Index of /rozprawy2/11575

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo - Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie. Wydział Odlewnictwa Katedra Chemii i Korozji Metali. ROZPRAWA DOKTORSKA. Ocena stanu fizykochemicznego powierzchni metali metodą badania adsorpcji na granicy faz metal/ciecz z zastosowaniem techniki SERS mgr Agnieszka Tąta Promotor: prof. dr hab. Edyta Proniewicz. Kraków 2019.

(2) Podziękowania Autor pracy pragnie podziękowad:. Pani dr hab. Edycie Proniewicz, prof. AGH za opiekę merytoryczną oraz cenne uwagi i wskazówki, bez których praca ta by nie powstała.. dr Dominice Święch za wszelką pomoc i współpracę w miłej atmosferze. dr hab. Marii Starowicz za udostępnienie do badao nanocząstek tlenku żelaza (III). mgr Barbarze Gralec i dr hab. Adamowi Lawerze z Uniwersytetu Warszawskiego za udostępnienie do badao nanocząstek platyny.. dr Aleksandrze Szkudlarek z Akademickiego Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH za wykonanie badao na skaningowym mikroskopie elektronowym.. mgr Joannie Packa i dr Marcinowi Molendzie z Uniwersytetu Jagiellooskiego z Wydziału Chemii za wykonanie badao dyfrakcji rentgenowskiej.. Mojej rodzinie i przyjaciołom za wsparcie i cierpliwośd.. 2.

(3) Niniejszą pracę dedykuje mojej Mamie. 3.

(4) Praca została częściowo sfinansowana przez Narodowe Centrum Nauki – granty badawcze o numerach: 2016/21/N/ST4/00556 i 2016/21/B/ST4/02135. 4.

(5) Spis treści WYKAZ SKRÓTÓW ........................................................................................................................ 7 1. WPROWADZENIE ..................................................................................................................... 8 2. CZĘŚĆ LITERATUROWA ....................................................................................................... 9 2.1. Złoto( Au) ................................................................................................................................................. 9 2.2. Platyna (Pt)............................................................................................................................................. 10 2.3. Tytan (Ti) ............................................................................................................................................... 11 2.4. Tlenek tytanu (IV) (TiO 2) ...................................................................................................................... 12 2.5. Żelazo (Fe) .............................................................................................................................................. 13 2.6. Tlenek żelaza (III) (Fe2O3) ..................................................................................................................... 15 2.7. Bombezyna (BN) i jej fragmenty ........................................................................................................... 16 2.8. Spektroskopia Ramana .......................................................................................................................... 19 2.9. Technika powierzchniowo-wzmocnionego efektu Ramana (SERS) ...................................................... 20 2.9.1. Mechanizm SERS .................................................................................................................................. 22 2.9.2. Adsorpcja na metalach i półprzewodnikach .......................................................................................... 22 2.9.3. Adsorpcji na powierzchni Pt, Ti, TiO2NPs, Fe i Fe2O3NPs ................................................................... 24 2.9.4. Zastosowanie SERS ............................................................................................................................... 25 2.10. Adsorpcja na granicy faz ciało stałe/roztwór ....................................................................................... 26. 3. CEL PRACY................................................................................................................................ 28 4. CZĘŚĆ EKSPERYMENTALNA ........................................................................................... 29 4.1. Adsorbat ................................................................................................................................................. 29 4.2. AuNPs/SiO2 ............................................................................................................................................ 29 4.3. Synteza PtNPs ........................................................................................................................................ 29 4.4. Płytka Ti, Fe ........................................................................................................................................... 29 4.5. TiO2NPs .................................................................................................................................................. 30 4.6. Synteza γ-Fe2O3NPs ............................................................................................................................... 30 4.7. Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) ......................................................................................... 30 4.8. Spektroskopia elektronowa (UV-Vis) .................................................................................................... 30 5.

(6) 4.9. Dyfrakcja rentgenowska (XRD) ............................................................................................................ 31 4.10. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR-ATR) ............................................ 31 4.11. Przygotowanie próbek polipeptydów do pomiarów SERS .................................................................. 31 4.12. Spektroskopia Ramana i powierzchniowo-wzmocniony efekt Ramana (SERS) ................................ 31. 5. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ I DYSKUSJA ................................................................. 33 5.1. Charakterystyka SERS aktywnych substratów ..................................................................................... 33 5.1.1. AuNPs/SiO2 ............................................................................................................................................ 33 5.1.2. PtNPs ...................................................................................................................................................... 33 5.1.3. Płytka Ti ................................................................................................................................................. 36 5.1.4. TiO2NPs .................................................................................................................................................. 37 5.1.5. Płytka Fe ................................................................................................................................................. 40 5.1.6. Fe2O3NPs ................................................................................................................................................ 42 5.2. Widma SERS .......................................................................................................................................... 45 5.2.1. Widma SERS na AuNPs/SiO2 ................................................................................................................ 45 5.2.2 Widma SERS na PtNPs ........................................................................................................................... 53 5.2.3. Widma SERS na powierzchni α-Ti i TiO2NPs ....................................................................................... 60 5.2.4. Widma SERS na powierzchni α-Fe i γ-Fe2O3NPs .................................................................................. 73. 6. WNIOSKI...................................................................................................................................... 87 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................. 90 SPIS RYSUNKÓW .......................................................................................................................106 SPIS TABEL ...................................................................................................................................108 AKTYWNOŚCI NAUKOWA AUTORA PRACY ................................................................109. 6.

