Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах

Предложены так называемые «холодный» и «горячий» методы формирования коллоидного золота в пористой матрице кремнеземов, модифицированных пропил-аллилтиомочевинными или меркаптопропильными группами, а также комбинированный химико-микробиологический метод формирования коллоидного серебра в клетках ми...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2008
Main Authors:	Трохимчук, А.К., Легенчук, А.В., Подольская, В.И., Войтенко, Е.Ю., Овечко, В.С., Щур, А.В.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2008
Series:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76066
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах / А.К. Трохимчук, А.В. Легенчук, В.И. Подольская, Е.Ю. Войтенко, В.С. Овечко, А.В. Щур // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 2. — С. 509-528. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76066
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-760662025-02-09T20:23:23Z Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах The Formation of Noble Metal Nanoparticles in Porous Silicas and Biological Matrixes Трохимчук, А.К. Легенчук, А.В. Подольская, В.И. Войтенко, Е.Ю. Овечко, В.С. Щур, А.В. Предложены так называемые «холодный» и «горячий» методы формирования коллоидного золота в пористой матрице кремнеземов, модифицированных пропил-аллилтиомочевинными или меркаптопропильными группами, а также комбинированный химико-микробиологический метод формирования коллоидного серебра в клетках микроорганизмов. Методом спектрального анализа установлено, что при формировании холодным методом в силикагеле образовывались отдельные наночастицы с размером менее 1 нм; большая часть восстановленного золота не принимала участие в фазообразовании. После обработки при 600С размер частиц золота в композитном материале составлял 3,99 нм. В клетках дрожжей, имеющих толстую клеточную стенку, формировались наночастицы со средним размером 1,6–1,7 нм. В матрицах бацилл, псевдомонад и кишечной палочки формировались более крупные частицы серебра, имеющие средний размер 2,14–2,47 нм. Содержание серебра в биокомпозите составляло 48–55 мг/г. Предложен и реализован экспериментально метод двухмодальной аппроксимации плазмонных резонансов для суспензии металлических наночастиц. Метод использован для оценки размеров и концентрации наночастиц в двухкомпонентной суспензии, состоящей из мелко- и крупнодисперсных фракций. Запропоновано так звані «гарячу» і «холодну» методи формування кольоїдного золота в пористій матриці кремнеземів, модифікованих пропілаллілтіосечовинними або меркаптопропільними групами, а також комбіновану хіміко-мікробіологічну методу формування кольоїдного срібла в клітинах мікроорганізмів. Методою спектральної аналізи встановлено, що при формуванні холодною методою в кремнеземі утворювалися окремі наночастинки з розміром, меншим ніж 1 нм; більша частина відновленого золота не приймала участь у фазоутворенні. Після обробки при 600С розмір частинок золота в композитнім матеріялі складав 3,99 нм. В клітинах дріжджів, які мають товсту клітинну стінку, формувалися наночастинки з середнім розміром 1,6–1,7 нм. В матрицях бацил, псевдомонад і кишкової палички формувалися більші частинки срібла з середнім розміром 2,14–2,47 нм. Вміст срібла в біокомпозиті складав 48–55 мг/г. Запропоновано і реалізовано експериментально методу двомодальної апроксимації плазмонних резонансів для суспензії металевих наночастинок. Методу використано для оцінки розмірів і концентрації наночастинок у двокомпонентній суспензії, яка вміщує дрібно- і крупнодисперсні фракції. So-called ‘cold’ and ‘hot’ methods of the colloidal-gold formation in porous matrix of silica gels modified with propylallylthiourea and mercaptopropyl groups, and also combined chemical-microbiological method of the formation of colloidal silver within the cells of microorganisms are proposed. As revealed by the spectrum analysis, at the formation by the ‘cold’ method, the separate nanoparticles with the size less than 1 nm are formed in the silica gel. The majority of reduced gold did not take part in phase formation. After the treatment at 600С, the size of gold particles in the composite material is 3.99 nm. Nanoparticles with average size of 1.6–1.7 nm are formed within the yeast cells, which have thick cellular wall. Larger particles of silver, which have average size of 2.14–2.47 nm, are formed in the matrix of bacilli, pseudomonades and colibacilli. The content of silver in biocomposite material is 48–55 mg/g. The method for double-modal approximation of the plasmon resonance for the suspension of metallic nanoparticles is proposed and experimentally realized. The presented method has been used for an estimation of sizes and concentration of nanoparticles in two-component suspension, which consists of fine- and coarse-dispersed fractions. Авторы благодарят Н. И. Грищенко за помощь в культивировании микроорганизмов, а также В. В. Пархоменко и А. Г. Максимчука за помощь при проведении химического анализа. 2008 Article Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах / А.К. Трохимчук, А.В. Легенчук, В.И. Подольская, Е.Ю. Войтенко, В.С. Овечко, А.В. Щур // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 2. — С. 509-528. — Бібліогр.: 22 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 73.20.Mf,81.07.-b,81.16.-c,82.70.-y,82.80.-d,83.80.-k,87.64.-t,87.83.+a https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76066 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Предложены так называемые «холодный» и «горячий» методы формирования коллоидного золота в пористой матрице кремнеземов, модифицированных пропил-аллилтиомочевинными или меркаптопропильными группами, а также комбинированный химико-микробиологический метод формирования коллоидного серебра в клетках микроорганизмов. Методом спектрального анализа установлено, что при формировании холодным методом в силикагеле образовывались отдельные наночастицы с размером менее 1 нм; большая часть восстановленного золота не принимала участие в фазообразовании. После обработки при 600С размер частиц золота в композитном материале составлял 3,99 нм. В клетках дрожжей, имеющих толстую клеточную стенку, формировались наночастицы со средним размером 1,6–1,7 нм. В матрицах бацилл, псевдомонад и кишечной палочки формировались более крупные частицы серебра, имеющие средний размер 2,14–2,47 нм. Содержание серебра в биокомпозите составляло 48–55 мг/г. Предложен и реализован экспериментально метод двухмодальной аппроксимации плазмонных резонансов для суспензии металлических наночастиц. Метод использован для оценки размеров и концентрации наночастиц в двухкомпонентной суспензии, состоящей из мелко- и крупнодисперсных фракций.
format	Article
author	Трохимчук, А.К. Легенчук, А.В. Подольская, В.И. Войтенко, Е.Ю. Овечко, В.С. Щур, А.В.
spellingShingle	Трохимчук, А.К. Легенчук, А.В. Подольская, В.И. Войтенко, Е.Ю. Овечко, В.С. Щур, А.В. Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Трохимчук, А.К. Легенчук, А.В. Подольская, В.И. Войтенко, Е.Ю. Овечко, В.С. Щур, А.В.
author_sort	Трохимчук, А.К.
