CC BY
51Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского Биология. Химия. Том 3 (69). 2017. № 1. С. 91-98.
УДК 541.64: 662.728
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА НАНОБИОКОМПОЗИТА СЕЛЕНА И АЛЬГИНАТА НАТРИЯ
Панов Д. А.
Таврическая академия (структурное подразделение) ФГАОУВО «Крымский федеральный
университет имени В. И. Вернадского» Симферополь, Республика Крым, Россия
E-mail: panovda@crimea edu
Синтезированы водорастворимые комплексы наночастиц селена с альгинатом натрия. Нанобиокомпозиты образуются в результате восстановления селена в окислительно-восстановительной системе: селенит-Ь-цистеин в водном растворе альгината натрия. Агрегативная устойчивость нанокомплексов определяется условиями их получения и зависит от концентрационного соотношения селен/альгинат. Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии определен размер наночастиц селена в матрице альгината натрия.
Ключевые слова: наноселен, альгинат натрия, L-цистеин, атомно-силовая и сканирующая микроскопии.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время наблюдается повышенное внимание к микроэлементу селену, который является незаменимым для жизнедеятельности человека, так как он участвует в различных биохимических процессах и является сильным антиоксидантом, повышает иммунитет, снижает риск развития сердечнососудистых заболеваний, входит в состав ряда ферментов [1, 2]. Продукты россиян большинства регионов бедны селеном из-за низкого содержания его в почве и, как следствие, в продуктах растительного происхождения. Поэтому необходимо вводить в продукты питания биологически активные добавки, содержащие селен. В данное время существует несколько форм препаратов неорганического и органического селена - это селенит и селенат натрия, селенометионин, селеноцистеин. Следует отметить, что все соединения селена токсичны, поэтому вполне понятен интерес российских и зарубежных ученых к поиску новых менее токсичных форм селена. Высокодисперсный наноселен с размером частиц менее 40 нм обладает низкой токсичностью, что позволяет применять его в дозах, превышающих суточную потребность, без вреда для здоровья. В литературе приводятся данные по использованию наноселена в медицине, ветеринарии, сельском хозяйстве [3, 4].
Наночастицы селена редко получают диспергированием, в основном используют химические методы восстановления соединений селена. В качестве восстановителей обычно используют аскорбиновую кислоту, реже цистеин. В результате окислительно-восстановительных реакций образуется аморфный селен
красного цвета с диаметром частиц 100-170 нм [5, 6]. Полученные частицы неустойчивы и постепенно агрегируют, выпадая в осадок. Одним из перспективных методов получения агрегативно устойчивых наночастиц является восстановление селена из ионных форм в растворах полимеров. Согласно литературным данным, для стабилизации наночастиц используют высокомолекулярные соединения различной природы - поливинилпирролидон, полиэтиленгликоль, оксиэтилцеллюлоза и другие [5, 7, 8]. Одним из последних способов получения наночастиц селена можно считать «зеленый» синтез с использованием глюкозы. Для получения сферических наночастиц размером 20-80 нм использовали селеносульфат натрия и свежеприготовленный раствор глюкозы [9]. В настоящее время для стабилизации наночастиц успешно используют природные биополимеры - полисахариды морских водорослей, обладающие широким спектром биологической активности. Перспективы использования альгинатов связаны с их свойствами: природное происхождение, низкая токсичность, биосовместимость, сорбционная способность, гелеобразование [10-12]. Для дальнейшего использования альгината натрия необходимо установить ряд параметров, характеризующих процесс взаимодействия полисахарида с наночастицами селена, полученными путем восстановления селенита натрия L-цистеином.
В связи с этим целью данной работы явилось изучение физико-химических свойств альгината натрия различных производств (Германия, Норвегия и США) и влияния его на процесс формирования и устойчивость наночастиц селена, а также определение размеров наночастиц селена в матрице альгината методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В работе был использован альгинат натрия различного производства: Германия (Fluca), Норвегия (BioPolymer) и США (Algogel 3001, Algogel 6021). Физико-химическими методами были изучены некоторые физико-химические величины альгинатов. Вискозметрическим методом (вискозиметр Оствальда, d=0,56 мм) были определены относительная вязкость и критическая концентрация ассоциатообразования растворов альгината натрия (1,00 г/дл). Потенциометрическим методом были измерены рН растворов альгината, а также содержание свободных карбоксильных групп. Измерение проводили на иономере АНИОН 4100 со стеклянным комбинированным электродом.