(7) Wykaz Skrótów ATR. zjawisko osłabionego całkowitego odbicia promieniowania w podczerwieni (ang. Attenuated Total Reflectance). Asn. L–asparagina. Au. Złoto. AuNPs. nanocząstki złota (ang. gold nanoparticles). AuNPs/SiO2. nanocząstki złota osadzone na szkle wodnym. BN. Bombezyna. BSE. detektor elektronów wstecznie rozproszonych (ang. electron backscatter detektor).. CE. mechanizm chemiczny w SERS. CCD. (ang. air-cooled charge-coupled device). EDS. spektroskopią dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (ang. Energy Dispersive Xray Spectroscopy). EM. mechanizm elektromagnetyczny w SERS. ETD. detektor Everharta-Thornleya (ang. Everharta-Thornleya detector). Fe. Żelazo. FT–IR. spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (ang. Fourier–transform infrared). FWHM. (ang. full width at half maximum) szerokość w połowie wysokości pasma. Gln. L–glutamina. Gly. L–glicyna. GPCRs. receptory sprzężone z białkiem G (ang. G protein–coupled receptor). His. L–histydyna. Leu Nle. 14. L–leucyna L– norleucyna w pozycji 14. γ–Fe2O3NPs. nanocząstki gamma tlenku żelaza (III). Met. L–metionina. pGlu. L– kwas piroglutaminowy. Pt. Platyna. PtNPs. nanocząstki platyna. RG6. Roadamina G6. SEM. (ang. scanning electron microscope) skaningowy mikroskop elektronowy. SERS. powierzchniowo–wzmocniony efekt Ramana (ang. surface–enhanced Raman scattering). Ti. Titan. TiO2NPs. nanocząstki tlenku tytanu (IV). Trp. L–tryptofan. UV-Vis. spektroskopia elektronowa (ang. Ultraviolet–visible). Val. L–walina. XRD. dyfrakcja promieniowań rentgenowskich (ang. X-ray Powder diffraction). 7.

(8) 1. Wprowadzenie Wraz ze wzrostem liczby ludności na świecie liczba produkowanych endoprotez i implantów wzrasta. W 2017 roku na światowym rynku ortopedycznym implanty i endoprotezy zostały wycenione na około 80 miliardów dolarów i spodziewane jest, że osiągnie liczbę o wartości 120 miliardów dolarów do roku 2023. Wraz z rozwojem nowych urządzeń i technologii, istnieje również ciągła potrzeba zrozumienia i opisania, jak metalowe powierzchnie implantów oddziałują z otaczającym je środowiskiem fizjologicznym; na przykład, jak na stan implantów wpływają przeciwciała o silnym działaniu oksydacyjnym, które bądź gromadzą się w pobliżu implantu, bądź adsorbują się na jego powierzchni i/lub powodują korozję implantu. Ponadto, implanty w ludzkim ciele są narażone na długotrwałe skutki stałej, stosunkowo wysokiej temperatury ciała (37 °C) i różnego typu obciążenia. Wszystkie te warunki tworzą z żywego organizmu bardzo wymagające środowisko, w którym nie każdy materiał może sobie poradzić [1],[2], [3], [4]. W niniejszej pracy wybrano cztery metale do badań procesu adsorpcji na granicy faz metal/ciecz za pomocą techniki powierzchniowo-wzmocnionego efektu Ramana są nimi Au, Pt, Fe i Ti. Dodatkowo wybrano dwa tlenki metali: Fe2O3 i TiO2, ponieważ związki te są głównymi produktami korozji Fe i Ti. Wspomniane metale wybrano ze względu na ich szerokie i potencjalne zastosowanie zwłaszcza w medycynie m.in. do produkcji implantów i endoprotez oraz z przeznaczeniem, jako nośniki leków i zastosowanie do celów diagnostycznych. Dla wyżej wymienionego zastosowania wybranych metali ważne jest poznanie procesu adsorpcji na granicy faz ze względu na zrozumienie mechanizmu na przykład osteointergacji, czyli połączenie pomiędzy kością i przylegającą do niej powierzchni wszczepu [5], [6], [7], [8].. 8.

