Projekt: Funkcjonalne nano- i mikrocząstki – synteza oraz zastosowania w innowacyjnych materiałach i technologiach (FUNANO), okres trwałości 2013-2019.



Szeroki zakres zastosowań nanocząstek srebra wynika z ich aktywności biobójczej, którą wykazują w stosunku do wielu patogennych bakterii, grzybów chorobotwórczych oraz wirusów. Rozwinięto metodę syntezy suspensji nanocząsteksrebra na drodze redukcji chemicznej rozpuszczalnych w wodzie soli tego metalu. Zastosowana metoda umożliwiła regulowanie rozmiarów cząstek, eliminując wpływ szkodliwych rozpuszczalników organicznych, surfaktantów oraz wysokocząsteczkowych stabilizatorów (polimerów) stosowanych powszechnie w przypadku stosowania innych metod syntezy. W pierwszym etapie przygotowano roztwory wodne borowodorku sodu i cytrynianu trisodu o kontrolowanym stężeniu. Następnie, intensywnie mieszając, dodawano rozcieńczony roztwór azotanu srebra, kontynuując mieszanie. Reakcję kontynuowano przy ustalonej temperaturze. Wielkość otrzymanych cząstek można regulować prze zmianę stężeń reagentów, temperatury oraz czasu reakcji. Istotnym elementem procesu jest szybkie oczyszczanie mieszaniny poreakcyjnej z nadmiaru odczynników, co skutkuje otrzymywaniem bardziej monodyspersyjnych oraz stabilnych suspensji. Zastosowano w tym celu metodę filtracji mebranowej, znacznie bardziej efektywną, niż metoda dializy lub wirowania. Po oczyszczeniu wykonywana jest dokładna kontrola jakość uzyskiwanych suspensji, obejmująca ich kompleksową charakterystyką fizykochemiczną, min. określenie stężenia masowego nanocząstek, pH i przewodnictwa elektrycznego, widma absorpcyjnego UV-Vis, rozkładu wielkości nanocząstek na podstawie obrazowania transmisyjna mikroskopią elektronową (TEM, AFM) oraz z pomiarów DLS, ruchliwości elektroforetycznej metodą LDV, potencjału zeta, a także stabilności dla szerokiego zakresu pH i siły jonowej.



Aktywność biologiczną nanocząstek srebra uzyskiwanych w procesach redukcji chemicznej można kontrolować nie tylko przez zmianę ich wielkości, ale także przez zastosowanie modyfikatorów nieorganicznych, które zaadsorbowane na powierzchni nanocząstek zapewniają wysoką stabilność suspensji, ponadto wzmacniając ich działanie biobójcze. Do modyfikacji powierzchniowych nanocząstek używano niskocząsteczkowych substancji rozpuszczalnych w środowisku wodnym wodzie, takich jak: heksametafosforan sodu, fosfinian sodu, pirofosforan sodu, trójpolifosforan sodu, tanina, kwas 3,4,5-trihydroksybenzoesowego oraz D-glukoza, dodawanych w trakcie syntezy prowadzonej na drodze redukcji chemicznej prekursorów jonów srebra w środowisku wodnym. Metody oczyszczania i kontroli jakości otrzymywanych suspensji były analogiczne, jak opisano powyżej. Wykazano, że użycie takich stabilizatorów jak heksametafosforan lub trójpolifosforan sodu, powoduje wzrost aktywności biobójczej nanocząstek przeciwko odpornym na antybiotyki szczepom bakteryjnym (E. coli ER2566) a także grzybom fitopatogennym Fusarium culmorum.



Nanocząstki srebra charakteryzujące się dodatnim ładunkiem powierzchniowym są materiałem bardziej pożądanym dla licznych zastosowań praktycznych, m.in. zwiększają wydajność analizy w powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii ramanowskiej (SERS), są także bardziej efektywne w zwalczaniu patogenów (bakterii i wirusów) wykazujących zazwyczaj ujemny ładunek powierzchni. W związku z tym, rozwinięto efektywną metodę syntezy suspensji nanocząstek srebra o dodatnim ładunku powierzchniowym regulowanym zmianą pH. Zastosowano metodę redukcji chemicznej soli srebra w środowisku wodnym stosując jako stabilizatory cysteinę. Tworzenie przez te związki wiązań kowalencyjnych z powierzchnią nanocząstek metali zapewnia ich dużą stabilność ograniczając jednocześnie niekorzystne zjawiska zmiany wielkości cząstek w czasie.Metody oczyszczania i kontroli jakości otrzymywanych suspensji były analogiczne, jak opisano powyżej. Obszerne pomiary kinetyki samoorganizacji tych cząstek wykazały, że osadzają się efektywnie na powierzchniach substratów o ujemnym ładunku powierzchniowym, w tym na powierzchniach membran bakteryjnych oraz błon komórkowych, szczególnie komórek nowotworowych. Ponadto wykazano, że nanocząstki te, w połączeniu z uprzednio syntezowanymi nanocząstkami o ujemnym ładunku powierzchniowym pozwalają na kontrolowane tworzenie biwarstw i filmów na powierzchniach stałych, co ma istotne znaczenie w zastosowaniach praktycznych, np. katalizie heterogenicznej.

