Флуоресцентные наноматериалы из нанокристаллической целлюлозы
- Authors: Белых А.Г.1, Друзь Ю.И.1, Михайлов В.И.1, Ситников П.А.1, Торлопов М.А.1, Шевченко О.Г.2
-
Affiliations:
- Институт химии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
- Институт биологии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
- Issue: Vol 97, No 5 (2024)
- Pages: 401-409
- Section: Высокомолекулярные соединения и материалы на их основе
- URL: https://bakhtiniada.ru/0044-4618/article/view/272595
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0044461824050062
- EDN: https://elibrary.ru/KGATSK
- ID: 272595
Cite item
Full Text
Abstract
Флуоресцирующие наносистемы, содержащие углеродные квантовые точки (УКТ), получены одностадийным гидротермальным методом с использованием двух типов нанокристаллической целлюлозы (НКЦ): частиц с составом поверхности, близким к нативной целлюлозе (Н-НКЦ), и частиц с сульфатированной поверхностью (С-НКЦ). Наносистемы были охарактеризованы с помощью ультрафиолетовой спектроскопии, инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, анализа динамического светорассеяния и флуоресцентной микроскопии. ζ-Потенциал золей составляет от –9.4 до –22.4 мВ для УКТ/Н-НКЦ и –18.3 мВ для УКТ/С-НКЦ. Золи углеродных наночастиц имеют ярко-синее свечение при воздействии ультрафиолетового излучения и необычную флуоресценцию, не зависящую от возбуждения, с квантовым выходом излучения 8.70% для УКТ/Н-НКЦ и 0.84% для УКТ/С-НКЦ. Полученные наноматериалы проявляют высокую антирадикальную активность в тесте с 2,2-дифенил-1-пикрилгидразилом.
Full Text
Углеродные квантовые точки (УКТ) — новый класс наноматериалов с возможностью использования в медицине, оптоэлектронике, системах очистки воды. Различные авторы отмечают их высокую люминесценцию, диспергируемость, высокую тепловую и оптическую фотостабильность, легкую функционализацию поверхности и удовлетворительную биосовместимость [см., например, 1]. Они являются полупроводниковыми частицами, размер которых, как правило, не превышает 20 нм, ядро которых состоит из sp2- и sp3-гибридизованных атомов углерода, а поверхность содержит органические функциональные группы: аминные, эпоксидные, карбонильные, альдегидные и гидроксильные. Качественное и количественное содержание функциональных групп зависит от исходного химического состава прекурсора, метода синтеза и влияет на люминесцентные свойства углеродных квантовых точек [2, 3]. В зависимости от сырья, используемого для получения, углеродные квантовые точки могут обладать различной биологической активностью, включая антиоксидантную [4]. В частности, сообщается об антирадикальной активности углеродных квантовых точек, что может быть обусловлено наличием дефектов и неспаренных электронов на их поверхности [4–8].
На поверхности углеродных точек (особенно окисленных) может содержаться большое количество кислородсодержащих функциональных групп: в зависимости от вида синтеза содержание кислорода в окисленных углеродных квантовых точках составляет от 5 до 50% массы [9]. ИК-спектры окисленных углеродных квантовых точек обычно содержат полосы поглощения гидроксильных, карбонильных и эфирных (включая эпоксидные) групп. Именно наличие поверхностных функциональных групп открывает путь к функционализации и поверхностной пассивации углеродных точек путем взаимодействия с различными органическими и неорганическими (включая полимерные и биологические) материалами [10, 11].
Используемые прекурсоры и методы получения влияют на квантовый выход, размер частиц и флуоресцентные свойства углеродных точек. Одно из отличительных оптических свойств углеродных квантовых точек по сравнению с обычными полупроводниковыми квантовыми точками — это их настраиваемое излучение флуоресценции (длина волны излучения углеродных квантовых точек смещается в красную сторону с увеличением длины волны возбуждения, и излучение флуоресценции легко регулируется) [12].
Гидротермальный метод является одним из самых простых процессов синтеза углеродных наночастиц с высоким квантовым выходом [13, 14]. Для получения углеродных квантовых точек предложены различные полисахариды, включая альгиновую кислоту, хитозан, крахмал, хитин, целлюлозу, гиалуроновую кислоту, ксилан, пектин [15]. Наличие дефектов в структуре углеродных точек определяет их фотолюминесцентные свойства. Кроме того, было показано, что использование поверхностных пассиваторов и введение гетероатомов в качестве легирующих добавок улучшает и помогает регулировать свойства фотолюминесценции этих наноматериалов [16].
