Журнал неорганической химии, 2023, T. 68, № 8, стр. 1021-1029

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы отмечается постоянно растущий интерес исследователей к проблеме создания многофункциональных наноструктурированных материалов различного назначения, содержащих оксиды железа, для применения в биотехнологии, медицине и экологии в качестве сорбентов, катализаторов, носителей лекарственных средств. Решение задач для биомедицины накладывает дополнительные требования на материалы и приводит к необходимости поиска нетоксичных, экологически безопасных и биосовместимых соединений, содержащих магнитные наночастицы.

Среди магнитных материалов широкое применение в биомедицинских приложениях и нанотехнологии нашли наночастицы оксидов железа (магнетит Fe₃O₄, маггемит γ-Fe₂O₃), обладающие рядом преимуществ, таких как высокая удельная площадь поверхности, нетоксичность, биосовместимость, каталитическая активность [1, 2].

Существуют различные методы получения наночастиц магнетита: химическое соосаждение [3], гидротермальный синтез [4], золь-гель метод [5, 6], термическое разложение [7], микроволновой метод [8] и другие. Наиболее распространенным из этих методов является химическое осаждение из водных растворов солей железа. При этом варьирование условий синтеза позволяет получать наночастицы с регулируемой морфологией. Однако в процессе синтеза магнетит может окисляться до маггемита [1], что не позволяет точно прогнозировать состав образующихся продуктов без проведения дополнительных исследований.

Кроме того, синтезированные наночастицы нестабильны на воздухе и легко агломерируются, что приводит к снижению магнитных свойств магнетита. Для их стабилизации в процессе синтеза могут быть использованы полимеры и неорганические соединения, в частности, диоксид кремния и глинистые минералы [9–11]. Интерес к использованию алюмосиликатов в качестве матриц для магнетита обусловлен их слоистой структурой и специфическими свойствами, такими как большая площадь поверхности, высокая катионно-обменная способность, наличие активных центров различной природы, микро- и нанопористая структура, механическая и термическая стабильность [12]. Среди природных алюмосиликатов особое место занимают бентонитовые глины, которые являются дешевыми и экологически чистыми материалами [13].

В литературе последних лет в основном представлены работы, посвященные применению композитов на основе магнетизированной глины в качестве сорбентов ионов тяжелых металлов и органических соединений [14–16], магнитореологических жидкостей [17] и катализаторов [18]. Особый интерес вызывает использование материалов на основе композитов глина-магнетит в биологии и медицине. В частности, авторы работы [19] рассматривают магнитные нанокомпозиты на основе цеолита в качестве перспективных материалов для разработки на их основе систем адресной доставки лекарственных препаратов. Возможность применения нанокомпозита магнетит-монтмориллонит в качестве перорального контрастного вещества для МРТ желудочно-кишечного тракта показана в статье [20].

В настоящей работе получены композиты бентонит-оксид железа и исследована их структура, морфология, текстурные свойства и термическая устойчивость. Впервые изучено влияние синтезированных композитов на жизнеспособность грамотрицательных бактерий Escherichia coli М-17.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве объекта исследования использовали бентонит (Sigma-Aldrich, США). Композит был получен методом химического соосаждения солей железа в порах бентонита. Для синтеза композита глину (6.002 г) в условиях интенсивного перемешивания при воздействии ультразвука диспергировали в водном растворе (100 мл), содержащем 1.004 г гексагидрата хлорида железа FeCl₃ ⋅ 6H₂O и 0.5 г тетрагидрата хлорида железа FeCl₂ ⋅ 4H₂O. Для осаждения частиц оксида железа добавляли по каплям водный раствор аммиака. Затем частицы магнетизированного бентонита отделяли внешним полем, трижды промывали дистиллированной водой до нейтрального значения pH и высушивали в вакууме при 70°С до сухого остатка. Полученный композит бентонит-оксид железа представлял собой порошок коричневого цвета.

Порошок оксида железа (магнетит-маггемит) синтезировали также методом соосаждения, но без глинистого минерала.

Размеры частиц исходного бентонита и магнетизированного материала определяли методом лазерной дифракции на анализаторе размера частиц Analysette 22 Compact (Германия). Результаты представлены в виде кривых дифференциального и интегрального (кумулятивного) распределения.

