автореферат диссертации по металлургии, 05.16.06, диссертация на тему:Исследование структуры и магнитных свойств наночастиц ферригидрита биогенного происхождения

На правах рукописи

005531ЭТ*

ИЩЕНКО ЛИДИЯ АНАТОЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ ФЕРРИГИДРИТА БИОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Специальность: 05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-8 АВГ 2013

Красноярск - 2013

005531912

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Исхаков Рауф Садыкович

кандидат физико-математических наук, доцент Столяр Сергей Викторович

Официальные оппоненты: Хлебопрос Рема Григорьевич,

доктор физико-математических наук, профессор, Международный научный центр исследований экстремальных состояний организма Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук, директор

Артемьев Евгений Михайлович, доктор физико-математических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», профессор кафедры физика №2

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт химии и химической технологии Сибирского отделения Российской академии наук

Защита состоится «27» сентября 2013г. в 16ч. 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.099.19 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского 26 б, ауд. УЛК 115.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Автореферат разослан «2g» cjiO/U^P 2013г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ~ В. Е. Редькин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние десятилетия наука и промышленность проявляют повышенное внимание к наноматериалам, что обусловлено необычными физическими и химическими свойствами таких материалов, связанных с проявлением так называемых «квантовых/размерных эффектов». Наноматериалы нашли применение в оптике, электронике, магнетизме, механике, катализе, энергетике, биомедицине и т. д [1, 2]. Развитие методов синтеза наночастиц определенных размеров, формы и композиции - это сложная задача и важное направление исследований. Современные методы химического синтеза наночастиц являются энергоемкими, используются токсичные химические вещества, в частности, для стабилизации частиц в растворе применяются несовместимые с биологическими тканями сурфактанты, что ограничивает биомедицинские приложения. Перспективное новое направление в этой области - это «зеленая химия», т.е. использование биологических объектов для производства неорганических наноразмерных частиц [3-7].

Микроорганизмы хорошо известны в промышленной микробиологии и геохимии благодаря своей способности минерализовать большие удельные количества железа в анаэробных условиях, в частности, аккумулируя и ферригидрит. В настоящей работе исследованы структурные свойства наночастиц биогенного ферригидрита, синтезированного бактериями Klebsiella oxytoca, которые легко размножаются в лабораторных условиях, и, следовательно, могут быть использованы как «биофабрики» по производству наночастиц.

Ферригидрит, являясь в объемном материале антиферромагнитным гидроксидом, в нанофазном состоянии представлен частицами, которые обладают постоянным магнитным моментом. Две наиболее известные формы наночастиц ферригидрита отличаются по количеству линий (две или шесть) в картинах рентгеновской дифракции [8]. Соответственно, размер нанокристаллов варьируется от 2-4 им в 2-линейчатой модификации до 5-6 нм в 6-линейчатой модификации. Благодаря высокой удельной поверхности [9] ферригидрит в ультрадисперсном состоянии является химически активным веществом и взаимодействует с рядом экологически важных химических веществ, включая мышьяк, тяжелые металлы, например, свинец или ртуть, с фосфатами и многими органическими молекулами по механизму поверхностной адсорбции/или соосаждения.

Термодинамически ферригидрит - это метастабильная форма оксида железа и предшественник более кристалличных минералов, таких как гематит и гетит [10]. Магнитная восприимчивость наночастиц ферригидрита, усиленная эффектом суперантиферромагнетизма, наряду с наличием зависимости магнитного момента от внешнего поля, предоставляет широкие возможности для магнитного управления этими наночастицами, что открывает путь для использования в наномедицине и биотехнологии.

Ранее было показано, что наночастицы ферригидрита, синтезируемые бактериями Klebsiella oxytoca в ходе биоминерализации растворов солей железа из питательной среды [11-13], проявляют уникальные магнитные свойства: они характеризуются антиферромагнитным порядком, присущим объемному ферригидриту, и спонтанным магнитным моментом, благодаря декомпенсации спинов в подрешетках наночастицы. Было установлено, что бактерия Klebsiella

oxytoca синтезирует два типа наночастиц ферригидрита, различия которых достаточно четко определены с помощью мёссбауэровской спектроскопии [14-16].

Цель работы — разработка способа получения стабильных золей наночастиц ферригидрита биогенного происхождения и выявление перспективных методов обработки для получения новых материалов, включая легирование редкоземельными металлами и термообработку, и исследование структуры и магнитных свойств ферригидрита, синтезированного бактериальной культурой Klebsiella oxytoca.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Разработка методики получения стабильных золей, определение состава оболочки, покрывающей наночастицу, и исследование пространственной локализации наночастиц относительно бактериальной клетки в ходе синтеза;

2. Исследование морфологии наночастиц биогенного феригидрита;

3. Определение фазового состава наночастиц, возникающих в результате термоотжига наночастиц биогенного ферригидрита;

4. Экспериментальное исследование возможности синтеза наночастиц ферригидрита, легированных ионами Gd, бактериальной культурой Klebsiella oxytoca и изучение структуры и магнитных свойств получаемых частиц.

Научная новизна:

1. Разработан способ выделения магнитных наночастиц из бактериальной культуры, изготовлена устойчивая золь.

2. Установлено, что наночастицы синтезируются на поверхности бактериальной клетки;

3. Впервые показано, что биогенные наночастицы ферригидрита характеризуются цилиндрической формой: радиус R=4,87±0,02hm, высота L=2,12±0,04hm и радиус гирации Rg=6,73 ±0,16 нм.

4. Установлено, что структурные различия между кристаллитами двух различных модификаций биогенного ферригидрита, Fe 12 и Fe34, обнаруженные с помощью мёссбауэровской спектроскопии, хорошо коррелируют с различиями в магнитных свойствах, что выявляется существенным различием магнитной восприимчивости этих модификаций частиц Fei 2 и Fe34.

5. Показано, что в ходе термоотжига биогенные наночастицы становятся более дефектными — увеличивается количество позиций Fe34, которые являются зародышами при формировании фазы гематита.

6. Установлено методом Мёссбауэра и анализа кривых намагничивания, что гадолиний встраивается в кристаллическую структуру ферригидрита при добавлении в питательную среду соответствующих солей с концентрацией Gd от 0,057г/л и выше.

Практическое значение работы. Биогенные наночастицы ферригидрита могут быть использованы для направленного переноса лекарственных препаратов, что позволит управлять концентрацией препарата в определенных частях тела, ограничить эффективную поверхность и улучшить влияние на больные ткани без воздействия на здоровые участки тела, например, при лечении онкологических заболеваний. Наличие в наночастицах ферригидрита ионов гадолиния открывает перспективу их использования при комбинированной диагностике в ЯМР-томографии. Другой областью применения наночастиц ферригидрита, содержащих гадолиний, является нейтронозахватная терапия [16].

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ получения водного золя биогенных наночастиц ферригидрита;

2. Результаты исследований по кинетике образования и локализации наночастиц относительно бактериальной клетки;

3. Результаты анализа малоуглового рассеяния рентгеновских лучей по определению формы и размера наночастиц;

4. Результаты магнитных исследований. Величина магнитной восприимчивости частицы Fel2 близка к 10~4 см3/г, что втрое превышает величину аналогичной характеристики фазы Fe34. В гамма-резонансных спектрах параметром сравнения служило квадрупольное расщепление QS, исходя из величины этой характеристики был сделан вывод о том, что кристаллиты Fel2 более упорядочены, чем Fe34. Указанное различие атомных структур и является причиной высокой восприимчивости Fel2. Благодаря обнаруженному различию магнитных свойств впервые для разделения модификаций ферригидрита Fel2 и Fe34 был применен метод магнитной сепарации.

5. Результаты исследования эволюции структуры наночастиц при термическом воздействии. Полного превращения ферригидрит—»гематит не происходит. Конечными продуктами разложения дефектного ферригидрита в результате термообработки являются более "стехиометричный" ферригидрит и фаза гематит. Позиции Fe(34), дефектные для структуры ферригидрита, исходя из параметров сверхтонкой структуры, следует рассматривать как характеристики наноразмерного суперпарамагнитного состояния гематита: IS=0.34-0.36mm/c и QS=1.6-1.9 мм/с.

6. Результаты исследования эволюции структуры и магнитных свойств наночастиц при легировании гадолинием.

