Синтез, люминесцентные свойства и агрегативная устойчивость силикатных наночастиц, допированных комплексами Tb(III) и Yb(III) с пара-сульфонатотиакаликс[4]ареном

Бочкова, Ольга Дмитриевна

Синтез, люминесцентные свойства и агрегативная устойчивость силикатных наночастиц, допированных комплексами Tb(III) и Yb(III) с пара-сульфонатотиакаликс[4]ареном тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Бочкова, Ольга Дмитриевна АВТОР

кандидата химических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Синтез, люминесцентные свойства и агрегативная устойчивость силикатных наночастиц, допированных комплексами Tb(III) и Yb(III) с пара-сульфонатотиакаликс[4]ареном»

Автореферат диссертации на тему "Синтез, люминесцентные свойства и агрегативная устойчивость силикатных наночастиц, допированных комплексами Tb(III) и Yb(III) с пара-сульфонатотиакаликс[4]ареном"

На правах рукописи

БОЧКОВА ОЛЬГА ДМИТРИЕВНА

СИНТЕЗ, ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА И АГРЕГАТИВНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ СИЛИКАТНЫХ НАНОЧАСТИЦ, ДОПИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСАМИ ТЬ(Ш) И УЬ(Ш) С 714Л4-СУЛЬФОНАТОТИАКАЛИКС[4]АРЕНОМ

02.00.04 - Физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

КАЗАНЬ - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук.

доктор химических наук, доцент, заведующая лабораторией физико-химии супрамолекулярных систем ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН Мустафина Асия Рафаэлевна

доктор химических наук, профессор, заведующая лабораторией фотоакгивньгх супрамолекулярных систем ИНЭОС РАН (г. Москва) Фёдорова Ольга Анатольевна

доктор химических наук, профессор кафедры физической химии Химического института им. A.M. Бутлерова Казанского (Приволжского) федерального университета Горбачук Валерий Виленович

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук (г. Москва)

Защита диссертации состоится « 31 » октября 2012 г. в 14 час. 30 мин. на заседании Совета по защите диссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени доктора наук Д 022.005.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук по адресу: 420088, г. Казань, ул. Ак. Арбузова, 8, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах) просим присылать по адресу: 420088, г. Казань, ул. Ак. Арбузова, 8, ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН.

Автореферат разослан «V8 » ?2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат химических наук

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

A.B. Торопчина

"ОСУДЛРС ГВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2012

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Люминесцирующие силикатные наночастицы в настоящее время представляют огромный интерес для исследователей и открывают широкие возможности их применения в биохимическом анализе (биомаркеры и биосенсоры), медицинских целях (целевая доставка лекарств) и в нелинейной оптике (фотонные нанокристаллы). Преимуществами силикатных наночастиц являются возможность их многократного использования, низкая токсичность и высокая интенсивность люминесценции одной наночастицы, так как она содержит внутри большое количество молекул люминофоров.

Существует множество люминофоров, которые могут быть введены в силикатные наночастицы: различные органические и неорганические молекулы и комплексы, квантовые точки. Среди всего этого многообразия особый интерес представляют лантанидные комплексы. Они обладают длительным временем жизни возбуждённого состояния и узкими и интенсивными эмиссионными линиями в спектре, что позволяет получать сигнал в биологических системах с хорошим соотношением сигналгшум. Использование лантанидных комплексов самих по себе ограничено их деградацией в условиях биоанализа. Решением этой проблемы является введение комплексов внутрь силикатных наночастиц. Силикатная матрица защищает люминофоры от внешних воздействий, что обеспечивает им высокую кинетическую и фотостабильность.

Наиболее перспективным нанотехнологическим направлением является разработка, так называемых, «умных» коллоидных систем, способных откликаться на определённое внешнее воздействие, например, на присутствие субстрата или изменение температуры. Это является довольно сложной задачей. На сегодняшний день в литературе примеров таких систем явно недостаточно.

Следует отметить, что большинство работ имеют практическую направленность. Однако требуются фундаментальные исследования различных свойств силикатных наночастиц для прогнозирования поведения наночастиц в конкретных условиях. Это облегчит создание материалов и устройств на основе силикатных наночастиц. Так, в частности, необходимо изучить связывание наночастиц с различными объектами и механизмы тушения и восстановления люминесценции наночастиц в результате их взаимодействия с субстратом.

Цель работы. Синтез люминесцирующих силикатных наночастиц, допированных комплексами лантанидов, и разработка на их основе коллоидных систем, люминесцентные свойства которых изменяются при связывании определённых субстратов (гидрофобные анионы и фосфолипиды), а также создание систем способных к температурно-индуцированному фазовому разделению.

Научная новизна работы.

1. Впервые синтезированы люминесцирующие силикатные наночастицы, содержащие комплексы лантанидов с капиксареном, которые в результате последующей нековалентной модификации силикатной поверхности с помощью ПАВ приобретают высокую коллоидную и фотостабильность, а также интенсивную люминесценцию.

2. Впервые разработан подход к зондированию процессов агрегации катионных, неионных ПАВ, а также смешанной агрегации катионных и анионных ПАВ, на поверхности силикатных наночастиц в мицеллярных растворах.

3. Впервые получена коллоидная система с субстрат-переключаемой люминесценцией на основе люминесцентных силикатных наночастиц, модифицированных дикатионным ПАВ с включёнными внутрь мицеллярного слоя молекулами индикатора.

4. Впервые показано, что для таких коллоидных систем селективность распознавания субстрата методом люминесцентной спектроскопии определяется его зарядом и гидрофобностью.

5. Впервые с помощью разработанной коллоидной системы выявлена корреляция между интенсивностью люминесцентного отклика силикатных наночастиц и структурой фосфолипида и показана возможность использования предложенного подхода для оценки чистоты фосфолипидов.

Практическая значимость. В рамках данной работы получены силикатные наночастицы, обладающие биосовместимостью, высоко интенсивной и стабильной во времени люминесценцией. Это открывает возможность использования люминесцентных силикатных наночастиц in vitro и in vivo в биоанализе и медицине. Разработанная в ходе выполнения диссертационной работы методика люминесцентного зондирования агрегации катионных, смешанных и неионных ПАВ может быть использована для оценки поверхностного слоя силикатных наночастиц, что имеет существенное значение для их дальнейшего применения в качестве биомаркеров и биосенсоров. Кроме того, создан подход к использованию данных частиц в качестве биосенсоров на фосфолипиды. Полученные результаты являются основой для разработки принципиально новых методик люминесцентного определения фосфолипидов.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Синтез силикатных наночастиц, содержащих комплексы лантанидов Tb(III), Yb(III) с л-сульфонатотиакапикс[4]ареном, и изучение их основных характеристик (размер, заряд, коллоидная стабильность, фотофизические характеристики).

2. Нековалентная модификация наночастиц за счёт агрегации катионных, неионных и смешанных ПАВ на силикатной поверхности.

3. Методика зондирования агрегации ПАВ на поверхности силикатных наночастиц с помощью люминесцентного отклика частиц в присутствии индикаторов фенолового красного и бромтимолового синего.

4. Создание коллоидной системы, способной давать люминесцентный отклик на определённые субстраты, в том числе фосфолипиды.

5. Температурно-индуцированное фазовое разделение люминесцентных силикатных наночастиц в результате агрегации неионного ПАВ Тритона Х-100 на их поверхности.

имеющихся литературных данных. Вторая глава представляет собой экспериментальную часть работы и включает в себя описание основных методов исследований, использованных в работе, условия экспериментов и обработку полученных данных. Третья глава посвящена обсуждению собственных результатов. Далее описаны основные результаты и выводы по проделанной работе и приведён список литературы.

Работа выполнена в лаборатории Физико-химии супрамолекулярных систем Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института органической и физической химии им. А.Е. Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук и является частью исследований в соответствии с научным направлением Института по государственным бюджетным темам «Закономерности процессов самоорганизации и распознавания с участием макроциклических соединений циклофановой природы и создание наноразмерных систем и устройств с различными функциональными свойствами» (№ госрегистрации 0120803973); "Дизайн рецепторных и амфифильных макроциклических соединений и создание многофункциональных супрамолекулярных структур и наночастиц" (№ госрегистрации 01201157530).

Работа поддержана грантами президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ-3769.2008.3, НШ-4522.2010.3); госконтрактом ГК № 14.740.11.0384 «Дизайн стабильных нанодисперсных систем на основе амфифильных и макроциклических соединений, обладающих каталитической, люминесцентной и антимикробной активностью» (шифр заявки «2010-1.1-135-135010»); Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 10-03-00352 «Биосенсоры на основе смешаннолигандных комплексов лантанидов с |Э-дикетонами и водорастворимыми каликсаренами»); Программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов» (проект «Новый тип био-маркеров и наносенсоров на основе лантанидных комплексов каликсаренов в составе силикатных наночастиц»); Программой фундаментальных исследований ОХНМ РАН "Химия и физикохимия супрамолекулярных систем и атомных кластеров" (проект «Люминесцентные наночастицы, обладающие температурно-управляемым фазовым поведением, как основа создания наносистем для направленной терапии и диагностики»).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXIII международной Чугаевской конференции по координационной химии, Одесса, Украина, 4-7 сентября, 2007 г.; IV International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and biology", Туапсе, Россия, 23 сентября - 2 октября, 2008 г.; Vth International Symposium «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures», Казань, Россия, 12-16 октября, 2009 г.; международном симпозиуме «Advanced Science in Organic Chemistry», Крым, Украина, 21-25 июня, 2010 г.; 3-rd International Summer school "Supramolecular systems in chemistry and biology", Львов, Украина, 610 Сентября, 2010 г.; Ш международном форуме по нанотехнологиям Rusnanotech, Москва, Россия, 1-3 ноября, 2010 г.; 2nd Russian - Hellenic symposium "Biomaterials and bionanomaterials: recent advances and safety - toxicology issues", Ираклион, Греция, 5-12 Мая, 2011 г.; 4th International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology", Регенсбург, Германия, 12-15 сентября, 2011 г.; Итоговых научных конференциях ИОФХ им. А.Е. Арбузова, Казань, Россия, 2010 г. и 2012 г;

Итоговых научно-образовательных конференциях студентов Казанского государственного университета, Казань, Россия, 2007 г., 2008 г. и 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 статей в международных изданиях, 6 из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также 10 тезисов докладов в материалах российских и международных конференций и симпозиумов.

Личный вклад автора заключается в синтезе силикатных наночастиц, допированных комплексами лантанидов; экспериментальном исследовании изучаемых систем методами динамического рассеяния света, электрофореза, электронной и люминесцентной спектроскопии; описании, анализе и обобщении экспериментальных данных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Синтез и основные характеристики силикатных наночастиц, содержащих комплексы ТЬ(П1) и УЬ(Ш) с иврв-сульфонатотиакаликс[4]ареном

+ + В качестве люминофоров, вводимых внутрь

м-о35 503" силикатных наночастиц, нами были выбраны

" * комплексы ТЬ(Ш) и УЪ(Ш) с пара-

сульфонатотиакаликс[4]ареном (комплексы в дальнейшем будут обозначаться соответственно ТЪ(Ш)-ТСАБ и УЬ(Ш)-ТСА8) (схема 1). Комплекс тербия люминесцирует в видимой зелёной части спектра, а иттербия - в ИК-области. Выбор каликсарена в качестве лиганда обусловлен тем, что он образует достаточно водорастворимые и устойчивые комплексы с ионами лантанидов (рКуст=11). Люминесценция свободных ионов лантанидов ничтожно мала, так как/-/ переходы запрещены по Лапорту. Координация ТЬ(Ш) и УЬ(Ш) по нижнему фенолятному ободу каликсарена (при рН>6) обеспечивает интенсивную люминесценцию ионам лантанидов. При этом каликсарен выступает в качестве так называемой «антенны». Он поглощает световую энергию, затем происходит её перенос на излучающие уровни лантанидов.