ζ-Потенциал исследуемых порошков определяли методом лазерной дифракции на анализаторе размера частиц и ζ-потенциала Zetasizer Nano (Malvern Instruments Ltd, Великобритания).

Морфологию и элементный состав бентонита и композита исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа Quattro S (Thermo Fisher Scientific, Чехия).

Удельную поверхность бентонита и композита бентонит-оксид железа определяли методом низкотемпературной (77 K) адсорбции и десорбции паров азота на газовом сорбционном анализаторе Nova 1200e (Quantachrome, США). Площадь поверхности, общий объем пор и распределение пор по размерам определяли с использованием моделей Брунауэра–Эммета–Теллера и Барретта–Джойнера–Халенды [21].

Кристаллическую структуру порошков бентонита, оксида железа и композита бентонит-оксид железа исследовали методом дифракции рентгеновских лучей в диапазоне углов 2θ = 5°–70° на дифрактометре D2 Phaser (излучение CuK_α, λ = = 0.154 нм, Германия). Средний размер кристаллитов определяли методом Шеррера, межслоевое расстояние рассчитывали по формуле Брэгга [22].

ИК-спектры пропускания для образцов алюмосиликатов в виде таблеток с KBr регистрировали на спектрометре Avatar 360 FTIR ESR с Фурье-преобразованием (Thermo Nicolet, США) в диапазоне волновых чисел 4000–500 см^–1.

Термический анализ бентонита и композита бентонит-оксид железа выполняли на приборе синхронного термического анализа Netzsch STA449 F3 (Германия), сопряженного с масс-спектрометром.

Антибактериальную активность исходного и модифицированного порошков глины изучали по отношению к грамотрицательным бактериям Escherichia coli М-17. Предварительно культуру E. coli М-17 культивировали на скошенном мясопептонном агаре в течение суток. Затем для посевов в питательную среду готовили исходное разведение культуры из расчета 10³ кл/мл. Образцы исходного и модифицированного бентонита вносили (0.05 г) в мясопептонный бульон объемом 5 мл и подвергали стерилизации кипячением в течение 30 мин. После остывания среды в данные пробирки с бентонитом и контрольную пробирку добавляли по 0.1 мл тестируемой культуры E. coli вышеуказанного разведения. Затем все пробирки встряхивали в течение 1–2 мин и помещали на инкубацию при 37°С на сутки.

На следующий день все пробирки встряхивали на шейкере в течение 5 мин и после осаждения порошков выполняли десятикратное разведение материала из контрольной и опытных серий пробирок на физиологическом растворе до конечной степени разведения 10¹⁴. Затем были выполнены посевы по 0.1 мл на поверхность агаризованной питательной среды Эндо в чашках Петри, которые был помещены в термостат на сутки при температуре 37°С для роста тестируемой бактериальной культуры. Жизнеспособность бактерий в присутствии порошков бентонита и бентонит-оксид железа оценивали путем подсчета колониеобразующих единиц.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Распределение частиц бентонита и магнетизированной глины по размерам приведено на рис. 1а и 1б соответственно. Как видно из интегральных кривых, бентонит и композит содержат микрочастицы с размерами от 1 до 40 мкм. Гранулометрический анализ показал, что полученные дифференциальные распределения имеют мономодальный характер с максимумами при 5 мкм (для бентонита) и 3 мкм (для композита).

Рис. 1.

Распределение частиц бентонита (а) и магнетизированного бентонита (б) по размерам: 1 – кривые дифференциального распределения; 2 – кривые интегрального распределения.

Для количественной оценки взаимодействия синтезированных нанопорошков с бактериальными клетками были проведены измерения ζ-потенциала. Согласно полученным данным, для поверхности бентонита эта величина равна –36 мВ, что обусловлено наличием на поверхности глины – OSiO₂-групп. В случае композита ζ-потенциал меньше (по абсолютной величине) и составляет –16.05 мВ. Можно предположить, что это уменьшение связано с интеркаляцией ионов железа, так как для синтезированного магнетита-маггемита ζ = –4.24 мВ. Отметим, что полученные результаты близки к приведенным в [13].

