Способ получения янусовских неорганических частиц

Настоящее изобретение относится к новому способу получения асимметричных, так называемых Янусовских, неорганических частиц. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в качестве контрастирующего агента для улучшения качества изображений внутренних органов с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Согласно способу в герметичной камере отдельно друг от друга размещают частицы Au, или Fe₃O₄, или γ-Fe₂O₃, или SiO₂, или TiO₂, или Gd₂O₃, содержащие поверхностные -ОН гидроксильные группы, и модификатор, переходящий в газообразное состояние при пониженном давлении и содержащий фрагмент, предназначенный для ковалентного связывания с функциональными группами неорганических частиц. В качестве фрагмента используют соединение, выбранное из группы: , хлорметилсилан, триэтоксиэтилсилан, триацетоксиметилсилан, трихлоргексилсилан. Затем понижают давление в камере для перехода модификатора в газообразное состояние и осуществляют выдержку, обеспечивающую возможность ковалентного связывания фрагмента модификатора с -ОН гидроксильными группами неорганических частиц. После выравнивают давление в камере с атмосферным давлением. Технический результат: упрощение способа, возможность осуществления модификаций частиц в одну стадию и при этом одновременно исключить использование горючих органических растворителей и ПАВ. 7 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.,11 прим.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения неорганических частиц, имеющих асимметричную поверхность, обладающую разными физическими и химическими свойствами, так называемых Янусовских частиц, путем модификации их поверхности с одной стороны прививкой гидрофобных соединений из газовой фазы.

Изобретение наиболее эффективно может использоваться для стабилизации эмульсий разного типа, т.к. благодаря амфифильной поверхности частицы адсорбируются на межфазной границе масло-вода. Например, для улучшения качества изображений внутренних органов с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). Неорганические частицы окиси гадолиния используются для придания препарату «Перфторан» дополнительных свойств МРТ-контраста.

Уровень техники

Перфторан - это микроэмульсия гидрофобных перфторированных углеводородов (ПФУ) в воде, используемая в медицине в качестве кровезаменителя с газотранспортной функцией. В зависимости от природы поверхности неорганические частицы могут находиться в водной среде, внутри гидрофобных капель микроэмульсии ПФУ или на межфазной границе ПФУ - вода (на поверхности капель). Предполагается, что неорганические частицы, содержащие поверхностные -OH гидроксильные или -СООН карбоксильные или -NH₂ аминные функциональные группы с одной стороны, будут концентрироваться на межфазной границе, на поверхности капель микроэмульсии ПФУ, так что гидрофобная часть модифицированных частиц будет ориентирована в гидрофобные капли ПФУ, а гидрофильная (немодифицированная) поверхность - в водную среду. Янусовские наночастицы, состоящие из гидрофильной и гидрофобной частей, действуют как поверхностно-активные соединения, обеспечивая дополнительную стабилизацию водной эмульсии Перфторан.

Янусовские частицы - это частицы с разными химическими и физическими поверхностными свойствами. В частности, поверхность частицы может состоять из гидрофильной и гидрофобной частей и иметь различную полярность. Такая асимметричная поверхность придает частицам уникальные свойства, связанные с их способностью к самоорганизации (Kaewsaneha С., Tangboriboonrat P., Polpanich D., Eissa V., Elaissari A. Preparation of Janus Colloidal Particles via Pickering Emulsion: An Overview. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2013, v. 439, pp. 35-42; http://ac.els-cdn.com/S0927775713000149/1-s2.0-S0927775713000149-main.pdf?_tid=e2b91bd0-bc78-11е6-9047-00000aab0f6b&acdnat=1481113986_labfed38b0df18575ce9fdf888311e57).

Известен способ получения неорганических Янусовских частиц посредством использования маски (маскирование), предполагающий защиту (экранирование) одной стороны и модификацию другой, незащищенной стороны частицы (Фиг. 1). Способ использования маски состоит из нескольких стадий. На первой стадии частицы помещают на подложку таким образом, чтобы только часть поверхности частицы оставалась свободной. На второй стадии свободная поверхность частиц покрывается маскирующим агентом. На третьей стадии выполняется химическая модификация незащищенной маскирующим агентом поверхности. На четвертой, заключительной стадии маскирующий агент отделяется от частиц. В качестве подложек используют твердые и мягкие поверхности (полимеры, неорганические материалы), и жидкости; твердые и мягкие подложки могут иметь различную форму (плоскость, сферические частицы и пр.). Реакция модификации незащищенной поверхности частиц, как правило, происходит в жидкой фазе на границе жидкость - жидкость, жидкость - твердое тело или - газ. В качестве модификаторов поверхности могут применяться как низкомолекулярные, так и высокомолекулярные соединения (Kaewsaneha С., Tangboriboonrat P., Polpanich D., Eissa V., Elaissari A. Preparation of Janus Colloidal Particles via Pickering Emulsion: An Overview. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2013, v. 439, pp. 35-42; http://ac.els-cdn.com/S0927775713000149/1-s2.0-S0927775713000149-main.pdf?_tid=e2b91bd0-bc78-11e6-9047-00000aab0f6b&acdnat=1481113986_labfed38b0df18575ce9fdf888311e57).

