Синтез и физико-химические свойства магнитоуправляемых композиционных материалов на основе AlOOH и Fe3O4 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шаповалова Ольга Евгеньевна
Шаповалова Ольга Евгеньевна
кандидат наук
2024
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 248
Оглавление диссертации кандидат наук Шаповалова Ольга Евгеньевна
Реферат
Synopsis
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор
1.1 Наноструктурированные частицы AlOOH (бемита)
1.2 Методы получения наночастиц бемита
1.3 Наноструктурированные частицы Fe3O4 (магнетита)
1.4 Методы получения наночастиц магнетита
1.5 Магнитные нанокомпозиционные материалы
ГЛАВА 2. Экспериментальная часть
2.1 Материалы и реактивы
2.2 Методики синтеза
2.3 Методы исследования
ГЛАВА 3. Результаты экспериментов и их обсуждение
3.1 Получение и исследование физико-химических свойств наноструктурированных частиц бемита и магнетита
3.1.1 Наноструктурированные частицы бемита
3.1.2 Наноструктурированные частицы магнетита
3.2 Исследование возможности регулирования физико-химических параметров композиционных материалов на основе наночастиц бемита и магнетита
3.3 Мезопористые сорбенты бемит-магнетит с регулируемой пористостью для сорбции ионов Cr(VI)
3.3.1 Исследование сорбционно-кинетических характеристик полученных композиционных материалов по сорбции ионов Cr(Vl)
3.3.2 Механизм сорбции ионов Cr(VI)
3.3.3 Исследование возможности повторного использования полученных мезопористых композитов
3.4 Биокомпозиты
3.4.1 Исследование кинетики ферментативной реакции гидролиза п-нитрофенилацетата. Определение кинетических параметров уравнения
Михаэлиса-Ментен
3.4.2 Исследование термостабильности биокомпозитов
3.4.3 Исследование изменений вторичной структуры карбоангидразы в различных температурных диапазонах
3.4.3 Исследование УФ-стабильности биокомпозитов
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение
Реферат
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Наноструктурированные материалы на основе оксигидроксида алюминия. Растворный синтез, строение, свойства.2018 год, доктор наук Виноградов Владимир Валентинович
Свойства упорядоченных мезопористых структур γ-Al2O3 и композитов γ-Al2O3-NaAlO2, полученных с применением полимер-коллоидных комплексов в качестве темплатов2019 год, кандидат наук Ямановская Инна Алимовна
Синтез и физико-химические свойства новых типов функциональных наноматериалов на основе магнетита2017 год, кандидат наук Дроздов, Андрей Сергеевич
Гибридные функциональные наноматериалы на основе магнетита и гуминовых кислот2013 год, кандидат наук Юрищева, Анна Александровна
Разработка магнитовосприимчивых сорбентов на основе цеолита beta для решения задач медицины и экологии2021 год, кандидат наук Бразовская Елена Юрьевна
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и физико-химические свойства магнитоуправляемых композиционных материалов на основе AlOOH и Fe3O4»
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Актуальность исследования магнитных нанокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия и оксида железа (II, III) обусловлена их широким потенциальным применением в различных областях, включая биомедицину, экологию и катализ. Нанокомпозиционные материалы, сочетающие в себе преимущества двух и более компонентов с различными физико-химическими свойствами, представляют собой перспективный класс функциональных материалов с регулируемыми характеристиками.
Мировой рынок нанокомпозитов демонстрирует высокие темпы роста, что свидетельствует об актуальности разработки таких материалов с заданными свойствами. Магнитные нанокомпозиционные материалы на основе наночастиц оксида железа (II, III) (магнетита, FeзO4) занимают особое место среди таких функциональных систем. Благодаря уникальным магнитным характеристикам, биосовместимости и экологичности, они нашли широкое применение в биомедицине, водоочистке, электронике и магнитной сепарации. Так, наночастицы магнетита уже используются в качестве контрастных агентов для МРТ-диагностики и в противоанемийных препаратах, а в ближайшем будущем ожидается их активное применение в адресной доставке лекарств для противораковой терапии.
Несмотря на преимущества наночастиц магнетита, они обладают ограниченной стабильностью в водных средах, подвержены окислению и требуют улучшения сорбционных характеристик. Одним из путей решения этих проблем является создание магнитных нанокомпозитов на основе наночастиц FeзO4 и биосовместимых, стабильных матриц с высокоразвитой поверхностью, таких как оксигидроксид алюминия (бемит, А100Н), который уже используется в качестве адъюванта и одобрен ведущими медицинскими агентствами. Благодаря синергии свойств AЮOH и Feз04, полученные
нанокомпозиты могут найти широкое применение в очистке воды, пищевой промышленности и биомедицине.
Таким образом, исследование магнитных нанокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия и оксида железа (II, III) является актуальным направлением, обладающим высоким потенциалом практического применения и научной новизны.
Цель работы: Разработка жидкофазных методов получения и исследование свойств функциональных магнитоуправляемых композиционных материалов на основе наночастиц AlOOH и Fe3Ü4 без стабилизирующих агентов с регулируемыми сорбционными, магнитными и каталитическими свойствами.
Основные задачи работы:
1) Разработка жидкофазного метода получения магнитоуправляемых композиционных материалов на основе наноструктурированных частиц AlOOH и Fe3Ü4 без использования стабилизаторов и при нейтральных значениях pH, пригодных для создания сорбентов и биокатализаторов на их основе.
2) Установление закономерностей изменения сорбционных и магнитных характеристик полученных композитов в зависимости от массовой доли наночастиц AlOOH и Fe3Ü4 в конечном материале.
3) Исследование влияния ксерогелевых матриц на основе наночастиц AlOOH, комбинации наноструктурированных частиц AlOOH и Fe3Ü4, и наночастиц Fe3O4 на свойства биокомпозитов, содержащих иммобилизированные ферменты.
Методы исследования. В диссертации использованы современные экспериментальные методы: кристаллическую фазу и кристалличность образцов изучали методом рентгеновской дифракции (дифрактометр Rigaku SmartLab 3); микрофотографии образцов получали методом просвечивающей электронной микроскопии (HRTEM Jem 2010 Jeol, Япония) и сканирующей электронной микроскопии (Tescan VEGA 3); размер частиц и дзета-потенциал
измеряли с помощью Photocor Compact Z; Площадь поверхности, объем пор и распределение пор по размерам определяли на приборе Quantachrome Nova 1200e; для изучения термической стабилизации ферментов золь-гель матрицами применяли метод дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе Phoenix NETZSCH; спектрофотометрические измерения проводили на спектрометре Agilent Cary HP 8454 со встроенным элементом Пельтье.
Положения, выносимые на защиту.
1. Жидкофазный метод с применением ультразвуковой обработки, который позволяет синтезировать стабильные гидрозоли AlOOH и Fe3O4 без использования стабилизирующих веществ и при нейтральных значениях pH для получения магнитных нанокомпозитов с однородным распределением компонентов и с регулируемыми физико-химическими свойствами путём варьирования их массового соотношения в конечных материалах. Увеличение массовой доли наночастиц AlOOH от 0 до 100 % в конечном материале способствует увеличению удельной площади поверхности композита от 122 до 407 м2/г и снижению значений намагниченности от 88 Ам2/г до нуля, соответственно.
2. Взаимосвязь между составом наноструктурированных материалов AlOOH-Fe3O4 и их адсорбционными свойствами по отношению к анионам хрома (VI), заключающаяся в том, что увеличение массовой доли наночастиц AlOOH в конечных наноструктурированных материалах AlOOH-Fe3O4 от 0 % до 100 % приводит к повышению равновесной сорбционной ёмкости по отношению к ионам хрома (VI) в диапазоне от 24 до 63 мг/г, при этом сорбция происходит за счет электростатического взаимодействия и реакций обмена, а хемосорбция является лимитирующей стадией данного процесса.
3. Эффект термо- и УФ-стабилизирующего действия на белковые молекулы со стороны неорганических наноструктурированных матриц на основе наночастиц AlOOH и Fe3O4, состоящий в том, что увеличение массовой доли наночастиц AlOOH в матрице AlOOH-Fe3O4 от 0 % до 100 % приводит к
улучшению термостабилизации карбоангидразы от 31 % до 53 % и а-амилазы от 32 % до 62 % и повышению стабилизации карбоангидразы от УФ-С излучения от 16 % до 52 %.
Научная новизна.
В работе впервые:
- Получен магнитоуправляемый нанокомпозит с равномерным распределением частиц по объему путём смешивания стабильных гидрозолей на основе АЮОН и Fe3O4 и дальнейшей соконденсации без использования стабилизирующих веществ, модификации поверхности и при нейтральных значениях pH, пригодный для дальнейшего использования в качестве сорбента хромат-анионов и иммобилизации ферментов.
- Изучено влияние массовых соотношений наночастиц АЮОН и Fe3O4 на конечные физико-химические свойства магнитного нанокомпозита (площадь поверхности изменялась от 122 до 407 м2/г, значения намагниченности - от 0 до 88 Ам2/г).
- Исследованы сорбционно-кинетические характеристики полученных композиционных материалов по сорбции ионов Сг(У1).
- Исследовано влияние ксерогелевых матриц на основе наночастиц АЮОН, комбинации наноструктурированных частиц АЮОН и Fe3O4, и наночастиц Fe3O4 на свойства биокомпозитов, содержащих ферменты: энзиматическую активность карбоангидразы (максимальную скорость реакции и константу Михаэлиса-Ментен), термостабильность карбоангидразы и а-амилазы, УФ-стабильность карбоангидразы и кислой фосфатазы.
Объектами исследования являются наноструктурированные материалы на основе оксигидроксида алюминия и оксида железа (II, III).
Предметом исследования является взаимосвязь между составом наноструктурированных материалов, а именно массовым соотношением наночастиц AЮOH и Fe3O4, и их физико-химическими свойствами; метод получения таких материалов без стабилизирующих веществ и при
нейтральных значениях pH с заданными магнитными, сорбционными и каталитическими свойствами.
Теоретическая и практическая значимость. По результатам работы был разработан метод получения магнитных нанокомпозитов с равномерным распределением наночастиц AlOOH и Fe3O4 между собой и возможностью регулирования их сорбционных и магнитных свойств, а также получены биокомпозиты на основе ферментов (карбоангидраза, а-амилаза, кислая фосфатаза) и наночастиц AlOOH, комбинации наноструктурированных частиц AlOOH и Fe3O4, и наночастиц Fe3O4 и изучено влияние таких матриц на термо-и УФ-стабильности модельных биомолекул.
Подобные наноматериалы могут быть использованы как в качестве сорбентов, способных к магнитной сепарации и повторному использованию, и в дальнейшем применяться как для очистки сточных вод, так и в качестве биокатализаторов с повышенной термо- и УФ-устойчивостью и возможностью магнитного управления/разделения для нужд пищевой промышленности и биомедицинских целей.
Апробация работы. Результаты работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на 7 всероссийских и международных научных конференциях: XIII Конгресс молодых ученых ИТМО (Санкт-Петербург, 2024), 13-я Международная научная конференция «Биокатализ. Фундаментальные исследования и применения» (Суздаль, 2023), XII Всероссийский конгресс молодых ученых ИТМО 2023 (Санкт-Петербург, 2023), XLV Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2016), Sol-Gel 2015 (Киото, Япония, 2015), X Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения) (Иваново, 2015), IV Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2015).
Достоверность полученных результатов и выводов. Достоверность полученных результатов обуславливается их воспроизводимостью,
использованием современного оборудования для проведения физико-химических методов анализа, а также статьями, прошедшими экспертную оценку и опубликованными в научных журналах первого квартиля.
Личный вклад автора заключается в синтезе всех образцов, изучении характеристик и свойств полученных материалов комплексом физико-химических методов исследования. Постановка эксперимента и интерпретация результатов исследований проводилась совместно с научным руководителем и соавторами.
Связь диссертационной работы с плановыми исследованиями. Диссертационная работа была выполнена в соответствии с научным направлением Университета ИТМО: «Золь-гель синтез функциональных наноматериалов» №714625, а также при поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-9109.2016.3, «Синтез биоактивных наноархитектур на основе магнетита».
