Антиоксидантная активность аблированных наночастиц диоксида церия в окислительной фотокаталитической реакции

Цель. Исследование и сравнение антиоксидантных свойств наночастиц диоксида церия, аблированных из импортной и лабораторной мишеней в окислительной фотокаталитической деградации метиленового синего.
Методы. Путем прессования порошка диоксида церия и отжига прессованной мишени были получены лабораторные мишени, которые подверглись процессу лазерной абляции. Методом атомно-силовой микроскопии выполнена характеризация наночастиц диоксида церия. Спектрофотометрическим методом выполнено исследование антиоксидантных свойств наночастиц диоксида церия. Изучена и сравнена антиоксидантная активность аблированных наночастиц, полученных из двух мишеней в окислительной фотокаталитической реакции. Методом лазерной абляции получены наночастицы диоксида церия с высокой антиоксидантной активностью.
Результаты. Методом атомно-силовой микроскопии установлены средние предельные размеры нецентрифугированных и центрифугированных при скорости 1000 об/мин аблированных наночастиц диоксида церия. Выявлено, что элементный состав порошка диоксида церия, из которого прессовалась лабораторная мишень, и элементный состав импортной мишени совпадают, и процент примеси в них находится в рамках допустимого для проведения процесса лазерной абляции. Было проведено сравнение антиоксидантной активности наночастиц диоксида церия, аблированных из лабораторной и импортной мишеней. Полученные в ходе исследования данные свидетельствуют о том, что наибольшую антиоксидантную активность проявляют наночастицы диоксида церия, полученные из лабораторной мишени.
Заключение. Наночастицы диоксида церия, подвергнутые лазерной абляции из лабораторной мишени, представляют собой наноматериалы, являющиеся антиоксидантами, инактивирующими активные формы кислорода в фотокаталитической реакции. Антиоксидантная активность наночастиц диоксида церия, полученных из лабораторной мишени, не ниже, а выше, чем у наночастиц, полученных из импортной мишени. Данные свойства наночастиц диоксида церия обусловлены наличием на их поверхности кристаллических дефектов типа кислородных вакансий.

1. Transformation of cerium oxide nanoparticles from a diesel fuel additive during combustion in a diesel engine / J. G. Dale, S. S. Cox, M. E. Vance [et al.]// Environmental science & technology. 2017. Vol. 51, no. 4. P. 1973–1980. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03173.

2. High performance low-temperature solid oxide fuel cells based on nanostructured ceria-based electrolyte / Iamei Liu, Chengjun Zhu, Decai Zhu [et al.]// Nanomaterials. 2021. Vol. 11, no. 9. P. 2231. https://doi.org/10.3390/nano11092231.

3. Chemical mechanical glass polishing with cerium oxide: Effect of selected physico-chemical characteristics on polishing efficiency / P. Janoš, J. Ederer, V. Pilařová [et al.]// Wear. 2016. Vol. 362. P. 114–120. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.020.

4. The advances of ceria nanoparticles for biomedical applications in orthopaedics / Hongru Li, Peng Xia, Su Pan [et al.]// International journal of nanomedicine. 2020. Vol. 15. P. 7199–7214. https://doi.org/10.2147/IJN.S270229.

5. Thakur N., Manna P., Das J. Synthesis and biomedical applications of nanoceria, a redox active nanoparticle // Journal of nanobiotechnology. 2019. Vol. 17, no. 1. P. 1–27. https://doi.org/10.1186/s12951-019-0516-9.

6. Antioxidant cerium oxide nanoparticles in biology and medicine / B. C. Nelson, M. E. Johnson, M. L. Walker [et al.]// Antioxidants. 2016. Vol. 5, no. 2. P. 15. https://doi.org/10.3390/antiox5020015.

7. Исследование антиоксидантных свойств аблированных наночастиц диоксида церия в окислительной реакции Фентона / М. А. Пугачевский, В. А. Мамонтов, А. П. Кузьменко, Ю. А. Неручев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 1. С. 61–74.

8. Cerium oxide nanoparticles in cancer / Ying Gao, Kan Chen, Jin-Lu Ma, Fei Gao // Onco Targets Ther. 2014. Vol. 7. P. 835–40. https://doi.org/10.2147/OTT.S62057.