Известны способы получения Янусовских частиц на твердых подложках, в частности, получения амфифильных стеклянных микросфер с размером 40 и 50 мкм на твердом плоском субстрате с использованием в качестве маски целлюлозной пленки, а в качестве модификатора - октадецилтрихлорсилана (Casagrande С., Fabre P., , Veyssie М. «Janus Beads»: Realization and Behavior at Water/Oil Interfaces. Europhys. Lett. 1989, v. 9, pp. 251-256; http://iopscience.iop.org/article/10.1209/0295-5075/9/3/011/pdf). Для синтеза гидрофобных асимметричных микрочастиц двуокиси кремния SiO₂ в качестве маски использовали золото Au (Love J.С, Gates B.D., Wolfe D.B., Paul K.E., Whitesides G.M. Fabrication and Wetting Properties of Metallic Half-Shells with Submicron Diameters. Nano Lett. 2002, v. 2, pp. 891-894; http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/n10256331).

Известен способ получения Янусовских частиц на мягком плоском субстрате, в котором частицы под действием внешних сил (давление, температура и пр.) «вдавливаются» на требуемую глубину в мягкую подложку, а модификации подвергается свободная поверхность частиц. Технику использования маски на плоском мягком субстрате применяли для получения Янусовских частиц SiO₂ на волокнах из сополимера метилметакрилата с 4-винилпиридином при нагревании. Глубина проникновения частиц в полимерную матрицу становится максимальной при нагревании до температуры стеклования полимера. Незащищенная поверхность частиц подвергается реакции силанизации и последующей адсорбции коллоидных частиц Au. [Но С.С, Chen W.S., Shie T.Y., Lin J.N., Кио С. Novel Fabrication of Janus Particles from the Surfaces of Electrospun Polymer Fibers. Langmuir, 2008, v. 24, pp. 5663-5666; http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la800282j].

Недостатком вышеуказанного способа маскирования на мягких подложках различной формы является многостадийность процесса и сложность масштабирования синтеза асимметричных частиц с теми характеристиками, которые были получены в лабораторных условиях, в промышленных масштабах. Многостадийность процесса также значительно удорожает производство и требует утилизации или переработки различных химикатов (растворителей, маскирующих агентов, полимерных субстратов и пр.).

В случае использования в качестве подложек частиц дисперсной фазы добавляется еще один недостаток: необходимость обеспечить стабильность частиц в дисперсионной среде. Частицы дисперсной фазы в дисперсионной среде не обладают агрегативной (способность частиц противостоять слипанию) и кинетической (способность частиц противостоять силам земного притяжения) устойчивостью. Со временем потеря агрегативной устойчивости приводит к коагуляции частиц и потере кинетической устойчивости - к выпадению осадка или к седиментации. Для увеличения агрегативной устойчивости в дисперсную систему вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ), которые, как известно, могут представлять опасность для окружающей среды.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения асимметричных Янусовских частиц SiO₂ с размером 0.5-300 мкм, в котором микрочастицы SiO₂ (1.5 г) диспергируют в парафин (9 г) и перемешивают при нагревании (Т=75°C), затем в полученную суспензию добавляют катионактивное ПАВ - бромид дидодециламмония (22.5 мл 0.01-0.1 мг/мл водного раствора) и снова перемешивают (15 мин, 1500 об/мин). Потом полученную эмульсию парафиновых капель в воде охлаждают до комнатной температуры, промывают раствором хлорида натрия (0.1 М водный раствор) и дистиллированной водой, чтобы удалить частицы двуокиси кремния, оставшиеся в водной среде. Полученные коллоидосомы сушат в течение 2 дней в вакууме (1 мм рт.ст). Высушенные коллоидосомы модифицируют в токе сухого инертного газа (аргон или азот) на специальной установке (Фиг. 2). Сухой инертный газ пропускают через силан (5 мкл) (позиция (1) на Фиг. 2) со скоростью 2 пузырька в секунду в течение 30 мин. Это приводит к тому, что пары силана попадают в воронку, в которой на стеклокерамической подложке находятся коллоидосомы (позиция (2) на Фиг. 2). Для обеспечения равномерного покрытия наночастиц функциональными группами, поверхность, на которой находятся частицы, поворачивают через каждые 5-10 мин. Модифицированные частицы SiO₂ отделяют от парафиновых капель растворением в хлороформе при комнатной температуре, промывкой этанолом (300 мл) и центрифугированием с повторным диспергированием не менее 10 раз (Jiang S., Schultz M.J., Chen Q., Moore J.S., Granick S. Solvent-Free Synthesis of Janus Colloidal Particles. Langmuir 2008, v. 24, pp.10073-10077; http://publish.illinois.edu/chenlab-matse/files/2016/07/Jiang-2008-Solvent-Free-Synthesis-of-Janus-Col.pdf).

