Динамические колебания степени окисления церия, запускаемые диффузией кислорода в коллоидном наноцерии

Аннотация

Редокс-производительность CeO_2−x нанокристаллов (наноцерия) всегда сопровождается переключением степени окисления церия между Ce³⁺ и Ce⁴⁺. Мы мониторили Ce³⁺ → Ce⁴⁺ окисление наноцерии, стимулированное оксидантом в водных коллоидных растворах, контролируя люминесценцию Ce³⁺ ионов, расположенных на разных расстояниях от поверхности наноцерии. Наблюдаемые изменения люминесценции Ce³⁺ указывают на то, что Ce³⁺ → Ce⁴⁺ реакция развивается внутри наноцерии, запускаемая диффундирующим кислородом, возникшим от расщепления воды на окисленной поверхности наноцерии. Мы представляем первое наблюдение выраженных колебаний интенсивности люминесценции Ce³⁺, возникающих из обратимого переключения Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺. Этот пороговый эффект обусловлен захватом и высвобождением кислорода наноцерией, когда концентрация кислородных вакансий в решетке наноцерии, концентрация оксиданта в коллоидном растворе и температура достигают определенных критических значений. Таким образом, способность наноцерии поглощать и высвобождать кислород в зависимости от экологических редокс-условий действительно делает ее саморегулирующимся вечным антиоксидантом.

Предыстория

Сегодня нанокристаллы с разной структурой и химическим составом широко используются в большой разнообразии современных приложений. Помимо важных инженерных применений, CeO₂ нанокристаллы (наноцерия) породили перспективные биомедицинские разработки благодаря своей способности работать как регенеративный скупщик реактивных форм кислорода (РФК). Главное предпосылка, делающая наноцерию уникальной и полезной, обычно атрибутируется высокому содержанию кислородных вакансий (V_O) и Ce³⁺ ионов на ее поверхности. В решетке наноцерии V_O и Ce³⁺ ионы являются взаимосвязанными дефектами; два Ce³⁺ иона учитываются на одну V_O. Дефектная (Ce³⁺, V_O) концентрация в наноцерии может контролироваться размером частицы, специальным донированием и термической обработкой. В общем, поверхностный кислород может ассистировать редокс-цикл через создание и заживление V_O или поверхностные V_O могут действовать как связывающие сайты для каталитически активных видов. Поверхностные Ce³⁺ ионы наноцерии обычно предполагают обеспечивать сборку РОС за счет переключения между 3+ и 4+ степенями окисления. РОС, а именно супероксид-ионы (O₂⁻), гидроксильные радикалы OH· и перекись водорода H₂O₂ при низких концентрациях, критически важны для регуляции клеточных функций. В отличие от обычных антиоксидантов, которые безвозвратно исчезают после взаимодействия с РОС, наноцерия, при размерах частиц ниже 15 нм, может действовать как саморегенерирующийся антиоксидант. Критическая зависимость биологической активности наноцерии от ее размера, а также механизм саморегенерации наноцерии в биологической среде все еще слабо поняты, и дискуссии продолжаются. Следует подчеркнуть, что в in vitro и in vivo экспериментах наноцерия работает при высокой дефектной концентрации и водной активности, и ее редокс-производительность может быть сильно замаскирована клеточными антиоксидантными системами.

Поэтому, чтобы понять механизм редокс-производительности наноцерии, мы использовали более простые и контролируемые условия: динамика окисления наноцерии изучалась в водных коллоидных растворах для образцов наноцерии с вариацией кислородной недостаточности. Поскольку концентрация V_O (Ce³⁺) варьируется с размером частицы, использовали образцы наноцерии 3,0, 10,0 и 50,0 нм. Согласно данным, концентрация V_O в 3,0-нм наноцерии может достигать ~20%. Мы определили, что концентрация V_O в 10,0-нм наноцерии, по сравнению с 3,0-нм наноцерией, была в два раза меньше. В случае 50,0-нм наноцерии донирование Y³⁺ (или Eu³⁺) и вакуумное отжиг использовали для генерации V_O и создания разных условий для диффузии кислорода в решетке наноцерии. Во всех 50,0 нм образцах концентрация V_O сделали эквивалентной 10,0-нм наноцерии. При Re³⁺ донировании 50,0-нм наноцерии концентрации Y³⁺ и Eu³⁺ ионов были на уровне 10 at.%; эти концентрации достаточно ниже соответствующих пределов растворимости этих ионов в цериевой решетке, ~25 at.% или даже ~45 at.% для Y³⁺ ионов и ~30 at.% для Eu³⁺ ионов; так что формирование Y₂O₃ или Eu₂O₃ фаз можно исключить. Все коллоидные растворы содержали одинаковое количество вещества (1,0 г/л) и характеризовались начальным pH ~ 7. Для окисления наноцерии использовали перекись водорода (HP) и калий периодат KIO₄ (PP). PP позволял исключить химическое разнообразие HP. Детали синтеза наноцерии и характеристики полученных образцов, а также описание экспериментов представлены в Дополнительном файле 1.

