ГЛАВА 29: НАНОЧАСТИЦЫ ДИОКСИДА ЦЕРИЯ — ЗАЩИТА ОТ ГИДРОКСИЛЬНОГО РАДИКАЛА

Гидроксильный радикал (ОН*) является одной из наиболее агрессивных активных форм кислорода, он окисляет практически все органические молекулы — в том числе белки, нуклеиновые кислоты и другие биополимеры, способен отрывать атом водорода от молекул ненасыщенных жирных кислот и инициировать перекисное окисление липидов. В результате избыточной генерации ОН* (например, в неблагоприятных условиях окружающей среды, при воспалительных процессах и пр.) в организме развивается окислительный стресс. Помочь справиться с гидроксильным радикалом могут нанотехнологии [1].

Описание задачи

Синтез наночастиц СеO₂, стабилизированных цитратом аммония, и демонстрация их защитного действия в реакции разрушения органического красителя гидроксильным радикалом.

Реактивы, необходимые для работы

1. Вода дистиллированная.
2. Церия(III) хлорид гептагидрат, CeCl₃*7H₂O.
3. Лимонная кислота моногидрат, HOC(COOH)(CH₂COOH)₂*H₂O.
4. Аммиак, NH₄OH, концентрированный водный раствор.
5. Сульфат железа(II), FeSO₄.
6. Пероксид водорода, H₂O₂, 30% раствор.
7. Краситель кристаллический фиолетовый.
8. Изопропиловый спирт, (CH₃)₂CHOH (опционально).

Оборудование, необходимое для работы

1. Стеклянный стакан объёмом 200 мл — 4 шт.
2. Пипетка объёмом 10 мл — 1 шт.
3. Стеклянная палочка — 1 шт.
4. Мерный цилиндр объёмом 200 мл — 1 шт.
5. Весы электронные лабораторные 3-го класса или точнее.
6. Магнитная мешалка с нагревом.

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. Спектрофотометр.
2. Электронный микроскоп.

Описание эксперимента

1. Синтез наночастиц диоксида церия, стабилизированных цитратом аммония

В стакан наливают 100 мл дистиллированной воды, помещают 3.73 г хлорида церия (0.01 моль) и 2 г лимонной кислоты (0.01 моль). Стакан устанавливают на магнитную мешалку и перемешивают его содержимое до полного растворения компонентов. В стакан быстро приливают 10 мл концентрированного раствора аммиака и наблюдают изменение окраски: от бесцветной до жёлтой и коричневой. Включают нагрев и продолжают перемешивание раствора в течение 2-3 часов при 90-95°С (Внимание: работать под вытяжкой!). При этом образуется тёмно-коричневый (почти чёрный) раствор, прозрачный в тонком слое, содержащий наночастицы CeO₂, стабилизированные цитратом аммония. Опционально: золь можно очистить от побочных продуктов (хлорид аммония) переосаждением; для этого в раствор по каплям добавляют изопропиловый спирт до выпадения частиц, осадок отделяют от маточного раствора, перерастворяют B 100 мл дистиллированной воды, добавляют 1 мл аммиака и кипятят 5-10 минут для удаления следов спирта.

Данная методика синтеза позволяет получить золь, содержащий сверхмалые наночастицы CeO₂, обладающие высокой — каталитической и биологической активностью [2].

2. Изучение защитного действия наночастиц диоксида церия

Гидроксильный радикал легко образуется из пероксида водорода в присутствии солей двухвалентного железа (реакция Фентона):

Fe²⁺ + H₂O₂→ Fe³⁺ + ОН^* + ОН^—

Этот радикал разрушает большинство органических молекул и обесцвечивает красители, например краситель кристаллический фиолетовый:

Таким образом, по обесцвечиванию красителя можно отслеживать образование и расходование в системе гидроксильного радикала [3]. На рисунке приведён типичный набор спектров поглощения раствора красителя кристаллического фиолетового и соли Fe²⁺ при добавлении разного количества H₂O₂ (0, 0.1, 0.4, 1.0, 2.0 мл).

Готовят свежие растворы сульфата железа(II) (0.2 M), пероксида водорода (0.2 M), кристаллического фиолетового (5 мМ). В два стакана наливают по 100 мл дистиллированной воды, добавляют по 1 мл раствора красителя и 1 мл раствора H₂O₂. В один стакан дополнительно добавляют 2 мл золя CeO₂. В оба стакана приливают по 1 мл раствора сульфата железа, быстро перемешивают и наблюдают изменение окраски. Если реакция происходит недостаточно быстро, можно добавить в оба стакана ещё по 1 мл растворов FeSO₄, и H₂O₂.

Примечания

Очистка золя диоксида церия от примесей снижает его цитотоксичность, что имеет существенное значение в биологических экспериментах. В свою очередь, на протекание описанных выше химических опытов примесь хлоридионов практически нe влияет, и золи дополнительной очистки не требуют.

Дополнительные факты

• Активность наночастиц диоксида церия в реакции ингибирования гидроксильного радикала с красителем кристаллическим фиолетовым существенно зависит от свойств наночастиц СеO₂: с уменьшением размера защитное действие частиц возрастает [4].

• Оказалось, что наночастицы СеO₂ активно защищают от АФК (и гидроксильного — радикала) нормальные клетки, но гораздо слабее защищают клетки опухоли (и даже сами по себе токсичны для некоторых — видов рака). Если к стабилизированным цитрат-анионом наночастицам СеO₂ в качестве дополнительного лиганда прикрепить фолиевую кислоту, такой «троянский нанобукет», способный избирательно накапливаться в раковых клетках, может быть использован в редокс-терапии злокачественных опухолей [5].

Полезная литература

1. Иванов В.К. Щербаков A.B., Баранчиков А.Е., Козик В. В. Нанокристаллический диоксид церия: свойства, получение, применение. Томск: Изд-во Томск. yн-тa, 2013. 284 c.

2. Иванова О. С., Шекунова Т. О., Иванов В.K. и др. Одностадийный синтез коллоидных растворов диоксида церия для биомедицинского применения // Доклады РАН. Сер. Химия. 2011. Т. 437. С. 638-641.

3. Xue Y., Luan Q.F, Yang D. et al. Direct evidence for hydroxyl radical scavenging activity of cerium oxide nanoparticles // The Journal of Physical Chemistry C. V.115. P. 4433-4438.

4. Щербаков A.B., Жолобак H.M., Иванов В.K. и др. Синтез и антиоксидантная активность биосовместимых водных золей нанокристаллического диоксида церия, стабилизированных мальтодекстрином // Журнал неорганической химии. 2012. Т. 57 (11). С. 1499-1507.

5. Shcherbakov A.B., Zholobak N.М., Spivak N.Y, Ivanov V.K. Advances and prospects of using nanocrystalline ceria in cancer theranostics // Russian Journal оf Inorganic Chemistry. 2014. V. 59 (13). P. 1556-1575