コロイド状ナノセリアにおける酸素拡散によって引き起こされるセリウム酸化数の動的振動

要旨

CeO₂₋ₓナノ結晶（ナノセリア）のレドックス性能は、セリウム酸化数のCe³⁺とCe⁴⁺間の切り替えを常に伴います。水溶液コロイド中で酸化剤により刺激されるナノセリアのCe³⁺→Ce⁴⁺酸化を、ナノセリア表面からの距離が異なる位置にあるCe³⁺イオンの発光制御によりモニタリングしました。観察されたCe³⁺発光変化は、酸化されたナノセリア表面での水分解に由来する拡散性酸素によって引き起こされるCe³⁺→Ce⁴⁺反応がナノセリア内部で進行することを示しています。Ce³⁺↔Ce⁴⁺可逆切り替えに起因するCe³⁺発光強度の顕著な振動を初めて観測しました。この閾値効果は、ナノセリア格子内の酸素欠陥濃度、コロイド溶液中の酸化剤濃度、温度が特定の臨界値に達したとき、ナノセリアによる酸素の取り込みと放出によって駆動されます。環境レドックス条件に応じて酸素を取り込み放出するナノセリアの能力は、まさに自己完結型の永続的抗酸化物質であることを実証しています。

背景

今日、様々な構造と化学組成を持つナノ結晶が現代アプリケーションの多様な分野で広く利用されています[1-9]。重要な工学的利用[3,4]とともに、CeO₂ナノ結晶（ナノセリア）は、反応性酸素種（ROS）の再生可能スカベンジャーとして機能する能力により、有望な医療開発をもたらしました[5-9]。ナノセリアの独自性と有用性の主な前提は、一般にその表面における高濃度の酸素欠陥（V_O）とCe³⁺イオンに帰属されます[10-14]。ナノセリア格子では、V_OとCe³⁺イオンは相互に関連した欠陥です[10-14]；1つのV_Oに対して2つのCe³⁺イオンが対応します[13]。ナノセリアの欠陥（Ce³⁺、V_O）濃度は粒子径、特殊ドーピング、温度処理で制御可能です[11, 14, 15]。一般に、表面酸素はV_O生成と治癒または表面V_Oが触媒活性種の結合サイトとして機能することでレドックスサイクルを助けます[3, 4, 14]。ナノセリア表面Ce³⁺イオンは、3+と4+酸化数間の切り替えによりROSスカベンジングを提供すると一般に考えられています[5-9]。ROS、すなわちスーパーオキシドイオン（O₂⁻）、ヒドロキシルラジカル（OH・）、低濃度過酸化水素（H₂O₂）は細胞機能制御に極めて重要です[5-9]。通常の抗酸化物質がROSとの相互作用後不可逆的に消失するのに対し[5-7]、15 nm以下の粒子径ではナノセリアが自己再生型抗酸化物質として機能できます[5-9]。ナノセリア生物活性の粒子径依存性と生物学的環境での自己再生メカニズムは依然不明確で[5-7]、議論が続いています[8, 9]。in vitroおよびin vivo実験[5-9]では、ナノセリアは高欠陥濃度と水活性で動作し、そのレドックス性能は細胞抗酸化システムによって強くマスキングされる可能性があります。

そこで、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、よりシンプルで制御された条件を用いました：酸素欠損度を変えたナノセリア試料について、水溶液コロイド中での酸化ダイナミクスを研究。V_O（Ce³⁺）濃度は粒子径で変化するため[10-12]、3.0、10.0、50.0 nmのナノセリア試料を使用。データ[12]によると、3.0 nmナノセリアのV_O濃度は約20%に達します。10.0 nmナノセリアのV_O濃度は3.0 nmの半分でした（追加ファイル1参照）。50.0 nmナノセリアでは、Y³⁺（またはEu³⁺）ドーピングと真空アニーリングでV_Oを生成し、ナノセリア格子内の酸素拡散条件を変化させました[14, 15]。全50.0 nm試料でV_O濃度を10.0 nmナノセリアと同等に調整。Y³⁺/Eu³⁺ドーピング濃度は10 at.%レベル（追加ファイル1参照）。これらはセリア格子での対応溶解度限界（Y³⁺で約25 at.%[16]または約45 at.%[17]、Eu³⁺で約30 at.%[18]）より十分低く、Y₂O₃やEu₂O₃相形成は除外可能。全コロイド溶液は同物質量（1.0 g/L）を含み、初期pH約7。ナノセリア酸化には過酸化水素（HP）と過ヨウ素酸カリウムKIO₄（PP）を使用。PPでHPの化学的多様性を除外。ナノセリア合成と取得試料の特性評価、実験詳細は追加ファイル1に記載。

