Российские нанотехнологии. 2019; 14: 19-30
Стабилизированные наночастицы диоксида титана: получение, физико-химические, фотокаталитические и антимикробные свойства
https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-5-6-19-30Аннотация
Представлены результаты стабилизации наночастиц анатаза с использованием тетраизопропоксида титана Ti[OCH(CH3 )2 ]4 и изопропилового спирта без участия поверхностно-активных веществ, пригодных для биологических исследований. Показано, что гидродинамические радиусы (в суспензиях) зависят от температуры и продолжительности гидролиза, а состав (смесь анатаза и брукита, анатаза, брукита и рутила) и размеры (в высушенном состоянии) кристаллитов (рентгенография), наночастиц и агрегатов (СЭМ) определяются главным образом рН среды. Имеющая место неоднофазность образцов объяснена, в том числе, когерентным срастанием элементарных ячеек анатаза и брукита из-за их геометрического и структурного соответствия. Выявлено, что фотокаталитическая активность (ФКА; модельный краситель Rhodamine 6G, УФ-излучение) зависит от соотношения ОН/H2 O (адсорбированная), а антимикробная активность в темноте (АМА) – от содержания свободной воды на поверхности наночастиц (по данным рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии – РФЭС). Установлена наибольшая ФКА и АМА по отношению к Staphylococcus aureus и Escherichia coli у образцов с наименьшими размерами наночастиц всех уровней.
Список литературы
1. Moritz T., Reiss J., Diesner K. et al. Nanostructured crystalline TiO2 through growth control and stabilization of intermediate structural building units // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. № 41. P. 8052.
2. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии. 2005. Т. 74. № 6. С. 539.
3. Игнатов А.H. Оптоэлектроника и нанофотоника. СПб.: Лань, 2011. 538 с.
4. Слепцов В.В., Диесперова И.И., Бизюков А.А., Дмитриев С.Н. Физико-химические аспекты формирования нанокомпозитных структур. Ч. II // Микросистемная техника. 2002. № 2. С. 28.
5. Гусев А.И., Ремпель А.А. Нанокристаллические материалы. М.: Физматлит, 2001. 224 с.
6. Помогайло А.Д., Розенбeрг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000. 672 с.
7. Paunesku T., Rajh T., Wiederrecht G. et al. Biology of TiO2 -oligonucleotide nanocomposites // Nature Materials. 2003. V. 2. № 5. P. 343.
8. Чекман И.С. Нанотехнологии, наномедицина, нанофармакология, нанофармация: внедрение результатов в медицинскую практику // Проблемы эндокринной патологии. 2014. № 1. С. 80.
9. Кузьмичева Г.М. Наноразмерные системы с оксидами титана(IV). Получение. Характризация. Свойства // Тонкие химические технологии. 2015. Т. 10. № 6. С. 5.
10. Исмагилов З.Р., Цикоза Л.Т., Шикина Н.В. и др. Синтез и стабилизация наноразмерного диоксида титана // Успехи химии. 2009. Т. 78. № 9. С. 942.
11. Tyukova I.S., Safronov A.P., Kotel’nikova A.P., Agalakova D.Yu. Electrostatic and steric mechanisms of iron oxide nanoparticle sol stabilization by chitosan // Polymer Sci. A. 2014. V. 56. № 4. P. 498.
12. Кузьмичева Г.М., Подбельский В.В., Степанов А.Н., Гайнанова А.А. ЭВМ «Программа для обработки дифрактограмм наноразмерных и аморфных веществ и расчет характеристик субструктуры» Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017610699.
13. Кузьмичева Г.М., Подбельский В.В., Гайнанова А.А. «Программа для качественного и количественного рентгеновского анализа многофазных образцов». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016616402.
14. Chernyshov A., Veligzhanin A., Zubavichus Y. Structural Materials Science end-station at the Kurchatov Synchrotron Radiation Source: Recent instrumentation upgrades and experimental results // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. A. 2009. V. 603. P. 95.
15. Trofimova N., Veligzhanin A., Murzin V. et. al. Structural diagnostics of functional nanomaterials with the use of X-ray synchrotron radiation // Ross. Nanotechnol. 2013. V. 8. P. 396.
16. Оболенская Л.Н., Кузьмичева Г.М., Савинкина Е.В. и др. Влияние условий сульфатного синтеза на характеристики образцов с наноразмерной модификацией η-TiO2 // Журн. неорган. химии. 2012. Т. 57. № 9. С. 1259.
17. Кузьмичева Г.М., Подбельский В.В., Тимаева О.И., Исхакова Л.Р. «Программа для обработки ИК-спектров и соотнесения полос поглощения с эталонами» Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017611789.