Содержание работы соответствует паспорту специальности 05.16.06 — порошковая металлургия и композиционные материалы, входящей в номенклатуру диссертационного совета ДМ 212.099.19, и указанным в нём областям исследования: изучение закономерностей физико-механических, физико-химических процессов получения дисперсных систем в виде частиц и волокон (в том числе и наноразмерных) из материалов на основе металлов, органических и других соединений; создание технологии получения этих материалов и оборудования; термодинамика и кинетика фазовых превращений в частицах, волокнах и наноразмерных порошковых материалах, - а также паспорту специальности 01.04.07 — физика конденсированного состояния и указанным в нём областям исследования: теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений; изучение экспериментального состояния конденсированных веществ (сильное сжатие, ударные воздействия, изменение гравитационных полей, низкие температуры), фазовых переходов в них и их фазовые диаграммы состояния.

Апробация результатов. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях, в том числе: XXXV научная конференция студентов физиков, 11-14 апреля 2006 г., Красноярск, Россия; двенадцатая Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых, 23-29 марта 2006г., Новосибирск, Россия; XXXVI научная конференция студентов физиков, 13-14 апреля 2007 г., Красноярск,

Россия; III Всероссийская конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем», 24-27 апреля 2007г., Томск, Россия; Всероссийская байкальская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам, 16-22 августа 2009г., Иркутск, Россия; IV euro-asían symposium «Trends in MAGnetizm»: Nanospintronics EASTMAG-2010, June 28- July 2, 2010, Ekaterinburg, Russia; 12-th International conference on magnetic fluids, August 1-5, 2010, Sendai, Japan; Structural aspects of biocompatible ferrocolloids: stabilization, properties control and application, August 19-20, 2011, JINR Dubna, Russia; Moscow international symposium on magnetism, MISM 2011, August 21-25, 2011, Moscow, Russia; International Summer School and Workshop complex and magnetic soft matter systems: physico-mechanical properties and structure, 2012, Alushta, Ukraine; International congress "Preparation for the future by promoting the exellence", 2013, Iasi, Romanía.

Диссертация выполнялась в рамках работы по следующим грантам: целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы»: «Магнитные наночастицы на основе Зё-элементов, синтезированные различными технологическими приемами: преципитаты в боратных стеклах, Fe-содержащие частицы биогенного происхождения, частицы Со в гранулированных пленках CoSmO, CoSm/TbFe(DyCo)» (РНП.2.1.1.7376, 2006-2008г.); Российский фонд фундаментальных исследований: «Разработка методов получения магнитных наночастиц с заданными свойствами и новых медицинских технологий на их основе» (09-04-98038-р_сибирь_а, 2009-2010г.); Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности: «Разработка методов получения магнитных наночастиц с заданными свойствами и новых медицинских технологий на их основе» (09-04-98038, 2009-2010г.); Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы», проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению «Создание и обработка кристаллических материалов»: «Получение и магнитные свойства железосодержащих наночастиц, синтезируемых бактериями» (ГК №П986, 20092011г.) и работ по направлению «Физико-химическая молекулярная и клеточная биология»: «Разработка способа адресной доставки противоопухолевых препаратов с использованием магнитных наночастиц» (П210, 2011-2012г.).

Личный вклад автора. Диссертация является самостоятельной работой, обобщившей результаты, полученные лично автором, а также в соавторстве. Непосредственно автором в представленной работе выполнено: получение образцов для исследований и последующая термическая обработка. При участии автора в лаборатории Физики магнитных пленок ИФ СО РАН проведены магнитные измерения на вибрационном магнитометре и проведен анализ всех полученных данных. Автор также принимал непосредственное участие в анализе данных малоуглового рассеяния рентгеновских лучей и спектров Мёссбауэра. Задачи экспериментальных исследований по диссертационной работе сформулированы научными руководителями. Обсуждение и интерпретация полного набора экспериментальных данных проводились совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 188 наименований. Полный объем работы составляет 141 страница, 64 рисунка и 14 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи, основные положения, выносимые автором на защиту. Также подчёркнуты их новизна и практическая ценность.

Первая глава посвящена обзору литературных данных. Описываются физикохимические предпосылки зарождения наночастиц. В частности, обзор охватывает способы получения самих наночастиц и обработку поверхности для диспергирования в жидкости-носителе. Описаны примеры применения золей магнитных наночастиц в медицине. В заключение главы изложены ранее достигнутые результаты в получении и описании структуры и магнитных свойств наночастиц, синтезированных бактериальной культурой Klebsiella oxytoca.

Во второй главе представлена технология синтеза биогенных наночастиц, описаны методы отделения наночастиц от бактериальной культуры и изготовления магнитных золей и их экспериментальных исследований. Бактериальная биомасса культуры Klebsiella oxytoca наращивалась в микроаэрофильных условиях на среде Lovley следующего состава (в г/л): NaHC03 - 2.5, СаС12-Н20 - 0.1, КС1 - 0.1, NH4C1 -1.5 , NaH2P04-H20 — 0.6, дрожжевой экстракт - 0.05. Концентрация цитрата Fe3+ варьировалась от 0.2 до 5 г/л. Отбор проб производился от 5 до 50 дней после засева микроорганизмов в питательную среду в зависимости от требований эксперимента [11].

Для выделения ферригидрита из осадка, полученного при центрифугировании (10 минут, 10000об/мин) 7-10 дневной культуры Klebsiella oxytoca, выращенной на среде Lovley, клетки бактерий разрушались ультразвуком (ультразвуковой дезинтегратор УЗДН (1 мин, 44 кГц, 20 Вт)) 3 раза по 3 мин в дистиллированной воде с интервалом 10 минут. В течение всего процесса выделения наночастиц при обработке суспензии ультразвуком температура нагревания не превышала 50°С для того, чтобы предотвратить процесс распада органических соединений, покрывающих минеральное ядро ферригидрита. Затем проводилось центрифугирование осадка при 10000об/мин в течение 10 мин, осадок снова заливали дистиллированной водой и повторяли цикл 3 раза. Далее полученный осадок для удаления жирных кислот заливали ацетоном, диспергировали ультразвуком, инкубировали 30 минут, затем центрифугировали при 10000об/мин в течение 10 мин. Полученный осадок промывали дистиллированной водой и снова центрифугировали. После этого полученный осадок диспергировали ультразвуком в водной среде, добавляли NaOH до получения 20% щелочного раствора и инкубировали в течение часа, затем центрифугировали при 10000об/мин в течение 10 мин. Собранный материал несколько раз диспергировали в дистиллированной воде, добавляя каждый раз NaCl до конечной концентрации 50 мМ, для осаждения наночастиц, до получения нейтрального рН супернатанта. Полученный конечный осадок снова заливали дистиллированной водой, диспергировали ультразвуком, центрифугировали при 10000об/мин в течение 10 минут для получения золя, при необходимости повторяли процедуру.

Просвечивающая электронная микроскопия порошков наночастиц ферригидрита и водных суспензий проводилась на электронном микроскопе JEM-2010, работающем с ускоряющим напряжением 200 кВ и фотографической системой регистрации изображения, а сканирующая - на сканирующем электронном микроскопе JEOL тип JSM-840. Сведения о размере и форме наночастиц в порошках и золях были получены

методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (МУРР), проведенном на спектрометре Вгискег Ыапс^аг (Институт синтетических полимерных материалов РАН, Москва). Экспериментальная установка охватывает диапазон углов 0 от 0.010.11 А*1. Для определения содержания железа в разбавленных золях наночастиц биогенного ферригидрита, подготовленных для анализа методом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, была измерена спектрофотометрическим методом массовая концентрация общего железа с ортофенантролином.

Измерения методом ФМР были проведены с помощью спектрометра магнитного резонанса на частоте 9.2 ГГц, намагниченность исследуемых наночастиц определялась из площади под интегральной кривой резонансного поглощения. Коэффициент пропорциональности площади под кривой величине намагниченности находился из измерений кривых ФМР эталона - порошка Ре304 (М = 92.16 егпи^, р=5.24 г/см3). Измерения кривых намагничивания проводились на вибрационном магнитометре со сверхпроводящим соленоидом в температурах от 4.2К до 250К и внешних полях до бОкЭ. Трансформация структуры и свойств наночастиц в результате термоотжига и легирования ионами гадолиния исследовалась методом мёссбауэровской спектроскопии. Мессбауэровские измерения проведены с источником Со57(Сг), имеющем ширину линии на полувысоте 0.24 мм/с на поглотителе из порошка нитропруссида натрия. Толщина исследуемых образцов составляла 5-10 мг/см2 по естественному содержанию железа, при которой интенсивности линий спектра линейно связаны с содержанием железа в фазе. Величины изомерных химических сдвигов указаны относительно металлического железа а-Ре. Изучение фазового состава исследуемых наночастиц проводилось на рентгеновском дифрактометре ХЩ} 7000 ЗЫп^ги. Для определения органических соединений, которые покрывают наночастицы биогенного ферригидрита, был проведен инфракрасный спектроскопический анализ с Фурье преобразованием (ИК-Фурье).

