Спосіб одержання наночастинок фториду гадолінію з функціональною полімерною оболонкою

Реферат: Винахід належить до галузі нанотехнологій (нанохімії), а саме одержання наночастинок GdF3, що можуть бути використані у медицині для променевої терапії при лікуванні онкозахворювань і біомедицині для виявлення і знищення патологічних клітин (біосенсори, маркери, ідентифікація генів, діагностика та терапія), а також при створенні нанокомпозитних гібридних сцинтиляційних матеріалів для опто- і мікроелектроніки при реєстрації нейтронних потоків від різноманітних джерел для охоронного та митного контролю, радіаційного моніторингу навколишнього UA 108769 C2 (12) UA 108769 C2 середовища, контролю на атомних електростанціях та виявлення і знищення патологічних клітин під час діагностики. Спосіб включає взаємодію розчину солі гадолінію з розчином фторвмісної речовини і модифікацію поверхні. Як фтормісну сполуку використовують фторид лужноземельного металу, при цьому останній і сіль гадолінію використовують у вигляді водних розчинів. Як модифікатор використовують поверхнево-активний реакційноздатний пероксидовмісний олігомер, одержаний радикальною кополімеризацією функціональних мономерів N-вінілпіролідону, 5-третбутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іну і гліцидилметакрилату або вінілацетату, 5-третбутилперокси-5-метил-1-гексен-3-іну і малеїнового ангідриду, у кількості 0,05-10 % на реакційний об'єм. Одержано наночастинки GdF3 розміром 18-42 нм. Спосіб забезпечує контроль розміру та розподілу за розміром наночастинок, дає змогу отримувати наночастинки з активованою поверхнею та скеровано модифікувати поверхню для надання їй сумісності та/або можливості зв'язування з субстратами різної природи. UA 108769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до галузі нанотехнологій (нанохімії), а саме одержання наночастинок фториду гадолінію, що можуть бути використані у медицині для променевої терапії при лікуванні онкологічних захворювань і біомедицині для виявлення і знищення патологічних клітин (біосенсори, маркери, ідентифікація генів, діагностика та терапія), а також при створенні нанокомпозитних гібридних сцинтиляційних матеріалів для опто- і мікроелектроніки при реєстрації нейтронних потоків від різноманітних джерел, для охоронного та митного контролю, радіаційного моніторингу навколишнього середовища, контролю на атомних електростанціях. Відомий спосіб одержання наночастинок фториду гадолінію, що містить взаємодію розчину солі гадолінію з розчином фторвмісної речовини і модифікацію поверхні дітіофосфатами або гліколятами (Маріна М. Лежніна, Гомас Жастел, Хейк Каткер, Детлеф Вітчер і Ульріх Кунаст. Ефективна люмінесценція наночастинок фторидів рідкоземельних елементів з оптичною функціональною оболонкою - Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 935-942). За способом розчин фториду амонію взаємодіє із розчином нітрату гадолінію (III) при 130-180 °C протягом 24 год. у присутності дітіофосфатів або гліколятів як модифікаторів поверхні. Відомий спосіб одержання наночастинок фториду гадолінію, що містить взаємодію розчину солі гадолінію з розчином фторвмісної речовини та модифікацію поверхні лимонною кислотою (Пат. США № 20070218009 А1 "Lanthanide rich nanoparticles, and their investigative uses in mri and related technologies" кл. А61K 49/10 20060101 A61K 49/10). За способом наночастинки GdF3 одержують взаємодією фториду натрію і нітрату гадолінію (III) при температурі 75 °C у присутності гідроксиду амонію та лимонної кислоти для модифікації поверхні. Відомий спосіб одержання наночастинок фториду гадолінію з функціональною полімерною оболонкою, що містить взаємодію солі гадолінію з фторвмісною сполукою та модифікацію поверхні утворюваних наночастинок (Пат. США № 20120164049 А1 "Метод отримання наночастинок рідкісноземельних фторидів" кл. С01F 17/00; C07F 5/00; C07F 9/02, B82Y 30/00, B82Y 40/00 28.01.2012). Згідно з цим способом