Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Тен Г. Н., Герасименко А. Ю., Кочубей В. И., Слепченков М. М., Щербакова Н. Е., Глухова О. Е. Влияние механизма взаимодействия однослойных углеродных нанотрубок разного диаметра с альбумином в твёрдых нанокомпозитах на спектры флуоресценции // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2022. Т. 22, вып. 3. С. 207-219. DOI: 10.18500/1817-3020-2022-22-3-207-219, EDN: RNSDMT

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.09.2022
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 416)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Оптика и спектроскопия. Лазерная физика
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
577.3
DOI: 
10.18500/1817-3020-2022-22-3-207-219
EDN: 
RNSDMT

Влияние механизма взаимодействия однослойных углеродных нанотрубок разного диаметра с альбумином в твёрдых нанокомпозитах на спектры флуоресценции

Авторы: 
Тен Галина Николаевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Герасименко Александр Юрьевич, Национальный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»
Кочубей Вячеслав Иванович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Слепченков Михаил Михайлович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Щербакова Наталья Евгеньевна, Российский научно-исследовательский противочумный институт «Микроб»
Глухова Ольга Евгеньевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

Объект и предмет исследования: Выполнена экспериментальная регистрация спектров флуоресценции в видимой области твёрдых нанокомпозитов на основе бычьего сывороточного альбумина и одностенных углеродных нанотрубок в зависимости от их диаметра и концентрации. Результаты исследования: Для нанокомпозитов с «толстыми» (средний диаметр 4.10 нм) нанотрубками в экспериментальных спектрах флуоресценции с увеличением их концентрации (от 0.001 до 0.01 г/л) при лазерном возбуждении длинами волн 240, 270 и 290 нм наблюдается гашение флуоресценции. В случае «тонких» (средний диаметр 1.04 нм) нанотрубок в экспериментальных спектрах нанокомпозита интенсивность флуоресценции возрастает на порядок как по сравнению со спектрами альбумина, так и нанотрубок. Методом молекулярного моделирования было показано, что поверхность «тонких» нанотрубок, образующих ковалентные связи с аспарагиновой и глутаминовой аминокислотами, находящимися на поверхности альбумина, принимает волнообразную форму. Выводы: Происходит локализация движения электронов внутри небольших областей тонких нанотрубок, приводящая к образованию «квантовых точек», что и является причиной значительного увеличения интенсивности флуоресценции твёрдых нанокомпозитов альбумин-«тонкие» нанотрубки.