Силикатные наночастицы получали по широко известному методу обратной микроэмульсии типа «вода в масле». Синтез частиц происходит в щелочной среде, поэтому только достаточно устойчивые комплексы, какими являются ТЬ(Ш)-ТСАБ и УЬ(Ш)-ТСА8, могут быть введены внутрь силикатных наночастиц. Нами показано, что менее устойчивые люминесцирующие комплексы (рКуст=3)

Рис. 1. Микрофотография разрушаются в процессе синтеза.

(ТЭМ) 8Ю2 ТЬ-ТСАБ Размеры полученных силикатных наночастиц,

содержащих комплексы ТЬ(Ш)-ТСА8 и УЬ(Ш)-ТСАБ (БЮг ТЬ-ТСАБ и 8Ю2 УЬ-ТСА8), по данным метода трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ*) (рис. 1) составляют соответственно 40±5 нм и

Схема 1. Структурная формула лантанидного комплекса с пара-сульфонатотиакаликс[4]-ареном при рН>6

" Приношу благодарность д.х.н. Меньшиковой А.Ю. и к.х.н. Шевченко H.H. (Институт высокомолекулярных соединений РАН, Санкт-Петербург)

32±5 нм. Размеры частиц в их водной дисперсии в нейтральной среде, полученные из данных метода динамического рассеяния света (ДРС), равны 223±4 нм для 8Ю2 ТЬ-ТСАЭ и 262±4 нм для 8Ю2 УЬ-ТСАЭ. Разница в значениях размера силикатных наночастиц, полученных с помощью методов ТЭМ и ДРС связана с тем, что второй метод учитывает частицу с её щцратной оболочкой, и, кроме того, в водной среде наблюдается агрегация частиц за счёт образования водородных связей между частицами. Поверхность наночастиц в нейтральной среде заряжена отрицательно, поскольку электрокинетический потенциал (£) составляет -33±5 мВ.

0.8

$ 0.6-I

- 0,4.

0.2

0.0.

а) 1.0,

о,е-

0,6-

1 £

1 - 0,4.

ш. 0,2-

550 Л, нм

0,0.

Рис. 2. Эмиссионные спектры: а) водного раствора ТЬ(ПТ)-ТСА8 (1) О"7 моль/л) и

8Ю2 ТЪ-ТСАЭ (2) (С = 0,028 г/л); б) водного раствора УЬ(П1)-ТСА8 (1) (С = и вЮг УЪ-ТСАБ (2) (С = 0,28 г/л) при рН = 7.0

моль/л)

В спектрах люминесценции ЗЮ2 ТЬ-ТСА8 и БЮ2 УЬ-ТСА8 присутствуют типичные для водных растворов соответствующих комплексов эмиссионные полосы {50,->7Р6 (489нм), 5Б4->7Р5 (543нм), 504->7Р4 (582нм), 504->7Р3 (620нм) для ТЬ(Ш)-ТСА8 и (976 нм) для УЬ(Ш)-ТСА8} (рис. 2). Исходя из данных

люминесцентной спектроскопии, по известной из литературы методике мы оценили количество молекул комплексов в одной силикатной наночастице. Оно составляет 4900 молекул ТЬ(Ш)-ТСА8 и 10000 молекул УЬ(Ш)-ТСА8 (концентрации комплексов в процессе синтеза силикатных наночастиц были равны 7.8-10"3 моль/л). По данным метода атомно-эмиссионной спектроскопии (АЭС*) количество молекул комплекса УЬ(Ш)-ТСА8 равно 3084. Разница в величинах количества комплексов, полученных по двум методам, свидетельствует о том, что силикатная матрица экранирует молекулы люминофоров от внешних тушителей. Это приводит к более интенсивной люминесценции комплексов внутри силикатных наночастиц по сравнению с водными растворами данных комплексов. Данный факт приводит к переоценке количества люминофоров, приходящихся на одну силикатную наночастицу, по расчётам, основанным на методе люминесцентной спектроскопии. Время жизни возбуждённого состояния тербия при включении комплекса ТЬ(Ш)-ТСА8 в силикатные наночастицы увеличивается до 0,89±0.01 мс по сравнению с исходным значением 0,72±0.01 мс.

Перспективным направлением является введение в силикатные наночастицы одновременно двух комплексов, эмиссионные спектры которых не перекрываются. В то время как люминесценция одного комплекса изменяется под внешним воздействием, эмиссионный сигнал второго остаётся постоянным. Это позволяет с

' Приношу благодарность к.ф.-м.н. Кадирову М.К. и К.Х.Н. Холину К.В (ИОФХ им. А.Е. Арбузова КаэНЦ РАН, Казань)

большей точностью измерять изменение люминесценции наночастиц при воздействии на них субстрата и, следовательно, определять концентрацию данного субстрата.

600 600 700 Чоо 950 1000 1050 .

г-4x10

>., т

' 500 600 700 9р0 950 1000 1 050

1,2x10* $ б.ОхЮ9-

~ 4,0x10'-

Ни УЬ

Л;;;

1x10*

1,6x1 ОР-1,2x10е-

р 8,0x10"-о

4,0x1 о'-

■ 1 1 1 1 1 ■ ^1:0 Ии • 1 . 1 УЬ

/к2:1 0:1

/ Л

/ V1 £N>0.5:1

г\ Д.

60 0 600 700 900 950 1000 1060 X, нм

500 600 700 900 950 1000 1050

X, 1М

4,0x10'

0,0 I

Рис. 3. Эмиссионные спектры водного раствора комплексов

моль/л) и УЬ(П1)-ТСА8 (а) и водной дисперсии БЮг Яи-УЪ (С=0,23 г/л) (б) при рН=8.0.

Числовые значения на спектрах соответствуют молярному отношению Яи:УЬ (2:1, 1:1,

0.9:1,0.5:1, 1:0, 0:1)

Были получены силикатные наночастицы, содержащие одновременно комплексы [Яи(сИру)3]2+С12 и УЪ(Ш)-ТСА8 (ЭЮг Яи-УЬ) в разных молярных соотношениях ЯшУЬ (2:1, 1:1, 0.9:1, 0.5:1), по методу обратной микроэмульсии типа «вода в масле». Размер полученных наночастиц по данным метода ТЭМ составляет 32±5 нм. Естественно предположить, что люминесцентные свойства наночастиц должны определяться как фотофизическими характеристиками отдельных входящих в них люминофоров, так и их взаимодействием. При рН=8 оба комплекса находятся в ионной форме ([11и(<1фу)з]2+ и [УЬ(Ш)-ТСА8]4"). В водном

•О.Б ^ -

растворе при данных условиях (рис. За) происходит тушение люминесценции УЪ при добавлении комплекса |Ди(с11ру)з]2+, вызванное образованием ионной пары между положительно заряженным комплексом [Ки(<31ру)3]2+ и отрицательно заряженным [УЬ(Ш)-ТСА8]4" (схема 2).

В случае силикатных наночастиц 8Ю2 Яи-УЬ (рис. 36) происходит уменьшение интенсивности люминесценции рутения с уменьшением его концентрации в наночастицах (с уменьшением молярного соотношения Яи:УЬ), но не прослеживается 'чёткой закономерности изменения интенсивности люминесценции иттербия от молярного соотношения Яи:УЬ. Кроме того, люминесценция иттербия является достаточно интенсивной при любом соотношении Яи:УЬ, то есть в данном случае не происходит тушения итгербиевой люминесценции комплексами рутения, за счёт образования ионной пары [Ки(&ру)3]2+ - [УЬ(1П)-ТСА8]4'. Следовательно, в силикатной наночастице комплексы 11и(11) и УЬ(Ш) не находятся в непосредственной близости друг от друга. Одним из факторов, препятствующих образованию ионной пары между комплексами рутения и иттербия является присутствие избыточных количеств ионов №1/ и ОН" в процессе синтеза

Схема 2. Образование ионной пары между [Яи((11ру)з]2+ и [УЪ(П1)-ТСАЗ]4"

наночастиц, что приводит к их включению в виде отдельных комплексов [Ru(dipy)3]X2 и [Yb(III)-TCAS]Y4, где X = С1 или ОН, a Y = Na или NH4.

Количество комплексов рутения и иттербия по данным метода АЭС при Ru:Yb = 0.5:1 равно соответственно 1438 и 6594. Эти значения меньше, чем значения, полученные из данных метода люминесцентной спектроскопии, как и в выше рассмотренном случае с Si02 Yb-TCAS. Это также свидетельствует о том, что интенсивность люминесценции комплексов внутри силикатных наночастиц больше, чем в водном растворе.

Коллоидная устойчивость наночастиц, содержащих как только комплексы рутения(П), так и одновременно комплексы рутения(П) и иттербия(Ш), падает вследствие компенсации отрицательного заряда наночастиц положительно заряженными ионами [Ru(dipy)3]2+. Методы ДРС и атомно-силовой микроскопии* свидетельствуют об увеличении агрегации силикатных наночастиц при введении в них комплекса [Ru(dipy)3]2+Cl2, даже при его недостатке по отношению к комплексу Yb(III)-TCAS.

Таким образом, комплекс [Yb(III)-TCAS]4' не нейтрализует заряд комплекса [Ru(dipy)3]2+, что подтверждает факт отсутствия образования ионной пары между этими двумя комплексами. Приведённые факты позволяют предположить, что комплексы Yb(III)-TCAS находятся в «ядре» силикатных наночастиц, а комплексы [Ru(dipy)3]2+ располагаются следующим отдельным слоем ближе к силикатной поверхности (схема 3), что согласуется с лёгкостью их вымывания из наночастиц в раствор. Это возможно вследствие большей гидрофобное™ рутениевого комплекса по сравнению с иттербиевым. В процессе синтеза комплекс иттербия оказывается в глубине объёма капли воды, а комплекс рутения ближе к слою ПАВ на границе раздела вода-органический растворитель.

В практических целях могут быть использованы силикатные наночастицы с соотношением в них комплексов Ru:Yb = 0.5:1, так как данные частицы обладают достаточной коллоидной устойчивостью и интенсивной люминесценцией рутения и иттербия соответственно в видимой и ИК-областях спектра.

Люминесценция Si02 Tb-TCAS реализуется в видимой области и является более интенсивной по сравнению с Si02 Yb-TCAS, что делает эти частицы более перспективной основой для создания системы, обладающей сенсорной функцией. Частицы, допированные комплексами Yb(III)-TCAS, больше подходят для использования в качестве клеточных маркеров in vivo.

Люминесценция водного раствора комплекса Tb(III)-TCAS полностью исчезает в течение нескольких часов. При включении данного комплекса в силикатные наночастицы его кинетическая стабильность увеличивается, интенсивность люминесценции падает не более чем на 10% в течение 3 дней перемешивания дисперсии. Только через 7 дней перемешивания интенсивность люминесценции уменьшается на 50%, что связано с частичным выходом в раствор

[Ru(d¡py)JJ'

Схема 3. Расположение комплексов [Ru(dipy)3]2+ и [YbQIty-TCAS]4" в силикатной наночастице

" Приношу благодарность к.ф.-м.н. Кадирову М.К. и Низамееву И.Р. (ИОФХ им. А.Е. Арбузова КазНЦ РАН, Казань)

комплекса ТЬ(Ш)-ТСА8 или иона ТЬ(Ш). Медленная диффузия комплекса в раствор может быть связана с тем, что в нейтральной среде поверхность силикатных наночастиц и комплекс ТЬ(Ш)-ТСА8 заряжены отрицательно.

Люминесцентные свойства водного раствора ТЬ(Ш)-ТСА8 являются рН-зависимыми. рН-Зависимость сохраняется и при включении комплекса в силикатные наночастицы. Однако в водном растворе интенсивность люминесценции тербия в кислой среде (рН=2-4) падает до нуля практически мгновенно, а в случае БЮ^ ТЬ-ТСА8 для полного тушения люминесценции требуется не менее трёх дней. Ионы водорода должны диффундировать внутрь силикатных наночастиц через имеющиеся в частицах поры. При увеличении рН до значений 7-9 интенсивность люминесценции водного раствора комплекса ТЬ(Ш)-ТСА8, а также силикатных наночастиц на его основе, увеличивается. Это связано с депротонизацией щдроксильных групп нижнего обода каликсарена, что приводит к увеличению степени связанности иона лантанида нижним ободом каликсарена (схема 1) и увеличению люминесценции иона тербия.

