コロイド状ナノセリア（CeO2 − x）での酸素拡散によって引き起こされるセリウム酸化状態の振動

背景

今日、さまざまな構造と化学組成を持つナノ結晶は、現代のさまざまな用途で広く使用されています[1,2,3,4,5,6,7,8,9]。重要なエンジニアリングの利用[3、4]に加えて、CeO ₂ ナノクリスタル（ナノセリア）は、活性酸素種（ROS）の再生スカベンジャーとして機能する能力があるため、有望な生物医学的発展を生み出しました[5,6,7,8,9]。ナノセリアを非常にユニークで有用なものにする主な前提条件は、一般に、酸素空孔の含有量が高いことに起因します（V _O ）およびCe ³⁺ その表面のイオン[10,11,12,13,14]。ナノセリア格子では、V _O およびCe ³⁺ イオンは相互に関連する欠陥です[10、11、12、13、14]。 2つのCe ³⁺ イオンは1つのV _O を占めます [13]。欠陥（Ce ³⁺ 、V _O ）ナノセリアの濃度は、粒子サイズ、特殊なドーピング、および温度処理によって制御できます[11、14、15]。一般に、表面酸素はV _O を通る酸化還元サイクルを助けることができます 作成と治癒または表面V _O 触媒活性種の結合部位として機能することができます[3、4、14]。表面Ce ³⁺ ナノセリアのイオンは、一般に、3 +と4+の酸化状態の切り替えによりROSスカベンジングを提供すると考えられています[5、6、7、8、9]。 ROS、すなわちスーパーオキシドイオン\（{\ mathrm {O}} _ 2 ^ {-} \）、ヒドロキシルラジカルOH˙、および過酸化水素H ₂ O ₂ 低濃度では、細胞機能の調節に非常に重要です[5、6、7、8、9]。 ROSとの相互作用後に回復不能に消失する通常の抗酸化剤[5,6,7]とは異なり、15 nm未満の粒子サイズのナノセリアは自己再生抗酸化剤として機能します[5,6,7,8,9]。ナノセリアの生物学的活性のそのサイズへの重大な依存性、および生物学的環境におけるナノセリアの自己再生メカニズムは、まだ十分に理解されておらず[5、6、7]、議論が続けられています[8、9]。 invitroおよびinvivo実験[5,6,7,8,9]では、ナノセリアは高い欠陥濃度と水分活性で動作し、その酸化還元性能は細胞の抗酸化システムによって強力にマスクされる可能性があることを強調しておく必要があります。

したがって、ナノセリアレドックス性能のメカニズムを理解するために、より単純で制御された条件を使用しました。ナノセリア酸化ダイナミクスは、酸素欠乏の変化を伴うナノセリア標本のコロイド水溶液で研究されました。 V _O として （Ce ³⁺ ）濃度は粒子サイズによって異なります[10、11、12]、3.0、10.0、および50.0nmのナノセリア標本が使用されました。データ[12]によると、V _O 3.0 nmナノセリアの濃度は最大20％に達する可能性があります。 V _O 3.0 nmナノセリアと比較して、10.0 nmナノセリアの濃度は2倍低かった（追加ファイル1を参照）。 50.0 nmナノセリアの場合、Y ³⁺ をドープします。 （またはEu ³⁺ ）イオンと真空アニーリングを使用してV _O を生成しました ナノセリア格子における酸素拡散のさまざまな条件を作成します[14、15]。すべての50.0nmサンプルで、V _O 濃度は10.0nmナノセリアと同等にした。 Re ³⁺ で 50.0 nmナノセリアのドーピング、Y ³⁺ の濃度 およびEu ³⁺ イオンは10at。％のレベルでした（追加ファイル1を参照）。これらの濃度は、セリア格子におけるこれらのイオンの対応する溶解限度の値よりも十分に低く、Y ³⁺ の場合は〜25 at。％[16]、さらには〜45 at。％[17]でした。 イオンおよびEu ³⁺ の場合は〜30 at。％[18] イオン;したがって、Y ₂ の形成 O ₃ またはEu ₂ O ₃ フェーズは除外できます。すべてのコロイド溶液には同量の物質（1.0 g / l）が含まれており、初期pHは約7でした。ナノセリア酸化の場合、過酸化水素（HP）と過ヨウ素酸カリウムKIO ₄ （PP）を使用しました。 PPにより、HPの化学的多様性を排除することができました。得られた標本のナノセリア合成と特性評価の詳細、および実験の説明は、追加ファイル1に示されています。