Наночастицы селена получали путем восстановления раствора селенита натрия (х.ч.) аминокислотой L-цистеином (х.ч., «Synex Pharma», Китай) согласно методикам, описанным в литературе [6, 13]. Следует отметить, что водные растворы селенита натрия и цистеина малоустойчивы, поэтому они пригодны для работы в день приготовления. Нанобиокомпозит селена и альгината готовили следующим образом: к раствору альгината натрия (0,05-0,25 г/дл) добавляли раствор цистеина постоянной концентрации при перемешивании в течение 20-30 мин. Затем в эту смесь вводили окислитель - селенит натрия, при перемешивании. Концентрация селена оставалась постоянной - 0,005 г/дл. Соотношение наноселена и альгината
натрия (u=CSel/CAlg) лежит в пределах 0,10-0,02. В результате реакции образуется красновато-оранжевый коллоидный раствор нанобиокомпозита.
Измерение оптической плотности индивидуальных веществ и нанобиокомпозита селена с альгинатом проводили на спектрофотометре (СФ-2000, Россия) в кварцевых кюветах (/=1 см, t=20 °C), в интервале длин волн ^=200-700 нм. Контроль агрегативной устойчивости полученных наночастиц селена осуществляли фотометрическим методом по изменению оптической плотности при длине волны 315 нм (КФК-2, Россия).
Определение размера образующихся наночастиц селена и изучение поверхности тонких пленок, полученных из водных растворов полимера и наноселена, проводили на сканирующем мультимикроскопе (СММ-2000, Россия). В используемом мультимикроскопе имеется атомно-силовой микроскоп (АСМ) и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Выбор АСМ-режима определил методику подготовки образцов. Несколько капель раствора нанобиокомпозита наносили на предметное стекло и высушивали на воздухе при комнатной температуре. Фрагмент пленки 5х5 мм был прикреплен на пьедестал держателя образца. Сканирование проводилось «мягкими» кантилеверами со скоростью 4 мкм/сек и количество усреднений в точке - 16, что дало приемлемые результаты при достаточно высокой скорости сканирования. Обработка полученной информации включала выравнивание изображений, применение фильтров, использование программ для статического анализа. В результате был определен размер наночастиц селена и получены изображения рельефа сканируемой поверхности с разрешением до нескольких ангстрем.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В настоящее время альгинат натрия производят в США, Англии, Норвегии, Германии, России и других странах. В таблице представлены значения физико-химических параметров альгината натрия, произведенного в США, Норвегии и Германии.
Согласно полученным данным, используемые альгинаты отличаются относительной вязкостью и содержанием свободных карбоксильных групп. Наибольшая относительная вязкость (156,25) и наибольшее содержание свободных карбоксильных групп (12,78 %) наблюдаются у альгината американского производства (Algogel 6021). Альгинат производства Норвегии имел наименьшее значение относительной вязкости (15,00) и содержания свободных карбоксильных групп (10,30%).
Таблица
Физико-химические характеристики используемых альгинатов натрия
Измеряемая величина А^е1 3001 А^е1 6021 Шика ВюРо1ушег
Относительная вязкость раствора (1,0 г/дл) 32,90 ± 0,54 156,25 ± 0,95 57,50 ± 0,88 15,00 ± 0,25
рН раствора (1,0 г/дл) 6,8 ± 0,08 6,7 ± 0,08 6,30 ± 0,08 6,20±0,06
Область ККА, г/дл 0,007-0,01 0,01-0,02 0,009-0,010 0,010-0,11
Содержание свободных карбоксильных групп, % 9,29 ± 0,15 12,78 ± 0,33 10,62 ± 0,18 10,30 ± 0,15
Водные растворы индивидуальных веществ: альгината натрия, селенита натрия, цистеина в области длин волн ^=200-700 нм практически прозрачны. Малоинтенсивный максимум поглощения наноселена в матрице альгината натрия наблюдается при длине волны 250 нм, что совпадает с литературными данными [6, 9]. При изучении влияния альгината натрия на агрегативную устойчивость наноселена был приготовлен ряд растворов с различными массовыми соотношениями селен/альгинат. Концентрация селена была постоянной во всех случаях, а концентрация альгината менялась. Затем были измерены оптическая плотность, рН и относительная вязкость полученных растворов через определенные промежутки времени в течение месяца. На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что небольшие изменения относительной вязкости, оптической плотности и рН наблюдаются для растворов альгината - ВюРо1ушег (Норвегия). Кроме того, данные значения сохранялись в течение 20-25 дней, а затем постепенно выпадал осадок аморфного селена. Наименьшее влияние на стабилизацию наночастиц оказывал альгинат производства США (A1goge1 6021), осадок выпадал через 2 недели. Поэтому в дальнейших исследованиях использовали альгинат натрия производства Норвегия (ВюРо1ушег).