Лара-сульфонатотиакаликс[4]арен способен образовывать комплексы со всеми ионами лантанидов(Ш) с близкими константами устойчивости. В случае замещения иона тербия на нелюминесцирующий ион лантана интенсивность люминесценции комплекса ТЬ(Ш)-ТСА8 должна падать, что и наблюдалось в нашем случае. Процесс тушения люминесценции 8Ю2 ТЬ-ТСА8 в присутствии Ьа(Ш) требует времени, а интенсивность люминесценции водного раствора комплекса уменьшается до нуля практически мгновенно.

Таким образом, включение комплексов Ьп(Ш)-ТСА8 в силикатные наночастицы обеспечивает им высокую кинетическую устойчивость и интенсивную люминесценцию в области рН=7-9.

2. Нековалентная модификация поверхности силикатных наночастиц, содержащих в качестве люминофора комплекс ТЬ(ПГ)-ТСА8, с помощью

катионных ПАВ

Для придания силикатным наночастицам агрегационной устойчивости и биосовместимости необходима модификация их поверхности. Существует два вида модификации: ковалентная и нековалентная. С целью разработки субстрат-

чувствительной системы на гидрофобные анионы и Вг+ фосфолипиды наиболее подходящей является

(СН3)^-М (СН2>5- N—(СНз)2 нековалентная модификация с помощью катионных С16Н31 С1вН31 ПАВ, так как она позволяет не только обеспечить Схема 4. гексалиден- высокий положительный заряд частицам, но и даёт бис(диметилгексадецил- возможность связывать гидрофобные молекулы, аммоний бромвд) (16-6-16) Нами была проведена нековалентная

модификация поверхности силикатных наночастиц с помощью монокатионного ПАВ цетилтриметиламмоний бромида (ЦТАБ) и дикатионного геминального ПАВ гексалиден-бис(диметилгексадециламмоний бромида) (16-6-16) (схема 4). Адсорбция первого слоя моно- и дикатионного ПАВ приводит к нейтрализации поверхностного заряда (£=0 мВ) и агрегации частиц. Увеличение концентрации ПАВ вызывает перезарядку поверхности силикатных наночастиц и обеспечивает им высокую коллоидную стабильность, что соответствует литературным данным. Следует отметить, что ^-потенциал силикатных наночастиц изменяется от -33 мВ до +30 мВ (рис. 4) при добавлении

более низкой концентрации 16-6-16 (С=5 • 10"6 моль/л) по сравнению с ЦТАБ (С=5 10" моль/л), что находится в согласии с соответствующими величинами критической концентрации мицеллообразования (ККМ). Так, ККМ для ЦТАБ в водном растворе равна 8.5-10"^ моль/л, а ККМ для 16-6-16 составляет 2-10"5 моль/л.

При этом перезарядка силикатной поверхности происходит при более низких концентрациях обоих типов ПАВ, чем значения их ККМ. Это хорошо согласуется с тем, что по литературным данным отрицательно заряженная силикатная поверхность способствует агрегации катионных ПАВ. Таким образом, частицы, модифицированные катионными ПАВ, заряжены положительно и имеют гидрофобную прослойку. Это обеспечивает появление новых рецепторных свойств у наночастиц, а именно сродства к отрицательно заряженным и гидрофобным субстратам.

В качестве зонда для изучения агрегации ПАВ на поверхности силикатных наночастиц мы применили органические кислотно-основные индикаторы. Из литературы известно, что они эффективно включаются внутрь мицелл ПАВ. Кроме того, индикаторы способны тушить люминесценцию лантанидов по двум возможным механизмам. Первый это механизм реабсорбции, то есть поглощение индикатором света, испускаемого лантанидом. При этом время жизни возбуждённого состояния лантанида не изменяется. Второй - Фёрстеровский перенос энергии с возбуждённых уровней люминофора на более низко лежащие энергетические уровни тушителя. Время жизни возбуждённого состояния люминофора уменьшается. Этот механизм действует на расстоянии до 10 нм между донором и акцептором энергии.

Выбор индикатора определялся необходимостью соблюдения следующих условий: I) индикатор должен быть анионным для его эффективного взаимодействия с катионными ПАВ; 2) область перехода молекулярной формы

индикатора в анионную должна находится в нейтральной или щелочной среде, где силикатные наночастицы обладают

агрегационной устойчивостью и интенсивной люминесценцией; 3) спектр поглощения ицаикатора должен перекрываться с эмиссионным спектром тербия, чтобы происходило тушение люминесценции наночастиц БЮг ТЬ-ТСАв по механизму переноса энергии. Были выбраны два индикатора, отвечающие этим требованиям: феноловый красный (РЬЯ) и бромтимоловый синий (ВТЪВ) (схема 5).

моль/л

Рис. 4. Зависимость значений {¡-потенциала (80=5 мВ, п=3) БЮг ТЬ-ТСАБ (С=0.028 г/л) от концентрации 16-6-16 (1) и ЦТАБ (2), рН=9.2

Схема 5. Структурные формулы депротонированной формы фенолового красного и бромтимолового синего

Были изучены люминесцентные свойства силикатных наночастиц ЗЮ2 ТЬ-ТСАБ в присутствии РИЯ и ВТЪВ в отсутствии ПАВ. Полученные результаты представлены в виде графика в координатах Штерна-Фольмера (рис. 5). Добавление индикаторов к 8Ю2 ТЬ-ТСАв приводит к линейному уменьшению интенсивности люминесценции наночастиц, которое более выражено в присутствии фенолового красного. Однако времена жизни возбуждённого состояния тербия практически не изменяются в обоих случаях. Это свидетельствует о тушении люминесценции только по механизму реабсорбции. Феноловый красный поглощает сильнее при длине волны максимума люминесценции тербия 540 нм, чем бромтимоловый синий. Это является причиной более сильного тушения люминесценции в случае РЬЯ. Механизм переноса энергии в данном случае не реализуется, поскольку электростатическое отталкивание отрицательно заряженных силикатных наночастиц и молекул индикаторов препятствует их сближению.

Наличие же положительно заряженного слоя ПАВ на поверхности силикатных наночастиц должно способствовать связыванию анионов индикаторов поверхностным мицеллярным слоем наночастиц и тушению тербиевой люминесценции по механизму переноса энергии. На рис. 6 представлена зависимость относительной интенсивности люминесценции (1/10), или степени тушения, и относительного времени жизни возбуждённого состояния (т/т0) тербия в силикатных наночастицах в присутствии 1-10'5 моль/л РЫ1 и ВТЬВ от концентрации ЦТАБ и 16-6-16, где 1о и т0 - интенсивность люминесценции и время жизни возбуждённого состояния тербия в отсутствии индикатора.

2,0*10^4,0*10'8в,сь<10'°в10х10*1,0x10е

С |)| .мапьй!

Рис. 5. Штерн-Фольмеровская зависимость VI (1,2) (8Е>=0.098, п=3) и То/т (3,4) (вЕНШ мс, п=3) от концентрации РЬК (1,3) и ВТЬВ (2,4), рН=9.2

1,0. о,е

■г* 0,6-

0,4. 02 0,0

1,00,80,6

' 0,4

ог о.о

0,0

1,(МО*12,0x10* 3,0x10"* 4,0x1^ 5,0x10'' С„_, мо!Ь/л

0.0 1,0x10"4 2,0x10^ 3,0x10"4 4,0x104 5 .ОхЮ"4 С , мспь/л

Рис. 6. Зависимость 1Ло (8Э=0.098, п=3) от концентрации ЦТАБ (1) и 16-6-16 (2) и т/т0 (815=0.02 мс, п=3) от концентрации 16-6-16 (3) для водной дисперсии силикатных наночастиц ЭЮг ТЬ-ТСАЭ (С=0.028 г/л) в присутствии РЖ (а) и ВТЬВ (б) (С=1 10"5 моль/л) при рН=9.2

Тушение люминесценции наночастиц молекулами индикаторов в отсутствие ПАВ (по механизму реабсорбции) отмечено на графике точками «+РЩ1)», «+РЬК(т)» и «+ВТ11В(1)». Степень тушения тербиевой люминесценции при концентрации ПАВ 1 -10"5 моль/л больше в растворе геминального ПАВ 16-6-16 по сравнению с ЦТАБ. С увеличением концентрации ПАВ, как ЦТАБ, так и 16-6-16, наблюдается частичное восстановление интенсивности люминесценции. Так же изменяются и значения времён жизни возбуждённого состояния тербия. Следует отметить, что при изменении концентрации ПАВ интенсивность поглощения света индикаторами при длине волны 540 нм остаётся неизменной. Кроме того, концентрация ПАВ, при которой наблюдается минимум люминесценции, совпадает с концентрацией перезарядки поверхности частиц.

Схема б. Распределение анионов индикаторов в мицеллярных агрегатах на поверхности раздела силикатная наночастица/вода и в объеме раствора

Мы предположили следующее объяснение наблюдаемой закономерности. Когда ПАВ находится в растворе в небольшой концентрации, происходит его преимущественная агрегация на силикатной поверхности (схема 6). В этом случае включённые в его мицеллы анионы индикатора находятся в непосредственной близости от тербиевых комплексов и тушат их люминесценцию по механизму переноса энергии. С увеличением концентрации ПАВ начинается их агрегация в растворе, в результате чего молекулы индикатора распределяются между мицеллами на поверхности силикатных частиц и в растворе. Концентрация тушителя вблизи люминофора снижается, уменьшается и вклад механизма переноса энергии, поэтому интенсивность люминесценции увеличивается.

Таким образом, нами разработан подход к определению агрегации ПАВ на поверхности силикатных наночастиц, которую можно отличить от мицеллообразования в растворе. Следует отметить, что данный подход не имеет аналогов в литературе.

3. Разработка коллоидной системы, обладающей сенсорной функцией на присутствие гидрофобного субстрата анионного характера, на основе люминесцентных силикатных наночастиц 8Ю2 ТЬ-ТСАв

Известно, что анионные ПАВ и фосфолипиды способны образовывать смешанные агрегаты с катионными ПАВ. Анионы индикатора связаны с мицеллами катионных ПАВ за счёт электростатических и ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Конкурентное связывание анионных ПАВ с катионными может привести к вытеснению анионов индикатора из мицеллярного слоя катионного ПАВ на поверхности силикатных наночастиц, что должно отражаться и на люминесцентных свойствах силикатных наночастиц.

ПАВ

зо

-20 -ЗО

Смешанная агрегация на поверхности силикатных наночастиц катионного 16-6-16 и анионного ПАВ додецилсульфата натрия (ДСН) приводит к

перезарядке силикатной поверхности от +30мВ до -ЗОмВ (рис. 7). Добавление ДСН к силикатным наночастицам,

модифицированным 16-6-16, в присутствии индикаторов-тушителей, приводит к частичному восстановлению тербиевой люминесценции и значений времён жизни возбуждённого состояния тербия (рис. 8). Концентрация ДСН, при которой происходит увеличение интенсивности люминесценции, совпадает с концентрацией, при которой происходит перезарядка поверхности силикатных наночастиц с плюса на минус. Вклад механизма реабсорбции в тушение люминесценции остаётся неизменным, так как интенсивность при длине волны 540 нм сохраняет те же

-і—і—і—і і і—і—і—і—і—і 0,0 1,ах10",2,0х10"3,0х10'40х10"' 5,0x10"* С, мотъ/л

Рис. 7. Зависимость ^-потенциала БЮг ТЬ-ТСАв (С=0.028 г/л) в присутствии 16-6-16 (С=1 ■ 10'5 моль/л), от концентрации ДСН при рН=9.2

поглощения индикаторами света значения, что и в отсутствии ДСН.

