Нaнoбөлшeктep және олардың классификациясы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 20 бет
Таңдаулыға:

1 Әдеби шолу

Нaнoбөлшeктep және олардың классификациясы

Нанобөлшектер, олардың қасиеттерін зерттейтін ғылыми жұмыстар саны соңғы 20 жылда көз ілмес жылдамдықпен өскенімен, олардың қолдану тарихы жүздеген жылдар бұрын басталды. Мысалы, Қытайда керамикалық фарфор ыдыстарын безендіргенде алтын нанобөлшектерін неорганикалық бояғыш ретінде мыңдаған жылдар бұрын қолданды.
Нанобөлшектер жартылай өткізгіштер электроникасы, медицина, биотехнология сияқты өндірістің көптеген салаларында қолданылады. Медицинада нанобөлшектерге негізделген диагностикалық және терапевтік құралдарды жасау және тәжірибеге енгізуге байланысты зерттеудің екі негізгі бағыты бар, олар вирустық және онкологиялық ауруларды диагностикалауға және емдеуге арналған дәрілік заттарды жасау болып табылады.
Нанобөлшектердің негізінен екі түрін ажыратады, нанокластерлер немесе нанокристаллдар және нанобөлшектер. Нанокристаллдарға құрамындағы атом саны 1000-нан аспайтын, өлшемі 1-5 нм болатын, реттелген құрылымды бөлшектер жатады. Ал нанобөлшектерге, 103-108 атомнан тұратын, өлшемі 5-100 нм болатын бөлшектер жатады. Жіп және пластинка тәріздес бөлшектерде атомдар саны әлдеқайда көп және шекті мәннен асатын бір немесе екі сызықтық өлшемге ие болуы мүмкін, бірақ олардың кем дегенде бір бағыттағы қасиеттері, нанокристалды күйдегі затқа тән болып қалады. Құрылымы мен пішіні күрделі нанобөлшектерді сипаттайтын қасиеті ретінде құрылымдық элементтің өлшемі қолданылады. Осындай бөлшектерді наноқұрылым деп атайды, олардың сызықты өлшемі 100 нм асу мүмкін.
Нанобөлшектің сызықтық өлшеміне байланысты олар келесідей бөлінеді,
Материалдың макроскопиялық өлшеу тұрғысынан нөлдік өлшемді бөлшектерге бос және тұрақтандырылған кластерлер, фуллерендер және эндофуллерендер, квантты нүктелер, сфералы мицеллалар, коллоидты ерітінділер зольдер, микроэмульсиялар жатады.
Бір өлшемді бөлшектердің тек қалындығы наноаралықта жатады, ал ұзындығы мен ені кез-келген өлшемді болуы мүмкін. Бір өлшемді бөлшектерге наноөзектер, наножіптер, наноленталар, нанотрубкалар жатады.
Екі өлшемді бөлшектердің көлденең өлшемі наноаралықта, ал ұзындығы кез-келген болуы мүмкін. Нөлдік және бір өлшемді наноқұрылымдарға қарағанда, екі өлшемді нанообъекттердің саны көбірек. Оларға қалындығы жүздеген нанометрге дейін болатын пленкалар мен гетероқұрылымдар, Лэнгмюр−Блоджетт пленкалары, нанотабақшалар, адсорбциялы және өздігінен құрастырылатын моноқабаттар, сонымен қатар өлшемі нанометр аралығында болатын, екі өлшемді массивті обьекттер жатады.