(9) 2. Część literaturowa 2.1. Złoto( Au) Au występuje w rudach: kalawerytu (AuTe2) i sylwinitu (AuAgTe4), a także w przyrodzie występuje przeważnie w stanie wolnym i w małych stężeniach. Metal ten jest błyszczący, miękki i ciężki. Jest on najbardziej ciągliwym i kowalnym spośród wszystkich znanych metali. W tkankach zwierzęcych i roślinnych zawartość Au wynosi mniej niż 0,001 mg/(kg masy). Natomiast w organizmie ludzkim znajduje się aż około 10 mg Au z czego prawie połowę zawierają kości [9]. Au znalazło zastosowanie w jubilerstwie, dentystyce, jako metal monetarny, w elektrotechnice (na styki w precyzyjnych urządzeniach elektronicznych i elektrycznych narażonych na działanie atmosfery) do wyrobu stopów specjalistycznych na filtry do włókien sztucznych do barwienia szkła i porcelany, a także w renowacji dzieł sztuki [10], [11]. Stopy Au z Pt (o nazwach handlowych Dengunorm, Biocclus-4, Degudent H, i Degular M) wykorzystuje się do produkcji implantów dentystycznych, takich jak nakłady i wkłady wielopowierzchniowe, czy mosty i korony dowolnej rozpiętości. Ponadto, stopy Au stosowane są do produkcji stentów, rozruszników serca i implantów ucha środkowego. Metal ten jest idealnym biomateriałem, ze względu na jego właściwości bakteriostatyczne, bakteriobójcze i biozgodność [12], [13] . Au jest metalem szlachetnym, który już w starożytności w Chinach, Egipcie i Indiach był stosowany do leczenia chorób, takich jak odra, mała ospa, kiła, owrzodzenia skóry czy demencja starcza [14]. W 1890 r Koch udowodnił właściwości bakteriobójcze złota [15]. Jednakże, sole złota chodź bardzo skuteczne, jako leki, wykazują wiele działań ubocznych dla organizmu człowieka, np.: bóle głowy, biegunka, reakcje alergiczne, zwiększona wrażliwość na światło, dermatoza, zapalenie i owrzodzenie jelit, rogówki oka, uszkodzenie nerek, oraz obwodowe zapalenie nerwów [16]. Problem ten można rozwiązać poprzez zastosowanie AuNPs. Przy stosowaniu NPs jak do tej pory nie stwierdzono skutków ubocznych i dlatego przyjmuje się je za w pełni bezpieczne. Obecnie AuNPs mają potencjalne zastosowanie, jako lek w leczeniu na reumatoidalnego zapalenia stawów, zwalczania pasożytów (np. Toxopolasmosis gondii, który jest jednym 9.

(10) z rozpowszechnionych pasożytów mogący spowodować cysty w mózgu) wirusa HIV, chorób Parkinsona, Alzheimera, pionowych, wykazano, że przyjmowane 30 mg AuNPs wpływa pozytywnie na poprawę pracy między innymi wzroku, słuchu i układu pokarmowego. Naukowcy również prowadzą badania z pozytywnym wynikiem nad zastosowaniem AuNPs w leczeniu uzależnień, takich jak: alkoholizm, zakupoholizm [17], [18]. Wielkość AuNPs można kontrolować w trakcie syntezy tak, iż można otrzymać nanocząstki o rozmiarze od kilku nanometrów do kilkudziesięciu nanometrów, a zatem umieszczając je w wymiarach mniejszych lub porównywalnych z wymiarami komórek (10-100μm), wirusów (20-450 nm), białek (5-50 nm) lub genów (2 nm szerokości i 10-100 nm długości). Rozmiary te są idealne przy zastosowaniu do celów nanobiologicznych [19]. Na przykład, AuNPs mogą być wykorzystywane, jako nośniki substancji, takich jak leki przeciwrakowe leki lub nuklidów [19]. Z drugiej strony, AuNPs są wykorzystywane w terapii fototermicznej lub chirurgii molekularnej do niszczenia komórek nowotworowych. Po napromieniowaniu za pomocą skupionego lasera emitowanego promieniowania w obszarze bliskiej podczerwieni (NIR), ukierunkowane agregaty AuNPs, nanopręty lub nanokulki dielektryczne pokryte metalem (ang. nanoshells) mogą zabijać bakterie [20] i neutralizować komórki rakowe [21]. Ważnym zastosowaniem AuNPs jest ich wykorzystanie w leczeniu i diagnostyce chorób nowotworowych. Ich potencjalne zastosowanie w diagnostyce chorób nowotworowych opiera się głównie na tzw. koniugowanych AuNPs, czyli na układach składających się z AuNPs zaadsorbowanym na ich powierzchni związkiem biologicznym w postaci np.: polipeptydu zaletą tego układu jest to, iż ten taki nie rozpada się on pod wpływem długotrwałego naświetlania tak jak w przypadku markerów fluorescencyjnych czy barwników. Kolejną zaletą AuNPs jest ich niższa cenna od stosowanej tradycyjnie w diagnozie cystometrii przepływowej [22].. 2.2. Platyna (Pt) Pt jest zaliczany do metali szlachetnych. Odkryto go dopiero w XVIII wieku w Kolumbii. Czysty metal ma kolor srebrzystobiały, wykazuje mocny połysk, jest kowalny i ciągliwy. Pierwiastek ten występuje najczęściej w postaci ziaren, ale czasem również brył, które osiągają masę około 10 kg. Zwykle zawiera domieszki Fe (do 20%), a także innych metali z grupy platynowców. Jedynym minerałem Pt występującym 10.

