Модификации композиционных сорбентов, их строение, физико-химические свойства и применение для иммобилизации аффинных лигандов
На правах рукописи
БОСТАНОВА ФАТИМА АМИНОВНА
МОДИФИКАЦИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ СОРБЕНТОВ,
ИХ СТРОЕНИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
И ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ АФФИННЫХ
ЛИГАНДОВ
02.00.04 – Физическая химия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Краснодар - 2009
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»
| Научный руководитель: | доктор химических наук, профессор Брыкалов Анатолий Валерьевич |
| Официальные оппоненты: | доктор химических наук, профессор Стрижов Николай Константинович доктор химических наук, профессор Шельдешов Николай Викторович |
| Ведущая организация: | Северо-Кавказский государственный технический университет |
Защита диссертации состоится 30 июня 2009 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.100.01 в Кубанском государственном технологическом университете по адресу: 350000, г. Краснодар, ул. Красная, 135, ауд. 94
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кубанского государственного технологического университета по адресу: 355072, г. Краснодар, ул. Московская, 2.
Автореферат разослан «20» _____мая______ 2009 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат химических наук, доцент Н.Д. Кожина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Решение одной из важнейших проблем современной физической химии направлено на исследование структуры и применение поверхностно-модифицированных сорбционных материалов. Привитые поверхностные соединения в виде надмолекулярных многокомпонентных наноструктур все шире используются в качестве химических катализаторов, биосенсоров, высокоэффективных носителей для иммобилизации клеток и ферментов в качестве матриц для твердофазного органического синтеза.
Весьма перспективным является создание композиционных сорбционных материалов с магнитными свойствами, которые могут служить для избирательного переноса компонента аналита в микрочипах и твердофазных тест-системах, применяемых в мониторинге объектов окружающей среды.
Несмотря на то, что решению данных проблем посвящено большое число работ, мало изученными являются вопросы термодинамики сорбции биологически активных лигандов на поверхности композиционных сорбентов, управление адсорбционными процессами, направленным регулированием кислотно-основных свойств привитых поверхностных соединений.
В соответствии с этим экспериментальное исследование данных вопросов представляется актуальной задачей физической химии адсорбционных процессов.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с научно-исследовательской работой Ставропольского государственного аграрного университета «Композиционные сорбционные материалы», номер университетской регистрации 233.12-05.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось системное решение научных проблем по изучению закономерностей формирования структуры кремнеземсодержащих композиционных сорбентов, включающих природные нанокомпоненты и магнитные частицы, направленного модифицирования их поверхности лигандами, исследование физико-химических свойств сорбционных материалов.
Задачи исследования:
- изучить закономерности формирования пористой структуры кремнеземной матрицы из непористого кремнезема в присутствии нанокомпонентов фракции виноградных семян и магнетита, исследовать их состав, структурные характеристики, провести анализ ИК-спектров;
- методом деструкционно-эпитаксиального осаждения синтезировать элементсодержащие алюмосиликатные сорбенты, исследовать их кислотные свойства, микроструктуру поверхности;
- исследовать термодинамические характеристики сорбции глутатиона на поверхности элементсодержащих композиционных сорбентов, провести моделирование взаимосвязи структура-активность глутатиона на основе квантово-химических дескрипторов;
- провести исследования кинетических параметров ферментативной реакции лизоцима иммобилизованного на поверхности композиционных сорбентов;
- на основе композиционных магносорбентов осуществить конструирование твердофазных тест-систем для иммунохимического анализа биообъектов окружающей среды.
Научная новизна работы. Впервые разработан синтез композиционных сорбентов методом формирования пористой структуры кремнезёмной матрицы в присутствии нанокомпонентов природного происхождения на основе размельчённых семян винограда с фракционным составом 40-60 нм, исследован их состав и структурные характеристики.
Методом деструкционно-эпитаксиального осаждения на основе алюмосиликатных опок Прикаспийской низменности Астраханской области получен набор элементсодержащих сорбентов с направленным регулированием адсорбционной активности, определяемой кислотными центрами поверхности.
Изучены термодинамические характеристики сорбции трипептида глутатиона на поверхности сорбентов, полученных методом деструкционно-эпитаксиального осаждения, которые свидетельствуют об ионно-координационном типе иммобилизации лиганда с поверхностью сорбента.