Текстурные характеристики бентонита и магнетизированной глины получены на основе исследований адсорбции-десорбции паров азота при 77 K (рис. 2). Приведенные изотермы (рис. 2а) характеризуются наличием гистерезиса и могут быть отнесены к IV типу по классификации IUPAC [23]. Форма петли гистерезиса для бентонита относится к типу H2, что характерно для глинистых материалов с мезопористой структурой [24]. При модификации бентонита частицами магнетита-маггемита форма петли практически не изменяется (или незначительно сужается). Резкий подъем адсорбционных кривых при высоком относительном давлении (P/P₀) связан с капиллярной конденсацией в порах материала.

Рис. 2.

Изотермы низкотемпературной адсорбции–десорбции паров азота (а) и дифференциальные кривые распределения объема пор по размерам (б) для образцов бентонита (1) и бентонита-оксида железа (2).

Кривые распределения пор по размерам для изученных материалов имеют мономодальный характер (рис. 2б).

Количественный анализ полученных данных показал, что модификация алюмосиликата оксидом железа приводит к снижению площади удельной поверхности от 25.392 до 23.659 м²/г и суммарного объема пор от 0.061 до 0.041 см³/г. Полученные данные позволяют предположить, что в процессе синтеза композита поры заполняются наночастицами оксида железа.

На рис. 3 приведены электронные изображения поверхности бентонита и магнетизированной глины, полученные c помощью сканирующей электронной спектроскопии. Из рис. 3а видно, что исходный бентонит имеет типичную слоистую структуру. Полученный образец композита состоит из агрегатов частиц алюмосиликата различной морфологии с включениями оксида железа (рис. 3б).

Рис. 3.

Электронные микрофотографии бентонита (а) и композита бентонит-оксид железа (б).

По результатам энергодисперсионного анализа определено содержание химических элементов в бентоните и композите (табл. 1). Исследованные порошки содержат элементы кремнекислородного и алюмокислородного каркаса (O, Si, Al). Кроме того, на рассмотренном участке магнетизированной глины обнаружено Fe в количестве 26.4%.

Кристаллическая структура исследованных материалов была изучена методом дифракции рентгеновских лучей. На рис. 4 приведены дифрактограммы порошка бентонита, а также синтезированных оксида железа и композита бентонит-оксид железа. Дифрактограмма бентонита (рис. 4, кривая 1) свидетельствует о наличии двух кристаллических структур, соответствующих монтмориллонитовой глине (JCPDS № 13-0135) в качестве основной фазы и гексагональному кварцу (JCPDS № 05-0490) в качестве второстепенной фазы [25]. Наиболее выраженный рефлекс при 2θ = = 7.14° соответствует базальному расстоянию d₀₀₁ = 1.24 нм. Рефлексы при 2θ = 11.84°, 19.80°, 26.80°, 61.91° связаны с кристаллографическими плоскостями (002), (110), (112), (330) и согласуются с данными [13].

Рис. 4.

Дифрактограммы образцов: 1 – бентонит; 2 – оксид железа; 3 – бентонит-оксид железа. Рефлексы, соответствующие фазам монтмориллонита и кварца, отмечены символами M и Q.

Рентгенограмма оксида железа (рис. 4, кривая 2) содержит пики при 2θ = 30.26°, 35.62°, 43.27°, 57.25° и 62.73°, соответствующие плоскостям (220), (311), (400), (511) и (440). По мнению авторов работы [1], порошок оксида железа, синтезированный методом соосаждения, представляет собой твердый раствор смешанного состава, монофазные магнетит (Fe₃O₄) и маггемит (γ-Fe₂O₃) в процессе синтеза не образуются.

Известно, что магнетит имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку, основанную на 32 ионах кислорода, с включением 16 трехвалентных ионов железа в тетраэдрических и октаэдрических порах (положения A и B соответственно) и восьми двухвалентных ионов железа в положениях B [26]. Маггемит, как и магнетит, имеет обратную шпинельную кристаллическую структуру с той лишь разницей, что в ней отсутствуют двухвалентные ионы железа, что компенсируется наличием вакансий в B-местах. Поэтому химическую формулу стехиометрического маггемита можно представить как Fe_2.667O₄, а формулу твердого раствора – как Fe_{3 − δ}O₄, где величина 3 – δ характеризует дефектность исследуемого оксида железа [27].