18. Даценко Б.М., Бирюкова С.В., Тамм Т.И. Методические рекомендации по экспериментальному (доклиническому) изучению лекарственных препаратов для местного лечения гнойных ран (МЗ СССР Фармакологический комитет). М.: МЗ СССР, 1989. 46 с.
19. Блатун Л.А. Банеоцин (порошок, мазь) – перспективы использования в комплексном хирургическом лечении гнойно-некротических поражений нижних конечностей у больных с синдромом диабетической стопы // Раны и раневые инфекции. Журнал им. проф. Б.М. Костючёнка. 2015. Т. 2. № 3. С. 36.
20. Эскин В.Е. Рассеяние света растворами полимеров и свойства макромолекул. Л.: Наука, 1986. 286 с.
21. Dadachov M. Novel titanium dioxide, process of making and method of using same. US 2006/0171877.
22. Филатов С.К., Грунин В.С., Разумеенко М.В., Алексеева Т.В., Кристаллохимия и рентгенография минералов. Л.: Наука, 1987. 44 с.
23. Гайнанова А.А., Кузьмичева Г.М., Васильева И.Г. Наноразмерные низкотемпературные фазы оксида титана (IV). Особенности состава и строения. Фотокаталитические свойства // Изв. РАН. Сер. хим. 2018. № 8. С. 1350.
24. Ismagilov Z.R., Shikina N.V., Mazurkova N.A. et. al. Synthesis of nanoscale TiO2 and study of the effect of their crystal structure on single cell response // The Scientific World J. 2012. ID 498345. P. 1.
25. Choi J., Song J., Jung K. et. al. Bipolar resistance switching characteristics in a thin Ti–Ni–O compound film // Nanotechnology. 2009. V. 20. № 17. P. 1.
26. Wang L.Q., Baer D.R., Engelhard M.H., Shultzc A.N. The adsorption of liquid and vapor water on TiO2 (110) surfaces: the role of defects // Surface Science. 1995. V. 344. P. 237.
27. Liitzenkirchen-Hecht D., Strehblow H.H. Bromide adsorption on silver in alkaline solution: a surface analytical study // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1998. V. 6. P. 826.
28. Кузьмичева Г.М., Савинкина Е.В., Оболенская Л.Н. и др. Получение, характеризация и свойства наноразмерных модификаций диоксида титана со структурами анатаза и η-TiO2 // Кристаллография. 2010. Т. 55. № 5. С. 919.
29. Suganys A., Shanmugavelayutham G., Rodriguez C.S. Study on plasma pre-functionalized PVC film grafted with TiO2 / PVP to improve blood compatible and antibacterial properties // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. P. 1.
30. Abidov A, Allabergenov B, Lee J. et al. X-ray photoelectron spectroscopy characterization of Fe doped TiO2 photocatalyst // Int. J. Mater. Mech. Manuf . 2013. V. 1. № 3. P. 294.
31. Moulder J.F., Stickle W.F., Sobol P.E., Bomben K.D. Edited by Jill Chastain. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. MN, USA. Perkin Elmer, 1992. V. 40. 261 p.
32. Kim H.J., Bae I.S., Cho S.J. et. al. Synthesis and characteristics of NH2 -functionalized polymer films to align and immobilize DNA molecules // Nanoscale Research Letters. 2012. V. 7. P. 1.
33. Радциг М.А. Взаимодействие клеток бактерий с соединениями серебра и золота: влияние на рост, образование биопленок, механизмы действия, биогенез наночастиц: дисс. … канд. биол. н. М.: МГУ, 2013.
34. Бессуднова Е.В. Синтез и исследование наноразмерных частиц диоксида титана для применения в катализе и нанобиотехнологиях: дисс. … канд. биол. н. Новосибирск: Ин-т катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, 2014.
35. Qasim M., Udomluck N., Chang J., Park H., Kim K. Antimicrobial activity of silver nanoparticles encapsulated in polyN-isopropylacrylamide-based polymeric nanoparticles // International J. Nanomedicine. 2018. V. 13. P. 235.