Проведено моделирование взаимосвязи структура-активность глутатиона на основе квантово-химических и топологических дескрипторов. Для оценки реакционной способности методом локального минимума определено распределение электронной плотности в молекуле трипептида глутатиона.
С использованием уравнения Михаэлиса-Ментен изучены кинетические параметры ферментативной реакции иммобилизованного лизоцима на поверхности композиционного элементкремнеземного сорбента ДЭО-Fe.
На основе аморфного кремнезёма, получаемого из рисовой лузги, а также магнетита синтезируемого по методу Элмора и модифицированного декстраном, осуществлен синтез магносорбентов с последующей иммобилизацией туляремийных иммуноглобулинов. Установлено, что показатели чувствительности, специфичности магноиммуносорбентов определяются стандартностью структурных характеристик, ковалентным методом иммобилизации лиганда.
Практическая значимость работы. Проведена полупромышленная наработка композиционных органокремнеземных сорбентов в производственных условиях ООО «Агролайн», что подтверждено соответствующим актом.
На данные сорбенты МС-Р и МАГ-1 разработаны и утверждены ФГУ «Ставропольский ЦСМ» ТУ 2160-007-00493221-2008 и ТУ 2160-006-00493221-2008.
Сконструированы с использованием разработанных магносорбентов твёрдофазные тест-системы для иммунохимического анализа в объектах окружающей среды туляремии, которые в ИФА имеют чувствительность 1102 мк/мл по корпускулярным антигенам, что превосходит данные показатели при проведении ИФА на полистироловых планшетах более в 1000 раз. Тест-системы апробированы в Ставропольском научно-исследовательском противочумном институте Роспотребнадзора с положительным заключением.
Изучены термодинамические характеристики сорбции глутатиона на поверхности сорбентов, полученных методом деструкционно-эпитаксиального осаждения. Иммобилизацией данного лиганда на матрицах получены аппликационные материалы для медицинских целей.
На защиту выносятся:
1. Результаты исследования кислотных свойств поверхности композиционных элементкремнеземных сорбентов. Зависимости концентрации поверхностных бренстедовских центров, констант равновесия ионного обмена от состава и структуры реакционноспособных центров поверхности сорбентов.
2. Термодинамические характеристики сорбции трипептида глутатиона на поверхности модифицированных кремнеземных сорбентов. Моделирование взаимосвязи структура-активность глутатиона на основе квантово-химических и топологических дескрипторов.
3. Кинетические параметры ферментативной реакции иммобилизованного лизоцима на поверхности железосодержащих кремнеземных сорбентов.
4. Характеристики новых твердофазных тест-систем для иммунохимического анализа биообъектов окружающей среды.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на научно-практических конференциях Ставропольского государственного аграрного университета в 2005, 2006, 2007 годах; на Всероссийской конференции «Современные достижения в химии и биотехнологии» (Ставрополь 2006); Saint-Petersburg International Workshop on Nanobiotechnologies (Saint-Petersburg, 2006); на Всероссийской конференции «Аналитика России» (Краснодар, 2007); на Международной конференции «Аналитика России» (Воронеж, 2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 4 в реферируемых журналах, рекомендуемых ВАК. Получен 1 патент РФ.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, библиографического списка, приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 20 таблиц и 17 рисунков, список литературы содержит 171 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определены цель и задачи исследований.
В первой главе рассмотрены физико-химические особенности строения поверхности дисперсных кремнеземов, алюмосиликатных сорбентов, химия поверхности элементоксидных материалов, механизмы адсорбционных и хемоадсорбционных процессов, стехиометрия взаимодействия модификаторов с поверхностью адсорбентов, а также применение поверхностно-модифицированных материалов в таких областях, как: нанотехнология, медицина и фармакология.
Во второй главе изложены характеристики исходных материалов и методы исследований.
Для получения модифицированных кремнеземных сорбентов применялись промышленные образцы кремнезема А-380, аморфный диоксид кремния, получаемый из лузги риса в ООО «Химинжиниринг» (г. Щелково), а также алюмосиликатные сорбенты на основе опок Прикаспийской низменности Астраханской области.