Нанокристаллическую целлюлозу (НКЦ) для получения углеродных квантовых точек можно рассматривать одновременно и как источник углерода из возобновляемого растительного сырья, и как вещество, структура и подходы к химической модификации которого достаточно широко изучены. В существующих исследованиях использовалась наноцеллюлоза, полученная путем кислотного гидролиза микрокристаллической целлюлозы серной кислотой (сульфатированная наноцеллюлоза), сопровождающегося этерификацией поверхности нанокристаллов с образованием сульфатных групп. Количество сульфатных групп на поверхности наноцеллюлозы существенно зависит от природы исходного сырья (хлопок, эвкалипт и пр.) и технологических параметров кислотной обработки [17]. Указанные факторы оказывают существенное влияние на люминесцентные свойства углеродных квантовых точек, получаемых из сульфатированной наноцеллюлозы, и не позволяют проводить их контролируемый синтез с воспроизводимыми параметрами. Решением данной проблемы может быть использование оригинального метода выделения наноцеллюлозы с химической структурой поверхности, близкой к нативной [18].
Цель работы — получение углеродных квантовых точек из нанокристаллической целлюлозы и оценка их флуоресцентных свойств и антирадикальной активности.
Экспериментальная часть
Сульфатированную наноцеллюлозу (С-НКЦ) получали кислотным гидролизом микрокристаллической хлопковой целлюлозы (МКЦ-Анкир, ЗАО «Эвалар») в соответствии с методикой, приведенной в работе [19]. Нанокристаллическую целлюлозу с составом поверхности, близким к нативной целлюлозе (Н-НКЦ), получали методом контролируемого сольволиза целлюлозы в системе уксусная кислота (х.ч., АО «Вектон»)/октанол-1 ( кат. номер W280003-1KG-K, Sigma-Aldrich) (1:9 об%) в присутствии вольфрамфосфорной кислоты H3PW12O40 (х.ч., АО «Вектон») (0.1–1.0 мол%). Содержание ацетатных поверхностных групп составляет 13.5 на 100 ангидроглюкозных звеньев. Концентрации полученных золей нанокристаллической целлюлозы составили 0.0175 г·мл–1. Степень кристалличности (СК) целлюлозы определяли модифицированным методом Руланда по формуле
CK = (I – Iам)/I, (1)
где I — суммарная интегральная интенсивность рассеяния кристаллической и аморфной фазами, Iaм — интегральная интенсивность рассеяния аморфной фазой образца [18].
На рентгенограмме наноцеллюлозы присутствуют характеристические пики (1–10), (110), (200) и (004) кристаллографических плоскостей моноклинной решетки Iβ целлюлозы при 2θ = 14.8°, 16.5°, 22.6°, 34.1° соответственно. Степень кристалличности образцов нанокристаллической целлюлозы 91.9% [рентгенофазовый анализ (Shimadzu XRD-6000)]. В качестве сравнения использовались углеродные точки, полученные из лимонной кислоты (C6H8O7·H2O, х.ч., ООО «РусХим») [20].
Флуоресцентные системы, содержащие углеродные квантовые точки, были получены из золей нанокристаллической целлюлозы методом гидротермальной карбонизации. Синтез проводили при 200°С с варьированием концентрации прекурсора при 80%-ном заполнении тефлонового вкладыша автоклава из нержавеющей стали. Для удаления побочных и непрореагировавших продуктов реакции после гидротермального синтеза растворы углеродных точек были очищены с помощью центрифугирования и диализа. Центрифугирование проводилось при скорости 12 000 об·мин–1 в течение 20 мин (центрифуга лабораторная медицинская ЦЛн-16 Xiangzhi Centrifuge). Полученные после удаления осадка системы имеют светло-желтый цвет в видимой области спектра, а при воздействии ультрафиолетового излучения демонстрируют яркое синее свечение. Микроволновой синтез проводили с использованием микроволновой системы «Меркурий» (ООО «Спецтехнологии») в различных режимах (давление от 1500 до 2500 кПа, температура от 200 до 225°С) в течение 10 мин. Системы, содержащие углеродные квантовые точки, были охарактеризованы с помощью ультрафиолетовой спектроскопии (Solar PB2201, ЗАО «Солар»), инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (Prestige 21, Shimadzu) и флуоресцентной микроскопии («Флуорат-02-Панорама», ООО «Люмэкс»). Гидродинамический диаметр и ζ-потенциал наночастиц определяли методами динамического и электрофоретического рассеяния света соответственно с использованием лазерного анализатора наночастиц Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments). Все измерения повторяли не менее 3 раз. ИК-Фурье-спектры получали в диапазоне частот 4000–400 см–1. Образцы готовили методом прессования дисков с KBr. Спектры поглощения регистрировали в диапазоне длин волн 200–700 нм в кварцевой кювете с длиной оптического пути 1 см при комнатной температуре. Квантовый выход углеродных квантовых точек определяли с использованием сульфата хинина (кат. номер Q0200000, Sigma-Aldrich) в качестве эталона [0.1 М водный раствор H2SO4 (х.ч., ТД «ЭКОС-1»)] по уравнению
Ф = Фст(I/IIст/η/ηст)2, (2)
где Φ — квантовый выход флуоресценции, I и Iст — наклон кривых флуоресценции исследуемого и эталонного соединений, ηст и η — показатели преломления эталонного и исследуемого растворов. Φст представляет собой известный квантовый выход сульфата хинина в 0.1 М H2SO4 (54%) [5]. Поглощение поддерживали ниже 0.1 при длине волны возбуждения 350 нм, чтобы свести к минимуму реабсорбцию.
