ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2010, том 46, № 5, с. 473-477
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СТРУКТУРЫ НА МЕЖФАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ
УДК 541.183:543.544
ПОВЕРХНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МОДИФИЦИРОВАННЫХ НАНОРАЗМЕРНЫХ КРЕМНЕЗЕМОВ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ИММОБИЛИЗАЦИЮ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО СЫВОРОТОЧНОГО АЛЬБУМИНА © 2010 г. Г. А. Куликова, Е. В. Парфенюк
Учреждение Российской академии наук Институт химии растворов РАН, 153045, г. Иваново, ул. Академическая, 1 E-mail: gak@isc-ras.ru Поступила в редакцию 12.11.2009 г.
Золь—гель-методом синтезированы порошки кремнеземов с различными по природе функциональными группами на поверхности. Введение функциональных групп на поверхность кремнеземов доказана методом ИК-спектроскопии. Физические параметры поверхности частиц кремнеземов (удельная площадь поверхности, размер, форма и объем пор) получены с помощью метода БЭТ. Изучена адсорбционная способность синтезированных порошков по отношению к человеческому сывороточному альбумину. Методом атомно-силовой микроскопии определен размер частиц кремнезема с адсорбированным белком. Обсуждается влияние свойств поверхности частиц кремнезема на количество адсорбированного белка.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к процессам адсорбции белков на поверхностях наноразмерных частиц связан с разработками и внедрениями нанотехнологий в различные области жизнедеятельности человека: промышленность, медицина, фармакология, косметология. Явление адсорбции белка на наночастицах лежит в основе разработок новых перспективных систем диагностики [1], транспортных систем для адресной доставки лекарственных препаратов [2], биосенсоров [3] и т.п.
В данной работе представлены результаты исследования адсорбции человеческого сывороточного альбумина на наночастицах кремнеземов. Анализ литературных данных показал, что главными движущими силами связывания белков с поверхностью твердых частиц являются электростатические, гидрофобные взаимодействия, а также конформационная подвижность белка [4]. Поэтому в работе были синтезированы частицы кремнеземов с различными функциональными группами на их поверхности, которые схематично изображены на рис. 1.
Цель данной работы состояла в изучении влияния поверхностных функциональных групп частиц кремнеземов на их физические свойства и адсорбцию человеческого сывороточного альбумина. При этом частицы кремнеземов были синтезированы золь—гель-методом с использованием различных модификаторов (3-аминопропилтриэтоксисилан
(АПТЭС), метилтриэтоксисилан (МТЭОС), поли-этиленимин (ПЭИ)).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Реагенты
Тетраэтоксисилан (ТЭОС) ("ос.ч."), 3-аминопро-пилтриэтоксисилан (АПТЭС) (АЫпсИ, 99%), метилтриэтоксисилан (МТЭОС) (Асго8, 98+%), полиэти-ленимин (ПЭИ) (АЫпсИ, М.в. = 25000), этанол-ректификат (содержание воды 96%), человеческий сывороточный альбумин (Ника, >95%), водный раствор аммиака (Химмед, 25%) использовались без дополнительной очистки. Натрий фосфорнокислый однозамещенный 2-водный (Химмед, "ч.д.а.") и натрий фосфорнокислый двузамещенный 12-водный (Химмед, "х.ч.") использовались для приготовления буферного раствора (рН 7.4) на основе свежепере-гнанного бидистиллята.
Синтез
Золь—гель-синтез немодифицированного кремнезема
Тетраэтоксисилан (ТЭОС) (10 мл) растворялся в водно-этанольной смеси. Молярное соотношение ТЭОС : вода = 1 : 2.5. Водный раствор аммиака (25%) использовался в качестве катализатора. Смесь перемешивалась при комнатной температуре несколько суток. Полученная суспензия белого цвета четырежды промывалась дистиллированной
oh
ho jt oh
oh
h2n
ho-f sío2voh h2n
h2n
nh2
nh2
nh2
nh2
nh2
nh2
ch3
h3cv jl .ch3
n nh
NH2J
(sío2n n
,nh
s asío^n v
h3c—( sío^ ch3 h2n ["—^ ( nh2
1 nh
3
h3c
ch3
ch3
12n ^nh2
r^nj 4h2
nh2h
Рис. 1. Синтезированые частицы кремнеземов с различными функциональными группами.
водой и центрифугировалась. Осадок высушивался при 85°С в течение нескольких дней. Полученный продукт представлял собой порошок белого цвета.
Золь—гель-синтез ПЭИ-, метил- и АПТЭС-мо-ди фи цированных кремнеземов
К раствору ТЭОС (10 мл) в этаноле (96%) добавлялся водный раствор полиэтиленимина (ПЭИ) (3 мл в 20 мл). При синтезе МТЭС-модифициро-ванного кремнезема к раствору ТЭОС (4 мл) в этаноле добавлялся МТЭС (3 мл), а затем 1 мл воды и катализатор (водный раствор аммиака 25%). Синтез АПТЭС-модифицированного кремнезема проводился без добавления воды. При этом смесь ТЭОС (10 мл) и модификатора (3-аминопропилтриэток-сисилан) (3 мл) добавлялась к этанолу (96%). Дальнейшая процедура синтеза указанных порошков аналогична описанной выше для немодифициро-ванного кремнезема.
Адсорбция человеческого сывороточного альбумина
Адсорбция человеческого сывороточного альбумина на наноразмерный кремнезем проводилась из буферного раствора (рН 7.4). К раствору белка в буфере (4 мг/мл) добавлялась навеска порошка кремнезема. Смесь осторожно перемешивалась в течение 2—3 часов, а затем растворитель удалялся в потоке теплого (~30°С) воздуха. Твердая фаза промывалась буферным раствором 3—4 раза для удаления несвязанного белка, а затем высушивалась в потоке теплого воздуха.