В третьей главе содержатся результаты исследований морфологии и магнитных характеристик исходных наночастиц, адсорбированных на бактериальной культуре и стабилизированных гидрозолей наночастиц ферригидрита. В параграфе 3.1 описаны особенности бактериального синтеза биогенных наночастиц. Анализ литературных данных позволил исходить из предположения, что биогенные наночастицы ферригидрита синтезируются на поверхности бактериальной клетки при разрушении комплекса цитрата железа. С целью проверки данной гипотезы было подготовлено несколько образцов, в которых бактериальная культура наращивалась на среде 1_оу1еу, после чего в среду культивирования добавлялся цитратный буфер рН=5 (лимонная кислота 40г/л, рН=7 был установлен с помощью добавления КОН), и далее происходило инкубирование культуры от 1 до 25 часов. По нашему мнению, цитратный буфер должен был обеспечить отделение наночастиц от поверхности клетки.

Культура наращивалась в среде Ьоу1еу в колбах по 0.25л, начиная с седьмого дня, в среду культивирования добавлялось по 0.25л стерильного цитратного буфера, время культивирования культуры с цитратным буфером различных образцов приведено в таблице 1. В контрольный образец была добавлена стерильная водопроводная вода - 0.25л. Биомасса была отделена от надосадочной жидкости и наночастиц при помощи добавления 0.9% №С1 для смыва частиц и центрифугирования (30 мин., 5000 об/мин).

Таблица 1 - Численность выросших колоний при добавлении к основному составу питательной среды нитратного буфера. рН=5__

Название Время Период инкубации Объем Численность,

образца роста культуры после добавляемого КОЕ/мл

культуры, добавления цитратного

день цитратного буфера, буфера рН=0.25,

час л

8-148 8 0 0.25( НлО) 0.52* 10S±0.17* 10s

8-149 7 25 0.25 1.88*108±0.12*108

8-150 7 21 0.25 1.72*10s±0.07*108

8-151 8 6 0.25 3.67* 10s±0.23* 10s

8-152 8 4 0.25 3.91*108±1.9*108

8-153 8 3 0.25 2.01*10s±0.09*108

8-154 8 2 0.25 1.995*108±0.21*10s

Установлено, что добавление цитратного буфера в среду культивирования не значительно влияет на количество жизнеспособных бактериальных клеток в питательной среде, следовательно, цитратный буфер не разрушает клетки. На основании анализа данных Мёссбауэра показано, что после обработки клеточной культуры цитратным буфером и отмывки клеток с добавлением NaCl, наночастицы ферригидрита не были обнаружены в клеточной суспензии, это свидетельствует о том, что наночастицы были полностью отделены от бактериальной клетки. Вышеизложенные аргументы приводят к выводу о том, что предположение верно, и наночастицы ферригидрита синтезируются на поверхности клетки бактерий Klebsiella oxytoca.

Динамика изменения концентрации железа в питательной среде характеризуется двумя особенностями (Рисунок 1).

И

Рисунок 1 - Изменение количества ионов Ре3+ в культуральной среде: а) концентрация ионов железа зависимости от времени культивирования, в г\л; б) логарифм концентрации в зависимости от времени

Немонотонность кривой изменения концентрации железа возникает благодаря разделению процесса на 2 этапа, протекающих с разными скоростями, один из которых - зародышеобразование, в этот период ионы железа занимают все свободные вакансии на поверхности бактериальной клетки, другой - рост частицы.

Метод ИК-Фурье спектрометрии было выявлено, что оболочка биогенных наночастиц ферригидрита в водной золи характеризуется, пиком 3255.0-3216.2 см"1

соответствующим ОН валентным колебаниям. Пик при 2929.5-2926.8 см"1 соответствует СН колебаниям С1; 1406,2 см"1 указывает на наличие ОСН, СОН и ССН групп. Эти пики четко указывают на наличие глюкозы. Кроме того, полоса 1311,1 см"1 указывает на СО связь полисахарида. Предположительно наночастицы ферригидрита встроены в железосвязывающие экзополисахариды. Кроме того, полосы 1636,3 см"1 и 1546,6 см"1 подтвердили наличие амина I и II белков.

На рисунке 2 представлена картина СЭМ порошка ферригидрита, подготовленного высушиванием биомассы (возраст культуры - 8 дней) водной суспензии биогенных наночастид.

Рисунок 2 - СЭМ изображение образца, содержащего наночастицы ферригидрита, отделенные от бактериальной биомассы

На рисунке 3 показано, что наночастицы удерживаются в органической матрице. Характерный размер частиц, оцененный из результатов просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ), составил 1-2 нм.

Рисунок 3 - Изображения ПЭМ золя наночастиц ферригидрита: (а) и (б)

Количественные исследования морфологии и размера частиц были сделаны с помощью анализа измерений МУРР и модельных расчетов аппроксимационной кривой. Установлено, что цилиндрическая функция Бесселя первого порядка наилучшим образом представляет экспериментальные данные, и, следовательно, описывает форму золи наночастиц биогенного ферригидрита. Уравнение кривой для форм-фактора описания цилиндра диаметром 2Я и высотой Ь описывается с выражением

1ЪЛп2(дн со $1а) ШЯ зшГог)]]

(О

где Ji - цилиндрическая функция Бесселя первого порядка.

Q. А"'

Рисунок 4 - Экспериментальная кривая малоуглового рассеяния рентгеновских лучей золя биогенных наночастиц ферригидрита (квадраты) и аппроксимационная кривая для цилиндрического форм-фактора (сплошная линия)

Параметры, полученные после аппроксимации (рисунок 4), - это цилиндр радиуса R=4,87±0,02hm и высоты L=2,12±0,04hm. Характерный размер частиц (12 нм), оцененный из данных ПЭМ, согласуется с размером, определенным из анализа данных малоуглового рассеяния рентгеновских лучей.

Оценочное значение радиуса гирации в диапазоне Q от 0.024-0.034А' с использованием приближения Гинье составило R0=6,41 ± 0.1 Знм независимо от формы исследуемых частиц. Для получения более точно значения Ra парная функция распределения биоминеральных наночастиц была вычислена с использованием метода обработки данных, включенной в программное обеспечение GNOM пакета ATSAS. Расчетная функция распределения Р(г) в диапазоне г= 0,02 - 0,26Ä" представлена на рисунке 5 (а).

Рисунок 5 (а) Функция Р(г), рассчитанная по кривой рассеяния, полученной из экстраполяции до нулевой концентрации, (б) Неэмпирическая реконструкция формы наночастиц ферригидрита, диспергированных в воде

Удлиненный конец Р(г) функции в диапазоне г=120-200А указывает на наличие макромолекул в рассеиваемом растворе. Этот результат указывает на то, что в золе биогенные наночастицы окружены органической оболочкой, данный факт

согласуется с результатами ИК-фурье спектрометрии. Форма частиц была смоделирована по экспериментальным данным с помощью программного продукта GASBOR (рисунок 5 б).

В параграфе 3.3 приведены результаты исследований магнитных свойств наночастиц биогенного ферригидрита. Для измерения резонансного поглощения бактериальной культуры Klebsiella oxytoca в жидкой среде были отобраны пять образцов, различающихся концентрацией цитрата Fe3+ в питательной среде (в г/мл): 0.25, 0.5, 1, 2, 4. Измерения выполнялись в течение 33 дней от момента засева культуры. На всех исследуемых культурах возрастом 14 дней независимо от концентрации ионов Fe3+ регистрировалось резонансное поглощение.

т

«я»

/ / 1 л Ч [ \ \ \ "■V ,

s ¡5» та п.©«

Рисунок 6 - Кривая резонансного поглощения исследуемой культуры

На рисунке 6 приведена характерная кривая поглощения, состоящая из широкого пика с резонансным полем Н0=ш/у=2900 Э и двух особенностей при значениях резонансного поля 1200 и 500 Э, соответственно. Из значений 8Н, и 8Н2 ширины линии резонансного поглощения по соответствующим формулам были определены энергии анизотропии этих частиц. Для магнитных частиц, содержащихся в 30-дневных культурах, были получены величины равные 6,5-1014 эрг и 4,53■ 10"'4 эрг, соответственно.