Антирадикальную активность (АРА) растворов, содержащих углеродные квантовые точки (итоговые концентрации 3.6–36 мг·л–1), оценивали по их способности взаимодействовать со стабильным хромоген-радикалом 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила (Alfa Aesar) [8]. Стоковые растворы образцов вносили в раствор 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила в метиловом спирте (марка А, ООО ПКФ «Нижегородхим») (0.0015%), встряхивали и выдерживали в темноте при комнатной температуре 30 мин, поглощение раствора измеряли при λ = 517 нм. АРА рассчитывали по степени обесцвечивания 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила, используя уравнение
АРА, % = 100·(1 – At/Ac), (3)
где At — оптическая плотность пробы, содержащей исследуемое соединение; Ac —— оптическая плотность контрольной пробы, не содержащей исследуемых соединений. Оптическую плотность определяли с использованием спектрофотометра Thermo Spectronic Genesys 20. В качестве референсного соединения использовали 6-гидрокси-2,5,7,8-тетраметилхроман-2-карбоновую кислоту (тролокс, кат. номер 238813, Sigma-Aldrich).
Статистическую обработку данных осуществляли с помощью пакета программ Microsoft Office Excel 2007 и Statistica 6.0. Каждый эксперимент проводили в количестве четырех. Результаты представлены как среднее значение ± стандартная ошибка. Статистическую значимость различий оценивали по критерию Манна–Уитни.
Обсуждение результатов
Для нанокристаллов целлюлозы с поверхностью, близкой к нативной (Н-НКЦ), характерна стержневидная форма со средним размером кристаллов: длина 200 нм, ширина 10 нм (рис. 1). Получены и исследованы образцы, содержащие углеродные квантовые точки из нанокристаллов целлюлозы с поверхностью, близкой к нативной целлюлозе (Н-НКЦ), и частиц с сульфатированной поверхностью (С-НКЦ), с варьированием концентрации прекурсора и температурного режима гидротермального и микроволнового синтеза. Для сравнения были получены углеродные квантовые точки из лимонной кислоты, которые исследованы и описаны во множестве публикаций [см., например, 20].
Рис. 1. Микрофотография нативной нанокристаллической целлюлозы.
Определены гидродинамический диаметр и ζ-потенциал систем, содержащих углеродные квантовые точки, полученных из растворов наноцеллюлозы различной концентрации. Наночастиц размером до 10 нм после гидротермального и микроволнового воздействия на золи наноцеллюлозы не выявлено. В случае с лимонной кислотой происходит формирование частиц со средним размером 0.8–1.2 нм. Золь углеродных квантовых точек из лимонной кислоты имеет небольшой отрицательный ζ-потенциал, что согласуется с данными других исследователей, согласно которым углеродные наночастицы из лимонной кислоты, содержащие различные функциональные группы [—OH, —NH, —SH, C(O)—OH, CN,C—N и CS], имеют заряд частиц от –2.9 до –48.0 мВ [21].
При гидротермальной обработке золей сульфатированной и нативной наноцеллюлозы размер полученных углеродных наночастиц находится в пределах размеров исходных нанокристаллов целлюлозы (более 100 нм) независимо от концентрации прекурсора и времени синтеза (см. таблицу). Значение ζ-потенциала постепенно снижается при разбавлении исходных золей наноцеллюлозы, что говорит об уменьшении количества карбоксильных групп и более слабом электростатическом отталкивании [22]. При микроволновой обработке нативной наноцеллюлозы также образуются крупные частицы размером более 200 нм. При повышении давления размер частиц увеличивается, а заряд поверхности уменьшается.
