CC BY
28
УДК 535.36, 543.424.2
ВЛИЯНИЕ АКТИВНОЙ КИСЛОТНОСТИ КОЛЛОИДНОГО
РАСТВОРА ДИОКСИДА ТИТАНА В ФОРМЕ АНАТАЗА НА АГРЕГАТИВНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОФРАКЦИИ
М.А. Шевченко1, С. Ф. Уманская1, В. С. Кривобок1, А. В. Колобов1, С.Е. Димитриева1'2, С. И. Ченцов1
В зависимости от активной кислотности водного раствора исследована коллоидная устойчивость суспензии диоксида титана в форме анатаза (пищевая добавка E171), содержащей наночастицы со средним размером ~10 нм и ~200 нм. Показано, что стабильность нано-частиц достигается в щелочной среде при pH > 9.6. Уменьшение pH от 9.6 до 6.2 (нейтральный) приводит к росту дзета-потенциала от -30 мВ до -20 мВ и сопровождается формированием наноагломератов размером ~20 нм с участием мелких частиц. В кислой среде с pH ~ 2.6 (желудок человека) значение дзета-потенциала увеличивается до +10 мВ и сопровождается укрупнением мелких агломератов до 50-60 нм. При этом увеличение среднего размера до ~40 нм наблюдается уже в течении ~2 минут. Обнаруженная быстрая агломерация должна снижать вероятность проникновения на-нофракци E171 через клеточные мембраны в желудке человека. Однако проникающая способность нанофракции E171 существенно возрастает в тонком кишечнике, где происходит основное всасывание пищи и среда близка к нейтральной pH ~ 8.
Ключевые слова: диоксид титана, динамическое рассеяние света, комбинационное рассеяние света.
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: kolob7040@gmail.com.
2 2МГУТУ им. К. Г. Разумовского, 109004 Россия, Москва, ул. Земляной Вал, 73.
Кристаллический диоксид титана (ТЮ2) в форме анатаза или рутила повсеместно применяется в пищевой, фармацевтической, косметической промышленности, и для большинства применений адекватной замены данного материала пока не существует. В частности, ТЮ2 используется в качестве белого красителя Е171 в составе рыбной, молочной, кондитерской продукции, а также в оболочках и капсулах биологически активных добавок к пище. В то же время, последние эксперименты, проведенные с использованием лабораторных животных, указывают на то, что ТЮ2 в наноформе является высокотоксичным, причем степень токсичности и характер воздействия зависят от размера наночастиц (НЧ) [1, 2]. До недавнего времени считалось, что наиболее опасными считаются частицы в форме анатаза размером ~10 нм и менее [2-5]. Это, в первую очередь, связывалось с их способностью проникать через клеточные мембраны и накапливаться в организме. Также недавно было установлено, что крупные агломераты НЧ, размером ~100 нм, могут быть не менее токсичными, чем мелкие [6]. Тем не менее, механизм воздействия таких агломератов НЧ до конца не изучен ввиду их неспособности проникать через клеточные мембраны. Особенностью стандартных микропорошков ТЮ2 является то, что размер их частиц не регулируется и не контролируется международной нормативной базой, при том, что в них возможно содержание частиц в токсичной наноформе [7]. Поступление высокотоксичных НЧ анатазной фазы в организм, в том числе пероральным путем, следует признать высоко вероятным [8].
Несмотря на значительное количество работ, демонстрирующих токсичность НЧ ТЮ2, в современной литературе практически отсутствуют данные о том, какие процессы происходят с НЧ при их попадании в пищеварительную систему человека. В то же время, при различных значениях рН и/или ионной силы среды, в которой находятся частицы, происходит изменение их электростатического взаимодействия. Это может приводить как к распаду агломератов НЧ, что вызовет изменение механизмов воздействия НЧ на организм, так и, наоборот, к формированию агломератов большого размера и/или агломерации наночастиц на поверхности более крупных кристаллов. В последнем случае токсичность должна уменьшаться, если размер частиц составляет ~1 мкм или больше.
В частности, значение рН в человеческом желудке составляет 2-3. В то же время для нейтральной среды, например, молока, значение рН порядка 6-7. Это означает, что при попадании в желудок агрегативная устойчивость пищевой добавки ТЮ2, содержащейся в молоке (Е171), может претерпевать изменения, как в сторону увеличения токсичности, так и в сторону ее снижения. В данной работе показано, что при изменении рН
от 6.2 до 2.6 НЧ ТЮ2 демонстрируют быструю агломерацию - в течении нескольких минут после изменения активной кислотности средний размер более мелкой фракции быстро увеличивается, что уменьшает вероятность проникновения НЧ через клеточные мембраны в желудке человека. При этом, вероятность проникновения НЧ через клеточные мембраны может снова возрастать в тонком кишечнике, где рН ~ 8.