title	Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах
title_short	Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах
title_full	Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах
title_fullStr	Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах
title_full_unstemmed	Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах
title_sort	формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2008
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76066
citation_txt	Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах / А.К. Трохимчук, А.В. Легенчук, В.И. Подольская, Е.Ю. Войтенко, В.С. Овечко, А.В. Щур // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 2. — С. 509-528. — Бібліогр.: 22 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT trohimčukak formirovanienanočasticblagorodnyhmetallovvporistyhkremnezemahibiologičeskihmatricah AT legenčukav formirovanienanočasticblagorodnyhmetallovvporistyhkremnezemahibiologičeskihmatricah AT podolʹskaâvi formirovanienanočasticblagorodnyhmetallovvporistyhkremnezemahibiologičeskihmatricah AT voitenkoeû formirovanienanočasticblagorodnyhmetallovvporistyhkremnezemahibiologičeskihmatricah AT ovečkovs formirovanienanočasticblagorodnyhmetallovvporistyhkremnezemahibiologičeskihmatricah AT ŝurav formirovanienanočasticblagorodnyhmetallovvporistyhkremnezemahibiologičeskihmatricah AT trohimčukak theformationofnoblemetalnanoparticlesinporoussilicasandbiologicalmatrixes AT legenčukav theformationofnoblemetalnanoparticlesinporoussilicasandbiologicalmatrixes AT podolʹskaâvi theformationofnoblemetalnanoparticlesinporoussilicasandbiologicalmatrixes AT voitenkoeû theformationofnoblemetalnanoparticlesinporoussilicasandbiologicalmatrixes AT ovečkovs theformationofnoblemetalnanoparticlesinporoussilicasandbiologicalmatrixes AT ŝurav theformationofnoblemetalnanoparticlesinporoussilicasandbiologicalmatrixes
first_indexed	2025-11-30T11:27:01Z
last_indexed	2025-11-30T11:27:01Z
_version_	1850214473394028544
fulltext	509 PACS numbers: 73.20.Mf, 81.07.-b, 81.16.-c, 82.70.-y, 82.80.-d, 83.80.-k, 87.64.-t, 87.83.+a Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах А. К. Трохимчук, А. В. Легенчук, В. И. Подольская, Е. Ю. Войтенко, В. С. Овечко, А. В. Щур Институт биоколлоидной химии им. Ф. Д. Овчаренко НАН Украины, бульв. Акад. Вернадского, 42, 03142 Киев, Украина *Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, просп. Акад. Глушкова, 6, 03022 Киев, Украина Предложены так называемые «холодный» и «горячий» методы формиро- вания коллоидного золота в пористой матрице кремнеземов, модифици- рованных пропил-аллилтиомочевинными или меркаптопропильными группами, а также комбинированный химико-микробиологический ме- тод формирования коллоидного серебра в клетках микроорганизмов. Ме- тодом спектрального анализа установлено, что при формировании холод- ным методом в силикагеле образовывались отдельные наночастицы с размером менее 1 нм; большая часть восстановленного золота не прини- мала участие в фазообразовании. После обработки при 600С размер час- тиц золота в композитном материале составлял 3,99 нм. В клетках дрож- жей, имеющих толстую клеточную стенку, формировались наночастицы со средним размером 1,6–1,7 нм. В матрицах бацилл, псевдомонад и ки- шечной палочки формировались более крупные частицы серебра, имею- щие средний размер 2,14–2,47 нм. Содержание серебра в биокомпозите составляло 48–55 мг/г. Предложен и реализован экспериментально метод двухмодальной аппроксимации плазмонных резонансов для суспензии металлических наночастиц. Метод использован для оценки размеров и концентрации наночастиц в двухкомпонентной суспензии, состоящей из мелко- и крупнодисперсных фракций. Запропоновано так звані «гарячу» і «холодну» методи формування кольо- їдного золота в пористій матриці кремнеземів, модифікованих пропіл- аллілтіосечовинними або меркаптопропільними групами, а також комбі- новану хіміко-мікробіологічну методу формування кольоїдного срібла в клітинах мікроорганізмів. Методою спектральної аналізи встановлено, що при формуванні холодною методою в кремнеземі утворювалися окремі наночастинки з розміром, меншим ніж 1 нм; більша частина відновленого Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2008, т. 6, № 2, сс. 509–528  2008 ІМÔ (Інститут металофізики ім. Ã. В. Курдюмова ÍАÍ Óкраїни) Íадруковано в Óкраїні. Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 510 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. золота не приймала участь у фазоутворенні. Після обробки при 600С ро- змір частинок золота в композитнім матеріялі складав 3,99 нм. В кліти- нах дріжджів, які мають товсту клітинну стінку, формувалися наночас- тинки з середнім розміром 1,6–1,7 нм. В матрицях бацил, псевдомонад і кишкової палички формувалися більші частинки срібла з середнім розмі- ром 2,14–2,47 нм. Вміст срібла в біокомпозиті складав 48–55 мг/г. Запро- поновано і реалізовано експериментально методу двомодальної апрокси- мації плазмонних резонансів для суспензії металевих наночастинок. Ме- тоду використано для оцінки розмірів і концентрації наночастинок у дво- компонентній суспензії, яка вміщує дрібно- і крупнодисперсні фракції. So-called ‘cold’ and ‘hot’ methods of the colloidal-gold formation in porous matrix of silica gels modified with propylallylthiourea and mercaptopropyl groups, and also combined chemical-microbiological method of the formation of colloidal silver within the cells of microorganisms are proposed. As re- vealed by the spectrum analysis, at the formation by the ‘cold’ method, the separate nanoparticles with the size less than 1 nm are formed in the silica gel. The majority of reduced gold did not take part in phase formation. After the treatment at 600С, the size of gold particles in the composite material is 3.99 nm. Nanoparticles with average size of 1.6–1.7 nm are formed within the yeast cells, which have thick cellular wall. Larger particles of silver, which have average size of 2.14–2.47 nm, are formed in the matrix of bacilli, pseudomonades and colibacilli. The content of silver in biocomposite material is 48–55 mg/g. The method for double-modal approximation of the plasmon resonance for the suspension of metallic nanoparticles is proposed and ex- perimentally realized. The presented method has been used for an estimation of sizes and concentration of nanoparticles in two-component suspension, which consists of fine- and coarse-dispersed fractions. Ключевые слова: наночастицы золота и серебра, размер, пористые кремнеземы, микробные матрицы. (Получено 15 ноября 2006 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Íаноразмерные объекты занимают промежуточное положение ме- жду структурами микроэлектроники и атомной (молекулярной) физики. Поэтому для них характерно сочетание свойств макро- микрообъектов. К первым можно отнести электродинамические параметры (электрическая и магнитная восприимчивости), гидро- и аэродинамические свойства и т.