утворення наночастинок фториду гадолінію відбувається в результаті взаємодії розчину GdCl3*6H2O у метанолі та розчином поліфункціональної речовини, синтезованої взаємодією плавикової кислоти із N, N-диметилформамідом або метилпіридином, або диметилацетатом. Це забезпечує контроль розміру і форми частинок у процесі синтезу, а також незворотну адсорбцію органічної речовини на поверхні частинок, що утворюються. Для регулювання розміру частинок використовують температурний режим 70°- 170 °C. Для надання заданої функціональності (гідрофобності, гідрофільності) поверхню синтезованих частинок обробляють речовинами, в т.ч. і полімерами, що містять у своєму складі карбоксильні або фосфатні групи. Для формування функціональної оболонки отримані наночастинки фториду гадолінію обробляють L-окси-3,6,9,12,15,18,21-гептаоксадокосіліден-1,1-бісфосфоновою кислотою при температурі 70 °C протягом однієї години. Але у цьому способі не поєднується одночасна модифікація поверхні з формуванням реакційноздатної полімерної оболонки та контроль розміру частинок. Використання органічних розчинників: диметилформаміду або метилпіридину, або диметилацетату, метанолу, а також високо токсичної плавикової кислоти, є небажаним з точки зору екології. Тривалість і трудомісткість синтезу і високі температури також роблять спосіб мало перспективним. Крім того, відсутність реакційноздатних, зокрема пероксидних, груп на поверхні частинок виключає можливість проведення подальшої цілеспрямованої модифікації. В основу винаходу поставлено задачу створення способу одержання наночастинок (НЧ) фториду гадолінію, з функціональною полімерною оболонкою в якому використання реакційноздатних пероксидовмісних олігомерів і дасть змогу забезпечити отримання НЧ GdF 3 з можливістю регулювання розміру і розподілу за розміром у достатньо широких межах, а також подальшої функціоналізації їх поверхні. Поставлена задача вирішується тим, що у способі одержання наночастинок фториду гадолінію з функціональною полімерною оболонкою, що містить взаємодію солі гадолінію з фторвмісною сполукою та модифікацію поверхні утворюваних наночастинок, згідно з винаходом, взаємодію солі гадолінію з фторвмісною сполукою та модифікацію поверхні здійснюють одночасно і у присутності реакційноздатних пероксидовмісних олігомерів формули: РПО І 1 UA 108769 C2 ВЕП NВП CH2 CH CH2 k N O ГМА CH CH2 l C C C C CH3 H3C m O C O:O C H3C CH3 O CH2 CH CH3 CH O CH3 , де k=78,0 %; l=12,0 %; m=10,0 %; або РПО II ВА CH2 ВЕП CH CH2 n CH O O C H3 C 20 C CH l C O CH3 CH3 С CH3 , де n=22,8 %; l=45,0 %; m=32,2 %; у кількості 0,05 %-10 % на реакційний об'єм, як фтормісну сполуку використовують фторид лужноземельного металу, при цьому останній і сіль гадолінію використовують у вигляді водних розчинів. Це дозволяє отримати нанокомпозитні частинки GdF3 з іммобілізованим на поверхні реакційноздатним пероксидовмісним олігомером, регулювати та контролювати їх розмір і розподіл за розміром у процесі синтезу і, одночасно, формувати реакційноздатну олігопероксидну оболонку в результаті хімічної адсорбції реакційноздатного пероксидовмісного олігомеру, що використовується як темплат. А наявність на поверхні НЧ GdF 3 радикалоутворюючих фрагментів, які входять до складу пероксидної оболонки, дає можливість проводити за рахунок радикальної прищепленої полімеризації, без використання додаткового ініціатора, подальшу функціоналізацію поверхні для надання їй сумісності та/або можливості зв'язування з субстратами різної природи для використання при створенні біосенсорів, маркерів, ідентифікації генів, а також формування композиційних наповнених матеріалів для біомедицини, опто- і мікроелектроніки. При цьому, використання водних розчинів робить винахід екологічно безпечним. Перевагою винаходу є його а швидкість і простота. Для одержання НЧ GdF3 з функціональною полімерною оболонкою були використані: реакційноздатні пероксидовмісні олігомери (РПО) загальної формули