結果と考察

予備実験[19]に基づいて、Ce ³⁺ Ce ³⁺ の双極子許容5d→4f光学遷移による発光（図1a） イオン[20]を使用して、テストしたすべてのナノセリア試料の酸化ダイナミクスを監視しました。 Ce ³⁺ の増加 粒子サイズの減少、つまり表面対バルク比の増加に伴うバンドの非対称性（図1aの挿入図を参照）は、明らかにその不均一性を示しています。この帯域の長波部分は、Ce ³⁺ に起因する可能性があります。 ナノセリア表面下層からの発光、およびCe ³⁺ の残りの部分 バンドは根深いCe ³⁺ から来ています イオン。地下Ce ³⁺ イオンは、ナノセリア表面に向かう方向の格子定数の増加の結果として、これらのイオンに作用する結晶場が弱くなるため、赤方偏移した発光スペクトルを持ちます（図1aの挿入図を参照）[12]。 3.0 nmのナノセリアとは異なり、50.0 nmのナノセリアの場合、結果として得られる発光スペクトルへのこれらのイオンの影響はごくわずかです（図1aの挿入図を参照）。この帰属は、Ce ³⁺ の長波部分のより強力なForsterクエンチング[21]によって確認されました。 バンド（追加ファイル1および図1bを参照）。消光剤濃度の増加は、より深い位置にあるCe ³⁺ の発光消光をもたらしました。 ドナー-アクセプター距離が短くなるため、イオン（図1b）[21]。

さまざまな条件下でのナノセリアの発光スペクトル。 a HPの前と25分後の10.0nmナノセリア（ C =0.1 mM）追加。挿入：さまざまなナノセリアサンプルの正規化されたスペクトル。 b 50および80μlの色素を添加する前後の10.0nmナノセリアの発光スペクトル。挿入：50μlの色素を添加し、続いてHP（ C ）を添加した後の10.0nmナノセリアのスペクトル =0.1 mM）

コロイド溶液に酸化剤（HPまたはPP）を加えると、Ce ³⁺ が減少しました。 テストしたすべてのナノセリア標本のバンド強度（図1a）。さらに、Ce ³⁺ の選択的消光の下でそれを見ることができます バンド（図1b）、酸化剤は深部のCe ³⁺ の発光の低下を刺激しました イオン（図1bの挿入を参照）。 Ce ³⁺ →Ce ⁴⁺ 酸化剤がナノセリアに浸透できないという事実にもかかわらず、これらのイオンに対しても酸化が起こります。この効果は、酸素雰囲気でのナノセリアのアニーリングに似ています（追加ファイル1を参照）。したがって、酸化剤は、ナノセリア内の酸素の浸透を刺激します（その供給源は以下で決定されます）。これは、Ce ³⁺ の欠陥制御された時間発展によって実際に裏付けられています。 酸化作用下の発光（図2a）。この実験では、HPとPPの両方が同じように機能します（図2aの挿入を参照）。図2aからわかるように、V _O が最も高い3.0nmナノセリア 濃度はCe ³⁺ の最速の低下を示しました バンド強度と最低残留Ce ³⁺ 発光。同じV _O 濃度、Y ³⁺ ドープされたナノセリアは、Ce ³⁺ のより強い消光速度を示しました バンド強度と残留Ce ³⁺ の低レベル Eu ³⁺ と比較した発光 ドープされたナノセリア（図2a）。これは、酸化セリウム中の酸素拡散の活性化エネルギーがEu ³⁺ の存在下で増加するという事実と相関しています。 Y ³⁺ よりも強力なイオン イオン[14、15]。したがって、Ce ³⁺ 酸化剤作用下でのバンド強度の低下（図1および2a）は、Ce ³⁺ の結果です。 →Ce ⁴⁺ 拡散の空孔メカニズムを介したナノセリアへの酸素の浸透によって引き起こされる酸化[14、15]。ナノセリアの酸化時にコロイド溶液に還元剤（ベンゼントリオールなど）を添加しても、Ce ³⁺ は発生しませんでした。 Ce ³⁺ の提案されたメカニズムと一致する発光回復 →Ce ⁴⁺ ナノセリア内の酸化。