Публикации. Основные результаты по теме диссертации представлены в 5 публикациях в журналах первого квартиля (Q1), входящих в базы данных научного цитирования Scopus/Web of Science:
1. Ivanovski V., Shapovalova O.E., Drozdov A.S. Structural Rearrangements of Carbonic Anhydrase Entrapped in Sol-Gel Magnetite Determined by ATR-FTIR Spectroscopy // International Journal of Molecular Sciences - 2022, Vol. 23, No. 11, pp. 5975.
2. Shapovalova O.E., Drozdov A.S., Bryushkova E.A., Morozov M.I., Vinogradov V.V. Room-temperature fabrication of magnetite-boehmite sol-gel composites for heavy metal ions removal // Arabian Journal of Chemistry - 2020, Vol. 13, No. 1, pp. 1933-1944.
3. Astafyeva B.V., Shapovalova O.E., Drozdov A.S., Vinogradov V.V. alfa-Amylase@Ferria: Magnetic Nanocomposites with Enhanced Thermal Stability for Starch Hydrolysis // Journal of Agricultural and Food Chemistry - 2018, Vol. 66, No. 30, pp. 8054-8060.
4. Shapovalova O.E., Levy D., Avnir D., Vinogradov V.V. Protection of enzymes from photodegradation by entrapment within alumina // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces - 2016, Vol. 146, pp. 731-736.
5. Drozdov A.S., Shapovalova O.E., Ivanovski V., Avnir D., Vinogradov V.V. Entrapment of Enzymes within Sol-Gel-Derived Magnetite // Chemistry of Materials - 2016, Vol. 28, No. 7, pp. 2248-2253.
Структура и объем диссертации.
Диссертация изложена на 247 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, 17 таблиц и 19 формул. Список литературы включает 162 наименования. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, поставлена цель и сформулированы основные задачи диссертационной работы, раскрыты её научная и практическая значимость, достоверность и приведены положения, выносимые на защиту.
Глава 1 посвящена обзору литературы по теме диссертационной работы и выявлению основных задач, требующих решений. В разделе 1.1 даётся общая характеристика и области применения оксигидроксида алюминия (бемита). Раздел 1.2 включает в себя методы получения наночастиц AlOOH с упором на гидротермальный, сольвотермальный и золь-гель методы. Приведены преимущества и особенности каждого метода. В разделе 1.3 рассмотрены основные свойства и области применения наночастиц Fe3O4 (магнетита). Раздел 1.4 отражает основные методы синтеза наночастиц магнетита, такие как метод термического разложения, гидро- и сольвотермальный методы, синтез в микроэмульсиях, методы золь-гель и соосаждения, приведены их достоинства и особенности, которые необходимо учитывать при получении магнитных наночастиц. Раздел 1.5 посвящен магнитным нанокомпозитам с акцентом на материалы с неорганическими матрицами, их основные способы получения, преимущества и недостатки каждого метода, а также потенциальные области применения.
Глава 2 содержит описание использованных материалов и реактивов, методики синтеза гидрозолей наночастиц AlOOH, Fe3O4 и нанокомпозитов на их основе, а также методов исследования физико-химических свойств полученных образцов.
Гидрозоли наноструктурированных частиц оксигидроксида алюминия и оксида железа (II, III) были получены с помощью ультразвук-ассистируемого золь-гель метода и методом соосаждения с последующей ультразвуковой обработкой, соответственно.
Нанокомпозиционные материалы получали путём простого смешивания стабильных гидрозолей ЛЮОИ и Без04 в различных стехиометрических соотношениях (1:3, 1:1, 3:1) и их последующей соконденсацией. Аналогичным методом получали и биокомпозиты, добавляя в полученные гидрозоли раствор фермента. Содержание фермента в биокомпозите составляло до 6 масс.%.
Полученные образцы всесторонне изучались, используя физико-химические методы анализа. Гидродинамический диаметр частиц определяли методом динамического светорассеяния, дзета-потенциала - методом электрофоретического светорассеяния. Для исследования фазового состава использовался метод рентгеновской дифракции. Микроструктуру образцов изучали методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Текстурные характеристики материалов (удельная площадь поверхности, размер пор, распределение пор по размеру) исследовали методом низкотемпературной сорбции-десорбции азота. Сорбционно-кинетических характеристики нанокомпозиционных материалов, определение кинетических параметров уравнения Михаэлиса-Ментен, термо- и УФ-стабильность биокомпозитов и нативных ферментов изучали при помощи при помощи УФ-видимой спектроскопии. ДСК анализ использовался для определения термостабильности биокомпозитов на основе карбоангидразы.
В третьей главе обсуждаются основные результаты экспериментов и выводы.
Первый раздел посвящён получению и характеризации наноструктурированных частиц Л100И (бемита) и Без04 (магнетита). В рамках этого раздела было исследовано влияние условий синтеза, а именно времени ультразвуковой обработки, на физико-химические и гидродинамические параметры получаемых наноструктурированных частиц бемита и пористых материалов на их основе.
Для получения стабильных бемитовых золей было определено оптимальное время ультразвуковой (УЗ) обработки. Для этого была
выполнена серия синтезов золей на основе оксигидроксида алюминия ультразвук-ассистируемым золь-гель методом. Время УЗ обработки варьировалось от 30 до 180 минут. Полученные гидрозоли представлены на рисунке 1.
0. 30 60 90 120 150 180
" 7Г ТГ ТГ "ТГ ^ — —'
Ниш
Рисунок 1 - Бемитовые гидрозоли после 0-180 минут УЗ обработки
Визуальный анализ гидрозолей позволил сделать предварительный вывод, что наиболее стабильный золь с наименьшими размерами наночастиц получается после 120 минут УЗ обработки. При УЗ обработки в течение 30 и 60 минут происходила седиментация золя, образовывалось небольшое количество белого осадка. После 90 минут УЗ обработки явного осадка не наблюдалось, однако сам золь имел мутный вид, что могло быть связано с размером получаемых коллоидных частиц. Аналогичная ситуация наблюдалась для золя после 180 минут УЗ обработки.
Для более детального и доказательного анализа полученные золи и ксерогели на их основе были охарактеризованы, используя методы гидродинамического светорассеяния и низкотемпературной сорбции-десорбции азота.
Значения ^-потенциала полученных золей оксигидроксида алюминия, как основного показателя стабильности коллоидных систем, согласовывались с предварительным визуальным анализом. Как известно, достижение порогового значения ^-потенциала ± 30 мВ является показателем стабильности коллоидной системы, связанным с превышением сил электростатического отталкивания над межмолекулярным взаимодействием,
приводящим к седиментации. Согласно полученным данным, представленным в таблице 1, с увеличением времени УЗ обработки до 120 минут стабильность золей возрастала, ^-потенциал достигал своего максимального значения (48 мВ). Дальнейшая УЗ обработка способствовала постепенному снижению значения ^-потенциала, при этом коллоидная система оставалась стабильной.
Таблица 1 - Влияние УЗ обработки на гидродинамические и физико-химические параметры золей оксигидроксида алюминия и ксерогелей на их основе
Время УЗ обработки, мин 2- потенциал, мВ Гидродинамический диаметр, нм Площадь поверхности, м2/г Средний диаметр пор, нм Общий объем пор, см3/г
30 26 ± 2 117 ± 7 328 ± 18 3,4 ± 0,1 0,28 ± 0,01
60 29 ± 3 111 ± 7 388 ± 28 3,3 ± 0,1 0,32 ± 0,01
90 42 ± 3 94 ± 8 428 ± 27 3,3 ± 0,1 0,34 ± 0,01
120 48 ± 2 76 ± 8 407 ± 28 3,3 ± 0,1 0,33 ± 0,01
150 46 ± 3 88 ± 6 372 ± 26 3,4 ± 0,1 0,33 ± 0,01
180 45 ± 4 93 ± 8 359 ± 25 3,4 ± 0,1 0,30 ± 0,01
Также из таблицы 1 видно, что с увеличением времени УЗ обработки до 120 минут удельная площадь поверхности бемитовых ксерогелей также увеличивается с 328 до 407 м2/г, при этом гидродинамический диаметр и средний размер пор падает. Обратная ситуация возникает после прохождения максимума. Полученные результаты могут быть связаны с процессами разрушения агрегатов на более мелкие частицы и дальнейшим ростом кристаллов, происходящими под воздействием ультразвука.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что оптимальным временем УЗ обработки является 90-120 минут. Для дальнейших исследований были использованы золи после 120 минут УЗ обработки, обладающие наибольшим значением ^-потенциала и наименьшим значением гидродинамического диаметра частиц, и ксерогели на их основе.
Для определения соответствия полученных наночастиц кристаллической фазе бемит был проведен рентгенофазовый анализ. Полученные результаты соотносились со стандартом наночастиц бемита JCPDS file No. 21-1307 (рисунок 2).
Рисунок 2 - Дифрактограмма полученных наночастиц (черные линии), соотнесенный со стандартом наночастиц бемита (синие линии)
Данные рентгенофазового анализа также согласовывались с ПЭМ (рисунок 3 (а)) и СЭМ (рисунок 3(б)) анализами.
а - ПЭМ изображение; б - СЭМ изображение Рисунок 3 - Морфология и внутренняя структура бемитового ксерогеля
Четкая видимость полос решетки (ширина = 0,271 нм) на ПЭМ изображении подтвердило кристаллическую структуру наночастиц. По результатам СЭМ анализа бемитовый ксерогель состоял из хорошо окристаллизованных наночастиц стержнеобразной формы, размером 2*6 нм, плотно упакованных между собой.
Стабильные гидрозоли магнетита были получены методом соосаждения с последующей УЗ обработкой в течение 120 минут. Значение гидродинамического диаметра составило 33 нм, ^-потенциал был равен +32 мВ при рН = 7,4, что подтвердило стабильность полученной коллоидной системы. Гидрозоли проявили свойства магнитной жидкости, притягиваясь вместе с дисперсионной средой внешним магнитным полем.
Ксерогели на основе наночастиц Ре304 были также исследованы методами низкотемпературной сорбции-десорбции азота, рентгенофазового анализа, рамановской спектроскопии и методами электронной микроскопии.
Для определения соответствия полученных наночастиц кристаллической фазе магнетит был проведен рентгенофазовый анализ. Полученные результаты соотносились со стандартом наночастиц магнетита JCPDS № 19-0629 (рисунок 4). Также, в связи со схожестью РФА спектров магнетита и маггемита, образцы были исследованы с помощью КР-спектроскопии, результаты которой представлены на рисунке 5.
Рисунок 4 - Дифрактограмма полученных наночастиц (черные линии), соотнесенный со стандартом наночастиц магнетита (красные линии)
магнетит (а) магнетит+маггемит (б) гематит (в)
800 700 600 500 400 300 200 100 Волновое число, см*1
а - спектр, при мощности возбуждающего лазера 0,03 мВт; б - спектр, при мощности возбуждающего лазера 0,344 мВт; в - спектр, при мощности
возбуждающего лазера 1,35 мВт
Рисунок 5 - КР спектры образцов
Данные КР-спектроскопии и характерное изменение сигналов спектра при увеличении мощности лазера позволили отнести исходный образец оксида железа к кристаллической фазе магнетита.
ПЭМ и СЭМ анализ (рисунок 6) показал, что наночастицы магнетита имеют средний диаметр частиц 10 нм и морфологию усеченного октаэдра. По данным, полученным методом сорбции-десорбции азота, ксерогели на основе наночастиц Без04 обладали удельной площадью поверхности, равной 122 м2/г, и средним диаметром пор - 8,6 нм.
а - ПЭМ изображение; б - СЭМ изображение Рисунок 6 - Морфология и внутренняя структура магнетитового ксерогеля
Таким образом, были получены стабильные и биосовместимые гидрозоли наночастиц Л100И и Без04, пригодные для получения нанокомпозиционных материалов на их основе.
Во втором разделе были рассмотрены возможности регулирования физико-химических параметров композитных материалов на основе наночастиц бемита и магнетита путём соконденсации их золей в различном массовом соотношении.