Свойства наносистем с углеродными квантовыми точками из различных прекурсоров
Образец (концентрация, г·мл–1) | Режим выдержки, °C/ч | Размер частиц, нм | ζ-Потенциал, мВ |
Сульфатированная наноцеллюлоза (0.0174) | Без обработки | 277–389 | –55.0 |
Сульфатированная наноцеллюлоза (0.0174) | 200/5 | 491–586 | –18.3 |
Нативная наноцеллюлоза (0.0175) | Без обработки | 220–2112 | –20.3 |
Нативная наноцеллюлоза (0.0175) | 200/5 | 505–536 | –12.6 |
Нативная наноцеллюлоза (0.00175) | Без обработки | 65–502 | –27.6 |
Нативная наноцеллюлоза (0.00175) | 200/5 | 77–830 | –9.4 |
Нативная наноцеллюлоза (0.00175) | 200/10 | 274–349 | –17.9 |
Нативная наноцеллюлоза (0.000175) | Без обработки | 448–560 | –30.1 |
Нативная наноцеллюлоза (0.000175) | 200/5 | 59–560 | –22.4 |
Нативная наноцеллюлоза (0.000175) | 200/10 | 100–436 | –22.3 |
Нативная наноцеллюлоза (0.000175) | 200/10 мин (микроволновой метод) | 373–433 | –19 |
Нативная наноцеллюлоза (0.000175) | 215/10 мин (микроволновой метод) | 215–5200 | –10 |
Нативная наноцеллюлоза (0.000175) | 225/10 мин (микроволновой метод) | 250–2500 | –8.8 |
Лимонная кислота (0.1) | 200/5 | 0.8–1.2 | –2.3 |
В ИК-спектрах образцов нативной наноцеллюлозы присутствуют полосы поглощения, характерные для целлюлозных материалов (рис. 2). Широкая полоса в области 3350 см–1 относится к колебаниям групп О—Н, присутствующим в целлюлозе. Полосы в области 2900 и 1430 см–1 характерны для С—H-групп. Присутствующая в спектрах всех образцов полоса в области 1640 см–1 относится к колебаниям O—H-связи сорбированной полимером воды. В спектрах порошковой целлюлозы наблюдается полоса в области 1153 см–1, которой отвечают колебания связи С—С углеродного скелета. Для образцов наноцеллюлозы эта полоса смещена в область 1160 см–1. Полоса с максимумом в области 1039–1043 см–1 (как в спектрах порошковой целлюлозы, так и в спектрах нанокристаллической целлюлозы) относится к колебаниям связи C—O—C пиранозного кольца. Полоса в области 895 см–1 относится к колебаниям гликозидной связи.
Рис. 2. Фурье-ИК-спектры.
1 — нативная наноцеллюлоза, 2 — углеродные точки из нативной наноцеллюлозы, 3 — углеродные точки из сульфатированной наноцеллюлозы, 4 — углеродные точки из лимонной кислоты.
ИК-спектры углеродных квантовых точек из нативной и сульфатированной наноцеллюлозы схожи и согласуются с результатами других исследований, в которых для получения углеродных точек из нанокристаллов целлюлозы использовался гидротермальный и микроволновой синтез [23–26]. В спектрах наблюдаются пики, отвечающие за карбонильные и гидроксильные функциональные группы. Пик ~1710 см–1 можно отнести к валентному колебанию связи CO карбонильной группы, он появляется за счет образования гидроксиметилфурфурола, который является интермедиатом образования углеродных точек из глюкозы [15]. После термической обработки наноцеллюлозы определяются пики с незначительной интенсивностью при 895 и 1040 см–1, следовательно, в реакционной системе остаются фрагменты нанокристаллической целлюлозы. Появляются пики в области 1470 см–1, соответствующие валентным колебаниям CC-связей. Таким образом, можно предположить, что при термической деструкции водных золей наноцеллюлозы возможно формирование как отдельных углеродных квантовых точек, так и доменных областей на поверхности нанокристалла, обладающих их свойствами (углеродные квантовые домены).
В ИК-спектре углеродных точек, полученных из лимонной кислоты, наблюдаются полосы поглощения, относящиеся к колебаниям карбонильных и гидроксильных функциональных групп (рис. 2). В ИК-спектрах регистрируются широкие полосы при 3000–3500 см–1 и набор узких полос поглощения в области 400–1800 см–1, среди которых полосы поглощения, относящиеся к колебаниям δ(СH2), ν(СО), к альдегидным группам, валентным CC колебаниям и колебаниям ОН-групп.