Проведенные магнитные измерения подтверждают наличие двух типов наночастиц биогенного ферригидрита Klebsiella oxytoca, что было обнаружено ранее при анализе мессбауэровских спектров, а также кривых ФМР. Из наших данных следует, что различие заключается так же в величине магнитной восприимчивости. Параметр Хр частицы Fe(12) близок к 10~4 см3/г, что примерно втрое превышает величину того же параметра фазы Fe(34). В гамма-резонансных спектрах параметром сравнения являлось квадрупольное расщепление QS; исходя из его величины был сделан вывод о том, что кристаллиты Fe(12) более упорядочены, чем Fe(34).

В четвертой главе приводятся результаты исследований структурных и магнитных превращений биогенных наночастиц под действием термической обработки, а также после легирования наночастиц гадолинием.

В параграфе 4.1 приведены результаты исследования наночастиц ферригидрита, подвергшихся термической обработке. Полученная биомасса отбиралась через 7, 15 и 30 дней после засева микроорганизмов в жидкую питательную среду Lovley, центрифугировалась и высушивалась при температуре 40°С. Термоотжиг образцов осуществлялся в муфельной печи при температурах 300-700°С в течение 7 часов.

300

(а)

[ООО 900 8® 7CÖ «б .те

40(3 300 2» 109 о

(б)

30 4) № 20

(б)

Рисунок 7 - Дифрактограмма образца отожженного при 500°С (а) и при 700°С

На рисунке 7 (а) представлена рентгенограмма образца, отожженного при Т=500°С. Обнаруженные отражения свидетельствуют об образовании фазы гематита a-Fe203. При Т=700°С произошла кристаллизация. На рисунке 7 (б) представлена рентгенограмма образца, отожженного при Т=700°С. Кроме отражений a-Fe203 данная рентгенограмма характеризуется набором отражений не идентифицированных кристаллических фаз.

Мёссбауэровские спектры исходного и термообработанных образцов (рисунок 8 а), представляют собой сумму нескольких квадрупольных дублетов и зеемановского секстета. Распределения вероятностей квадрупольных расщеплений при подгонке общего изомерного химического сдвига, а также распределения вероятностей

сверхтонких полей при подгонке общих изомерного сдвига и квадрупольного сдвига представлены на рисунке 8 б. Анализ мёссбаузровских спектров свидетельствует о том, что железо находится в трех состояниях Fe( 1), Fe(2), Fe(34): Fe(l) - железо, занимающее одиночные слои, Fe(2) — железо, занимающее двойные слои, Fe(34) — атомы железа, вышедшие в слой пустых октаэдров, вследствие чего образуются гранью связанные вдоль с-оси октаэдры. Вне зависимости от температуры отжига квадрупольные расщепления трех позиций трехвалентного железа в бактериальном ферригидрите принимают вполне определенные

неперекрывающиеся диапазоны значений, а

-Л»

щ 500C S / н/ «h; n J /V

4Ж * . / I t S " I 0%

1 Vs 30ОС $ f Iii ¥ "4~

-V -

Vi Ca) »;'")'.....Г 1 ■1 i ' 1 ..........."«■■".............5..........

о г t

V. nit'i 's

1 2 3 QS. mm/s

- Мёссбауэровские и вероятности расщепления (б)

Рисунок 8 спектры (а) квадрупольного высушенной биомассы, отожженной при различных температурах

именно, QS{Fe3+(l)}=0.84-1.10MM/c, QS{Fc3+(2)}=0.49-0.83mm/c, QS{Fe3+(34)}=1.25-1.73мм/с (таблица 2).

Таблица 2 - Мессбауэровские параметры высушенной биомассы после термоотжига.

IS ±0.005мм/с Н ±5кЭ QS ±0.02мм/с W ±0.02мм/с S ±0.03 Позиция железа

Исходный 0.388 0.88 0.33 0.36 Fe(l)

0.395 0.49 0.35 0.45 Fe(2)

0.377 1.25 0.35 0.19 Fe(34)

300°С 0.389 1.10 0.40 0.36 Fe(l)

0.389 0.83 0.40 0.36 Fe(2)

0.38 1.54 0.42 0.17 Fe(34)

1.145 1.82 0.35 0.04 Fe7+

0.991 2.60 0.25 0.04 Fe^

0.986 3.10 0.33 0.04 Fe-

400°С 0.371 0.84 0.40 0.38 Fe(l)

0.374 0.51 0.31 0.10 Fe(2)

0.358 1.26 0.41 0.37 Fe(34)

0.352 1.73 0.40 0.13 Fe(34)

1.30 2.21 0.20 0.02 Fe-

500°С 0.371 1.10 0.45 0.34 Fe(l)

0.383 0.64 0.40 0.23 Fe(2)

0.352 1.62 0.52 0.23 Fe(34)

1.031 2.76 0.53 0.03 Fei+

700°С 0.392 1.12 0.38 0.24 Fe(l)

0.395 0.64 0.49 0.45 Fe(2)

0.416 1.63 0.28 0.13 Fe(34)

0.367 507 -0.42 0.15-0.61 0.18 a-Fe203

/5 - изомерный химический сдвиг относительно аРе, Н-сверхтонкое поле, QS -квадрупольное расщепление, IV - ширина линии, 5 - долевая заселенность позиции

В свежеприготовленных образцах отношение заселенностей двойных и одиночных слоев Fe отклоняется от соотношения 2:1 в сторону выравнивания заселенностей этих слоев (таблица 2). Кроме этого присутствует около 20% железа, занимающего межслойные позиции Fe(34). При нагревании до 400°С уменьшается доля железа, занимающего двойные слои октаэдров Fe(2) и увеличивается доля железа, занимающего гранью связанные октаэдры Fe(34). Доля железа, занимающего одиночные слои Fe(l) практически не изменяется. Изомерный химический сдвиг уменьшается для всех позиций. Таким образом, при нагревании ферригидрита происходит распад двойных слоев железа с выходом железа в межслойные позиции, в результате чего образуются связанные гранью октаэдрические или гематитоподобные позиции. Заселенность одиночных слоев Fe(l) не испытывает существенных изменений, поскольку возрастание количества одиночных слоев при распаде двойных слоев компенсируется их уменьшением при образовании гематитоподобных позиций. При рентгенофазовом анализе отражения гематита регистрировались на отожженных

образцах после 500°С. Последнее свидетельствует о том, что сформированные наночастицы гематита при Тотж=500°С находятся в суперпарамагнитном состоянии (<1<18нм), а дальнейшая термообработка приводит к увеличению размера частиц гематита.

После термообработки при 700°С в мессбауэровском спектре появляется зеемановский секстет, параметры сверхтонкой структуры которого совпадают с параметрами массивного гематита: IS=0.367mm/c, Н=507кЭ, QS=-0.42mm/c. Появление зеемановского секстета в спектре при комнатной температуре свидетельствует о том, что в материале присутствуют кристаллиты гематита с размерами более 18 нм. Заселенность этой фазы составляет -18% от общего содержания железа. Здесь же регистрируются позиции Fe(34), которые составляют 13%. Вероятно, что данные позиции характеризуют наночастицы гематита в суперпарамагнитном состоянии, т.е. параметры сверхтонкой структуры для позиции Fe3+(34) можно считать характеристиками наноразмерного суперпарамагнитного состояния гематита, IS=0.34-0.36mm/c и QS=1.6-1.9 мм/с.

После отжига при Т=700°С в материале сохраняются позиции ионов железа Fe(l), Fe(2). Заселенности данных позиций соотносятся как 2:1, что характерно для природных ферригидритов. Таким образом, в результате термообработки наночастицы ферригидрита становятся более дефектными - увеличивается количество позиций Fe(34), которые являются зародышами при формировании фазы гематита. Полного превращения ферригидрит—»гематит не происходит. Конечными продуктами разложения дефектного ферригидрита в результате термообработки является более "стехиометричный" ферригидрит и фаза гематит.