Для исследования возможности регулирования физико-химических параметров композитных материалов были смешаны полученные стабильные золи бемита и магнетита в массовых соотношениях 3:1, 1:1, 1:3. Благодаря исходной высокой стабильности и одноименному заряду при смешивании получались золи с высокой степенью однородности. При этом, увеличение доли наночастиц магнетита увеличивало магнитную чувствительность коллоидов к внешнему магнитному полю, в то время как вязкость системы снижалась (рисунок 7).
После удаления растворителя из коллоидной системы путём высушивания образцов золей были получены ксерогели. Отсутствие пептизирующих агентов и молекул поверхностно-активных веществ на поверхности наночастиц обеспечило образование межчастичных связей, стабилизирующих матрицу и предотвращающих ее самопроизвольное повторное диспергирование в водных средах.
Рисунок 7 - Усиление магнитной чувствительности полученных гидрозолей в зависимости от их состава (слева направо 100, 75, 50, 25 и 0 масс. %
наночастиц Л100И)
Полученные золи и ксерогели на их основе исследовались методами гидродинамического светорассеяния и низкотемпературной сорбции-десорбции азота. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Влияние варьирования соотношений наночастиц бемита и магнетита на гидродинамические и физико-химические параметры получаемых композитов
Время УЗ обработки, мин 2- потенциал, мВ Гидродинами ческий диаметр, нм Площадь поверхности, м2/г Средний диаметр пор, нм Общий объем пор, см3/г
Бемит 48 ± 2 76 ± 8 407 ± 28 3,3 ± 0,1 0,33 ± 0,01
Композит 3:1 44 ± 3 65 ± 5 344 ± 24 3,5 ± 0,1 0,30 ± 0,01
Композит 1:1 41 ± 3 52 ± 7 269 ± 20 4,1 ± 0,1 0,29 ± 0,01
Композит 1:3 37 ± 2 42 ± 5 178 ± 17 5,6 ± 0,1 0,27 ± 0,01
Магнетит 32 ± 3 33 ± 6 122 ± 8 8,6 ± 0,1 0,26 ± 0,01
Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что физико-химические свойства наноструктурированных материалов зависят от исходного соотношения наночастиц бемита и магнетита. Удельная площадь поверхности изменялась линейно от 122 м2/г до 407 м2/г от магнетитового до бемитового ксерогелей. Также линейная зависимость наблюдалась для общего объема пор мезопористых ксерогелей (от 0,26 см3/г до 0,33 см3/г). В то время как для среднего диаметра пор наблюдалась более сложная экспоненциальная зависимость. Такое уменьшение среднего диаметра пор с увеличением массовой доли бемита в композите можно объяснить двумя факторами. С одной стороны, меньший размер кристаллитов наночастиц бемита способствует уменьшению диаметра пор. С другой стороны, различная морфология наночастиц (чешуйчатая форма для бемита и усеченные
тетраэдры для магнетита) приводит к более плотной упаковке материала с увеличением в нём массовой доли бемита.
Исследование сформированных композитов с соотношением наночастиц бемита и магнетита 1:1 методами ПЭМ и СЭМ показало равномерное распределение компонентов в материале (рисунок 8 (а), (в)). Однородное распределение атомов на энергодисперсионном рентгеновском изображении также свидетельствовало об отсутствии агрегации в процессе смешивания и удаления растворителя (рисунок 8 (б)). Рентгеновские спектры композита показали пики, связанные с обоими материалами (по сравнению с файлами JCPDS 04-002-3668 и 01-074-2898) (рисунок 8 (г)-(е)).
а - СЭМ изображение композита при содержании компонентов 1:1; б -ЭДС
изображение композита; в - ПЭМ изображение композита; г-е - РФА спектры композитов с массовым соотношением АЮОН и FeзO4 от 3:1 до 1:3,
соответственно
Рисунок 8 - Характеристика композиционных матриц АЮ0Н-Без04
Композиционные материалы на основе бемита и магнетита потенциально могут сочетать в себе полезные свойства обоих компонентов, а именно высокую удельную поверхность и высокие значения намагниченности. Кривые намагниченности полученных материалов показывают, что как наночастицы FeзO4, так и композиты АЮ0Н-Без04 демонстрируют типичное суперпарамагнитное поведение и высокие значения намагниченности насыщения (рисунок 9). Изменяя массовую долю магнетита, намагниченность наноструктурированного материала может достигать значений до 88 А м2/г, что близко к значению для объемного магнетита (~ 92 А-м2/г).
^ 80-
< 40-
аГ н и
§ 0-
<и у
х -40-и
сз
%
я -80--■-1-•--■-1-1-
-8000 -4000 0 4000 8000
н, э
Рисунок 9 - Кривые намагниченности полученных образцов (вставка -
слабое поле)
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Закономерности формирования структуры и магнитных свойств наноразмерных и наноструктурированных порошков на основе оксидов железа2016 год, кандидат наук Салихов Сергей Владимирович
Получение и исследование физико-химических свойств композитных сорбентов на основе полистирольных матриц с нанодисперсными оксидами железа2016 год, кандидат наук Лубенцова Ксения Игоревна
Синтез, модификация и применение наночастиц магнетита для концентрирования и флуориметрического определения некоторых фторхинолонов2017 год, кандидат наук Егунова, Ольга Романовна
Получение порошкообразных наноматериалов в системе «Fe3O4-углерод»2020 год, кандидат наук Тюрикова Ирина Андреевна
In vitro и in vivo визуализация гидрозолей магнетита, магнитолипосом и магнитных микро-капсул методом магнитно-резонансной томографии2016 год, кандидат наук Герман Сергей Викторович
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шаповалова Ольга Евгеньевна, 2024 год
использовании
После пяти циклов наблюдалось постепенное снижение поглощающей способности до 89-92%, в зависимости от состава материала. Скорость разложения была несколько выше в композитах с более высокой долей наночастиц бемита. Эта разница в регенерации материалов может быть объяснена более высокой энергией адсорбции хромат-ионов кристаллической структурой бемита (DGads 140 кДж/моль) по сравнению с адсорбцией на магнетите (DGads 85 кДж/моль).
Четвертый раздел был посвящён созданию биокомпозитов на основе полученных наночастиц, выступающих в роли матриц, и ферментов путём соконденсации и исследованию их кинетических параметров, термо- и УФ-стабильности. В качестве модельных терапевтических ферментов были взяты карбоангидраза и кислая фосфатаза, а в качестве фермента, широко применяющегося в пищевой промышленности, - а-амилаза. Также в рамках раздела были рассмотрены изменения вторичной структуры нативной и энрапированной карбоангидразы в различном температурном диапазоне.
Для определения кинетических параметров использовали преобразованное уравнение Михаэлиса-Ментен способом Иди-Хофсти и строили графики для нативной карбоангидразы и полученных биокомпозитов
на её основе в координатах V)) = f (т-М, которые давали прямые линии, тангенс
угла наклона которых равен -Км, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, соответствует ^ах.
Проанализировав полученные графики, были определены Км и ^ах. Для нативной карбоангидразы, биокомпозитов КА@А100Н, КА@А100Н-Ре304 1:1 и КА@Бе304 они равнялись 2,03 ± 0,2 ммольл-1 и 104,51 ± 3,24 ^мольл-1 мин-1; 2,95 ± 0,3 ммоль л-1 и 31,08 ± 4,13 ^мольл-1 мин-1; 2,17 ± 0,2 ммоль л-1 и 24,95 ± 4,02 ^мольл-1 мин-1; 1,58 ± 0,2 ммоль л-1 и 20,26 ± 3,05 ^мольл-1 мин-1, соответственно. Снижение максимальной скорости реакции в случае биокомпозитов может быть связаны с диффузионными ограничениями, которые пористые матрицы накладывают на молекулы субстрата.
Термостабильность биокомпозитов на основе карбоангидразы определяли методом ДСК и спектрофотометрическим методом (рисунок 15).
а, б - ДСК анализ; в, г - спектрофотометрический анализ Рисунок 15 - Исследование термостабилизации карбоангидразы
Полученные данные согласовывались друг с другом. ДСК анализ показал сдвиг температуры денатурации карбоангидразы на 51 °С и на 30 °С
для КА@А100Н и КА@Без04, соответственно. По результату спектрофометрического анализа бемитовая матрица стабилизировала фермент на 53%, композиты с соотношениями наночастиц бемита и магнетита 3:1, 1:1 и 1:3 - на 48 %, 42 %, 35 %, соответственно, а магнетитовая матрица - на 31 %. Значительное увеличение термостабильности может быть обусловлено тесным взаимодействием молекулы фермента с жесткой трехмерной структурой золь-гель матрицы в пределах одной поры и поверхностно связанными молекулами воды, и таким образом препятствовать необратимым конформационным изменениям структуры фермента.
Далее исследовалась термостабилизация а-амилазы и возможность повторного использования биокомпозитов на её основе (рисунок 16).
Рисунок 16 - Исследование термостабильности и возможности повторного использования биокомпозитов на основе а-амилазы
Результаты исследования показали, что варьирование массовой доли наночастиц оксигидроксида алюминия в конечном наноструктурированном материале от 0 % до 100% приводит к сохранению активности фермента на уровне от 55 % до 85 %, соответственно. Также была продемонстрирована возможность повторного использования полученных биокомпозитов до 10 циклов без значительной потери каталитической активности.
Далее исследовали УФ-стабилизацию карбоангидразы полученными матрицами, используя спектрофометрический метод (рисунок 17).
Рисунок 17 - Исследование стабильности к УФ-С излучению карбоангидразы
и биокомпозитов на её основе
Полученные результаты показали, что варьирование массовой доли наночастиц AlOOH в матрице от 0 % до 100 % способствовало УФ-стабилизации карбоангидразы от 16 % до 52 %. Подобная разница в результатах могла быть объяснена как различными сорбционными характеристиками бемитовой и магнетитовой матриц, так и их поглощающей способностью в УФ диапазоне.
Аналогичные исследования были проведены и для стабилизации от УФ-B излучения (рисунок 18).
Рисунок 18 - Исследование стабильности к УФ-B излучению карбоангидразы
и биокомпозитов на её основе
На рисунке 18 показано, что матрицы без добавления бензофеноновых производных практически не стабилизируют фермент. Добавление же
бензофеноновых производных позволило сохранить активность фермента на уровне 81 %, 83 % и 92 %. Однако также следует учитывать, что относительная активность фермента после 360 минут УФ-В сохранялась на уровне 61 %.
В связи с использованием ламп разной длины и мощностей, было принято решение рассчитать количество фотонов, инактивирующих одну молекулу фермента, для возможности сравнения полученных результатов.
На рисунке 19 показано, что для инактивации одной молекулы карбоангидразы необходимо 8 УФ-С фотонов и 7 УФ-В килофотонов, что почти в 1000 раз больше. Для КА, энтрапированной в бемитовую матрицу, эти значения составляли 29 и 14, соответственно. Наилучшие же результаты по стабилизации фермента продемонстрировала бемитовая матрица с 2,2'-ДГ-4-МБФ. Для УФ-С области защита фермента была повышена в 5 раз и в 32 раза, для УФ-В области - в 4 раза и в 8 раз по сравнению с КА@А100Н и КА, соответственно.
т
о =
о н о
•е-и
е
>>
о а:
гО X Е
Ч О
300 250 200 150 100 50 0
кл 268
КА@АЮОН
КА@АЮОН-РезОа 3:1
КАфАЮОН-РезО, 1:1
КА@А100Н-Ре301 1:3
КА@Ре30<
КА@АЮОН+2-ГБФ 154
КА@А100Н+2,2'-ДГБФ
КА@А!ООН+2,2'-ДГ-4-МБФ
94
3 || 21 18 16
100 минут УФ-С обработки
я о я
о
н о
■е-
о
и
ер ©
>.
о я
а
и о Ы
70 -, 60 50 40 30 20 10 0
Щ КА@АЮОН
_КА@АЮОН+2-ГБФ
КА@АЮОН+2,2'-ДГБФ КА@А!ООН+2,2'-ДГ-4МБФ
25
28
—I—
14
59
360 минут УФ-В обработки
Рисунок 19 - Количество фотонов, необходимых для инактивации одной
молекулы КА
Аналогичные исследования были произведены и для кислой фосфатазы (рисунки 20, 21).
