Спосіб утилізації наночасток срібла з водного розчину

Реферат: UA 88969 U UA 88969 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, аналітичної біохімії, біотехнології, біомедичної діагностики, медицини, екології і може бути використана для виведення наночасток срібла з реакційної суміші, а в подальшому їх видалення і з різноманітних рідких середовищ, де вони вже виконали свою функцію, і можуть створювати небезпеку для живих організмів. Останнім часом наночастки різних металів набули широкого застосування в різних галузях науки і техніки, зокрема для розробки новітніх методів біомедичної діагностики, імуносенсингу, адресної доставки ліків, створення нових функціональних матеріалів тощо [1-3]. Особливого поширення набуло застосування наночасток срібла, які вживаються у медичних приладах, виробництві тканин, посуду, мобільних телефонів, комп'ютерів і навіть дитячих іграшок [4] Широковідомими є бактерицидні властивості наночасток срібла, зокрема їх ефективність проти Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumonia, що дозволяють використовувати їх для розробки новітніх медичних препаратів [5], однак з іншого боку, їхня токсичність може поширюватися не лише на патогенні, але й на інші живі організми зокрема, водні. Завдяки своїй здатності проходити через мембранні канали, наночастки срібла можуть виявляти токсичний вплив на центральну нервову систему [6]. В експериментах in vivo показано їхню токсичну дію на печінку і жовчні канали (вакуоляризація, некроз, гіперплазія) [7]. Цитотоксична дія наночасток срібла зумовлена в основному оксидантним стресом, пошкодженням ДНК і порушенням продукції цитокінів [8]. Найбільш уразливим компонентом клітини при цьому виступають мітохондрії [9]. У зв'язку із цим, а також враховуючи лавиноподібне зростання виробництва продукції широкого вжитку, що містить наночастки срібла [10], особливо актуальним стає питання їх коректної утилізації. За прототип вибраний спосіб видалення наночасток срібла з водного розчину в концентраціях мілімолярного діапазону, описаний в [11], шляхом виведення їх з реакційної суміші завдяки утворенню агрегатів при кімнатній температурі, що включає контроль кількості наночасток, які при цьому лишились у розчині, за допомогою методу спектрофотометричного аналізу у видимій і ультрафіолетовій областях світла та визначення їхньої морфології за допомогою методу просвічуючої електронної мікроскопії, що включає їх взаємодію з поверхнею бактерій Aeromonas punctata (грам-негативні паличковидні бактерії, що широко зустрічаються у природних і стічних водах), відомих своєю стійкістю до токсичної дії наночасток срібла, адсорбцію на ній при нейтральному рН шляхом інкубації у шейкері з швидкістю обертання 1500 об/хв протягом 20 хвилин та подальше виведення із системи шляхом центрифугування протягом 10 хв при 1500 g. Використаний спосіб робить можливою достатньо просту і ефективну процедуру виведення наночасток з навколишнього середовища і стічних вод без застосування складних хімічних процесів і дорогих хімічних реактивів. Однак його використання потребує спеціальних умов і устаткування для культивації бактерій. Наночастки при цьому лише механічно адсорбуються на поверхні бактерій, зберігаючи свої потенційно небезпечні властивості. Крім цього використання живих бактеріальних клітин накладає обмеження на умови середовища, в якому можлива процедура очистки. Бактерії роду Aeromonas вважаються умовно-патогенними для людини, і за певних умов можуть викликати гострі кишкові інфекції. Це звужує область застосування прототипу. Задачею корисної моделі є поліпшення утилізації потенційно небезпечних наночасток срібла шляхом не лише їхньої ізоляції і виведення з реакційної суміші, але і знешкодження за допомогою їхньої хімічної модифікації з використанням органічних сполук (глютатіон), а також спрощення і здешевлення цього процесу завдяки відсутності потреби у використанні бактеріальних клітин, спеціальних умов і устаткування для їх культивації. Поставлена задача у способі утилізації наночасток срібла вирішується тим, що виведення їх з реакційної суміші здійснюють шляхом створення агрегатів з молекулами глютатіону змішуванням наночасток срібла з концентрацією 5-10 мМ і глютатіону з