипольного переноса электронной энергии возбуждения от молекул пирена. Следует отметить, что собственная флуоресценция НЧ серебра при мощном лазерном возбуждении в той же спектральной области описана в литературе.

использованы для концентрирования ПАУ из разбавленных водных растворов. В качестве модельного ПАУ в работе использовали пирен.

Концентрация пирена в воде варьировалась от 5·10-10 до 10-7 г/мл. Все исследуемые разбавленные водные растворы пирена при их возбуждении при возб = 337 нм флуоресцировали в фиолетовой (350–400 нм) области спектра.

Их спектры флуоресценции совпадали со спектрами мономеров пирена. При Рис. 22. Спектры флуоресценции системы 3 мл водного раствора пирена (10 г/мл) + разбавленный аквазоль серебра (4 ммоль/л) при возб = 337 нм. Объем вводимого эксимеров (макс = 470 нм ) и аквазоля: 1 – 0 мкл; 2 – 45 мкл; 3 – 90 мкл; 4 – 135 мкл; (макс = 480 нм) пирена, кроме того, в синей области спектра наблюдали широкую полосу флуоресценции с макс = 490 нм (рис. 22, кривая 5). Полос, принадлежащих мономеру пирена, не обнаружено.

Можно утверждать, что при введении аквазоля серебра в водные растворы пирена последний концентрируется на неполярных углеводородных радикалах ЦТМАБ, покрывающих металлические НЧ, т.к.

эксимеры и димеры пирена образуются только при его высоких концентрациях. Свечение с макс = 490 нм можно отнести к сенсибилизированной флуоресценции НЧ серебра в присутствии пирена – подобно наблюдаемой ранее для гексановых растворов. Обнаружено, что в водных растворах сенсибилизированная флуоресценция НЧ серебра обладает большей интенсивностью по отношению к растворам в неполярных органических растворителях. Поэтому оказалась возможной регистрация сенсибилизированной флуоресценции НЧ серебра при введении аквазоля серебра в растворы пирена с низкой концентрацией (5·10-10 и 10-9 г/мл). На рис. 23 приведена зависимость отношения интенсивностей флуоресценции НЧ серебра на = 490 нм к интенсивности флуоресценции пирена на = нм от концентрации пирена в растворе.

сенсибилизированной флуоресценции НЧ серебра (акцептор) в присутствии пирена (донор) в водных растворах можно объяснить тем, что выполняются условия, необходимые для диполь-дипольного переноса энергии электронного возбуждения от сорбированных молекул пирена на НЧ серебра.

Можно предположить, что сначала мономеры пирена концентрируются вблизи гидрофобных алкильных групп молекул ЦТМАБ, а затем вытесняют их с поверхности металлического серебра. Доказательством этому служит интенсивностей первой и третьей полос в спектре флуоресценции) при введении золя НЧ серебра в водные растворы пирена с 1 (для раствора пирена в воде без НЧ серебра) до 2 (в присутствии больших количеств золя серебра).

III. АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА,

СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ «МИРАМИСТИНОМ»

При оценке антибактериальной активности НЧ серебра использовали стандартный микрометод серийных разведений в жидкой среде Гаузе и твердой агаризованной среде Гаузе. Изучению подвергались нитрат серебра и НЧ серебра, стабилизированные цитрат-анионом и «Мирамистином®», а также цитрат натрия и сам «Мирамистин®». Разведение исходных растворов (с концентрацией 10-4 г/мл по серебру) варьировалось от 2 до 128 раз.

Минимальные подавляющие концентрации (МПК) изучаемых образцов представлены в таблице 2.

Таблица 2. МПК исследуемых образцов для штаммов Escherichia coli ATCC 25922 (E. coli) Также было изучено поведение обладающего повышенной устойчивостью к метициллину штамма Staphylococcus aureus INA 00761, штамма Leuconostoc mesenteroides VKPM B-4177, устойчивого к ванкомицину, а также плесневого гриба Aspergillus niger INA 00760 и дрожжей Saccharomyces cerevisiae RIA 259.

Таблица 3. МПК изучаемых образцов для штаммов Staphylococcus aureus INA 00761 (St. A), Leuconostoc mesenteroides VKPM B-4177 (Leu.), Saccharomyces cerevisiae RIA 259 (Sacc.) и «Мирамистин®» проявил в четыре раза меньшую активность, чем НЧ, модифицированные им, тогда как НЧ, стабилизированные цитратом, проявили активность сравнимую с активностью НЧ, стабилизированных «Мирамистином®», за исключением Staphylococcus aureus INA 00761, где активность цитратного серебра была в два раза ниже (см. таблицу 3).