Таким образом, восстановление интенсивности люминесценции связано с вытеснением в раствор анионов индикаторов из мицеллярного слоя 16-6-16 конкурирующими анионами ДС'. В результате этого процесса расстояние между люминесцирующими комплексами тербия и молекулами тушителя становится слишком большим, чтобы мог осуществляться эффективный перенос энергии между ними. Неполное восстановление эмиссионного сигнала связано с тем, что индикаторы продолжают тушить люминесценцию тербия по механизму реабсорбции. Следует отметить, что гидрофильные анионы (фосфаты и аденозинфосфаты) не восстанавливают люминесценцию наночастиц даже при большом избытке конкурирующих анионов по отношению к анионам индикаторов. Гидрофильные анионы не проникают внутрь мицеллярного слоя дикатионного ПАВ и не замещают анионы индикатора, а располагаются в слое Штерна на 1ранице раздела ПАВ/вода за счёт электростатических взаимодействий с «головными» группами ПАВ.

1,0-

0,8-

1 0,6 ■

= 0,4-

0,2.

0,0-

»и

ЇТГіВ і ц

-»4

0.0 1,0x1,0x10^3,0хю\0х10^,0x104

Рис. 8. Зависимость 1/1о (1,2) и т/х0 (3,4) водной дисперсии БЮг ТЬ-ТСАЭ (С=0.028 г/л) при постоянной концентрации 1-Ю'5 моль/л индикаторов РЬК (1,3) и ВТЬВ (2,4) и 1-Ю'5 моль/л дикатионного ПАВ 16-6-16 от концентрации ДСН при рН=9.2.1о и то -интенсивность люминесценции и время жизни возбуждённого состояния в отсутствии индикаторов. Значения 1/1о в отсутствии ПАВ обозначены точками «РЫЪ> и «ВТЬВ»

Таким образом, представлялось важным определить насколько гидрофобным должен быть субстрат для эффективного восстановления интенсивности

люминесценции. С этой целью нами был исследован ряд соединений с различной длиной углеводородного «хвоста». Кроме того, нашей задачей было определение влияния природы субстрата на люминесцентные свойства силикатных наночастиц, а также возможное практическое применение, предложенного нами подхода.

С1 ~

п=4, 5, 8, 12

Схема 7. Структурная формула 6-хлоро-4-алкил-2оксобензол(е)-1,2-оксафосфорин-2-оат натрия

3.1. Взаимодействие силикатных наночастиц БЮ3 ТЬ-ТСА8, модифицированных 16-6-16, с фосфокумаринами в присутствии ВТИВ Был исследован ряд соединений 6-хлоро-4-алкил-2оксобензол(е)-1,2-оксафосфорин-2-оат натрия (РЬС), в которых количество атомов углерода в углеводородной цепи составляло 4, 5, 8 и 12 (фосфокумарины в дальнейшем будут обозначаться соответственно РЬС4, РЬС5, РЬС8 и РЬС 12) (схема 7). Рассчитанные значения параметров гидрофобности (1о§Р) для ряда соединений РЬС4, РЬС5, РЬС8

и РЬС12 составляют соответственно следующие значения: 3.679; 4.208; 5.795 и 7.911.

В водном растворе указанные производные фосфокумаринов существуют в виде анионов. Добавление фосфокумаринов с различной длиной углеводородного хвоста к силикатным наночастицам, модифицированным 16-6-16, приводит к нейтрализации или перезарядке силикатной поверхности с плюса на минус (рис. 9) в соответствии с гидрофобностью соединений. Наличие в растворе достаточно больших концентраций РЬС4 (С=5Т0-4 моль/л) приводит только к нейтрализации поверхностного заряда силикатных наночастиц (С, = 0 мВ). Более гидрофобный фосфокумарин РЬС5 вызывает перезарядку силикатной поверхности с плюса на минус в широком интервале его концентраций. В случае добавления РЬС8 и РЬС 12 наблюдается резкое уменьшение значений ^-потенциала в узком концентрационном интервале.

Таким образом, чем более гидрофобно соединение, тем меньшая его концентрация требуется для перезарядки поверхности силикатных наночастиц. Эти результаты подтверждают тот факт, что перезарядка силикатной поверхности

связана со смешанной катионно-анионной агрегацией на поверхности наночастиц.

Данные электрофореза хорошо коррелируют с данными люминесцентной спектроскопии (рис. 10). Фосфокумарины РЬС4 и РЬС5 практически не оказывают влияния на интенсивность люминесценции силикатных наночастиц, потушенную индикатором ВТЬВ. Изменения значений времён жизни возбуждённого состояния тербия в присутствии РЬС4 также незначительны, а в присутствии РЬС5 происходит небольшое их увеличение. Добавление РЬС8 и РЬС 12 приводит к резкому возрастанию значений 1Я0 и т/т0 с выходом на предел. Хотя углы наклона кривых зависимостей 1/10 и т/т0 от

40-,

зо 20 10

X О

"-10 -20 -30 -40 -50-

0,0 1,0x10"4 2,0x10"4 3,0x10^4,0x10^ 5,0x10"* Сис мол^л

Рис. 9. Зависимость значений потенциала БЮг ТЬ-ТСАЭ (С=0.028 г/л) в присутствии 16-6-16 (С=1Ю"5 моль/л) от концентрации фосфокумаринов: 1 -РЬС4, 2 - РИС5, 3 - РЬС8,4 - РЬС 12 при рН=9.2 (ЭО = 5 мВ, п = 3)

концентрации РЬС8 и РЬС12 совпадают, предельные значения 1/10 и т/т0 для двух фосфокумаринов различаются. Присутствие в растворе РЬС12 приводит к восстановлению т/то до 1, а 1/10 увеличивается до значения, соответствующего точке «+ВП1В» при достаточно низкой концентрации фосфокумарина, а в случае РЬС8 восстановление 1/10 и т/т0 не полное. Таким образом, степень восстановления люминесценции и времени жизни возбуждённого состояния зависит от гидрофобности соединения. Для частичного восстановления времени жизни возбуждённого состояния достаточно уже пяти атомов углерода в углеводородном «хвосте» фосфокумарина.

Рис. 10. Зависимость 1/1о (а) и т/то (б) водной дисперсии 8102 ТЬ-ТСАв (С=0.028 г/л) в присутствии ВТЬВ и 16-6-16 (С=1-10*5 моль/л) от природы и концентрации фосфокумаринов: 1 - РЬС4, 2 - РЬС5, 3 - РЬС8, 4 - РЬС12 при рН=9.2. 1о и т0 -интенсивность люминесценции и время жизни возбуждённого состояния в отсутствии индикаторов. Значение 1Яо в отсутствии ПАВ обозначено точкой «+ВТЬВ»

Хотя зависимости И0 и т/т0 от концентрации и природы фосфокумаринов коррелируют, между ними существуют различия. Например, кривые зависимостей 1Яо от концентрации РИС4 и РЬС5 совпадают, в то время как значения т/т0 в присутствии РЬС5 больше по сравнению с РЬС4. В случае РЬС8 и РЬС12 эти различия не столь заметны. Данные результаты могут быть объяснены различными вкладами эффектов реабсорбции и рассеяния света. Значения времён жизни возбуждённого состояния не зависят от них и являются более корректными по сравнению с интенсивностью люминесценции. Линейный интервал и предел обнаружения фосфокумаринов рассчитаны по данным времён жизни возбуждённого состояния тербия (табл. 1).

Таблица 1. Линейный интервал и предел обнаружения фосфокумаринов

Субстрат РЬС8 РІ1С12

Предел обнаружения 5 10"" моль/л 5-Ю"4 моль/л

Линейный интервал обнаружения 5 • 10"6 - 5 ■ 10"5 моль/л 5-Ю"4- 5' 10"5 моль/л

3.2 Взаимодействие силикатных наночастиц БЮ2 ТЬ-ТСАБ, модифицированных 16-6-16, с фосфолипидами в присутствии ВТЬВ Известно, что фосфолипиды также способны образовывать смешанные агрегаты с ПАВ и адсорбироваться на поверхности силикатных наночастиц. Были изучены фосфолипиды различной степени чистоты и с различной природой «головной» группы (холиновой и глицериновой): 1,2-дистеароил-5и-глицеро-3-

фосфо-гас-( 1 -глицерол) натриевая соль ^Рв, 99%), 1,2-дистеароил- ли-глицеро-З-фосфо-гос-холин (БЭРС, 99%), Ь-а-фосфатидилхолин (РС, 60% и 99%) (схема 8).

ББРО при рН=9.2 находится в растворе в анионной форме. Его присутствие приводит к перезарядке силикатной поверхности с +30 мВ до -40 мВ в узком концентрационном интервале (рис. 11). Цвитгер-ионный фосфолипид Б8РС с тем же количеством атомов углерода в карбоксильном заместителе не вызывает уменьшения поверхностного заряда силикатных наночастиц, их (¡-потенциал даже несколько увеличивается.

о о

Р^О-СН;; 'Я Н3С(Н2С)15Н2С''^0-СН2 9

О СН-О Я О СН-О СН2(СН2),5СН3

(НзС)э*М-Н2С-Н2С-0-Р-0-СНг н2с—нс-н2с-о-р-о-сн2

¿"Ыа* ОН ОН ОЪ1а+

ре:, И - С16НМ, С18Н№ С15Н)3, С|8НМ, С:0Нл оагс, и = с,Ли

Схема 8. Структурные формулы фосфолипидов

Ь-а-фосфатидилхолин также является цвитгер-ионным фосфолилидом и не должен изменять значений ¡¡-потенциала частиц, что и наблюдается в случае РС 99%. Однако, добавление РС 60% приводит к уменьшению значений (¡-потенциала 8Ю2 ТЬ-ТСАЭ до -60 мВ. Известно, что в фосфатидилхолине, получаемом из яичного желтка или соевых бобов, содержится определённое количество различных примесей, в том числе и анионных. Именно наличием анионных примесей в смешанных агрегатах может быть объяснена перезарядка поверхности силикатных наночастиц.

Во всех предыдущих случаях наблюдалась корреляция между данными электрофореза и люминесцентной спектроскопии. На первый взгляд для фосфолипидов не наблюдается взаимосвязи между их структурой и данными люминесценции (рис. 12) и электрофореза. Так, анионный фосфолипид ББРО образует отрицательно заряженные смешанные агрегаты на поверхности силикатных наночастиц, что приводит к восстановлению интенсивности

люминесценции, вследствие вытеснения анионов индикатора в раствор. Цвитгер-ионный БЗРС не изменяет поверхностного заряда частиц и не влияет на интенсивность

люминесценции. Анионы ВТЬВ остаются в смешанных агрегатах и продолжают тушить люминесценцию по механизму переноса энергии. Цвиттер-ионный фосфатидилхолин, чистота которого составляет 60% (РС 60%), в отличие от БвРС перезаряжает силикатную поверхность, вытесняет анионы индикатора в раствор, восстанавливая тем самым люминесценцию. Объяснением данного факта является наличие анионных примесей в реактиве РС 60% способных к образованию

Рис. 11. Зависимость значений С,-потенциала 5Ю2 ТЬ-ТСА8 (С=0.028 г/л) в присутствии 16-6-16 (С= 1 -10"5 моль/л) от концентрации фосфолипидов: 1 - ЭБРС (ЭЭ = 15 тУ, п = 3), 2 - РС 99% (80 = 15 тУ, п = 3), 3 - РС 60% (БО = 5 тУ, п = 3), 4 - ОЭРб (БЭ = 5 тУ, п = 3) при рН=9.2

смешанных агрегатов с катионным ПАВ. Неожиданным является то, что РС 99% в отличие от ББРС тоже увеличивает интенсивность люминесценции, хотя не влияет на значения поверхностного заряда силикатных наночастиц. Этот факт, возможно, связан с различной структурой гидрофобных заместителей и различным составом анионных примесей в этих двух фосфолипидах.

Характер изменения значений т/т0 и 1/10 Для одних и тех же фосфолипидов не всегда совпадает. Это может быть связано с образованием собственных и смешанных агрегатов фосфолипидов в растворе и рассеянием на них света. Подтверждением этого является подъём базовой линии и увеличение оптической плотности при длине волны 540 нм в электронных спектрах индикатора с ростом концентрации фосфолипидов.