結果と考察

予備実験[19]に基づき、Ce³⁺発光（図1a）を全試験ナノセリア試料の酸化ダイナミクスモニタリングに使用。Ce³⁺イオンの双極子許容5d→4f光学遷移による発光[20]。粒子径減少、すなわち表面/体積比増加に伴うCe³⁺バンド非対称性の増大（図1a挿入）は明確な不均一性を示唆。このバンドの長波長側はナノセリアサブサーフェス層からのCe³⁺発光に、残りは深部Ce³⁺イオンに帰属可能。サブサーフェスCe³⁺イオンは、ナノセリア表面方向への格子定数増加による結晶場弱化で赤方偏移した発光スペクトルを示します[12]。3.0 nmナノセリアとは対照的に、50.0 nmナノセリアではこれらのイオンの寄与は無視可能（図1a挿入）。この帰属は、Ce³⁺バンド長波長側の強いフォルスタークエンチング[21]で確認（追加ファイル1と図1b）。クエンチャー濃度増加でドナー-アクセプター距離減少により深部Ce³⁺イオン発光もクエンチング（図1b）。

酸化剤（HPまたはPP）添加で全試験ナノセリア試料のCe³⁺バンド強度低下を観察（図1a）。さらに、Ce³⁺バンド選択的クエンチング下（図1b）で、酸化剤が深部Ce³⁺イオン発光低下を刺激することが判明（図1b挿入）。酸化剤がナノセリア内部に浸透できないにもかかわらず、これらのイオンでもCe³⁺→Ce⁴⁺酸化が発生。これは酸素雰囲気中でのナノセリアアニーリングと類似効果（追加ファイル1参照）。したがって、酸化剤は酸素（その供給源は後述）のナノセリア内部への浸透を刺激します。これは酸化剤作用下での欠陥制御されたCe³⁺発光経時変化（図2a）で裏付けられます。HPとPPは同様に作用（図2a挿入）。図2aより、最高V_O濃度の3.0 nmナノセリアが最速のCe³⁺バンド強度低下と最低残留Ce³⁺発光を示しました。同V_O濃度で、Y³⁺ドープナノセリアはEu³⁺ドープより強いCe³⁺バンドクエンチング率と低い残留発光を示しました（図2a）。これはEu³⁺イオン存在下でセリウム酸化物中の酸素拡散活性化エネルギーがY³⁺より強く増大することと相関します[14, 15]。したがって、酸化剤作用下のCe³⁺バンド強度低下（図1、2a）は、空孔拡散機構[14, 15]による酸素浸透に起因するCe³⁺→Ce⁴⁺酸化の結果です。酸化後、還元剤（例：ベンゼントリオール）添加してもCe³⁺発光回復せず、ナノセリア内部でのCe³⁺→Ce⁴⁺酸化メカニズムと整合。