Үш өлшемді көлемді бөлшектер деп, үш өлшеміде наноаралықта жататын бөлшектерді атайды. Үш өлшемді наноқұрылымдарға нанобөлшектер, қабықшасы бар нанобөлшектер, нанокомпозиттер, сонымен қатар өздігінен ұйымдастырылған нанобъектілердің үш өлшемді массивтері жатады. Аталған композиттер нөлдік өлшемді, бір өлшемді, екі өлшемді құрылымдардан тұруы мүмкін, яғни кванттық нүктелер, жіптер мен көп қабатты пленкалар, қабатты қосылыстар және олардың тіркесімі түрінде болуы мүмкін 1-3. Сонымен қатар бұрын тек математикалық модель ретінде қарастырылған фраталдар мен дендримерлер сияқты аралық өлшемді құрылымдардың болуы мүмкін анықталды. 4
Жоғарыда аталған наноқұрылымдармен салыстырғанда металл нанобөлшектері әлдеқайда икемді болып келеды. Бөлшектердің икемділігі олардың пішінін, өлшемін, құрылымы мен құрамын, сондай-ақ, олардың оптикалық қасиеттерін қайта құруын синтетикалық бақылау мүмкіндігіне байланысты. Металды наноқұрылымдардың ішінде, биоконъюгация мен синтезі қарапайым және тез болуына байланысты, күміс және алтын коллоидтары нанобиотехнологияда болашағы зор. Металл нанобөлшектері биомолекулалық ультрасезімталды анықтау, қатерлі ісікті гипертермиялық емдеу, жасушаларды таңбалау және терапевтік агенттерді жасушаларға жеткізуге арналған, материал-платформа рөлін атқарады.
Күміс, алтын, платина, палладий, родий, рений және т.б. асыл металдардың сұйық және газтәріздес заттардың әсеріне коррозиялық тұрақтығы және жоғары температурада термиялық тұрақтығы олардың ерекше сипаттамасы болып табылады. Бөлшекті массивті өлшемінен наноөлшемге ауыстыру, оның бірқатар физико-химиялық қасиеттерін өзгертеді. Осындай құбылыстарды өлшемді эффект деп атайды. Металлдық нанобөлшектердің оптикалық касиеті, олардың көлемді аналогтарынан ерекше ететін қаситтерінің бірі 5. Бұл беттік локализацияланған плазмондық резонанс деп аталатын эффектпен байланысты. Яғни, металл бетіне жарық түскен кезде, жарық толқының бір бөлігі металл бетінде таралуы нәтижесінде, беттік плазмон пайда болады. Беттік плазмон - металлдиэлектрик бетінде карама-карсы бағытта таралатын беттік өткізгіш электрон топтары. Плазмон көлемді металл бетінде пайда болғанда, материалда электрондар бос қозғала алады, сол себепті эффект байқалмайды. Ал нанобөлшектерде плазмон кеңістікте локализацияланған, соған байланысты плазмон кеңістіктің кішкентай бөлігінде синхронды, артқа-алға қозғалады.
Беттік локализацияланған плазмондық резонанс энергиясы, қоршаған ортаның және материалдын диэлектрлік функциясына, нанобөлшектін формасының пішіні мен өлшеміне сезімтал. Яғни қандай да бір лиганд, мысалы ақуыз металл нанобөлшегінің бетіне қосылғанда, беттік плазмондық резонанс энергиясының мәні өзгереді. Сонымен қатар, аталған эффект басқа да өзгерістерге сезімтал, мысалы, беттік белсенді заттардың немесе иондардың қатысуымен өзгертілуі мүмкін, нанобөлшектер арасындағы қашықтық. Бұл эффект металл нанобөлшектерімен қатар, металлды пленкалар сияқты басқада наноқұрылымдарда байқалады 6,7.