РПО І ВЕП NВП CH2 O CH CH2 k N ГМА CH CH2 l C C C CH3 m O O:O H3C CH3 C C H3C 25 O O:О H3C 15 O C CH3 10 CH m C C 5 МАНГ C CH2 CH3 O CH CH O CH3 , 2 UA 108769 C2 де k=78,0 %; l=12,0 %; m=10,0 %; або РПО II ВА CH2 ВЕП CH CH2 n CH O C МАНГ m C H3 C O C C CH3 CH O C CH l O C O CH3 O:О H3C С CH3 CH3 5 10 15 де n=22,8 %; l=45,0 %; m=32,2 %, синтезовані на кафедрі органічної хімії Національного університету "Львівська політехніка" радикальною кополімеризацією відповідних мономерів за відомими методиками (A.S. Zaichenko, S.A. Voronov, A.I. Kuzayev, C.M. Shevchuk, V.P. Vasilyev. Control of microstructure and molecularweight distribution of carbon-chain heterofunctional oligoperoxidic curing agents // J. Appl. Pol. Sci, 1998, Vol.70, p. 2449-2455). Характеристики синтезованих РПО наведені у табл. 1. Солі металів - хлорид гадолінію GdCl3 × 6H2O з чистотою 99,999 % і фторид калію KF×2H2O фірми "Aldrich". Аміак водний 25 % кваліфікації "Ч" ГОСТ 3760-79. Вода бідистильована. Пероксидний мономер 5-трет-бутилперокси-5-метил-1-гексен-3-ін (ВЕП) синтезували за відомою методикою (Виленская М.И., Карамов Д.С., Сорокин Е.И. и др. Получение диметилвинилэтинил-метил-трет-бутилперекиси // Хим. промышленность. 1970. № 7. - С. 399400). Гліцидилметакрилат (ГМА), Fluka - очищали вакуумною перегонкою. Малеїновий ангідрид (МА) - очищали сублімацією у вакуумі. Вінілацетат (ВА), Merck - очищали вакуумною перегонкою. 20 Таблиця 1 Характеристика використаних реакційноздатних пероксидовмісних олігомерів Показник, одиниці виміру РПО I Зовнішній вигляд Молекулярна маса, в.о. Поверхневий натяг 5 % водно-аміачного розчину при ККМ, мН/м 25 30 35 РПО II Світло-жовтий Білий порошок порошок 4200 2000 32,9 28,0 N-вініл-2-піролідон (N-ВП), Merck - очищали вакуумною перегонкою. Поверхневий натяг розчинів РПО визначали способом максимального тиску у бульбашці на приладі ППНЛ-1 (Iв.,Франківськ). Вміст ланок ВЕП в олігомерах і на поверхні отриманих частинок визначали способом газохроматографічного аналізу продуктів термічного розпаду в ізокінетичній точці (483К). Вміст ланок малеїнового ангідриду визначався зворотним потенціометричним титруванням розчинів РПО. Вміст ланок N-вінілпіролідону в олігомерах визначали елементним аналізом по вмісту азоту. Середньочислове значення молекулярних мас полімерів визначали способом гельпроникної хроматографії на приладі Waters 510. Структуру кристалічної ґратки, розмір кристалітів мінерального ядра у нанокомпозитних частинках визначали рентгеноструктурним аналізом висушених зразків GdF3 за допомогою дифрактометра ДРОН 3М (СоКα-випромінювання). Середньочисловий розмір частинок GdF3 визначали за допомогою електронного мікроскопа JEМ-200А фірми "JEOL" при прискорюючій напрузі 200 кВ. Вміст полімеру, сорбованого на поверхні та прищепленого в результаті полімеризації до поверхні наночастинок, визначали елементним аналізом. Для створення полімерних сцинтиляторів використовували: 3 UA 108769 C2 5 10 15 20 - Метоксигідрохінон, Aldrich - як інгібітор. - Паратерфініл (ПТ) (Acros) - 1,4-дифенілбензен. Молекулярна маса - 230,3 г/моль. - 1,4-біс-(5-фенілоксазоліл-2)бензол (POPOP) Aldrich. Молекулярна маса - 364,4 г/моль. Спектри люмінесценції реєстрували за допомогою автоматизованої спектральної установки з довжиною хвилі 260 нм, яке виділялось за допомогою первинного монохроматора МДР-2. Як джерело збудження використовувалась воднева лампа. Зразки для досліджень поміщали у прозорі кварцові кювети. Люмінесцентне світло зі зразка попадало на монохроматор МДР-12. Реєстрація світла здійснювалась за допомогою фотопомножувача ФЭУ-100. Сигнал фотопомножувача реєструвався за допомогою ЕОМ. Оптичні характеристики оцінювали поглинанням полістирольних сцинтиляторів на довжині хвилі другої гармоніки неодимового лазера (532 нм). Для вимірювання інтенсивності пройденого світла використовували фотометричну кулю. Приймачем служив фотоелектричний помножувач ФЕП-100, який працював