& юо-1
^^ КФ
IКФ@АЮОН I КФ@АЮОН+2-ГБФ I КФ@А]ООН+2,2'-ДГЕФ КФ@А]ООН+2.2'.-ДГ"1-МБФ
40 200
17
37
73
72
150 минут УФ-С обработки
100 80 60 40
1 КФ 1 КФ@А|ООН 1 1 КФ(ЕА|ООН+2-ГБФ т
■ |_| КФ(@АЮОН+2.2'-ДГЕФ 1 КФ@АЮОН+2,2'-ДГ-4-МБФ Т
1
—I— р— 70 95
35 57 61
600 минут УФ-В обработки
140 -|
¡5 120-
и
0
| 100 к
1 8005
I 60-
.а
н 40-и
? 20
КФ
КФ@АЮОН
_ КФ@АЮОН+2-ГБФ
КФ@АЮОН+2,2'-ДГБФ
КФ@АЮОН+2,2'-ДГ-4-МБФ | ■
63
86
89
94
90
780 минут УФ-А обработки
Рисунок 20 - Исследование стабильности к УФ излучению КФ и
биокомпозитов на её основе
На рисунке 20 показано, что бемитовая матрица стабилизировала фермент от УФ-С излучения на 17 %, добавление же бензофеноновых производных усилило данный эффект. Использование матрицы с добавлением 2,2'-ДГБФ и 2,2'-ДГ-4М-БФ позволило сохранить активность фермента на уровне 73 % и 72 %, соответственно. От УФ-В излучения наилучшие результаты показала бемитовая матрица с добавлением 2,2'-ДГ-4М-БФ, сохранив активность КФ на уровне 95 %, а от УФ-А излучения - бемитовая матрица с добавлением 2,2'-ДГБФ, сохранив активность фермента на уровне 94 %. Также полученные значения были пересчитаны на количество фотонов, инактивирующих одну молекулу кислой фосфатазы.
Рисунок 21 - Количество фотонов, необходимых для инактивации одной
молекулы КФ
На рисунке 21 продемонстрировано, что для инактивации одной молекулы кислой фосфатазы необходимо 5 УФ-С фотонов, 2,7 УФ-В
килофотонов и почти 5 УФ-А килофотонов. Наиболее стабилизирующее действие от УФ-С излучения показала бемитовая матрица с добавлением 2-гидроксибензофенона, а от УФ-В и УФ-А излучений - бемитовая матрица с добавлением 2,2' -дигидрокси-4-метоксибензофенона.
Таким образом, можно сделать один большой вывод, что полученные нанокомпозиты могут выступать в роли термостабилизирующих матриц, и для УФ-стабилизации лучше всего подходят матрицы АЮОН с добавлением бензофеноновых производных. Также в зависимости от используемого фермента результаты по стабилизации различаются.
В заключении приведены основные выводы по результатам работы, а именно:
1. Был разработан метод получения магнитных нанокомпозитов с равномерным распределением наночастиц А100Н и Без04 путём смешивания стабильных гидрозолей бемита и магнетита, полученных с использованием ультразвуковой обработки в течение 2 часов, и их последующей соконденсации, а также продемонстрирована возможность регулирования физико-химических свойств полученных наноматериалов путём варьирования соотношений их компонентов (удельная площадь поверхности изменялась от 122 до 407 м2/г, значения намагниченности - от 0 до 88 Ам2/г).
2. Полученные наноматериалы с массовым соотношением наночастиц бемита и магнетита 0:4, 1:3, 1:1, 3:1, 4:0, соответственно, продемонстрировали сорбционную способность к ионам Сг(У1) от 24 мг/г до 63 мг/г, а также способность к регенерации для повторного использования до 5 раз с незначительным снижением сорбционной емкости до уровня 92 % от изначального.
3. Была продемонстрирована увеличенная термо- и УФ-стабильность биокомпозитов, содержащих ферменты по сравнению с их обычными аналогами в растворе. Наилучшие результаты показали материалы с большим содержанием наночастиц бемита. Магнетитовая матрица стабилизировала карбоангидразу на 31 %, композиты с соотношениями наночастиц бемита и
магнетита 1:3, 1:1 и 3:1 - на 35 %, 42 %, 48 %, соответственно, а бемитовая матрица - на 53 %, и а-амилазу - на 32 %, 39 %, 47 %, 54 % и 62 %, соответственно. Золь-гель матрицы на основе наночастиц бемита и магнетита в соотношениях 0:4, 1:3, 1:1, 3:1, 4:0 стабилизируют карбоангидразу от УФ-С излучения на 16 %, 25 %, 34 %, 45 % и 52 %, соответственно. Добавление бензофенонвых производных (2-Гидроксибензофенон, 2,2'-Дигидроксибензофенон, 2,2'-Дигидрокси-4-Метоксибензофенон) в бемитовую золь-гель матрицу позволило стабилизировать фермент на 85 %, 91 % и 89 %, соответственно.
Synopsis
GENERAL THESIS SUMMARY
Relevance of the chosen topic. The relevance of the study of magnetic nanocomposites based on aluminum oxyhydroxide and iron (II, III) oxide is due to their wide potential applications in various fields, including biomedicine, ecology, and catalysis. Nanocomposite materials combining the advantages of two or more components with different physicochemical properties represent a promising class of functional materials with tunable characteristics.
The world market of nanocomposites shows high growth rates, which indicates the relevance of the development of such materials with tunable properties. Magnetic nanocomposite materials based on iron (II, III) oxide nanoparticles (magnetite, Fe3O4) occupy a special place among such functional systems. Due to their unique magnetic characteristics, biocompatibility and environmental friendliness, they have found wide application in biomedicine, water treatment, electronics and magnetic separation. For example, magnetite nanoparticles are already used as contrast agents for MRI diagnostics and in anti-anemia drugs, and in the near future they are expected to be actively used in targeted drug delivery for anticancer therapy.
Despite the advantages of magnetite nanoparticles, they have limited stability in aqueous media, are prone to oxidation, and require improved sorption characteristics. One way to address these problems is to develop magnetic nanocomposites based on Fe3O4 nanoparticles and biocompatible, stable matrices with highly developed surfaces, such as aluminum oxyhydroxide (boehmite, AlOOH), which is already used as an adjuvant and approved by leading medical agencies. Due to the synergistic properties of AlOOH and Fe3O4, the obtained nanocomposites can find wide applications in water purification, food industry and biomedicine.
Thus, the study of magnetic nanocomposites based on aluminum oxyhydroxide and iron (II, III) oxide is an actual direction with high potential for practical application and scientific novelty.
The goal. Development of liquid-phase methods of preparation and investigation of properties of functional magnetically controlled composite materials based on AlOOH and Fe3O4 nanoparticles without stabilizing agents with adjustable sorption, magnetic and catalytic properties.
The main objectives:
1) Development of a liquid-phase method for obtaining magnetically controlled composite materials based on nanostructured AlOOH and Fe3O4 particles without the use of stabilizers and at neutral pH values, suitable for the creation of sorbents and biocatalysts on their basis.
2) Establishment of regularities of change of sorption and magnetic characteristics of the obtained composites depending on the mass fraction of AlOOH and Fe3O4 nanoparticles in the final material.
3) Investigation of the influence of xerogel matrices based on AlOOH nanoparticles, a combination of nanostructured AlOOH and Fe3O4 particles, and Fe3O4 nanoparticles on the properties of biocomposites containing immobilized enzymes.
Research methods. The thesis used modern experimental methods: the crystalline phase and crystallinity of the samples were studied by X-ray diffraction (diffractometer Rigaku SmartLab 3); micrographs of the samples were obtained by transmission electron microscopy (HRTEM Jem 2010 Jeol, Japan) and scanning electron microscopy (Tescan VEGA 3); particle size and zeta potential were measured using Photocor Compact Z; surface area, pore volume and pore size distribution were examined using a Quantachrome Nova 1200e; the method of differential scanning calorimetry using a Phoenix NETZSCH device was applied to study the thermal stabilization of enzymes by sol-gel matrices; spectrophotometric measurements were performed using an Agilent Cary HP 8454 spectrometer with an integrated Peltier element.
Assertions that are presented for defense.
1. Liquid-phase method with the use of ultrasonic treatment, which allows to synthesize stable hydrosols of AlOOH and Fe3O4 without the use of stabilizing agents and at neutral pH values to obtain magnetic nanocomposites with homogeneous distribution of components and with adjustable physical and chemical properties by varying their mass ratio in the final materials. Increasing the mass fraction of AlOOH nanoparticles from 0 to 100 % in the final material promotes an increase in the specific surface area of the composite from 122 to 407 m2/g and a decrease in the magnetization values from 88 A-m2/g to zero, respectively.
2. The relationship between the composition of AlOOH-Fe3O4 nanostructured materials and their adsorption properties towards chromium (VI) anions, which is, that an increase in the mass fraction of AlOOH nanoparticles in the final nanostructured materials AlOOH-Fe3O4 from 0 % to 100 % leads to an increase in the equilibrium sorption capacity towards chromium (VI) ions in the range from 24 to 63 mg/g, while sorption occurs due to electrostatic interaction and exchange reactions, and chemisorption is a limiting stage of this process.
3. The effect of thermal and UV-stabilizing effect on protein molecules by inorganic nanostructured matrices based on AlOOH and Fe3O4 nanoparticles, consisting of, that increasing the mass fraction of AlOOH nanoparticles in the AlOOH-Fe3O4 matrix from 0 % to 100 % leads to an improvement in the thermal stabilization of carboanhydrase from 31 % to 53 % and a-amylase from 32 % to 62 % and an increase in the stabilization of carboanhydrase from UV-C radiation from 16 % to 52 %.
Scientific novelty.
In the work for the first time:
- A magnetically controlled nanocomposite with uniform particle volume distribution was obtained by mixing stable hydrosols of AlOOH and Fe3O4 and further co-condensation without stabilizing agents, surface modification and at neutral pH values.
- The influence of mass ratios of AlOOH and Fe3O4 nanoparticles on the final physicochemical properties of the magnetic nanocomposite was studied (surface area varied from 122 to 407 m2/g, magnetization values - from 0 to 88 e.m.u./g).
- The sorption-kinetic characteristics of the obtained composite materials on the sorption of Cr(Vl) ions were investigated.
- The influence of xerogel matrices based on AlOOH nanoparticles, a combination of nanostructured AlOOH and Fe3O4 particles and Fe3O4 nanoparticles on the catalytic properties of carboanhydrase, namely, the maximum reaction rate and Michaelis-Menten constant; thermostability of carboanhydrase and a-amylase; UV stability of carboanhydrase and acid phosphatase was investigated.
The objects of the study are nanostructured materials based on aluminum oxyhydroxide and iron oxide (II, III).
The subject of the study is the relationship between the composition of nanostructured materials, namely the mass ratio of nanoparticles AlOOH and Fe3O4, and their properties, the method of obtaining such materials without stabilizing agents and at neutral pH values with given magnetic, sorption and catalytic properties.
Theoretical and practical significance. Based on the results of the work, a method for obtaining magnetic nanocomposites with uniform distribution of nanostructured AlOOH and Fe3O4 particles among themselves and the possibility of varying their sorption and magnetic properties was developed, as well as biocomposites based on enzymes (carboanhydrase, a-amylase, acid phosphatase) and AlOOH nanoparticles, a combination of nanostructured AlOOH and Fe3O4 particles, and Fe3O4 nanoparticles were obtained and the influence of such matrices on thermal and UV stability of model biomolecules was studied.
Such nanomaterials can be used as efficient sorbents capable of magnetic separation and reuse, and further applied both for wastewater treatment and as biocatalysts with enhanced thermal and UV stability and magnetic control/separation capability.