Ce ³⁺ の時間発展 酸化作用下での発光（ C =0.1 mM）ナノセリアのさまざまな標本。 a HP追加後;挿入-HPおよびPPの追加後。 b 水-DMSO溶液中の10.0nmナノセリアにPPを添加した後。挿入-PP添加後、NaOHおよびその後のPP添加後。 c pHとCe ³⁺ 10.0 nmナノセリウムのPP添加後のバンド強度（\（{I} _ {{\ mathrm {Ce}} ^ {3+}} \））。 d 酸素によるナノセリア充填の曲線ρ （ t ）=1-\（{I} _ {{\ mathrm {Ce}} ^ {3 +}}（t）\） a に示されているデータを使用して両対数プロットに表示されます

コロイド溶液中の水分濃度が低いと、ナノセリア酸化のダイナミクスが遅くなり（図2b）、初期pHの上昇により、このプロセスが加速されました（図2bの挿入図を参照）。 H ⁺ の可能なソースを除外する HPアプリケーションの場合、pHの低下とCe ³⁺ の正確な一致も明らかになりました。 PPによるナノセリア酸化下でのバンド強度の低下（図2c）。これらの事実は、Ce ⁴⁺ の参加により、高効率で進行できる水分解を示しています。 \（\ hbox {-} {\ mathrm {V}} _ {\ mathrm {O}} ^ {++} \）– Ce ⁴⁺ （またはCe ⁴⁺ \（\ hbox {-} {\ mathrm {V}} _ {\ mathrm {O}} ^ {+} \）– Ce ³⁺ ）Ce ³⁺ の酸化の結果として形成されるナノセリア表面の活性部位 -V _O -Ce ³⁺ サイト（図3）[13]。そのための2つの可能な方法があります（図3）：O ^2- イオンは\（{\ mathrm {V}} _ {\ mathrm {O}} ^ {++} \）と2つのH ⁺ を占めます イオンは溶液またはO ^2- に放出されます イオンは\（{\ mathrm {V}} _ {\ mathrm {O}} ^ {+} \）を占有し、ヒドロキシルを生成して1つのH ⁺ を生成します。 溶液に放出されるイオン（図3）。ナノセリアへの酸素の最初のジャンプは、Ce ³⁺ を再生します –v _O –ce ³⁺ 新しい酸化サイクルのサイト（図3）。このプロセスは、酸化剤濃度に応じて異なる速度で何度も繰り返すことができます。曲線\（\ uprho（t）=1- {I} _ {{\ mathrm {Ce}} ^ {3 +}}（t）\）は、ナノセリウムへの酸素の充填を表しており、その初期段階は〜 t ^1/2 関数（図2dを参照）。これは、V _O を介した単一ファイル拡散によって酸素がナノセリアに浸透することを意味します。 チャネル（図3）。酸素原子は互いにバイパスできません[22、23]。大きなV _O の形成 ナノセリアの酸素終端面に開いたクラスター（図3）は、2つの理由で避けられません。テストされたすべてのナノセリア標本には、十分に高いV _O が含まれています。 パーコレーションしきい値[24]およびV _O に近い濃度 濃度はナノセリア表面近くで最大値に達します[10、11、12]。地下V _O で観測された線形構造[25、26] V _O と見なすことができます チャネルまたは大きなV _O のコンポーネントとして クラスター。

ナノセリアと酸化剤および水分子との相互作用の段階。 a 二重酸化Ce ⁴⁺ – \（{\ mathrm {V}} _ {\ mathrm {O}} ^ {++} \）– Ce ⁴⁺ サイトおよび単一酸化Ce ⁴⁺ – \（{\ mathrm {V}} _ {\ mathrm {O}} ^ {+} \）– Ce ³⁺ ナノセリア表面のサイトとH ₂ との相互作用 O分子。 b Ce ³⁺ の再生 –v _O –ce ³⁺ 次の酸化サイクルのサイト