Title in english. 2019; 14: 19-30
Stabilized titanium dioxide nanoparticles: production, physicochemical, photocatalytic and antimicrobial properties
https://doi.org/10.21517/1992-7223-2019-5-6-19-30Abstract
The results of the stabilization of anatase nanoparticles using titanium tetraisopropoxide Ti[OCH(CH3)2]4 and isopropyl alcohol without the participation of surface-active substances suitable for biological research are presented. It is shown that the hydrodynamic radii (in suspensions) depend on the temperature and duration of hydrolysis, and the composition (mixture of anatase and brookite, anatase, brookite and rutile) and the sizes (in the dried state) of crystallites (X-ray diffraction), nanoparticles and aggregates (SEM) are determined mainly pH. The non-phase specimens that occur are explained, among other things, by the coherent accretion of anatase and brookite elementary cells due to their geometric and structural conformity. It was revealed that photocatalytic activity (PCA; Rhodamine 6G model dye, UV radiation) depends on the OH / H2O ratio (adsorbed), and antimicrobial activity in the dark (AMA) depends on the content of free water on the surface of nanoparticles (according to X-ray photoelectron spectroscopy XPS). The highest PCA and AMA were established with respect to Staphylococcus aureus and Escherichia coli in samples with the smallest sizes of nanoparticles of all levels.
References
1. Moritz T., Reiss J., Diesner K. et al. Nanostructured crystalline TiO2 through growth control and stabilization of intermediate structural building units // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. № 41. P. 8052.
2. Gubin S.P., Koksharov Yu.A., Khomutov G.B., Yurkov G.Yu. Magnitnye nanochastitsy: metody polucheniya, stroenie i svoistva // Uspekhi khimii. 2005. T. 74. № 6. S. 539.
3. Ignatov A.H. Optoelektronika i nanofotonika. SPb.: Lan', 2011. 538 s.
4. Sleptsov V.V., Diesperova I.I., Bizyukov A.A., Dmitriev S.N. Fiziko-khimicheskie aspekty formirovaniya nanokompozitnykh struktur. Ch. II // Mikrosistemnaya tekhnika. 2002. № 2. S. 28.
5. Gusev A.I., Rempel' A.A. Nanokristallicheskie materialy. M.: Fizmatlit, 2001. 224 s.
6. Pomogailo A.D., Rozenberg A.S., Uflyand I.E. Nanochastitsy metallov v polimerakh. M.: Khimiya, 2000. 672 s.
7. Paunesku T., Rajh T., Wiederrecht G. et al. Biology of TiO2 -oligonucleotide nanocomposites // Nature Materials. 2003. V. 2. № 5. P. 343.
8. Chekman I.S. Nanotekhnologii, nanomeditsina, nanofarmakologiya, nanofarmatsiya: vnedrenie rezul'tatov v meditsinskuyu praktiku // Problemy endokrinnoi patologii. 2014. № 1. S. 80.
9. Kuz'micheva G.M. Nanorazmernye sistemy s oksidami titana(IV). Poluchenie. Kharaktrizatsiya. Svoistva // Tonkie khimicheskie tekhnologii. 2015. T. 10. № 6. S. 5.
10. Ismagilov Z.R., Tsikoza L.T., Shikina N.V. i dr. Sintez i stabilizatsiya nanorazmernogo dioksida titana // Uspekhi khimii. 2009. T. 78. № 9. S. 942.
11. Tyukova I.S., Safronov A.P., Kotel’nikova A.P., Agalakova D.Yu. Electrostatic and steric mechanisms of iron oxide nanoparticle sol stabilization by chitosan // Polymer Sci. A. 2014. V. 56. № 4. P. 498.
12. Kuz'micheva G.M., Podbel'skii V.V., Stepanov A.N., Gainanova A.A. EVM «Programma dlya obrabotki difraktogramm nanorazmernykh i amorfnykh veshchestv i raschet kharakteristik substruktury» Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2017610699.
13. Kuz'micheva G.M., Podbel'skii V.V., Gainanova A.A. «Programma dlya kachestvennogo i kolichestvennogo rentgenovskogo analiza mnogofaznykh obraztsov». Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2016616402.
14. Chernyshov A., Veligzhanin A., Zubavichus Y. Structural Materials Science end-station at the Kurchatov Synchrotron Radiation Source: Recent instrumentation upgrades and experimental results // Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. A. 2009. V. 603. P. 95.
15. Trofimova N., Veligzhanin A., Murzin V. et. al. Structural diagnostics of functional nanomaterials with the use of X-ray synchrotron radiation // Ross. Nanotechnol. 2013. V. 8. P. 396.
16. Obolenskaya L.N., Kuz'micheva G.M., Savinkina E.V. i dr. Vliyanie uslovii sul'fatnogo sinteza na kharakteristiki obraztsov s nanorazmernoi modifikatsiei η-TiO2 // Zhurn. neorgan. khimii. 2012. T. 57. № 9. S. 1259.