IV. ПОЛУЧЕНИЕ БАКТЕРИЦИДНЫХ ПЛЕНОК ИЗ

ПОЛИЭТИЛЕНТЕРЕФТАЛАТА, МОДИФИЦИРОВАННЫХ НЧ

СЕРЕБРА

В работе предложен простой и эффективный метод модифицирования НЧ серебра полиэтилентерефталата (ПЭТФ), деформированного по механизму крейзинга, с целью получения антибактериальных материалов на его основе. Хорошо известно, что деформирование полимеров по механизму крейзинга осуществляется только в адсорбционно-активных средах, создание которых обычно достигается добавлением спиртов с различной длиной углеводородной цепи. Исходя из этого проводили изучение влияния спиртовых добавок на агрегативную устойчивость НЧ серебра, стабилизированных ЦТМАБ. С этой целью с помощью УФ-видимой спектроскопии изучали изменение оптических свойств золей во времени в зависимости от типа добавленной адсорбционно-активной жидкости.

Добавление 60% (об.) 2-пропанола к аквазолю металла сразу приводило к мгновенной потере его стабильности и коагуляции НЧ серебра. Добавление 15 или 6,5 об.% 1-бутанола и 0,4 об.% 1-гексанола к коллоидам не приводило к визуально детектируемым изменениям оптических свойств растворов, и Оптическая плотность, отн. ед Рис. 24. Спектры экстинкции водных дисперсий стабилизированных ЦТМАБ наночастиц серебра с добавлением 15 об.% 1-бутанола: (1) – исходная дисперсия, (2), (3), (4) – через 1, 10 и 15 минут после добавления 1- бутанола соответственно.

коллоидных растворах НЧ серебра. Нестабильность золей серебра, вызванная деформирования ПЭТФ непосредственно в водно-спиртовых растворах НЧ.

В связи с этим проводилось модифицирование наносеребром путем предварительного деформирования ПЭТФ в водно-спиртовых растворах и последующего выдерживания крейзованного полимера в водном золе НЧ.

Было найдено, что с увеличением времени выдерживания образцов в золе серебра пленки приобретали более интенсивную серо-металлическую окраску, что связано с увеличением содержания металла в образцах (см.

таблицу 4).

Таблица 4. Содержание серебра в пленках крейзованного ПЭТФ, деформированного в 60% водном растворе 2-пропанола, в зависимости от времени выдерживания пленок в водном Методика оценки антибактериальной активности полимерных материалов заключалась в помещении образца пленки в центр чашки Петри, содержащей агаризованную среду с предварительно высеянными бактериями Pseudomonas aeruginosa. Критерием антибактериальной активности служил диаметр зоны просветления – участка вокруг образца, на котором наблюдалось полное подавление роста микроорганизмов. В результате микробиологических тестов было установлено, что зона просветления для образцов ПЭТФ, содержащих 0,5 и 0,7 масс. % серебра составляла 7 и 8 мм соответственно. Напротив, крейзованный ПЭТФ, не содержащий НЧ серебра, не проявил антибактериальной активности и диаметр его зоны просветления равнялся нулю. Полученные результаты являлись свидетельством того, что нанокомпозиты обладали ярко выраженным биоцидным действием.

1) Выявлено влияние прекурсора металла, межфазного переносчика и стабилизатора на дисперсность и агрегативную устойчивость наночастиц серебра, полученных в двухфазных водно-органических средах.

2) Методами электронной спектроскопии, лазерного светорассеяния, электронной микроскопии, рентгенофазового анализа и др. изучены структура наночастиц серебра, состав и строение стабилизирующего слоя.

3) Предложен новый универсальный способ синтеза поверхностномодифицированных гидрофильных НЧ серебра методом экстракции из неполярной среды. Показано, что синтез наночастиц путем восстановления соли серебра в органической фазе и последующей экстракцией позволяет получать водные дисперсии наночастиц с фракционным составом, недоступным при использовании традиционных однофазных методов синтеза.

4) Установлено, что совместное действие «Мирамистина» и наносеребра приводит к синергетическому увеличению антибактериальной активности.

На примере Escherichia coli ATCC 25922 показано, что стабилизированные "Мирамистином" наночастицы в 10 раз более эффективны, чем цитратное серебро, и в 20 раз, чем сам "Мирамистин".

5) Показана возможность использования наночастиц серебра, стабилизированных ЦТМАБ, для сорбционно-люминесцентного определения ПАУ из разбавленных растворов. Обнаружен эффект сенсибилизированной флуоресценции наночастиц серебра в системах НЧ серебра – пирен – гексан и НЧ серебра – пирен – вода.