Рис. 12. Зависимость 1Ло (а) и т/то (б) водной дисперсии БЮг ТЬ-ТСАБ (С=0.028 г/л) в присутствии ВТЬВ (С=110"5 моль/л) и 16-6-16 (С=110'5 моль/л) от природы и концентрации фосфолипидов: 1 - БвРС, 2 - РС 99%, 3 - РС 60%, 4 - БЭРС при рН=9.2.1о и то - интенсивность люминесценции и время жизни возбужденного состояния в отсутствии индикаторов. Значение 1/1о в отсутствии ПАВ обозначено точкой «+ВТЬВ»

Хотя изменение значений т/т0 более корректно отражает замещение анионов ВТЬВ молекулами фосфолипидов, измерение интенсивности люминесценции в данном случае является более чувствительным методом. Зависимости 1/10 от концентрации фосфолипидов характеризуются большим линейным концентрационным интервалом, по сравнению с зависимостями для т/то. Поэтому предел обнаружения фосфолипидов и линейный интервал рассчитывались по концентрационным зависимостям 1/10 (табл. 2).

Таблица 2. Линейный интервал и предел обнаружения фосфолипидов

Субстрат ОБРЄ РС 99% РС 60%

Предел обнаружения 0.008 г/л 0.05.г/л 0.02 г/л

Линейный интервал обнаружения 0.008-0.04 г/л 0.05-0.4 г/л 0.02-0.23 г/л

Таким образом, методы электрофореза и люминесцентной спектроскопии позволяют отличить анионные и цвитгер-ионные фосфолипиды. При этом метод люминесцентной спектроскопии более чувствителен по сравнению с методом электрофореза, так как каждый фосфолипид даёт свой характерный сигнал. Разработанный нами подход позволяет определять степень чистоты фосфолипидов при использовании метода люминесцентной спектроскопии. В настоящее время оценка их чистоты проводится только методами масс-спектроскопии и хроматографии. Спектральные методики в открытой печати не обнаружены.

4. Изучение температурно-индуцированного фазового разделения силикатных наночастнц в присутствии неионного ПАВ Тритона Х-100.

Неионные ПАВ представляют большой интерес вследствие своей способности к температурно-индуцированному фазовому разделению. Нагревание мицеллярного раствора приводит к разделению раствора на две фазы: водную с содержанием в ней ПАВ в концентрации ниже его ККМ и коацерватную, насыщенную молекулами неиокного ПАВ. Главная движущая сила этого процесса - кластеризация мицелл из-за дегидратации полиоксиэтиленовых цепей молекул неионного ПАВ под действием температуры. Различные ионы или молекулы могут быть солюбилизированы мицеллами ПАВ и в дальнейшем экстрагированы из водной фазы в коацерватную. Кроме того, известно, что неионные ПАВ адсорбируются на поверхности силикатных наночастиц за счёт образования водородных связей между молекулами ПАВ и силанольными группами частиц. В качестве неионного ПАВ нами был выбран Тритон Х-100.

Метод люминесцентной спектроскопии позволяет количественно оценить распределение силикатных наночастиц между водной и коацерватной фазами. Присутствие Тритона Х-100 в водной дисперсии 8Ю2 ТЬ-ТСАв не влияет на люминесцентный сигнал наночастиц.

Значения степени экстракции Е (формула 1) характеризуют степень перехода силикатных наночастиц в коацерватную фазу.

Е= 100У(/У(1-И0), (1)

где У0 и V, 1о и I - соответственно объём и интенсивность люминесценции исходного раствора и водной фазы после температурно-индуцированного фазового разделения.

При концентрации Тритона Х-100 ниже 5 ■ 10"3 моль/л не наблюдается перехода силикатных наночастиц из водной в коацерватную фазу. С дальнейшим увеличением концентрации ПАВ величина Е возрастает до предельного значения 35% при 2-Ю'2 моль/л Тритона Х-100 (рН=7) (рис. 13). Повышение рН среды до 10 и 11 при прочих равных условиях приводит к тому, что силикатные наночастицы полностью остаются в водной фазе в условиях температурно-индуцированного фазового разделения. В щелочной среде силанольные группы на поверхности частиц диссоциируют, что затрудняет образование водородных связей с Тритоном Х-100.

Наличие в растворе буфера Трис (2.5 10"2 моль/л) или тетраапкиламмонийных солей приводит к агрегации наночастиц, которая увеличивается в ряду тетраметил- < тетраэтил- < тетрабутиламмоний бромид (соответственно ТМАБ, ТЭАБ и ТБАБ) с возрастанием их гидрофобное™. Адсорбция катионов тетраалкиламмония и Триса вызывает нейтрализацию поверхностного заряда и гидрофобизацию поверхности силикатных наночастиц, что и является причиной агрегации наночастиц в растворе. Добавление и дальнейшее увеличение концентрации Тритона Х-100 к водной дисперсии силикатных наночастиц в присутствии буфера Трис или тетраапкиламмонийных солей приводит к деагрегации силикатных наночастиц. То есть чем больше концентрация агрегатов Тритона Х-100, тем выше агрегативная устойчивость смешанной коллоидной системы. Это, прежде всего, связано с солюбилизацией органических катионов агрегатами неионного ПАВ, что препятствует их адсорбции силикатными наночастицами.

Из рис. 13 видно, что добавление ЫаС1 или ТМАБ в широком интервале концентраций (1.510"3 - 2.5-10'2 моль/л) не влияет на значение Е. В то же время при концентрации ТЭАБ 2.5-10"2 моль/л наблюдается увеличение Е. ТБАБ уже при концентрации 5-10"3 моль/л вызывает возрастание значений Е до 40%. Дальнейшее увеличение концентрации ТБАБ до 8-Ю и 2.5-10"2 моль/л приводит к увеличению степени перехода наночастиц в коацерватную фазу соответственно до 50 и 55%. (Поскольку исследование концентрационных зависимостей, обозначенных на рис. 13 кривыми 2 и 6 показало, что предел перехода силикатных наночастиц в коацерватную фазу наступает при концентрации Тритона Х-100 равной 0.01 моль/л, то значения Е в случае 1 и 3-5 на рис. 13 рассчитывались только при концентрации ПАВ С=0.01 моль/л.)

_- А

Рис. 13. Зависимость степени перехода силикатных наночастиц в коацерватную фазу (Е) в присутствии Тритона Х-100: 1 -при рН=11.0; 2-6 - при рН=7.0: 2 - в отсутствии фоновых солей или в присутствии №С1 и ТМАБ; 3 - при добавлении 2.5-10"2 моль/л ТЭАБ или 5-Ю"3 моль/л ТБАБ; 4 и 5 - в присутствии

соответственно 8-Ю"3 моль/л и 2.5-10"2 моль/л ТБАБ; 6 - при наличии в растворе 2.5 -10'2 моль/л Трис.

иг,

0,000 о,осв

0,010

0,015 0,020 моль/л

0,026 0,010

Причиной повышенного сродства силикатных наночастиц к коацерватной фазе в присутствии фоновых солей может являться увеличенная гидрофобность агрегатов Тритона Х-100 на границе раздела силикатная наночастица/раствор. Чем больше гидрофобность солей, тем эффективнее они проникают в мицеллярные агрегаты неионного ПАВ и тем больше сродство силикатных наночастиц к коацерватной фазе. Наличие в мицеллярном растворе буфера Трис в концентрации 2.5-10"2 моль/л увеличивает Е до 95%. Это может быть связано с тем, что Трис эффективно взаимодействует как с силикатными наночастицами, так и с неионными ПАВ за счёт образования водородных связей.

Следует отметить, что процесс перехода силикатных наночастиц в коацерватную фазу является обратимым. Таким образом, данный подход позволяет отделить силикатные наночастицы от раствора и, отмыв частицы от ПАВ, провести их регенерацию с целью повторного использования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Синтезированы силикатные наночастицы, содержащие комплексы ТЬ(1П) и УЬ(Ш) с л-сульфонатотиакаликс[4]ареном, и частицы, допированные одновременно комплексами Яи(<Иру)3С12 и УЬ(Ш)-ТСА8, обладающие интенсивной люминесценцией, коллоидной и фото-стабильностью.

2. Разработана методика люминесцентного зондирования агрегации катионных, неионных и смешанных ПАВ на поверхности силикатных наночастиц в присутствии индикаторов фенолового красного и бромтимолового синего, основанная на механизме переноса энергии.

3. Выявлены закономерности и механизм субстрат-переключаемой люминесценции наночастиц, в основе которой лежит вытеснение субстратами

молекул индикаторов с поверхности люминесцентных наночастиц. Эффективность вытеснения зависит от заряда и гидрофобное™ субстрата.

4. На основе закономерностей тушения и восстановления люминесценции силикатных наночастиц предложен подход к распознаванию фосфолилидов анионной и цвиттер-ионной природы, а также к определению их степени чистоты с помощью метода люминесцентной спектроскопии.

5. Показано, что агрегация неионного ПАВ Тритона Х-100 на силикатной поверхности наночастиц приводит к их температурно-индуцированному фазовому разделению. Это позволяет, как увеличить коллоидную устойчивость люминесцентных наночастиц в водных буферных растворах, так и выделять их из раствора за счет изменения его температуры.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Mustafina A.R., Fedorenko S.V., Konovalova O.D., Menshikova A.Yu., Shevchenko N.N., Soloveva S.E., Konovalov A.I., Antipin I.S. Novel highly charged silica coated Tb(III) nanoparticles with fluorescent properties sensitive to ion-exchange and energy transfer processes in aqueous dispersion // Langmuir. 2009. V. 25. P. 3146 - 3151.

2. Fedorenko S.V., Bochkova O.D., Mustafina A.R., Burilov V.A., Kadirov M.K., Holin C.V., Nizameev I.R., Skripacheva V.V., Menshikova A.Yu., Antipin I.S., Konovalov A.I. Dual visible and Near-Infrared luminescent silica nanoparticles. Synthesis and aggregation stability // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. P. 6350-6355.

3. Mustafina A.R., Elistratova Ju.G., Bochkova O.D., Burilov V.A., Fedorenko S.V., Konovalov A.I., Soloveva S.Ye. Temperature induced cloud point behavior of luminescent silica nanoparticles in Triton X100 solutions // J. Colloid Interface Sci.

2011. V.354. P. 644-649.

4. Bochkova O.D.a Mustafina A.R., Fedorenko S.V., Konovalov A.I. Silica nanoparticles with a substrate switchable luminescence // J. Phys.: Conf. Ser. 2011. V. 291. 012038.

5. Mustafina A.R., Bochkova O.D., Fedorenko S.V., Skripacheva V.V., Zakharova L. Ya., Kadirov M.K., Nizameyev I.R., Konovalov A.I., Soloveva S.E. Substrate responsive colloidal system based on luminescent Tb(III) doped silica nanoparticles // Proc. Of SPIE. 2011. V.7994. 79941B.

6. Mustafina A., Elistratova Ju., Zakharova L., Kudryashova Y., Bochkova O., Burilov V., Konovalov A., Soloveva S. Diverse effect of PEO-PPO-PEO and PPO-PEO-PPO triblock copolymers on temperature responsive behavior of luminescent hard-soft colloids // Colloids Surf., A. 2011. V. 392. P.343-349.

7. Bochkova O.D., Mustafina A.R., Mukhametshina A.R., Burilov V.A., Skripacheva V.V., Zakharova L.Ya., Fedorenko S.V., Konovalov A.I., Soloveva S.E., Antipin I.S. The interfacial interactions of Tb-doped silica nanoparticles with surfactants and phospholipids revealed through the fluorescent response // Colloids Surf., B. 2012. V. 92. P. 327-333.

8. Bochkova O.D., Mustafina A.R., Mukhametshina A.R., Burilov V.A., Nemtarev A.V., Mironov V.F., Konovalov A.I. The discrimination between phospholipids of diverse structure and phosphacoumarins of various hidrophobicity through fluorescent response of Tb-doped silica nanoparticles decorated by cationic surfactant // Talanta.

2012. V. 93. P. 233-238.

9. Коновалова О.Д., Заиров P.P., Федоренко C.B., Мустафина A.P., Коновалов А.И. Взаимодействие бисдипиридилов лантанидов с п-

сульфонатотиакаликс[4]ареном как основа для разработки люминесцентных комплексов различной структуры // Тезисы докладов XXIII международной Чугаевской конференции по координационной химии, Одесса, Украина, 4-7 сентября. 2007. С. 451.