На рисунке представлены результаты морфологического анализа распределения диаметров наночастиц, полученные на мультимикроскопе (СММ-2000). Основной размер нанозерен лежит в пределах от 10 до 50 нм (91 %), а средний размер их составляет 34 нм (52 %). При изучении структуры поверхности тонкой пленки нанобиокомпозита видно, что поверхность представляет собой скопление нанокластеров. Все они соединены между собой и сохраняют сплошность за счет стабилизатора - альгината натрия.
Median = 35.31 nnn Mode (так С)= 52.72 пт Rms Deriv= 20.72 nm Mean Deriv= 17.45 nnn Var= 55.7% Asym= 0.4 EKcess=-0.6 Norm = 1.5
Mean (<F>) = 37.18 nm
3.007 nm 10.12 nm (23.Э1 nm] 34.02 nm Э7.Э5 nm Tablt Gb¡ects=628 3.08% (33.17%) 51.75% Cale Classes=25
Рис. Морфологический анализ кадра-графики распределения нанозерен селена по диаметрам.
В настоящее время наряду с синтезом нанокомпозитов селена и альгината существует острая необходимость оценки их токсических свойств. С этой целью был использован биотест на светящихся бактериях (Photobacterium leiognathi Sh1), выделенных из вод Азовского моря. Наночастицы селена не оказывают ингибирующего действия на бактериальную биолюминесценцию как в тесте на острую токсичность (60 мин тест), так и в тесте на хроническую токсичность (24 часа). Полученные данные свидетельствуют об отсутствии токсических свойств полученных наночастиц селена в матрице альгината натрия.
Синтезированный водорастворимый нанобиокомпозит был использован для предпосевной обработки семян пшеницы. Установлено, что данный препарат способствовал стимуляции накопления биомассы корней и надземной части растений по сравнению с контрольными образцами [14, 15].
Разработанный способ получения нанокомпозитов селена и альгината может быть положен в основу создания новых безопасных и эффективных препаратов для медицины, ветеринарии и сельского хозяйства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. На основании измерений оптической плотности, рН и относительной вязкости коллоидных растворов наноселена найдено, что лучшим стабилизатором среди альгинатов различных производителей является альгинат производства BioPolymer (Норвегия). Полученные нанобиокомпозиты устойчивы в течение 20-25 дней.
2. Методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии установлено, что полученные наночастицы селена в матрице альгината натрия имеют средний диаметр 34 нм (52 %).
Список литературы
1. Голубкина Н. А. Селен в медицине и экологии / Н. А. Голубкина, А. В. Скальный, Я. А. Соколов [и др.] // М.: КМК, 2006. - 136 с.
2. Громова О. А. Впечатляющие итоги и перспективы применения / О. А. Громова, И. В. Гоголева // Медицина неотложных состояний. - 2010. - Т. 6, № 31 - С. 124-128.
3. Хромцов А. Г. Новый биологически активный препарат на основе наночастиц селена / А. Г. Хромцов, А. В. Серов, В. П. Тимченко [и др.] // Вестник Северо-Кавказского государственного технического университета. - 2010. - № 4 - С. 122-125.
4. Мирошниченко М. В. Изучение закономерностей синтеза и разработка технологии концентрации наночастиц нульвалентного селена для новых профилактических продуктов: автореф. дисс. на соискание научн. степени канд. техн. наук: спец. 05.18.04 «Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств» / М. В. Мирошниченко - Ставрополь, 2013 - 25 с.
5. Копейкин В. В. Синтез наночастиц селена в водных растворах поливинилпирролидона и морфологические характеристики образующихся нанокомпозитов / В. В. Копейкин, С. В. Валуева,
A. И. Киппер [и др.] // Высокомолекулярные соединения. - 2003. - Т. 45, № 4 - С.615-622.
6. Facile and controllable one-step fabrication of selenium nanoparticles assisted by L-cysteine / Q. Li, T. Chen, F. Yang [et al.] // Materials letters. - 2010. - Vol. 64, № 5. - P. 614-617.