д. Ко вторым — все, что связано с их квантово-механическими свойствами, которые, в свою очередь, обусловлены волновым поведением частиц, входящих в их состав. Вариацией внешних условий, структуры, размера и формы наноча- стиц можно непрерывно переходить от одного состояния к другому и обратно. Кроме того, по мере уменьшения размера частиц, увели- ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 511 чивается вклад в их свойства атомов, находящихся на поверхности и активно взаимодействующих с внешним окружением. Все эти особенности поведения наночастиц представляют интерес для фи- зики, химии, биологии, медицины и находят все большее примене- ние в прикладных областях. Среди областей, в которых ожидается активное применение на- нотехнологий, можно отметить следующие: наноэлектроника, ин- форматика, lab-on-chip — миниатюризация диагностической аппа- ратуры, химические нанореакторы, высокочувствительные сенсо- ры, транспорт и дозирование лекарственных препаратов, биотехно- логии, создание эталонов благородных металлов для горнорудной промышленности и т.д. Все эти прикладные и академические направления исследований требуют разработки достаточно простых и одновременно эффектив- ных методов выращивания, контроля и диагностики наночастиц: их размера и концентрации. Для синтеза наночастиц полупровод- ников и переходных металлов используются различные стратегии синтеза. Íаиболее распространенными являются химические мето- ды, имеющие ряд преимуществ, благодаря возможности получения достаточно больших количеств материалов за непродолжительный период. Чтобы защитить коллоидные частицы от слипания (коа- лесценции), на их поверхность наносят органические или неорга- нические/органические защитные молекулы [1] или предотвраща- ют их агрегацию путем закрепления в матрицах стекла/кремнезема [2] или органического полимера [3]. Разработка так называемых «зеленых технологий» для синтеза новых материалов рассматривается как перспективный аспект на- нотехнологии [4, 5]. Разработка и поиск новых типов химических матриц для синтеза наночастиц позволяет расширить возможности нанотехнологий. Сложные биологические системы можно рассмат- ривать как модели для создания отдельных компонентов, объеди- няемых в требуемую трехмерную композицию. Биологические мо- лекулы и системы имеют ряд характерных особенностей, делаю- щих их особенно подходящими для нанотехнологических прило- жений: они образуют трехмерные структуры с воспроизводимой формой. С материаловедческой точки зрения одна из целей подоб- ных исследований заключается в разработке надежных методов из- готовления стабильных изолированных наночастиц, которые будут использоваться либо в качестве элементов структуры обычных или новых материалов, либо как самостоятельные объекты в более крупных активных или пассивных структурах. Интерес к данной проблеме стимулировал появление работ, связанных с использова- нием пористых кремнеземов и микроорганизмов различной орга- низации (эукариоты и прокариоты) для формирования, ультрадис- персных металлов и их соединений [6–9]. 512 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. В рамках указанного похода нами разрабатывалась технология выращивания металлических (золотых) наночастиц в пористой матрице кремнеземов, а также комбинированный химико-микро- биологический метод формирования ультрадисперсных фаз серебра в клетках микроорганизмов различных таксономических групп, используя в качестве восстановителя гидразин-сульфат. Проблема диагностики состояла в том, чтобы методами оптической спектро- скопии изучить влияние концентрации металла, способа получе- ния осадка и свойств матрицы на количественно-дисперсный состав формирующихся наночастиц золота и серебра. Решению этих задач посвящена настоящая работа. 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Культуры. Для исследований были выбраны культуры, относящие- ся к различным таксономическим группам микроорганизмов. В ра- боте использовали штамм дрожжей Candida albicans ÓКМ-690 из коллекции Института микробиологии им. Д. К. Заболотного ÍАÍ Óкраины, также культуры Bacillus cereus ВКПМ В5039, Es- cherichia coli ВКПМ В1238 и Pseudomonas fluorescens ВКПМ В5040 из коллекции Института биоколлоидной химии им. Ô. Д. Овчарен- ко ÍАÍ Óкраины. Штаммы поддерживали на плотной агаризован- ной среде Luria Broth (LB) (Life Technologies, Scotland). Биомассу выращивали в жидкой LB среде при 26С в течение 18 часов на ка- чалке. Выросшую биомассу отделяли от культуральной жидкости на центрифуге и отмывали дважды дистиллированной водой. Получение наночастиц в биологических матрицах. В зависимости от протокола синтеза коллоида серебра на клетках микроорганиз- мов количество и размер наночастиц отличались [10]. Методика по- лучения так называемого «внутреннего» осадка предполагала пер- воначальное насыщение клеток ионами серебра и включала сле- дующие процедуры. Отмытую биомассу клеток (1,5 г влажного осадка) ресуспендировали в 1 мл раствора азотнокислого серебра и выдерживали 30 мин. После этого суспензию центрифугировали 15 мин при 4800×g, дважды отмывали дистиллированной водой и про- веряли раствором NaCl на отсутствие свободных ионов серебра. Клетки ресуспендировали в 4 мл раствора 0,1Н сульфата гидрази- на, перемешивали, инкубировали 30 мин, центрифугировали при 4800×g и дважды отмывали дистиллированной водой, которую подщелачивали NaOH до рÍ 9,5–10,5. При получении «внешнего» осадка последовательность обработки реактивами была обратной. Вначале клетки насыщали сульфатом гидразина. Для этого биомас- су 30 мин инкубировали с раствором N2H4H2SO4, удаляли избыток реактива, центрифугируя 15 мин при 4800×g, и дважды промывали дистиллированной водой. Затем 30 мин инкубировали с раствором ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 513 AgNO3, отделяли избыток раствора, дважды промывали дистилли- рованной водой, и один раз водой подщелоченной до рÍ 9,5–10,5. Спектры поглощения. Измерения спектров водных суспензий био- композитов выполнялись в режиме поглощения на спектрофото- метре СÔ-46 в диапазоне длин волн 340–800 нм при комнатной температуре. Измерения вели в кварцевых кюветах, длина оптиче- ского пути 10 мм. Поправку, вносимую рассеиванием на клетках, вычитали, используя в качестве растворов сравнения суспензию соответствующих эксперименту необработанных клеток одного урожая. Контрольную суспензию уравнивали по оптической плот- ности с обработанными клетками при λ540 нм. Химический