Исследование антиоксидантных свойств аблированных наночастиц диоксида церия в окислительной реакции Фентона

Цель. Исследование антиоксидантных свойств аблированных наночастиц диоксида церия в условиях окислительной деградации органического красителя метиленового синего при протекании реакции Фентона в зависимости от их размерных и структурно-фазовых характеристик.

Методы. Характеризация аблированных наночастиц диоксида церия с помощью просвечивающей электронной микроскопии, оснащенной энергетическим Ω-фильтром и сканирующим HAADF-детектором; исследование в видимом и ультрафиолетовом диапазоне спектров поглощения образцов с помощью оптического спектрофотометра; изучение антиоксидантной активности аблированных наночастиц в окислительной реакции Фентона на примере органического красителя метиленового синего в зависимости от содержания и размерного состава наночастиц диоксида церия.

Результаты. Методом лазерной абляции получены наночастицы диоксида церия, обладающие выраженными антиоксидантными свойствами. С ростом содержания наночастиц СеО₂ антиокислительные свойства коллоидного раствора на их основе увеличиваются. Определены зависимости антиоксидантной активности наночастиц диоксида церия от их размерных и структурных характеристик. При увеличении содержания наночастиц диоксида церия в растворе идёт рост интенсивности процесса инактивирования гидроксильных радикалов, образующихся в процессе реакции Фентона. Данные, полученные в процессе исследований, свидетельствуют о наиболее высоких антиокислительных способностях растворов с наночастицами диоксида церия, которые подверглись центрифугированию при скорости 13400 об/мин. 

Заключение. Предложен новый способ получения нанодисперсных частиц оксида церия, обогащенных функциональными структурными дефектами. Наночастицы диоксида церия, аблированные импульсным лазерным излучением, являются новыми наноматериалами, представляющими собой антиоксиданты, способные инактивировать активные формы кислорода в окислительных процессах типа реакции Фентона. Данные свойства наночастиц диоксида церия определяются содержанием на их поверхности дефектов типа кислородная вакансия.

1. Cerium oxide (CeO₂): synthesis, properties and applications / E. Aneggi, C. de Leitenburg, M. Boaro, P. Fornasiero, A. Trovarell; ed. by S. Scirè, L. Palmisan. Elsevier Science, 2020. P. 45–108, 109–167.

2. Vazirov R. A., Sokovnin S. Y., Ulitko M. Radiomodification of cell cultures of line Hela by cerium oxide nanoparticles to X-ray irradiation // Radiation and Applications. 2017. Vol. 2, is. 2. P. 139–141. DOI: 10.21175/RadJ.2017.02.029

3. Antioxidant activity of cerium dioxide nanoparticles and nanorods in scavenging hydroxyl radicals / A. Filippi, F. Liu, J. Wilson [et al.] // RSC Advances. 2019. Vol. 9. P. 11077–11081.

4. Cerium oxide nanoparticles with antioxidant capabilities and gadolinium integration for MRI contrast enhancement / P. Eriksson, A. A. Tal, A. Skallberget [et al.] // Sci. Rep. 2018. Vol. 8(1). P. 1–12. DOI: 10.1038/s41598-018-25390-2

5. Physicochemical characterization and antioxidant properties of cerium oxide nanoparticles / R. A. Vazirov, S. Y. Sokovnin, V. G. Ilves, I. N. Bazhukova, N. Pizurova, M. V. Kuznetsov // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 1115, is. 3. P. 1–6. DOI: 10.1088/1742-6596/1115/3/032094

6. The role of cerium redox state in the SOD mimetic activity of nanoceria / E. G. Heckert, A. S. Karakoti, S. Seal, W. T. Self // Biomaterials. 2008. Vol. 29, is. 18. Р. 2705–2709. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2008.03.014

7. Фотокаталитические свойства нанокомпозитов CuO/f-МУНТ и NiO/f-МУНТ и трубчатых наноструктур оксидов меди и никеля на их основе / М. А. Пугачевский, Чжо Аунг Хеин, В. А. Мамонтов, Мьо Мин Тан, А. П. Кузьменко // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 3. С. 72–85.