Сурет 1. Күміс және алтын нанокристаллдарының пішіні мен өлшемінің оларың оптикалық қасиеттеріне ықпал етуі
Ю.Д. Третьякова, Нанотехнологии. Азбука для всех, 249 бет

Металл нанобөлшектеріндегі беттік плазмонды резонанс эффектінің бір салдары, плазмондардың резонанстық когерентті тербелісі есебінен көзге көрінетін сіңу тән. Нәтижесінде, металлды нанобөлшек коллоидтары, көлемді аналогтарына тән емес, күлгін, қызыл, тоқсары сияқты түстерді көрсете алады. Нанобөлшектердің бұл оптикалық қасиеті, бөлшек өлшемі мен пішініне тәуелділігі бірінші суретте көрсетілген.
Аталған оптикалық қасиеттер, қазіргі танда биохимияда үлкен қолданысқа ие. Мысалы ретінде беттік плазмон резонанс-детекторларын келтіруге болады. Екі орта арасындағы шекарада молекулааралық кешендердің түзілуі, олардың біреуінің сыну көрсеткішінің өзгеруімен жүреді, бұл детектормен жазылатын, беттік плазмонды резонанс параметрлерінің модуляциясына әкеледі 8-10. Іс жүзінде беттік плазмонды резонанс детекторлары рефрактометрлер болып табылады. Беттік плазмонды резонанс негізінде молекулааралық өзара әрекеттесуді зерттеу үшін, практикалық аналитикалық есептерді шешу үшін қолданылатын көптеген сенсорлық жүйелер жасалды.
Беттік плазмонды резонанс анықтау технологиясы әмбебап сипатқа ие және төмен молекулалық объектілерді, макромолекулаларды, олардың агломераттарын, вирустарды, тіпті тұтас жасушаларды да өзара әрекеттесуін тіркеуге мүмкіндік береді. Бұл әдісті фундаменталды зерттеулерде, медицинада, экологиялық мониторингте, тамақ қауіпсіздігін бақылауда және басқа салаларда қарқынды қолдануға әкелді [11,12].
Қазірге кезде, беттік плазмонды резонанс-детекторларын жетілдіруде, сезімталдығын арттыру [13] және көптеген өзара әрекеттесулерді бір уақытта тіркеу жүйелерін құру [14] бағытында зерттеу жұмыстары жүргізілуде.
Бионаномедицинада емдеу әдістерін жетілдіру үшін көпфункционалды: диагностикалық және терапиялық функцияларын біріктіретін агенттердің қажеттілігі бар. Мұндай агенттер ретінде локализацияланған беттік плазмонды резонанс қасиеті бар металл нанобөлшектері болуы мүмкін. Нанобөлшектер бетінің жоғары химиялық активтілігі, оларды модифицирлеуге, ал локалды беттік плазмонды резонанс эффектісі гипертермия арқылы жасушаларды селективті жоюға немесе анықтауға мүмкіндік береді 15,16.

Нанобөлшектерді синтездеу әдістері

Нанотехнологияда қолданылатын физикалық, химиялық, физика-химиялық әдістер негізіндегі нанобөлшектер синтезі, 2 әдістің біреуіне негізделеді. Олар: жоғарыдан төмен және төменнен жоғары.
Жоғарыдан- төмен негізінде жасалған әдістер, жартылай өткізгіштер өнеркәсібінде компьютерлік микросұлбалардың әр түрлі элементтерін өндіру үшін қолданылатын өндіріс әдістеріне негізделген.. Бұл әдіс литография деп аталады және бастапқы материал - резисттен, микрон өлшемді құрылымдарды іріктеп алып тастау үшін жарық немесе электронды сәулені қолданады. Орынкуль апайдын китабынан взять описание
Төменнен жоғары тәсілдер - атомдық және молекулалық бірліктердің, нанометрлік өлшемдегі немесе одан үлкен өлшемдегі молекулалық құрылымдар құру үшін жиналуына негізделген. Бір немесе бірнеше мономерлерден макромолекулаларды құру төменнен жоғары тәсілінің мысалы болып табылады.
Аталған әдістердің кең тарауына қарамастан, олар негізінен көп шығын мен еңбекті талап ететін, қоршаған ортаға және тірі организмдерге қауіпті әдістер болып табылады 17,18. Яғни, нанобөлшектерді өндірудің экономикалық тиімді және экологиялық таза, сонымен бірге қауіпсіз әдістерінде қажеттілік айқын байқалады [19-21].
Соңғы онжылдықта көптеген биологиялық жүйелер, соның ішінде өсімдіктер мен балдырлар [22], диатомды балдырлар [23,24], бактериялар [25], ашытқы [26], саңырауқұлақтар [27] құрамындағы ақуыз және метаболиттер жүргізетін тотықсыздану процесі арқасында бейорганикалық металл иондарын металдың нанобөлшектеріне айналдыра алатыны дәлелденді.