анализ. Диагностика состава проводилась методом атомно-абсорбционного анализа после выщелачивания серебра в раствор из состава биокомпозитов на спектрофотометре С-115М1. Реактивы. Растворы AgNO3 с концентрации от 5102 до 5106 М го- товили из 0,1Н стандарт-титра методом кратного разбавления дис- тиллированной водой. В качестве восстановителя использовали 0,1М раствор гидразин-сульфата N2H4H2SO4. Все использованные реактивы были квалификации «хч». Диагностика среднего размера наночастиц проводилась на основе анализа плазмонных спектров поглощения суспензий соответст- вующих материалов в глицерине на автоматизированном спектро- фотометре С-115М. Для частиц размером несколько нанометров, выполнялся критерий led, где le — длина свободного пробега электронов, d — размер наночастиц. Тогда спектральная полуши- рина плазмонного контура определялась размером частицы d, а его амплитуда — их концентрацией. Аппроксимация расчетных и экс- периментальных спектров производилась методом нелинейной рег- рессии по пяти параметрам. Методика определения среднего диаметра металлических наноча- стиц сферической формы и их концентрации основана на измере- нии параметров поверхностного плазмонного резонанса. Плазмон- ный резонанс является следствием коллективных колебаний ква- зисвободных электронов в металле. При этом условия резонанса со- ответствуют компенсации отрицательной действительной диэлек- трической проницаемости металла таковой для окружающей нано- частицы матрицы. Покажем это, записав выражение для коэффи- циента поглощения K ансамбля наночастиц [11]:      3/2 2 2 2 1 2 18 ( ) 2 m m f K             , (1) где m — среднее значение диэлектрической проницаемости матри- цы; 1i2 — комплексная диэлектрическая проницаемость ме- талла; f — коэффициент заполнения (отношение объема наноча- 514 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. стиц к общему объему образца). Можно записать (следуя Друде– Лоренцу) выражение для  металла и ввести эффективное время ре- лаксации eff: eff 21 1 FV d     , (2) где  — время релаксации электронов в металле; d — диаметр нано- частиц; VF — скорость Ôерми и найти два параметра K0(ω) и δ1/2 спектрального контура (1), соответственно коэффициент поглоще- ния в резонансе и спектральную ширину контура, как это сделано в работе [12]. После этого можем вычислить средний диаметр и кон- центрацию наночастиц: 1/2 2 F sp V d    , (3) 2 3/2 4 4 4 ( ) 3 p F sp m sp cV N K d      , (4) где sp — резонансная частота, 2 p4Ne2/m — плазмонная час- тота (объемная), spδ1/2 — спектральная ширина резонанса. Ôормулы (3) и (4) были успешно апробированы ранее. Вместе с тем, их применение ограничено рядом условий. Во-первых, в них рассматриваются наночастицы достаточно малого размера, когда 2VEd. Во-вторых, предпринимались специальные меры для формирования ансамбля монодисперсных частиц. В противопо- ложном случае интерпретация измерений становилась неоднознач- ной и переходила в разряд так называемых «некорректных матема- тических задач» [13]. Хотя в работе [12] получены выражения для контура плазмонного резонанса в случае прямоугольной функции распределения частиц по размерам. Если технология не обеспечивает монодисперсного состава час- тиц, то это должно быть учтено. Сделаем это для ступенчатой про- стейшей функции распределения частиц по размеру:   1 2 2 1 1 2 1 , , 0, , . d d d d dF d d d d d         (5) Примем приближение Лоренца для функции (1). Откуда мы по- лучим среднее значение K:   3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 12 22 2 2 1 9 ( ) ln 1 1 4 4 fm F Fp vf p p K d d v vc d d p                       , (6) ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 515 где   2 2 2 2 1 sp p         . Зависимость (6) представлена на рис. 1. Мы учли влияние значе- ния d на время релаксации eff. В тоже время резонансная частота sp зависит от параметра kd, где \|k\|  2 — волновой вектор света. Íо эта зависимость пропорциональна второму порядку kd103, что дает основание пренебречь его влиянием на условие резонанса. Таким образом, использование формулы (1) для аппроксимации полученных в эксперименте спектров оправданно. В данном случае параметр d будет иметь смысл максимума распределения частиц по диаметру. Очень хорошие результаты даёт применение модели двухкомпонентной системы. Такая модель включает относительно крупные частицы (5 нм), благодаря которым на спектре поглоще- ния образовывается характерный пик плазмонного резонанса. Вто- рой компонент — это более мелкие частицы, существование кото- рых, по-видимому, определяет характерный наклон «базовой» ли- нии на графике оптическая плотность — частота, на которую, соб- ственно, и накладывается плазмонный контур от крупных частиц. Следующая проблема — это определение m матрицы. Óчитывая, что она состоит из частиц пористого кварцевого стекла, заполненно- го глицерином, и вследствие этого существенно гетерогенна, вычис- ление m сопряжено с некоторыми трудностями. В частности, хотя показатели преломления глицерина (n 1,47; 589 нм) и опти- ческого кварцевого стекла SiO2 (n 1,46; 589 нм) почти одина- ковы, наблюдается довольно значительное рассеяние. Об этом сви- детельствует положение базовой линии на спектрах. Возможно, оно связано с наличием воздушных неконтролируемых объемов внутри 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 4 3 2 1 K( ) /K ( sp ) sp Рис. 1. Частотные зависимости нормированного коэффициента поглоще- ния для различных значений Θ1, Θ2: 1 — 1,99 и 2,01; 2 — 0,01 и 3,99; 3 — 3,99 и 4,01; 4 — 0,01 и 7,99. 516 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. образца. Мы исключили эту неопределенность, вычислив m из усло- вия резонанса: 2m(sp)1(sp)0. Однако для этого необходимо бы- ло таким образом построить модель  металла, чтобы теоретический и экспериментальный контуры плазмонного резонанса совпадали (в пределах точности эксперимента) и верно отражали справочные данные для материальных параметров [14]. Результаты измерений и параметризации теоретического контура представлены ниже. Одним из критериев соответствия построенной модели плазмонно- го резонанса наночастиц Au и Ag экспериментальным объектам, на- ряду с функцией корреляции, было общее количество металла, вне- дренное в матрице. Очевидно, что его можно оценить по формуле: 3 6M Nd  , (7) где  — плотность золота или серебра. Результаты сравнения будут представлены далее. Для повышения точности и достоверности вычислений, в данной работе вместо формул (3), (4) применялся метод параметризации общей формулы (1). Параметрами служили d, N, m, материальные константы Au и Ag. Причем, в процессе «прогонки» постоянно кон- тролировался параметр (5). 