В настоящем исследовании для оценки дефектности синтезированных материалов был использован подход, развитый в упомянутых работах [1, 27], согласно которому дефектность может быть оценена по размеру элементарной ячейки кристаллической решетки, установленному из данных рентгеновской дифракции. В этих работах проанализированы литературные данные для твердых растворов смешанного состава маггемит-магнетит и получена эмпирическая связь размера элементарной ячейки и дефектности в виде:

В этом соотношении y = a, нм – длина ребра элементарной ячейки, рассчитанная по межплоскостному расстоянию d_hkl по формуле:

Переменная x в формуле (1) определяется средней стехиометрией 〈3 – δ〉 материала:

Согласно [27], cоотношение (3) наглядно характеризует состав твердого раствора маггемит-магнетит, а именно: при x = 0 величина средней стехиометрии 〈3 – δ〉 будет равна 2.667, что соответствует чистому маггемиту, при x = 1, величина 〈3 – δ〉 = 3, что соответствует чистому магнетиту.

Как показывают результаты использования этого подхода, в случае синтезированного в настоящей работе оксида железа длина ребра элементарной ячейки, рассчитанная по формуле (2) для всех перечисленных выше рефлексов, составляет 0.8360 ± 0.0011 нм. Таким образом, с учетом среднего значения (a_av = 0.8360 нм) можно заключить, что полученный материал представляет собой твердый раствор маггемит-магнетит с химической формулой Fe_2.786O₄ (табл. 2).

Необходимо отметить, что на дифрактограмме синтезированного оксида железа отсутствуют рефлексы в области углов (2θ), меньших 20°. Это позволяет регистрировать структурные изменения в глинистом материале при введении наполнителя. Как видно из рис. 4 (кривая 3), дифрактограмма композита содержит все дифракционные пики как оксида железа, так и бентонита. Однако наблюдается незначительное уменьшение межплоскостного расстояния d₀₀₁ (от 1.26 до 1.17 нм). Кроме того, увеличиваются размеры кристаллитов (от 9.21 до 13.0 нм), что указывает на встраивание наночастиц оксида железа в матрицу бентонита.

Можно предположить, что структура наночастиц маггемит-магнетит при интеркаляции в матрицу глинистого материала будет изменяться. Для проверки этого предположения был использован вышеописанный метод и рассчитана длина ребра элементарной ячейки оксида железа в составе композита, которая оказалась равной 0.8386 ± 0.0010 нм. Результаты оценки дефектности приведены в табл. 2. Видно, что оксид железа в составе композита с бентонитом характеризуется меньшей дефектностью по сравнению с синтезированным Fe_2.786O₄. Это свидетельствует в пользу предположения, что бентонит тормозит окисление ионов Fe²⁺ в магнетите и тем самым формирование структуры, дефицитной по Fe²⁺.

Результаты термогравиметрического анализа бентонита и синтезированного композита бентонит-оксид железа приведены на рис. 5. Представленные данные говорят о содержании во всех образцах значительного количества влаги. Из рисунка видно, что начальный этап потери веса имеет большую интенсивность в случае немодифицированной глины. При нагревании образца бентонита до 150°С его масса снижается на 8%.

Рис. 5.

Термогравиметрические кривые: 1 – бентонит; 2 – бентонит-оксид железа.

Вторая стадия термического разложения (400–700°С), по-видимому, связана с дегидроксилированием структурных силанольных и алюминольных групп бентонита. Она протекает с одинаковой интенсивностью для глинистого минерала и композита. Снижение массы образца бентонита на этой стадии (6%) хорошо согласуется с результатами исследований термического поведения монтмориллонита (основного компонента бентонита) [28].

Кроме того, для образца композита при температурах 150–350°С наблюдается снижение веса на ~2%, связанное с дегидроксилированием оксида железа, присутствующего в композите.

На рис. 6 приведены ИК-спектры бентонита и композита бентонит-оксид железа. В ИК-спектре бентонита (спектр 1) видны характерные полосы поглощения алюмосиликата. В области 3700–3400 см^–1 расположены полосы валентных колебаний ОН-групп, связанные с октаэдрическими катионами глинистого минерала. Полоса при 1635 см^–1 относится к деформационным колебаниям адсорбированных молекул Н₂О. Валентным колебаниям связей Si–O–Si соответствует полоса с максимумом при 1040 см^–1. Полосы при 802 и 464 см^–1 отвечают деформационным колебаниям групп Si–О–Si из тетраэдров SiO₄. Полоса поглощения при 524 см^–1 обусловлена деформационными колебаниями групп Al–О–Si [29].

Рис. 6.