Рис. 1: Структурные свойства нанопорошка ТЮ2. (й) Фотографии, полученные с помощью электронного микроскопа. (Ь) Рентгеновские дифрактограммы с обозначением рефлексов тетрагональной фазы анатаза. (с) Спектры комбинационного рассеяния света, записанные при температуре 77 К. (й) Фрагмент спектров КРС в области Ед (г>б) фононной моды. Фрагмент спектра КРС микрокристалла анатазной фазы приведен для сравнения.
В данной работе мы имитировали поведение токсичной нанофракции добавлением в коммерчески доступную пищевую добавку E171 (Evonik Degussa GmbH), которая представляет собой порошок TiO2 в форме анатаза с характерным размером кристаллов 1-20 мкм, НЧ анатазной фазы размером ~6-12 нм, полученных жидкофазным методом. При таких размерах НЧ анатазная фаза TiO2 является высокотоксичной. В форме порошка частицы демонстрировали склонность к формированию агломератов, см. рис. 1(a).
Рис. 1(b) иллюстрирует рентгеновские дифрактограммы для выбранного нанопо-рошка, полученные с использованием дифрактометра Panalytical Expert Pro MRD. Как видно из рисунка, наблюдаются только уширенные рефлексы тетрагональной фазы ана-таза. Измерения полуширины отдельных рефлексов и аппроксимация рентгеновских кривых позволяют утверждать, что средний размер нанокристаллов порядка ~10 нм. На рис. 1(c) приведены спектры комбинационного рассеяния света (КРС) в выбранном нанопорошке TiO2, полученные при облучении кристаллов излучением с длинной волны 472 нм. Измерения проводились при температуре 77 К, спектральное разрешение лабораторного спектрографа составляло 1 см-1. В спектрах как микро, так и нано-фракции доминирует линия, соответствующая моде Eg(г>б), которая включает в себя растяжение O-Ti-O связи вдоль оси a решётки анатаза [9]. Положение линии Eg (v6) для микрокристаллов TiO2 составляет 140 см-1, в то время как для нано-фракции линия Eg(v6) сдвинута в длинноволновую область за счет размерных эффектов [10, 11]. Детали этого эффекта показаны на рис. 1(d). Сдвиг и уширение линии Eg(v6) на ~5 см-1 позволяют независимо оценить средний размер кристаллических зерен в нанопорошке TiO2, который составляет ~6-10 нм. В более высокочастотной области регистрируются линия Eg(v5) в районе 196 см-1 и триплет 395 см-1, 514 см-1 и 637 см-1, отвечающий модам Big(v4), смеси мод A1g(v3) и B1g(v2) и моде Eg(v1), соответственно. Все описанные линии являются характерными для спектров КРС анатазной фазы TiO2 [9, 12]. Признаков других фаз TiO2 в нанопорошке не регистрируется.
Таким образом, отобранный для исследований порошок представляет собой TiO2 в форме анатаза и не содержит заметных включений других фаз. Характерный размер кристаллических зерен составляет ~6-12 нм.
Распределение частиц по размерам при различных значениях pH раствора, предварительно в течении 10 минут обработанного ультразвуком [13], определялись методом динамического рассеяния света (ДРС) с помощью Photocor Compact-Z. Изменение pH производилось добавлением в бидистиллированную воду HCl и NaOH и контролиро-
валось рН-метром. Все измерения проводились при температуре 23 °С. Концентрация измеряемого образца в водной суспензии составляла 100 мг/л, что приблизительно соответствует содержанию Б171 в восстановленных молочных продуктах. Следует отметить, что при такой концентрации можно, по-видимому, пренебречь артефактными пиками распределения, связанными с пересечением отдельными частицами границ объема рассеяния [14].
—.—|—I—|—.—|—.—|—.—|—.—|—.—|—.—|—
23456789 10 рН
Рис. 2: Зависимость дзета-потенциала водной суспензии нанофракции TiO2 от pH.
Устойчивость коллоидной системы частиц, как правило, определяется дзета-потенциалом, который представляет собой разность потенциалов между неподвижным слоем жидкости, окружающим частицу, и дисперсионной средой. Коллоидная система считается устойчивой, если абсолютное значение дзета-потенциала превышает 30 мВ. Зависимость дзета-потенциала полученных водных растворов от значения рН показана на рис. 2. Измерения дзета-потенциала также проводились на Photocor Compact-Z.