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1. Формирование коллоидного золота в пористых матрицах кремнезема и определение его фазово-дисперсных характеристик Íами разработан метод получения наноразмерных частиц металлов на поверхности дисперсных носителей с высокой однородностью распределения их на поверхности. Для их получения использовали химически модифицированные кремнеземы (ХМК), которые обес- печивают количественную сорбцию ионов металлов из растворов [15] и высокую точность определения их концентрации на поверх- ности сорбента. В качестве таких ХМК мы использовали силикагели и пористое стекло с размерами частиц 0,1–0,2 мм, к поверхности которых были привиты пропил-аллилтиомочевинные группы или меркаптопро- пильные группы. Концентрация привитых функциональных групп на ХМК составляла 0,5–1,0 ммоль/г сорбента. Синтез таких сорбен- тов описан нами в работах [16, 17]. Степень извлечения золота та- кими сорбентами в кислой среде (1,0–2,0М HCl) составляет 99,9%. Были исследованы два метода приготовления металлических на- ночастиц золота «горячий» и «холодный». Так называемый «горячий» метод включал в себя следующие по- следовательные операции. Первая стадия — сорбция золота из рас- ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 517 твора золотохлористоводородной кислоты на исследованных ХМК. Для этого в колбу емкостью 100 мл помещали точную навеску сор- бента, который заливали 50 мл дистиллированной воды и по каплям, при интенсивном перемешивании на магнитной мешалке, прибав- ляли заданное количество раствора золота. После прибавления всего золота суспензию перемешивали еще 10 мин. Далее сорбент фильт- ровали, промывали дистиллированной водой и высушивали. При таком подходе обеспечивается количественная сорбция ионов золота и однородность его распределения на рассмотренных сорбентах. Да- лее полученные сорбаты прокаливали при температуре 600С в тече- ние 1 ч, при этом выгорает органическая составляющая сорбентов, и комплекс золота разлагается до металлических наночастиц золота. Óвеличение температуры и (или) времени прокаливания ведет к уве- личению размера частиц золота, что позволяет регулировать разме- ры частиц золота на поверхности кремнеземных матриц. Этим методом получены кремнеземы с концентрацией золота от 50 мкг/г кремнезема и до 1000 мкг/г. При более высоких концентраци- ях определение размера частиц методом плазмонного резонанса за- труднительно из-за непрозрачности получаемых материалов. Для получения образцов заданной концентрации, предварительно определялась потеря массы при прокаливании для каждого исполь- зуемого ХМК. Для этого три параллельных навески ХМК прокали- вались при 600С в течение 1 ч и взвешивались. С учетом этих дан- ных рассчитывалось количество стандартного раствора золота необ- ходимого для получения образцов с заданным содержанием золота. Концентрацию золота на поверхности кремнезема определяли химически. Для этого 5 параллельных навесок кипятили в царской водке, после чего отфильтровывали от кремнезема и определяли концентрацию золота в фильтрате атомно-адсорбционным методом на спектрофотомере САТÓРÍ-3П-М1. Также определялась пред- ставительская проба золота, которая составила 0,1 г сорбента при минимальной концентрации золота на поверхности. Второй, так называемый «холодный» метод получения наноча- стиц состоит в том, что сорбированное Au на поверхности ХМК вос- станавливали боргидридом натрия в водной фазе при комнатной температуре. При этом слабая окраска образцов становится замет- ной при концентрациях Au на поверхности кремнезема, превы- шающих 1000 мкг/г. Образцы для спектрального анализа готовили следующим обра- зом. В кварцевые кюветы толщиной 2 мм помещали препарат, со- держащий частицы пористого стекла микронного размера с вне- дренными наночастицами Au, наполненными иммерсионной жид- костью — глицерином. В качестве эталонного образца применяли те же кюветы, но без наночастиц. Это было тем более актуально, по- скольку уровень светорассеяния таких гетерогенных сред значи- тельный. Íа рисунке 2 представлены результаты исследования од- 518 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. нородности исследуемой кюветы. Видно, что в пределах 1 мм (по горизонтали) образец можно считать однородным. Значительная неоднородность наблюдалась только в районе боковых стенок. Анализ спектральных зависимостей соответствующих экспери- ментальных образцов показал, что «горячая» технология обеспечи- вает выращивание металлических частиц Au размером ~ 1 нм и бо- лее. Пример спектра поглощения образца силикагеля, несущего наночастицы золота, сформированного в результате применения такой технологии, представлен на рис. 3. Параметры наночастиц, полученные в результате анализа спектра составили: d3,99 нм, М15,07106 г, где d — средний размер, а М — общее содержание золота в кювете на 1 см 2 поверхности. Методики аппроксимации зависимостей коэффициентов экстинкции частоты учитывают как рассеяние, так и поглощение. Это позволило достичь значений ко- эффициентов корреляций R 20,998. Характер спектра образцов, полученных методом «холодной» технологии (рис. 4) указывает на то, что формирующиеся наноча- 16000 18000 20000 22000 24000 26000 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 D , cm-1 1 2 3 4 Рис. 2. Зависимость коэффициента экстинкции от частоты для наночастиц Au в различных областях кюветы, мм: 1 — 0,25; 2 — 0,5; 3 — 0,75; 4 — 1,0. 14000 16000 18000 20000 22000 24000 0,8 1,0 1,2 1,4 D cm-1 Рис. 3. Зависимость коэффициента экстинкции от частоты для наночастиц Au, выращенных по «горячей» технологии: d3,99 нм, М15,07106 г. ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 519 стицы Au имеют размер порядка 8,5 Å, при этом видимые частицы составляют только около 7% от введенного в образец золота. Таким образом, большая часть золота находится на поверхности в виде час- тиц размером меньшим 4 Å, т.е. недостаточным для создания плаз- монного резонанса или в молекулярном нуль-валентном состоянии. 3.2. Формирование коллоида серебра в биологических матрицах и определение его фазово-дисперсных характеристик Была выполнена серия сравнительных экспериментов по формиро- ванию наночастиц серебра на микроорганизмах, принадлежащих к различным таксономическим группам. Использованный нами при- ем восстановительной сорбции, включающий последовательную химическую обработку биомассы ионами металла и восстановите- лем, позволил использовать диффузионные и сорбционные свойст- ва клеточной стенки (КС) и управлять скоростью фазообразования. В режиме «внутреннего» осаждения КС предварительно насыщали серебром. При последующей обработке клеток, насыщенных иона- ми серебра, внесенным восстановителем N2H4H2SO4, диффузион- ный фронт ионов серебра перемещался из клетки навстречу восста- новителю, диффундирующему в КС. Оба фронта встречались в по- верхностном слое клеточной стенки, где происходил процесс обра- зования зародышей наночастиц серебра. Восстановление проводи- ли из растворов AgNO3 в диапазоне концентраций от 5102 до 5106 М с помощью восстановителя сульфата гидразина по протоколу приведенному выше. Суммарная окислительно-восстановительная реакция описывается ионно-молекулярным уравнением: 2N2H4Ag½O2H Ag0½H2O22NH4 N2. 