Ключевые слова: 
твёрдый нанокомпозит
бычий сывороточный альбумин
одностенные «толстые» и «тонкие» углеродные нанотрубки
спектры флуоресценции
квантовые точки
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания (проект No. FSRR-2020-0004).
Список источников: 
  1. Seredych M., Mikhalovska L., Mikhalovsky S., Gogotsi Y. Adsorption of Bovine Serum Albumin on Carbon-Based Materials // J. Carbon Research. 2018. Vol. 4, № 3. P. 1–14. https://doi.org/10.3390/c4010003
  2. Ray S. C., Jana N. R. Carbon Nanomaterials for Biological and Medical Applications. Elsevier : Amsterdam, The Netherlands, 2017. 231 p.
  3. Service R. F. Nanomaterials Show Signs of Toxicity // Science. 2003. Vol. 300. P. 243. https://doi.org/10.1126/science.300.5617.243a
  4. Brumfiel G. A little knowledge // Nature. 2003. Vol. 424. P. 246. https://doi.org/10.1038/424246a
  5. Lam C. W., James J. T., McCluskey R., Hunter R. L. Pulmonary Toxicity of Single-Wall Carbon Nanotubes in Mice 7 and 90 Days After Intratracheal Instillation // Toxicol. Sci. 2004. Vol. 77. P. 126–134. https://doi.org/10.1093/toxsci/kfg243
  6. Wang H. F., Wang J., Deng X. Y., Sun H. F., Shi Z. J., Gu Z. N., Liu Y. F., Zhao Y. L. Bio distribution of carbon single-wall carbon nanotubes in mice // J. Nanosci. Nanotechnol. 2004. Vol. 4. P. 1019–1024. https://doi.org/10.1166/jnn.2004.146 
  7. Anand A. S., Prasad D. N., Singh S. B., Kohli E. Chronic exposure of zinc oxide nanoparticles causes deviant phenotype in Drosophila melanogaster // Journal of Hazardous Materials. 2017. Vol. 327. P. 180–186. https://doi.org/10.1016/J.JHAZMAT.2016.12.040
  8. Xu Y., Luo Z., Li S., Li W., Zhang X., Zuo Y. Y., Huang F., Yue T. Perturbation of the pulmonary surfactant monolayer by single-walled carbon nanotubes : A molecular dynamics study // Nanoscale. 2017. Vol. 9. P. 10193–10205. https://doi.org/10.1039/C7NR00890B
  9. Erbis S., Ok Z., Isaacs J. A., Benneyan J. C., Kamarthi S. Review of research trends and methods in nano environmental health and safety risk analysis // Risk Analysis. 2016. Vol. 36. P. 1644. https://doi.org/10.1111/RISA.12546
  10. Karajanagi S. S., Yang H., Asuri P., Sellitto E., Dordick J. S., Kane R. S. Protein-assisted solubilization of single-walled carbon nanotubes // Langmuir. 2006. Vol. 22. P. 1392–1395. https://doi.org/10.1021/la0528201
  11. Matsuura K., Saito T., Okazaki T., Ohshima S., Yumura M., Iijima S. Selectivity of water-soluble proteins in single-walled carbon nanotube dispersions // Chem. Phys. Lett. 2006. Vol. 429. P. 497–502. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2006.08.044
  12. Wang X., Xia T., Ntim S. A., Ji Z., George S., Meng H., Zhang H., Castranova V., Mitra S., Nel A. E. Quantitative techniques for assessing and controlling the dispersion and biological effects of multiwalled carbon nanotubes in mammalian tissue culture cells // ACS Nano. 2010. Vol. 4. P. 7241–7252. https://doi.org/10.1021/nn102112b
  13. Azamian B. R., Davis J. J., Coleman K. S., Bagshaw C. B., Green M. L. H. Bioelectrochemical Single-Walled Carbon Nanotubes // J. Am. Chem. Soc. 2002. Vol. 124. P. 12664–12665. https://doi.org/10.1021/ja0272989
  14. Krummel T., Hannedouche T. Clinical Potentials of Adsorptive Dialysis Membranes // Blood Purif. 2013. Vol. 35, № 2. P. 1–4. https://doi.org/10.1159/000350835
  15. Sengupta B., Gregory W. E., Zhu J., Dasetty S., Karakaya M., Brown J. M., Rao A. M., Barrows J. K., Sarupria S., Podila R. Influence of carbon nanomaterial defects on the formation of protein corona // RSC Adv. 2015. Vol. 5. P. 82395–82402. https://doi.org/10.1039/C5RA15007H
  16. Hai Y., Qu K., Liu Y., Zhao C. Binding mechanism of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) to serum albumin : Spectroscopy and molecular modelling exploration // Environ. Chem. 2018. Vol. 15. P. 278–285. https://doi.org/10.1071/en18043
  17. Sui J., Tleugabulova D., Brennan J. D. Direct and indirect monitoring of peptide-silica interactions using time-resolved fluorescence anisotropy // Langmuir. 2005. Vol. 21. P. 4996–5001. https://doi.org/10.1021/LA0473963
  18. Li S., He H., Chen Z., Zha J., Pham-Huy C. Fluorescence study on the interactions between carbon nanotubes and bovine serum albumin // Spectrosc. Spect. Anal. 2010. Vol. 30, № 10. P. 2689–2692. https://doi.org/10.1155/2013/578290
  19. Zha J., He H., Liu T., Li S., Jiao Q. Studies on the interaction of gatifloxacin with bovine serum albumin in the presence of carbon nanotubes by fluorescence spectroscopy // Spectrosc. Spect. Anal. 2011. Vol. 31, № 1. P. 149–153. https://doi.org/10.3964/j.issn.1000-0593(2011)01-0149-05
  20. Li L., Lin R., He H., Jiang L., Gao M. Interaction of carboxylated single-walled carbon nanotubes with bovine serum albumin // Spectrochimica Acta A. 2013. Vol. 105. P. 45–51. https://doi.org/10.1016/j.saa.2012.11.111