Недостатком способа, выбранного за прототип, является сложность и многостадийность, поскольку он включает дополнительные стадии приготовления и сушки эмульсии парафина в воде для формирования коллоидсомов, обеспечивающих доступ модификатора только к половине поверхности частиц. Другим недостатком является использование ПАВ для приготовления стабильной эмульсии парафина в воде, которые нужно утилизировать или очищать для повторного использования, что тоже делает процесс получения асимметричных неорганических частиц экономически невыгодным. Еще одним недостатком такого способа является то, что модификации подвергаются только те микрочастицы SiO₂, которые находятся на поверхности парафиновых капель. Частицы, находящиеся внутри парафина, остаются немодифицированными.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в устранении перечисленных выше недостатков известных способов получения Янусовских (асимметричных) частиц, таких как многостадийность и трудоемкость процесса получения, использование ПАВ, больших объемов горючих растворителей.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение способа получения неорганических Янусовских частиц. Способ позволяет осуществить модификацию частиц в одну стадию и при этом одновременно исключить использование горючих органических растворителей и ПАВ (поверхностно-активных веществ).

Технический результат достигается за счет осуществления способа получения Янусовских неорганических частиц, включающего размещение в герметичной камере неорганических наночастиц, содержащих поверхностные -OH гидроксильные или -СООН карбоксильные или -NH₂ аминные функциональные группы, и модификатора, переходящий в газообразное состояние при пониженном давлении и содержащего фрагмент, предназначенный для ковалентного связывания с функциональными группами неорганических частиц, после чего осуществляют понижение давления в камере для перехода модификатора в газообразное состояние и выдержку, необходимую для ковалентного связывания фрагмента модификатора с -OH гидроксильными или -COOH карбоксильными или -NH₂ аминными группами неорганических частиц, затем выравнивают давление в камере с атмосферным давлением и выгружают полученные частицы.

В качестве модификатора поверхности наночастиц используют химические соединения, находящиеся в газообразном состоянии при пониженном давлении и содержащие в своем составе фрагмент, необходимый для ковалентного связывания с поверхностными функциональными группами неорганических частиц. Ковалентная связь в отличие от других типов связи (ионная связь, водородные связи, диполь-дипольное взаимодействие и пр.) не разрушается при изменении растворителя, pH среды, температуры и пр., т.е. является самой прочной.

Неорганические частицы, содержащие поверхностные -OH гидроксильные или -COOH карбоксильные или -NH₂ аминные группы, обладают сферической формой, слой таких частиц представляет собой пористую среду, благоприятную для проникновения газообразного модификатора ко всем частицам слоя. Таким образом, при осуществлении заявленного способа обеспечивается возможность модификации всех частиц за счет осуществления диффузии паров модификатора. Выбор частиц именно сферической формы связан с геометрией их упаковки, которая позволяет создавать равномерную пористую среду. Можно использовать частицы с формой близкой к сферической, например, эллипсоидальной. Жестких геометрических критериев здесь нет, главный критерий - равномерная пористая среда. Но мы не включаем в текст стержнеобразные частицы и частицы в форме плоских пластин, т.к. при выборе таких частиц будет образовываться неоднородная пористая среда, что может приводить к неравномерной модификации поверхности частиц или затруднять модификацию отдельных частиц, т.е. мы, вероятно, не сможем получать Янусовские частицы, а будем получать смесь частиц, модифицированных в разной степени и немодифицированных.