8. Lattice expansion and oxygen non-stoichiometry of nanocrystalline ceria / A. B. Barancvicov, O. S. Ivanova, V. K. Ivanov, Y. D. Tretyakov // CrystEngComm. 2010. No. 12. P. 3531–3533. DOI: 10.1039/сOce00245c

9. Oxygen-vacancy engineering of cerium-oxide nanoparticles for antioxidant activity / C. Gunawan, M. S. Lord, E. Lovell [et al.] // ACS Omega. 2019. Vol. 4, 5. P. 473–9479.

10. Cerium oxide nanoparticles: properties, biosynthesis and biomedical application / K. RB. Singh, V. Nayak, T. Sarkar, R. P. Singh // Royal Society of Chemistry. 2020. Vol. 10(45). P. 27194–27214. DOI: 10.1039/d0ra04736h

11. Antibacterial and cytotoxic activities of cerium oxide nanoparticlesprepared by laser ablation in liquid / S. A. Abid, A. A. Taha, R. A. Ismail, M. H. Mohsin // Environmental Science and Pollution Research. 2020. Vol. 27(24). P. 30479–30489. DOI: 10.1007/s11356020-09332-9

12. Lapin I. N., Shabalina A. V., Svetlichnyi V. A. Synthesis and characterization of CeO2 // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 683. P. 281–287. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.683.281

13. Yoshihiro T., Fumitaka M. Formation of wide bandgap cerium oxide nanoparticles by laser ablation in aqueous solution // Chemical Physics Letters. 2014. Vol. 599. P. 110–115. DOI: 10.1016/j.cplett.2014.03.026

14. Synthesis routes of CeO2 nanoparticles dedicated to organophosphorus degradation: a benchmark / I. Trenque, G. C. Magnano, J. Bárta [et al.] // CrystEngComm. 2020. Vol. 22(10). P. 1725–1737. DOI: 10.1039/C9CE01898K

15. Аунг Ней Вин, Мамонтов В. А., Пугачевский М. А. Формирование наночастиц СеО2 методом лазерной абляции // Нанотехнологии: образование, наука, инновации: сборник статей X Всероссийской научно-практической конференции / отв. ред. П. А. Белов. Курск: Курск. гос. ун-т, 2019. С. 132–134.

16. Получение аблированных частиц CeO2 с нанодисперсным распределением по составу / М. А. Пугачевский, В. А. Мамонтов, Ней Вин Аунг, А. С. Чекаданов, А. П. Кузьменко // Письма в журнал технической физики. 2020. Т. 46, вып. 20. С. 38–41. DOI: 10.21883/PJTF.2020.20.50155.18286

17. Oxidation state and lattice expansion of CeO2–x nanoparticles as a function of particle size / L. J. Wu, H. J. Wiesmann, A. R. Moodenbaugh, R. F. Klie, Y. Zhu, D. O. Welch, M. Suenaga // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 69. P. 125415-1.

18. Size dependency variation in lattice parameter and valency states in nanocrystalline cerium oxide / S. Deshpande, S. Patil, S. V. N. T. Kuchibhatla, S. Seal // Appl. Phys. 2005. Vol. 87. P. 133113. DOI: 10.1063/1.2061873

19. Theoretical and experimental studies of structural defects in CeO2 nanoparticles / M. A. Pugachevskii, A. N. Chibisov, A. P. Kuzmenko, A. S. Fedorov // Solid state phenomena. 2020. Vol. 312. Р. 68–73. DOI: 10.4028/www.sceintific.net/SSP.312.68

20. Пугачевский М. А., Панфилов В. И. Оптические свойства наночастиц HfO2, аблированных лазерным излучением // Журнал прикладной спектроскопии. 2014. Т. 81, № 4. С. 586–589.

21. PugachevskiiM. A. Ultraviolet absorption spectrum of laser-ablated titanium dioxide nanoparticles // Technical Physics Letters. 2013. Vol. 39, No. 1. P. 36–38. DOI: 10.1134/s1063785013010239

22. Пат. 2484832 Российская Федерация, МПК А 61 33/24, A 61 K47/36. Способ получения покрытого стабилизирующей оболочкой нанокристаллического диоксида церия / Щербаков А. Б. [и др.]; заявитель ФГБУН ИОНХ РАН. № 2012112921/15; заявл. 04.04.12; опубл. 20.06.13, Бюл. № 17. 19 с.: ил.

23. Solís-López M., Durán-Moreno A., Rigas F. Assessment of copper slag as a sustainable fenton-type photocatalyst for water disinfection // Water Reclamation and Sustainability. Elsevier Science, 2014. P. 199–227.