Ce ³⁺ の顕著な振動 コロイド溶液中の酸化剤（HPまたはPP）濃度が〜0.5 mMを超えるとバンド強度が観察されるため、ナノセリアCe ³⁺ →Ce ⁴⁺ 酸化はCe ³⁺ に変換されます ↔Ce ⁴⁺ レドックスシナリオ（図4）。これらの振動は、HP（ C ）の直後には現れませんでした =1.0 mM）またはPP（ C =1.0 mM）が追加されましたが、高速ステージが完了すると開発が開始されました（図4a、b）。すべての酸化剤について、振動が消えた後、コロイド溶液に酸化剤の新しい部分を追加することによって、振動を繰り返すことができます（図4c）。比較のために、Ce ³⁺ の振動 テストしたすべてのナノセリア標本のバンド強度を図4dに示します。図4dのベースラインは、実際には残留Ce ³⁺ のレベルです。 各ナノセリア標本の発光（図2a）、およびCe ³⁺ バンド強度はこれらのレベルを超えて振動します。 V _O のバリエーション Y ³⁺ の濃度 （またはEu ³⁺ ）ドープされた50.0 nmナノセリアは、Ce ³⁺ の振動を明確に示しました。 バンド強度は、V _O 濃度は10.0nmナノセリアの濃度と同等になりました（図4d）。 Eu ³⁺ の場合 ドープされた50.0nmナノセリアは、振動がより不規則で目立たなくなりました（図4d）。先に述べたように、この事実は、Eu ³⁺ の存在下での酸素拡散の抑制と一致しています。 イオン[14、15]。熱力学的に非平衡なV _O を伴うアニールされた50.0nmナノセリア 、振動は全く観察されなかった。振動（図4を参照）は、35°Cを超える温度でのみ観察できました。

Ce ³⁺ の振動 酸化剤（ C ）によって刺激されたバンド強度（\（{I} _ {{\ mathrm {Ce}} ^ {3+}} \）） =1.0 mM）コロイド状ナノセリア： a 10.0nmナノセリアのHP添加後。 b 10.0nmナノセリアのPP添加後。 c 10.0nmナノセリアのHPを複数回追加した後。 d さまざまなナノセリアサンプルのHP添加後

観測された振動（図4）は、V _O 高速段階で蓄積された酸素によって（図2aおよび4a）、強く非平衡になりました。振動の最初のピークの成長（図4a、b）は過剰な酸素の放出を伴い、振動が観察される限り、ナノセリアは放出されます（Ce ³⁺ 発光の増加）および取り込み（Ce ³⁺ 発光減少）酸素。アニーリングされた50.0nmナノセリアの場合、酸素放出の段階、したがってCe ⁴⁺ ↔Ce ³⁺ 熱力学的に非平衡なV _O であるため、振動は不可能です。 酸化中に蓄積された酸素によって不可逆的に治癒します（図2aおよび4）。

Ce ³⁺ のタイムスケールに注意する必要があります バンド強度の変化（図2および4を参照）には、RTでのナノセリアにおける異常に高い酸素拡散速度が必要です。一般に、酸化物では、活性化エネルギーの値が大きいため、通常の酸素拡散は遅すぎます[14、15]。しかし、私たちの場合、高速酸素拡散は、単一ファイル拡散に固有の活性化エネルギーの負荷依存の減少によって提供されます[23]。コロイド溶液中の酸化剤濃度は、V _O の充填の速度とレベルを介してこの効果を制御します 酸素とクラスター。

結論

私たちの結果は、ナノセリアレドックス性能の背後にある微視的メカニズムの新しいビジョンを示唆しています。まず第一に、両方の表面Ce ³⁺ 酸化剤および深部Ce ³⁺ に利用可能なイオン イオンは、オープンV _O によってサポートされる酸素拡散により、ナノセリアの酸化ダイナミクスに関与します。 クラスター。そのようなV _O クラスターは必然的にナノセリアの十分に小さいサイズ（<15 nm）で形成され、ナノセリアの抗酸化活性の強いサイズ依存性を説明します。自己再生（逆Ce ⁴⁺ →Ce ³⁺ 生物学的環境におけるナノセリアの還元）は、ROSによる酸化中に蓄積された酸素を放出した結果です。不均一系触媒作用の振動[27]と同様に、ナノセリアのセリウム酸化状態の振動は、高強度放射線下での細胞保護に非常に重要な高性能抗酸化剤の開発に利用できます（癌放射線治療、核大災害など）。全体として、この論文で提案されたアイデアは、効果的な抗酸化剤としてだけでなく、さまざまな技術分野で独自の触媒材料としても利用できる新しいナノ材料の合理的な調査を開始することを可能にします。