Поглощение углеродных квантовых точек в УФ–видимой области характеризуется пиками в области 240–300 нм [17]. Эти пики относятся к π–π*-переходу ароматических связей и n–π*-переходу карбонила и других кислородсодержащих соединений [27]. В спектре поглощения углеродных точек из лимонной кислоты присутствуют полосы, характерные для углеродных квантовых точек: полосы поглощения при 210 нм, которые относятся к π–π*-переходу CC sp2-гибридной углеродной системы, а также полосы при 280 нм, которые приписываются типичному переходу n–π* связей CO. В спектрах углеродных квантовых доменов, полученных при термической обработке наноцеллюлозы, также наблюдаются два пика при 220 и 280 нм (рис. 3). Пик при 220 нм относится к π–π*-переходу ароматических связей СС и С—С [20]. Пик при 280 нм относится к n–π*-переходу групп CO, образующихся вследствие окисления углеродных наночастиц. Возможно, кислотные центры (—SO3 в случае С-НКЦ и —СООН у Н-НКЦ) на поверхности наноцеллюлозы частично пиролизуются с образованием СС-связей. После термообработки нанокристаллической целлюлозы уменьшается заряд полученных золей, содержащих углеродные квантовые точки.
Рис. 3. Спектры поглощения углеродных точек, полученных из: 1 — лимонной кислоты, 2 — сульфатированной наноцеллюлозы, 3 — нативной наноцеллюлозы.
В спектрах излучения углеродных точек из лимонной кислоты присутствует пик около 450 нм при возбуждении на длинах волн от 300 до 390 нм (рис. 4, а). Максимальный пик эмиссии наблюдается при длине волны возбуждения 390 нм с постепенным уменьшением интенсивности при длинах волн возбуждения от 410 до 450 нм со смещением пика с 450 до 470 нм. Таким образом, в спектрах флуоресценции углеродных точек наблюдаются два типа зависимости от возбуждения: излучение, независимое от возбуждения (300–390 нм), и зависимое от возбуждения (410–450 нм), что ясно указывает на два различных механизма флуоресценции. Почти такая же зависимость длины волны излучения от длины волны возбуждения описана в работе [28], как независимая от возбуждения флуоресценция, связанная с наличием органических флуорофоров.
Рис. 4. Спектры флуоресценции углеродных точек, полученных из: а — лимонной кислоты при длинах волн возбуждения (нм): 1 — 300, 2 — 360, 3 — 370, 4 — 390, 5 — 410, 6 — 430, 7 — 450; б — нативной целлюлозы (гидротермальный метод) при длинах волн возбуждения (нм): 1 — 310, 2 — 330, 3 — 350, 4 — 360, 5 — 370, 6 — 390; в — сульфатированной наноцеллюлозы (гидротермальный метод) при длинах волн возбуждения (нм): 1 — 310, 2 — 330, 3 — 350, 4 — 360, 5 — 370, 6 — 390; г — нативной целлюлозы (микроволновой метод) при длинах волн возбуждения (нм): 1 — 300, 2 — 310, 3 — 330, 4 — 350, 5 — 360, 6 — 370, 7 — 390, 8 — 410, 9 — 430.
Спектры флуоресценции углеродных квантовых доменов, полученных из наноцеллюлозы, сходны со спектрами углеродных точек из лимонной кислоты, несмотря на различие в размере частиц (рис. 4). В спектрах флуоресценции углеродных точек, полученных гидротермальным и микроволновым методами из наноцеллюлозы, также фиксируются пики, не зависящие от длины волны возбуждения, в диапазоне от 310 до 370 нм. В спектрах присутствует пик около 440 нм, максимальный пик эмиссии наблюдается при длине волны возбуждения 350 нм. При длине волны возбуждения 390 нм и выше пик эмиссии постепенно смещается с 440 до 460–500 нм, и его интенсивность заметно падает, что свидетельствует о двойной эмиссии, как и в случае углеродных точек из лимонной кислоты. Такое поведение необычно для углеродных квантовых точек [17, 29], но описано в статьях [28, 30, 31]. В случае графеновых точек было высказано предположение, что это можно объяснить однородным распределением частиц по размерам. В то же время показано, что излучение, не зависящее от длины волны возбуждения, позволяет использовать углеродные точки в качестве обычных флуорофоров.
При гидролизе целлюлозы серной кислотой сульфатированию подвергается каждая шестая ОН-группа, или 1 активный центр/нм2 [32]. Нативная наноцеллюлоза также характеризуется подобным распределением активных кислотно-основных центров [18]. При изобаротермическом воздействии на наноцеллюлозу квантовые эффекты формируются за счет равномерного распределения флуоресцирующих доменов по поверхности нанокристалла. Размер этих доменов сопоставим с размерами углеродных квантовых точек (до 10 нм).
При использовании сульфата хинина (квантовый выход 54%) в качестве эталона был рассчитан квантовый выход углеродных точек из лимонной кислоты, нативной наноцеллюлозы и сульфатированной наноцеллюлозы, равный 35.2, 8.70 и 0.84% соответственно. Полученные результаты согласуются с данными литературы, согласно которым квантовый выход углеродных точек из лимонной кислоты находится в пределах 20–60% [33, 34]. Исходя из полученных данных, а также из анализа литературы, можно предположить, что наблюдаемые квантовые эффекты обусловлены либо сорбированными углеродными точками на поверхности нанокристаллов, образующимися при термолизе наноцеллюлозы, либо поверхностными доменами, способными к флуоресценции. Углеродные квантовые точки из лимонной кислоты и углеродные квантовые домены, полученные при термической деструкции водных золей нативной наноцеллюлозы, обладают сходными свойствами флуоресценции и показывают похожие ИК- и УФ-спектры, что объясняется идентичным составом функциональных групп, находящихся на поверхности углеродных точек.