16000 18000 20000 22000 24000 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 , cm-1 D Рис. 4. Зависимость коэффициента экстинкции от частоты для наночастиц Au, выращенных по «холодной» технологии: d8,5 Å, М16106 г. 520 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. Для восстановления одного грамм-эквивалента ионов серебра из водного раствора необходимо, по крайней мере, 2 моля гидразина. Окраска микробных суспензий при формировании коллоида ме- талла зависела от концентрации соли серебра в растворе. Для иллю- страции на рис. 5 приведена фотография образцов суспензий клеток B.cereus B5039, обработанных по схеме восстановительной сорбции. При увеличении концентрации AgNO3 в 50 раз (от 1,0 до 50,0 мМ) цвет изменялся соответственно от светло-коричневого, до ярко- желтого и темно-зеленого. При меньших концентрациях суспензия клеток была неокрашенной. Тесты на выживаемость показали, что после 30-минутного контакта с AgNO3, (концентрация от 10 до 50 мМ) все клетки исследуемой культуры погибали. После инкубиро- вания с 5 мМ раствором выживало не более 10–15% клеток. Для ансамбля диспергированного серебра в области 400 нм ха- рактерно поглощение, связанное с наличием поверхностных плаз- монных мод [18]. Рассмотрим особенности спектров водных суспен- зий нанокомпозитных материалов, сформированных в растворах AgNO3 различной концентрации четырьмя изученными представи- телями микроорганизмов. Соответствующие зависимости приведе- ны на рис. 6. Растворами сравнения служили суспензии необрабо- танных клеток. Поэтому характерное для всех культур (контроль) поглощение в области 360–380 нм, связанное с взаимодействием с органическим веществом клеточной матрицы не проявлялось. Íа спектрах биокомпозитов на основе дрожжей и бацилл, полученных по процедуре синтеза «внутреннего» осадка из раствора, содержа- щего 1,0–5,0 ммоль/л соли серебра (рис. 6, а, б, кривые 3, 4), обна- руживался небольшой максимум при 410–420 нм. С ростом концентрации серебра пропорционально увеличивалась интенсив- ность поглощения, положение максимума смещалось в область больших длин (425–444 нм), наблюдалось уширение полосы (кри- Рис. 5. Ôотографии клеток B.cereus В5039, содержащих коллоид серебра, синтезированный из растворов различной концентрации (концентрации указаны на пробирках). ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 521 вые 1, 2). Композиты на основе матриц псевдомонад и кишечной палочки демонстрировали отчетливую плазмонную полосу с мак- симумом в области 440 нм при концентрации не менее 50 ммоль/л (рис. 6 в, г, кривая 1). При меньших концентрациях электролита плазмонные эффекты на спектрах не наблюдались. Это может быть обусловлено как ма- лыми размерами формирующихся кластеров серебра, так и значи- тельным содержанием недовосстановленной фазы серебра. Особен- ность спектров композитов на основе дрожжей и, особенно, бацилл 0 0,05 0,1 0,15 0,2 360 410 460 510 560 л, нм D 1 2 3 4 0 0,05 0,1 0,15 0,2 360 410 460 510 560 D л, нм 1 3 2 4 а б 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 360 410 460 510 560 л, нм D 1 2 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 360 410 460 510 560 л, нм D 1 2 в г Рис. 6. Спектры поглощения водных суспензий биокомпозитных материа- лов на основе культур C. albicans ÓКМ690 (а), B.cereus В5039 (б), P.fluorescens В5040 (в), E. coli В1238 (г), синтезированных из растворов AgNO3 различной концентрации: 1 — 0,05M; 2 — 0,01M; 3 — 0,005M; 4 — 0,001M AgNO3. Концентрация N2H42H2SO4 — 0,1М. 522 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. заключалась в том, что после обработки в растворе, содержащем 5 ммоль/л AgNO3 (кривая 3), полоса поглощения имела два макси- мума — при 410 нм (мода Ôрёлиха для Ag) и еще один при 420–430 нм. Известно [19], что для серебра характерна сильная размерная зависимость максимума полосы поглощения, обусловленная отли- чием формы частиц от сферической и разбросом размеров полуосей сфероидов (поэтому возникают две частоты поверхностных мод). В работе [20] для частиц Ag диаметром около 2 нм также наблю- дали два пика плазмонного поглощения, что предположительно обусловлено сложной структурой частиц серебра, представляющих собой оболочку металла на диэлектрическом ядре. Из-за отличия диэлектрических проницаемостей ядра и матрицы в зависимости от толщины металлического слоя экспериментально наблюдается красное смещение частоты поверхностных плазмонов, хотя бывает и голубое. Два пика поглощения возникают только в случае наи- меньших металлических частиц (1–5 нм), хотя наблюдаемое в на- шем случае расщепление максимума может быть также связано со сложной структурой частиц и формируемых на их основе нанобио- композитов, когда важная роль в формировании и стабилизации частиц (кластеров) серебра принадлежит биополимерной матрице. Можно предположить, что в условиях диффузионных ограничений, возникающих в клеточной стенке при взаимодействии ионов сереб- ра и гидразина, а также при локальном отклонении от оптималь- ных условий для протекания восстановительной реакции (рÍ 7,5– ТАБЛИЦА 1. Химический анализ биокомпозитов на основе культур мик- роорганизмов и наночастиц серебра. Содержание Ag, мг/г (сух. вещества) Культуры микроорганизмов 0,05 моль/л 0,01 моль/л C.albicans ÓКМ690 52,57 10,16 B.cereus В5039 34,18 7,40 P.fluorescens В5040 55,11 — E.coli В1238 47,89 9,36 ТАБЛИЦА 2. Содержание серебра в биокомпозите на основе культуры C.albicans, полученном методом восстановительной сорбции из растворов AgNO3 различной концентрации («внутреннее» осаждение). AgNO3, моль/л Ag, мг/г (сух. вещества) 0,05 52,57 0,01 10,16 0,005 5,22 0,001 1,17 ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 523 8,5), наряду с кластерами серебра, включающими несколько ато- мов и ионов серебра, формировались зародыши, состоящие из окис- ла или гидроксида серебра. Впоследствии на этих зародышах вос- станавливалось металлическое Ag, и формировались наночастицы типа ядро-оболочка. Анализ данных свидетельствует, что формиро- вание того или иного типа частиц зависело от концентрации серебра в растворе инкубирования и строения клеточной стенки микроор- ганизма-матрицы. Химический анализ, результаты которого представлены в табл. 1 и 2, подтвердил обогащение нанобиокомпозитов серебром