Approbation. The results of the work were presented in the form of oral and poster reports at 7 All-Russian and international scientific conferences: XIII Congress of Young Scientists ITMO (St. Petersburg, 2024), 13th International Scientific Conference "Biocatalysis. Fundamental Research and Applications" (Suzdal, 2023), XII All-Russian Congress of Young Scientists ITMO 2023 (St. Petersburg, 2023), XLV Scientific and Teaching Conference of ITMO University (St. Petersburg, 2016), Sol-Gel 2015 (Kyoto, Japan, 2015), X All-Russian School-Conference of Young Scientists 'Theoretical and Experimental Chemistry of LiquidPhase Systems' (Krestovsky Readings) (Ivanovo, 2015), IV All-Russian Congress of Young Scientists (St. Petersburg, 2015).
Reliability of the obtained results and conclusions. The reliability of the obtained results is conditioned by their reproducibility, the use of modern equipment for physicochemical methods of analysis, as well as peer-reviewed articles published in scientific journals of the first quartile.
The author's personal contribution consists in the synthesis of all samples, study of the characteristics and properties of the obtained materials by a complex of physicochemical methods of research. The planning of the experiment and interpretation of the research results was carried out jointly with the supervisor and co-authors.
Publications. The main results of the thesis are presented in 5 publications in the first quartile (Q1) journals included in the Scopus/Web of Science citation databases:
1. Ivanovski V., Shapovalova O.E., Drozdov A.S. Structural Rearrangements of Carbonic Anhydrase Entrapped in Sol-Gel Magnetite Determined by ATR-FTIR Spectroscopy // International Journal of Molecular Sciences - 2022, Vol. 23, No. 11, pp. 5975.
2. Shapovalova O.E., Drozdov A.S., Bryushkova E.A., Morozov M.I., Vinogradov V.V. Room-temperature fabrication of magnetite-boehmite sol-gel composites for heavy metal ions removal // Arabian Journal of Chemistry - 2020, Vol. 13, No. 1, pp. 1933-1944.
3. Astafyeva B.V., Shapovalova O.E., Drozdov A.S., Vinogradov V.V. alfa-Amylase@Ferria: Magnetic Nanocomposites with Enhanced Thermal Stability for Starch Hydrolysis // Journal of Agricultural and Food Chemistry - 2018, Vol. 66, No. 30, pp. 8054-8060.
4. Shapovalova O.E., Levy D., Avnir D., Vinogradov V.V. Protection of enzymes from photodegradation by entrapment within alumina // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces - 2016, Vol. 146, pp. 731-736.
5. Drozdov A.S., Shapovalova O.E., Ivanovski V., Avnir D., Vinogradov V.V. Entrapment of Enzymes within Sol-Gel-Derived Magnetite // Chemistry of Materials - 2016, Vol. 28, No. 7, pp. 2248-2253.
Thesis structure. The thesis is set out on 247 pages of typewritten text, contains an 83 figure, 17 tables and 19 formulas. The list of references includes titles. The work consists of an introduction, 3 chapters, conclusion, list of abbreviations and 162 symbols and the list of references.
CONTENTS
The introduction substantiates the relevance of the research topic, sets the goal and formulates the main objectives of the scientific and qualification work, reveals its scientific and practical significance, reliability and provides the provisions for defense.
Chapter 1 is devoted to the review of literature on the topic of scientific and qualification work and identification of the main tasks that require solutions. Section 1.1 gives a general characteristic and areas of application of aluminum oxyhydroxide (bemite). Section 1.2 includes methods for the preparation of AlOOH nanoparticles with emphasis on hydrothermal, solvothermal and sol-gel methods. The advantages and features of each method are given. Section 1.3 reviews the basic properties and applications of Fe3O4 (magnetite) nanoparticles. Section 1.4 reflects the main methods of synthesis of magnetite nanoparticles, such as thermal decomposition method, hydro- and solvothermal methods, synthesis in
microemulsions, sol-gel and co-precipitation methods, their advantages and peculiarities, which should be taken into account when obtaining magnetic nanoparticles, are given. Section 1.5 is devoted to magnetic nanocomposites with emphasis on materials with inorganic matrices, their main methods of preparation, advantages and disadvantages of each method, as well as potential applications.
Chapter 2 contains a description of the materials and reagents used, the methodology of synthesis of hydrosols of AlOOH, Fe3O4 nanoparticles and nanocomposites based on them, as well as methods for studying the physicochemical properties of the obtained samples.
The hydrosols of nanostructured aluminum oxyhydroxide and iron oxide (II, III) particles were prepared using ultrasonic-assisted sol-gel method and co-precipitation method followed by ultrasonic treatment, respectively.
Nanocomposite materials were prepared by simply mixing stable hydrosols of AlOOH and Fe3O4 in different stoichiometric ratios (3:1, 1:1, 1:3) and their subsequent co-precipitation. Biocomposites were also prepared by the same method by adding enzyme solution to the obtained hydrosols. The enzyme content in the biocomposite was 10 wt.%.
The obtained samples were comprehensively studied using physicochemical methods of analysis. Hydrodynamic diameter of particles was determined by the method of dynamic light scattering, zeta potential - by the method of electrophoretic light scattering. X-ray diffraction method was used to study the phase composition. The microstructure of the samples was studied by transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). The textural characteristics of the materials (specific surface area, pore size, pore size distribution) were investigated by low-temperature nitrogen sorption-desorption method. Sorption-kinetic characteristics of nanocomposite materials, determination of kinetic parameters of Michaelis-Menten equation, thermal and UV stability of biocomposites and native enzymes were studied by UV-visible spectroscopy. DSC analysis was used to determine the thermostability of the carboanhydrase-based biocomposites.
The third chapter discusses the main experimental results and conclusions.
The first section is devoted to the preparation and characterization of nanostructured aluminum oxyhydroxide (boehmite) and iron oxide (magnetite) particles. In this section, the influence of synthesis conditions, namely the time of ultrasonic processing, on the physicochemical and hydrodynamic parameters of the obtained nanostructured boehmite particles and porous materials based on them was investigated.
In order to obtain stable boehmite sols, the optimal time of ultrasonic (US) processing was determined. For this purpose, a series of syntheses of aluminum oxyhydroxide-based sols were performed by ultrasonic-assisted sol-gel method. The ultrasonic treatment time varied from 30 to 180 min.
0. 30 60 90 120 150 180
" IT T IT TT' — —'
«■mil
Figure 1 - Boehmite hydrosols after 0-180 minutes of ultrasonic treatment
Visual analysis of the obtained sols, shown in Figure 1, allowed us to make a preliminary conclusion that the most stable sol with the smallest size of nanoparticles is obtained after 120 minutes of ultrasonic treatment. At 30 and 60 minutes of ultrasonic treatment, sedimentation of the sol occurred and a small amount of white precipitate was formed. After 90 minutes of ultrasonic treatment, no obvious precipitate was observed, but the sol itself had a cloudy appearance, which could be due to the size of the colloidal particles obtained. A similar situation was observed for the sol after 180 minutes of ultrasonic treatment.
For a more detailed and evidential analysis, the obtained sols and xerogels based on them were characterized using hydrodynamic light scattering and low temperature nitrogen sorption-desorption techniques.
The values of g-potential of the obtained aluminum oxyhydroxide sols, as the main indicator of stability of colloidal systems, were agreed with the preliminary visual analysis. It is well known that reaching the threshold value of g-potential ± 30 mV is an indicator of colloidal system stability associated with the excess of electrostatic repulsion forces over intermolecular interaction leading to sedimentation. According to the obtained data presented in Table 1, with increasing the time of ultrasonic treatment up to 120 min, the stability of sols increased, g-potential reached its maximum value (48 mV). Further ultrasonic treatment promoted a gradual decrease in the g-potential value, while the colloidal system remained stable.
Table 1 - Effect of ultrasonic treatment on hydrodynamic and physicochemical parameters of aluminum oxyhydroxide sols and xerogels on their basis
Ultrasonic treatment time, min g-potential, mV Hydrodynamic diameter, nm Surface area, m2/g Average pore diameter, nm Total pore volume, cm3/g
30 26 ± 2 117 ± 7 328 ± 18 3,4 ± 0,1 0,28 ± 0,01
60 29 ± 3 111 ± 7 388 ± 28 3,3 ± 0,1 0,32 ± 0,01
90 42 ± 3 94 ± 8 428 ± 27 3,3 ± 0,1 0,34 ± 0,01
120 48 ± 2 76 ± 8 407 ± 28 3,3 ± 0,1 0,33 ± 0,01
150 46 ± 3 88 ± 6 372 ± 26 3,4 ± 0,1 0,33 ± 0,01
180 45 ± 4 93 ± 8 359 ± 25 3,4 ± 0,1 0,30 ± 0,01
Such a change in ^-potential can be associated with the occurrence of acoustic cavitation during ultrasonic treatment. This, in turn, leads to the formation, growth and implosive collapse of bubbles at the liquid-solid interface, while generating local heating of the contact point through adiabatic compression or formation of a shock wave in the gas phase of the bubble, the speed of which can reach 100 m/sec. The heated surface of the particles and the nearby water layer interacting with air form free radicals H- and OH-, which interact with the surfaces of colloidal particles, which determines the final ^-potential of the dispersed system. As the ions become
saturated, the ¡^-potential reaches its maximum value, resulting in the formation of a stable colloidal system. In parallel with the increase in the charge of nanoparticles, disaggregation occurs: large aggregates break down to form smaller and individual nanoparticles.
It is also seen from Table 1 that as the ultrasonic treatment time increases to 120 minutes, the specific surface area of the AlOOH xerogels also increases from 328 to 407 m2/g, while the hydrodynamic diameter and average pore size decreases. The reverse situation occurs after passing the maximum. The obtained results may be related to the processes of aggregates destruction into smaller particles and further crystal growth occurring under the influence of ultrasound.
From the results obtained, it can be concluded that the optimal time of ultrasonic treatment is 90-120 minutes. The sols after 120 minutes of ultrasonic treatment, possessing the highest value of ^-potential and the smallest value of hydrodynamic particle diameter, and xerogels based on them were used for further studies.
To determine whether the obtained nanoparticles correspond to the crystalline phase of boehmite, X-ray diffraction analysis was performed. The obtained results were correlated with the standard of boehmite nanoparticles JCPDS file No. 21-1307 (Figure 2).
Figure 2 - Diffractogram of the obtained nanoparticles (black lines), correlated with the standard of AlOOH nanoparticles (blue lines)
The XRD data were also consistent with TEM (Figure 3(a)) and SEM (Figure 3(b)) analyses. The clear visibility of lattice bands (width = 0.271 nm) in the TEM image confirmed the crystalline structure of the nanoparticles. According to the results of SEM analysis, the AlOOH xerogel consisted of well-crystallized rod-shaped nanoparticles, 2x6 nm in size, tightly packed together.
\
m
W:
m
SFi
1tim
■ •• A- '
frtfj • r ■
№
1* v . Y\
mi i < : £ I
*mfm
w
... ;>■
> • ^ ,
■gM v 4, Mr ' >
7-/ V* , 500 nm— <
Figure 3 - Morphology and internal structure of the AlOOH xerogel
Stable magnetite hydrosols were obtained by co-precipitation method followed by ultrasonic treatment for 120 minutes. The value of hydrodynamic diameter was 33 nm, ^-potential was +32 mV at pH = 7.4, which confirmed the stability of the obtained colloidal system. The hydrosols exhibited magnetic fluid properties, being attracted together with the dispersion medium by an external magnetic field.
The Fe3O4 nanoparticle-based xerogels were also investigated by low-temperature nitrogen sorption-desorption, X-ray phase analysis, and electron microscopy techniques.
X-ray phase analysis was also carried out to determine whether the obtained nanoparticles conformed to the crystalline magnetite phase. The obtained results were correlated with the standard of magnetite nanoparticles JCPDS No. 19-0629 (Figure 4). And also, the samples were investigated by Raman spectroscopy due to the similarity of XRD spectra of magnetite and maghemite, the results of which are presented in Figure 5.
Figure 4 - Diffractogram of the obtained nanoparticles (black lines), correlated with the standard of Fe3O4 nanoparticles (red lines)
magnetite (a) magnetite+maghemite (b) hematite (c)
800 700 600 500 400 300 200 100
Raman shift, cm-1
a - spectrum, at excitation laser power of 0.03 mW; b - spectrum, at excitation laser power of 0.344 mW; c - spectrum, at excitation laser power of 1.35 mW
Figure 5 - Raman spectra of samples
Raman spectroscopy data and characteristic change of spectrum signals with increasing laser power allowed to refer the initial sample of iron oxide to the crystalline phase of magnetite.