Ю.Коновалова О.Д., Федоренко С.В. Получение силикатных наночастиц, содержащих высоколюминесцентные комплексы лантанидов и рутения // Тезисы докладов Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского государственного университета, Казань. 2008. С. 66-67.

11.Konovalova O.D., Fedorenko S.V., Mustafma A.R., Shevchenko N.N., Menshikova A.Yu., Solovieva S.E., Antipin I.S., Konovalov A.I. Preparation of silica nanoparticles, containing high luminescent complexes // Тезисы докладов IV International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and biology", Tuapse, Russia, September 23-October 2. 2008. P.78.

12. Коновалова О.Д., Федоренко С.В. Силикатные наночастицы на основе п-сульфонатотиакаликс[4]арена. Синтез и свойства. // Тезисы докладов Итоговой научно-образовательной конференции студентов Казанского, государственного университета, Казань, Россия, апрель. 2009. С. 67-68.

13.Konovalova O.D., Fedorenko S.V., Mustafina A.R., Solovieva S.E., Antipin I.S., Konovalov A.I. Covalent and non-covaient modification of Tb(IU)-TCAS doped silica nanoparticles in aqueous dispersion // Тезисы докладов Vth International Symposium «Design and Synthesis of Supramolecular Architectures», Kazan, Russia, October 12-16. 2009. P. 115.

14.Бочкова О.Д. Силикатные наночастицы, содержащие люминесцирующие комплексы Tb(III) с пара-сульфонатотиакаликс[4]ареном. Люминесцентные и агрегативные свойства // Сборник тезисов Международного симпозиума Advanced Science in Organic Chemistry, Крым, Украина, 21-25 июня. 2010. С. 31

15.Bochkova O.D., Fedorenko S.V., Elistratova Yu.G., Mustafma A.R., Antipin I.S., Solovieva S.E., Konovalov A.I. Non-covalent modification of luminescent Tb-TCAS-doped silica nanoparticles surface by surfactants // Тезисы докладов 3-rd International summer school "Supramolecular systems in chemistry and biology", Lviv, Ukraine, 6-10 September. 2010. P. 24.

16.Bochkova O.D., A. R. Mustafma Silica nanoparticles with a substrate switchable luminescence // Сборник докладов III международного форума по нанотехнологиям Rusnanotech, Москва, Россия, 1-3 ноября. 2010.

17. Bochkova О., Mustafma A., Skripacheva V., Elistratova Yu., Mukhametshina A., Solovieva S., Konovalov A. Properties of luminescent Tb-doped silica nanoparticles with adsorbed surfactants on their surface // Тезисы докладов 2nd Russian - Hellenic symposium "Biomaterials and bionanomaterials: recent advances and safety -toxicology issues", Heraklion, Greece, 5-12 May. 2011. P.-45.

18. Bochkova O. D., Mustafma A. R., Skripacheva V. V., Elistratova Yu. G., Mukhametshina A. R„ Solovieva S.E., Konovalov A.I. Photophysical properties of surfactant modified luminescent Tb-doped silica nanoparticles in presence of dyes as quenchers of Tb luminescence // Тезисы докладов 4th International Summer School "Supramolecular Systems in Chemistry and Biology", Regensburg, Germany, 12-15 September. 2011. P6.

V2-2 0 2 34

2012350373

Подписано в печать 27.06.2012 г. Форм.бум. 60x84 1/16. Печ.л. 1,5. Тираж 100. Заказ 197.

Изготовлено в полиграфическом центре «Отечество» 420126, г.Казань, ул.Чистопольская, д.27а

2012350373

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата химических наук, Бочкова, Ольга Дмитриевна

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1 Способы получения силикатных наночастиц, содержащих люминофоры.

1.1.1 Общие принципы получения силикатных наночастиц.

1.1.2 Метод Штёбера.

1.1.3 Метод обратной микроэмульсии типа «вода в масле».

1.1.4 Введение люминофоров в силикатные наночастицы.

1.2 Модификация поверхности силикатных наночастиц.

1.2.1 Характеристики силикатных наночастиц.

1.2.2 Ковалентная модификация поверхности силикатных наночастиц.

1.2.3 Нековалентная модификация поверхности силикатных наночастиц

1.2.3.1 Взаимодействие силикатных наночастиц с поверхностно-активными веществами.

1.2.3.2 Взаимодействие силикатных наночастиц с липидами.

1.3 Применение люминесцирующих силикатных наночастиц в качестве биосенсоров.

1.3.1 Тушение люминесценции.

1.3.2 Примеры и типы люминесцентных биосенсоров.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1 Объекты исследования.

2.2 Методы исследования.

2.3 Условия проведения эксперимента.

2.3.1 Определение концентрации силикатных частиц.

2.3.2 Люминесцентная спектроскопия.

2.3.3 Измерение времён жизни возбуждённого состояния.

2.3.4 Метод динамического рассеяния света.

2.3.5 Атомно-силовая микроскопия.

2.3.6 Атомно-эмиссионная спектроскопия.

2.3.7 Температурно-индуцированное фазовое разделение.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

3.1 Синтез и основные характеристики силикатных наночастиц, содержащих комплексы лантанидов с пара-сульфонатотиакаликс[4]ареном.

3.2 Синтез и основные характеристики силикатных наночастиц, содержащих одновременно два люминесцирующих комплекса: хлорид трисдипиридилрутения(П) и комплекс УЪ(Ш) с парасульфонатотиакаликс[4]ареном.

3.2.1 Люминесцентные свойства водного раствора комплексов [11и(сИру)з]С12 и УЬ(Ш)-ТСА8 и водной дисперсии 8Ю2 Яи-УЬ.

3.2.2 Агрегационное поведение силикатных наночастиц 8Ю2 УЪ-ТСА8, 8Ю2 11и(сНру)з~ и 8Ю2 Яи-УЬ в растворе.

3.3 Ковалентная модификация поверхности силикатных наночастиц, содержащих комплекс ТЬ(Ш)-ТСА8.

3.4 Нековалентная модификация поверхности силикатных наночастиц, содержащих комплексы ТЬ(Ш)-ТСА8.

3.4.1 Взаимодействие силикатных наночастиц, содержащих комплексы ТЬ(Ш)-ТСА8, с комплексами кобальта(Ш).

3.4.2 Нековалентная модификация поверхности силикатных наночастиц, содержащих в качестве люминофора комплекс ТЬ(Ш)-ТСА8, с помощью катионных ПАВ.

3.5 Разработка коллоидной системы, обладающей сенсорной функцией на присутствие гидрофобного субстрата анионного характера, на основе люминесцентных силикатных наночастиц 8Ю2 ТЬ-ТСА8.

3.5.1 Взаимодействие силикатных наночастиц 8Ю2 ТЬ-ТСА8, модифицированных 16-6-16, с фосфокумаринами в присутствии ВТЬВ.

3.5.2 Взаимодействие силикатных наночастиц 8Ю2 ТЬ-ТСА8, модифицированных 16-6-16, с фосфолипидами в присутствии ВТЫЗ.

3.6 Температурно-индуцированное фазовое разделение люминесцентных силикатных наночастиц 8Юг ТЬ-ТСАЭ в присутствии неионного ПАВ Тритона Х-100.

3.6.1 Силикатные наночастицы в растворе Тритона Х-100.

3.6.2 Влияние рН среды и присутствия фоновых солей на степень экстракции и агрегационное поведение силикатных наночастиц.

Введение диссертация по химии, на тему "Синтез, люминесцентные свойства и агрегативная устойчивость силикатных наночастиц, допированных комплексами Tb(III) и Yb(III) с пара-сульфонатотиакаликс[4]ареном"

Существует множество люминофоров, которые могут быть введены в силикатные наночастицы: различные органические и неорганические молекулы и комплексы, квантовые точки. Среди всего этого многообразия особый интерес представляют лантанидные комплексы. Они обладают длительным временем жизни возбуждённого состояния и узкими и интенсивными линиями в спектре, что позволяет получать сигнал в биологических системах с хорошим соотношением сигнал:шум. Использование лантанидных комплексов самих по себе ограничено их деградацией в условиях биоананлиза. Решением этой проблемы является введение комплексов внутрь силикатных наночастиц. Силикатная матрица защищает люминофоры от внешних воздействий, что обеспечивает им высокую кинетическую и фото-стабильность.

Цель работы. Синтез люминесцирующих силикатных наночастиц, допированных комплексами лантанидов, и разработка на их основе коллоидных систем, люминесцентные свойства которых изменяются при связывании определённых субстратов (гидрофобные анионы и фосфолипиды), а также систем способных к температурно-индуцированному фазовому разделению.

Научная новизна работы.

1. Впервые синтезированы люминесцирующие силикатные наночастицы, содержащие комплексы лантанидов с каликсареном, которые в результате последующей нековалентной модификации силикатной поверхности с помощью ПАВ, обладают высокой коллоидной и фотостабильностью, а также интенсивной люминесценцией.

4. Впервые показано, что для таких коллоидных систем селективность распознавания субстрата методом люминесцентной спектроскопии определяется его гидрофобностью.

Практическая значимость. В рамках данной работы получены силикатные наночастицы, обладающие биосовместимостыо, высоко интенсивной и стабильной во времени люминесценцией. Это открывает возможность использования люминесцентных силикатных наночастиц in vitro и in vivo в биоанализе и медицине. Разработанная в ходе выполнения диссертационной работы методика люминесцентного зондирования агрегации катионных, смешанных и неионных ПАВ может быть использована для оценки поверхностного слоя силикатных наночастиц, что имеет существенное значение для их дальнейшего применения в качестве биомаркеров и биосенсоров. Кроме того, создан подход к использованию данных частиц в качестве биосенсоров на фосфолипиды. Полученные результаты являются основой для разработки принципиально новых методик люминесцентного определения фосфолипидов.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Синтез силикатных наночастиц, содержащих комплексы лантанидов Tb(III), Yb(III) и Gd(III) с /?-сульфонатотиакаликс[4]ареном, и изучение их основных характеристик (размер, заряд, коллоидная стабильность, фотофизические характеристики).

5. Температурно-индуцированное фазовое разделение люминесцентных силикатных наночастиц в результате агрегации неионного ПАВ Тритона Xi

100 на их поверхности.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 57 рисунков, 18 схем, 12 таблиц, а также библиографию, включающую 125 наименований. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, постановки задачи, выводов, списка литературы и приложения. В первой главе приведён литературный обзор по силикатным наночастицам, содержащих люминофоры, включающий методы синтеза силикатных наночастиц, примеры вводимых люминофоров, способы модификации силикатной поверхности, применение люминесцирующих силикатных наночастиц в качестве биосенсоров и механизмы тушения люминесценции. Второй главе предшествует постановка цели и задач исследования, исходя из анализа имеющихся в литературе данных в области, которой соответствует диссертационная работа. Вторая глава представляет собой экспериментальную часть работы и включает в себя описание основных методов исследований, использованных в работе, условия экспериментов и обработку полученных данных. Третья глава посвящена обсуждению собственных результатов. Далее описаны основные результаты и выводы по проделанной работе и список литературы.

Заключение диссертации по теме "Физическая химия"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Синтезированы силикатные наночастицы, содержащие комплексы ТЬ(Ш), УЬ(Ш), Сс1(Ш) с и-сульфонатотиакаликс[4]ареном, и частицы, допированные одновременно комплексами Яи(сИру)зС12 и УЬ(Ш)-ТСА8, обладающие интенсивной люминесценцией, коллоидной и фото-стабильностью.

3. Выявлены закономерности и механизм субстрат-переключаемой люминесценции наночастиц, в основе которой лежит вытеснение субстратами молекул индикаторов с поверхности люминесцентных наночастиц. Эффективность вытеснения зависит от заряда и гидрофобности субстрата.

4. На основе закономерностей тушения и восстановления люминесценции силикатных наночастиц предложен подход к распознаванию фосфолипидов анионной и цвиттер-ионной природы, а также к определению их степени чистоты с помощью метода люминесцентной спектроскопии.