Как видно из рис. 2, в нейтральной водной суспензии ХЮ2 (рН = 6.2) значение потенциала составляло -20 мВ. Наиболее нестабильным водный раствор является при рН ~ 3.5, при котором значение потенциала приближается к нулю (изоэлектрическая точка). При уменьшении рН от 3.5 до 2.6 наблюдался рост дзета-потенциала до +10 мВ. Это означает, что при попадании продуктов с нейтральным рН в желудок человека значение дзета-потенциала проходит через нуль. Отметим, что устойчивость водного раствора, соответствующая дзета-потенциалу -30 мВ, достигается в щелочной среде при рН ~ 9.6.
1
-рН= 3.5
---рН=Ь.2
......рН=9.3
|180 nmj
175 nml
10
100
Particle diameter, nm
1000
Рис. 3: Распределение по размерам водной суспензии наночастиц при различной
активной кислотности водного раствора.
На рис. 3 показаны распределения по размерам, полученные для нанопорошка ТЮ2 при разных значениях активной кислотности. Из корреляционной функции, измеренной коррелятором прибора Photocor Compact-Z, с помощью программы БупаЬБ были получены распределения интенсивности рассеянного света по размерам НЧ. Распределение по массе было получено пересчетом из распределения интенсивности с помощью теории Ми. Встроенный в БупаЬБ и другие аналогичные программы алгоритм такого пересчета основан на предположении о зависимости интенсивности рассеяния от радиуса частицы как гк, где к = 6 для мелких и к = 5 для крупных частиц, и дает лишь качественную оценку. Поэтому для перехода от распределения по интенсивности к распределению по массе использовалась теория Ми в предположении, что плотность и показатель преломления всех частиц равен показателю преломления ТЮ2. Измерения сигнала ДРС проводились после выстаивания раствора в течение двух часов. Как видно из рисунка, при рН = 9.6 доминируют частицы диаметром 6.7 нм, что согласуется со средним размером кристаллических зерен, измеренным с помощью спектроскопии КРС и ренгеноструктурного анализа. Это подтверждает сделанный вывод о том, что при рН = 9.6 коллоидная система наночастиц является агрегативно устойчивой. Также наблюдаются крупные частицы размером ~ 180 нм. Т.е. распределение частиц является бимодальным, что характерно для многих коллоидных систем [15]. Уменьшение рН до
6.2 слабо сказывается на крупных частицах, но приводит к заметному укрупнению мелких. Это означает, что в нейтральных растворах токсичные наночастицы существуют в форме агломератов диаметром ~20 нм. Наконец, при уменьшении рН до 3.5 (соответствует нулю дзета-потенциала) наблюдается резкое укрупнение как мелких, так и крупных агломератов. Измеренная взаимосвязь между значениями дзета-потенциала и распределениями частиц по размерам показывает, что агрегативная устойчивость водных суспензий нанофракции диоксида титана определяется ионно-электростатическим фактором в согласии с теорией ДЛФО [16].
1 -Ц—.....I-'-1-1—.....I. ........I—:
рН=в.2
Particle diameter, nm
Рис. 4: Типичная эволюция распределения наночастиц по размерам при изменении активной кислотности водной суспензии наночастиц TiO2 от рН = 6.2 до рН = 2.6.
Рис. 4 демонстрирует динамику распределения размера нанофракции ТЮ2 при снижении рН раствора от 6.2 до 2.6. После снижения рН в суспензии происходят структурные изменения, приводящие к укрупнению более мелких агломератов, что хорошо видно по смещению соответствующего пика распределения. Причем основные изменения проходят в течении нескольких минут. В частности, в течении двух минут средний размер мелких агломератов возрастает примерно вдвое. При дальнейшем выстаивании наблюдаются лишь медленные изменения - через два часа после увеличения рН еще в ~1.5 раза увеличивается средний размер мелких агломератов и происходит незначительное смещение центра тяжести распределения в сторону крупных частиц. Обнаруженная "быстрая" динамика связана, по-видимому, с тем, что при изменении рН от
нейтрального до кислого, соответствующего человеческому желудку, дзета-потенциал проходит через изоэлектрическую точку. В итоге, при pH = 2.6 в коллоидной системе сохраняется заметная доля мелких НЧ.