Сурет-2. Нанобөлшектер синтез әдістерінің классификациясы

Жалпы, металл нанобөлшектерінің биосинтезі келесі себептермен туындады.
Бөлшектерді синтездеудің классикалық химиялық әдістері, металл катиондарының бейтарап атомдарға дейін тотықсыздану реакцияларына, яғни редокс- реакцияларына негізделген. Кейін оларды күрделі наноөлшемді құрылымдарға біріктіру және сонымен бірге биототықсыздандырғыштың тотығуы:

Өсімдіктер мен жануарлар ағзасында өтетін реакциялардың басым көпшілігі редукс - реакциялары, ал табиғи наноқұрылымдар мен жоғары молекулалық қосылыстардың көбі биототықсыздандырғыштар 29.
Биототықсыздандырғыштар улы емес, биологиялық ыдырайтын және биологиялық материалдардан алу жолы оңай 30.
Биототықсыздандырғыштардың көбіне, әсіресе биополимерлерге (полисахаридтер мен ақуыздар) коллоидты тұрақтандырғыш қасиеттері тән.
Биототықсыздандырғыштар қызыметін органикалық спирттер, альдегидтер, кетондар, күрделі қышқылдар, метаболизмнің көптеген қарапайым және күрделі өнімдері, биологиялық белсенді заттар, өсімдіктердің экстракттары атқара алады [31,32].
Өсімдіктер тамырлар мен капиллярлық жүйелер арқылы өсу барысында топырақтан немесе судан қоректік заттар мен минералды заттарды, оның ішінде қымбат және ауыр металдарды сіңіреді. Осыған байланысты өсімдіктерді құнды металдарды алу үшін шикізат ретінде пайдалануға болады. Өсімдіктердегі металдардың биоаккумуляция процесін зерттеу нәтижесінде металдар әдетте нанобөлшектер түрінде шөгетіндігі анықталды. Мысалы, Brassica juncea (қыша) және Medicago sativa (жоңышқа) субстрат ретінде күміс нитратында өсіргенде өз салмағынаң 13,6% дейінгі мөлшерде, өлшемі 50 нм болатын күміс нанобөлшектерін жинады [33].