Удельную поверхность сорбентов определяли по низкотемпературной адсорбции азота по А.А. Клячко-Гурвичу, а объем пор и их распределение по размерам – методом ртутной порометрии. Физико-химический анализ сорбентов, термодинамические характеристики сорбции проведены с использованием спектральных, колориметрических и титриметрических методов.
ИК-спектры сорбентов исследовали на спектрофотометре «Specord-751R» (Германия) в диапазоне волновых чисел 500-4000 см-1. Спектры диффузного отражения выполнялись на спектрофотометре AQV-50 фирмы «Shimadzu» относительно непоглощающего стандарта MgO. Микроструктуру сорбентов исследовали на сканирующем электронном микроскопе IMZ-T3000.
Экспериментальные данные статистически обрабатывали на персональном компьютере РС Pentium-4 с использование пакета прикладных программ «Statistica 5.5» и «Exсel».
Третья глава посвящена изучению закономерностей формирования пористой структуры кремнеземной матрицы в присутствии нанокомпонентов фракции размола виноградных семян и магнетита, а также получению композиционных сорбентов методом деструкционно-эпитаксиального осаждения, исследованию микроструктуры кислотных центров поверхности.
Синтез сорбентов осуществлён методом формирования пористой структуры кремнезёмного носителя в присутствии нанокомпонентов из виноградных семян. В качестве структурного компонента, формирующего остов композиционного сорбционного материала, использовали аэросил А-380, представляющего собой непористый кремнезём аморфной структуры с размером частиц около 100 нм с развитой удельной поверхностью 380 м2/г. В качестве нанокомпонентов природного происхождения использовали семена винограда с фракционным составом 40-60 нм.
Схема получения композиционных сорбентов включает 6 стадий и представлена на рисунке 1.
Стадии 1-3 характеризуют процесс синтеза магносорбентов на основе формирования пористой структуры органокремнезёмной матрицы в присутствии нанокомпонентов.
На стадии 1 за счёт протекающих процессов конденсации с участием силанольных групп кремнезёма – аэросила образуется гидрогель. На стадии 2 при созревании и синерезисе гидрогеля протекают дегидратационные процессы, что приводит к уменьшению объёма гидрогеля, его уплотнению.
На стадии 3 при термообработке гидрогель превращается в ксерогель, при этом объём его уменьшается в 9-16 раз благодаря действию капиллярных сил. На стадиях 4-6 завершается процесс синтеза композиционных магносорбентов, обеспечивающий выделение высокодисперсной фракции, получение стерильного сорбционного материала, а также его активирование функциональными группами с последующей иммобилизацией лигандов.
Стадия 1
Стадия 2
Стадия 3
Стадия 4
Стадия 5
Стадия 6
Рисунок 1 – Схема получения композиционных сорбентов
Структура композиционных сорбентов представлена корпускулярной системой, которая состоит из частиц кремнезёма в сочетании с компонентами виноградных семян. Размер корпускул определяет величину удельной поверхности, а плотность их упаковки – объём и радиус пор. Механизм образования пористых кремнезёмных сорбентов можно представить как сложный процесс, сопровождающийся формированием корпускулярной структуры кремнезёмного остова из непористых частиц аэросила А-380 и включением в него нанокомпонентов из виноградных семян.
Структурные характеристики сорбентов представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики сорбентов в зависимости от количества нанокомпонентов из виноградных семян, используемых в синтезе и значений рН среды
| Наименование образца | Массовое соотношение компонентов синтеза | Удельная поверхность, м2/г | Объём пор, см3/г | Диаметр пор, нм | ||
| SiO2 | нанокомпоненты из виноградных семян | рН | ||||
| ВКС0,5 | 4 | 0,5 | 3 5 8 | 184 170 160 | 1,1 1,18 1,2 | 45 40 40 |
| ВКС1,0 | 4 | 1,0 | 3 5 8 | 158 146 141 | 1,08 1,3 1,33 | 35 35 35 |
| ВКС2,0 | 4 | 2,0 | 3 5 8 | 138 134 128 | 1,1 1,2 1,35 | 30 30 30 |
| ВКС3,0 | 4 | 3,0 | 3 5 8 | 120 105 96 | 1,2 1,3 1,4 | 25 30 30 |
Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что при увеличении количества нанокомпонента, вводимого в состав сорбента, наблюдается некоторое снижение величины удельной поверхности сорбентов и увеличение объёма пор. Основным фактором, определяющим величину удельной поверхности композиционных сорбентов, является размер глобул, которые образуются при взаимодействии нанокомпонентов кремнеземной природы в конденсационных процессах.