Образцы углеродных точек из наноцеллюлозы обладают способностью нейтрализовать стабильные радикалы 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила, однако при концентрации 18 мг·л–1 антирадикальная активность углеродных точек, полученных из сульфатированной целлюлозы, несколько выше, чем антирадикальная активность углеродных точек из нативной целлюлозы (уровень значимости р = 0.021) (рис. 5). Полученные результаты позволяют предполагать наличие высокой антиоксидантной активности у полученных нами образцов как в других тест-системах, так и при введении в организм и обусловливают необходимость дальнейшего более детального изучения.
Рис. 5. Сравнительная оценка антирадикальной активности углеродных точек из наноцеллюлозы в концентрации 3.6–36 мг·л–1 в тесте с 2,2-дифенил-1-пикрилгидразилом.
УКТ/С-НКЦ — углеродные квантовые точки из сульфатированной наноцеллюлозы, УКТ/Н-НКЦ — углеродные квантовые точки из нативной наноцеллюлозы.
Выводы
В работе гидротермальным методом и микроволновым синтезом получены флуоресцентные наноматериалы из нанокристаллической целлюлозы с поверхностью, близкой к нативной. Результаты ИК- и УФ-спектроскопии свидетельствуют о схожести химического строения сформированных квантовых точек с аналогичными, полученными из лимонной кислоты, несмотря на различие в размере частиц. Наноматериалы из нанокристаллической целлюлозы с нативной поверхностью имеют более высокий квантовый выход по сравнению с сульфатированной поверхностью. Образцы углеродных точек из наноцеллюлозы способны нейтрализовать стабильные радикалы 2,2-дифенил-1-пикрилгидразила, что позволяет предположить наличие антирадикальной активности при их введении в организм.
Благодарности
Исследования проведены с использованием оборудования ЦКП «Химия» Института химии Коми НЦ УрО РАН и ЦКП «Молекулярная биология» Института биологии Коми НЦ УрО РАН.
Финансирование работы
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (государственные задания № 1021051101544-1-1.4.3 и 122040600022-1).
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
Информация о вкладе авторов
П. А. Ситников, Ю. И. Друзь, А. Г. Белых — выбор методов и подходов к решению поставленной задачи, разработка методики синтеза флуоресцирующих материалов; А. Г. Белых, Ю. И. Друзь — синтез образцов С-НКЦ, гидротермальный и микроволновой синтез углеродных точек из лимонной кислоты и нанокристаллов целлюлозы; М. А. Торлопов — синтез образцов Н-НКЦ и расшифровка их спектров; О. Г. Шевченко — получение спектров флуоресценции и оценка антирадикальной активности; В. И. Михайлов — измерение гидродинамического диаметра наночастиц и ζ-потенциала, анализ полученных характеристик; П. А. Ситников, А. Г. Белых, Ю. И. Друзь — анализ данных, полученных с помощью ИК-, УФ-спектроскопии, метода динамического светорассеяния и флуоресцентной микроскопии.
About the authors
Анна Геннадиевна Белых
Институт химии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
Author for correspondence.
Email: anna407@rambler.ru
ORCID iD: 0009-0001-6607-0621
к.т.н.
Russian Federation, 167000, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, д. 48Юлия Ивановна Друзь
Институт химии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
Email: anna407@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-0119-5503
Russian Federation, 167000, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, д. 48
Василий Игоревич Михайлов
Институт химии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
Email: anna407@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0003-1544-6593
к.х.н.
Russian Federation, 167000, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, д. 48Петр Александрович Ситников
Институт химии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
Email: anna407@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-9937-9801
к.х.н.
Russian Federation, 167000, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, д. 48Михаил Анатольевич Торлопов
Институт химии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
Email: anna407@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-0991-906X
к.х.н.
Russian Federation, 167000, г. Сыктывкар, ул. Первомайская, д. 48Оксана Георгиевна Шевченко
Институт биологии ФИЦ Коми научного центра Уральского отделения РАН
Email: anna407@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0001-5331-3201
к.б.н.