концентрацією 2-20 мМ у водному розчині з лужною реакцією при рН 10 та витримування протягом від декількох годин до однієї доби, при наступному співвідношенні компонентів, %: наночастки срібла 0,05-0,1 глютатіон 0,06-0,6 водний розчин з лужною решта. реакцією Відомо, що комплексоутворення з органічними, зокрема сірковмісними сполуками, зменшує токсичність наночасток срібла, в тому числі і шляхом утворення сульфіду срібла [12]. Глютатіон, що є сірковмісною органічною сполукою, завдяки своїм унікальним окисновідновлювальним і нуклеофільним [13] властивостям широко відомий своїми захисними функціями в організмі. Важливою його функцією також є внутрішньо- та міжклітинний транспорт 1 UA 88969 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 металів. Зокрема показано, що тіольна група глютатіону, що містить у своєму складі сірку, утворює надзвичайно сильний зв'язок з поверхнею срібла [14]. Комплекси глютатіону із сріблом в лужних розчинах мають схильність до агрегації, що може бути використано для виведення наночасток срібла з реакційної суміші, а в подальшому і з різноманітних рідких середовищ, що мають забруднення наночастками срібла техногенного характеру. При цьому наночастки не лише механічно виводяться з реакційної суміші, але й знешкоджуються за допомогою хімічної модифікації. Приклад. Як приклад конкретного виконання способу, що заявляється, розглянемо видалення наночасток срібла початкової концентрації 5 мМ з водного розчину з рН 10 за допомогою глютатіону, що брався відповідно в концертрації 20, 2, 0,2 і 0,02 мМ. Зміни у складі розчину контролювалися за допомогою спектрофотометра Umico з часовим інтервалом 10, 60, 120, 180, 240 хв, 1 доба, 3 доби. Візуалізація отриманих результатів здійснювалась за допомогою електронної мікроскопії. Спектрофотометричні дослідження демонструють наявність чіткого піку на довжині хвилі біля 405 нм, що відповідає наночасткам срібла, у всіх досліджуваних сумішах через 10 хвилин після початку експерименту. Однак вже на цьому етапі в суміші з максимальною концентрацією глютатіону 20 мМ спостерігається зміна форми кривої у довгохвильовій області, що дозволяє зробити висновок про початок формування кластерів наночасток. Через годину після початку дослідження характерні зміни форми кривої у довгохвильовій області спостерігаються вже для всіх досліджуваних зразках, при цьому ступінь вираженості даної ознаки чітко залежить від концентрації глютатіону у розчині. Зокрема на Фіг. 1 показано зміни у формі кривої поглинання наночасток срібла при взаємодії з глютатіоном через 60 хвилин після початку реакції. Інтенсивність основного піку при цьому закономірним чином зменшується при збільшенні кількості кластерів. В подальшому відбувається руйнування утворених кластерів з утворенням нерозчинного осаду, про що дозволяє судити згладжування кривої на більш пізніх стадіях дослідження. Отримані результати підтверджуються методом електронної мікроскопії. Зокрема на Фіг. 2 показано зображення наночасток срібла, оброблених глютатіоном, отримані за допомогою електронної мікроскопії (а) на початку дослідження, (б) через 2 години, (в) через 7 годин. Видно, що наночастки срібла, оброблені глютатіоном, що на початку дослідження розподіляються рівномірно, через дві години після його початку виявляють тенденцію до утворення конгломератів, при цьому форма часток змінюється з округлої на неправильну. Через 7 годин після початку експерименту спостерігається деградація наночасток срібла. Випадіння нерозчинного осаду чорного кольору свідчить про утворення сульфіду срібла. Отже, результати дослідження дозволяють зробити висновок про те, що при взаємодії наночасток срібла з молекулами глютатіону шляхом створення агрегатів з молекулами глютатіону змішуванням наночасток срібла з концентрацією 5-10 мМ і глютатіону з концентрацією 2-20 мМ у водному розчині з лужною реакцією при рН 10 та витримування протягом від декількох годин до однієї доби, при наступному співвідношенні компонентів, %: наночастки срібла 0,05-0,1 глютатіон 0,06-0,6 водний розчин з лужною решта. реакцією Утворюються кластери наночасток, які потім руйнуються з утворенням нерозчинного осаду сульфіду срібла, про що свідчить поява у спектрі досліджуваних сумішей