При синтезе кремнеземных сорбентов на изменение пористой структуры оказывают влияние поверхностное натяжение интермицеллярной жидкости, диэлектрическая постоянная, размер молекул модификатора, полярность, дипольный момент жидкой среды, значение рН. Основным фактором, определяющим величину удельной поверхности силикатных сорбентов, является размер глобул, которые образуются в процессе конденсации кремниевой кислоты. Удельная поверхность сорбентов, полученных в кислой среде максимальна, а при дальнейшем увеличении рН значения удельной поверхности уменьшаются, объема пор увеличиваются, размер глобул возрастает. Проведено исследование композиционных сорбентов методом ИК-спектроскопии.
В ИК-спектре не обнаруживаются полосы поглощения 3750 см-1 и 3600 см-1 силанольных и силоксановых групп, соответствующие кремнеземной матрице, что связано с ее поверхностной модификацией нанокомпонентами из виноградных семян. Обнаруживаются в ИК-спектре полосы поглощения гидроксильных и карбоксильных групп при 1100 см-1 и 1400 см-1, а также аминогрупп при 2450 см-1.
В дальнейшем в качестве основы для получения сорбентов деструкционно-эпитаксиального осаждения использованы алюмосиликатные опоки Прикаспийской низменности Астраханской области, имеющие удельную поверхность 730 м2/г, объем пор 0,88 см3/г, радиус пор 55 нм. В качестве основных компонентов сорбенты содержат 76-84% оксида кремния, 18-23% оксида алюминия.
На сканирующем электронном микроскопе проведены исследования микроструктуры поверхности алюмосиликатного сорбента. На рисунке 2 представлены фотографии микроструктуры поверхности алюмосиликатного сорбента в сравнении с макропористым кремнеземом – Силохром С-120 с увеличением в 10000 раз. Макропористый кремнезем Силохром С-120 имеет однородную глобулярную структуру с размером сросшихся корпускулярных частиц оксида кремния около 20 нм. В отличие от Силохрома, измененную глобулярную структуру имеет алюмосиликатный сорбент.
Изучение спектров диффузного отражения показало, что наиболее активное влияние химического модифицирования кремнезёмного сорбента проявилось в спектральной области 270-400 нм. Спектры диффузного отражения кремнезёмов, имеющих в составе кальций и магний, близки друг к другу. Хромофорные металлы, содержащиеся в элементсодержащих кремнеземах, приводят к резкому увеличению поглощения в спектральной области 270-400 нм, причем кобальт и марганец дают широкую полосу поглощения, а медь способствует сдвигу полосы поглощения в коротковолновую область.
1
2
Рисунок 2 – Электронная микроскопия (увеличение в 10000 раз).
1 – алюмосиликатный сорбент; 2 – кремнеземный сорбент Силохром С-120.
Проведены исследования кислотных свойств поверхности элементсодержащих сорбентов, синтезированных методом деструкционно-эпитаксиального осаждения (ДЭО-Cu, ДЭО-Со, ДЭО-Fe) с применением метода ионообменной адсорбции в водном растворе.
В качестве химического вещества (зонда) для определения кислотных свойств сорбентов использовали титрованный раствор 0,13М ацетата аммония, ионный обмен которого с поверхностью сорбентов осуществлялся по следующей схеме:
Нсв. + NH4+ H+ + NH4 св. (1)
где Н+, NH4+ – ионы в растворе; Hсв., NH4св. – ионы, связанные с поверхностными центрами сорбента.
Рассчитаны константы равновесия Кср. (2), позволяющие оценивать относительную силу кислотных центров элементсодержащих сорбентов, что представлено в таблице 2.