Таким образом, исследована агломерация частиц нано- и субмикронного размеров, содержащихся в пищевой добавке E171, при ее попадании в кислотную среду с pH, соответствующем желудку человека. Для этого проведен анализ агломерации наноча-стиц TiO2 (анатаз) размером ~10 нм и ~200 нм при увеличении/уменьшении активной кислотности водного раствора. Показано, что стабильность суспензии наночастиц достигается при pH ~ 9.6. Уменьшение pH от 9.6 до 6.2 (нейтральный) приводит к увеличению дзета-потенциала от -30 до -20 мэВ и сопровождается формированием наноагломератов размером ~20 нм. По мере дальнейшего смещения pH до значения ~2.6, соответствующего желудку человека, дзета-потенциал увеличивается до +10 мВ. Это сопровождается укрупнением наноагломератов, причем наиболее существенное увеличение среднего размера наноагломератов до ~40 нм наблюдается в течение нескольких минут после увеличения кислотности. Полученные данные указывают на то, что нанофракция быстро агломерируется в кислой среде с pH, соответствующем человеческому желудку. Однако ее дальнейший переход вместе с пищей в тонкий кишечник, где уровень pH ~ 8, может снова приводить к появлению наноагломератов характеризующихся сравнительно высокой проникающей способностью через клеточные мембраны. Проникающая способность может также возрастать при употреблении E171 в сочетании с продуктами, уменьшающими активную кислотность, такими, в частности, как большинство свежих овощей и фруктов.
В целом, полученные результаты указывают на то, что при изучении воздействия E171 на организм человека следует принимать во внимание процессы, связанные с изменением активной кислотности в пищеварительной системе человека. В дальнейшем планируется изучение кинетических зависимостей изменения агломерации наночастиц диоксида титана при изменении pH и при их взаимодействии с макромолекулами пищи.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (Грант "Микромир" # 19-0550145). Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 19-02-00750-а, 19-02-00440-а и 20-52-00002-Бел-а) и БРФФИ (грант Ф20Р-013).
ЛИТЕРАТУРА
[1] X. Chen, Y. Zhu, K. Yang, et al., Environ. Pollut. 247, 421 (2019). https://doi.Org/10.1016/j.envpol.2019.01.022.
[2] C. Xue, J. Wu, F. Lan, et al., J. Nanosci. Nanotech. 10, 8500 (2010). https://doi.org/10.1166/jnn.2010.2682.
[3] S. A. Ferraro, M. G. Domingo, A. Etcheverrito, et al., J. Trace. Elem. Med. Biol. 57, No. 126413, (2020). https://doi.org/10.1016/j.jtemb.2019.126413.
[4] K. Krüger, K. Schrader and M. Klempt, Nanomaterials 7(4), 79 (2017). https://doi.org/10.3390/nano7040079.
[5] F. Li, Z. Liang, X. Zheng, et al., Aquat. Toxicol. 158, 1 (2015). https://doi.org/10.1016/j.aquatox.2014.10.014.
[6] Sivakumar Murugadoss, Frederic Brassinne, Noham Sebaihi, et al., Particle and Fibre Toxicology 17, 1 (2020). https://doi.org/10.1186/s12989-020-00341-7.
[7] R. J. B. Peters, H. Bouwmeester, S. Gottardo, et al., Trends Food Sci. Tech. 54, 155 (2016). https://doi.org/10.1016/j.tifs.2016.06.008.
[8] G. J. Nohynek, J. Lademann, C. Ribaud and M. S. Roberts, Crit. Rev. Toxicol. 37, 251 (2007). https://doi.org/10.1080/10408440601177780.
[9] S. K. Mukherjee and D. Mergel, J. Appl. Phys. 114, No. 013501, (2013). https://doi.org/10.1063/1.4811682.
[10] W. F. Zhang Y. L. He, M. S. Zhang, et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 33, No. 912, (2000). https://doi.org/10.1088/0022-3727/33/8/305.
[11] K. R. Zhu, M. S. Zhang, Q. Chen, and Z. Yin, Phys. Lett. A 340, 220 (2005). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2005.04.008.
[12] T. Ohsaka, F. Izumi and Y. Fujiki, J. Raman Spectrosc. 7, 321 (1978). https://doi.org/10.1002/jrs.1250070606.
[13] И. С. Бурханов, Л. Л. Чайков, Н. А. Булычев, М. А. Казарян, Краткие сообщения по физике ФИАН 41(10), 38 (2014). https://doi.org/10.3103/S1068335614100054.
[14] М. Н. Кириченко, А. Т. Саноева, Л. Л. Чайков, Краткие сообщения по физике ФИАН 43(8), 32 (2016). https://doi.org/10.3103/S1068335616080066.
[15] M. N. Kirichenko, L. L. Chaikov, A. V. Shkirin, et al., Physics of Wave Phenomena 28(2), 150 (2020). https://doi.org/10.3103/S1541308X20020077.
[16] Б. В. Дерягин, Н. В. Чураев, В. М. Муллер, Поверхностные силы (М., Наука, 1985). https://doi.org/10.1002/bbpc.198800264.
Поступила в редакцию 27 апреля 2021 г.
После доработки 8 июля 2021 г.
Принята к публикации 9 июля 2021 г.