Жacыл тeхнoлoгия әдіcімeн нaнoбөлшeктepін aлу жoлы

Металл тұздары мен иондарының металдың нанобөлшектеріне айналуының механизмі толық дәлелденбеген, дегенмен, жалпы оларға биоредукторлар (полисахаридтер, ақуыздар, полинуклеин қышқылдары, флавоноидтар, органикалық қышқылдар және т.б.) белсенді қатысатыны белгілі. Метал катиондарының бейтарап атомдарға дейін тотықсыздану реакцияларына метаболиттердің барлығы (метаболизм өнімдері) қатыса алады, өйткені олардың барлығында тотықсыздандырғыш сипаттағы функционалды топтар бар ( - NH2, - OH, - CHO). Бұл әр түрлі биополимерлер полисахаридтер, белоктар, полинуклеин қышқылдары, моносахаридтер, флавоноидтар, амин қышқылдары, терпиноидтар, көптеген табиғи бояғыштар мен пигменттер. Осы метаболиттердің көпшілігінде іргелес орналасқан және хелаттық қасиет (), яғни металл катиондарын кешенге байланыстыру қабілетін көрсететін - OH, - COOH, - NH2 топтары бар.
Металл катиондарының метаболиттері хелатты топтарымен иондық және координациялық байланыстармен байланысады, бұл кейінгі тотықсыздану реакциясын жеңілдетеді. Металл катиондарының комплекстерге бірігу және тотықсыздануы, ортаның рН-на байланысты, өйткені сілтілі ортада - OH, -COOH сияқты функционалды топтар теріс зарядқа ие болады, ал қышқыл ортада бұл топтар бейтарап, тек NH3+ тобы оң зарядқа ие.
Метаболиттердің барлығы метал катиондарының биототықсыздандырғыштары ғана емес, сонымен қатар олар металл нанобөлшектерінің коллоидтық нанодисперсиясының қалыптасуының барлық басқа сатыларына қатысады (олар кластерлер құрамына кіреді, дисперсиялық тұрақтандырғыштардың қасиеттерін көрсетеді).
Бірақ сонымен бірге өсімдіктерді металдың нанобөлшектерін синтездеуге арналған биореакторлар ретінде қолданудың белгілі бір шектеулері бар, оларды осы технологияны өнеркәсіптік қолдану кезінде ескеру қажет. Біріншіден, нанобөлшектердің мөлшері мен пішіні олардың өсімдікте орналасуына байланысты өзгеріп отырады, бұл әр түрлі тіндердегі металл иондарының құрамындағы айырмашылықтарға және нанобөлшектердің ену мүмкіндігіне байланысты болуы мүмкін. Тұтас өсімдіктерде түзілген нанобөлшектердің мөлшері мен морфологиясының біртекті болмауы, оларды белгілі бір мақсатта қолдану үшін қиындықтар тудырады. Екіншіден, өсімдік материалынан нанобөлшектерді тиімді алу мәселесі туындайды. Үшінщіден, тұтас өсімдікте синтезделген нанобөлшектердің формасын нарық талаптарына сай бейімдеу мүмкін емес. Осыған байланысты, соңғы жылдары металл иондарын нанобөлшектер түзе биототықсыздандыру үшін өсімдік экстрактын қолданылатын әдістер дамытылып жатыр. Осындай тәсіл мысалы, ортаның рН, реакция өткізу температурасын өзгерту арқылы нанобөлшек пішінің мен өлшемін бақылауға және кейінгі тазартуды жеңілдетеді. Металл иондарын сіңіру және өсімдік бойында таралуына уақыт қажет емес болғандықтан, реакция бірден басталады, осыған байланысты тұтас өсімдіктегі нанобөлшек синтезіне қарағанда, осы әдіс әлдеқайда тез жүреді. Сонымен қатар бұл тәсілдің артықшылығы, әр-түрлі өсімдіктердің экстрактарын және қышқылдардың, металл тұздарының әртүрлілігімен үйлестіру арқылы дәлелденді 34,35-37.
Мысалы, Azadirachta indica экстрактын тетрахлоралтын қышқылын (HAuCl 4 ) тотықсыздандыру үшін қолданды, нәтижесінде өлшемі 50- 100 нм болатын, жалпақ үшбұрыштар мен алтыбұрыштар алынды. Сонымен қатар, Azadirachta Indica өсімдігінің шырыны күміс нитратын, өлшемі 5 -25 нм болатын полидисперсті сфералы нанобөлшектерге тотықсыздандырады [40]. ИК-Фурье спектроскопия әдісі қант, терпеноидтар, полифенолдар, алкалоидтар, фенолды қышқылдар мен ақуыздар сияқты метаболиттер металл иондарын тотықсыздандыру және кейінгі тұрақтандыру процесінде маңызды екені көрсетті [41-44]. Сонымен қатар наноқұрылымдардың өлшемі мен морфологиясын басқару аталған биомолекулалардың металл иондарымен өзара әрекеттесуімен байланысты [40]. Түрлі өсімдіктер биологиялық активті компоненттердің құрамы мен концентрациясы бойынша ерекшеленуі нанобөлшектердің морфологиялық түрлілігін үшбұрыштар, алтыбұрыштар, бесбұрыштар, сфералар, эллипсоидтар, наноқұбырлар және т.б. жартылай түсіндіреді.