.

Opracowaną metodę syntezy suspensji nanocząstek złota mających zastosowanie praktyczne w elektronice, w metodach analitycznych (SERS), w biosensoryce oraz w katalizie. Metoda ta, podobnie jak powyżej opisana, polega na redukcji chemicznej rozpuszczalnych w wodzie soli złota. Umożliwia to regulowanie rozmiarów cząstek, eliminując wpływ szkodliwych rozpuszczalników organicznych oraz wysokocząsteczkowych stabilizatorów (polimerów) stosowanych w przypadku innych metod. W pierwszym etapie syntezy przygotowano roztwór wodny kwasu tetrachlorozłotowego (III). Po ogrzaniu roztworu do kontrolowanej temperatury wprowadzono do niego ze stalą prędkością roztwór borowodorku sodu, przy zastosowaniu kotwicowego mieszadła mechanicznego. Następnie do tak przygotowanej mieszaniny wkroplono, ze stałą szybkością roztwór chlorowodorku 2-aminotioetanolu (cysteaminy) o kontrolowanym stężeniu. Reakcję kontynuowano przy ustalonej temperaturze. Wielkość otrzymanych cząstek oraz ich ładunek powierzchniowy można regulować prze zmianę stężeń reagentów (cysteaminy), temperatury oraz czasu reakcji. Podobnie jak w przypadku syntezy nanocząstek srebra, istotnym elementem procesu jest szybkie oczyszczanie mieszaniny poreakcyjnej przy pomocy filtracji membranowej, co skutkuje otrzymywaniem bardziej monodyspersyjnych oraz stabilnych suspensji. Po oczyszczeniu wykonywana jest dokładna kontrola jakość suspensji, obejmująca ich kompleksową charakterystyką fizykochemiczną, min. określenie stężenia masowego przy pomocy densytometrii, pH i przewodnictwa elektrycznego suspensji, widma absorpcyjne UV-Vis, rozkładu wielkości cząstek na podstawie obrazowania transmisyjna mikroskopią elektronową (TEM, AFM) oraz z pomiarów DLS, ruchliwości elektroforetycznej metodą LDV, potencjału zeta, a także stabilności dla szerokiego zakresu pH i siły jonowej.



Obszerne pomiary kinetyki samoorganizacji syntezowanych przy użyciu cysteaminy nanocząstek złota wykazały, że osadzają się efektywnie na powierzchniach substratów o ujemnym ładunku powierzchniowym, co w połączeniu z nanocząstkami o ujemnym ładunku powierzchniowym pozwalają na kontrolowane tworzenie monowarstw i filmów. Ma to duże znaczenie w zastosowaniach praktycznych, np. katalizie heterogenicznej. Ponadto zjawisko to można wykorzystać w analityce do efektywnej modyfikacji topologii oraz ładunku powierzchni ciał stałych, szczególnie sensorów stosowanych w metodzie mikrowagi kwarcowej (QCM) do wykrywania śladowych ilości białek. Pierwszym etapem jest synteza stabilnych suspensji nanocząstek złota o kontrolowanej wielkości, regulowanej przez zmianę stosunku masowego anionów AuCl4- do reduktora oraz reduktora do stabilizatora, prowadzona w powyżej opisany sposób na drodze redukcji chemicznej. W następnym etapie oczyszczoną metodą ultrafiltracji membranowej suspensję rozcieńcza się do określonego stężenia, ustalając jednocześnie siłę jonową oraz wartość pH. Tak otrzymaną suspensję przepuszcza się przez naczyńko pomiarowe z sensorem krzemowo-krzemionkowym Si/SiO2 ze stałą prędkością objętościową przez kontrolowany czas. W celu otrzymana biwarstw i filmów na sensorze, opisaną procedurę stosuje się wielokrotnie używając naprzemiennie nanocząstek o dodatnim i ujemnym ładunku powierzchniowym. Po zakończeniu procesu dokonywana jest obszerna charakterystyka uzyskanych powierzchni obejmująca pomiary topologii uzyskanych monowarstw lub filmów nanocząstek przy pomocy mikroskopii SEM oraz mikroskopii sił atomowych (AFM). Umożliwia to ilościowe wyznaczenie zarówno stopnia pokrycia, jak również szorstkości (parametru rms) monowarstw i filmów naniesionych na sensory. Ponadto dokonywane są ilościowe pomiary ładunku powierzchniowego (potencjału zeta) modyfikowanych sensorów przy pomocy metod elektrokinetycznych. Warto podkreślić, że opisana metoda umożliwia otrzymywanie sensorów o ściśle zdefiniowanych parametrach topologicznych, stopniu szorstkości oraz dowolnym rozkładzie ładunku powierzchniowego, co ułatwia precyzyjną detekcję analitów makrojonowych, szczególnie białkowych.