в режимі лікофатомів. Лінійність вимірювання забезпечували у межах 2 6 від 10 до 10 фотонів на секунду. Інфрачервоні спектри адсорбційного шару знімали на приладі "Tensor-27" (Bruker) з -1 приставкою дифузного відбиття Specac "Selector" у діапазоні 500-4000 см . Окремо знімали спектр підкладки, на яку далі наносили дисперсію зразка у воді та знімали сумарний спектр. Спектр олігопероксидного модифікатору на поверхні наночастинок отримували відніманням від сумарного спектру підкладки. НЧ GdF3 з функціональною оболонкою отримували темплатним способом взаємодією водних розчинів солей у присутності реакційноздатного пероксидовмісного олігомеру (РПО I і II). Одержання наночастинок GdF3 відбувається за реакцією: GdCl3 25 30 35 40 + 3KF GdF3 + 3KCl . Приклад № 1 Готують водний розчин солі GdCl3 об'ємом 9 мл. Окремо розчиняють наважку РПО І (N-ВПВЕП-ГМА) у бідистильованій воді (рН=7±0,2); об'ємом 27 мл концентрацією 1 % на реакційний об'єм. Після розчинення олігопероксиду до розчину додають наважку KF×2H 2О у надлишку, виходячи із співвідношення 1,2 моля KF×2H2О на 1 моль солі GdCl3, та ретельно перемішують до повного розчинення. Розчин GdCl3×6H2O додають по краплинах до розчину KF×2H2О при кімнатній температурі та постійному перемішуванні. В результаті отримують білий осад. Осад виділяють центрифугуванням (8000 об/хв.) і багатократно промивають дистильованою водою до нейтрального значення рH та ацетоном від незв'язаного РПО. Отримані наночастинки GdF3 з функціональною оболонкою висушують під вакуумом до постійної маси. Умови синтезу та характеристики отриманих наночастинок наведені у табл. 2. Приклад № 2-4 Наночастинки GdF3 з функціональною оболонкою отримують аналогічно прикладу № 1 при різних концентраціях РПО І на реакційний об'єм. Приклад № 5-7 Наночастинки GdF3 з функціональною оболонкою отримують аналогічно прикладу № 1 при різних концентраціях РПО II (ВА-ВЕП-МА) та рН=10±0,2. Таблиця 2 Умови синтезу та характеристики наночастинок GdF3 з функціональною оболонкою № Концентрація РПО рН прикладу розчину, % РПО I 1 2 3 4 РПО II 5 6 7 Розмір частинок GdF3, нм Вміст полімерної оболонки % Вміст пероксидних груп [О] % на поверхні % 1 2,5 5 10 7,2 7,15 7,22 7,12 42 35,5 35 22 2,5 7 8,9 10 0,30 0,84 1,07 1,20 0,05 0,15 0,19 0,21 0,05 0,1 0,3 10,20 10,18 10,20 30,5 28,9 18,2 3,2 6,5 10,8 1,44 2,92 4,86 0,25 0,51 0,85 Приклад 8-10 4 UA 108769 C2 5 Одержання НЧ GdF3 з функціональною полімерною оболонкою здійснювали водо- і органодисперсійною, зокрема в ізопропіловому спирті і толуолі, полімеризацією стиролу (концентрація мономеру = 4 моль/л), яку ініціювали пероксидними групами, локалізованими на поверхні частинок GdF3 (приклад № 2, табл. 2), при концентрації наночастинок 50 %, Т = 80 °C, час синтезу - 5 год. Конверсія мономерів становить 33-75 %. В результаті отримують наночастинки GdF3 з полімерною оболонкою. Характеристики модифікованих НЧ GdF 3 з полістирольною оболонкою наведені у таблиці 3. Таблиця 3 Характеристики модифікованих наночастинок GdF3 з функціональною полімерною оболонкою № прикладу 8 9 10 10 15 20 25 30 35 40 45 Розчинник Вода Ізопропіловий спирт толуол Максимальна стиролу, % 75 конверсія % прищепленого полімеру загальної кількості полімеру 34,86 60 22,84 47 від 8,17 Полімеризаційний процес ініціюють з поверхні наночастинок GdF 3 за рахунок іммобілізованих пероксидних фрагментів РПО без використання додаткового ініціатора, що свідчить про можливість подальшої цілеспрямованої функціоналізації наночастинок GdF3 для певних застосувань. Приклад 11. Характеристика ІЧ спектрів наночастинок GdF3. Присутність функціональної оболонки на поверхні модифікованих та функціоналізованих наночастинок GdF3 підтверджують ІЧ-спектроскопією. -1 Для всіх синтезованих наночастинок GdF3 характерні смуги в області 2950-2850 см та 1400 -1 см , що належить валентним коливаннням СН2-фрагментів полімерної оболонки наночастинок, причому із збільшенням кількості