Russian Federation, 167982, г. Сыктывкар, ГСП-2, ул. Коммунистическая, д. 28References
- Ozyurt D., Kobaisi M. A., Hocking R. K., Fox B. Properties, synthesis, and applications of carbon dots: A review // Carbon Trends. 2023. V. 12. P. 1–27. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2023.100276
- Yang G., Wan X., Su Y., Zeng X., Tang J. Acidophilic S-doped carbon quantum dots derived from cellulose fibers and their fluorescence sensing performance for metal ions in an extremely strong acid environment // J. Mater. Chem. A. 2016. V. 4. N 33. P. 12841–12849. https://doi.org/10.1039/C6TA05943K
- Zou W., Ma X., Zheng P. Preparation and functional study of cellulose/carbon quantum dot composites // Cellulose. 2020. V. 27. N 4. P. 2099–2113. https://doi.org/10.1007/s10570-019-02926-8
- Sachdev A., Gopinath P. Green synthesis of multifunctional carbon dots from coriander leaves and their potential application as antioxidants, sensors and bioimaging agents // Analyst. 2015. V. 140. N 12. P. 4260–4269. https://doi.org/10.1039/c5an00454c
- Bayat A., Masoum S., Hosseini E. S. Natural plant precursor for the facile and eco-friendly synthesis of carbon nanodots with multifunctional aspects // J. Mol. Liq. 2019. V. 281 P. 134–140. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.02.074
- Shen J., Shang S., Chen X., Wang D., Cai Y. Highly fluorescent N, S-co-doped carbon dots and their potential applications as antioxidants and sensitive probes for Cr (VI) detection // Sens. Actuators. 2017. V. 248. P. 92–100. http://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2017.03.123
- Rizzo C., Arcudi F., Đorđević L., Dintcheva N. T., Noto R., DʹAnna F., Prato M. Nitrogen-doped carbon nanodots-ionogels: Preparation, characterization, and radical scavenging activity // ACS Nano. 2018. V. 12. P. 1296–1305. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b07529
- Sevgi K., Tepe B., Sarikurkcu C. Antioxidant and DNA damage protection potentials of selected phenolic acids // Food Chem. Toxicol. 2015. V. 77. Р. 12–21. https://doi.org/10.1016/j.fct.2014.12.006
- Bao H., Liu Y., Li H., Qi W., Sun K. Luminescence of carbon quantum dots and their application in biochemistry // Heliyon. 2023. V. 9. P. 1–22. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e20317
- Molaei M. J. A review on nanostructured carbon quantum dots and their applications in biotechnology, sensors, and chemiluminescence // Talanta. 2019. V. 196. P. 456–478. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.12.042
- Kumara B. N., Kalimuthu P., Prasad K. S. Synthesis, properties and potential applications of photoluminescent carbon nanoparticles: A review // Anal. Chim. Acta. 2023. V. 1268. P. 1–27. https://doi.org/10.1016/j.aca.2023.341430
- Rawat P., Nain P., Sharma S., Sharma P. K., Malik V., Majumder S., Verma V. P., Rawat V., Rhyee J. S. An overview of synthetic methods and applications of photoluminescence properties of carbon quantum dots // Luminescence. 2023. V. 38. N 7. P. 845–866. https://doi.org/10.1002/bio.4255
- Kazaryan S. A., Nevolin V. N., Starodubtsev N. F. Synthesis and study of new luminescent carbon particles with high emission quantum yield // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2019. V. 10. P. 271–284. https://doi.org/10.1134/S2075113319020217
- Hassanvand Z., Jalali F., Nazari M., Parnianchi F., Santoro C. Carbon nanodots in electrochemical sensors and biosensors: A review // ChemElectroChem. 2021. V. 8. N 1. P. 15–35. https://doi.org/10.1002/celc.202001229
- Hill S., Galan M. C. Fluorescent carbon dots from mono-and polysaccharides: Synthesis, properties and applications // Beilstein J. Org. Chem. 2017. V. 13. N 1. P. 675–693. https://doi.org/10.3762/bjoc.13.67
- Choi Y., Zheng X. T., Tan Y. N. Bioinspired carbon dots (biodots): Emerging fluorophores with tailored multiple functionalities for biomedical, agricultural and environmental applications // Mol. Syst. Des. Eng. 2020. V. 5. N 1. P. 67–90. https://doi.org/10.1039/C9ME00086K
- da Silva Souza D. R., Caminhas L. D., de Mesquita J. P., Pereira F. V. Luminescent carbon dots obtained from cellulose // Mater. Chem. Phys. 2018. V. 203. P. 148–155. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2017.10.001