пропор- ционально содержанию серебра в растворе инкубирования. Макси- мальное содержание составило 5,3% (от сухого вещества дрожжей) при концентрации в растворе 50 ммоль/л. Для сравнения в табл. 3 приведены данные, отражающие кинетику аккумулирования се- ребра культурой C.albicans ÓКМ690 из растворов AgNO3 различной концентрации без последующего восстановления сульфатом гидра- зина. Клетки в обоих случаях отмывали от избытка соли, контро- лируя промывные воды на отсутствие свободных Ag. Íаблюдалась корреляция между количеством сорбированного серебра и его кон- центрацией в растворе. За 30 мин клетки накапливали 28,7 мг/г серебра из раствора, содержащего 50 ммоль/л, что составляло поч- ти 78 % от максимальной величины сорбции (36,9 мг/г), которую зафиксировали через одни сутки. Сравнивая представленные в табл. 1 и табл. 2 данные, видно, что содержание серебра, накоплен- ного клетками за 30 мин из раствора с концентрацией 50 ммоль/л по процедуре восстановительной сорбции (52,6 мг/г), почти вдвое превышало показатели, полученные без дополнительного исполь- зования восстановления (28,7 мг/г). Аналогично, если в растворе инкубирования содержалось 5,0 ммоль/л нитрата серебра, то в биомассе содержалось 5,2 и 2,6 мг/г Ag, соответственно. Отметим попутно, что спектральный анализ клеток, которые сорбировали ионы серебра, но не были обработаны восстановите- лем, даже через 4 суток инкубирования не выявил в их составе на- ночастицы серебра, хотя суспензия приобретала слабую коричне- вую окраску. Отсутствие плазмонных эффектов указывало на то, ТАБЛИЦА 3. Кинетика аккумулирования серебра биомассой C.albicans ÓКМ690 из растворов AgNO3. Ag, мг/г (сух. вещества) Время, ч 0,05 моль/л 0,005 моль/л 0,5 28,68 2,63 24 36,87 3,67 96 32,95 2,92 524 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. что формирующийся на клетках коллоид содержал недовосстанов- ленную кислородсодержащую фазу серебра. Возможно также, что размер кластеров, включающих 4–8 атом серебра, был слишком мал для появления спектральных плазмонных эффектов. Восстановительная процедура, проводимая в гравитационном поле, инициируя нуклеацию, способствовала закреплению обра- зующихся серебросодержащих частиц в матрице клетке. Оба фак- тора способствовали накоплению большего количества серебра в клетке. Исходя из данных химического анализа биокомпозита на основе клеток C. albicans ÓКМ 690 при осаждении из 0,05М раство- ра AgNO3 и полагая, что сухое вещество клетки составляет 16% от общей массы, форма клетки приближается к сферической, а размер составляет 3 мкм, можно рассчитать толщину плотного слоя се- ребра, покрывающего клетку. По расчетам толщина такого слоя со- ставляет 0,4–0,5 нм. Понятно речь идет не о покрытии, а о дис- кретных наночастицах и агрегатах, стабилизированных в клеточ- ной матрице. В работе [21] отмечалось, что для серебра типичным является пленочное осаждение отдельными островками. Поэтому реально толщина слоя, включающего наночастицы, будет значи- тельно больше и может достигать толщины клеточной стенки. Примечательным кажется тот факт, что приведенные в работе [7] максимальные значения содержания наночастиц серебра после термической карбонизации биокомпозита на основе псевдомонад также были ограничены величиной 5%, близкой к полученным нами значениям. Каковы размеры коллоидных частиц серебра, формирующихся в матрицах изученных нами микроорганизмов. Эти величины можно оценить расчетным путем, проведя анализ плазмонных спектров поглощения суспензий биокомпозитов, исходя из предпосылок, 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4 3 2 1 D , cм-1 Рис. 7. Спектры поглощения глицериновых суспензий биокомпозитных материалов на основе культур 1 — C. albicans ÓКМ690; 2 — B.cereus В5039; 3 — P.fluorescens В5040; 4 — E. coli В1238. ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 525 представленных в предыдущем разделе. Для данных экспериментов сгущенную на центрифуге влажную биомассу композита суспенди- ровали в глицерине. Контрольным раствором была суспензия необ- работанных клеток в глицерине. Óчитывая, что процедура регист- рации спектра на автоматизированном устройстве занимает про- должительное время (до 30 мин), такой прием позволил исключить явление оседания клеток в измерительной ячейке из-за высокой вязкости глицерина и, тем самым, избежать значительной погреш- ности в измерениях и трактовке результатов. Íа рисунке 7 приведе- ны характерные зависимости оптической плотности глицериновых суспензий биокомпозитов на основе 4-х изученных культур от вели- чины волнового числа, а в табл. 4 представлены соответствующие расчетные данные для каждой культуры микроорганизмов. Макси- мумы полосы поглощения (λmax) спектров изученных препаратов на- ходились в области 431–436 нм. Ó препарата на основе культуры E.coli полоса была смещена в длинноволновую область до значений 444 нм. Íелинейный многопараметрический регрессионный анализ методом Левенберга–Марквардта по формуле (1) показал высокую степень корреляции большинству изученных биокомпозитов. Ещё большая степень корреляции достигалась при использовании моде- ли двухкомпонентной системы, описанной выше. Пример такой многопараметрической аппроксимации приведен на рис. 8. Как видно, количество и дисперсность нанофаз серебра зависели 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 D 1 , cm-1 2 3 4 Рис. 8. Зависимость коэффициента экстинкции от частоты для наночастиц Au, выращенных по «горячей» технологии: 1 — аппроксимация по модели однокомпонентного распределения с учётом только полосы спектра в ок- рестности плазмонного резонанса (17000–22000 см 1); 2 — аппроксимация по модели однокомпонентного распределения с учётом всего спектра; 3 — аппроксимация по модели двухкомпонентного распределения частиц; 4 — эксперимент. Основные вычисленные параметры для (1): d15,80 нм, d20,28 нм, m2420 мкг, m160 мкг; для (2): d7,10 нм, m48 мкг. Масса наночастиц приведена на поперечный слой площадью 6 см 2. 