Suspensje mikrocząstek polimerowych (lateksy) umożliwiające kontrolowane wiązanie związków biologicznie aktywnychznajdują szerokie zastosowanie w profilaktyce i diagnostyce medycznej. Opracowano efektywną metodę syntezy tych suspensji o kontrolowanych rozmiarach i właściwościach powierzchniowych na drodze polimeryzacji lub kopolimeryzacji emulsyjnej określonych monomerów prowadzonej w środowisku wodnym bez dodatku surfaktantów. Lateksy o ujemnym ładunku powierzchniowym są syntezowane w procesie polimeryzacji emulsyjnej styrenu pozbawionego dodatku stabilizatorów w środowisku wodnym o kontrolowanej sile jonowej i pH, w podwyższonych temperaturach. Syntezę prowadzi się w reaktorze z systemem mieszania zaopatrzonym w kondensator refluksu w atmosferze gazu obojętnego. Jako inicjator reakcji stosuje się nadsiarczan potasu. Kluczowym etapem jest oczyszczanie suspensji na drodze destylacji próżniowej oraz długotrwałej filtracji membranowej, co umożliwia efektywne usunięcie pozostałości reagentów, nadmiaru elektrolitu oraz kontrolę stężenia uzyskanych produktów. Po oczyszczeniu wykonywana jest obszerna charakterystyka fizykochemiczną produktów, obejmująca min. określenie stężenia masowego, pH i przewodnictwa elektrycznego suspensji, rozkładu wielkości cząstek na podstawie pomiarów DLS oraz dyfrakcji laserowej, ruchliwości elektroforetycznej metodą LDV, potencjału zeta, a także stabilności dla szerokiego zakresu pH i siły jonowej. Ze względu na dużą stabilność dla szerokiego zakresu pH oraz siły jonowej i wysoką energię powierzchniową, suspensje te są stosowane szeroko jako do produkcji testów immunologicznych, min. do szybkiego wykrywania i identyfikacji antygenów pałeczek Shigellasonnei, antygenów enetropatogennych pałeczek Escherichia coli (EPEC), do identyfikacji szczepów Staphylococcusaureus (w tym metycylinoopornych - MRSA), a także antygenów pałeczek Salmonella.



Lateksy polimerowe syntezowane w powyżej opisany sposób, ze względu na stabilność oraz znaczny ładunek powierzchniowy są podatne na funkcjonalizację makromolekułami, szczególnie białkami globularnymi, np. immunoglobulinami, prowadzoną przy wykorzystaniu zjawiska adsorpcji fizycznej, co zapobiega ich denaturacji. Opracowano efektywną metodę prowadzenia procesów wiązania substancji białkowych polegająca na inkubacji suspensji mikrosfer w roztworach białek o ściśle kontrolowanym stężeniu. Przeprowadzeniu obszernej charakterystyki roztworów białek umożliwiło odpowiedni dobór parametrów procesu adsorpcji, głownie składu i siły jonowej elektrolity, jak również pH procesu inkubacji. Ze względu na szybką kinetykę fizykochemicznego wiązania białek na mikrosferach, efektywność adsorpcji jest znacznie wyższa, niż w klasycznych metodach prowadzenia testów immunologicznych typu ELISA w studzienkach. Rozwinięto ponadto unikatową metodę kontroli efektywności procesu adsorpcji białek w warunkach in situ opartą na pomiarach ruchliwości elektroforetycznej (potencjału zeta) modyfikowanych mikrosfer prowadzonych przy użyciu metody LDV. Dzięki temu, możliwa jest kontrola zarówno pokrycia powierzchniowego, jak również orientacji cząsteczek białek, co ma istotne znaczenie dla optymalizacji ich zużycia oraz efektywnego prowadzenia testów immonologicznych. Stosując opisaną metodę można wytwarzać funkcjonalizowane lateksy pokryte białkami globularnymi, np. albuminą ludzką, albuminą glikowaną jako markerem cukrzycy, mioglobiną lub fibrynogenem, jako markerem choroby niedokrwienia serca, a także mono- poloklonalnymi immunoglobulinami reagującymi specyficznie z określonymi antygenami.