Позиции Fe(3) следует считать дефектными для структуры ферригидрита, поскольку они образуются при выходе железа в слои пустых октаэдров. Октаэдры этих позиций связаны гранями с октаэдрами занятых железом соседних слоев, приобретая сильное искажение. Гранью связанные пары искаженных октаэдров характерны для структуры гематита, поэтому позиции Fe(3) логично считать гематитоподобными. Параметры сверхтонкой структуры для позиции Fe(3) следует рассматривать, как характеристики наноразмерного суперпарамагнитного состояния гематита: IS=0.34-0.36mm/c и QS=1.6-1.9 мм/с.

В параграфе 4.2 описан синтез наночастиц ферригидрита бактериальной культурой Klebsiella oxytoca, легированных ионами Gd, и характеристики структуры и магнитных свойств. В среду культивирования бактерий Lovley добавлялась соль гадолиния - Gd2(C03)3 в следующих концентрациях: 0.0114г/л, 0.057 г/л, 0.114 г/л. Для выделения магнитных частиц биомасса бактерий отделялась центрифугированием (10 минут, 10 тыс. оборотов в минуту) и разрушалась на ультразвуковом дезинтеграторе УЗДН (1 мин, 44 кГц, 20 Вт). Исследования проводились на порошках, полученных в результате высушивания биомассы при Т=40-80°С.

Распределение вероятностей квадрупольных расщеплений, рисунок 9, свидетельствует о том, что при увеличении содержания Gd в среде Lovley, в ферригидрите, производимом бактериями, возникают новые позиции железа с различной степенью искажения локального окружения. Это говорит о том, что Gd входит в ферригидрит.

-О

<

а

-2 С : С 1 2 3

V, mm's QS, mm/s

Рисунок 9 - Мёссбауэровские спектры и распределение вероятностей квадрупольного расщепления ядер железа в биоминерализованном ферригидрите при различном содержании гадолиния в среде культивирования Lovley

Таблица 3 - Параметры сверхтонкой структуры Мессбауэровских спектров биомассы Klebsiella oxytoca._

Состав среды культивирования, г/л IS QS W S Принадлежность позиций железа

Klebsiella oxytoca 0.384 0.92 0.40 0.42 Fe(l)

0.391 0.50 0.35 0.39 Fe(2)

0.383 1.51 0.41 0.19 Fe(3)

Gd 0.0114 0.408 0.91 0.41 0.31 Fe(l)

0.420 0.50 0.36 0.29 Fe(2)

0.398 1.53 0.37 0.24 Fe(3)

0.399 1.90 0.31 0.16 Fe(4)

Gd 0.057 0.398 1.06 0.41 0.19 Fe(l)

0.409 0.56 0.40 0.28 Fe(2)

0.408 1.56 0.31 0.24 Fe(3)

0.401 1.86 0.28 0.24 Fe(4)

0.389 2.26 0.24 0.05 Fe(5)

Gd 0.114 0.404 0.96 0.35 0.23 Fed)

0.416 0.54 0.38 0.36 Fe(2)

0.404 1.34 0.28 0.09 Fe(3a)

0.404 1.61 0.25 0.14 Fe(3b)

0.404 1.87 0.23 0.12 Fe(4)

0.410 2.18 0.26 0.06 Fe(5)

/5 - изомерный химический сдвиг относительно аРе, Н-сверхтонкое поле, -квадрупольное расщепление, IV - ширина линии, 5 - долевая заселенность позиции

В бактериальном ферригидрите, синтезированном с добавлением в среду культивирования микроорганизмов гадолиния концентрацией - 0.0114 г/л, доля железа, занимающего позиции Fe(l) и Fe(2), уменьшилась, результаты представлены в таблице 3. Доля железа, занимающего позиции Fe(3), напротив, увеличилась. При этом возникли новые позиции Fe(4). Этот результат легко объясним, если предположить, что атомы Gd занимают слои пустых октаэдров ферригидрита. Большой ионный радиуса Gd приводит к искажению соседних граней, связанных октаэдров, занятых железом. Железо октаэдров, граничащих с октаэдром гадолиния, было принято за позиции железа Fe(4). Внедрение гадолиния в ферригидрит приводит к расширению решетки, что проявляется как увеличение изомерного химического сдвига для всех позиций ферригидрита (таблица 3) или уменьшение электронной плотности на ядрах железа. Итак, Gd переводит соседние атомы железа двойного и одиночного слоя в позиции Fe(4) и способствует образованию гематитоподобных позиций, что сопровождается увеличением заселенности Fe(3).

При дальнейшем увеличении содержания Gd до 0.057 г/л заселенность позиций двойных слоев железа Fe(2) и гематитоподобных позиций Fe(3) не изменяется, т.е. гадолиний уже почти не входит в межслойные позиции, т.к. здесь уже и так велика плотность положительного заряда катионов по сравнению с зарядом анионов, но уменьшается доля позиций одиночных слоев железа Fe(l). Это говорит в пользу того, что гадолиний начинает входить в октаэдры одиночных слоев, вытесняя оттуда железо и создавая новые позиции Fe(5), о чем свидетельствует уменьшение заселенности Fe(2), таблица 3.

При увеличении содержания Gd до 0.114 г/л наблюдается увеличение заселенностей железом позиций двойного Fe(2) и одиночного Fe(l) слоев железа при уменьшении позиций атомов железа Fe(4), граничащих с гадолинием. Вероятно, Gd вытесняется из структуры ферригидрита, чтобы на основе одиночных слоев создать новую кристаллографическую фазу, при этом гематитоподобные позиции Fe(3) разбиваются на два сорта: с меньшим и большим квадрупольным расщеплением, возможно из-за различного числа соседних атомов гадолиния.

Кривые намагничивания М(Н) и температурные зависимости намагниченности измерялись с помощью вибрационного магнетометра со сверхпроводящим соленоидом.

Н, кОа

Рисунок 10 - Кривые намагничивания ферригидрита, синтезируемого с добавлением различного количества соли Gd в питательную среду микроорганизмов.

На рисунке 10 приведены измеренные при 4.2К кривые намагничивания биогенного ферригидрита синтезируемого с добавлением различного количества соли Gd в питательную среду микроорганизмов.

Результаты Мессбаэуровских исследований показывают новую позицию железа Fe(5) при культивировании в среде, содержащей более высокие концентрации гадолиния, что свидетельствуют о том, что Gd встраивается в кристаллическую структуру ферригидрита. Эти результаты так же согласуются с результатами анализа кривых намагничивания.

В заключении сформулированы выводы и результаты работы:

1. Отработаны технологические режимы отделения наночастиц от бактериальной культуры и получения водного золя. Установлено, что наночастицы ферригидрита, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов Klebsiella oxytoca, расположены на поверхности бактериальной клетки и покрыты органической оболочкой.

2. Уставлено по результатам малоуглового рентгеновского рассеяния, что наночастицы в золе представляют собой цилиндр радиуса R=4,87±0,02hm, высоты L=2,12±0,04hm, значение радиуса гирации составляет RG=6,73 ±0,16 нм. Характерный визуальный размер частиц - 1-2 нм (по результатам высокоразрешающей электронной микроскопии). В сухих образцах биомассы происходит частичная агрегация частиц, размер конгломерата - R=17,9ı0,02Ä и длина H=63,6ı0,2Ä.

3. Установлено, что в результате термообработки наночастицы ферригидрита становятся более дефектными — увеличивается количество гематитоподобных позиций Fe(3), которые следует рассматривать как характеристики наноразмерного суперпарамагнитного состояния гематита (IS=0.34-0.36mm/c и QS=1.6-1.9 мм/с), полного превращения ферригидрит—»гематит не происходит. Конечными продуктами разложения дефектного ферригидрита в результате термообработки является более "стехиометричный" ферригидрит и фаза гематит.

4. При большом содержании Gd в питательной среде Lovley, в ферригидрите, синтезируемом бактериями, возникают новые позиции железа с различной степенью искажения локального окружения. Последнее свидетельствует о вхождении Gd в кристаллическую решетку ферригидрита.

Основные результаты диссертации отражены в работах

Статьи в журналах перечня ВАК:

1. Столяр, С.В. Мессбауэровское исследование температурных превращений в бактериальном ферригидрите/ С. В. Столяр, О. А. Баюков, В. П. Ладыгина, Р. С. Исхаков, Л. А. Ищенко, В. Ю. Яковчук, К. Г. Добрецов, А. И. Поздняков, О. Е. Пиксина// Физика твердого тела. -2011. - том 53, №. 1. - С. 97-101.