526 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. от строения матрицы (клеточной стенки). В клетках дрожжей, имеющих толстую клеточную стенку (до 200 нм), формировались очень мелкие наночастицы частицы, имеющие средний размер 1,6– 1,7 нм. Клеточная стенка дрожжей образует трехмерную структу- ру, состоящую из линейных и ветвящихся полимерных цепочек, ковалентно скрепленных структурными белками, которые форми- руют ячейки размером в несколько нм. Основным структурным компонентом является сложный разветвленный полимер глюкозы — глюкан [22]. Как видно из табл. 4, средние размеры наночастиц, полученных по процедуре «внутреннего» (1,7 нм) и «внешнего» (1,6 нм) осаждения, отличались мало с небольшой тенденцией в сторону уменьшения размера последних. Кроме того, так называемый «внешний» осадок из наночастиц плохо удерживался клеткой и частично пептизировал в раствор. В матрицах бацилл, псевдомонад и кишечной палочки формиро- вались более крупные частицы серебра, имеющие средний размер 2,14–2,47 нм. Содержание серебра в биокомпозитах в среднем коле- балось в пределах 48–55 мг/г. Содержание металла в бациллах бы- ло почти на 30% меньше по сравнению с другими изученными мик- роорганизмами (34,2 мг/г). Отметим, что у бацилл имеется одно- слойная клеточная стенка толщиной 20–80 нм, ее главный химиче- ский компонент пептидогликан. В таблице 4 приведены также результаты анализа спектра по- ТАБЛИЦА 4. Показатели спектров поглощения глицериновых суспензий биокомпозитов на основе микроорганизмов и наночастиц серебра. Культуры микроорганизмов λmax, нм d, нм m, г/см2 Ag, мг/г (сух. вещества) Влажные препараты C. albicans ÓКМ690 («внутренний» осадок) 431 1,73 3,99105 52,3 C. albicans ÓКМ690 («внешний» осадок) 431 1,62 5.06105 27,1 B. cereus В5039 («внутренний» осадок) 436 2,24 9,63106 34,2 P. fluorescens В5040 («внутренний» осадок) 436 2,47 3,03105 55,1 E.coli В1238 («внутренний» осадок) 444 2,14 1,47105 47,9 Сухой препарат Candida albicans ÓКМ690 («внутренний» осадок) 432 1,25 4,99105 53,1 ÍАÍОЧАСТИЦЫ БЛАÃОРОДÍЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОРИСТЫХ КРЕМÍЕЗЕМАХ 527 глощения сухого биокомпозита. В данном случае биомассу с нано- частицами высушивали при 45С в течение 16 ч. Полученный оса- док растирали в ступке и ресуспендировали в глицерине. Как вид- но, средний размер наночастиц в таком препарате составлял 1,25 нм, что несколько меньше значений, полученных для влажных препаратов (1,6–1,7 нм). Следует отметить также, что глицерино- вые суспензии биокомпозитных материалов, которые находились при температуре 4С, демонстрировали воспроизводимые спек- тральные характеристики через 2 месяца хранения. 4. ВЫВОДЫ 1. Разработан способ фиксации ионов золота на поверхности хими- чески модифицированных кремнеземов с высокой однородностью их распределения на поверхности. При небольших концентрациях сорбированных ионов золота на поверхности (до 500 мкг/г сорбен- та) после химического («холодного») восстановления боргидридом натрия, на поверхности кремнезема методом плазмонного резонан- са детектировались частицы размером от 1,5 нм и больше. Однако подавляющая часть золота осаждалась в виде частиц менее 1,0 нм и не могла быть определена рассматриваемым методом. При обработ- ке сорбентов с фиксированным на поверхности золотом при темпе- ратуре 600С («горячее» восстановление), средний размер обра- зующихся на поверхности частиц золота даже при низких концен- трациях (от 50 мкг/г сорбента) составляет несколько нанометров, а с увеличением его концентрации на поверхности может переходить в сплошной металлический слой. Таким образом, регулируя кон- центрацию сорбированных ионов золота на поверхности и исполь- зуя разные способы их восстановления можно формировать наноча- стицы золота различного размера и концентрации. 2. Проведенные исследования указывают на перспективность хи- мико-микробиологического метода формирования ультрадисперс- ных фаз серебра в матрицах микроорганизмов. Спектральный ана- лиз биокомпозитов на основе микроорганизмов, принадлежащих к различным таксономическим группам, показал, что в клетках формируются стабильные изолированные наночастицы серебра, имеющие средний размер 1,6–2,5 нм. Íанокомпозиты в глицерине сохраняли устойчивость более 2-х месяцев, что подтверждалось воспроизводимостью их спектральных характеристик. Данный подход может быть использован для формирования нанобиокомпо- зитов широкого состава, в зависимости от поставленной технологи- ческой задачи. 3. Метод параметризации контура плазмонного резонанса позволя- ет производить оценку среднего размера и концентрации металли- ческих наночастиц. Óсловием его успешного применения является 528 А. К. ТРОХИМЧÓК, А. В. ЛЕÃЕÍЧÓК, В. И. ПОДОЛЬСКАЯ и др. квазимонодисперсность состава частиц. Дальнейшее развитие ме- тодики позволило обрабатывать двухмодальные распределения, например, композиты, включающие в себя две фракции — мелко- дисперсную (d1 нм) и крупнодисперсную (d1 нм). Авторы благодарят Í. И. Ãрищенко за помощь в культивирова- нии микроорганизмов, а также В. В. Пархоменко и А. Ã. Максим- чука за помощь при проведении химического анализа. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. E. M. Egorova and A. A. Revina, Colloids and Surface, 168: 87 (2000). 2. J. J. Shiang, S. H. Risbud, and A. P. Alivisatos, J. Chem. Phys., 98: 8432 (1993). 3. Б. М. Сергеев, Л. И. Лопатина, А. Í. Прусов, Ã. Б. Сергеев, Коллоид. журн., 67, № 1: 79 (2005). 4. N. Duran, P. D. Marcato, O. L. Alves, G. I. H. De Souza, and E. Esposito, J. Na- nobiotech., 3, No. 1: 8 (2005). 5. R. R. Naik, S. J. Stringer, G. Agarwal, S. E. Jones, and M. O. Stone, Nat. Ma- ter., 1: 169 (2002). 6. M. Sastry, A. Ahmad, M. I. Khan, and R. Kumar, Nanobiotechnology (Wein- heim, Germany: Wiley-VCH: 2004). 7. D. Mandal, M. E. Bolander, D. Mukhopadhyay, G. Sarkar, and P. Mukherjee, Appl. Microbiol. Biotechnol., 69: 485 (2006). 8. M. Kowshik, S. Ashtaputre, S. Kharrazi, W. Vogel, J. Urban, S. K. Kulkarni, and K. M. Paknikar, Nanotechnology, 14: 95 (2003). 9. T. Klaus-Joerger, R. Joerger, E. Olsson, and C. Granqvist, Trends Biotechnol., 19, No. 1: 15 (2001). 10. S. Efrima and B. V. Bronk, J. Phys. Chem. B, 102: 5947 (1998). 11. С. Ô. Венгер, А. В. Ãончаренко, М. Л. Дмитрук, Оптика малих частинок і дисперсних середовищ (Київ: Íаукова думка: 1999). 12. V. Ovechko and O. Schur, Optica Applicata, 35, No. 4: 735 (2005). 13. В. В. Лебедева, Техника оптической спектроскопии (Москва: Изд-во МÃÓ: 1977). 14. В. М. Золотарев, В. Í. Морозов, Е. В. Смирнов, Оптические постоянные природных и технических сред: Справочник (Ленинград: Химия: 1984). 15. В. Í Лосев, А. К. Трофимчук, С. В. Кузовенко, Журнал аналитической хи- мии, 52, № 1: 11 (1997). 16. В. Í. Лосев, Í. В. Мазняк, А. К. Трофимчук, В. К. Рунов, Заводская лабо- ратория. Диагностика материалов, 64, № 6: 11 (1998). 17. А. К. Трофимчук, Í. И. Макаренко, А. И. Ярмолюк, В. Í. Лосев, Химия и технология воды, 21, № 6: 617 (1999). 18. Ю. И. Петров, Физика малых частиц (Москва: Íаука: 1982), с. 359. 19. J. D. Caniere, R. Rechstreiner, and M. A. Smithard, Solid State Commun., 19, No. 10: 939 (1976). 20. C. G. Granquist and O. Hunderi, Zeitschr. fur Phys. B, 30, No. 1: 47 (1978). 21. R. P. Rouard and A. Messen, Prog. Opt., 15: 79 (1977). 22. Т. С. Калебина, И. С. Кулаев, Успехи биол. наук, 41: 105 (105).

Формирование наночастиц благородных металлов в пористых кремнеземах и биологических матрицах

Institution

Similar Items