За счет выдержки при пониженном давлении неогранических частиц, содержащих поверхностные -OH гидроксильные или -СООН карбоксильные или -NH₂ аминные функциональные группы, и газообразного модификатора, содержащего фрагмент, обеспечивается образование ковалентной связи фрагмента с функциональными группами неорганических частиц с получением Янусовских частиц. При этом реакция между неорганическими частицами и модификатором с получением Янусовских неорганических частиц начинается непосредственно сразу же после перехода модификатора в газообразное состояние и заканчивается по мере модифицирования одной стороны всех частиц в слое. При продолжении осуществления выдержки Янусовских частиц в камере вместе с модификатором дальнейшее их модифицирование не осуществляется, т.е. частицы продолжают сохранять разные химические и физические поверхностные свойства (гидрофильную и гидрофобную части). Возможность модификации всех помещенных в камеру частиц обеспечивается избыточным количеством модификатора по отношению к суммарной площади поверхности всех частиц.

В частном случае осуществления способа в качестве неорганических частиц используют Au или Fe₃O₄ или γ-Fe₂O₃ или CoOFe₂O₄ или Fe или SiO₂ или TiO₂ или Gd₂O₃.

В качестве модификатора используют химические соединения, содержащие серосодержащие группы или силаны.

Неорганические частицы и модификатор должны быть размещены отдельно друг от друга. Это необходимо, для того чтобы функциональные группы неорганических частиц вступали в реакцию с модификатором только тогда, когда он находится в газообразном состоянии. Если допустить контакт неорганических частиц с жидким модификатором, например, поместить частицы и модификатор в одну емкость, то поверхность частиц, окруженных модификатором со всех сторон, будет, скорее всего, равномерно покрыта гидрофобными группами. Поэтому в камере частицы размещают либо в отдельных друг от друга емкостях, либо частицы размещают в емкости, а модификатор размещают в камере, либо наоборот.

Для осуществления заявленного способа возможно использовать как частицы наноразмеров, так и субмикронные и микронные частицы, а также частицы более крупных размеров.

В частном случае неорганические частицы размещают в герметичной камере равномерным слоем для сокращения времени выдержки.

Толщина слоя неорганических частиц предпочтительно может составлять не более 1 мм, что позволит сократить время выдержки в камере при пониженном давлении.

Выдержку осуществляют в течение времени, необходимого для установки низкого давления в камере и для осуществления модификации неорганических частиц. Время выдержки частиц в атмосфере газообразного модификатора в герметичной камере зависит от выбора химического состава частиц, их формы, размера и природы функциональных поверхностных групп, выбора конкретного вида модификатора, их количества, давления в камере, температуры. Предпочтительно время выдержки в камере составляет от 2 до 24 ч.

В случае, если толщина слоя неорганических частиц будет составлять, например, более 1 мм, то необходимо увеличивать время выдержки в герметичной камере для осуществления модифицирования всех неорганических частиц или дополнительно возможно осуществлять вибрацию камеры при осуществлении выдержки для перемешивания и равномерного модифицирования неорганических частиц.

Предпочтительно осуществлять понижение давления до достижения значений от 0,1 до 1,5 мбар. В частном случае осуществления способа понижение давления осуществляют до 1.0 мбар, но возможно понижение давления и до 0.1 мбар, в зависимости от необходимых параметров для осуществления перехода модификатора в газообразное состояние.

В частном случае осуществления способа выдержку модификатора и неорганических частиц осуществляют при температуре не ниже температуры окружающей среды. Например, выдержку модификатора и неорганических частиц осуществляют при температуре не менее 23°С.

После получения Янусовских частиц дополнительно осуществляют отжиг частиц для удаления с их поверхности побочных продуктов реакции модификации, например, HCl, которая выделяется при взаимодействии гидроксильных поверхностных групп наночастиц окиси гадолиния с хлорпроизводными моносилана, а также для более полной конверсии адсорбированного на поверхности частиц, но не прореагировавшего модификатора. Например, сушку осуществляют при выдержке частиц в сушильном шкафу при температуре 120-150°С в течение не менее 1 ч, либо другими способами, например, выдерживанием в вакууме при комнатной температуре.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 изображена известная схема получения Янусовских частиц методом использования маски.

На фиг. 2 изображена схема установки для получения Янусовских (асимметричных) частиц, известная из наиболее близкого аналога, где позицией 1 обозначена емкость с силаном (5 мкл), 2 - воронка с коллоидосомами на стеклокерамической подложке.

На фиг. 3 изображена схема синтеза наночастиц Gd₂O₃, полученных для использования в частном случае осуществления заявленного способа.

На фиг. 4 изображена схема осуществления заявленного способа получения Янусовских (асимметричных) неорганических частиц.

На фиг. 5 показано ПЭМ-изображение эмульсии Перфторана, содержащей асимметричные (Янусовские) частицы Gd₂O₃, размер которых составляет 2-5 нм.