2. Райхер, Ю. Л. Магнитные свойства биоминеральных наночастиц, продуцируемых бактериями Klebsiella oxytoca/ Ю. Л. Райхер, В. И. Степанов, С. В. Столяр, В. П. Ладыгина, Д. А. Балаев, Л. А. Ищенко, М. Балашою // Физика твердого тела,- 2010. - том 52, №2. - С. 277- 285.

3. Stolyar, S. V. Structure and magnetic properties of biogenic ferrihydrite nanoparticles doped with gadolinium/ S. V. Stolyar, О. A. Bayukov, V. P. Ladygina, L. A. Ishchenko, R. S. Iskhakov // Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. - 2013. - Vol. 6, No 3. - P. 358-365.

Статьи в других журналах и сборниках трудов

1. Balasoiu, М. Structural investigation of biogenic ferrihydrite nanoparticles dispersion/ M. Balasoiu, L. A. Ishchenko, S. V. Stolyar, R. S. Iskhakov, Yu. L. Raikher, A. I. Kuklin, D. V. Soloviov, T. S. Kurkin, D. Aranghel, G. M. Arzumanian // Optoelectronics and advanced materials - rapid communications. - 2010. - V. 4. - P. 2136 - 2139.

2. Ishchenko, L. A. Magnetic properties and application of biomineral particles produced by bacterial culture/ L. A. Ishchenko, S. V. Stolyar, V. P. Ladygina, Yu. L. Raikher, M. Balasoiu, O. A. Bayukov, R. S. Iskhakov, E. V. Inzhevatkin // Elseveir. Physics Procedia 9. - 2010. - P. 279-282.

3. Balasoiu, M. Hierarchical structure investigations of biogenic ferrihydrite samples/ M. Balasoiu, S. V. Stolyar, R. S. Iskhakov, L. A. Ishchenko, Yu. L. Raikher, A. I.Kuklin, O. L. Orelovich, Yu. S. Kovalev, T. S. Kurkin, G.M. Arzumanian // Rom. Journ. Phys. -2010. - V. 55, No. 7-8. - P. 782-789

Патент

1. Пат. 2457074 Российская Федерация, МПК B22F9/24, В82ВЗ/00, А61Р43/00. Способ получения наночастиц ферригидрита/ В. П. Ладыгина, К. В. Пуртов, С. В. Столяр, Р. С. Исхаков, О. А. Баюков, Ю. Л. Гуревич, К. Г. Добрецов, Л. А. Ищенко; заявитель и патенто-обладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет". №2011111266/02; заявл. 24.03.11; опубл. 27.02.12.

Препринт

1. Anghel, L. SAXS studies of ultrasonicated dispersions of biomineral particles produced by Klebsiella oxytoca/ L. Anghel, M. Balasoiu, L.A. Ishchenko, S.V. Stolyar, R. S. Iskhakov, T. S. Kurkin, A.V. Rogachev, A. I Kuklin.//Preprint. E14-2011-71; JINR. -Dubna, 2011.-P. 8

2. Anghel, L. V. Stability of tris-l,10-phenantroline iron (II) complex in biomineral particles produced by Klebsiella oxytoca/ L. V. Anghel, M. Balasoiu, D. M. Lazar, L.A Ishchenko.//Preprint. E14-2011-75; JINR - Dubna, 2011. -P. 9.

Труды и тезисы конференций

1. Ищенко, Л. А. Магнитные наночастицы, синтезированные железовосстанавливающими микроорганизмами, выделенными из породы Белкинского месторождения фосфоритов/Л. А. Ищенко// Тезисы докладов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых физиков «НКСФ - XXXV». - Красноярск, 2006. - С.64.

2. Ищенко, Л. А. Синтез железосодержащих наночастиц при культивировании бактерий Klebsiella oxytoca на Fe2+ оксалате/ Л. А. Ищенко // Тезисы докладов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых физиков «НКСФ - XXXVI». - Красноярск, 2007. - С.86.

3. Ищенко, Л. А. Синтез железосодержащих наночастиц при культивировании бактерий Klebsiella oxytoca на Fe2+ оксалате/ Л. А. Ищенко // Тезисы докладов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых физиков «НКСФ - XXXVI». - Красноярск, 2007. - С.86.

4. Ищенко, Л. А. Исследование трансформации кристаллической структуры наночастиц бактериального ферригидрита в результате термообработки/ Л. А. Ищенко, С. В. Столяр, В. П. Ладыгина// Тезисы докладов всероссийской Байкальской

конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по наноструктурным материалам - Иркутск, 2009. - с.31 -32.

5. Столяр, С. В. Магнитные наночастицы для медицинских приложений/ С. В. Столяр, Р. С. Исхаков, В. П. Ладыгина, М. Балашою, JL А. Ищенко, К. В. Пуртов, О. А. Баюков, Е. В. Инжеваткин // Сборник трудов XXI Международной конференции «Новое в магнетизме и магнитных материалах» - Москва, 2009. - С. 405.

6. Balasoiu, М. Characterization of bio-synthesized produced by Klebsiella oxytoca/ M. Balasoiu, A. Angelova, L. A. Ishchenko, S. V. Stolyar, A. Meiszterics, L. Almasy, A. V. Rogachev, О. I. Ivankov, D. V. Soloviov, A. Jigounov, A. I. Kuklin, Yu. L. Raikher, R. S. Iskhakov, L. Rosta, G. M. Arzumanian. // Book of abstract , SANS-YuMo user meeting at the Start-uo of scientific experiments on S20 IBR02M devoted to the 75th anniversary of Yu. M. Ostanevich's birth, Dubna - 2011. - P. 43.

7. Ishchenko, L. A. The biological methods of synthesis of ferrihydrite nanoparticles by Klebsiella oxytoca bacterial culture/ L. A. Ishchenko, S. V. Stolyar, V. P. Ladygina, O. A. Bayukov, R. S. Iskhakov // Book of abstract, International Summer School and Workshop "Complex and magnetic soft matter systems: physico-mechanical properties and structure", Alushta- 2012. - P.64.

Список цитируемой литературы

1. Баранов, Д. А. Магнитные наночастицы: достижения и проблемы химического синтеза/ Д. А. Баранов, С. П. Губин // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. - 2009. - т.1, № 1-2. С. - 129-147.

2. Safarik, I. Magnetic nanoparticles and biosciences/I. Safarik, M. Safarikova // Mon. Chem. - 2002. -Vol.133. - P. 737-759.

3. Lang, C. Biogenic nanoparticles: production, characterization, and application of bacterial magnetosome/ C. Lang, D. Schiller// J. Phys. Condens. Matter. - 2006. - Vol. 18.-P. 2815-2828.

4. Mandal, D. The use of microorganisms for the formation of metal nanoparticles and their application/ D. Mandal, M. E. Bolander, D. Mukhopadhyay, G. Sarkar, P. Mukheijee // Appl. Microbiol. Biotechnol. - 2006. - Vol. 69. - P. 485-492.

5. Gericke, M. Biological synthesis of metal nanoparticles/M. Gericke, A. Pinches// Hydrometallurgy. - 2006. - Vol. 83. - P. 132-140.

6. Mohanpuria, P. Biosynthesis of nanoparticles: technological concepts and future applications/ P. Mohanpuria, N. K. Rana, S. Kumar Yadav// J. Nanopart. Res. - 2008. -Vol. 10.-P. 507-517.

7. Krumov, N. Production of inorganic nanoparticles by microorganisms/ N. Krumov, I. Perner-Nochta, St. Oder, V. Gotcheva, A. Angelov, C. Posten // Chem. Eng. Technol. - 2009. - Vol. 32, № 7. - P.1026-1035.

8. Michel, F. M. The structure of ferrihydrite, a nanocrystalline material/ F. Marc Michel, Lars Ehm, Sytle M. Antao, Peter L. Lee, Peter J. Chupas, Gang Liu, Daniel R. Strongin, Martin A. A. Schoonen, Brian L. Phillips, John B. Parise.l// Science. - 2007. - Vol. 316, №5832.-P. 1726-1729.

9. Gilles, C. Magnetic hysteresis and superantiferromagnetism in ferritin nanoparticles/ C. Gilles, P. Bonville, H. Rakoto, J.M. Broto, K.K.W. Wong, S. Mann // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2002. - Vol. 241, № 2-3. - P. 430-440.

10. Maklouf, S.A. Magnetic hysteresis anomalies in ferritin/S. A. Maklouf , F. T. Parker, A. F. Berkowitz//Phys. Rev. - 1997. - Vol. 55. - P. R14717-R14720.