メソッド

ナノセリア合成の方法

3.0および10.0nmナノセリアのコロイド合成

セリアナノ粒子の水溶液は、次の方法で得られました：CeCl ₃ 溶液（100 ml、2 mM）を100 mlのヘキサメチレンテトラミン溶液（4 mM）と混合し、マグネチックスターラーを使用して室温で3時間撹拌しました。その後、1.8 ml NH ₄ OHと0.6mlのH ₂ O ₂ ソリューションに追加されました。次に、溶液を丸底フラスコに入れ、5時間還流しました。その結果、無色透明の溶液が得られた。溶液をロータリーエバポレーターフラスコ内で真空下、70°Cから30mlの浴温で蒸発させました。得られた溶液に、得られた溶液が濁るまで2 MNaClの溶液を加えた。次に、遠心分離により固相を沈殿させた。沈殿物を分離し、塩化ナトリウム溶液を再度加えた。沈殿物の洗浄手順を3回繰り返した。遠心分離の最終段階の後、モル比CeO ₂ のクエン酸ナトリウムの溶液 沈殿物に1：1の/ NaCtを加えた。塩化セリウム（III）とヘキサメチレンテトラミン（HMTA）のモル比1:10の混合物から得られたナノセリアのサイズは、約10.0nmでした。 HMTAをさらに増やすと、得られたナノ粒子の過剰なサイズは約3.0nmに減少します。 СеО _{2 − х} ナノ粒子は、1：1のモル比のクエン酸ナトリウムによって安定化されました。さらに、溶液を脱イオン水に対して24時間透析して、過剰なイオンと有機種を除去しました。分子量カットオフが「CelluSepH1」3.5KDaの透析膜チューブを使用しました。すべてのゾルは透過光で透明であり、100nmの細孔を持つメンブレンフィルターを損失なく通過しました。

50.0nmナノセリアのゾルゲル合成

СеО _{2 − x} 、СеО ₂ ：Eu ³⁺ / Y ³⁺ （0.1–10 at。％）ナノ結晶はPechini法によって得られました。酸化セリウム（СеO ₂ ）（99.995％、Sigma-Aldrich）を硝酸（НNO ₃ ）の混合物に溶解しました。 ）および過酸化水素（Н ₂ О ₂ ）（1：1の体積比で）60°Cで。酸化ユーロピウム（Eu ₂ O ₃ ）（99.999％、Sigma-Aldrich）および酸化イットリウム（Y ₂ O ₃ ）（99.999％、Sigma-Aldrich）を希薄なНNO ₃ に溶解しました 80°Cで。 0.75gのクエン酸と1mlのエチレングリコールの溶液を20mlの硝酸セリウムСе（NO ₃ ） ₃ （ C =1 M）溶液または20 mlまでの硝酸セリウムの化学量論的混合物Се（NO ₃ ） ₃ （ C =1 M）および硝酸ユーロピウムEu（NO ₃ ） ₃ /硝酸イットリウムY（NO ₃ ） ₃ （ C =1 M）ソリューション。得られたすべての混合物を80°Cで10時間処理した後、10質量％NH ₃ で加水分解しました。 水溶液。沈殿物を120°Cで5時間乾燥させた後、250°Cで4時間脱水しました。ナノ結晶は、1000°Cの真空中で2時間アニーリングされました。アニーリング後、ナノ粒子は1 g / lの濃度で水に分散されました。

実験的手法

すべてのタイプのナノセリアのフォトルミネッセンスは、連続波GKL-4UM He-Cdレーザー（λ）によって励起されています。 〜325 nm）で、SDL-1グレーティングモノクロメータとHamamatsu R9110PMTをフォトンカウンティングモードで使用して登録されています。

ナノセリアのコロイド水溶液に酸化剤（過酸化水素または過ヨウ素酸カリウム）を添加した直後、Ce ³⁺ の時間発展 発光強度（390 nmで取得）は、CW励起（He–Cdレーザー）での時間分解測定によって決定されました。水溶液中のナノセリアの濃度はすべての実験で類似しており、1 g / lに等しかった。非可逆Ce ³⁺ を開始するために必要な酸化剤の濃度 →Ce ⁴⁺ 酸化還元反応は0.1mMに等しかった。可逆的Ce ³⁺ の開始のための酸化剤の濃度 ↔Ce ⁴⁺ 酸化還元反応は、両方のH ₂ で1.0mMに等しかった。 O ₂ （HP）およびKIO ₄ （PP）。

酸化剤添加後のナノセリアコロイド水溶液のpH値の時間依存性をpHメーターを使用して測定した。酸化剤としてHP（ C =0.1 mM）およびPP（ C =0.1 mM）を使用し、酸化剤の一部をナノセリアコロイド水溶液に添加した後、1秒間隔でpH値を記録しました。酸化剤添加後の蒸留水のpH値の時間依存性を対照とした（蒸留水の初期pH値はナノセリアのコロイド溶液のpH値と同じ（pH =7））。

すべての実験は T で実現されました =37°С。

略語

HP：

過酸化水素

PP：

過ヨウ素酸カリウム

ROS：

活性酸素種

V _O ：

酸素空孔