додаткового піку у довгохвильовій області з відповідним зменшенням інтенсивності піка срібла і подальшим згладжуванням кривої. При цьому інтенсивність даного процесу збільшується при збільшенні концентрації глютатіону в розчині. Завдяки використанню глютатіону наночастки не лише механічно виводяться з реакційної суміші, але й знешкоджуються за допомогою хімічної модифікації. При цьому відбувається спрощення і здешевлення процесу утилізації наночасток срібла у водному розчині завдяки відсутності потреби у використанні бактеріальних клітин і обладнання, необхідного для їх утримання. Таким чином, технічне рішення, що заявляється, повністю вирішує поставлену задачу. 1. Liu A, Ye B. Application of gold nanoparticles in biomedical researches and diagnosis. Clin Lab., 2013. - № 59(1-2). - Р. 23-36. 2. Erathodiyil N, Ying JY. Functionalization of inorganic nanoparticles for bioimaging applications. Acc Chem Res. 2011 Oct 18. - № 44(10). - Р.925-35. 3. Homberger M, Simon U. On the application potential of gold nanoparticles in nanoelectronics and biomedicine. Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2010 Mar 28. - № 368(1915). - Р.1405-53 2 UA 88969 U 5 10 15 20 25 30 4. Marambio-Jones C, Hoek EMV. A review of the antibacterial effects of silver nanomaterials and potential implications for human health and the environment. J. Nanopart. Res. 2010. - № 12.Р.1531-1551. 5. Duran N, Marcato PD, de Conti R, Alves OL, Costa FTM, Brocchi M. Potential use of silvernanoparticles on pathogenic bacteria, their toxicity and possible mechanisms of action. J. Brazil. Chem. Soc. 2010. - № 21. - Р.949-959. 6. Yang Z, Liu ZW, Allaker RP, Reip P, Oxford J, Ahmad Z, Ren G.A review of nanoparticle functionality and toxicity on the central nervous system. J R Soc Interface. 2010 Aug 6; 7 Suppl 4:S411-22. 7. Cha K, Hong H, Choi Y, et al. Comparison of acute responses of mice livers to short-term exposure to nano-sized or micro-sized silver particles. Biotechnol. Lett., 2008. 8. Asharani PV, Mun G Low Kah, Hande MP, Valiyaveettil S. Cytotoxicity and genotoxicity of silver nanoparticles in human cells. ACS Nano. 2009. - № 3. - Р.279-290. 9. Almofti MR, Ichikawa T, Yamashita K, Terada H, Shinohara Y. Silver ion induces a cyclosporine A-insensitive permeability transition in rat liver mitochondria and release of apoptogenic cytochrome С. J. Biochem. 2003. - № 134. - Р.43-49. 10. Stensberg MC, Wei Q, McLamore ES, Porterfield DM, Wei A, Sepúlveda MS. Toxicological studies on silver nanoparticles: challenges and opportunities in assessment, monitoring and imaging. Nanomedicine (Lond). 2011 Jul. - № 6(5). - Р.879-98. 11. S. Sudheer Khan, Amitava Mukherjee, N. Chandrasekaran Adsorptive removal of silver nanoparticles (SNPs) from aqueous solution by Aeromonas punctata and its adsorption isotherm and kinetics // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces Volume 92, 1 April 2012-P. 156-160. 12. Kim B., Park C.S, Murayama M, Hochella MF. Discovery and characterization of silver sulfidenanoparticles in final sewage sludge products. Environ. Sci. Technol. 2010. - № 44. - Р. 75097514. 13. Krezel A., Bal W. Coordination chemistry of glutathione // Acta biochemical polonica, 1999. V. 46. - № 3. - Р. 567-680. 14. Huang G. G, Han X. X., Hossain M K, Ozaki Y Development of a Heat-Induced SurfaceEnhanced Raman Scattering Sensing Method for Rapid Detection of Glutathione in Aqueous Solutions Anal. Chem. 2009. - № 81. - Р. 5881-5888. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Спосіб утилізації наночасток срібла з водного розчину в концентраціях мілімолярного діапазону, що включає виведення їх з реакційної суміші шляхом створення агрегатів при кімнатній температурі, який відрізняється тим, що виведення здійснюють шляхом створення агрегатів з молекулами глютатіону змішуванням наночасток срібла з концентрацією 5-10 мМ і глютатіону з концентрацією 2-20 мМ у водному розчині з лужною реакцією при рН 10 та витримування протягом від декількох годин до однієї доби, при наступному співвідношенні компоненті, %: наночастки срібла 0,05-0,1 глютатіон 0,06-0,6 водний розчин з лужною реакцією решта. 3 UA 88969 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4