11. Столяр, С. В. Свойства наночастиц Fe203*nH20,синтезированных бактериями Klebsiella oxytoca/ С. В. Столяр, О. А. Баюков, Ю. JI. Гуревич, Е. А. Денисова, Р. С. Исхаков, В. П. Ладыгина, А. П. Пузырь, П. П. Пустошилов, JI. А. Чеканова // Вестник КрасГУ.- 2005. № 4. - С. 62-67.

12. Столяр, С. В. Железосодержащие наночастицы, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов/ С. В. Столяр, О. А. Баюков, Ю. JI. Гуревич, Е. А. Денисова, Р. С. Исхаков, В. П. Ладыгина, А. П. Пузырь, П. П. Пустошилов, М. А. Битехтина// Неорганические материалы. - 2006. - т. 42., № 7. - С. 1-6.

13. Столяр, С. В. Магнитные свойства суперпарамагнитных наночастиц Fe203 H20, синтезированных бактериями. // С. В. Столяр, О. А. Баюков, Ю. Л. Гуревич, Е. А. Денисова, Р. С. Исхаков, В. П. Ладыгина, А. П. Пузырь, П. П. Пустошилов, М. А. Битехтина// Материаловедение. - 2006. - №7.- С. 34-39.

14. Столяр, С. В. Мессбауэровские исследования бактериального ферригидрита. / С. В. Столяр, О. А. Баюков, Ю. Л. Гуревич, В. П. Ладыгина, Р. С. Исхаков, П. П. Пустошилов// Неорганические материалы.-2007.- т. 43., № 6.- С. 1-4.

15. Столяр, С. В. Мессбауэровские исследования железопродуцирующих бактерий Klebsiella oxytoca/ С. В. Столяр, О. А. Баюков, Ю. Л. Гуревич, Р. С. Исхаков, В. П. Ладыгина// Известия РАН Серия физическая,- 2007,- т. 71., № 9,- С. 1310-1314.

16. Levy, L. Nanochemistry: synthesis and characterization of multifunctional nanoclinics for biological applications/ Laurent Levy, Yudhisthira Sahoo, Kyoung-Soo Kim, Earl J Bergey, Paras N. Prasad // Chem. Mater. - 2002. - V. 14. - P. 3715-3721.

Подписано в печать 03.06.2013. Печать плоская Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,3 Тираж 100 экз. Заказ № 2758 Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а, тел.: +7(391) 206-26-49, 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ИМЕНИ Л. В. КИРЕНСКОГО СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Исследование структуры и магнитных свойств наночастиц ферригидрита

биогенного происхождения

05.16.06 - Порошковая металлургия и композиционные материалы 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

На правах рукописи

04201362196

Ищенко Лидия Анатольевна

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор физико-математических наук, профессор Исхаков Рауф Садыкович Научный руководитель кандидат физико-математических наук, доцент Столяр Сергей Викторович

Красноярск 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. Литературный обзор..........................................................................................................11

1.1 Физикохимические предпосылки зарождения металлосодержащих наночастиц...................14

1.1.1 Гомогенное зародышеобразование..........................................................................................15

1.1.2. Гетерогенное зародышеобразование........................................................................................19

1.2 Особенности получения наночастиц оксидов железа инкапсулированных в оболочке.........21

1.2.1. Методы синтеза и коллоидная стабилизация биосовместимых наночастиц оксидов железа химическими методами.......................................................................................................................22

1.2.2. Синтез оксидов железа микроорганизмами............................................................................30

1.3 Применение магнитных наночастиц ферригидрита в медицине..............................................38

ГЛАВА 2. Получение и методы исследований наночастиц, синтезируемых бактериями..........42

2.1 Методы культивирования и количественного учета микроорганизмов культуры Klebsiella oxytoca...................................................................................................................................................42

2.2 Получение гидрозоля биогенных магнитных наночастиц.........................................................46

2.3 Метод рентгеновской дифракции................................................................................................46

2.4 Метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).....................................................47

2.5. Спектрометрический метод анализа в ульрафиолетой и видимой области спектра..............50

2.6 Метод малоуглового рентгеновского рассеяния.........................................................................53

2.7 Метод ферромагнитного резонанса.............................................................................................62

2.8 Метод мессбауэровской (гамма резонансной) спектроскопии.................................................65

2.9 ИК Фурье спектроскопия..............................................................................................................68

ГЛАВА 3. Исследования наночастиц и золя наночастиц биогенного ферригидрита. Структура и магнитные свойства.............................................................................................................................75

3.1 Особенности бактериального синтеза биогенных наночастиц.................................................77

3.1.1 Локализация наночастиц ферригидрита в бактериальной клетке..........................................77

3.1.2 Физико-химические предпосылки формирования наночастиц..............................................79

3.1.3 Оболочка наночастиц.................................................................................................................81

3.2 Морфология наночастиц биогенного ферригидрита..................................................................83

3.2.1. Исследование порошков наночастиц неочищенного ферригидрита....................................83

3.2.2 Структурные исследования суспензии наночастиц биогенного ферригидрита...................89

3.3. Магнитные свойства биогенных наночастиц ферригидрита....................................................93

3.3.1 Исследование методом электронного магнитного резонанса................................................93

3.3.2 Изучение магнитных характеристик по кривым намагничивания........................................96

3.3.3 Разделение фаз методом магнитной сепарации.....................................................................107

2

ГЛАВА 4. Методы обработки биогенных наночастиц ферригидрита..........................................112

4.1 Мессбауэровское исследование температурных превращений в бактериальном ферригидрите ..............................................................................................................................................................113

4.2 Структура и магнитные свойства биогенных наночастиц ферригидрита, легированных

гадолинием..........................................................................................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................................129

Список использованной литературы................................................................................................130

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия наука и промышленность проявляют повышенное внимание к наноматериалам, что обусловлено необычными физическими и химическими свойствами таких материалов, связанных с проявлением так называемых «квантовых/размерных эффектов». Наноматериалы нашли применение в оптике, электронике, биомедицине, магнетизме, механике, катализе, энергетике и т. д [1, 2]. В частности, наночастицы оксида железа представляют большой интерес для использования в различных областях наукоемкой промышленности. Доказана возможность применения наноматериалов из гематита (у-РегОз), наиболее стабильной формы оксида железа в условиях окружающей среды, для применения в качестве газовых сенсоров, катализаторов и электродных материалов [3].

Наночастицы оксида железа (Рез04 и РегОз) исследуются для применения в биомедицине в качестве контрастного вещества для магнитно-резонансной томографии (МРТ), гипертермии, для адресной доставки лекарственных препаратов и магнитной сепарации биологических объектов. Основные требования, предъявляемые к магнитным наночастицам для использования в медицине, - размеры частиц не должны превышать 20 нм и характеризоваться малой дисперсией; используемые частицы должны быть суперпарамагнитными; наночастицы должны быть биосовместимы и должна существовать возможность получения стабильных водных растворов для обеспечения транспорта наночастиц в биологических тканях.

Развитие методов синтеза наночастиц определенных размеров, формы и композиции - это сложная задача и важное направление исследований. Современные методы химического синтеза наночастиц являются энергоемкими, используют токсичные химические вещества и, в частности, для стабилизации частиц в растворе применяются несовместимые с биологическими тканями вещества, что ограничивает биомедицинские приложения. Перспективное новое направление в этой области - это использование микроорганизмов для производства неорганических наноразмерных частиц [4-10].

Многие микроорганизмы, как известно, производят неорганические наноструктуры и наночастицы определённого размера, формы и состава со свойствами, подобными химически синтезированным материалам. Например, бактерии чувствительные к магнитному полю формируют магнитные наночастицы; Pseudomonas stutzeri производит частицы серебра; дрожжи Schizosaccharomyces pombe синтезируют наноразмерные, полупроводниковые кристаллы CdS; наночастицы палладия образуются сульфатредуцирующими бактериями в присутствии экзогенных доноров электронов [4-10]. Нетоксичная и экологически чистая способность эукариотических и прокариотических микроорганизмов формировать наночастицы внутри- или внеклеточно является особенно важной в развитии нанобиотехнологии. Синтез неорганических материалов биологическими системами характеризуется процессами, которые происходят при

4

температуре и давлении близкими температуре и давлению окружающей среды и при нейтральном рН.