На фиг. 6 показано ПЭМ-изображение эмульсии Перфторана, содержащей Янусовские (асимметричные) частицы SiO₂, размер которых составляет 12-18 нм.

Осуществление изобретения

В частном случае осуществления заявленного способа в качестве неорганических частиц с поверхностными группами используют наночастицы Gd₂O₃, которые получают при взаимодействии ацетата гадолиния(III) («Сигма Алдрич», 99.9%, далее - АГ) и гидроксида тетраметиламмония («Сигма Алдрич», >97%, далее - ГТМА). Синтез выполняют при комнатной температуре путем добавления по каплям раствора ГТМА в этаноле (позиция (3) на фиг. 3) к раствору АГ в диметилсульфоксиде (ДМСО) (позиция (4 на фиг. 3) при перемешивании.

Поверхность полученных таким образом частиц окиси гадолиния (методика приведена в Примере 1) покрыта группами СН₃СОО-, препятствующими дальнейшей модификации частиц и получению Янусовских частиц. Попытки модифицировать эти частицы не дали результата: концентрация функциональных групп молекул модификатора на поверхности частиц, подвергшихся модификации сразу после получения (образцы 2, 4, 8 и 9 в Таблице 1) близка к нулю. Для того чтобы выполнить модификацию частиц были проведены замены ацетатных группы на -ОН гидроксильные обработкой частиц гидроксидом натрия по методике, описанной в «Примере 2» (образцы 10.1 и 11 в Табл. 1).

Способ получения Янусовских неорганических частиц осуществляют следующим образом. На дно герметичной камеры (5) (например, эксикатора) в отдельной емкости (6) (чашка Петри с диаметром 3.6 см и высотой стенок 0.5 см) помещают модификатор перфторуглерод (фиг. 4). Наночастицы Gd₂O₃ равномерным слоем выкладывают на поверхность чашки Петри (7) (диаметр чашки Петри 4-6 см) и также помещают в герметичную камеру (5) (в эксикатор). Герметично закрывают крышку (8) камеры (5), при этом температура внутри камеры (5) комнатная. Постепенно давление снижают до величины, при которой модификатор при комнатной температуре переходит в газообразное состояние, после чего происходит модификация поверхности наночастиц в газовой фазе. Затем осуществляют выдержку частиц с газообразным модификатором в камере в течение времени, необходимого для осуществления модифицирования всех частиц, после чего стравливают вакуум, и выравнивают давление в камере до атмосферного) и вынимают полученные Янусовские частицы. После получения Янусовских частиц дополнительно осуществляют их отжиг для удаления с их поверхности побочных продуктов реакции модификации, например, HCl, которая выделяется при взаимодействии гидроксильных поверхностных групп наночастиц окиси гадолиния с хлорпроизводными моносилана, а также для более полной конверсии адсорбированного на поверхности частиц, но не прореагировавшего модификатора.

Использовали стеклянную камеру (эксикатор) с диаметром 8 см и высотой 25 см. Реакцию модификации проводили в течение 2-24 ч, степень модификации (выход реакции) оценивали гравиметрически и по результатам элементного анализа.

Было изучено влияние на концентрацию привитых функциональных групп следующих параметров: время, давление и температура реакции, температура кипения модификатора. Условия получения, модификации и свойств наночастиц показаны в Примерах 1-9 и в Таблицах 1-3. Концентрация привитых поверхностных групп зависит от продолжительности реакции модификации, давления и температуры. Из Таблицы 1 видно, что уменьшение времени реакции модификации наночастиц окиси гадолиния с поверхностными гидроксильными группами при одинаковых условиях (образцы 20, 16, 17 и 19 в Таблице 1) приводит к снижению концентрации привитых поверхностных групп от 0.11 до 0 ммоль/г. Увеличение температуры реакции модификации от 20 до 25-35°С повышает концентрацию привитых поверхностных групп от 0.08 (образец 14 в Таблице 1) до 0.098 ммоль/г (образец 20 в Таблице 1) или от 0.075 (образец 16 в Таблице 1) до 0.12 ммоль/г (образец 15 в Таблице 1). Снижение давления также сопровождается увеличением концентрации привитых поверхностных групп от 0.042 (образец 17 в Таблице 1) до 0.07 ммоль/г (образец 18 в Таблице 1). При давлении 2.0 мбар реакция модификации не идет (образец 21 в Таблице 1). Такая же ситуация наблюдается при модификации наночастиц двуокиси кремния и магнетита. Из данных Таблицы 2 видно, что увеличение продолжительности реакции приводит к увеличению концентрации поверхностных групп. При одинаковых условиях реакции увеличение ее продолжительности от 5 до 24 приводит к увеличению концентрации привитых групп от 0.1 до 0.9 ммоль/г (образцы 13_1, 13_2, 13_3, 13_4 в Таблице 2); от 5 до 10 ч - от 0.3 до 0.86 ммоль/г (образцы 22_1 и 22_2 в Таблице 2). Уменьшение давления от 0.09 до 0.3 мбар увеличивает концентрацию привитых групп от 0.1 до 0.3 ммоль/г (образцы 13_4 и 22-2 в Таблице 2) и от 0.3 до 0.86 (образцы 13_3 и 22_1 в Таблице 2). Более продолжительная реакция модификация магнитных частиц от 5 до 24 ч также сопровождается увеличением концентрации привитых групп от 0.10 до 0.30 ммоль/г (образцы 23_1 и 23_2 в Таблице 3).