Результаты и обсуждение

Опираясь на наш предварительный эксперимент, люминесценцию Ce³⁺ (Рис. 1a) из-за дипольно-разрешенных 5d → 4f оптических переходов Ce³⁺ ионов использовали для мониторинга динамики окисления всех тестированных образцов наноцерии. Увеличение асимметрии полосы Ce³⁺ с уменьшением размера частицы, то есть с увеличением соотношения поверхность/объем (см. вставку в Рис. 1a) ясно указывает на ее неоднородность. Длинноволновая часть этой полосы может быть атрибутирована люминесценции Ce³⁺ из наноцерии подповерхностного слоя, а остальная часть полосы Ce³⁺ исходит от глубоко залегших Ce³⁺ ионов. Подповерхностные Ce³⁺ ионы имеют красносмещенные спектры люминесценции (см. вставку в Рис. 1a) из-за ослабления кристаллического поля, действующего на эти ионы в результате увеличения решетчного параметра в направлении к поверхности наноцерии. В противовес 3,0-нм наноцерии, для 50,0-нм наноцерии вклад этих ионов в результирующий спектр люминесценции пренебрежимо мал (см. вставку в Рис. 1a). Эта атрибуция подтвердилась более сильным Форстеровским кашением длинноволновой части полосы Ce³⁺ (см. Дополнительный файл 1 и Рис. 1b). Увеличение концентрации кашителя приводило к кашению люминесценции глубже лежащих Ce³⁺ ионов (Рис. 1b) из-за уменьшения донор-акцепторного расстояния.

Спектры люминесценции наноцерии под разными условиями. a 10,0-нм наноцерия до и через 25 мин после добавления HP (C = 0,1 мМ). Вставка: нормализованные спектры разных образцов наноцерии. b Спектры люминесценции 10,0-нм наноцерии до и после добавления 50 и 80 мкл красителя. Вставка: спектры 10,0-нм наноцерии после добавления 50 мкл красителя и последующего добавления HP (C = 0,1 мМ)

Добавление оксиданта (HP или PP) в коллоидные растворы привело к снижению интенсивности полосы Ce³⁺ для всех тестированных образцов наноцерии (Рис. 1a). Более того, можно видеть, что под селективным кашением полосы Ce³⁺ (Рис. 1b), оксидант стимулировал падение люминесценции глубоко залегших Ce³⁺ ионов (см. вставку в Рис. 1b). Ce³⁺ → Ce⁴⁺ окисление происходит для этих ионов также, несмотря на то, что оксидант не может проникнуть в наноцерию. Этот эффект аналогичен отжигу наноцерии в кислородной атмосфере (см. Дополнительный файл 1). Следовательно, оксидант стимулирует проникновение кислорода (его источник будет определен ниже) внутрь наноцерии. Это действительно подтверждается дефект-контролируемой временной эволюцией люминесценции Ce³⁺ под действием оксиданта (Рис. 2a). В этом эксперименте и HP, и PP действуют похожим образом (см. вставку в Рис. 2a). Как следует из Рис. 2a, 3,0-нм наноцерия с наивысшей концентрацией V_O продемонстрировала самый быстрый спад интенсивности полосы Ce³⁺ и самый низкий остаточный уровень люминесценции Ce³⁺. При одинаковой концентрации V_O Y³⁺-донированная наноцерия показала более сильную скорость кашения интенсивности полосы Ce³⁺ и более низкий уровень остаточной люминесценции Ce³⁺ по сравнению с Eu³⁺-донированной наноцерией (Рис. 2a). Это коррелирует с тем фактом, что энергия активации диффузии кислорода в оксиде церия увеличивается в присутствии Eu³⁺ ионов сильнее, чем Y³⁺ ионов. Следовательно, снижение интенсивности полосы Ce³⁺ под действием оксиданта (Рис. 1 и 2a) является результатом Ce³⁺ → Ce⁴⁺ окисления, вызванного проникновением кислорода в наноцерию через вакансионный механизм диффузии. Добавление восстанавливающего агента (например, бензентриола) в коллоидный раствор после окисления наноцерии не привело к восстановлению люминесценции Ce³⁺, что согласуется с предложенным механизмом Ce³⁺ → Ce⁴⁺ окисления внутри наноцерии.

