Technologický potenciál využitia biologicky iniciovanej kryštalizácie nanočastíc

1. Technologický potenciál využitia biologicky iniciovanej kryštalizácie nanočastíc Marek Kolenčík1, Mária Čaplovičová2, Juraj Chlpík1 1Katedra pedológie a geológie, Fakulta agrobiológie a potravinových zdrojov, Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre 2Katedra základnej a ložiskovej geológie, Prírodovedecká fakulta, Univerzita Komenského v Bratislave

2. Úvod • Biologická indukovaná kryštalizácia anorganických častíc má využitie vo viacerých technológiách najmä vo veľkosti nm až µm rozmerov. • Je inšpirovaná biologickými štruktúrami + prirodzeným geochemickým procesom. • Klasické postupy – biologické postupy získavania nanočastíc. • Biologické nanoštruktúry, nanomateriály, nanokompozity a biotempláty majú širokú oblasť pôsobenia v priemysle + environmentálnych vedách.

3. Častica quantum dots častica pokrytá proteínom . Tento systém môže slúžiť na identifikáciu buniek, v organizme ako biologický senzor alebo detekciu tumorových buniek. Chan, 2001: Bionanotechnologyprogress and advances, Biologyofblood and marrowtransplantation 12, 87-91. Howorka, S., 2011: Rationallyengineeringnaturalproteinassemblies in nanobiotechnology, CurrentOpinion in Biotechnology 2011, 22:485–491. Bjafspibqgbngw http://www.swri.org/3pubs/brochure/d01/mne/MicroNanoEncap.pdf

4. Existujú viaceré mechanizmy biologicky vyvolanej kryštalizácie prvkov mikroorganizmami alebo rastlinami. • Mení sa distribúcia, forma vystupovania, mobilita, biodostupnosť i potenciálna toxicita. • Syntéza nanočastíc sa uskutočňuje (redukciou, transformáciou, konverziou, katalyzovanoualteráciou) Mechanizmy imobilizácie, A. sorpcia, nukleácia a precipitáciaAg častíc spôsobená redukciu, asociovaná z biomasovAureobasidiumpullulans. B. oxláty, je výsledkom vylúčenia k. oxálovej ,Trametes (Coriolus) versicolor. B2. Beauveriacaledonica.C.nukleácia a tvorbukalcitu, SEM, Gadd, G.M., 2004: Mycotransformation of organic and inorganic substrates. Mycologist, 18(2), 60-70. • prechodov iónov cez cytoplazmatikú membránu, • enzymatickou oxidáciou či redukciou, • akumuláciou na vonkajšej stene biologickej membrány, • viazaným kovov v peptidoch (fytocheláty), efluxom a precipitáciou. • Prírodné výluhy rastlín obsahujú • metalotioneíny, polypeptidy, proteíny, lipidy a terpenoidy.

5. Ciele práce • Experimentálne potvrdiť prirodzený biogeochemický proces vyskytujúci sa v prírodnom prostredí a to imobilizácuAg+iónov použitím prírodného topoľového výluhu a jeho schopnosti biologicky iniciovať kryštalizáciu anorganických častíc vo veľkostnej frakcií nanorozmerov, • pomocou TEM, SAED a EDS charakterizovať novovzniknuté fyzikálno-chemicky stabilnejšie nanočastice (morfológiu, veľkostnú distribúciu a i.).

6. Materiál a metódy – príprava extraktu • Na biologickú syntézu nanočastíc bol použitý extrakt z topoľových listov (Samsomet al. 1996). • Tie boli zozbierané z oblasti Karloveského ramena, premyté destilovanou, vysušené pri izbovej teplote a rozomleté a prevarené v jednom litri vodovodnej vody. • Pevné zvyšky topoľových listov boli odseparované filtráciou a médium bolo doplnené do jedného litra destilovanou vodou a následne upravené na pH 6.2 ± 0.1. • Samson, R. A., Hoekstra, E. S., Frisvad, J. S., Filtenborg, O. 1996: Introduction to food-bornefungi. 5th rev. ed. CetraaolbuereauvoorSchimmelcultures, Baarn, 322 p.

7. Materiál a metódy – vznik nanočastíc • Samotný experiment biologicky syntetizovaných nanočastíc sa uskutočnil v aeróbnych podmienkach, v Erlenmeyerových bankách pri izbovej teplote. • Získané médium bolo zmiešané v určitých objemových pomeroch a to 30 ml prefiltrovaného extraktu s 10 ml 1g/l AgNO3. • Roztok bol nechaný na trepačke pri rýchlosti 120 otáčok za minútu po dobu troch dní. Následne bolo odobraté určité množstvo vzorky z polydisperznej suspenzie nakvapkané na Cu-sieťku.

8. Materiál a metódy – analytické prístroje • Morfológia a veľkosť a priestorové rozšírenie nanočastícboli študované pomocou transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM) v svetlom poli (BF) na mikroskope JEOL JEM 2000FX. • Na identifikáciu kryštálovej štruktúry bola použitá metóda selekčnej elektrónovej difrakcie (SAED) spolu s verifikáciou chemického zloženia pomocou energiovo-disperzívnejmikroanalýzy(EDS).

9. Výsledky Záznam z transmisnej elektrónovej mikroskopie, kde sú identifikované biogénne vytvorené Ag2S nanočastice. Detailný záznam Ag2S nanočastice, ktorá vykazuje sférický tvar (TEM).

10. Histogram z percentuálnym vyjadrením veľkosti získaných nanočastic. Veľkosť je udávaná v nm.

12. Namerané uhly v SAED obraze medzi rovinami odpovedajú monoklinickej kryštalografickej štruktúre Ag2S. SAED obraz s nanočasticami Ag2S. Niektorým bodom v motíve sú priradené Millerove indexy na základe stanovených medzirovinnýchvzdialeností.

13. Energiovo-disperzívnespektrum z vytvorených nanočastíc. Hlavné identifikované prvky sú Ag, S. Cu a C pochádzajú z Cu-sieťky a nanesenej C-vrstvy.

14. Výsledky Častice sa navzájom stýkajú s tenko vrstvou rôzneho chemického zloženia, obsahujúceho biogénne prvky ako Ca, P, Mg, K, S (EDS).

15. Závery • Bol potvrdený významný biogeochemický proces a to imobilizácia mobilných iónov kovu do anorganických častíc pomocou organogénneho extraktu. • Syntéza bola uskutočnená interakciou prírodného listového výluhu s roztokom dusičnanu strieborného. Výsledkom bola biologicky iniciovaná mineralizáciananočastíc sulfidu strieborného, vykazujúceho špecifickú veľkosť, morfológiu a priestorové rozmiestnenie určeného v TEM + BF. • Biologicky inukovanou syntézou Ag2S bola dokázaná chemická transfromácia (z dusičnanu do sulfidu) a fázová transformácia z kvapalného skupenstva do tuhých kryštalických fáz určená pomocou SEAD a chemicky verifikovaná EDS.

16. Závery • Použitá metóda „zelenej chémie“(mikroorganizmov a prírodných výluhov) poskytuje najmä energeticky nenáročné, environmentálne prijateľné, ekonomicky dostupné možnosti pri získavaní anorganických nanočastíc oproti konvenčným metódam. • Aplikované rastlinné extrakty obsahujú viaceré zložky schopné iniciovať a usmerňovať proces kryštalizácie nanoštruktúr s špecifickými vlastnosťami, • využitie syntéz biologicky indukovaných nanomateriálov v bionanotechnológiách + majú široký potenciál uplatnenia environmentálnych technológiách.

17. Ďakujem za pozornosť