(11) w przyrodzie jest sperrylit (PtAs2). Pt występuje na terenie Brazylii, Stanów Zjednoczonych, Wysp Dominikany i Rosji. Metal ten jest stosowany do produkcji sprzętu laboratoryjnego w medycynie i dentystyce (implanty), a także do wyrobu biżuterii i stopów z innymi metalami szlachetnym [23], [24], [25]. Pt w postać PtNPs jest bardzo często stosowana w katalizie heterogenicznej. Aktualnie jest to najważniejsze komercyjne zastosowanie nanocząstek metali, gdzie PtNPs i nanocząstki zawierające Pt są szeroko wykorzystywane do tworzenia komercyjnych katalizatorów. PtNPs w organizmie człowieka spełniają funkcje katalizatora: kontrolującego procesy syntezy, utleniania i wydalania. Ponadto, mają one wpływ na charakter przemian białkowych zachodzących w tkankach ludzkich [26]. PtNPs w roztworze wodnym po naniesieniu na skórę zmniejszają przebarwienia naskórka [27]. Natomiast dzięki procesowi koagulacji, który zachodzi w tym roztworze działają również redukująco w odniesieniu do zniszczonych komórek skóry, co daje efekt odmładzający dla całego organizmu [28]. Nanocząstki te kontrolują zatem jędrność i zdrowy wygląd skóry. PtNPs już w niewielkich stężeniach (wynoszących około 0.01 ppm) regulują procesy wydalania i procesy enzymatyczne. Udowodniono również działanie pobudzające tych nanocząstek na układ krążenia, oddychania czy pokarmowy [29]. Związki Pt są stosowane w chemioterapii do zwalczania raka piersi, jąder i jajników. PtNPs we krwi ludzi i zwierząt bardzo skutecznie wspierają proces katalitycznego niszczenia komórek nowotworowych (białaczka). Do tej pory nie stwierdzono efektów ubocznych ich stosowania. Nanocząstki platyny wykazują kilkakrotnie wyższą skuteczność niż jej związki. Spowodowane to jest dużą powierzchnią aktywną i specyficznym kształtem tych nanocząstek [30]. Chemia powierzchniowa PtNPs otworzyła również perspektywy do celowania i różnicowania tkanek poprzez adsorpcję na powierzchni specyficznych cząsteczek co umożliwiło rozwój radioizotopów stosowanych w leczeniu raka przy wykorzystaniu promieniowania reaganowskiego [31]. Z drugiej strony, właściwości optyczne PtNPs w zakresie podczerwieni pozwalają na zastosowanie ich w nowych technikach leczenia, takich jak: fotodiagnostyka i fototerapia [32].. 2.3. Tytan (Ti) Tytan został odkryty w XVII wieku przez angielskiego duchownego i geologa Williama Gregora [33]. Pierwiastek ten nie występuje sam w naturze tylko zawsze w związkach chemicznych. Występuje on głównie w postaci minerałów: brukitu, 11.

(12) anatazytu, tytanitu, rutylu i w dużej liczbie rud żelaza. Tytan ma dwie odmiany alotropowe α i β. Pierwsza z nich jest trwała do temperatury 882˚C i krystalizuje w sieci heksagonalnej A3. Natomiast druga odmiana β jest stabilna od 882˚C do 1668˚C (temperatura topnienia tytanu) i krystalizuje w sieć regularnej przestrzennie centrowanej A2. Pierwiastek ten charakteryzuje się dużą wytrzymałością właściwą, wysoką odpornością na korozję, zmęczeniową, niską gęstością i bardzo dobrą udarnością [34], [35]. Ti i jego stopy są szeroko stosowanymi materiałami w różnych gałęziach przemysłu, w tym lotnictwie (części samolotów, takich jak silnik) [36], [37], przetwórstwie żywności [38], kosmetykach [39], sektorze energetycznym (wymiana ciepła) [40], budownictwie (np. dachy, sufity) [41], a także w sztuce do tworzenia pomników, rzeźb i biżuterii [42]. Ti ma również ważne zastosowanie w medycynie, ponieważ jest trwały jak stal, ale jest o 40% lżejszy od stali, co w połączeniu z doskonałą odpornością na korozję w obecności agresywnych płynów ustrojowych czyni go niezastąpionym metalem przy produkcja protez ortopedycznych stawów i kończyn, stentów, rozruszników serca, defibrylatorów i implantów dentystycznych [43]. Umieszczanie tytanowych elementów zastępujących twardą tkankę lub pokrytych Ti elementów w ludzkim ciele wynika również z dobrej wytrzymałości mechanicznej, odporność na zmęczenie, odkształcanie, pamięci kształtu oraz doskonałej osteointegacji i biokompatybilności [44], [45]. Protezy wykonane z Ti lub implanty powlekane Ti wprowadzane do ludzkiego ciała, oddziałują z płynami ustrojowymi w tego ciała (różnią się w zależności od części ciała; na przykład, osocze krwi i płyny międzykomórkowe, które wykazują wysokie stężenia białek). Oznacza to, że elementy płynów ustrojowych i materiałów metalicznych oddziałują w skali molekularnej i komórkowej, stąd struktura i właściwości utworzone między nimi powierzchniami styku muszą być zaprojektowane i kontrolowane w tych skalach. Sposób odziaływania metal/elementy płynów ustrojowych wciąż nie jest dobrze poznany; chociaż stwierdzono, że właściwości fizykochemiczne powierzchni implantu wpływają na fizjologiczną odpowiedź układu odpornościowego [46].. 2.4. Tlenek tytanu (IV) (TiO2) W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się Ti i TiO2. W żywych organizmach metal ten występuje w implantach i czasami jest spotykany w tkance przylegającej do implantu [47]. TiO2 powstaje w procesie korozji implantów ludzkiego ciała (rozwój silnej pasywnej warstwy tlenków na powierzchni Ti) i rozpuszczania 12.