9. Ultrasmall antioxidant cerium oxide nanoparticles for regulation of acute inflammation / Johoon Kim, Gwanui Hong, Luda Mazaleuskaya [et al.]// ACS Applied Materials & Interfaces. 2021. Vol. 13, no. 51. P. 60852–60864. https://doi.org/10.1021/acsami.1c16126.

10. Synthesis of cerium oxide nanoparticles using Gloriosa superba L. leaf extract and their structural, optical and antibacterial properties / Ayyakannu Arumugam, Chandrasekaran Karthikeyan, Abdulrahman Syedahamed Haja Hameed [et al.]// Materials Science and Engineering: C. 2015. Vol. 49. P. 408–415. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.01.042

11. Cerium oxide nanoparticles and their efficient antibacterial application in vitro against gram-positive and gram-negative pathogens / O. L. Pop, Amalia Mesaros, D. C. Vodnar // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, no. 8. P. 1614. https://doi.org/10.3390/nano10081614.

12. Cerium and its oxidant-based nanomaterials for antibacterial applications: a state-of-the-art review / Manlin Qi, Wen Li, Xufeng Zheng [et al.]// Frontiers in Materials. 2020. Vol. 7. P. 213. https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00213.

13. Antibacterial effect of cerium oxide nanoparticle against Pseudomonas aeruginosa / Khosro Zamani, Noushin Allah-Bakhshi, Faezeh Akhavan [et al.]// BMC biotechnology. 2021. Vol. 21, no. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1186/s12896-021-00727-1.

14. Cerium oxide nanoparticles rescue α-synuclein-induced toxicity in a yeast model of Parkinson’s disease / Roberta Ruotolo, Giuseppe De Giorgio, Ilaria Minato [et al.]// Nanomaterials. 2020. Vol. 10, no. 2. P. 235. https://doi.org/10.3390/nano10020235.

15. Sundararajan V., Venkatasubbu G. D., Sheik Mohideen S. Investigation of therapeutic potential of cerium oxide nanoparticles in Alzheimer’s disease using transgenic Drosophila // 3 Biotech. 2021. Vol. 11, no. 4. P. 159. https://doi.org/10.1007/s13205-021-02706-x.

16. Nanoceria as a possible agent for the management of COVID-19 / P. Allawadhi, A. Khurana, S. Allwadhi [et al.]// Nano Today. 2020. Vol. 35. P. 100982. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2020.100982.

17. Ulker D., Abacioglu N., Sehirli A. O. Cerium oxide (CeO2) nanoparticles could have protective effect against COVID-19 // Letters in Applied NanoBioScience. 2022. Vol. 12, no. 1. P. 12. https://doi.org/10.33263/LIANBS121.012.

18. 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. https://doi.org/10.1039/сOce00245c.

19. Oxygen-vacancy engineering of cerium-oxide nanoparticles for antioxidant activity / C. Gunawan, M. S. Lord, E. Lovell [et al.] // ACS Omega. 2019. Vol. 4, no. 5. P. 473–9479. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b00521.

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

21. Antibacterial and cytotoxic activities of cerium oxide nanoparticles prepared 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). Р. 30479–30489. https://doi.org/10.1007/s11356-02009332-9.

22. Lapin I. N., Shabalina A. V., Svetlichnyi V. A. Synthesis and Characterization of CeO2 // Key Engineering Materials. 2016. Vol. 683. Р. 281–287. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.683.281.

23. Исследования физико-химических свойств аблированных наночастиц диоксида церия при фотокаталитическом процессе / В. А. Мамонтов, А. Ю. Рыженкова, М. А. Пугачевский, Ф. Ф. Ниязи // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 4. С. 78–94. https://doi.org/10.21869/2223-1528-2021-11-4-78-94.

24. 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. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.20.50155.18286.

25. Oxidation state and lattice expansion of CeO2–x nanoparticles as a function of particle size / L. J. Wu, H. J. Wiesmann, A. R. Moodenbaugh [et al.]// Phys. Rev. B. 2004. Vol. 69. Р. 125415-1. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.125415.

26. 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. https://doi.org/10.4028/www.sceintific.net/SSP.312.68.