7. Валуева С. В. Влияние соотношения компонентов комплекса селен: поливинилпирролидон на формирование и морфологические характеристики наноструктур / С. В. Валуева, Л. Н. Боровикова, А. И. Киппер // Журнал физической химии. - 2008. - Т. 82, № 6. - С. 1131-1136.
8. Валуева С. В. Самоорганизация и структура селеносодержащих биологически активных наночастиц / С. В. Валуева, Т. Е. Суханова, Л. Н. Боровикова [и др.] // Электр. жур. «Структура и динамика молекулярных систем». - 2011. - № 10 (А). - С. 3-11.
9. Ingole Atul. R. Green synthesis of selenium nanoparticles under ambient condition / Atul. R. Ingole, Sanjay R. Thakare, N. T. Khati [et al.] // Chalgonide Letters - 2010 - Vol.7, No7 - P.485-489.
10. Хотимченко Ю. С. Физико-химические свойства, физиологическая активность и применение альгинатов - полисахаридов бурых водорослей / Ю. С. Хотимченко, В. В. Ковалев // Биология моря. - 2001. - Т. 27, № 3. - С. 151-162.
11. Юркова И. Н. Исследование оптических свойств нанобиокомпозитов на основе серебра и полисахаридов морских водорослей / И. Н. Юркова, Д. А. Панов, В. И. Рябушко // Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского. Серия: Биология, Химия. -2009. - Т. 22 (61), № 1. - С. 203-207.
12. Юркова И. Н. Нанокомпозиция серебра в матрице альгината натрия / И. Н. Юркова, Д. А. Панов // Тенденции и инновации фундаментальных и прикладных наук (Под редакцией И.Б. Красиной). -Ставрополь: Центр научного знания «Логос», 2016. - Т. 3. - С. 98-117.
13. Панов Д. А. Химотрипсин - стабилизатор наночастиц селена / Д. А. Панов, Е. В. Пысларь // Ученые записки Крымского федерального университета имени В. И. Вернадского. Серия: Биология, химия. - 2014. - Т. 27 (66), № 4. - С. 117-123.
14. Панов Д. А. Синтез и биологическая активность водорастворимых наночастиц селена в матрице альгината / Д. А. Панов, И. Н. Юркова, А. М. Кацев, А. В. Омельченко // Пятая Международная конференция «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий к наноиндустрии. - Ижевск (Россия), 2015. - С. 149-150.
15. Юркова И. Н. Влияние наночастиц селена и селенита натрия на рост и развитие растений пшеницы / И. Н. Юркова, А. В. Омельченко // Ученые записки Крымского федерального университета имени
B. И. Вернадского. Серия: Биология, химия. - 2015. - Т. 1 (67), № 3. - С. 99-106.
SELENIUM AND SODIUM ALGINATE NANOCOMPOSITES PRODUCING
AND PROPERTIES
Panov D. A.
V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Simferopol, Crimea, Russian Federation E-mail: panovda@crimea edu
The selenium as microelement is indispensable for human life since it participates in various biochemical processes and is a strong antioxidant, increases immunity, reduces the risk of cardiovascular disease, and is part of some enzymes. The products of Russians in most regions are poor in selenium, so the resulting highly dispersed nanoselenium with a particle size of less than 40 nm, which has a low toxicity, is recommended to be eaten as a biologically active additive. One of the promising methods of obtaining aggregate-resistant nanoparticles is the reduction of selenium from the ionic forms in presence of polymer solutions, and natural biopolymers - polysaccharides of marine algae with a wide range of biological activity, which used for colloid stabilization.
The purpose of this work was to study the physico-chemical properties of sodium alginate from various manufacturers (Germany, Norway and the USA) and its influence on the formation and stability of selenium nanoparticles, determination of the selenium nanoparticles sizes in the alginate matrix using scanning electron and atomic force microscopy.
Based on measurements of the optical density, pH and viscosity of nanoselenium colloidal solutions, it has been found that the best stabilizer among the alginates of various manufacturers is the biopolymer produced in Norway (BioPolymer). The obtained nanobiocomposites are sufficiently stable for 20-25 days.