(13) warstwy powierzchniowej implantów w roztworach wodnych [48]. Jony metalu uwolnione z implantów w ludzkim ciele mogą powodować uszkodzenia mechaniczne i niepożądane reakcje biologiczne. Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC) zaklasyfikowała TiO2 jako czynnik rakotwórczy należący do grupy 2b, co oznacza, że powoduje raka u ludzi [49]. TiO2 powoduje niszczenie komórek układu nerwowego, co prowadzi do neurodegeneracji, uszkodzenia mózgu i wielu innych poważnych chorób. Tlenek ten wnika przez błony komórkowe do jądra komórkowego i powoduje uszkodzenie DNA. Jednakże, wykazano, że warstwy TiO2 na powierzchni implantów wykonanych ze stopów. Ti skutecznie poprawiają wydajność biologiczną (np.. biomimetyczny wzrost apatytu [50], zdolność wiązania kości [51], początkowa adhezja komórek podobnych do osteoblastów [52] i wzrost kości na implancie [53]). Warstwy TiO2 otrzymane metodą elektrochemiczną mogą być bezpostaciowe lub krystaliczne, w zależności od potencjału anodowego i elektrolitu, w którym został zanurzony Ti. Struktury krystalograficzne TiO2 są znane i należą do nich: rutyl (układ heksagonalny ścisłe; upakowanie atomów tlenu, w których połowa przestrzeni oktaedrycznych przestrzeni jest wypełniona Ti, termodynamicznie najbardziej stabilna forma), anataz (układ sześcienny, w którym połowa przestrzeni jest wypełniona Ti) i brukit (układ rombowy). Wśród nich rutyl jest głównym produktem utleniania termicznego [54] i korozji elektrochemicznej [55] stopów na bazie Ti. Natomiast na powierzchni implantów zazwyczaj powstaje TiO2 (odmiana anataz), który odpowiada za biozgodność materiałów na bazie Ti [56], [57], [58]. Ze względu na różnicę w strukturze krystalicznej tych dwóch postaci TiO2, ich zastosowanie opiera się na tych charakterystycznych właściwościach, które różnią je od siebie. Najbardziej znaną właściwością ultradrobnego rutylu jest jego odporność na promieniowanie w zakresie nadfioletu (UV). Natomiast, reakcja fotokatalityczna zachodzi na powierzchni nanocząstek anatazu po absorpcji promieniowania UV, które tworzy utleniającą powierzchnię prowadzącą do powstawania wolnych rodników. Powstałe rodniki przekształcają wodę w wysoko utleniające rodniki hydroksylowe i nadtlenki, które utleniają cząsteczki organiczne na powierzchni TiO2. Oba te zjawiska powodują niszczenie materiału biologicznego [59].. 2.5. Żelazo (Fe) Fe jest stosowane prze ludzi od około 5000 lat. Wynika to z faktu, iż żelazo: (1) jest szeroko rozpowszechnione na Ziemi (5% skorupy ziemskiej) w postaci łatwo wydobywanych rud, które zawierają do 70% żelaza (2) są tanie i (3) Fe ma wiele zalet 13.