6) Получены водные дисперсии наночастиц серебра, стабилизованных цетилтриметиламмония (ЦТМАБ) и хлоридом бензилдиметил[3миристоиламино)пропил]аммония ("Мирамистин "). Показано, что использование ЦТМАБ позволяет получать концентрированные (до 5 г/л по металлу) и агрегативно устойчивые гидрозоли металла, а наночастицы серебра, стабилизированные Мирамистином, обладают ярко выраженными антибиотическими свойствами в отношении патогенных грамположительных и грамотрицательных бактерий, грибов, дрожжей.

полиэтилентерефталата, деформированных по механизму крейзинга, наночастицами серебра. Показано, что модифицированные наночастицами серебра полимерные материалы обладают выраженным антибактериальным действием.

Список публикаций по теме диссертации:

1) Оленин А.Ю., Крутяков Ю.А., Кудринский А.А., Лисичкин Г.В.

Формирование поверхностного слоя наночастиц серебра в водных и водно-органических средах. // Коллоидный журнал (2008) т. 70, № 1, с.

2) Оленин А.Ю., Романовская Г.И., Крутяков Ю.А., Лисичкин Г.В., Зуев Б.К. Сенсибилизированная флуоресценция наночастиц серебра в присутствии пирена. // Доклады академии наук, сер. Химия (2008) т. 3) Крутяков Ю.А., Кудринский А.А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы. // Успехи химии (2008) т. 77, № 3, с. 242- 4) Vertelov G.K., Krutyakov Yu.A., Efremenkova O.V., Olenin A.Yu., Lisichkin G.V. A versatile synthesis of a highly bactericidal Myramistin® stabilized silver nanoparticles. // Nanotechnology (2008) v. 19, 5) Крутяков Ю.А., Оленин А.Ю., Кудринский А.А., Джурик П.С., Лисичкин Г.В. Агрегативная устойчивость и полидисперсность наночастиц серебра, полученных в двухфазных водно-органических системах. // Российские нанотехнологии (2008) т.3, № 5-6, с. 62- 6) Романовская Г.И., Оленин А.Ю., Васильева С.Ю., Крутяков Ю.А.

Химически модифицированные наночастицы серебра – новый сорбент для концентрирования полициклических ароматических углеводородов из водных растворов. // Доклады академии наук, сер. Химия (2008), т.

422, № 3, стр. 339- 7) Крутяков Ю.А., Оленин А.Ю., Кудринский А.А., Лисичкин Г.В. Синтез гидрофильных наночастиц серебра методом экстракции из неполярной среды. // Материалы XVIII Менделеевского съезда по общей и прикладной химии. (Москва, 23-28 сентября 2007 г.) т. 2, с. 8) Крутяков Ю.А., Оленин А.Ю., Лисичкин Г.В. Синтез гидрофильных наночастиц серебра, стабилизированных водорастворимым сульфированным полианилином. // Материалы ІІ Международной конференции "Наноразмерные системы: строение, свойства, технологии". (Киев, 21-23 ноября 2007 г) С3-20, с. 9) Крутяков Ю.А., Оленин А.Ю., Кудринский А.А., Лисичкин Г.В. Синтез агрегативно устойчивых наночастиц серебра, стабилизированных сульфированным полианилином. // Материалы VII Конференции молодых ученых "Актуальные проблемы современной неорганической химии и материаловедения". (Звенигород, 23-25 ноября 2007 г.) с. 10) Джурик П.С., Крутяков Ю.А. Водорастворимые сульфированные полианилины – новый класс стабилизаторов наночастиц серебра. // Материалы XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов – 2008", секция "Химия". (Москва, 8 - апреля 2008 г.) т. 2, с. 11) Romanovskaya G.I., Olenin A.Yu., Krutyakov Yu.A., Vasil’eva S.Yu., Kudrinskii A.A., Lisichkin G.V. A sorption-luminescent determination of polycyclic aromatic hydrocarbons with use of hydrophobic silver nanoparticles. // Proceedings of the III International Conference on Colloid Chemistry and Physicochemical Mechanics. (Moscow 24-28 June 2008) Abstracs, FP 12) Васильева С.Ю., Оленин А.Ю., Романовская Г.И., Крутяков Ю.А., Кудринский А.А., Лисичкин Г.В. Синтез и сорбционнолюминесцентные свойства гидрофобных наночастиц серебра. // Рефераты докладов Второго Международного форума "Аналитика и аналитики" (Воронеж, 22-26 сентября 2008), т. I, с. 88.