полімеру на поверхні наночастинок збільшується інтенсивність смуг, що відносяться до валентних коливань цих фрагментів. У спектрі наночастинок, отриманих у присутності РПО І NBП-ВЕП-ГМА, спостерігається відносно інтенсивна широка -1 смуга в області 1760-1650 см , яка належить валентним коливанням С=О фрагментів -1 гліціділметакрилату (область 1750 см ), а також валентним коливанням -N-C=O фрагментів -1 вінілпіролідону (1650 см ). Для полістиролу, який утворює оболонку на поверхні наночастинок в результаті прищепленої полімеризації, ініційованої з поверхні наночастинок GdF3, спостерігаються смуги, характерні для валентних і деформаційних коливань ароматичного -1 -1 кільця в області 1590 см і 710 см . Для всіх зразків наночастинок, які мають мінеральне ядро -1 GdF3 спостерігаються характерні смуги в області 650-630 см , які є характерними для фторидів лантаноїдів. У зразках з полімерною оболонкою зменшується інтенсивність смуги в області -1 3000-3200 см , які відносяться до локалізованих на мінеральній поверхні-ОН груп. Приклад 12. Отримання полістирольного сцинтилятору Розчин стиролу з інгібітором завантажують у скляну термостійку ампулу, відкачують повітря і заповнюють реакційний об'єм аргоном. Ампулу нагрівають до 90 °C і витримують 1 юдину. У нагріту ампулу завантажують 1,5 % ПТ та 0,02 % РОРОР. Витримують реакційну суміш при 90 °C півгодини і піднімають температуру до 135 °C. Наночастинки GdF3 (табл. 2, прикл. 2 і табл. 3, прикл. 10) вводять в реактор при ступені перетворення стиролу 30 %. Після цього піднімають температуру до 150 °C і витримують 48 годин. Спектри люмінесценції полістирольних сцинтиляторів, наповнених наночастинками GdF3, наведені на рисунку, де 20,5 % наночастинок, 3-1,0 % наночастинок, 4-1,5 % наночастинок. Для порівняння наведено спектри полістирольних сцинтиляторів, одержаних без наночастинок - 1. У спектрах люмінесценції спостерігається лише випромінювання люмінесцентних домішок полістиролу, що свідчить про передачу енергії рентгенівських квантів або нейтронів, поглинутих наночастинками, на полістирольну матрицю. У всіх випадках спостерігається збільшення інтенсивності люмінесценції полістирольного сцинтилятору, наповненого наночастинками GdF3, при збудженні рентгенівським випромінюванням. При введенні у полістирольну матрицю наночастинок GdF 3 без полімерної оболонки прозорість полістирольного сцинтилятору зменшується на порядок. При використанні наночастинок із полістирольною оболонкою зменшення прозорості відбувається лише на 25 %. Оптичні характеристики отриманих полістирольних сцинтиляторів наведені у табл. 4. 50 5 UA 108769 C2 Таблиця 4 Оптичні характеристики отриманих полістирольних сцинтиляторів Характеристика наночастинок GdF3 Полістирольний сцинтилятор GdF3 полістирольною оболонкою (табл. 3, прикл. 10) GdF3 без оболонки табл. 2, прикл. 2 Вміст GdF3, % Не містить наночастинок Пропускання світла, % 85 1,33 62 1,00 8,1 Наведені дані досліджень свідчать про отримання передбачуваного технічного результату. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб одержання наночастинок фториду гадолінію з функціональною полімерною оболонкою, що включає взаємодію солі гадолінію з фторвмісною сполукою та модифікацію поверхні утворюваних наночастинок, який відрізняється тим, що взаємодію солі гадолінію з фторвмісною сполукою та модифікацію поверхні здійснюють одночасно і у присутності реакційноздатних пероксидовмісних олігомерів формули: CH3 CH2 CH CH2 k N O CH CH2 l C C C CH3 H3C m O C O:O H3C C C CH2 CH3 O CH CH O CH3 , де k=78,0 %; l=12,0 %; m=10,0 %; або CH2 CH CH2 n CH O C m C O C H3C C CH3 CH O C CH l O C O CH3 O:О H3 C С CH3 CH3 15 , де n=22,8 %; l=45,0 %; m=32,2 %; у кількості 0,05-10 % на реакційний об'єм, як фтормісну сполуку використовують фторид лужноземельного металу, при цьому останній і сіль гадолінію використовують у вигляді водних розчинів. 6 UA 108769 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7