ИК-спектры: 1 – бентонит, 2 – бентонит-оксид железа.

В ИК-спектре композита, в отличие от спектра алюмосиликата (рис. 6, спектр 2), наблюдается изменение контура широкой полосы в области 3600–3000 см^–1, снижение интенсивности и гипсохромный сдвиг на 6 см^–1 максимума полосы при 3616 см^–1 и снижение интенсивности полосы в области 1550–750 см^–1 с максимумом при 1040 см^–1. Наличие оксидов железа в композите проявляется полосами в интервале 670–410 см^–1.  Характерный пик оксида железа ⁓520 см^–1 [29] перекрывается с деформационными колебаниями групп Al–O–Si (524 см^–1). Такие изменения в спектре модифицированной глины можно объяснить образованием водородных связей между кислородсодержащими группами оксида железа и силанольными группами бентонита Si–OH.

Для изучения биологической активности исследуемых материалов по отношению к живым системам в работе проведена оценка жизнеспособности грамотрицательных бактерий E. coli M-17 в присутствии бентонита и синтезированного композита бентонит-оксид железа. Микробиологические исследования по определению численности микроорганизмов проводили с использованием метода предельных разведений. В качестве контрольных были выбраны результаты, полученные при культивировании бактерий в питательной среде Эндо без исследуемых порошков.

Визуальный анализ фотографий чашек Петри (рис. 7) свидетельствует о влиянии состава порошка на рост и развитие микроорганизмов. Кроме того, подсчитанное количество живых клеток E. coli М-17 в зависимости от состава приведено в табл. 3.

Рис. 7.

Оценка жизнеспособности Escherichia coli под воздействием бентонита (а) и композита бентонит-оксид железа (б). Высев на среду Эндо из разведения 10¹⁴.

Как видно, культивирование в присутствии бентонита приводит к снижению жизнеспособности бактерий E. coli по сравнению с контролем. Одной из причин данного явления, на наш взгляд, является близость значений ζ-потенциала. Для бентонита, как указано выше, ζ = –36.0 мВ, тогда как для клеток E. coli M-17 в зависимости от метода определения найдены значения ζ-потенциала в интервале от –30.4 до –42.0 мВ [30]. В этих условиях частицы бентонита взаимодействуют с бактериальными клетками, иммобилизируя их между собой и формируя плотный слой осадка. Это хорошо видно при анализе рис. 7а. Иммобилизация клеток в матрице бентонита среди практически одинаково заряженных частиц ведет к уменьшению поступления питательных компонентов среды к клеткам и нарушению процесса размножения микроорганизмов, уменьшая в итоге количество жизнеспособных E. coli M-17.

При добавлении в питательную среду порошка бентонит-оксид железа наблюдается увеличение количества жизнеспособных клеток E. coli M-17 по сравнению с порошком немодифицированного бентонита и контрольным тестом (табл. 3). По-видимому, благодаря более высокому значению ζ-потенциала частиц композита (–16.05 мВ) увеличивается вероятность их взаимодействия с клетками E. coli M-17. Это приводит к формированию развитой каркасной структуры из частиц композита бентонит-оксид железа с большим количеством клеток бактерий на поверхности. Кроме того, присутствие магнитных частиц может способствовать формированию клетками E. coli M-17 биопленок, защищающих бактерии от воздействия внешних физико-химических факторов [31, 32].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Синтезирован композиционный порошкообразный материал бентонит-оксид железа и исследованы его физико-химические свойства. Установлено, что при модификации бентонита частицами, соответствующими составу твердого раствора магнетит-маггемитового ряда, наблюдаются изменения в гранулометрическом составе, морфологии поверхности, кристаллической структуре, пористости, ИК-спектрах, термическом поведении, а именно – выявлено уменьшение площади удельной поверхности и суммарного объема пор. Сделан вывод об образовании водородных связей между кислородсодержащими группами оксида железа и силанольными группами бентонита. Результаты проведенных микробиологических тестов продемонстрировали значительное увеличение жизнеспособности грамотрицательных бактерий E. coli М-17 при культивировании в присутствии композита бентонит-оксид железа. Полученные данные можно использовать в различных биотехнологических приложениях для адресной магнитоуправляемой доставки лекарств, а также для разработки пробиотических препаратов, содержащих живые бактерии и повышающих их жизнеспособность.