(2)
Таблица 2 – Данные по расчёту концентрации бренстедовских кислотных центров в мг-экв/м2, констант равновесия Кср для сорбентов
| Навеска сорбента | [NH4cв]10-3, ммоль/г | [H+]10-3, ммоль/л | [Hсв]10-3, ммоль/г | [NH+4]10-3, ммоль/л | В010-3 мг-экв/м2 | Кср 10-5 |
| Природный алюмосиликат | ||||||
| 0,1030 | 0,75 | 1,96 | - | - | ||
| 0,3000 | 0,20 | 1,05 | 0,13 | 129,3 | 0,31 | 0,15 |
| 0,5020 | 0,11 | 1,06 | 1,45 | 129,8 | ||
| 1,0010 | 0,10 | 0,72 | 3,0 | 129,5 | ||
| *ДЭО-Cu | ||||||
| 0,1030 | 0,50 | 1,05 | - | - | ||
| 0,3020 | 0,75 | 1,91 | 0,10 | 129,5 | 0,2 | 0,4 |
| 0,5020 | 1,00 | 2,00 | 0,10 | 129,8 | ||
| 1,0030 | 1,25 | 3,54 | 0,75 | 129,0 | ||
| **ДЭО-Co | ||||||
| 0,1010 | 0,50 | 1,05 | - | - | ||
| 0,3030 | 0,25 | 1,60 | 0,10 | 129,5 | 0,2 | 0,7 |
| 0,5020 | 0,10 | 1,05 | 0,75 | 129,3 | ||
| 1,0030 | 0,10 | 1,04 | 0,90 | 129,0 | ||
| ***ДЭО-Fe | ||||||
| 0,1020 | 0,88 | 1,91 | - | - | ||
| 0,3020 | 0,92 | 1,97 | 0,20 | 129,1 | 0,38 | 0,65 |
| 0,5030 | 0,97 | 2,00 | 0,78 | 129,0 | ||
| 1,0010 | 0,97 | 2,00 | 2,63 | 129,0 | ||
Примечание:
*ДЭО-Cu – медьсодержащий сорбент, полученный методом деструкционно-эпитаксиального осаждения
**ДЭО-Co – кобальтсодержащий сорбент, полученный методом деструкционно-эпитаксиального осаждения
***ДЭО-Fe – железосодержащий сорбент, полученный методом деструкционно-эпитаксиального осаждения
Данные, представленные в таблице, указывают на то, что синтез элементсодержащих сорбентов методом деструкционно-эпитаксиального осаждения позволяет регулировать свойства поверхностных центров сорбентов, изменяя, в частности, концентрацию бренстедовских кислотных центров, их константу равновесия Кср. Введение в поверхностный слой сорбентов железосодержащих структурных единиц обеспечивает значительное увеличение кислотных свойств сорбента по сравнению с исходным алюмосиликатным сорбентом на основе опок Прикаспийской низменности Астраханской области. Снижение величины показателей кислотных свойств для образцов сорбентов, содержащих кобальт и медь по сравнению с синтезированным железосодержащим сорбентом, по-видимому, объясняется уменьшением разности величины электроотрицательности элементов, образующих функциональные группы поверхности - = Si – Fe = 1,8 – 1,6 = 0,2, в сравнении с = Si – Со = 1,8 – 1,7 = 0,1 и = Si – Cu = 1,8 – 1,8 = 0. Большая разность величины электроотрицательности способствует увеличению смещения заряда протонодонорных групп и усилению кислотных свойств сорбентов.
Проведены исследования по термодинамическим характеристикам сорбции глутатиона на поверхности ДЭО-Fe – железосодержащего композиционного сорбента, синтезированного методом деструкционно-эпитаксиального осаждения.
Графическим решением уравнения Ленгмюра в прямолинейной форме определялось предельная сорбция глутатиона на ДЭО-Fe сорбенте. В последующем для температур 278 К, 297 К и 318 К были рассчитаны константы сорбции, а по ним величины изменения энтальпии (Н) и изобарно-изотермического потенциала (G) сорбционного процесса. результаты исследований представлены в таблице 3.
По результатам исследований сорбент ДЭО-Fe обладает высоким уровнем сорбции по глутатиону, а термодинамические характеристики свидетельствуют о том, что в специфический лиганд взаимодействует с поверхностью композиционного сорбента за счет ван-дер-ваальсовых сил.
Впервые проведено моделирование взаимосвязи структура-активность глутатиона на основе квантово-химических и топологических дескрипторов.