Временная эволюция люминесценции Ce³⁺ под действием оксиданта (C = 0,1 мМ) для разных образцов наноцерии. a После добавления HP; вставка — после добавления HP и PP; b после добавления PP в 10,0-нм наноцерию в вода-ДМСО растворах; вставка — после добавления PP и после NaOH и последующего PP добавления. c pH и интенсивность полосы Ce³⁺ (I_Ce3+) после добавления PP для 10,0-нм наноцерии. d Кривые наполнения наноцерии кислородом ρ(t)=1−I_Ce3+(t) показаны на лог-лог графике с использованием данных, показанных в a

Нижняя концентрация воды в коллоидном растворе замедлила динамику окисления наноцерии (Рис. 2b), в то время как увеличение начального pH ускорило этот процесс (см. вставку в Рис. 2b). Исключая возможный источник H⁺ в случае применения HP, мы также раскрыли точное совпадение снижения pH со спадом интенсивности полосы Ce³⁺ под окислением наноцерии PP (Рис. 2c). Эти факты указывают на расщепление воды, которое может протекать с высокой эффективностью с участием Ce⁴⁺–V_O⁺⁺–Ce⁴⁺ (или Ce⁴⁺–V_O⁺–Ce³⁺) активных сайтов на поверхности наноцерии, формирующихся в результате окисления Ce³⁺–V_O–Ce³⁺ сайтов (Рис. 3). Существует два возможных пути для этого (Рис. 3): либо O²⁻ ион занимает V_O⁺⁺ и два H⁺ иона выталкиваются в раствор, либо O²⁻ ион занимает V_O⁺ в результате чего образуется гидроксил, который заставляет один H⁺ ион выталкиваться в раствор (Рис. 3). Первый прыжок кислорода в наноцерию регенерирует Ce³⁺–V_O–Ce³⁺ сайт для нового цикла окисления (Рис. 3). Этот процесс может повторяться много раз с разными скоростями в зависимости от концентрации оксиданта. Кривая ρ(t)=1−I_Ce3+(t) описывает наполнение наноцерии кислородом, и ее начальная стадия хорошо подходит под функцию ~t^1/2 (см. Рис. 2d). Это означает, что кислород проникает в наноцерию однофайловой диффузией через каналы V_O (Рис. 3), где атомы кислорода не могут обгонять друг друга. Формирование больших кластеров V_O, открытых на кислород-терминированных плоскостях наноцерии (Рис. 3), неизбежно по двум причинам: все тестированные образцы наноцерии содержат достаточно высокие концентрации V_O, близкие к периколяционному порогу, и концентрация V_O достигает максимума у поверхности наноцерии. Линейные структуры, наблюдаемые для подповерхностных V_O, могут рассматриваться как каналы V_O или компоненты больших кластеров V_O.

Стадии взаимодействия наноцерии с оксидантом и молекулой воды. a Двойной окисленный Ce⁴⁺–V_O⁺⁺–Ce⁴⁺ сайт и одинарно окисленный Ce⁴⁺–V_O⁺–Ce³⁺ сайт на поверхности наноцерии и их взаимодействие с H₂O молекулой. b Регенерация Ce³⁺–V_O–Ce³⁺ сайта для следующего цикла окисления