Алайда топырақта өсірілген өсімдік экстрактарға кейбір кемшіліктер тән. Сонымен, табиғи жағдайда өсімдіктер қоршаған ортаның қолайсыз факторларына ұшырайды, бұл өсімдіктерде белсенді қосылыстардың түзілуіне әсер етуі мүмкін және сәйкесінше экстракттың тотықсыздандыру қабілетіне әсер етеді [38]. Мәдениеттікультивируемые in vitro өсімдіктерінің жасушалары мен тіндерің қолдану, белсенді заттарды алудың балама көзі болып табылады. Жасушалар мен тіндердің мәдениетің қолдану әдісі, метаболиттерді алу үшін бірқатар артықшылықтарға ие [39]. Бұл біріншіден, жыл мезгіліне, климат жағдайларына тәуелсіз өнімнің шығымы және табиғи шикізатпен салыстырғанда экологиялық таза өнімді алу мүмкіндігі. Сонымен қатар, вегетационды кезең бойы өсімдік дамуын басқару, өсіру үшін қолайлы жағдайлар жасау және тұрақтандырғыштар мен тотықсыздандырғыштар концентрациясы ең жоғары болатын фазада шикізатты таңдау мүмкіндігі қосымша артықшылығы болып табылады.
Өсімдік экстракттары мен өсімдітерде синтезделген нанобөлшектердің ИК-Фурье-спектроскопиясы, терпеноидтар жиі нанобөлшектермен ассоцияланатының көрсетті. Терпеноидтар бұл өсімдіктердің бескөмертекті изопрен буындарынан синтезделетін түрлі органикалық полимерлердің классы. Зерттеушілердің ұсыныстары бойынша герань жапырақтарынан алынған экстрактта күміс иондарының нанобөлшектерге айналуында терпеноидтар шешуші рөль атқарады 40. Сонымен қатар Cinnamomum zeylaniсum өсімдігінің негізгі терпеноиды, эвгенол, HAuCl4 және AgNO3 қосылыстарының нанобөлшектер түзе биототықсыздануында негізгі үлес қосатының анықталды 44. ИК-Фурье-спектроскопия нәтижелері негізінде эвгенол ОН-тобының протон диссоциациясы, резонансты құрылымдардың түзілуіне әкеледі. Түзілген құрылымдардың тотығуы, нанобөлшектерді түзуімен металл иондарының белсенді тотықсыздануымен қатар жүреді.
Полифенолды қосылыстардың үлкен тобын жалпы флаваноидтар деп атайды. Онын ішінен келесі класстарды бөледі, антоциандар, изофлаваноидтар, флаванолдар, халкондар, флавондар және флаванондар. Флавоноидтар құрамында түрлі функционалды топтар бар, осыған байланысты олар металл иондарын хелатты комплекске енгізіп оларды тотықтыру қасиетіне ие. Яғни флавоноидтардың енолды формасынан кетоформаға таутомерлі ауысуы, металл иондарын тотықсыздандыра алатын реакцияға қабілеттілігі жоғары сутек атомын босатады. Мысалы, Ocimum basilicum өсімдік құрамындағы лютеолин мен розмарин қышқылының таутомерлі ауысуы, күміс иондарынан күміс нанобөлшектерінің түзілуінде шешуші роль атқарады [45].
Ал кейбір флаваноидтар металл иондарын карбонилды топтары немесе PI-электрондары арқылы хеллаттау қасиетіне ие. Мысалы, кварцетиннің хелаттау қабілеті жоғары, ол оның карбонилды тобы және С3 және С5 орындағы гидроксил тобы, С3' және C4' орындағы катехол тобы арқылы үш хелатты цикл құруымен байланысты. Осы механиздер флаваноидтардың қалыптаса бастаған нанобөлшектердің бетінде адсорбциялану қабілетін түсіндерді. Яғни, олар нанобөлшектредің нуклеация, агрегация және биототықсыздану сатыларына қатысады. Сонымен қатар, оқшауланған флавоноидтар мен олардың гликозидтері металл нанобөлшектерінің түзілуіне ықпал етеді.Мысалы, Lawsonia inermis өсімдігінен бөлінген апигенин гликозиді, апиин өлшемі 21-30 нм аралығындағы анизотропты алтын және квазисфералық күміс нанобөлшектердің синтезінде қолданды 46. ИК-Фурье нәтижелері бойынша апиин анобөлшектерге карбонильды топ арқылы тіркелегені анықталды.
Өсімдікте немесе өсімдік экстракттынан синтезделген нанобөлшектерге ИК-Фурье анализі, алынған нанобөлшектер өте жиі ақуыздармен ассоциациаланғанын көрсетті. Аминоқышқылдарының металл иондарын байланыстырып, оларды тотықсыздандыру қабілеті әртүрлі екендігі анықталды. Ғалымдар 20 табиғи α-аминқышқылдарының металл иондарын байланыстыру және тотықсыздандыру қабілетін зерттеу нәтижесінде, триптофан алтын иондарының тотықсыздандыруына ең қабілетті, ал гистидин алтын иондарын байланыстыруға қабілеті ең жоғары аминқышқылы екені анықталды.
Аминқышқылдар металл иондарын негізгі тізбектің карбонил тобы және амин тобы немесе глутамин қышқылы мен аспарагин қышқылдарының бүйір орналасқан карбоксил топтары сияқты бүйірлі тізбектер арқылы байланыстыра алады. Металл иондарын байланыстырушы бүйірлі тізбектерге, цистеин аминоқышқылындағы тиол тобы, метионин аминоқышқылындағы жай тиоэфир тобы және серин, треонин, тирозин аминоқышқылдарындағы ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.