На концентрацию привитых поверхностных групп влияет также температура кипения модификатора. Например, высококипящий триэтоксиэтилсилан (Ткип = 158-160°С) даже при нагревании до 40°С в течение 24 ч с трудом реагирует с -ОН гидроксильными группами на поверхности частиц двуокиси кремния, обеспечивая 0.3 ммоль/г привитых групп (образец 24 в Таблице 2). Хлортриметилсилан, имеющий Т_кип = 57°С, легче остальных модификаторов и в наиболее мягких условиях (25°С, 5 ч, 1.0 мбар) реагирует с ОН группами наночастиц (образец 25 в Таблице 2).

Сравнительный анализ результатов исследования условий проведения реакции модификации, приведенных в таблицах 1, 2 и 3, показал, что для модификации наночастиц с одной стороны и получения Янусовских частиц, предпочтительно модификацию наночастиц выполнять при следующих условиях: время выдержки от 5 до 30.4 ч, давление в камере от 0.3 до 1 мбар.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Результаты экспериментов, описанных в нижеприведенных примерах 1-10, отображены в таблицах:

таблица 1 - Условия синтеза и модификации наночастиц Gd₂O₃;

таблица 2 - Условия модификации наночастиц SiO₂;

таблица 3 - Условия модификации наночастиц Fe₃O₄.

Пример 1

Получение наночастиц Gd₂O₃ (образцы 1, 3, 7 и 10 в Таблице 1)

Наночастицы Gd₂O₃ получали взаимодействием ацетата гадолиния(III) («Сигма Алдрич», 99.9%, АГ) и гидроксида тетраметиламмония («Сигма Алдрич», >97%, ГТМА).

Синтез был выполнен при комнатной температуре путем добавления по каплям 10 мл 0.55 М раствора (ГТМА) в этаноле к 30 мл 0.067 М раствора АГ в диметилсульфоксиде (ДМСО) при постоянном перемешивании. После добавления ГТМА перемешивание при комнатной температуре продолжают еще в течение 1 ч.

Пример 2

Получение наночастиц Gd₂O₃, покрытых гидроксильными группами (образец 11 в Таблице 1)

Для получения наночастиц Gd₂O₃, покрытых гидроксильными группами, 3.35 г порошка наночастиц Gd₂O₃, полученных взаимодействием ацетата гадолиния(III) и гидроксида тетраметиламмония (опыты 1, 3, 7 и 10 в Таблице 1), перемешивали в 4 вес. %-ом водном растворе гидроксида натрия при комнатной температуре в течение 2.5 ч.

Выделяли модифицированные наночастицы из водного раствора центрифугированием (Hettich Rotina R38, Германия) при скорости вращения ротора 11000 об/мин в течение 20 мин. Полученный осадок промывали 2 раза бидистиллированной водой и выделяли центрифугированием при 11000 об/мин в течение 20 мин.

Пример 3

В частном случае в качестве модификатора при осуществлении заявленного способа использовали 4-дитрифторметил-5-6-7-гептадекафторгептилметилдихлорсилан (Перфторалкилсилан 1) или хлортриметилсилан или триэтоксиэтилсилан или триацетоксиметилсилан или трихлоргексилсилан. В качестве неорганических частиц использовали Au. В качестве фрагмента модификатора использовали серосодержащие группы (тиольные или сульфидные или дисульфидные (например, 4-аминотиофенол)).