コロイド溶液中の水濃度低下でナノセリア酸化ダイナミクスが減速（図2b）、初期pH上昇で加速（図2b挿入）。HP使用時のH⁺供給源を除外するため、PPによるナノセリア酸化下でpH低下とCe³⁺バンド強度低下の正確な一致を確認（図2c）。これらは水分解を示唆、Ce⁴⁺–V_O^++–Ce⁴⁺（またはCe⁴⁺–V_O^+–Ce³⁺）活性サイトがCe³⁺-V_O-Ce³⁺サイト酸化の結果としてナノセリア表面に形成されることで高効率進行可能（図3）[13]。2経路可能（図3）：O²⁻イオンがV_O^++を占有し2H⁺が溶液へ放出、またはO²⁻がV_O^+を占有しヒドロキシル生成で1H⁺放出。酸素の最初のナノセリア内ジャンプでCe³⁺-V_O-Ce³⁺サイトが再生、新酸化サイクルへ（図3）。このプロセスは酸化剤濃度に依存し多様な速度で繰り返し可能。曲線ρ(t)=1-I_Ce³⁺(t)はナノセリア酸素充填を記述、初期段階が~t^1/2関数に良適合（図2d）。酸素がV_Oチャネルを単列拡散で浸透、酸素原子が互いにバイパス不能[22, 23]。ナコセリア表面に開口した大規模V_Oクラスタ形成は2理由で不可避：全試料がペルコレーション閾値近傍の十分高いV_O濃度を含む[24]、V_O濃度が表面近傍で最大[10-12]。観察されるサブサーフェスV_O線形構造[25, 26]はV_Oチャネルまたは大規模V_Oクラスタ構成要素と見なせます。

コロイド溶液中の酸化剤濃度が約0.5 mM超えると、Ce³⁺バンド強度の顕著な振動を観察、ナノセリアCe³⁺→Ce⁴⁺酸化ダイナミクスがCe³⁺↔Ce⁴⁺レドックスシナリオに転換（図4）。振動はHP（C=1.0 mM）またはPP（C=1.0 mM）添加直後に出現せず、高速段階完了後に発生開始（図4a, b）。全酸化剤で、振動消失後、コロイド溶液に新たな酸化剤部分添加で再現可能（図4c）。比較のため、全試験ナノセリア試料のCe³⁺バンド強度振動を図4dに表示。図4dベースラインは各試料の残留Ce³⁺発光レベル（図2a）、Ce³⁺バンド強度はこのレベル上で振動。Y³⁺（またはEu³⁺）ドープ50.0 nmナノセリアのV_O濃度変化で、振動が10.0 nmナノセリアと同等V_O濃度でのみ観測可能なことを明確に示しました（図4d）。Eu³⁺ドープ50.0 nmでは振動がより不規則で弱い（図4d）。前述の通り、これはEu³⁺イオン存在下での酸素拡散抑制と整合[14, 15]。熱力学的非平衡V_Oを持つアニール50.0 nmナノセリアでは振動全く観測せず。振動（図4参照）は35℃以上でのみ観測可能。

観察された振動（図4）は、高速段階（図2a、4a）で蓄積したV_Oへの酸素充填が強く非平衡状態になったとき出現。振動第1ピーク成長（図4a, b）は過剰酸素放出を伴う。振動継続中、ナノセリアは酸素放出（Ce³⁺発光増加）と取り込み（Ce³⁺発光減少）を繰り返す。アニール50.0 nmナノセリアでは、酸化時に蓄積した酸素により熱力学的非平衡V_Oが不可逆的に治癒されるため、酸素放出フェーズとCe⁴⁺↔Ce³⁺振動は不可能（図2a、4）。

Ce³⁺バンド強度進化のタイムスケール（図2、4参照）は、RTでのナノセリア異常に高い酸素拡散率を要求。一般に酸化物では活性化エネルギー大で通常酸素拡散は遅い[14, 15]。しかし本ケースでは、単列拡散固有の負荷依存性活性化エネルギー低減により高速酸素拡散が実現[23]。コロイド溶液中の酸化剤濃度がV_Oクラスタへの酸素充填速度とレベルを制御し、この効果を調節。

結論

本結果はナノセリアレドックス性能の微視的メカニズムに新たな視座を提示します。第一に、酸化剤利用可能な表面Ce³⁺イオンのみならず、開いたV_Oクラスタにより支持される酸素拡散により深部Ce³⁺イオンも酸化ダイナミクスに関与。このようなV_Oクラスタは十分小さいナノセリア（<15 nm）で必然的に形成され、ナノセリア抗酸化活性の強い粒子径依存性を説明。生物学的環境でのナノセリア自己再生（逆Ce⁴⁺→Ce³⁺還元）は、ROSによる酸化時に蓄積した酸素放出の結果。不均一触媒での振動[27]と類似し、ナノセリアのセリウム酸化数振動は高性能抗酸化物質開発に活用可能、高強度放射線下（がん放射線治療、原子力災害等）での細胞保護に極めて重要。総じて、本論文の提案アイデアは、効果的抗酸化物質としてだけでなく、様々な技術分野でユニークな触媒材料として利用可能な新規ナノ材料の合理的探索を開始させるものです。