Методы исследования и аппаратура
ИК-спектроскопия
ИК спектры полученных порошков записывались на спектрометре Avatar 360 FT-IR ESP в интервале 4000—400 см-1. Для получения ИК спектров образцы синтезированных порошков тщательно растирались в агатовой ступке с KBr и запрессовывались в таблетки. KBr высушивался перед использованием при температуре 200°С.
УФ-спектроскопия
Количество адсорбированного из раствора белка определялось по методу Лоури [5]. Для этого суспензия белка с кремнеземом после адсорбции подвергалась центрифугированию на ультрацентрифуге в течение 15 минут при скорости 10000 об./мин. Количество протеина в надосадочном растворе определялось спектрофотометрически по интенсивности полосы поглощения белка 278 нм (sm =36000 M-1 см-1) [6]. Количество адсорбированного белка рассчитывалось как разница между его содержанием в растворе до и после адсорбции. УФ-спектры растворов белка записывались с помощью двухлучевого спектрометра Carry 100, используя 10 мм кварцевые кюветы.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ)
Образцы полученных кремнеземов были исследованы с помощью атомно-силового микроскопа Solver 47 PRO (NT-MDT). Образец для исследования представлял собой каплю суспензии порошка кремнезема в дистиллированной воде, которая помещалась на подложку из поликора и высушивалась.
Метод адсорбции/десорбции азота или БЭТ
Изотермы адсорбции и десорбции азота снимались на приборе ASAP 2020 (Micrometrics) при температуре 77 К. На основании указанных измерений были рассчитаны величины удельных площадей поверхности образцов, а также размеры пор и их распределение по размерам.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Идентификация и свойства кремнеземов
Введение функциональных групп на поверхность частиц кремнезема доказана с помощью ИК-спектров. На рис. 2 приведены ИК-спектры порошков синтезированных кремнеземов.
По сравнению со спектром немодифицирован-ного кремнезема в спектрах ПЭИ- и АПТЭС-моди-фицированных кремнеземов появляются новые пики: 2966 см-1, 2854 см-1, 1558 см-1, 1474 см-1 для
ПЭИ-модифицированного кремнезема и 2932 см-1, 1552 см-1, 1467 см-1 для АПТЭС-модифицирован-ного кремнезема. Пики в области 3000-2800 см-1 относятся к асимметричным (уа8) и симметричным (у8) валентным колебаниям С-Н связи СН2 и СН3 групп [7]. Появление пиков в области 1470-1420 см-1 может быть связано с асимметричными деформационными (ба8) и ножничными колебаниями ал-кильных групп [7]. Пики при 1558 см-1 и 1552 см-1 относятся к деформационным колебаниям связи N—Н аминогрупп [7, 8]. Полученные результаты указывают на успешную модификацию кремнеземов. О введении в матрицу кремнезема алкильных групп свидетельствует ярко выраженные пики при 2972 см-1 и 1273 см-1. Первый из них, как указывалось выше относится к уа8 колебаниям С-Н связи ал-кильных групп, а второй - к симметричным деформационным колебаниям этой связи СН3 групп [9]. Появление дополнительного пика при 1124 см-1 в области асимметричных валентных колебаний Si—О-Si (1200-1000 см-1) может быть связано с введением алкильной группы в матрицу кремнезема за счет негидролизуемых ковалентных связей Si-C [10].
В таблице представлены физические характеристики поверхности частиц синтезированных кремнеземов, полученные методом адсорбции/десорбции азота.
Как следует из данных таблицы, ПЭИ-модифи-цированный кремнезем относится к разряду непористых материалов, так как обладает малой удельной площадью поверхности и объмом пор. Остальные образцы относятся к мезопористым материалам. Наибольшую удельную площадь поверхности имеет метил-модифицированный кремнезем. Полученные данные согласуются с результатами работы [11], в которой делается вывод о том, что введение алкильных групп в матрицу кремнезема приводит к увеличению удельной площади поверхности и уменьшению размера пор. Рис. 3 показывает, что
% Т
3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Волновое число (см-1)
Рис. 2. ИК-спектры порошков кремнеземов: 1 - немоди-фицированный кремнезем; 2 - ПЭИ-модифицирован-ный кремнезем; 3 - АПТЭС-модифицированный кремнезем; 4 - метил-модифицированный кремнезем.
при этом резко сужается распределение пор по размерам.
На рис. 4 приведены изотермы адсорбции/десорбции азота для синтезированных образцов кремнеземов.
Согласно классификации ИЮПАК [12], гистерезисы для АПТЭС-модифицированного и немо-дифицированного кремнеземов относятся к Н3 типу, т.е. эти материалы имеют щелевидные поры. Метил-модифицированный кремнезем имеет поры в форме "бутылочного горлышка" (Н2 тип гистерезиса).
Таким образом, приведенные выше данные свидетельствуют о том, что синтезированные кремнеземы существенно отличаются друг от друга своими
Физические параметры поверхности образцов кремнеземов
Кремнеземы Удельная площадь поверхности, м2/г 3 Объем пор, см3/г Средний размер пор, А
Немодифицированный 108 1.071 332.7
АПТЭС-модифицированный 85 0.813 330.8
ПЭИ-модифицированный 13 0.043 -
МТЭС-модифицированный 811 0.949 42.8
1.0
0.8
Л 0.6 &
о к
2 0.4
Ю
О
0.2
(а)
20 40 60 Размер по
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.