TEM and SEM analysis (Figure 6) showed that the magnetite nanoparticles have an average particle diameter of 10 nm and a truncated octahedron morphology. According to the data obtained by nitrogen sorption-desorption method the xerogels
based on Fe3O4 nanoparticles had a specific surface area of 122 m2/g and an average pore diameter of 8.6 nm.
a - SEM image; b - SEM image Figure 6 - Morphology and internal structure of magnetite xerogel
Thus, stable and biocompatible hydrosols of AlOOH and Fe3O4 nanoparticles suitable for obtaining nanocomposite materials based on them were obtained.
In the second section, the possibilities of regulating the physicochemical parameters of composite materials based on boehmite and magnetite nanoparticles by co-condensation of their sols in different mass ratio were considered.
To investigate the possibility of regulating the physicochemical parameters of composite materials, the obtained stable sols of boehmite and magnetite in mass ratios of 3:1, 1:1, 1:3 were mixed. Due to the initial high stability and homogeneous charge, the mixing produced sols with a high degree of homogeneity. At the same time, increasing the proportion of magnetite nanoparticles increased the magnetic sensitivity of the colloids to an external magnetic field, while the viscosity of the system decreased (Figure 6).
Xerogels were obtained after removing the solvent from the colloidal system by drying the sol samples. The absence of peptizing agents and surfactant molecules on the surface of nanoparticles provided the formation of interparticle bonds that stabilize the matrix and prevent its spontaneous re-dispersion in aqueous media.
Figure 7 - Enhancement of magnetic sensitivity of the obtained hydrosols depending on their composition (from left to right 100, 75, 50, 25 and 0 wt.% of
boehmite nanoparticles)
The obtained sols and xerogels based on them were investigated by the methods of hydrodynamic light scattering and low-temperature nitrogen sorption-desorption. The obtained results are summarized in Table 2.
Table 2 - Effect of varying the ratios of nanoparticles of boehmite and magnetite on hydrodynamic and physicochemical parameters of the obtained composites
g-potential, mV Hydrodynamic diameter, nm Surface area, m2/g Average pore diameter, nm Total pore volume, cm3/g
Boehmite 48 ± 2 76 ± 8 407 ± 28 3.3 ± 0.1 0.33 ± 0.01
Composite 3:1 44 ± 3 65 ± 5 344 ± 24 3.5 ± 0.1 0.30 ± 0.01
Composite 1:1 41 ± 3 52 ± 7 269 ± 20 4.1 ± 0.1 0.29 ± 0.01
Composite 1:3 37 ± 2 42 ± 5 178 ± 17 5.6 ± 0.1 0.27 ± 0.01
Magnetite 32 ± 3 33 ± 6 122 ± 8 8.6 ± 0.1 0.26 ± 0.01
Based on the obtained data, it can be concluded that the physicochemical properties of the composites depend on the initial ratio of boehmite and magnetite nanoparticles. The specific surface area varied linearly from 407 m2/g to 122 m2/g from boehmite to magnetite xerogels. A linear dependence was also observed for the total pore volume of mesoporous xerogels (from 0.298 cm3/g to 0.334 cm3/g). While a more complex exponential dependence was observed for the average pore
diameter. This decrease in the average pore diameter with increasing mass fraction of boehmite in the composite can be explained by two factors. On the one hand, the smaller crystallite size of boehmite nanoparticles contributes to the decrease in pore diameter. On the other hand, different morphology of nanoparticles (flake shape for boehmite and truncated tetrahedrons for magnetite) leads to denser packing of the material with increasing mass fraction of boehmite in it.
The study of the formed composites with the ratio of boehmite and magnetite nanoparticles 1:1 by TEM and SEM methods showed a uniform distribution of components in the material (Figure 8 (a), (c)). The homogeneous distribution of atoms in the energy dispersive X-ray image also indicated the absence of aggregation during mixing and solvent removal (Figure 8 (b)). X-ray spectra of the composite showed peaks associated with both materials (compared to JCPDS files 04-002-3668 and 01-074-2898) (Figure 8 (d)-(e)).
a - SEM image of the composite at the content of components 1:1; b - EDS image of the composite; c - TEM image of the composite; d-e - XRD spectra of composites with mass ratio of AlOOH and Fe3O4 from 3:1 to 1:3, respectively
Figure 8 - Characterization of AlOOH-Fe3O4 composite matrices
Composite materials based on boehmite and magnetite can potentially combine useful properties of both components, namely high specific surface area and high magnetization values. The magnetization curves of the obtained materials show that both Fe3O4 nanoparticles and AlOOH-Fe3O4 composites exhibit typical superparamagnetic behavior and high saturation magnetization values (Figure 9). By varying the mass fraction of magnetite, the magnetization of the material can reach values up to 88 e.m.u./g for pure iron, which is close to the value for bulk magnetite (~ 92 e.m.u./g).
__,_|_|___jm | 3_an | **_
8000 -4000 0 4000 8000
H, Oe
Figure 9 - Magnetization curves (inset - weak field)
Thus, due to the high magnetization values, the composite material can easily be attracted by an external magnetic field. By determining the mass fraction of the components, the optimum balance between magnetization and textural properties can be found for specific practical applications.
Since one of the potential application scenarios of the developed materials was their use in biomedical applications, the stability of the obtained composites, which are ceramic sol-gel matrices for biomolecules, was studied in a model physiological environment. For this purpose, ceramic matrices of iron oxide (II, III), aluminum oxyhydroxide and hybrid matrix with the mass ratio of the latter 1: 1 were placed in phosphate-salt buffer and incubated for 7 days, taking aliquots, after which the
concentration of released Fe3+ and Al3+ ions was measured by atomic emission spectroscopy. The obtained data are summarized in Tables 3 and 4.
Table 3 - Dependence of metal ion concentration in phosphate-salt buffer on incubation time
AlOOH AlOOH-Fe3O4 1:1 Fe3O4
Day Al, mg/l Fe, mg/l Al, mg/l Fe, mg/l Al, mg/l Fe, mg/l
1 <1 (0.11) <1 (0.15) <1 (0.10) 6.45 <1 (0.09) 13.24
3 <1 (0.13) <1 (0.24) <1 (0.14) 6.73 <1 (0.10) 14.82
5 <1 (0.14) <1 (0.09) <1 (0.13) 7.01 <1 (0.09) 16.21
7 <1 (0.17) <1 (0.13) <1 (0.23) 7.20 <1 (0.12) 16.85
Table 4 - Percentage of metal ion release in phosphate-salt buffer from incubation time
AlOOH release, % AlOOH-Fe3O4 1:1 release,% Fe3O4 release, %
Day Al Fe Al Fe Al Fe
1 2.44-10-3 2.08-10-3 2.22-10-3 8.88-10-2 2.00-10-3 0.18
3 2.89-10-3 3.33-10-3 3.11-10-3 9.30-10-2 2.22-10-3 0.21
5 3.11-10-3 2.50-10-3 2.89-10-3 9.72-10-2 2.00-10-3 0.26
7 3.78-10-3 1.80-10-3 5.11-10-3 10.05-10-2 2.67-10-3 0.23
The results demonstrated that the developed ceramic matrices had high stability in phosphate-salt buffer, which mimicked the ionic strength and pH of blood. Under these conditions, a slight release of iron ions was observed, but this level did not exceed 0.23 % of the amount taken after one week of incubation. The concentration of aluminum ions in the corroding buffer was below the lower detection limit of the instrument (<1 mg/L), which could indicate the high stability of aluminum oxyhydroxide-based ceramic sol-gel matrices.
In the third section, the sorption and kinetic characteristics of the obtained composite materials on the sorption of Cr(Vl) ions were investigated, and the mechanism of their sorption was proposed.
The sorption-kinetic characterization study showed that depending on the mass fractions of boehmite and magnetite nanoparticles in the final composites, the equilibrium sorption capacity varies from 24 to 63 mg/g (Figure 10). This decrease in sorption capacity is attributed to the decrease in specific surface area of the composites with increasing mass fraction of magnetite in the final sorbent.
100-.
■ —♦— AlOOH 90 " —»— AIOOH-Fe3C>4 3:1 Sf) ' —*— AlOOII-FcjOi 1:1 A100H-Fe304 1:3 7Q. Fej04
80-
40-
60 60-
20-
30-
10-
0 10 20 30 40 50 60 70
Ce, mg-L-1
Figure 10 - Isotherms of sorption of chromium (VI) ions by the obtained
composite materials
To confirm the possibility of describing the mechanism of the sorption process by the second-order equation, a graph of t/qe dependence on time (Figure 11) was plotted and the correlation coefficient R (Pearson's coefficient) was determined.
Figure 11 - Kinetics of chromium ions (Vl) sorption by composite materials based on boehmite and magnetite nanoparticles in pseudo-second-order equation
coordinates
The obtained linear dependences with correlation coefficients of 0.99 and higher confirmed the use of the second-order equation to describe the sorption process.
To investigate the sorption process, adsorption isotherms were modeled in Langmuir coordinates Ce/qe = f (Ce) and Freundlich coordinates lgqe = f(lgCe) (Figure 13).
(a) - sorption isotherms in Langmuir coordinates; (b) - sorption isotherms in
Freundlich coordinates
Figure 12 - Sorption isotherms of chromium (VI) ions by obtained mesoporous
materials
The monolayer sorption capacity, Langmuir constant and Freundlich isotherm constants were determined from the plotted graphs. The results of the calculations are presented in Table 5.
Table 5 - Adsorption isotherm parameters and Pearson correlation coefficients
Sample Langmuir Freundlich
qm Kl R n Kf R
AlOOH 72.62 0.1095 0.9941 2.06 9.97 0.9093
Al.-Fe. 3:1 61.77 0.0970 0.9964 2.01 7.92 0.9599
Al.-Fe. 1:1 48.83 0.0980 0.9975 2.35 7.97 0.9732
Al.-Fe. 1:3 36.23 0.1741 0.9996 2.76 8.41 0.9357
Fe3O4 24.33 0.4134 0.9992 3.97 9.29 0.8498
The obtained results indicated that the Langmuir model is in better agreement with the experimental data, which may be due to the homogeneous distribution of active centers on the adsorbent surface. The values of the sorption capacity of the monolayer or otherwise the limiting sorption obtained during the processing of sorption isotherms using the Langmuir equation agreed quite well with the experimental data (difference from 1 to 15 %, if we take as 100 % the values of equilibrium sorption capacity from the graphs 10).
Thus, according to the obtained results and literature data, the mechanism of the sorption process of chromium (VI) anions by the obtained nanostructured materials was hypothesized. Due to the high surface area, the presence of reactive functional groups, and positively charged surface areas in acidic aqueous media, AlOOH and Fe3O4 can sorb chromate anions by electrostatic interaction (outer-sphere complexation), as shown in Figure 13, and exchange reactions (inner-sphere
complexation), which may result in the formation of monodentate and bidentate complexes.
Figure 13 - Schematic representation of the process of sorption of chromate ions
by electrostatic interaction
The possibility of reuse of the obtained composites was also shown (Figure
14).
Figure 14 - Histogram of relative adsorption of Cr(VI) ions by the obtained
composites at their reuse
After five cycles, a gradual decrease in absorption capacity was observed up to 89-92%, depending on the material composition. The degradation rate was
slightly higher in composites with a higher proportion of boehmite nanoparticles. This difference in material regeneration can be explained by the higher adsorption energy of chromate ions by the crystal structure of boehmite (DGads 140 kJ/mol) compared to adsorption on magnetite (DGads 85 kJ/mol).
The fourth section was devoted to the creation of biocomposites based on the obtained nanoparticles and enzymes by co-condensation and the study of their kinetic parameters, thermal and UV stability. Carboanhydrase and acid phosphatase were taken as model therapeutic enzymes, and a-amylase was taken as an enzyme widely used in the food industry. Also within the section, changes in the secondary structure of nitrated and entrapped carboanhydrase in different temperature range were considered.