Таблица 3 – Основные термодинамические характеристики сорбции глутатиона на сорбенте ДЭО-Fe
| Температура Т, К | Величина сорбции Г, мг/г сорбента | Константа сорбции, К10-3 | Н, кДж/моль | G, кДж/моль | S, Дж/мольК |
| 278 297 318 | 31,2 12,3 2,6 | 530.12 327,81 210,73 | 23,91 | 53,84 17,08 13,68 | 62,28 33,61 31,84 |
Для оценки реакционной способности методом локального минимума определено распределение электронной плотности в молекуле глутатиона, что представлено на рисунке 3. Молекулярный электростатический потенциал характеризует энергию электростатического взаимодействия между молекулярными (отрицательным и положительным) распределением зарядов и единичным положительным бесконечно малым зарядом.
Рисунок 3 – Структура молекулы восстановленного глутатиона по методу расчёта РМ3
В конечном итоге, указанные зависимости определяют реакционную способность, биологическую активность природных соединений, в частности, биоантиоксидантные свойства, что имеет важное прикладное значение для аппликационных сорбентов.
Компьютерный расчёт пространственного распределения молекулярного электростатического потенциала показывает, что на рисунке 3 отмечаются области с повышенной электронной плотностью, на которые, в первую очередь может быть направлена атака электрофильного реагента, а также области с минимумом электронной плотности, на которые может быть обращена атака нуклеофильных реагентов. В частности, на атоме С3 алифатической цепи и карбонильных кислородах у глутатиона электронная плотность составляет от –0,131 до –0,265, что предопределяет атаку электрофильных частиц.
Методом иммобилизации биологически активного лиганда – фермента лизоцима – на поверхности ДЭО-Fe сорбента получен аппликационный сорбционный материал медицинского назначения. Проведены исследования кинетических параметров энзимной реакции с применением уравнения Михаэлиса-Ментен:
(3)
где V – скорость ферментативной реакции; Ккат – каталитическая константа; [E0] – концентрация энзима; [S0] – концентрация субстрата; КМ(каж.) – кажущаяся константа Михаэлиса.
При определении кинетических параметров иммобилизованного фермента лизоцима использован традиционный способ линеаризации зависимостей начальной скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. Результаты исследований представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Кинетические параметры ферментативной реакции иммобилизованного лизоцима на сорбенте ДЭО-Fe
| Наименование параметров | Константа Михаэлиса, КМ, мг/мл | V10-2, Есек-1 | Ккат.105, Е/секМ |
| Нативный лизоцим в растворе Иммобилизованный лизоцим | 0,69 1,89 | 1,68 2,3 | 2,8 4,3 |
Возрастание величины кажущейся константы Михаэлиса для иммобилизованного энзима по сравнению с нативным ферментом в растворе объясняется более активным насыщением субстратом его на поверхности твердой матрицы.
Четвертая глава посвящена иммобилизации аффинных лигандов белковой природы на магносорбентах, применяемых для твердофазного иммунохимического анализа туляремии в объектах окружающей среды.
Синтез магносорбентов с высокой сорбционной активностью осуществлён методом формирования пористой структуры носителя в присутствии декстрана. При получении высокодисперсного магнетита использован метод Элмора на основе соосаждения солей железа гидроксидом аммония.
Поверхность магнетита при его соосаждении из солей модифицировали добавлением 6% раствора полисахарида декстрана. Сорбенты, полученные по разработанной технологии, имеют удельную поверхность 80-130 м2/г, диаметр частиц 70-90 мкм.
В последующем сорбенты были исследованы методом ИК-спектроскопии. В ИК-спектре исходного Fe3O4 полоса поглощения 3428 см-1 характеризует валентные колебания гидроксильных групп поверхности магнетита, ассоциированных водородными связями и валентными колебаниями адсорбированных молекул воды. Полоса поглощения 1720 см-1 принадлежит валентным колебаниям карбонильной группы декстрана, а полоса поглощения 1625 см-1 отвечает деформационным колебаниям молекул воды, адсорбированным на поверхности магнетита.
В ИК-спектре магнетита с модификатором появляются полосы поглощения 2850 см-1 и 2930 см-1, которые относятся к симметричным и антисимметричным валентным колебаниям СН2-групп декстрана, также как и полосы 1360 см-1 и 1465 см-1.
Вторым вариантом разработан синтез композиционных магносорбентов методом формирования пористой структуры кремнезёмной матрицы в присутствии полисахарида декстрана – препарат полиглюкин.