(14) w stosunku do drogich rozwiązań alternatywnych [60], [61]. Pierwiastek ten występuje w czterech odmianach alotropowych: α (trwała do 768 °C; wykazuje właściwości ferromagnetyczne sieć krystaliczna regularna wewnętrznie centrowana typu A2), β (trwała w zakresie 768–910 °C o właściwościach paramagnetycznych; sieć krystaliczna regularna wewnętrznie centrowanej typu A2), γ (trwała w zakresie 910–1400 °C oraz sieci krystalicznej regularnej ściennie centrowana typu A1), δ (trwała w temperaturze od 1400 do 1535 °C; sieć krystalicznej typu A2) [62], [63] . Fe jest o wiele trwalsze niż miedź lub drewno, a przy tym jest mniej kruche i odporne na wysokie temperatury. Metal ten wykazuje plastyczność po ogrzaniu do odpowiedniej o. temperatury,. różnorodnych. co. kształtach.. pozwala. Następną. na. formowanie. właściwością. Fe. z jest. niego. produktów. możliwość. jego. namagnesowania. Fe jest również bardzo aktywnym metalem i bardziej reaktywnym niż miedź. Reaktywność Fe jest ważną właściwością w świecie makroskopowym, a w skali nano jest parametrem dominującym. Fe występuje w organizmie człowieka, ale nie w stanie wolnym. Metal ten jest składnikiem wielu ważnych białek, takich jak; hemoglobina (występuje w krwinkach czerwonych biorących udział w transporcie tlenu do narządów w ciele człowieka), mioglobina (występuje w tkankach mięśniowych, pełni również rolę w transporcie tlenu przez żyły i tętnice do mięśni). Transport O2 jest możliwy dzięki nietrwałemu jego połączeniu z Fe. Pierwiastek ten jest również ważnym elementem w centrach aktywnych enzymów, do których należą katalaza, cytochromy i peroksydaza [64], [65], [66]. Fe jest potrzebne do prawidłowego funkcjonowania układu odpornościowego, (chroni organizm przed infekcjami). W układzie nerwowym metal ten utrzymuje odpowiednie funkcje fizyczne i intelektualne. Ponadto pierwiastek ten ma właściwości przeciwutleniające, dzięki czemu zwalcza wolne rodniki, które odpowiedzialne za szybkie starzenie się skóry [67]. Fe jest głównym składnikiem stali, jednego z najważniejszych materiałów konstrukcyjnych na świecie. W medycynie stosuje się stal austenityczną, którą jako pierwszą zastosowano do implantowania w organizmie człowieka. Najbardziej popularna jest stal chromowo-niklowo-molibdenowa typu 316L. Duży nacisk kładzie się na czystość metalurgiczną stali, zwłaszcza w odniesieniu do zawartości wtrąceń tlenkowych, siarczkowych i fosforu. Zapewnienie odpowiedniej czystości metalurgicznej i składu. 14.

(15) chemicznego jest podstawowym warunkiem poprawnego zachowania się implantu stalowego w środowisku tkanki. Stale austenityczne stosuje się między innymi w ortopedii, traumatologii, chirurgii szczękowej np. nici chirurgiczne, czy też w kardiochirurgii na np. stenty. Ze względu na fakt, iż implanty w organizmie człowieka narażone są na oddziaływanie środowiska korozyjnego oraz naprężeń ściskających i rozciągających. Implanty stalowe są zaliczane do krótkotrwałych, czyli takich, których okres pozostawienia w organizmie nie powinien przekroczyć dwa lata [68], [69], [70]. Implanty stalowe ulegają pasywacji, której produktem jest między innymi Fe2O3 [71]. Ze względu na to, iż Fe i jego tlenki oddziaływają z płynami ustrojowymi w organizmie człowieka ważne jest poznanie mechanizmu jego oddziaływania z implantem.. 2.6. Tlenek żelaza (III) (Fe2O3) Fe2O3 od starożytności był stosowany przez człowieka, jako barwnik. Związek ten ma szerokie zastosowanie ze względu na jego niski koszt, toksyczność, doskonałą stabilność chemiczną, właściwości optyczne i magnetyczne. Istnieją trzy główne formy Fe2O3NPs: magnetyt (Fe3O4), hematyt (-Fe2O3) i maghemit (γ-Fe2O3,). Hematyt ma strukturę romboedryczną i jest najbardziej rozpowszechnioną formą Fe2O3. Występuje on w naturze w postaci minerałau hematytu, który jest wydobywany głównie, jako ruda żelaza. α-Fe2O3 wykazuje właściwości antyferromagnetyczny w temperaturze poniżej 260 K oraz słabe ferromagnetycznew zakresie temperatur od 260 do 950 K. Natomiast maghemit ma właściwości magnetyczne i strukturę sześcienną. Występuje on naturalnie, jako mineralny maghemit i ma właściwości ferromagnetyczne [72], [73]. Jednakże chociaż. ultradrobne. cząstki. (mniejsze. niż. 10. nm). wykazują. właściwości. superparamagnetyczne. Nanocząstki omówionych tlenków Fe powstają w wyniku utleniania α-Fe, co prowadzi do powstawania wustitu (Fe1–xO). Dalsze utlenianie powoduje przemianę fazową wustitu w magnetyt, maghemit i ostatecznie w hematyt. Nanocząstki maghemitu są jedyną odmianą Fe2O3, która wykazuje właściwości ferrimagnetyczne i półprzewodnikowe oraz są najtrudniejsze do syntetyzowania ze względu. na. termodynamicznie. metastabilną. fazę,. która. jest. nieodwracalnie. przekształcana w hematyt [74], [75]. γ-Fe2O3NPs mają szerokie zastosowanie ze względu na ich niską aktywność chemiczną (a co za tym idzie nietoksyczność), właściwości superparamagnetyczne i półprzewodnikowe oraz znajduje potencjalne zastosowanie, jako katalizatory [76],. 15.