To determine the kinetic parameters, we used the transformed MichaelisMenten equation by the Idi-Hofsti method and plotted the native carboanhydrase
and the obtained biocomposites based on it in the coordinates V0 = f (pM (Figure
17), which gave a straight line, the tangent of the slope of which is equal to -KM, and the segment cut off on the ordinate axis corresponds to Vmax.
Having analyzed the obtained graphs, Km and Vmax were determined. For native carboanhydrase (CAB), CAB@boehmite biocomposites, CAB@boehmite-magnetite 1: 1 and CAB@magnetite, they were 2.03 ± 0.2 mmolT-1 and 104.51 ± 3.24 pmoH-1-min-1; 2.95 ± 0.3 mmol-l-1 and 31.08 ± 4.13 pmoH-1-min-1; 2.17 ± 0.2 mmolT-1 and 24.95 ± 4.02 pmoH-1-min-1; 1.58 ± 0.2 mmol-l-1and 20.26 ± 3.05 ^molT-1-min-1, respectively. The decrease in the maximum reaction rate in the case of biocomposites may be due to the diffusion limitations that the porous composites impose on the substrate molecules.
The thermal stability of carboanhydrase-based biocomposites was determined by DSC and spectrophotometric methods (Figure 15). The obtained data were consistent with each other. DSC analysis showed a shift in the denaturation temperature of carboanhydrase by 51 °C and 30 °C for CAB@AlOOH and CAB@Fe3O4, respectively. According to the result of spectrophotometric analysis,
the boehmite matrix stabilized the enzyme by 53%, composites with 3:1, 1:1 and 1:3 ratios of boehmite and magnetite nanoparticles by 48%, 42%, 35%, respectively, and magnetite matrix by 31%.
a, b - DSC analysis; c, d - spectrophotometric analysis
Figure 15 - Thermostabilization of carboanhydrase
The significant increase in thermostability may be due to the close interaction of the enzyme molecule with the rigid three-dimensional structure of the sol-gel matrix within a single pore and surface bound water molecules, and thus prevent irreversible conformational changes in the enzyme structure.
Further, the thermostabilization of a-amylase and the possibility of reuse of biocomposites based on it were investigated (Figure 16).
Figure 16 - Investigation of thermostability and reusability of a-amylase-based
biocomposite
The results of the study showed that varying the mass fraction of aluminum oxyhydroxide nanoparticles in the final nanostructured material from 0 % to 100 % leads to the preservation of enzyme activity at the level from 55 % to 85 %, respectively. The possibility of reuse of the obtained biocomposites up to 10 cycles without significant loss of catalytic activity was also demonstrated.
Next, the UV stabilization of carboanhydrase was investigated by spectrophometric method. First, the UV treatment time after which the enzyme molecule would be inactivated was investigated. Then the biocomposite was subjected to UV treatment for this time.
The results of the study showed (Figure 17) that magnetite matrix stabilized the enzyme from UV-C radiation by 16 %, composites with 1:3, 1:1 and 3:1 ratio of boehmite nanoparticles by 25 %, 34 %, 45 %, respectively, and magnetite matrix by 52 %. Such difference in results can be explained by both different sorption characteristics of the obtained sol-gel matrices and their absorption capacity in the UV range. To increase the stabilization, benzophenone derivatives acting as sunscreen molecules were added to the boehmite matrices. According to the results obtained, they were able to achieve 85 %, 91 % and 89 % stabilization of carboanhydrase.
Figure 17 - Study of UV stability of carboanhydrase and biocomposites based on it
Similar studies were conducted for stabilization from UV-B radiation. Figure 18 shows that matrices without the addition of benzophenone derivatives practically do not stabilize the enzyme. The addition of benzophenone derivatives, on the other hand, preserved the enzyme activity at 81 %, 83 % and 92 %. However, it should also be considered that the relative activity of the enzyme was maintained at 61% after 360 minutes of UV-B.
Figure 18 - UV stability study of carboanhydrase and biocomposites based on it
Due to the use of lamps of different lengths and powers, it was decided to calculate the number of photons inactivating one enzyme molecule to be able to compare the results obtained.
Figure 19 shows that 8 UV-C photons and 7 UV-B kilophotons are needed to inactivate one molecule of carboanhydrase, which is almost 1000 times more. For CAB entrapped in a boehmite matrix, these values were 29 and 14, respectively. Boehmite matrix with 2,2'-DG-4-MBF showed the best results for enzyme
stabilization. The enzyme protection was enhanced 5-fold and 32-fold for the UV-C region and 4-fold and 8-fold for the UV-B region compared to CAB@AlOOH and CAB, respectively.
Figure 19 - Number of photons required to inactivate one CAB molecule
Similar studies were performed for acid phosphatase (Figures 20, 21).
Figure 20 - Study of stability to UV radiation of AcP and biocomposites based on
it
Figure 20 shows that the boehmite matrix stabilized the enzyme from UV-C radiation by 17 %, while the addition of benzophenone derivatives enhanced this effect. The use of matrix with the addition of 2,2'-DHBP and 2,2'-DH-4M-BP allowed to keep the enzyme activity at the level of 73 % and 72 %, respectively. From UV-B radiation, the best results were shown by the Bemite matrix with the addition of 2,2'-DH-4M-BP, preserving the activity of KF at the level of 95 %, and from UV-A radiation, the Bemite matrix with the addition of 2,2'-DHBP, preserving
the activity of the enzyme at the level of 94 %. Also the obtained values were converted to the number of photons inactivating one molecule of acid phosphatase.
Figure 21 - Number of photons required for inactivation of one molecule of AcP
Inactivation of one molecule of acid phosphatase requires 5 UV-C photons, 2.7 UV-B kilophotons, and almost 5 UV-A kilophotons. Boehmite matrix with the addition of 2-hydroxybenzophenone showed the most stabilizing effect from UV-C radiation, while boehmite matrix with the addition of 2,2'-dihydroxy-4-methoxybenzophenone showed the most stabilizing effect from UV-B and UV-A radiation.
Thus, one big conclusion can be drawn that the obtained nanocomposites can act as thermostabilizing matrices, and AlOOH matrices with the addition of benzophenone derivatives are best suited for UV stabilization. Also depending on the enzyme used, the stabilization results vary.
Conclusion. The main conclusions of the results of the work are summarized, namely:
1. The method of obtaining magnetic nanocomposites with uniform distribution of AlOOH and Fe3O4 nanoparticles by mixing stable hydrosols of boehmita and magnetite obtained using ultrasonic treatment for 2 hours and their subsequent co-condensation was developed, and the possibility of regulating the physicochemical properties of the obtained nanomaterials by varying the ratios of their components was demonstrated (surface area varied from 122 to 407 m2/g, magnetization values - from 0 to 88 A-m2/g).
2. The obtained nanomaterials with the mass ratio of boehmite and magnetite nanoparticles 0:4, 1:3, 1:1, 3:1, 4:0, respectively, demonstrated the sorption capacity to Cr(VI) ions from 24 mg/g to 63 mg/g, as well as the ability to regenerate for reuse up to 5 times with a slight decrease in sorption capacity to the level of 92 % of the original one.
3. Increased thermal and UV stability of biocomposites containing enzymes compared to their conventional analogs in solution was demonstrated. The best results were shown by materials with a high content of boehmite nanoparticles. Magnetite matrix stabilized carboanhydrase by 31 %, composites with 1:3, 1:1 and 3:1 ratio of boehmite and magnetite nanoparticles by 35 %, 42 %, 48 %, respectively, while boehmite matrix stabilized a-amylase by 53 %, and a-amylase by 32 %, 39 %, 47 %, 54 % and 62 %, respectively. Boehmite and magnetite nanoparticle based solgel matrices in ratios of 0:4, 1:3, 1:1, 3:1, 4:0 stabilize carboanhydrase from UV-C radiation by 16 %, 25 %, 34 %, 45 % and 52 %, respectively. Addition of benzophenone derivatives (2-Hydroxybenzophenone, 2,2'-Dihydroxybenzophenone, 2,2'-Dihydroxy-4-Methoxybenzophenone) to the boehmite sol-gel matrix stabilized the enzyme by 85 %, 91 % and 89 %, respectively.
Введение
Актуальность темы. Актуальность исследования магнитных нанокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия и оксида железа (II, III) обусловлена их широким потенциальным применением в различных областях, включая биомедицину, экологию и катализ. Нанокомпозиционные материалы, сочетающие в себе преимущества двух и более компонентов с различными физико-химическими свойствами, представляют собой перспективный класс функциональных материалов с регулируемыми характеристиками [1].
Мировой рынок нанокомпозитов демонстрирует высокие темпы роста, что свидетельствует об актуальности разработки таких материалов с заданными свойствами [2]. Магнитные нанокомпозиционные материалы на основе наночастиц оксида железа (II, III) (магнетита, FeзO4) занимают особое место среди таких функциональных систем. Благодаря уникальным магнитным характеристикам, биосовместимости и экологичности, они нашли широкое применение в биомедицине, водоочистке, электронике и магнитной сепарации. Так, наночастицы магнетита уже используются в качестве контрастных агентов для МРТ-диагностики и в противоанемийных препаратах, а в ближайшем будущем ожидается их активное применение в адресной доставке лекарств для противораковой терапии [3, 4, 5].
Несмотря на преимущества наночастиц магнетита, они обладают ограниченной стабильностью в водных средах, подвержены окислению и требуют улучшения сорбционных характеристик. Одним из путей решения этих проблем является создание магнитных нанокомпозитов на основе наночастиц Fe3O4 и биосовместимых, стабильных матриц с высокоразвитой поверхностью, таких как оксигидроксид алюминия (бемит, А100Н), который уже используется в качестве адъюванта и одобрен ведущими медицинскими агентствами [6]. Благодаря синергии свойств AЮOH и Fe304, полученные нанокомпозиты могут найти широкое применение в очистке воды, пищевой промышленности и биомедицине.
Таким образом, исследование магнитных нанокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия и оксида железа (II, III) является актуальным направлением, обладающим высоким потенциалом практического применения и научной новизны.
Цель работы: Разработка жидкофазных методов получения и исследование свойств функциональных магнитоуправляемых композиционных материалов на основе наночастиц АЮОН и FeзO4 без стабилизирующих агентов с регулируемыми сорбционными, магнитными и каталитическими свойствами.
Основные задачи работы:
1) Разработка жидкофазного метода получения магнитоуправляемых композиционных материалов на основе наноструктурированных частиц А100Н и FeзO4 без использования стабилизаторов и при нейтральных значениях рН, пригодных для создания сорбентов и биокатализаторов на их основе.
2) Установление закономерностей изменения сорбционных и магнитных характеристик полученных композитов в зависимости от массовой доли наночастиц АЮОН и Feз04 в конечном материале.
3) Исследование влияния ксерогелевых матриц на основе наночастиц АЮОН, комбинации наноструктурированных частиц АЮОН и Feз04, и наночастиц Ре304 на свойства биокомпозитов, содержащих иммобилизированные ферменты.
Научная новизна.
В работе впервые:
- Получен магнитоуправляемый нанокомпозит с равномерным распределением частиц по объему путём смешивания стабильных гидрозолей на основе АЮОН и Feз04 и дальнейшей соконденсации без использования стабилизирующих веществ, модификации поверхности и при нейтральных значениях рН, пригодный для дальнейшего использования в качестве сорбента хромат-анионов и иммобилизации ферментов.
- Изучено влияние массовых соотношений наночастиц АЮОН и Fe304 на конечные физико-химические свойства магнитного нанокомпозита (площадь поверхности изменялась от 122 до 407 м2/г, значения намагниченности - от 0 до 88 Ам2/г).
- Исследованы сорбционно-кинетические характеристики полученных композиционных материалов по сорбции ионов Сг(У1).
- Исследовано влияние ксерогелевых матриц на основе наночастиц АЮОН, комбинации наноструктурированных частиц АЮОН и Fe304, и наночастиц Fe304 на свойства биокомпозитов, содержащих ферменты: энзиматическую активность карбоангидразы (максимальную скорость реакции и константу Михаэлиса-Ментен), термостабильность карбоангидразы и а-амилазы, УФ-стабильность карбоангидразы и кислой фосфатазы.
