Анализ связывания органических соединений
с наночастицами при помощи изометрической
титрационной калориметрии

Neil Demarse, Ph.D. и Lee D. Hansen, Ph.D.

TA Instruments, 890 West 410 North, г. Линдон, штат Юта, 84042, США

Аннотация

Наночастицы представляют собой подкласс сверхмалых частиц размерами от одного до ста нанометров (нм). В настоящем исследовании изучено замещение алкиламина алкилтиолом на наночастицах в коллоидной суспензии с использованием изометрической титрационной калориметрии (ITC). Эффективность метода ITC для анализа сборки наночастиц демонстрируется путем определения энтальпии, константы связывания и стехиометрии указанного взаимодействия.

Введение

Нанотехнологиями называют технологии, ориентированные на разработку, использование и создание материалов и устройств с размерами в нано-диапазоне
(10-9 м) [1]. Наноматериалы и наноустройства часто представляют собой конгломераты различных наночастиц, потенциально важные для промышленного или медицинского использования. К наночастицам, для которых в настоящее время изучается возможность промышленного или медицинского применения, относятся бакиболлы [2], наночастицы золота [3], наночастицы железа [4], липосомы [5], нанокристаллы [6] и углеродные нанотрубки [7].
Большинство методов, применяемых для анализа наноматериалов – рентгеновская, нейтронная микроскопия, оптическая микроскопия при рассеянном световом пучке и электронная микроскопия – дают структурную информацию. Калориметрия позволяет получать термодинамическую информацию о формировании наночастиц. С целью выяснения термодинамических особенностей сборки наночастиц было проведено измерение замещения алкиламина алкилтиолом на поверхности наночастиц в коллоидной суспензии с помощью прибора TA Instruments Nano ITC.
 

Экспериментальная часть

Получали наночастицы с монослоем амина, конъюгированного с металл-коллоидной сердцевиной. Готовили титрующий раствор (алкилтиол) и титруемый раствор (суспензию наночастиц) в тетрагидрофуране. Титрование выполняли в стандартном объеме Nano ITC в реакционной камере из сплава Хастеллой. Ячейку сравнения заполняли водой. 1.5 мМ раствор тиола впрыскивали в раствор наночастиц, содержащий 0.1 мМ амина. Каждое титрование состояло из двенадцати впрыскиваний по 5 мкл с 300-секундными интервалами при скорости перемешивания 350 об/мин. Перед первым впрыскиванием и после последнего впрыскивания в течение 300 секунд регистрировали фон. Перед началом титрования калориметр доводили до равновесного состояния, чтобы дрейф фоновых показаний составлял не более 100 нВт за период 10 минут.

Результаты и обсуждение


На Рисунке 1 представлены необработанные данные титрования. Направленные вверх пики обозначают экзотермическую реакцию. Меньший пик от первого впрыскивания обусловлен диффузией титранта в титруемом растворе в период достижения равновесия. Высота пиков впрыскиваний со 2 по 6 падает, приблизительно с 3.5 мкВт до 3.0 мкВт. Пики впрыскиваний с 7 по 10 падают быстро, и это указывает, что связывание приближается к насыщению.  Все пики после десятого являются маленькими, и их сходная величина указывает на отсутствие дополнительного связывания.

Рисунок 1. Замещение алкиламина алкилтиолом на наночастицах. Необработанные данные титрования измеряются в мкВт. Каждый пик соответствует одному впрыскиванию раствора алкилтиола в суспензию наночастиц.
 

Рисунок 2. Анализ связывания при замещении алкиламина алкилтиолом на наночастицах. Аппроксимация значений интегрированных площадей под пиками моделью независимого связывания в одном участке (синий цвет) и пустым контролем (константа) (зеленый цвет) позволяет определить аффинность связывания (K), энтальпию (dH) и стехиометрию (n). Сумма обеих моделей показана на верхнем графике пунктирной линией. На нижнем графике показана разница между аппроксимирующими моделями и экспериментальными данными. 
На Рисунке 2 представлена зависимость интегрированной площади под каждым пиком от молярного соотношения титранта к титруемому раствору. Первая точка не включена в анализ данных. Хотя на исходных данных высота пиков до перегиба равномерно уменьшается (Рисунок 1), интегрированные данные показывают, что площадь с точки 2 до точки 7 возрастает. Это обусловлено расширением пиков и является результатом уменьшения скорости замещения алкиламина алкилтиолом по мере протекания реакции на поверхности наночастицы. Сплошными линиями на Рисунке 2 показана аппроксимирующая кривая модели независимого связывания в одном участке и пустого контроля (константа). Величина константы ассоциации (Ka) 1.37?107 (константа диссоциации Kd = 73.0 нМ) соответствует очень сильному связующему взаимодействию. Изменение энтальпии (DH) связывания составляет -25.4 кДж/моль, а стехиометрия связывания (n) составляет 0.7 моль тиола на моль амина. Значение пустого контроля (константы), обусловленное теплотой разведения титранта, составляет -24.39 мкДж. Стандартное отклонение для аппроксимации суммой модели связывания и пустым контролем составляет 7.50 мкДж.

Заключение

Анализ химических параметров поверхности наночастиц очень важен для лучшего понимания ассоциации наноматериалов. Метод ITC является универсальным и чувствительным методом, позволяющим одновременно определять аффинность связывания, энтальпию и стехиометрию взаимодействия. ИТК позволяет быстро определять термодинамические параметры взаимодействия в естественных условиях, без использования меток и маркеров, которые могут создавать помехи для связывания. В качестве примера было проведено измерение замещения алкиламина на наночастице в суспензии алкилтиолом. Преимуществом ITC по сравнению со структурными методами является простота инструментария и эксперимента, который можно проводить без получения кристаллов, сложных иммобилизованных образцов или использования мощных источников энергии. ИТК позволяет выявлять наиболее благоприятные взаимодействия между наночастицами, и обеспечивать рациональное проектирование и более совершенное создание наноматериалов и наноустройств.

Литература

  1. ASTM E 2456-06 Standard Terminology Relating to Nanotechnology.
  2. Kroto, H. W.; Heath, J. R.; O'Brien, S. C; Curl R. F. and Smalley, R. E. (1985). C60: Buckminsterfullerene. Nature 318: 162-163.
  3. McFarland, A. D.; Haynes, C. L.; Mirkin, C. A.; Van Duyne, R. P. and Godwin, H. A. (2004) Color My Nanoworld. J. Chem. Educ. 81, 544A.
  4. Zhang, Wei-xian (2003). "Nanoscale iron particles for environmental remediation: an overview." Journal of Nanoparticle Research 5: 323-332.
  5. Torchilin VP. (2006)Adv Drug Deliv Rev. 2006 Dec 1;58(14): 1532-55
  6. Fahlman, B. D. Materials Chemistry; Springer: Mount Pleasant, MI, 2007; Vol. 1, pp 282-283.
  7. Wang, X.; Li, Q.; Xie, J.; Jin, Z.; Wang, J.; Li, Y.; Jiang, K.; Fan, S. (2009). Fabrication of Ultralong and Electrically Uniform Single-Walled Carbon Nanotubes on Clean Substrates. Nano Letters 9 (9): 3137-3141.