ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 430, № 5, с. 639-642
== ХИМИЯ
УДК 546.655.4-31
ИНАКТИВИРОВАНИЕ НИТРОКСИЛЬНОГО РАДИКАЛА НАНОЧАСТИЦАМИ ДИОКСИДА ЦЕРИЯ
© 2010 г. В. К. Иванов, А. Б. Щербаков, И. Г. Рябоконь, А. В. Усатенко, Н. М. Жолобак, академик Ю. Д. Третьяков
Поступило 12.10.2009 г.
Наночастицы диоксида церия CeO2 представляют собой перспективный объект для биологических исследований [1], что определяется двумя основными факторами: их высокой кислородной нестехиометрией [2—4] и низкой токсичностью [5, 6]. Первый фактор обусловливает активность наночастиц диоксида церия в биохимических процессах, в том числе при инактивировании свободных радикалов в живой клетке, второй — сравнительную безопасность их применения in vivo. К специфическим свойствам наночастиц CeO2 следует отнести способность к регенерации, которая выражается в том, что за сравнительно небольшой промежуток времени эти наночасти-цы, принимавшие участие в окислительно-восстановительном процессе, возвращаются (в отношении кислородной нестехиометрии) к исходному состоянию [7].
Авторы работы [8] установили, что механизм инактивирования свободных радикалов нано-частицами диоксида церия аналогичен действию супероксиддисмутазы (СОД). Исследования взаимодействия наночастиц диоксида церия с пероксидом водорода методами рентгеновской фотоэлектронной и УФ-видимой спектроскопии показали, что увеличение соотношения Ce3+/Ce4+ в наночастице CeO2 напрямую коррелирует с повышением ее способно-
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской Академии наук, Москва Национальный университет пищевых технологий Украины, Киев
Научно-исследовательский институт нанотехнологической индустрии Университета "Украина", Киев Институт микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного
Национальной академии наук Украины, Киев Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
сти выполнять функции СОД [8]. Эти результаты свидетельствуют о том, что присутствие церия(Ш) в поверхностном слое частиц Се02 [1] играет ключевую роль в инактивировании супероксидных свободных радикалов.
По мнению авторов [9], наночастицы диоксида церия (в отличие от СОД) способны реагировать также и с гидроксильным радикалом. Этот факт нашел свое подтверждение в работе [10], где методом ЭПР была показана способность наночастиц диоксида церия размером 3—5 нм в концентрациях 10 и 1000 мкМ инакти-вировать супероксид- и гидроксильные радикалы. Вместе с тем, совокупность физико-химических свойств нанокристаллического диоксида церия позволяет предположить, что его наночастицы могут инактивировать не только короткоживущие, но и стабильные радикалы.
В настоящей работе на примере стабильного водорастворимого нитроксильного радикала впервые показано, что нанокристаллический диоксид церия инактивирует долгоживущие свободные радикалы. При этом скорость инактиви-рования напрямую зависит от размера частиц и возрастает с их уменьшением.
Устойчивый водорастворимый нитроксиль-ный радикал (2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидон-М-оксил) синтезирован в Институте органической химии Национальной академии наук Украины (Киев). Данное соединение стабильно при нормальных условиях и имеет характеристическую полосу поглощения при 460 нм (п ^ п*-пе-реход нитроксильной группы). При инактивиро-вании радикала полоса поглощения при 460 нм исчезает. Полоса поглощения наночастиц диоксида церия (^тах 275—300 нм) лежит в более коротковолновой области; благодаря этому концентрацию нитроксильного радикала в присутствии Се02 можно определять непосредственно спек-трофотометрическим методом.
CH3 CH3
CH3 CH3
+ Ce3+ + H2O
CH3 CH3
N OH
CH3 + Ce4+ + OH-
CH3
O
O
В работе использовали наночастицы CeO2 двух видов, различающиеся способом получения и размером.
Золи диоксида церия I серии были синтезированы цитратным способом. К 200 мл раствора, содержащего 3.26 г Ce(NO3)3 ■ 6H2O (~0.0075 М) добавили 1 г лимонной кислоты (~0.005 М) и довели до рН 10.0 водным раствором аммиака (3 М). Полученный светло-коричневый раствор прокипятили с обратным холодильником в течение 8 ч, после чего довели до рН 4.5 азотной кислотой 0.01 М. Гидратированный диоксид церия в виде белого творожистого осадка отделили декантацией и промыли на фильтре до отрицательной реакции на нитрат-ионы. Осадок перенесли в колбу, добавили 200 мл воды и довели до рН 10 водным раствором аммиака. В полученный прозрачный золь ввели 10 мл 50%-го раствора пероксида водорода и кипятили с обратным холодильником в течение 3 ч. Согласно данным просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и электронной дифракции (микроскоп Leo 912 AB Omega), образовавшийся коллоидный раствор содержал наночастицы диоксида церия размером 1—2 нм. В УФ-видимом спектре раствора (спектрометр OceanOptics QE-65000) наблюдали полосу поглощения при 275—285 нм, что соответствует ширине запрещенной зоны, равной 3.55—3.6 эВ.