В случае использования в качестве неорганических частиц магнетита или γ-Fe₂O₃, наноглин или SiO₂ или TiO₂ или Gd₂O₃ или в качестве модификатора использовали силаны и хлорпроизводные моносилана с общей формулой Si₃RCl (хлортриметилсилан с Т_кип = 57°С или триэтоксиэтилсилан с Т_кип = 158-160°С или триацетоксиметилсилан с Т_кип = 94-95°С (9 мм рт.ст.); трихлоргексилсилан с Т_кип = 191-192°С; 4-дитрифторметил-5-6-7-гептафторгептилметилдихлорсилан (Перфторалкилсилан 1) с Т_кип с 85-87°С (10 мм.рт.ст)). Выбор частиц обусловлен наличием у них на поверхности гидроксильных групп, которые вступают в химические реакции с этими модификаторами с образованием прочных ковалентных связей.

Пример 4

Модификация одной поверхности наночастиц Gd₂O₃ в газовой фазе (образец 12 в Таблице 1)

Реакцию модификации наночастиц Gd₂O₃ выполняли в газовой фазе. Схема синтеза показана на фиг. 4. Для этого в эксикатор помещали 0.2044 г 2-3 нм наночастиц Gd₂O₃ с гидроксильными группами на поверхности (образец 11 в Таблице 1) в чашке Петри и Перфторалкилсилан 1 - в другой чашке Петри, затем снижали давление в эксикаторе до 1.00 мбар. Реакцию проводили при 23°С в течение 30.4 ч.

После реакции частицы помещали в сушильный шкаф и выдерживали при температуре 120°С в течение 1 ч. Количество привитых на поверхность функциональных групп определяли гравиметрически, взвешивая наночастицы до и после проведения реакции модификации, и элементным анализом с помощью универсального элементного анализатора Vario EL cube (Таблица 1).

Пример 5

Модификация одной поверхности наночастиц SiO₂ в газовой фазе (образец 13_1 в Таблице 2)

Реакцию модификации наночастиц окиси кремния выполняли в газовой фазе. Схема синтеза показана на фиг. 4. Для этого в эксикатор помещали 0.2-0.6 г 10-15 нм наночастиц окиси кремния компании Ниссан Кемикл Инд. (Япония), содержащих ОН-группы на поверхности, в чашке Петри и перфторалкилсилан 1 - в другой чашке Петри, затем снижали давление в эксикаторе до остаточного значения 0.3-1.0 мбар. Реакцию проводили при 25°С в течение 24 ч. После реакции частицы помещали в сушильный шкаф и выдерживали при температуре 120°С в течение 1 ч. Количество привитых на поверхность функциональных групп определяли гравиметрически, взвешивая наночастицы до и после проведения реакции модификации, и элементным анализом с помощью универсального элементного анализатора Vario EL cube.

Пример 6

Модификация одной поверхности наночастиц SiO₂ в газовой фазе (образец 24 в Таблице 2)

Реакцию модификации наночастиц окиси кремния выполняли в газовой фазе. Схема синтеза показана на фиг. 4. Для этого в эксикатор помещали 0.2-0.6 г 10-15 нм наночастиц окиси кремния компании Ниссан Кемикл Инд. (Япония), содержащих ОН-группы на поверхности, в чашке Петри и 0.3 г триэтоксиэтилсилана - в другой чашке Петри, затем снижали давление в эксикаторе до остаточного значения 0.3 мбар. Реакцию проводили при 40°С в течение 24 ч. После реакции частицы помещали в сушильный шкаф и выдерживали при температуре 120°С в течение 1 ч. Количество привитых на поверхность функциональных групп определяли гравиметрически, взвешивая наночастицы до и после проведения реакции модификации, и элементным анализом с помощью универсального элементного анализатора Vario EL cube.

Пример 7

Модификация одной поверхности наночастиц SiO₂ в газовой фазе (образец 25 в Таблице 2, фиг. 6)

Реакцию модификации наночастиц окиси кремния выполняли в газовой фазе. Схема синтеза показана на фиг. 4. Для этого в эксикатор помещали 0.2-0.6 г 10-15 нм наночастиц окиси кремния компании Ниссан Кемикл Инд. (Япония), содержащих ОН-группы на поверхности, в чашке Петри и 0.3 г хлортриметилсилана - в другой чашке Петри, затем снижали давление в эксикаторе до остаточного значения 1.0 мбар. Реакцию проводили при 25°С в течение 5 ч. После реакции частицы помещали в сушильный шкаф и выдерживали при температуре 120°С в течение 1 ч. Количество привитых на поверхность функциональных групп определяли гравиметрически, взвешивая наночастицы до и после проведения реакции модификации, и элементным анализом с помощью универсального элементного анализатора Vario EL cube.