  21. Guan Y., Zhang H., Wang Y. New insight into the binding interaction of hydroxylated carbon nanotubes with bovine serum albumin // Spectrochimica Acta A. 2014. Vol. 124. P. 556–563. https://doi.org/10.1016/j.saa. 2014.01.058
  22. Jianguo Tang J., Xu Q. Organically Structured Carbon Nanotubes for Fluorescence. Texas : A&M University Carbon Nanotubes – Growth and Applications. 2011. P. 211–240. https://doi.org/10.5772/16791
  23. Lee A. J., Wang X., Carlson L. J., Smyder J. A., Loesch B., Tu X., Zheng M., Krauss T. D. Bright fluorescence from individual single-walled carbon nanotubes // Nano Lett. 2011. Vol. 11. P. 1636–1640. https://doi.org/10.1021/Nl200077T
  24. Zhao X., Liu R., Chi Z., Teng Y., Qin P. New insights into the behavior of bovine serum albumin adsorbed onto carbon nanotubes : Comprehensive spectroscopic studies // J. Phys. Chem. B. 2010. Vol. 114. P. 5625–5631. https://doi.org/10.1021/jp100903x
  25. Harrison B. S., Atala A. Carbon Nanotube Applications for Tissue Engineering // Biomaterials. 2007. Vol. 28. P. 344–353. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2006. 07.044 26.
  26. Zanello L. P., Zhao B., Hu H. Bone Cell Proliferation on Carbon Nanotubes // Nano Lett. 2006. Vol. 6, iss. 3. P. 562–567. https://doi.org/10.1021/nl051861e
  27. Андреева И. В., Баграташвили В. Н., Ичкитидзе Л. П., Подгаецкий В. М., Савранский В. В., Селищев С. В. Исследование механических свойств биосовместимых объемных нанокомпозитов изготовленных лазерным методом // Медицинская техника. 2009. № 6. С. 1–9.
  28. Агеева С. А., Елисенко В. И., Герасименко А. Ю., Ичкитидзе Л. П., Подгаецкий В. М., Селищев С. В. Исследования биологической совместимости нанокомпозитов созданных лазерным методом // Медицинская техника 2010. № 6. С. 35–39.
  29. Ичкитидзе Л. П., Селищев С. В., Герасименко А. Ю., Подгаецкий В. М. Механические свойства объемного нанокомпозитного биоматериала // Медицинская техника 2015. № 5. С. 40–43.
  30. Герасименко А. Ю., Дедкова А. А., Ичкитидзе Л. П., Подгаецкий В. М. Исследование способов получения и свойств объемных нанокомпозиционных материалов на основе водной дисперсии альбумина // Оптика и спектроскопия 2013. Т. 115, № 2. С. 326–332.
  31. Ичкитидзе Л. П., Подгаецкий В. М., Пономарева О. В., Селищев С. В. Механические свойства объемного нанокомпозита полученного при лазерном облучении // Изв. вузов. Физика. 2010. № 3/2. С. 125–129.
  32. Gerasimenko A. Y., Ryabkin D. I., Ichkitidze L. P., Ten G. N., Shcherbakova N. E., Morozova E. A. The study of the interaction mechanism between bovine serum albumin and single-walled carbon nanotubes depending on their diameter and concentration in solid nanocomposites by vibrational spectroscopy // Spectrochim. Acta A Mol. Biomol. Spectrosc. 2019. Vol. 222. Art. number 117682. https://doi.org/10.1016/j.saa.2019.117682
  33. Тен Г. Н., Герасименко А. Ю., Щербакова Н. Е., Баранов В. И. Интерпретация ИК и КР спектров альбумина // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2019. Т. 19, вып. 1. С. 43–57. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-1-43-57
  34. Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B., Scuseria G. E., Robb M. A., Cheeseman J. R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G. A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H. P., Izmaylov A. F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J. L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J. A. Jr., Peralta J. E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J. J., Brothers E., Kudin K. N., Staroverov V. N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J. C., Iyengar S. S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J. M., Klene M., Knox J. E., Cross J. B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R. E., Yazyev O., Austin A. J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J. W., Martin R. L., Morokuma K., Zakrzewski V. G., Voth G. A., Salvador P., Dannenberg J. J., Dapprich S., Daniels A. D., Farkas O., Foresman J. B., Ortiz J. V., Cioslowski J., Fox D. J. Gaussian 09. Gaussian Inc., Wallingford CT, 2009. 394 р.
  35. Рамбиди Н. Г. Структура и свойства наноразмерных образований. Реалии сегодняшней нанотехнологии : учебное пособие. Долгопрудный : Издательский Дом «Интеллект», 2011. 376 с.
  36. Das R., Rajender G., Giri P. K. Anomalous Fluorescence Enhancement and Fluorescence Quenching of Graphene Quantum Dots by Single Walled Carbon Nanotubes // Phys. Chem. Chem. Phys. 2018. Vol. 20. P. 4527–4537. https://doi.org/10.1039/C7CP06994D
  37. Нанотрубки научили светиться еще ярче. URL: https://maxpark.com/community/603/content/2144260 (дата обращения: 10.06.2021).
  38. Shin H.-J., Clair S., Kim Y., Kawai M. Substrateinduced array of quantum dots in a single-walled carbon nanotube // Nat. Nanotechnol. 2009. Vol. 4. P. 567–570. https://doi.org/10.1038/NNANO.2009.182
Поступила в редакцию: 
06.04.2022
Принята к публикации: 
23.05.2022
Опубликована: 
30.09.2022
  • 1192 просмотра