Для получения золей гидратированного диоксида церия II серии ионообменную смолу Amber-lite IRA 410 CL, предварительно переведенную в OH-форму, постепенно добавили к 0.013 М раствору нитрата церия(Ш) до достижения pH 10.0. Сформировавшиеся устойчивые золи отделили от смолы фильтрованием, незамедлительно поместили в тефлоновые автоклавы объемом 100 мл (степень заполнения 40%) и подвергли гидротермально-микроволновой обработке в установке Berghof MWS-3* при 190°С в течение 30 мин. По окончании экспериментов автоклавы охладили на воздухе. Согласно данным УФ-видимой спектроскопии, в спектрах поглощения золей, полученных в указанных условиях, присутствовала только полоса поглощения, характерная для СеО2 (280-300 нм). По данным ПЭМ, золи состояли из слабоагрегированных кристаллических наночастиц диоксида церия, размеры которых составляют 3-5 нм. Следует отметить, что полученные таким способом золи агрегативно устойчивы только в кислых растворах (вплоть до pH 5-6).
С целью повышения стабильности золей в нейтральной и щелочной средах наночастицы модифицировали введением аденозинтрифосфа-та натрия (АТФ). Для этого в исходный слабокислый коллоидный раствор наночастиц диоксида церия при интенсивном перемешивании вводили 1%-й водный раствор АТФ (дополнительно содержащий 2 М гидроксида натрия). Взаимодействуя с наночастицей диоксида церия, молекула АТФ в нативном виде хемосорбируется на ее поверхности и выступает в качестве стабилизатора. При этом фосфатные группы АТФ связываются с поверхностью наночастицы химически, а нуклео-зидный фрагмент, ориентированный наружу (от поверхности), стерически препятствует сближению наночастиц и играет определяющую роль в стабилизации золя. Согласно спектрофотометри-ческим исследованиям, хемосорбция АТФ на поверхности наночастиц не влияет на электронные свойства (в том числе на ширину запрещенной зоны) последних. Введение АТФ в золи СеО2 позволяет получать коллоидные растворы, устойчивые во всем диапазоне рН.
Таким образом, в качестве объектов исследования нами были синтезированы устойчивые прозрачные золи наночастиц диоксида церия различного размера, стабилизированные нетоксичными биологически допустимыми соединениями — цитратом аммония и АТФ.
Полученные золи наночастиц диоксида церия разбавляли дистиллированной водой и вводили в водный раствор нитроксильного радикала таким образом, чтобы концентрация как наночастиц CeO2, так и радикала в конечном растворе составляла 0.001 М. При анализе инактивирующего действия наночастиц диоксида церия, стабилизированных цитратом аммония, в качестве образца сравнения использовали 0.001 М раствор нитроксильного радикала в 0.01 М водном растворе цитрата натрия (рН 9). При исследовании золей, стабилизированных АТФ, в качестве образца сравнения применяли 0.001 М раствор нитроксильного радикала в дистиллированной воде.
Результаты исследований представлены на рис. 1—3. Как следует из рис. 1 и 2, при введении наночастиц диоксида церия в раствор нитрок-сильного радикала при pH 9 интенсивность полосы поглощения при 460 нм с течением времени уменьшается. В свою очередь, концентрация радикала в контрольных растворах остается практически неизменной.
ИНАКТИВИРОВАНИЕ НИТРОКСИЛЬНОГО РАДИКАЛА
641
Оптическая плотность, отн. ед.
X, нм
Рис. 1. УФ-видимые спектры поглощения 0.001 М раствора нитроксильного радикала в воде до (1) и после введения 0.001 М наночастиц СеО2 размером 3-5 нм через 15 (2), 30 (3), 45 (4), 60 (5) и 75 (6) мин.
Оптическая плотность, отн. ед.
X, нм
Рис. 2. УФ-видимые спектры поглощения 0.001 М раствора нитроксильного радикала в 0.01 М водном растворе цитрата натрия до (1) и после введения 0.001 М наночастиц СеО2 размером 1-2 нм через 5 (2), 10 (3), 15 (4), 30 (5), 45 (6), 60 (7) и 90 (8) мин.
Динамика изменения оптической плотности при 460 нм (уменьшения концентрации радикала в растворах, содержащих наночастицы CeO2, стабилизированные цитратом натрия и АТФ) представлена на рис. 3. С уменьшением размера наночастиц диоксида церия скорость инактивирова-ния нитроксильного радикала увеличивается.
Можно предположить, что наблюдаемый эффект увеличения скорости реакции в первую очередь обусловливается увеличением кислородной нестехиометрии наночастиц Се02. Действительно, согласно данным [11], частицы размером 1.9 нм имеют состав, близкий к Се015, тогда как состав частиц размером 2.6 нм отвечает формуле Се0163.
Оптическая плотность, отн. ед.
t, мин
Рис. 3. Динамика изменения оптической плотности при X 460 нм в УФ-спектре водного 0.001 М раствора нитроксильного радикала при введении наночастиц CeO2: 1 — контроль (без наночастиц), 2 — наночастицы размером 3-5 нм, 3 — наночастицы размером 1—2 нм.
Следует отметить, что полученные нами результаты ставят под вопрос правомерность использования 5,5-диметилпирролин-^оксида (DMPO) в качестве спиновой ловушки [10] при изучении инактивирующего действия наночастиц CeO2 по отношению к гидроксильным радикалам. Действительно, образующийся при этом стабильный радикал DMPO-OH, подобно исследованному в настоящей работе нитроксильному радикалу, также может инактивироваться наночастицами CeO2.
ВЫВОДЫ
Предложены способы получения устойчивых золей диоксида церия, стабилизир
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.