5. Показано, что агрегация неионного ПАВ Тритона Х-100 на силикатной поверхности наночастиц приводит к их температурно-индуцированному

• фазовому разделению. Это позволяет, как увеличить коллоидную устойчивость люминесцентных наночастиц в водных буферных растворах, так и выделять их из раствора за счет изменения температуры.

Список источников диссертации и автореферата по химии, кандидата химических наук, Бочкова, Ольга Дмитриевна, Казань

1. Stober W., Fink A., Bohn Е. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range // J. Colloid Interface Sci. 1968. V. 26. P. 62-69.

2. Yan J., Estevez M. C., Smith J. E., Wang К., He X., Wang L., Tan W. Dye-doped nanoparticles for bioanalysis //Nanotoday. 2007. V. 2. P. 44-50.

3. Liang S., John C. L., Xu S., Chen J., Jin Yu., Yuan Q., Tan W., Zhao J. X. Silica-based nanoparticles: design and properties // Advanced Fluorescence Reporters in Chemistry and Biology II, Part 3, Springer Series on Fluorescence. 2010. V. 9. P. 229-252.

4. Zhang D., Wu Zh., Xu J., Liang J., Li J., Yang W. Tuning the emission properties of Ru(phen)32+ doped silica nanoparticles by changing the addition time of the dye during the Stober process // Langmuir. 2010. V. 26. P. 6657-6662.

5. Wang W., Gu В., Liang L. Effect of anionic surfactatnts on synthesis and self-assembly of silica colloid nanoparticles // J. Colloid Interface Sci. 2007. V. 313. P. 169-173.

6. Arriagada F.J., Osseo-Asare K. Synthesis of nanosize silica in Aerosol ОТ reverse microemulsions // J. Colloid Interface Sci. 1995. V. 170. P. 8-17.

7. Arriaga F. J., Osseo-Asare K. Controlled hydrolysis of tetraethoxysilane in a nonionic water-in-oil microemulsion: a statistical model of silica nucleation // Colloids Surf. A. 1999. V. 154. P. 311-326.

8. Arriaga F. J., Osseo-Asare K. Synthesis of nanosize silica in a nonionic water-in-oil microemulsion: effects of the water/surfactant molar ratio and ammonia concentration // J. Colloid Interface Sci. 1999. V. 211. P. 210-220.

9. Arriaga F. J., Osseo-Asare K. Phase and dispersion stability effects in the synthesis of silica nanoparticles in a non-ionic reverse microemulsion // Colloids Surf. 1992. V. 69. P. 105-115.

10. Bagwe R. P., Khilar К. C. Effects of the intermicellar exchange rate and cations on the size of silver chloride nanoparticles formed in reverse micelles of AOT // Langmuir. 1997. V. 13. P. 6432-6438.

11. Bagwe R. P., Yang Ch., Hilliard L.R., Tan W. Optimization of dye-doped silica nanoparticles prepared using a reverse microemulsion metod // Langmuir. 2004. V. 20. P. 8336-8342.

12. Yao L., Xu G., Dou W., Bai Ya. The control of size and morphology of nanosized silica in Triton X-100 based reverse micelle // Colloids Surf. A. 2008. V. 316. P. 8-14.

13. Van Blaaderen A., Vrij A. Synthesis and characterization of colloidal dispersions of fluorescent, monodisperse silica spheres // Langmuir. 1992. V. 8. P. 2921-2931.

14. Santra S., Zhang P., Wang K., Tapec R., Tan W. Conjugation of biomolecules with luminophore-doped silica nanoparticles for photostable biomarkers//Anal. Chem. 2001. V. 73. P. 4988-4993.

15. Wang. L., Wang K., Santra Sh., Zhao X., Hilliard L. R., Smith J. E., Wu Ya., Tan W. Watching silica nanoparticles glow in the biological world // ACS. 2006. P. 647-654.

16. Hun X., Zhang Z. Functionalized fluorescent core-shell nanoparticles used as a fluorescent labels in fluoroimmunoassay for 1L-6 // Biosensors and Bioelectronics. 2007. V. 22. P. 2743-2748.

17. Hun X., Zhang Z. Fluoroimmunoassay for tumor necrosis factor-a in human serum using Ru(bpy)3Cl2-doped fluorescent silica nanoparticles as labels // Talanta. 2007. V. 73. P. 366-371.

18. Lian W., Litherland S.A., Badrane H., Tan W., Wu, D., Baker H.V., Gulig P.A., Lim D.V., Jin Sh. Ultrasensitive detection of biomolecules with fluorescent dye-doped nanoparticles // Anal. Biochem. 2004. V. 334. P. 135-144.

19. Wu H., Huo Q., Varnum S., Wang J., Liu G., Nie Z., Liu J., Lin Y. Dye-doped silica nanoparticle labels/protein microarray for detection of protein biomarkers//Analyst. 2008. V. 133. P. 1550-1555.

20. Qhobosheane M., Santra S., Zhang P., Tan W. Biochemically functionalized silica nanoparticles // Analyst. 2001. V. 126. P. 1274-1278.

21. Biinzli J.-C. G. Benefiting from the unique properties of lanthanide ions // Acc. Chem. Res. 2006. V. 39. P. 53-61.

22. Leonard J. P., Nolan C. B., Stomeo F., Gunnlaugsson Th. Photochemistry and photophysics of coordination compounds: lanthanides // Top Curr. Chem. 2007. V. 281. P. 1-43.

23. Hanaoka K., Kikuchi K., Kojima H., Urano Y., Nagano T. Development of a zinc ion-selective luminescent lanthanide chemosensor for biological applications // J. Am. Chem. Soc. 2004. V. 126. P. 12470-12476.

24. Montalti M., Prodi L., Zaccheroni N., Charbonnière L., Douce L., Ziessel R. A luminescent anion sensor based on a europium hybrid complex // J. Am. Chem. Soc. 2001. V. 123. P. 12694-12695.

25. Charbonnière L., Ziessel R., Montalti M., Prodi L., Zaccheroni N., Boehme C., Wippf G. Luminescent lanthanide complexes of a bis-bipyridine-phosphine-oxide ligand as tools for anion detection // J. Am. Chem. Soc. 2002. V. 124. P. 7779-7788.

26. Jenkins A.L., Uy O.M., Murray G.M. Polymer-based lanthanide luminescent sensor for detection of the hydrolysis product of the nerve agent soman in water // Anal. Chem. 1999. V. 71. P. 373-378.

27. Barja B.C., Aramendia P.F. Luminescent Eu(III) hybrid materials for sensor applications // Photochem. Photobiol. Sci. 2008. V. 7. P. 1391-1399.

28. Li S.-H., Yu C.-W., Yuan W.-T., Xu J.-G. A lanthanide hybrid cluster as a selective optical chemosensor for phosphate-containing anions in aqueous solution // Anal. Sci. 2004. V. 20. P. 1375-1377.

29. Plush S., Gunlaugsson T. Solution studies of trimetallic lanthanide luminescent anion sensors: towards ratiometric sensing using an internal reference channel // Dalton Trans. 2008. P. 3801-3804.

30. Mizukami S., Tonai K., Kaneko M., Kikuchi K. Lanthanide-based protease activity sensors for time-resolved fluorescence measurements // J. Am. Chem. Soc. 2008. V. 130. P. 14376-14377.

31. Yuan J., Wang G. Lanthanide-based luminescence probes and time-resolved luminescence bioassays // Trends in Anal. Chem. 2006. V. 25. P. 490-500. (b) Ai, K.; Zhang, B.; Lu L. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 304 -308.

32. Ai K., Zhang B., Lu L. Europium-based fluorescence nanoparticle sensor for rapid and ultrasensitive detection of an anthrax biomarker // Angew. Chem. Int. Ed. 2009. V. 48. P. 304-308.

33. Chen Y., Lu Z. Dye sensitized luminescent europium nanoparticles and its time-resolved fluorometric assay for DNA // Anal. Chim. Acta. 2007. V. 587. P. 180— 186.

34. Harma, H.; Keranen, A.-M.; Lovgren, T. Synthesis and characterization of europium(III) nanoparticles for time-resolved fluoroimmunoassay of prostate-specific antigen //Nanotechnology. 2007. V. 18. P. 075604 (7pp).

35. Ye Zh., Tan M., Wang G., Yuan J. Development of functionalized terbium fluorescent nanoparticles for antibody labeling and time-resolved fluoroimmunoassay application // Talanta. 2005. V. 65. P. 206-210.

36. Piao Y., Burns A., Kim J., Wiesner U., Hyeon T. Designed fabrication of silica-based nanostructured particle systems for nanomedicine application // Adv. Funct. Mater. 2008. V. 18. P. 3745-3758.

37. Diamente P.R., Raudsepp M., van Veggel F.C.J.M. Dispersible Tm3+-doped nanoparticles that exhibit strong 1.47 pm photoluminescence // Adv. Funct. Mater. 2007. V. 17. P. 363-368.

38. Tan M., Wang G., Hai X., Ye Z., Yuan J. Development of functionalized fluorescent europium nanoparticles for biolabeling and time-resolved fluorometric application // J. Mater. Chem. 2004. V. 14. P. 2896-2901.

39. Iwu K.O., Soares-Santos P.C.R., Nogueira H.I.S., Carlos L.D., Trindade T. Nanoencapsulation of luminescent 3-hydroxypicolinate lanthanide complexes // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 7567-7573.

40. Ye Z., Tan M., Wang G., Yuan J. Preparation, characterization, and time-resolved fluorometric application of silica-coated terbium(III) fluorescent nanoparticles // Anal. Chem. 2004. V. 76. P. 513-518.

41. Ye Z., Tan M., Wang G., Yuan J. Novel fluorescent europium chelate-doped silica nanoparticles: preparation, characterization and time-resolved fluorometric application//J. Mater. Chem. 2004. V. 14. P. 851-856.

42. Larson D. R., Ow H., Vishwasrao H. D., Heikal A. A., Wiesner U., Webb W. W. Silica nanoparticle architecture determines radiative properties of encapsulated fluorophores // Chem. Mater. 2008. V. 20. P. 2677-2684.

43. Bonacchi S., Rampazzo E., Montalti M., Prodi L., Mancin N. Z. F., Teolato P. Amplified fluorescence response of chemosensors grafted onto silica nanoparticles // Langmuir. 2008. V. 24. P. 8387-8392.

44. Li M.-J., Chen Z., Yam V.W-W., Zu Ya. Multifunctional ruthenium(II) polypyridine complex-based core-shell magnetic silica nanocomposites: magnetism, luminescence, and electrochemiluminescence //ACS Nano. 2008. V. 2. P. 905-912.

45. Wu Ch., Hong J., Guo X., Huang Ch., Lai J., Zheng J., Chen J., Mu X., Zhao Y. Fluorescent core-shell silica nanoparticles as tunable precursors: towards encoding and multifunctional nano-probes // Chem. Commun. 2008. P. 750-752.

46. Santra S. Yang H., Dutta D., Stanley J.T., Holloway P.H., Tan W., Moudgil B.M., Mericle R.A. TAT conjugated, FITC doped silica nanoparticles for bioimaging applications // Chem. Commun. 2004. V. 24. P. 2810-2811.

47. Liu S., Zhang H.-L., Liu T.-C., Liu B., Cao Y.-Ch., Huang Zh.-L., Zhao Yu.-D., Luo Q.-M. Optimization of the methods for introduction of amine groups onto the silica nanoparticle surface // J. Biomed. Mater. Res., Part A. 2006. P.752-757.

48. Bagwe R. P., Hilliard L. R., Tan W. Surface modification of silica nanoparticles to reduce aggregation and nonspecific binding // Langmuir. 2006. V. 22. P. 4357-4362.

49. Adamou R., Coly A., Douabale S. E., Saleck M. L. O. Ch. O., Gaye-Seye M. D., Tine A. Fluorometric detection of histamine in fish using micellar media and fluorescamine as labeling reagent // Journal of Fluorescence. 2005. V. 15. P. 679-688.

