TA Instruments logo


 
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.
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. 

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) 1.37Ÿ107 (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.