(16) nośniki magnetyczne [77], nanoadsorbenty do usuwania metali ciężkich z wody [78], czujniki gazów [79], składniki ogniw słonecznych [80], środki kontrastowe do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) [81] i magnetycznej hipertermii (metoda leczenia raka) [82], czujniki magnetyczne do diagnostyki in vitro (IVD) i relaksacji superparamagnetycznej (SPMR) [83], nośniki leków i genów [84] oraz nanośrodków [85]. γ-Fe2O3NPs są również doskonałym materiałem do produkcji luminescencyjnych i magnetycznych dwufunkcyjnych nanokompozytów ze względu na ich doskonałe właściwości przewodzące [86]. γ-Fe2O3NPs można stosować, jako sondy SERS, selektywny środek kontrastowy MRI i markery zmian nowotworowych w tkankach, gdy są one powiązane z neuroprzekaźnikiem, który wykazuje efekt autokrynny na wzrost normalnych tkanek i guzów (np. płuca, piersi, żołądka, trzustki, glejaka i nerwiaka niedojrzałego) [87]. Dzieje się tak dlatego, że efekt autokrynny zachodzi poprzez neuroprzekaźniki wydzielane przez autonomiczny układ nerwowy mózgu, obwodowy układ nerwowy, zwoje nerwowe lub rdzeń nadnerczy [88] , które wiążą się z metabotropowymi siedmioma transbłonowymi receptorami sprzężonymi z białkiem G (GPCRs), do których należy np. bombezyna [89].. 2.7. Bombezyna (BN) i jej fragmenty Bombezyna jest endogennym neurotransmiterem zawierający 14 aminokwasów w strukturze pierwszorzędowej (pGlu-Gln-Arg-Leu-Gly-Asn-Gln-Trp-Ala-Val-Gly-HisLeu-Met) (Rys. 1, (A)) [90]. BN została po raz pierwszy wyizolowana ze skóry żaby o nazwie Bombina bombina i Bombina variegate w 1971, stąd jego nazwa [91]. BN należy do rodziny białkowych receptorów sprzężone z białkami G (GPCRs). GPCRs dzielimy na trzy podgrupy receptorów preferujących wiązanie do: neuromedyny B (NMB lub BB1 receptor), peptydów uwalniających gastrynę (ang. gastrin-releasing peptide (GPR lub BB2 receptor)) i receptów bombezyny (ang. bombesin receptor subtype 3, BRS-3 lub BB3 receptor) [89], [92]. Dwie pierwsze grupy receptorów mają duże powinowactwo do receptorów ssaków są to BB1 i BB2. Natomiast BB3 jest przykładem receptora o wysokim stopniu homologii strukturalnej do receptorów BB1 i BB2 [93], [94] dla którego nieznane są naturalne ligandy [95]. Receptory BB1, BB2 i BB3 są szeroko rozpowszechnione u ssaków, w układzie pokarmowym i ośrodkowym układzie nerwowym. Mają one wpływ na procesy fizjologiczne, jak i patologiczne [96], [97], [88], [98]. Wpływają one na przykład: na rytm serca, wzrost normalnych lub nowotworowych tkanek; układ pokarmowy, oddechowy, moczowo-płciowy i odpornościowy [99], [100]. Wykazano, iż 16.

(17) wiele nowotworów złośliwych posiada BB3 (tj. drobnokomórkowego raka płuc (SCLC) (85-100%), glejaka (85%), żołądka, trzustki (75%), prostaty (62-100% ), piersi (62 91%), rak kolczastokomórkowy skóry (100%) lub nerwiak zarodkowy (72%) [101], [102], [103]). Receptory te mogą, zatem mieć znaczenie w leczeniu raka, chorób centralnego układu nerwowego na przykład: choroby Parkinsona, schizofrenii, autyzmu, zaburzeń lękowych mogą być również biomarkerami zmian nowotworowymi drobno nie drobnokomórkowego raka płuc [104], [105], [106], [107].. (A). (B). Rys. 1 (A) Struktura pierwszorzędowa bombezyny, (B) proponowana struktura fragmentu bombezyny BN8-14 [Trp8, Ala9, Val10, Gly11, His12, Leu13, i Met14] [108]. Obecność BN została potwierdzona w organizmie człowieka w mózgu, jelitach i płucach [109]. BN aktywuje sieć szlaków sygnałów i odpowiedzi biologicznych organizmu, w tym morfogeneze (procesy rozwojowe, w wyniku których jest determinowany kształt zarodka) rozgałęziania płuc; proliferacją fibroblastów, limfocytów i komórek pochodzenia śródbłonkowego, nabłonkowego, mezenchymalnego; oraz różnicowaniu komórek typu II [110], [111], [105], [112]]. Niektóre badania sugerują możliwą rolę BN w promowaniu odpowiedzi komórkowych, które mogą przyczyniać się do procesów in Vitro, w tym aktywacji makrofagów i fagocytozy, chemotaksji makrofagów i fibroblastów, zwężeniu naczyń i mięśni gładkich, zakłócaniu wydzielania soku żołądkowego, czynności nerek i krążenia [113], [114], [115]. BN powoduje rozwijanie dysplazji oskrzelowo-płucnej. Zaangażowana ona jest w patofizjologię kilku innych przewlekłych chorób zapalnych płuc. BN jest w stanie stymulować wzrost niezależnych od androgenów komórek rakowych (trzustkowych, piersi, prostaty lub płuc) [116], [117], [118], [119]. Zbadano również wpływ 17.