В качестве кремнезёмной основы впервые применили аморфный диоксид кремния представляющий собой тонкодисперсный порошок, получаемый из лузги риса и характеризующийся развитой удельной поверхностью 200 м2/г.
В качестве магнитной составляющей при синтезе использован магнетит, полученный реакцией соосаждения солей железа раствором гидроксида аммония по методу Элмора, увеличение содержания магнетита в количестве 0,25-0,52 г на 1 г сорбента приводит к возрастанию удельной намагниченности насыщения.
Для химического активирования данных композиционных магносорбентов нами разработаны 2 варианта методов модифицирования твердофазных носителей: окислением и бензохиноном.
Ниже представлена схема получения КМИС на альдегидодекстраноаэросилогеле.
SiO2 NaClO4 SiO2 SiO2
+ H2N – AT
(Fe3O4) (Fe2O3) (Fe3O4)
Для оптимизации условий иммобилизации специфического иммуноглобулина на поверхности носителя (КМС) исследовали ряд параметров: концентрацию белка при иммобилизации, время и температуру инкубации, влияние рН раствора иммуноглобулинов на иммобилизацию. В результате исследований установлено, что оптимальными факторами, способствующими получению магносорбентов с высокими значениями специфической активности и специфичности являются: время иммобилизации 1 час при значении рН растворов иммуноглобулинов 6-7 и температуры в интервале 4-60С.
На основе разработанных композиционных магносорбентов сконструированы твердофазные тест-системы для иммуноанализа туляремии и в исследованиях использован неконкурентный «сэндвич» метод ИФА.
Для проведения сравнительного анализа предложенного нами модифицированного ИФА с другими методами постановки данного анализа в зависимости от твёрдой фазы проведена постановка ИФА с теми же компонентами, только в качестве твёрдой фазы использовали полистироловые планшеты и их сенсибилизацию проводили иммуноглобулинами туляремийными в течение 18 часов. В результате исследований определена чувствительность ИФА, которая составила 1102–1103 м.к./мл по корпускулярным антигенам туляремии, тогда как с применением полистироловых планшет чувствительность составила 2105 м.к/мл.
ВЫВОДЫ
1. Исследованы закономерности формирования пористой структуры кремнезёмной матрицы из непористого кремнезема в присутствии нанокомпонентов природного происхождения на основе размельчённой фракции семян винограда с размером наночастиц 40-60 нм, имеющих структурные характеристики – удельную поверхность в пределах 96-160 м2/г, объём пор – 1,2-1,4 см3/г. Изучены их магнитные свойства, химический состав в сопоставлении с данными ИК-спектроскопии и спектроскопии диффузного отражения.
2. Достигнуто регулирование свойств поверхностных центров алюмосиликатных сорбентов методом деструкционно-эпитаксиального осаждения с изменением, в частности, концентрации бренстедовских кислотных центров в пределах значений 0,2-0,38 мг-экв/м2. Введение в поверхностный слой железосодержащих структурных единиц обеспечивает усиление кислотных свойств по сравнению с сорбентами кобальт- и медьсодержащими, что объясняется увеличением разности величины электроотрицательности элементов, образующих протонодонорные функциональные группы поверхности - = Si – Fe = 0,2, в сравнении с = Si – Со = 0,1 и = Si – Cu = 0.
3. На основании экспериментальных исследований изотерм сорбции трипептида глутатиона на поверхности элементсодержащего сорбента ДЭО-Fe полученного методом деструкционно-эпитаксиального осаждения изучены термодинамические характеристики процесса, которые свидетельствуют об ионно-координационной иммобилизации лиганда с поверхностными группами сорбента.
4. Показаны результаты моделирования взаимосвязи структура-активность глутатиона на основе квантово-химических и топологических дескрипторов. Расчет пространственного разделения молекулярного электростатического потенциала обнаруживает области с повышенной и пониженной электронной плотностью, так, на атоме С3 алифатической цепи и карбонильных кислородах у глутатиона электронная плотность составляет от –0,131 до –0,265, что предопределяет атаку электрофильных частиц.
5. Исследована ферментативная активность лизоцима иммобилизованного на поверхности композиционных элементкремнеземных сорбентов с определением максимальной скорости ферментативной реакции и значением константы Михаэлиса.