17. Kuz'micheva G.M., Podbel'skii V.V., Timaeva O.I., Iskhakova L.R. «Programma dlya obrabotki IK-spektrov i sootneseniya polos pogloshcheniya s etalonami» Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2017611789.
18. Datsenko B.M., Biryukova S.V., Tamm T.I. Metodicheskie rekomendatsii po eksperimental'nomu (doklinicheskomu) izucheniyu lekarstvennykh preparatov dlya mestnogo lecheniya gnoinykh ran (MZ SSSR Farmakologicheskii komitet). M.: MZ SSSR, 1989. 46 s.
19. Blatun L.A. Baneotsin (poroshok, maz') – perspektivy ispol'zovaniya v kompleksnom khirurgicheskom lechenii gnoino-nekroticheskikh porazhenii nizhnikh konechnostei u bol'nykh s sindromom diabeticheskoi stopy // Rany i ranevye infektsii. Zhurnal im. prof. B.M. Kostyuchenka. 2015. T. 2. № 3. S. 36.
20. Eskin V.E. Rasseyanie sveta rastvorami polimerov i svoistva makromolekul. L.: Nauka, 1986. 286 s.
21. Dadachov M. Novel titanium dioxide, process of making and method of using same. US 2006/0171877.
22. Filatov S.K., Grunin V.S., Razumeenko M.V., Alekseeva T.V., Kristallokhimiya i rentgenografiya mineralov. L.: Nauka, 1987. 44 s.
23. Gainanova A.A., Kuz'micheva G.M., Vasil'eva I.G. Nanorazmernye nizkotemperaturnye fazy oksida titana (IV). Osobennosti sostava i stroeniya. Fotokataliticheskie svoistva // Izv. RAN. Ser. khim. 2018. № 8. S. 1350.
24. Ismagilov Z.R., Shikina N.V., Mazurkova N.A. et. al. Synthesis of nanoscale TiO2 and study of the effect of their crystal structure on single cell response // The Scientific World J. 2012. ID 498345. P. 1.
25. Choi J., Song J., Jung K. et. al. Bipolar resistance switching characteristics in a thin Ti–Ni–O compound film // Nanotechnology. 2009. V. 20. № 17. P. 1.
26. Wang L.Q., Baer D.R., Engelhard M.H., Shultzc A.N. The adsorption of liquid and vapor water on TiO2 (110) surfaces: the role of defects // Surface Science. 1995. V. 344. P. 237.
27. Liitzenkirchen-Hecht D., Strehblow H.H. Bromide adsorption on silver in alkaline solution: a surface analytical study // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1998. V. 6. P. 826.
28. Kuz'micheva G.M., Savinkina E.V., Obolenskaya L.N. i dr. Poluchenie, kharakterizatsiya i svoistva nanorazmernykh modifikatsii dioksida titana so strukturami anataza i η-TiO2 // Kristallografiya. 2010. T. 55. № 5. S. 919.
29. Suganys A., Shanmugavelayutham G., Rodriguez C.S. Study on plasma pre-functionalized PVC film grafted with TiO2 / PVP to improve blood compatible and antibacterial properties // J. Phys. D: Appl. Phys. 2017. V. 50. P. 1.
30. Abidov A, Allabergenov B, Lee J. et al. X-ray photoelectron spectroscopy characterization of Fe doped TiO2 photocatalyst // Int. J. Mater. Mech. Manuf . 2013. V. 1. № 3. P. 294.
31. Moulder J.F., Stickle W.F., Sobol P.E., Bomben K.D. Edited by Jill Chastain. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. MN, USA. Perkin Elmer, 1992. V. 40. 261 p.
32. Kim H.J., Bae I.S., Cho S.J. et. al. Synthesis and characteristics of NH2 -functionalized polymer films to align and immobilize DNA molecules // Nanoscale Research Letters. 2012. V. 7. P. 1.
33. Radtsig M.A. Vzaimodeistvie kletok bakterii s soedineniyami serebra i zolota: vliyanie na rost, obrazovanie bioplenok, mekhanizmy deistviya, biogenez nanochastits: diss. … kand. biol. n. M.: MGU, 2013.
34. Bessudnova E.V. Sintez i issledovanie nanorazmernykh chastits dioksida titana dlya primeneniya v katalize i nanobiotekhnologiyakh: diss. … kand. biol. n. Novosibirsk: In-t kataliza im. G. K. Boreskova SO RAN, 2014.
35. Qasim M., Udomluck N., Chang J., Park H., Kim K. Antimicrobial activity of silver nanoparticles encapsulated in polyN-isopropylacrylamide-based polymeric nanoparticles // International J. Nanomedicine. 2018. V. 13. P. 235.