Пример 8

Получение 9-10 нм наночастиц Fe₃O₄ методом осаждения из раствора

К 500 мл предварительно продутого газом аргоном раствора 1М NaOH при скорости перемешивания 400-600 об/мин, добавляли 50 мл предварительно продутого газом аргоном раствора солей железа, содержащего 1М FeSO₄⋅7H₂O и 2М FeCl₃⋅6Н₂О в 0.4М HCl. Реакция происходила в безвоздушной среде в среде газа аргона. Затем давали время для осаждения образовавшимся частицам магнетита, а маточный раствор удаляли декантацией. После этого суспензию промывали бидистилированной водой 3 раза, а затем проводили сушку смеси. Пример 9

Модификация одной поверхности наночастиц Fe₃O₄ в газовой фазе (образец 23_1 в Таблице 3)

Реакцию модификации наночастиц Fe₃O₄ выполняли в газовой фазе. Схема синтеза показана на фиг. 4. Для этого в эксикатор помещали 0.2-0.6 г 9-10 нм наночастиц магнетита в чашке Петри и перфторалкилсилан 1 - в другой чашке Петри, затем снижали давление в эксикаторе до остаточного значения 0.3-1.0 мбар. Реакцию проводили при 25°С в течение 24 ч. После реакции частицы помещали в сушильный шкаф и выдерживали при температуре 120°С в течение 1 ч. Количество привитых на поверхность функциональных групп определяли гравиметрически, взвешивая наночастицы до и после проведения реакции модификации, и элементным анализом с помощью универсального элементного анализатора Vario EL cube.

Пример 10

Исследование влияния асимметричных 2-5 нм частиц окиси гадолиния (образец №4 в табл.) на стабильность водных эмульсий Перфторана Стабильность во времени водных эмульсий исследовали при помощи динамического светорассеяния. Определяли распределение по размерам капель эмульсии с введенными в них частицами и сравнивали с аналогичеными данными для немодифицированной эмульсии Перфторана. Эмульсии хранили в холодильнике при +5°С. Измерения размеров капель эмульсий проводили раз в неделю в течение 5 недель. Распределение по размерам капель эмульсии с введенными в них частицами не отличалось от немодифицированных эмульсий в пределах 10 процентов погрешности метода измерения в течение всего периода исследования стабильности (фиг. 5).

Пример 11

Исследование строения эмульсии Перфторан, стабилизированной асимметричными 2-5 нм частиц окиси гадолиния (образец №4 в Таблице 1), методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)

Структуру эмульсии Перфторана, стабилизированной асимметричными 2-5 нм частицами окиси гадолиния (образец №4 в Таблице 1), определяли методом ПЭМ с помощью микроскопа LEO912 АВ OMEGA. Образцы эмульсии Перфторан в воде, содержащей асимметричные 2-5 нм частицы окиси гадолиния (образец №4 в Таблице 1), готовили нанесением разбавленной (0.1 мас.%) эмульсии на медную сетку (200 меш) с углеродным покрытием и последующим испарением растворителя на воздухе.

По приведенным примерам можно сделать вывод, что при осуществлении заявленного способа во всех частных случаях его реализации достигается получение Янусовских частиц.

Продолжение табл. 1

1. Способ получения Янусовских неорганических частиц, характеризующийся тем, что в герметичной камере отдельно друг от друга размещают частицы Au, или Fe₃O₄, или γ-Fe₂O₃, или SiO₂, или TiO₂, или Gd₂O₃, содержащие поверхностные -ОН гидроксильные группы, и модификатор, переходящий в газообразное состояние при пониженном давлении и содержащий фрагмент, предназначенный для ковалентного связывания с функциональными группами неорганических частиц, в качестве которого

используют соединение, выбранное из группы: , хлорметилсилан, триэтоксиэтилсилан, триацетоксиметилсилан, трихлоргексилсилан, затем понижают давление в камере для перехода модификатора в газообразное состояние и осуществляют выдержку, обеспечивающую возможность ковалентного связывания фрагмента модификатора с -ОН гидроксильными группами неорганических частиц, после чего выравнивают давление в камере с атмосферным давлением.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что неорганические частицы размещают в герметичной камере равномерным слоем.

3. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что толщина слоя неорганических частиц составляет не более 1 мм.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что понижение давления осуществляют до достижения значений от 0,1 до 1,0 мбар.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что выдержку модификатора и неорганических частиц осуществляют при температуре не ниже температуры окружающей среды.

6. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что время выдержки в камере составляет от 2 до 30,4 ч.

7. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что дополнительно осуществляют сушку полученных Янусовских частиц.

8. Способ по п. 7, характеризующийся тем, что сушку осуществляют посредством выдержки частиц в сушильном шкафу при температуре 120-150°С в течение не менее 1 ч.