6. Доказано, что увеличение содержания магнетита от 0,25г до 0,52 г на 1 г композиционного магносорбента приводит к возрастанию удельной намагниченности насыщения от 8,4 до 19,8 Ам2/кг.
7. На основе разработанных магноиммуносорбентов сконструирована твёрдофазная тест-система для экпресс-диагностики в объектах окружающей среды туляремии в иммуноферментном анализе. Установлено, что факторами повышения чувствительности анализа являются качество твёрдой фазы, способ иммобилизации лиганда, активность иммуноферментного конъюгата, температурный режим процесса.
8. По результатам апробации установлено, что аппликационные сорбенты с иммобилизованными лигандами проявляют пролонгированный эффект антимикробной и противовоспалительной активности и перспективны для применения в медицине.
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
- Брыкалов, А.В. Синтез и физико-химические исследования биосовместимых модифицированных сорбентов на основе природных алюмосиликатов / А.В. Брыкалов, Ф.А. Бостанова, Е.В. Белик // Современные достижения в химии и биотехнологии / СтГАУ: Сб.науч.тр. – Ставрополь, 2006, - С. 18-20.
- The development and research of sorbents for nanobiotehnology / A.V. Brykalov, E.V. Belik, E.M. Golovkina, F.A. Bostanova // Nanobio 6: International workshop on nanobiotehnologies. St. Petersburg, Russia, November 27-29, 2006: Program and abstracts. – Saint-Petersburg, 2006. - P 68.
- Брыкалов, А.В. Получение и исследование биосовместимых модифицированных сорбентов на основе природных алюмосиликатов / А.В. Брыкалов, Ф.А. Бостанова, Е.В. Белик// Проблемы развития биологии и экологии на Северном Кавказе: материалы Всерос. науч. конф. «Университетская наука – региону» / СГУ. – Ставрополь, 2006. – С. 37-38.
- Брыкалов, А.В. Разработка магносорбционных материалов и конструирование на их основе твердофазных тест-систем для иммуноанализа микроорганизмов / А.В. Брыкалов, Ф.А. Бостанова, И.В. Жарникова // Проблемы развития биологии и экологии на Северном Кавказе: материалы Всерос. науч. конф. «Университетская наука – региону» / СГУ. – Ставрополь, 2007. – С. 28.
- Разработка и исследование биотехнологических сорбентов / А.В. Брыкалов, Е.М. Головкина, Ф.А. Бостанова, Е.В. Белик // Биоресурсы, биотехнологии, экологически безопасное развитие регионов Юга России / ВНИИЦ и СК: материалы Междунар. конф. – Сочи, 2007. – С. 75-76.
- Разработка и исследование композиционных сорбентов для аналитической хроматографии / А.В. Брыкалов, Е.М. Головкина, Ф.А. Бостанова, Е.В. Белик // Аналитика России: материалы II Всерос. конф. по аналитической химии. – Краснодар, 2007. – С. 23.
- Комплексная биотехнология переработки семян винограда / А.В. Брыкалов, Е.В. Белик, Е.М. Головкина, Ф.А. Бостанова // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - №4(8). – 2007. – С. 93-95.
- Переработка семян винограда для получения сорбентов и виноградного масла / А.В. Брыкалов, Е.М. Головкина, Н.А. Антонова, Ф.А. Бостанова // Масложировая промышленность. – 2008. - №1. – С. 27-28.
- Получение и исследование биологически активных органокремнеземных полимерных композиций, применяемых для аппликационной сорбции / Е.В. Белик, А.В. Брыкалов, Ф.А. Бостанова, Д.А. Грядских, Е.М. Головкина // Химические волокна. – 2008. - №5. – С. 36-37.
- Исследование протонной кислотности элементсодержащих алюмосиликатных сорбентов, полученных методом деструкционно-эпитаксиального осаждения / Е.В. Белик, А.В. Брыкалов, Ф.А. Бостанова, Е.М. Головкина // Журнал прикладной химии. – 2009. - №1. – С. 168-170.
11. Пат. 2316392 РФ, МПК7 В 01J 20/20, B01J 20/32. Способ получения сорбента / А В. Брыкалов, Е.В. Белик, Ф.А. Бостанова; заявл. 10.04.2006; опубл. 10.02.2008, Бюл. 11. – 3 с.