Выраженные колебания интенсивности полосы Ce³⁺ наблюдаются, когда концентрация оксиданта (HP или PP) в коллоидных растворах превышает ~0,5 мМ, так что динамика Ce³⁺ → Ce⁴⁺ окисления наноцерии трансформируется в Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ редокс-сценарий (Рис. 4). Эти колебания не появлялись немедленно после добавления HP (C = 1,0 мМ) или PP (C = 1,0 мМ), но начинали развиваться, когда быстрая стадия завершалась (Рис. 4a, b). Для всех оксидантов, после исчезновения колебаний, их можно было повторить добавлением новых порций оксиданта в коллоидные растворы (Рис. 4c). Для сравнения, колебания интенсивности полосы Ce³⁺ для всех тестированных образцов наноцерии показаны на Рис. 4d. Базовые линии на Рис. 4d фактически являются уровнями остаточной люминесценции Ce³⁺ для каждого образца наноцерии (Рис. 2a), и интенсивность полосы Ce³⁺ колеблется выше этих уровней. Вариация концентрации V_O в Y³⁺ (или Eu³⁺)-донированной 50,0-нм наноцерии ясно показала, что колебания интенсивности полосы Ce³⁺ наблюдались только тогда, когда концентрации V_O стали эквивалентны тем в 10,0-нм наноцерии (Рис. 4d). В случае Eu³⁺-донированной 50,0-нм наноцерии колебания были более иррегулярными и менее выраженными (Рис. 4d). Как упоминалось ранее, этот факт согласуется с подавлением диффузии кислорода в присутствии Eu³⁺ ионов. В отожженной 50,0-нм наноцерии с термодинамически неравновесными V_O колебания не наблюдались вовсе. Колебания (см. Рис. 4) наблюдались при температурах выше 35 °C.

Колебания интенсивности полосы Ce³⁺ (I_Ce3+), стимулированные оксидантом (C = 1,0 мМ) в коллоидном наноцерии: a после добавления HP для 10,0-нм наноцерии; b после добавления PP для 10,0-нм наноцерии; c после множественных добавлений HP для 10,0-нм наноцерии; d после добавления HP для разных образцов наноцерии

Наблюдаемые колебания (Рис. 4) появлялись, когда популяция V_O кислородом, накопленным во время быстрой стадии (Рис. 2a и 4a), становилась сильно неравновесной. Рост первого пика колебаний (Рис. 4a, b) сопровождается высвобождением избыточного кислорода, и пока колебания наблюдаются, наноцерия высвобождает (увеличение люминесценции Ce³⁺) и захватывает (снижение люминесценции Ce³⁺) кислород. Для отожженной 50,0-нм наноцерии фаза высвобождения кислорода и, следовательно, Ce⁴⁺ ↔ Ce³⁺ колебания невозможны, потому что термодинамически неравновесные V_O безвозвратно заживляются кислородом, накопленным во время окисления (Рис. 2a и 4).

Следует отметить, что временная шкала эволюции интенсивности полосы Ce³⁺ (см. Рис. 2 и 4) требует аномально высокой скорости диффузии кислорода в наноцерии при КТ. Обычно в оксидах обычная диффузия кислорода слишком медленна из-за большого значения энергии активации. Но в нашем случае быстрая диффузия кислорода обеспечивается загрузко-зависимым снижением энергии активации, присущей однофайловой диффузии. Концентрация оксиданта в коллоидных растворах контролирует этот эффект через скорость и уровень наполнения кластеров V_O кислородом.

Заключение

Наши результаты предлагают новое видение микроскопических механизмов за редокс-производительностью наноцерии. Прежде всего, и поверхностные Ce³⁺ ионы, доступные для оксиданта, и глубоко залегшие Ce³⁺ ионы вовлечены в динамику окисления наноцерии благодаря диффузии кислорода, поддерживаемой открытыми кластерами V_O. Такие кластеры V_O неизбежно формируются при достаточно малом размере (< 15 нм) наноцерии, что объясняет сильную размерную зависимость антиоксидантной активности наноцерии. Саморегенерация (обратное Ce⁴⁺ → Ce³⁺ восстановление) наноцерии в биологической среде является результатом высвобождения накопленного во время окисления РОС кислорода. Аналогично колебаниям в гетерогенном катализе, колебания степени окисления церия в наноцерии могут быть использованы для разработки высокопроизводительных антиоксидантов, которые крайне важны для защиты клеток под высокоинтенсивным излучением (раковое лучевое лечение, ядерные катастрофы и т.д.). В целом, идеи, предложенные в статье, позволяют инициировать рациональный поиск новых наноматериалов, которые могут быть использованы не только как эффективные антиоксиданты, но и как уникальные каталитические материалы в различных технологических областях.