方法

ナノセリア合成法

3.0 nmおよび10.0 nmナノセリアのコロイド合成

セリウムナノ粒子水溶液を以下で調製：CeCl₃溶液（100 mL、2 mM）とヘキサメチレンテトラミン溶液（100 mL、4 mM）を混合、磁気攪拌機で室温3時間撹拌。その後、NH₄OH 1.8 mLとH₂O₂ 0.6 mLを添加。丸底フラスコに移し、5時間還流。透明無色溶液取得。ロータリーエバポレーターで真空下、浴温70℃で30 mLまで濃縮。2 M NaCl溶液を濁るまで添加。遠心分離で固相沈殿。沈殿分離後、塩化ナトリウム溶液を再添加。洗浄手順を3回繰り返し。最終遠心分離後、セリウム酸化物/クエン酸ナトリウムモル比1:1でクエン酸ナトリウム溶液を沈殿に添加。セリウム(III)塩化物とヘキサメチレンテトラミン（HMTA）をモル比1:10で混合した場合のナノセリアサイズは約10.0 nm。HMTA過剰で粒子径が約3.0 nmに減少。CeO₂₋ₓナノ粒子をモル比1:1クエン酸ナトリウムで安定化。全ゾルは透過光で透明、100 nm孔径メンブレンフィルターを損失なく通過。

50.0 nmナノセリアのゾルゲル合成

CeO₂₋ₓ、CeO₂:Eu³⁺/Y³⁺（0.1-10 at.%）ナノ結晶をペキニ法で調製。酸化セリウム（CeO₂）（99.995%、Sigma-Aldrich）を硝酸（HNO₃）と過酸化水素（H₂O₂）（体積比1:1）混合液で60℃溶解。酸化ユウロピウム（Eu₂O₃）（99.999%、Sigma-Aldrich）と酸化イットリウム（Y₂O₃）（99.999%、Sigma-Aldrich）を希薄HNO₃で80℃溶解。クエン酸0.75 gとエチレングリコール1 mLをセリウム硝酸Ce(NO₃)₃（C=1 M）20 mL溶液、またはセリウム硝酸とユウロピウム硝酸Eu(NO₃)₃/イットリウム硝酸Y(NO₃)₃（C=1 M）の化学量論的混合液20 mLに添加。全混合液を80℃で10時間処理、10 mass% NH₃水溶液で加水分解。沈殿を120℃で5時間乾燥、250℃で4時間脱水。ナノ結晶を真空下1000℃で2時間アニーリング。アニーリング後、ナノ粒子を水に1 g/L濃度で分散。

実験手法

全ナノセリアタイプの光ルミネセンスを連続波GKL-4UM He-Cdレーザー（λ~325 nm）で励起、SDL-1グレーティングモノクロメーターとハママツR9110 PMTをフォトンカウンティングモードで使用し検出。

水溶液ナノセリアコロイドに酸化剤（過酸化水素または過ヨウ素酸カリウム）添加直後に、Ce³⁺発光強度（390 nm採取）の経時変化をCW励起（He-Cdレーザー）下で時間分解測定により決定。全実験でナノセリア濃度は同一、1 g/L。非可逆的Ce³⁺→Ce⁴⁺レドックス反応開始に必要な酸化剤濃度は0.1 mM；可逆的Ce³⁺↔Ce⁴⁺レドックス反応開始濃度はHPとPP共に1.0 mM。

酸化剤添加後のナノセリア水溶液コロイドpH値経時変化をpHメーターで測定。酸化剤HP（C=0.1 mM）とPP（C=0.1 mM）使用時、酸化剤部分添加後1秒間隔でpH記録。蒸留水への酸化剤添加後pH経時変化を対照とした（蒸留水初期pHはナノセリアコロイドと同一、pH=7）。

全実験をT=37℃で実施。

略語

HP:

過酸化水素

PP:

過ヨウ素酸カリウム

ROS:

反応性酸素種

V_O:

酸素欠陥