Opisana metoda służy do kontrolowanej modyfikacji powierzchni substratów stałych w celu zwiększenia ich adhezyjności w stosunku do różnorodnych biocząstek. Szczególne znaczenie mają modyfikacje szkiełek szeroko stosowanych w badaniach immunohistochemicznych i cytologicznych. Modyfikowane powierzchniowo szkiełka nadają się do hybrydyzacji in situ oraz obrazowania patologicznych wycinków tkanek i preparatów cytologicznych, szczególnie nowotworowych bez konieczności użycia dodatkowych spoiw i preparatów wiążących materiał biologiczny. Pierwszym etapem procesu modyfikacji substratów stałych jest ich precyzyjna charakterystyka fizykochemiczna pozwalająca na określenie topografii powierzchni w tym stopnia szorstkości, hydrofobowości oraz parametrów elektrokinetycznych, szczególnie ładunku elektrycznego i potencjału zeta. W ramach niniejszego opracowania technologicznego rozwinięto nowe metody takiej charakterystyki oparte na pomiarach mikroskopii sił atomowych (AFM), oraz na metodzie potencjału przepływu. Opracowano również efektywną procedurę umożliwiające pełną charakterystykę makrojonów o dodatnim ładunku elektrokinetycznym służących do modyfikacji powierzchni, szczególnie określenie gęstości, masy molowej i konformacji cząsteczek przy użyciu pomiarów współczynnika dyfuzji oraz lepkości dynamicznej ich roztworów w warunkach niskich sił jonowych. Modyfikacje powierzchni substratów przy pomocy makrojonów prowadzone są w fazie ciekłej, przy zastosowaniu metody warstwa po warstwie (ang. layer-by layer, LbL) w warunkach transportu konwekcyjno-dyfuzyjnego oraz ściśle kontrolowanych wartościach pH i temperatury. Ilościowa kontrola efektywności tych procesów, szczególnie stopnia homogeniczności pokryć, jest oparta na oryginalnej metodzie wzmocnienia koloidalnego, w której używane są monodyspersyjne suspensje mikrosfer polimerowych (lateksy) o ujemnym ładunku powierzchniowym. Natomiast hydrofilowość powierzchni oraz ich właściwości adhezyjne są kontrolowane przez pomiar statycznego i dynamicznego kąta zwilżania przy użyciu metody sessile drop.



Opracowano metodę preparatyki efektywnych katalizatorów na bazie tlenku żelaza dotowanego chromem aktywnych w procesach wysokotemperaturowej konwersji tlenku węgla z parą wodną (ang. water-shift reaction, WGS). W pierwszym etapie procesu formowania katalizatora prowadzi się syntezę suspensje nanocząstek tlenku żelaza o kontrolowanej wielkości w reakcji kwasowej hydrolizy FeCl3 w fazie ciekłej. Przebieg syntezy i jej wydajność jest ilościowo określana przez pomiar współczynnika dyfuzji (metoda dynamicznego rozpraszania światła, DLS) oraz stężenia wagowego (metoda densytometryczna i grawimetryczna). Suspensje są oczyszczano w procesie filtracji membranowej, a następnie przeprowadzane w postać proszkową, co umożliwia efektywne formowanie złoża katalitycznego. Opracowano również sposób modyfikacji powierzchniowej chromem stosując metodę impregnacji i kalcynacji nanocząstek tlenku żelaza. Kontrola parametrów fizykochemicznych otrzymywanych suspensji i katalizatorów obejmuje ruchliwość elektroforetyczną i potencjał zeta, morfologię i rozkład wielkości cząstek wyznaczane przy pomocy metody DLS, mikroskopii sił atomowych (AFM) oraz mikroskopii elektronowych (TEM i SEM), natomiast powierzchnia właściwa jest wyznaczana metodą BET. Struktura krystalograficzna i skład fazowy próbek wyjściowych oraz próbek po testach katalitycznych jest ilościowo określana przy pomocy metody dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) oraz spektroskopii Ramana. Jak wykazano w testach katalitycznych dla reakcji WGS prowadzonych w reaktorze rurowym ze złożem stałym w temperaturach 200 and 550° następuje transformacja wyjściowych hydroksytlenków żelaza do hematytu (?-Fe2O3), a następnie do magnetytu (Fe3O4), który właściwą fazę aktywną. Potwierdzono, ze katalizatory dotowane chromem preparowane według niniejszej metody wykazują większą trwałość, umożliwiając osiągnięcie termodynamicznie dopuszczalnych stopni konwersji CO dla zakresu temperatury powyżej 450°C.

Kierownik naukowy
projektu:

prof. Z.Adamczyk

Administracja i
zarządzanie projektu:

mgr Magdalena Bodzioch

dr inż.Małgorzata Nattich-Rak