50. Yoon T.-J., Yu K. N., Kim E., Kim J. S., Kim B. G., Yun S.-H., Sohn B.-H., Cho M.-H., Lee J.-K., Park S. B. Specific targeting, cell sorting, and bioimaging with smart magnetic silica core-shell nanomaterials // small. 2006. V. 2. P. 209-215.

51. An Ya., Chen M., Xue Qu., Liua W. Preparation and self-assembly of carboxylic acid-functionalized silica // J. Colloid Interface Sci. 2007. V. 311. P. 507513.

52. Xu H., Yan F., Monson E. E., Kopelman R. Room-temperature preparation and characterization of poly(ethylene glycol)-coated silica nanoparticles for biomedical applications //J. Biomed. Mater. Res., Part A. 2003. V. 66. P. 870-879.

53. Ahuali S., Iglesias G. R., Wachter W., Dulle M., Minami D., Glatter O. Adsorption of anionic and cationic surfactants on onionic colloids: supercharging and destabilization // Langmuir. 2011. V. 27. P. 9182-9192.

54. Maestro A., Guzman E., Santini E., Ravera F., Liggieri L., Ortega F., Rubio R.G. Wettability of silica nanoparticle-sufactant nanocomposite interfacial layers // Soft Matter. 2012. V. 8. P. 837-843.

55. Pramauro E., Prevot A. B. Solubilization in micellar systems. Analytical and environmental applications // Pure Appl. Chem. 1995. V. 67. P. 551-559.

56. Liu X., Jin Q., Ji Y. Ji J. Minimizing nonspecific phagocytic uptake of biocompatible gold nanoparticles with mixed charged zwitterionic surface modification // J. Mater. Chem. 2012. V. 22. P. 1916-1927.

57. Chorro C., Chorro M., Dolladille O., Partyka S., Zana R. Adsorption of dimeric (gemini) surfactants at the aqueous solution/silica interface // J. Colloid Interface Sci. 1998. V. 199. P. 169-176.

58. Grosmaire L., Chorro M., Chorro C., Partyka S., Boyer B. Calorimetric investigations of gemini and conventional cationic surfactants at two silica-solution interfaces // Thermochim. Acta. 2001. V. 379. P. 261-268.

59. Grosmaire L., Chorro M., Chorro C., Partyka S., Zana R. Alkanediyl-a,o>-bis(dimethylalkylammonium bromide) surfactants // J. Colloid Interface Sci. 2002. V. 246. P. 175-181.

60. Manne S., Warr G. G. Supramolecular structure of surfactants confined to interfaces Washington DC: ACS Symposium Series, American Chemical Society, 1999.-P. 22.

61. Radler J., Strey H., Sackmann E. Phenomenology and kinetics of lipid bilayer spreading on hydrophilic surfaces // Langmuir. 1995. V. 11. P. 4539-4548.

62. Bayerl T. M., Bloom M. Physical properties of single phospholipid bilayers adsorbed to micro glass beads. A new vesicular model system studied by 2H- nuclear magnetic resonance // Biophys. J. 1990. V. 58. P. 357-362.

63. Mornet S., Lambert O., Duguet E., Brisson A. The formation of supported lipid bilayers on silica nanoparticles revealed by cryoelectron microscopy // Nano Lett. V. 5.P. 281-285.

64. Richter R., Mukhopadhyay A., Brisson A. Pathways of lipid vesicle deposition on solid surfaces: a combined QCM-D and AFM study // Biophys. J. 2003. V. 85. P. 3035-3047/

65. Reviakine I., Brisson A. Formation of supported phospholipid bilayers from unilamellar vesicles//Langmuir. 2000. V. 16. P. 1806-1815.

66. Rapuano R., Carmona-Ribeiro A. M. Physical adsorption of bilayer membranes on silica//J. Colloid. Interface Sci. 1997. V. 193. P. 104-111.

67. Rapuano R., Carmona-Ribeiro A. M. Supported bilayers on silica // J. Colloid. Interface Sci. 2000. V. 226. P. 299-307.

68. Moura S. P., Carmona-Ribeiro A. M. Biomimetic particles: optimization of phospholipid bilayer coverage on silica and colloid stabilization // Langmuir. 2005. V.21.P. 10160-10164.

69. Moura S. P., Carmona-Ribeiro A. M. Adsorption behavior of DODAB/DPPC vesicles on silica // J. Colloid. Interface Sei. 2007. V. 313. P. 519526.

70. McNamee C. E., Kappl M., Butt H.-J., Higashitani K., Graf K. Interfacial forces between a silica particle and phosphatidylcholine monolayers at the air-water interface//Langmuir. 2010. V. 26. P. 14574-14581.

71. Chibowski E., Delgado A. V., Rudzka K., Szczes A., Holysz L. Surface modification of glass plates and silica particles by phospholipid adsorption // J. Colloid. Interface Sei. 2011. V. 353. P. 281-289.

72. Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии / Пер. с англ. -М.: Мир, 1986.-496 с.

73. Förster Th. 10th Spiers Memorial Lecture. Transfer mechanisms of electronic excitation // Discussions of the Faraday Society. 1959. V. 27. P. 7-17.

74. Pihlasalo S., Kirjavainen J., Hänninen P., Härma H. Ultrasensitive protein concentration measurement based on particle adsorption and fluorescence quenching // Anal. Chem. 2009. V. 81. P. 4995-5000.

75. Pihlasalo S., Kirjavainen J., Hänninen P., Härmä H. High sensitivity luminescence nanoparticle assay for the detection of protein aggregation // Anal. Chem. 2011. V. 83. P. 1163-1166.

76. Dong S. L., Qin G. J., Zhuo Zh. Sh., Wen Zh. Ya, Hua Ya. Ch. Luminescence resonance energy transfer based on ß-NaYF4:Yb,Er nanoparticles and TRITC dye // Sei China Ser B-Chem. 2009. V. 52. P. 1590-1595.

77. Liu В., Zeng F., Wua G., Wu Sh. A FRET-based ratiometric sensor for mercury ions in water with multi-layered silica nanoparticles as the scaffold // Chem. Commun. 2011. V. 47. P. 8913-8915.

78. Li T., Zhou Yu., Sun J., Guo D. T. Sh., Ding X. Ultrasensitive detection of mercury(II) ion using CdTe quantum dots in sol-gel-derived silica spheres coated with calix6.arene as fluorescent probes // Microchim. Acta. 2011. V. 17. P. 113-119.

79. Barja B. C., Baria S. E., Marchia M. C., Iglesias F. L., Bernardic M. Luminescent Eu(III) hybrid sensors for in situ copper detection // Sens. Actuators, B. 2011. V. 158. P. 214-222.

80. Barja B. C., Aramendia P. F. Luminescent Eu(III) hybrid materials for sensor applications // Photochem. Photobiol. Sci. 2008. V. 7. P. 1391-1399.

81. Zong Ch., Ai K., Zhang G., Li H., Lu L. Dual-Emission Fluorescent Silica Nanoparticle-Based Probe for Ultrasensitive Detection of Cu~ // Anal. Chem. 2011. V. 83. P. 3126-3132.

82. Iki N., Fujimoto T., Miyano S. A new water-soluble host molecule derived from thiacalixarene // Chem. Lett. 1998. V. 27. P. 625-626.

83. Casnati A., Ting Y., Berti D., Fabbi M., Pochini A., Ungaro R., Sciotto D., Lombardo G.G. Synthesis of water soluble molecular receptors from calix4.arenes fixed in the cone conformation // Tetrahedron. 1993. V. 49. P. 9815-9822.

84. Whinnie W.R. Mc. Intra-red spectra of some bis-2,2'-bipyrydil complexes-I // Inorg.Nucl.Chem. 1964. V. 26. P.15-19.

85. Mirgorodskaya A., Kudryavtseva L., Pankratov V., Lukashenko S., Rizvanova L., Konovalov A. Geminal alkylammonium surfactants: Aggregation properties and catalytic activity // Russian J. Gen. Chem. 2006. V. 76. P. 1625-1631.

86. Ryzhkina I.S., Murtazina L.I., Nemtarev A.V., Mironov Y.F., Konovalov A.I. Supramolecular water systems based on the new amphiphilic phosphacoumarins:synthesis, self-organizations and reactivity // Mendeleev Commun. 2010. V. 20. P. 148-150.

87. Сердюк Jl. С., Смирная В. С. Спектрофотометрическое исследование реакций церия, лантана и иттрия с ксиленоловым оранжевым // Ж. Анал. Хим. 1964. Т.19. С. 451 -456.

88. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии / 5-е изд. перераб. и доп. М.: Химия, 1979. - 480 с.

89. Ye Z., Tan М., Wang G., Yuan J. Preparation, characterization, and time-resolvede fluorometric application of silica-coated terbium(III) fluorescent nanoparticles // Anal. Chem. 2004. V. 76. P. 513-518.

90. Бурилов В.А. гетерометаллические комплексы и редокс-переключаемые устройства на основе производных сульфонатных каликс4.аренов: Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук. Казань. 2010. 123 с.

91. Montalti M., Prodi L., Zaccheroni N., Zattoni A., Reschiglian P., Falini G. Energy transfer in fluorescent silica nanoparticles // Langmuir. 2004. V. 20. P. 29892991.

92. Gao F., Tang L., Dai L., Wang L. A flurorescence ratiometric nano-pH sensor based on dual-fluorophore-doped silica nanoparticles // Spectrochim. Acta. 2007. V. 67. P. 517-521.

93. Bochkova O. D., Mustafina A. R., Fedorenko S. V., Konovalov A. I. Silica nanoparticles with a substrate switchable luminescence // J. Phys.: Conf. Ser. 2011. V. 291. 012038

94. Valeeva F., Zakharov A., Ibragimova A., Kudryavtseva L., Harlampidi H. Micellization and catalytic activity of the cetyltrimethylammonium bromide-Brij97-water mixed micellar system // J. Colloid Int. Sci. 2003. V. 263. P. 597-605

95. Zana R., Benrraou M., Rueff R. Alkanediyl-a,co-bis(dimethylalkyl ammonium bromide) surfactants. 1. Effect of the spacer chain length on the critical micelle concentration and micelle ionization degree // Langmuir. 1991. V. 7. P. 1072-1075.

96. Srour R., McDonald L. Determination of the acidity constants of methyl red and phenol red indicators in binary methanol- and ethanol-water mixtures // J. Chem. Eng. Data. 2008. V. 53. P. 116-127.

97. Lis S., Elbanovski M., Makowska B., Hnatejko Z. Energy transfer in solution of lanthanide complexes // J. Photochem. Photobiol. A: Chem. 2002. V. 150. P. 233-247.

98. Lopez O., Cocera M., Parra J. L., de la Maza A. Influence of the alkyl chain lenght of alkyl glucosides on their ability to solubilize phosphatidylcholine liposomes // Colloids Surf. A. 2001. V. 193. P. 221-229.

99. Deo N., Somasundaran P., Subramanyan K., Ananthapadmanamhan K. P. Electron paramagnetic resonance study of structure of lipid bilayers in the presence of sodium dodecyl sulfate // J. Colloid. Interface Sci. 2002. V. 256. P. 100-105.

100. Sehgal P., Doe H., Bakshi M. S. Aggregated assemblies of hexadecyltrimethylammonium bromide and phospholipids at the interface and in the bulk solution // J. Surfactants Deterg. 2002. V. 5. P. 123-130.

101. Bakshi M. S., Singh J., Kaur G. Mixed micelles of monomeric and dimeric cationic surfactants with phospholipids: effects of hydrophobic interactions // Chem. Phys. Lipids. 2005. V. 138. P. 81-92.

102. Bakshi M. S., Singh K., Singh J. Characterization of mixed micelles of cationic twin tail surfactants with phospholipids using fluorescence spectroscopy // J. Colloid. Interface Sci. 2006. V. 297. P. 284-291.

103. Teuber K., Schiller Ju., Fuchs B., Karas M., Jaskolla Th. W. Significant sensitivity improvements by matrix optimization: a MALDI-TOF mass spectrometric study of lipids from hen egg yolk // Chem. Phys. Lipids. 2010. Y. 163. P. 552-560.