Микроорганизмы хорошо известны в промышленной микробиологии и геохимии, благодаря своей способности минерализовать большие удельные количества железа в анаэробных условиях, в частности, аккумулируя и ферригидрит. В настоящей работе исследованы структурные свойства наночастиц биогенного ферригидрита, синтезированного бактериями Klebsiella oxytoca, которые легко размножаются в лабораторных условиях и, следовательно, могут быть использованы как «биофабрики» по производству наночастиц.

Ферригидрит, являясь в объемном материале антиферромагнитным гидроксидом, в нанофазном состоянии приводит к частицам, которые обладают постоянным магнитным моментом. Данный магнитный момент возникает благодаря отсутствию компенсации спинов частиц в состоянии, когда количество поверхностных спинов составляет от 1 до 10% по сравнению со спинами в объемном состоянии. Две наиболее известные формы магнитных частиц ферригидрита отличаются по количеству линий (две или шесть) в картинах рентгеновской дифракции [11-14]. Соответственно, размер нанокристаллов варьируется от 2-4 нм в 2-линейчатой модификации до 5-6 нм в 6-линейчатой модификации. 6-линейчатый ферригидрит были идентифицирован как минерал Международной минералогической ассоциацией (IMA) в 1973 году [15-16]. 2-линейчатый ферригидрит, с другой стороны, не считается минералом из-за структурной разупорядоченности. По сравнению с большинством полезных ископаемых и 2-линейчатый, и 6-линейчатый ферригидрит показывают очень широкие дифракционные линии, что создает трудности для получения точной информации о структуре.

Благодаря высокой удельной поверхности [17] ферригидрит является химически очень активным веществом и взаимодействует механизмами поверхностной адсорбции/или соосаждением с рядом экологически важных химических веществ, включая мышьяк, тяжелые металлы, например, свинец или ртуть, с фосфатами и многими органическими молекулами. Термодинамически ферригидрит - это метастабильная форма оксида железа и, как известно, предшественник более кристалличных минералов, таких как гематит и гетит [18]. Важность ферригидрита в круговороте железа в окружающей среде и процессах металлургии привлекла к нему большое внимание со стороны научного сообщества в течение длительного времени. Магнитная восприимчивость частиц ферригидрита, усиленная эффектом суперантиферромагнетизма, наряду с наличием зависимости магнитного момента от внешнего поля,предоставляла широкие возможности для магнитного управления этими природными объектами [19], что открывает путь для использования в наномедицине и биотехнологии.

Ранее было показано, что наночастицы биогенного ферригидрита, синтезируемые бактериями Klebsiella oxytoca в ходе биоминерализации растворов солей железа из питательной

5

среды [20-22], проявляют уникальные магнитные свойства: они характеризуются антиферромагнитным порядком, присущим объемному ферригидриту, и спонтанным магнитным моментом благодаря декомпенсации спинов в подрешетках наночастицы [23]. Было установлено, что бактерия Klebsiella oxytoca синтезирует два типа наночастиц ферригидрита, различия которых достаточно четко определены с помощью мёссбауэровской спектроскопии [24-26].

Цель работы - разработка способа получения стабильных золей наночастиц ферригидрита биогенного происхождения и выявление перспективных методов обработки для получения новых материалов, включая легирование редкоземельными металлами и термообработку, и исследование структуры и магнитных свойств ферригидрита, синтезированного бактериальной культурой Klebsiella oxytoca.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Разработка методики получения стабильных золей, определение состава оболочки, покрывающей наночастицу, и исследование пространственной локализации наночастиц относительно бактериальной клетки в ходе синтеза;

2. Исследование морфологии наночастиц биогенного феригидрита;

3. Определение фазового состава наночастиц, возникающих в результате термоотжига наночастиц биогенного ферригидрита;

4. Экспериментальное исследование возможности синтеза наночастиц ферригидрита, легированных ионами Gd, бактериальной культурой Klebsiella oxytoca и изучение структуры и магнитных свойств получаемых частиц.

Научная новизна:

1. Разработан способ выделения магнитных наночастиц из бактериальной культуры, изготовлена устойчивая золь.

2. Установлено, что наночастицы синтезируются на поверхности бактериальной клетки;

3. Впервые показано, что биогенные наночастицы ферригидрита характеризуются цилиндрической формой: радиус R=4,87±0,02hm, высота L=2,12±0,04hm и радиус гирации Ro=6,73 ±0,16 нм.

4. Установлено, что структурные различия между кристаллитами двух различных модификаций биогенного ферригидрита, Fe(12) и Fe(34), обнаруженные с помощью мёссбауэровской спектроскопии, хорошо коррелируют с различиями в магнитных свойствах, что выявляется существенным различием магнитной восприимчивости этих модификаций частиц Fe(12) и Fe(34).

5. Показано, что в ходе термоотжига биогенные наночастицы становятся более дефектными - увеличивается количество позиций Ре(34), которые являются зародышами при формировании фазы гематита.

6. Установлено методом Мёссбауэра и анализа кривых намагничивания, что гадолиний встраивается в кристаллическую структуру ферригидрита при добавлении в питательную среду соответствующих солей с концентрацией Ос1 от 0,057г/л и выше.

Практическое значение работы. Биогенные наночастицы ферригидрита могут быть использованы для направленного переноса лекарственных препаратов, что позволит управлять концентрацией препарата в определенных частях тела, ограничить эффективную поверхность и улучшить влияние на больные ткани без воздействия на здоровые участки тела, например, при лечении онкологических заболеваний. Наличие в наночастицах ферригидрита ионов гадолиния открывает перспективу их использования при комбинированной диагностике в ЯМР-томографии. Другой областью применения наночастиц ферригидрита, содержащих гадолиний, является нейтронозахватная терапия [16].

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ получения водного золя биогенных наночастиц ферригидрита;

2. Результаты исследований по кинетике образования и локализации наночастиц относительно бактериальной клетки;

3. Результаты анализа малоуглового рассеяния рентгеновских лучей по определению формы и размера наночастиц;

4. Результаты магнитных исследований. Величина магнитной восприимчивости частицы Ее(12) близка к 10~4 см3/г, что втрое превышает величину аналогичной характеристики фазы Ре(34). В гамма-резонансных спектрах параметром сравнения служило квадрупольное расщепление (^Б, исходя из величины этой характеристики, был сделан вывод о том, что кристаллиты Ре(12) более упорядочены, чем Ре(34). Указанное различие атомных структур и является причиной высокой восприимчивости Ре(12). Благодаря обнаруженному различию магнитных свойств впервые для разделения модификаций ферригидрита Ре(12) и Ре(34) был применен метод магнитной сепарации.

5. Результаты исследования эволюции структуры наночастиц при термическом воздействии. Полного превращения ферригидрит—>гематит не происходит. Конечными продуктами разложения дефектного ферригидрита в результате термообработки являются более "стехиометричный" ферригидрит и фаза гематит. Позиции Ре(34) - дефектные для структуры ферригидрита - исходя из параметров сверхтонкой структуры, следует рассматривать как характеристики наноразмерного суперпарамагнитного состояния гематита: 18=0.34-0.Збмм/с и 08=1.6-1.9 мм/с.

6. Результаты исследования эволюции структуры и магнитных свойств наночастиц при легировании гадолинием.

Содержание работы соответствуетпаспорту специальности 05.16.06 - порошковая металлургия и композиционные материалы, входящей в номенклатуру диссертационного совета ДМ 212.099.19, и указанным в нём областям исследования: изучение закономерностей физико-механических, физико-химических процессов получения дисперсных систем в виде частиц и волокон (в том числе и наноразмерных) из материалов на основе металлов, органических и других соединений; создание технологии получения этих материалов и оборудования; термодинамика и кинетика фазовых превращений в частицах, волокнах и наноразмерных порошковых материалах, -а также паспорту специальности 01.04.07 - физика конденсированного состояния и указанным в нём областям исследования: теоретическое и экспериментальное изучение физической природы свойств металлов и их сплавов, неорганических и органических соединений; изучение экспериментального состояния конденсированных веществ (сильное сжатие, ударные воздействия, изменение гравитационных полей, низкие температуры), фазовых переходов в них и их фазовые диаграммы состояния.

Апробация результатов. Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях, в том числе: XXXV научная конференция студентов физиков, 11-14 апреля 2006 г., Красноярск, Россия; двенадцатая Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых, 23-29 марта 2006г., Новосибирск, Россия; XXXVI научная конференция студентов физиков, 13-14 апреля 2007 г., Красноярск, Россия; III Всер