- Torlopov M. A., Udoratina E. V., Martakov I. S., Sitnikov P. A. Cellulose nanocrystals prepared in H3PW12O40/acetic acid system // Cellulose. 2017. V. 24. N 5. P. 2153–2162. https://doi.org/10.1007/s10570-017-1256-3
- Boluk Y., Lahiji R., Zhao L., McDermott M. T. Suspension viscosities and shape parameter of cellulose nanocrystals (CNC) // Colloids Surf. Physicochem. Eng. Asp. 2011. V. 377. N 1–3. P. 297–303. http://dx.doi.org/10.1016/j.colsurfa.2011.01.003
- Liu H., Zhong X., Pan Q., Zhang Y., Deng W., Zou G., Hou H., Ji X. A review of carbon dots in synthesis strategy // Coord. Chem. Rev. 2024. V. 498. P. 1–19. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2023.215468
- Suner S. S., Sahiner M., Ayyala R. S., Bhethanabotla V. R., Sahiner N. Versatile fluorescent carbon dots from citric acid and cysteine with antimicrobial, anti-biofilm, antioxidant, and AChE enzyme inhibition capabilities // J. Fluoresc. 2021. V. 31. N 6. P. 1705–1717. https://doi.org/10.1007/s10895-021-02798-x
- Wang J., Zheng J., Yang Y., Liu X., Qiu J., Tian Y. Tunable full-color solid-state fluorescent carbon dots for light emitting diodes // Carbon. 2022. V. 190. P. 22–31. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.01.001
- Hu D., Lin K. H., Xu Y., Kajiyama M., Neves M. A., Ogawa K., Enomae T. Microwave-assisted synthesis of fluorescent carbon dots from nanocellulose for dual-metal ion-sensor probe: Fe (III) and Mn (II) // Cellulose. 2021. V. 28. N 15. P. 9705–9724. https://doi.org/10.1007/s10570-021-04126-9
- Shen P., Gao J., Cong J., Liu Z., Li C., Yao J. Synthesis of cellulose-based carbon dots for bioimaging // ChemistrySelect. 2016. V. 1. N 7. P. 1314–1317. https://doi.org/10.1002/slct.201600216
- Liu Z., Chen M., Guo Y., Zhou J., Shi Q., Sun R. Oxidized nanocellulose facilitates preparing photoluminescent nitrogen-doped fluorescent carbon dots for ions detection and bioimaging // Chem. Eng. J. 2020. V. 384. P. 1–14. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123260
- Zhu M., Xiong J., Li S., Chen Q. Synthesis of nanocellulose based nitrogen doped carbon quantum dots with high fluorescence quantum yields for multifunctional applications // Starch-Stärke. 2023. V. 75. N 11–12. P. 1–11. https://doi.org/10.1002/star.202300005
- Rani U. A., Ng L. Y., Ng C. Y., Mahmoudi E. A review of carbon quantum dots and their applications in wastewater treatment // Adv. Colloid Interface Sci. 2020. V. 278. P. 1–24. https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102124
- Jiang Z., Krysmann M. J., Kelarakis A., Koutnik P., Anzenbacher P., Roland P. J., Ellingson R. Understanding the photoluminescence mechanism of carbon dots // MRS Adv. 2017. V. 2. N 51. P. 2927–2934. https://doi.org/10.1557/adv.2017.461
- Zhao Z., Guo Y., Zhang T., Ma J., Li H., Zhou J., Wang Z., Sun R. Preparation of carbon dots from waste cellulose diacetate as a sensor for tetracycline detection and fluorescence ink // Int. J. Biol. Macromol. 2020. V. 164. P. 4289–4298. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2020.08.243
- Chung S., Revia R. A., Zhang M. Graphene quantum dots and their applications in bioimaging, biosensing, and therapy // Advanced Mater. 2021. V. 33. N 22. P. 1–26. https://doi.org/10.1002/adma.201904362
- Khan S., Verma N. C., Chethana, Nandi C. K. Carbon dots for single-molecule imaging of the nucleolus // ACS Appl. Nano Mater. 2018. V. 1. N 2. P. 483–487. https://doi.org/10.1021/acsanm.7b00175
- Hu Z., Ballinger S., Pelton R., Cranston E. D. Surfactant-enhanced cellulose nanocrystal Pickering emulsions // J. Colloid Interface Sci. 2015. V. 439. P. 139–148. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2014.10.034
- Schneider J., Reckmeier C. J., Xiong Y., von Seckendorff M., Susha A. S., Kasák P., Rogach A. L. Molecular fluorescence in citric acid-based carbon dots // J. Phys. Chem. C. 2017. V. 121. N 3. P. 2014–2022. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b12519
- Meierhofer F., Dissinger F., Weigert F., Jungclaus J., Müller-Caspary K., Waldvogel S. R., Resch-Genger U., Voss T. Citric acid based carbon dots with amine type stabilizers: pH-specific luminescence and quantum yield characteristics // J. Phys. Chem. C. 2020. V. 124. N 16. P. 8894–8904. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b11732
Supplementary files