Теоретическая и практическая значимость. По результатам работы был разработан метод получения магнитных нанокомпозитов с равномерным распределением наноструктурированных частиц АЮОН и Fe304 между собой и возможностью регулирования их сорбционных и магнитных свойств, а также получены биокомпозиты на основе ферментов (карбоангидраза, а-амилаза, кислая фосфатаза) и наночастиц АЮОН, комбинации наноструктурированных частиц АЮОН и Fe304, и наночастиц Fe304 и изучено влияние таких матриц на термо- и УФ-стабильности модельных биомолекул.
Подобные наноматериалы могут быть использованы как в качестве эффективных сорбентов, способных к магнитной сепарации и повторному использованию, и в дальнейшем применяться как для очистки сточных вод, так и в качестве биокатализаторов с повышенной термо- и УФ-устойчивостью и возможностью магнитного управления/разделения для нужд пищевой промышленности и биомедицинских целей.
Положения на защиту.
1. Жидкофазный метод с применением ультразвуковой обработки, который позволяет синтезировать стабильные гидрозоли АЮОН и Fe304 без использования стабилизирующих веществ и при нейтральных значениях рН
для получения магнитных нанокомпозитов с однородным распределением компонентов и с регулируемыми физико-химическими свойствами путём варьирования их массового соотношения в конечных материалах. Увеличение массовой доли наночастиц AlOOH от 0 до 100 % в конечном материале способствует увеличению удельной площади поверхности композита от 122 до 407 м2/г и снижению значений намагниченности от 88 Ам2/г до нуля, соответственно.
2. Взаимосвязь между составом наноструктурированных материалов AlOOH-Fe3O4 и их адсорбционными свойствами по отношению к анионам хрома (VI), заключающаяся в том, что увеличение массовой доли наночастиц AlOOH в конечных наноструктурированных материалах AlOOH-Fe3O4 от 0 % до 100 % приводит к повышению равновесной сорбционной ёмкости по отношению к ионам хрома (VI) в диапазоне от 24 до 63 мг/г, при этом сорбция происходит за счет электростатического взаимодействия и реакций обмена, а хемосорбция является лимитирующей стадией данного процесса.
3. Эффект термо- и УФ-стабилизирующего действия на белковые молекулы со стороны неорганических наноструктурированных матриц на основе наночастиц AlOOH и Fe3O4, состоящий в том, что увеличение массовой доли наночастиц AlOOH в матрице AlOOH-Fe3O4 от 0 % до 100 % приводит к улучшению термостабилизации карбоангидразы от 31 % до 53 % и а-амилазы от 32 % до 62 % и повышению стабилизации карбоангидразы от УФ-С излучения от 16 % до 52 %.
Апробация работы. Результаты работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на 7 всероссийских и международных научных конференциях: XIII Конгресс молодых ученых ИТМО (Санкт-Петербург, 2024), 13-я Международная научная конференция «Биокатализ. Фундаментальные исследования и применения» (Суздаль, 2023), XII Всероссийский конгресс молодых ученых ИТМО 2023 (Санкт-Петербург, 2023), XLV Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2016), Sol-Gel 2015 (Киото, Япония, 2015), X
Всероссийская школа-конференция молодых ученых "Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем" (Крестовские чтения) (Иваново, 2015), IV Всероссийский конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2015).
Достоверность полученных результатов и выводов. Достоверность полученных результатов обуславливается их воспроизводимостью, использованием современного оборудования для проведения физико-химических методов анализа, а также статьями, прошедшими экспертную оценку и опубликованными в научных журналах первого квартиля.
Связь научно-квалификационной работы с плановыми исследованиями. Научно-квалификационная работа была выполнена в соответствии с научным направлением Университета ИТМО: «Золь-гель синтез функциональных наноматериалов» №714625, а также при поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-9109.2016.3, «Синтез биоактивных наноархитектур на основе магнетита».
Публикации. Основные результаты по теме диссертации представлены в 5 публикациях в журналах первого квартиля (Q1), входящих в базы данных научного цитирования Scopus/Web of Science:
1. Ivanovski V., Shapovalova O.E., Drozdov A.S. Structural Rearrangements of Carbonic Anhydrase Entrapped in Sol-Gel Magnetite Determined by ATR-FTIR Spectroscopy // International Journal of Molecular Sciences - 2022, Vol. 23, No. 11, pp. 5975.
2. Shapovalova O.E., Drozdov A.S., Bryushkova E.A., Morozov M.I., Vinogradov V.V. Room-temperature fabrication of magnetite-boehmite sol-gel composites for heavy metal ions removal // Arabian Journal of Chemistry - 2020, Vol. 13, No. 1, pp. 1933-1944.
3. Astafyeva B.V., Shapovalova O.E., Drozdov A.S., Vinogradov V.V. alfa-Amylase@Ferria: Magnetic Nanocomposites with Enhanced Thermal Stability for Starch Hydrolysis // Journal of Agricultural and Food Chemistry - 2018, Vol. 66, No. 30, pp. 8054-8060.
4. Shapovalova O.E., Levy D., Avnir D., Vinogradov V.V. Protection of enzymes from photodegradation by entrapment within alumina // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces - 2016, Vol. 146, pp. 731-736.
5. Drozdov A.S., Shapovalova O.E., Ivanovski V., Avnir D., Vinogradov V.V. Entrapment of Enzymes within Sol-Gel-Derived Magnetite // Chemistry of Materials - 2016, Vol. 28, No. 7, pp. 2248-2253.
Структура и объем диссертации.
Диссертация изложена на 247 страницах машинописного текста, содержит 83 рисунка, 17 таблиц и 19 формул. Список литературы включает 162 наименования. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений и списка литературы.
ГЛАВА 1. Литературный обзор 1.1 Наноструктурированные частицы AЮOH (бемита)
В последние десятилетия наноструктурированные частицы бемита, АЮ(ОН), вызывают большой интерес среди различных исследовательских групп. Благодаря таким свойствам, как термо- и химическая стабильности, возможность простой модификации поверхности и биосовместимость, наночастицы оксигидроксида алюминия и материалы на их основе нашли широкий диапазон реальных и потенциальных применений, начиная от адсорбентов [7, 8] и катализаторов [9, 10] и заканчивая носителями биомолекул [11, 12].
Впервые строение оксигидроксида алюминия было установлено путем рентгеновских исследований немецким химиком Иоганном Бёмом в 1925 году. Кристаллическая структура бемита имеет характерные двойные слои, в которых центральный атом А1 окружен шестью атомами О, образуя октаэдр АЮб (рисунок 1.1) [13]. Атом О на стороне двойных слоев октаэдров А1О6 связывается с атомом Н, образуя гидроксил. Под действием Н-связей, происходящих от гидроксилов, соседние октаэдры располагаются параллельно, образуя упорядоченную слоистую структуру, которая играет ключевую роль в эксплуатационных характеристиках бемита [14].
Рисунок 1.1 - Строение оксигидроксида алюминия
1.2 Методы получения наночастиц бемита
В природе бемит представлен в виде орторомбического кристалла, в то время как синтетический бемит представлен в аморфном или нанокристаллическом виде [15]. Многие современные применения материалов на основе таких наночастиц требуют не только контроля размера и морфологии частиц, а также длительной стабильности их водной дисперсии. Поэтому метод и условия синтеза очень важны, что также доказывают последние исследования, где особое внимание уделяется параметрам синтеза, влияющим на форму кристалла, размер частиц и площадь поверхности [16].
Бемит можно получить как твердофазным термическим превращением гиббсита [17], так и синтезировать из жидкой фазы, например, гидротермальными и сольвотермальными способами [18, 19] или методами золь-гель [20] и осаждения [21]. В большинстве исследований, посвященных синтезу микро- или наночастиц бемита в жидкой фазе, источниками алюминия являются неорганические соли (наиболее распространены нитраты и хлориды) или органические соединения, такие как алкоксиды.
Рассмотрим наиболее часто используемые методы.
1.2.1 Сольвотермальный синтез
Сольвотермальный синтез представляет собой метод получения наночастиц и наноматериалов путём помещения сходных реагентов в герметичный и химически инертный сосуд, который зачастую состоит из тефлонового стакана и автоклава, и нагревания их до температуры кипения реакционной среды или выше неё. Реакционный раствор, нагревающийся выше точки кипения используемого растворителя, создаёт высокое давление. В таких условиях растворитель превращается в сверхкритическую жидкость (газовая и жидкая фазы существуют одновременно). После завершения реакции автоклав охлаждают до комнатной температуры, удаляют
растворители и примеси для извлечения целевого продукта. Если растворителем является вода, метод называется гидротермальным синтезом [22].
Главным преимуществом данного метода является возможность регулирования конечных свойств бемитовых наночастиц путём варьирования рН и температуры реакционной среды, а также используемых прекурсоров и растворителей.
Для получения наночастиц А100Н сольвотермальным способом чаще всего в качестве растворителя и рН-регулирующего агента используются этанол и гидроксид натрия, соответственно, а в качестве прекурсоров -нитраты и хлориды алюминия [23-25]. Одним из таких примеров является исследовательская работа, посвященная изучению влияния солей алюминия и рН на синтез структур оксигидроксида алюминия [19]. В качестве прекурсоров использовались гидрат нитрата алюминия и хлорид алюминия, растворителем служил этанол, а рН-регулирующим агентом - №0Н, рН среды составлял 5 и 11. В ходе экспериментов были получены наночастицы бемита, имеющие орторомбическую структуру, сферическую форму и в одну фазу, также было установлено, что анионы влияют на кристалличность и морфологию бемита. Нитрат алюминия приводил к образованию бемита с более высокой степенью кристалличности, чем хлорид алюминия. Более низкий рН приводил к увеличению площади поверхности продуктов из обоих прекурсоров. Наилучшими значениями удельной площади поверхности были 48 м2/г и 90 м2/г для образцов, полученных из гидрата нитрата алюминия и хлорида алюминия, соответственно.
Другим примером может служить работа по получению частиц А100Н с цветоподобной морфологией, используя гидрат хлорида алюминия в качестве прекурсора и смесь этанол-толуол в качестве растворителя [26]. В результате экспериментов был получен бемит с орторомбической структурой и высокой степенью кристалличности. Также было показано, что толуол оказывает значительное влияние на морфологию бемита. В отсутствие толуола
кристаллиты однородно осаждались вместе с другими частицами. В присутствии толуола аморфный гидроксид алюминия адсорбирует толуол, что приводит к уменьшению поверхностной свободной энергии.
Также Кай и др. [27] синтезировали бемит, используя в качестве прекурсора хлорид алюминия, а в качестве растворителя - этанол и тринатрий цитрат дигидрат. Результаты показали, что бемит, полученный сольвотермическим методом, имел высокую чистоту и наноразмерные частицы с наностержневой структурой.
В ходе исследования было показано, что концентрация тринатрий цитрат дигидрата играет важную роль в формировании бемита. Увеличение концентрации тринатрий цитрат дигидрата приводило к образованию четко очерченных полых микросфер толщиной 600 нм. Тринатрий цитрат дигидрат действовал как регулятор формы, стабилизатор и диспергатор. Алюминий координировался с цитратом, образуя А-цитратные комплексы, которые препятствовали выпадению аморфного гидроксида алюминия в осадок. Нестабильный А1-цитрат собирался в наностержни за счет взаимодействия водородных связей и с последующей трансформацией в стабильные микросферы для снижения поверхностной энергии при созданных условиях.
1.2.2 Гидротермальный синтез
Одним из наиболее широко используемых методов получения наночастиц бемита является гидротермальный синтез. Преимущество гидротермального синтеза перед сольвотермальным заключается в использовании воды в качестве растворителя, которая более доступна и экологична, чем другие растворители [28]. Данный метод позволяет получать наноструктуры бемита разной морфологии и свойствами путём подбора прекурсоров и условий синтеза. Недостатками гидротермального синтеза является длительный период, необходимый для получения
наноструктурированного бемита, а также агрегация наночастиц бемита в водных растворах.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.