Scanning electron and atomic force microscopy revealed that the obtained nanoparticles of the selenium in the sodium alginate matrix had an average diameter of 34 nm (52%).
To determine the toxic properties, biotest on luminous bacteria (Photobacterium leiognathi Sh1) was used. The obtained data testify to the absence of toxic properties at obtained selenium nanoparticles in the matrix of sodium alginate.
The synthesized water-soluble nanobiocomposite was used for presowing treatment of wheat seeds. It was found that this preparation stimulated the accumulation of the biomass of the roots and the aerial part of the plant as compared to the control samples.
Keywords: nanoselenium, sodium alginate, L-cysteine, atomic force and scanning microscopy.
References
1. Golubkina N. A., Skalny A. V., Sokolov Ya. A. Selenium in medicine and ecology, 136 p. ("KMK", Moscow, 2007). (in Russ.)
2. Gromova O. A., Gogoleva I. V. Impressive results and prospects of application, Emergency medicine, 6 (31), 124 (2010). (in Russ.)
3. Khromtsov A. G., Serov A. V., Timchenko V. P. A new biologically active drug based on selenium nanoparticles, Bulletin of the North Caucasus State Technical University, 4, 122, 2010. (in Russ.)
naHoe fl. A.
4. Miroshnichenko M. V. Study of the regularities of synthesis and development of a technology for the concentration of nivalent selenium nanoparticles for new preventive products 25 p. (Stavropol, 2013). (in
Russ.)
5. Kopeikin V. V., Valuev S. V., Kipper A. I. Synthesis of selenium nanoparticles in aqueous solutions of polyvinylpyrrolidone and morphological characteristics of the nanocomposites formed, High-molecular compounds, 45 (4), 615 (2003). (in Russ.)
6. Q. Li, T. Chen, F. Yang, J. Liu, W. Zheng Faci le and controllable one-step fabrication of selenium nanoparticles assisted by L-cysteine, Materials letters, 64 (5), 614 (2010).
7. Valuev S. V., Borovikova L. N., Kipper A. I. Effect of the ratio of components selenium polyvinylpyrrolidone on the formation and morphological characteristics of nanostructures, Journal of Physical Chemistry, 82 (6), 1131 (2008). (in Russ.)
8. Valueva S. V., Sukhanov T. E, Borovikova L. N., Vylegzhanina M. E., Matveeva N. A., Gelfond M. L. Self-organization and structure of biologically active selenium nanoparticles, Structure and dynamics of molecular systems, 10 (A), 3 (2011). (in Russ.)
9. Ingole Atul. R., Thakare Sanjay R., Khati N. T., Wankhade Atul V., Burghate D.K. Green synthesis of selenium nanoparticles under ambient condition, Chalgonide Letters, 7 (7), 485 (2010).
10. Khotimchenko Yu. S., Kovalev V. V. Physico-chemical properties, physiological activity and application of alginates - polysaccharides of brown algae, Biology of the sea, 27 (3), 151 (2001). (in Russ.)
11. Yurkova I. N., Panov D. A., Ryabushko V. I. Investigation of optical properties of nanobiocomposites based on silver and polysaccharides of seaweed, Scientific notes of the V.I. Vernadsky Taurida National University. Series: Biology, Chemistry, 22 (1), 203 (2009). (in Russ.)
12. Yurkova I. N., Panov D. A. Nanocomposition of silver in a matrix of sodium alginate, Trends and innovations of fundamental and applied sciences, 3, 98 (2016). (in Russ.)
13. Panov D. A., Pyslar E. V. Chymotrypsin is a stabilizer of selenium nanoparticles, Scientific Notes of V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Series: Biology, Chemistry, 27 (4), 117 (2014). (in Russ.)
14. Yurkova I. N., Panov D. A., Katsev A. M., Omelchenko A. V. Synthesis and biological activity of water-soluble selenium nanoparticles in the alginate matrix, Fifth International Conference "From nanostructures, nanomaterials and nanotechnologies to the nanoindustry, 149 (2015). (in Russ.)
15. Yurkova I. N., Omelchenko A. V. Effect of nanoparticles of selenium and sodium selenite on the growth and development of wheat plants, Scientific Notes of V. I. Vernadsky Crimean Federal University, Series: Biology, Chemistry, 1 (3), 99 (2015). (in Russ.)