Методы

Методы синтеза наноцерии

Коллоидный синтез 3,0- и 10,0-нм наноцерии

Водные растворы наночастиц церия получали следующим методом: раствор CeCl₃ (100 мл, 2 мМ) смешивали с 100 мл раствора гексаметилентетрамина (4 мМ) и перемешивали магнитным стимулятором 3 ч при комнатной температуре. После этого в раствор добавляли 1,8 мл NH₄OH и 0,6 мл H₂O₂. Затем раствор помещали в круглодонную колбу и рефлюксировали 5 ч. В результате получали прозрачные бесцветные растворы. Раствор испаряли в ротационном испарителе под вакуумом при температуре бани 70 °C до 30 мл. Раствор 2 М NaCl добавляли к полученному раствору до мутнения. Затем твердая фаза выделяли центрифугированием. Осадок отделяли, и раствор хлорида натрия добавляли снова. Процедура очистки осадка повторяли три раза. После последней стадии центрифугирования раствор натрий цитрата с молярным соотношением CeO₂/NaCt 1:1 добавляли к осадку. Размер наноцерии, полученной из смеси хлорида церия (III) и гексаметилентетрамина (HMTA), взятых в молярном соотношении 1:10, был ~10,0 нм. При дальнейшем увеличении HMTA избыток размер полученных наночастиц уменьшался до ~3,0 нм. СеО_2−x наночастицы стабилизировали натрий цитратом с молярным соотношением 1:1. Растворы дополнительно диализировали 24 ч против деионизированной воды для удаления избытка ионов и органических видов. Диализационная мембрана с молекулярным отсевом “Cellu Sep H1” 3,5 кДа использовали. Все солы были прозрачными в проходящем свете и проходили через мембранные фильтры с порами 100 нм без потерь.

Соль-гель синтез 50,0-нм наноцерии

СеО_2−x, СеО₂:Eu³⁺/Y³⁺(0,1–10 at.%) нанокристаллы получали методом Печини. Оксид церия (СеO₂) (99,995%, Sigma-Aldrich) растворяли в смеси азотной кислоты (HNO₃) и перекиси водорода (H₂O₂) (в объемном соотношении 1:1) при 60 °C. Оксид europия (Eu₂O₃) (99,999%, Sigma-Aldrich) и оксид иттрия (Y₂O₃) (99,999%, Sigma-Aldrich) растворяли в разбавленной HNO₃ при 80 °C. Раствор 0,75 г лимонной кислоты и 1 мл этиленгликоля добавляли к 20 мл церия нитрата Ce(NO₃)₃ (C = 1 М) раствору или к 20 мл стехиометрической смеси церия нитрата Ce(NO₃)₃ (C = 1 М) и europия нитрата Eu(NO₃)₃/иттрия нитрата Y(NO₃)₃ (C = 1 М) растворов. Все полученные смеси обрабатывали при 80 °C в течение 10 ч, а затем гидролизовали 10 масс.% NH₃ водным раствором. Осадки сушили при 120 °C в течение 5 ч, а затем дегидратировали при 250 °C в течение 4 ч. Нанокристаллы отжигали 2 ч в вакууме при 1000 °C. После отжига наночастицы диспергировали в воде при концентрации 1 г/л.

Экспериментальные техники

Фотолюминесценция всех типов наноцерии возбуждали непрерывным волновым GKL-4UM He-Cd лазером (λ~325 нм) и регистрировали с использованием SDL-1 решетчатый монокроматор с Hamamatsu R9110 ФЭУ в фотосчетном режиме.

Немедленно после добавления оксиданта (перекись водорода или калий периодат) в водные коллоидные растворы наноцерии, временную эволюцию интенсивности люминесценции Ce³⁺ (взятую при 390 нм) определяли методами время-разрешенных измерений при CW возбуждении (He-Cd лазер). Концентрации наноцерии в водных растворах были схожими во всех экспериментах и равны 1 г/л. Концентрация оксиданта, необходимая для инициации необратимой Ce³⁺ → Ce⁴⁺ редокс-реакции, равнялась 0,1 мМ; концентрации оксидантов для инициации обратимых Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ редокс-реакций равнялись 1,0 мМ для обоих H₂O₂ (HP) и KIO₄ (PP).

Временную зависимость pH значения для водных коллоидных растворов наноцерии после добавления оксиданта измеряли pH-метром. Как оксиданты HP (C = 0,1 мМ) и PP (C = 0,1 мМ) использовали, pH значения записывали с интервалами 1 с после добавления порций оксиданта в водные коллоидные растворы наноцерии. Временную зависимость pH значения для дистиллированной воды после добавления оксиданта брали как контроль (начальное pH значение дистиллированной воды было таким же, как для коллоидных растворов наноцерии (pH = 7)).

Все эксперименты проводили при T = 37 °C.

Аббревиатуры

HP:

Перекись водорода

PP:

Калий периодат

РОС:

Реактивные формы кислорода

V_O:

Кислородные вакансии