(18) antagonistów bombezyny na ekspresję czynnika angiogennego na czynnik wzrostu naczyń krwionośnych, czynnik fibroblastkowy i czynniki insulinopodobne [120], [121]. Oprócz efektów stymulujących wzrost, wykazano, że bombezyna modyfikuje morfologię komórek i cytoszkielet aktyny w nietransformowanych komórkach oraz stymuluje rozwój ludzkich komórek raka prostaty i drobnokomórkowego raka płuc. BN jest drugim, po najważniejszym. cholecystokininie,. źródłem. negatywnego. sprzężenia. zwrotnego. sygnałów, które prowadzi do przerywania zachowania żywieniowego [122], [123]. Badania struktury i funkcji bombezyny i jej fragmentów, takich jak: BN13-14, BN12-14, BN11-14, BN10-14, BN9-14 czy BN8-14 (gdzie: X-14 sekwencja aminokwasów we fragmencie BN) (patrz Tabela 1, sekwencja aminokwasów) prowadzą do zdefiniowania wiążącej domeny i wymagań dla aktywowania receptora [124], [125]. Badania te wykazały, że najmniejszy fragment BN, którym jest BN8-14 wykazuje taką samą aktywność biologiczną względem GPCRs co bombezyna [126]. Zaproponowano, że aktywna struktura BN w której peptyd ten łączy się z GPCRs jest struktura antyrównoległej β-kartki z zwrotem przy aminokwasach w pozycjach 10-13 i wiązaniem wodorowym pomiędzy grupami: NH2 z Met14 i C=O z Trp8, C=O z Leu13 i N-H z Val10 oraz między N-H Leu13 i C=O Val10 [127], [97], [128]. Wykazano również, że aminokwasy w pozycjach od 7 do 10 różnią się znaczenie dla GPCRs i innych podtypów receptorów bombezyny sugerując tym samym, że model aktywnej konformacji BN do oddziaływania z GPCRs nie ma zastosowania do innych podtypów receptorów. Ponadto, zostało udowodnione, że grupa karbonylowa reszty Gln7 odgrywa kluczową rolę w rozpoznawaniu szlaku receptorowego [129]. Zostało zaproponowane, że wiązanie C=O z wiązania peptydowego pomiędzy Gly7 ,a Trp8 i jego położenie w receptorze ma większy wpływ niż grupa -COOH z Gln7 Tabela 1 Sekwencja aminokwasów bombezyny i jej sześciu fragmentów.. Polipeptydy. 1. 2. 3. 4. 5. Sekwencja aminokwasów 6 7 8 9 10. 11. 12. Gly Gly Gly Gly Gly. His His His His His His. 13-14. BN BN12-14 BN11-14 BN10-14 BN9-14 Ala BN8-14 Trp Ala BN pGlu Gln Arg Leu Gly Asn Gln Trp Ala OH Wzory H N O strukturalne NH2 ważnych N aminokwasów L-Tryptofan(Trp) L-Histydyna (His). Val Val Val Val. NH2. N H. 18. 14 Met Met Met Met Met Met Met. HO. OH. O. 13 Leu Leu Leu Leu Leu Leu Leu S. O. CH3 NH2. L-Metionina (Met).

(19) na zwiększenie lub zmniejszenie powinowactwa BN do GPCRs [130] (Rys. 2, (B)). Dlatego też sekwencja aminokwasów od 8 do 10 w BN jest ważna dla białkowych receptorów sprzężonych z białkami G. Ponadto, wykazano, że wolna BN ma strukturę nieuporządkowaną, podczas gdy wiąże się do membrany fosfolipidowej przyjmuje strukturę α-helisy [131], [132]. Udowodniono, że usunięcie lub zastąpienie Trp8 powoduje powstanie nieaktywnego analogu. W związku z tym uważa się, że Trp8 jest odpowiedzialny za rozpoznawanie receptora [133]. Wykazano również, że Met nie jest istotna dla aktywności BN, ponieważ inne aminokwasy w pozycji 14 norleucyna (Nle14), też dają agonistów [134], [135]. Jednakże, pozycja grupy karboksamidowej ma zasadnicze znaczenie dla ekspresji aktywności biologicznej, ponieważ jej usunięcie zawsze daje czystych antagonistów [136], [137]. W związku z tym ważne jest badanie fragmentów bombezyny.. 2.8. Spektroskopia Ramana W 1928 roku hinduski fizyk Chandrasekhary Venkaty Ramana opublikował pracę na temat zjawiska nieelastycznego rozpraszania światła. Za to odkrycie w 1930 roku otrzymał on Nagrodę Nobla, a efekt nazwano jego imieniem. Efekt Ramana polega na tym, iż energia rozproszonego fotonu może być większa lub mniejsza niż energia fotonu padającego. Zdarza się tak wtedy, gdy cząsteczka po oddziaływaniu z promieniowaniem elektromagnetycznym przenosi się na wyższy poziom oscylacyjny, a rozproszony foton ma energię niższą o różnicę energii od energii fotonu padającego poziomów oscylacyjnych hν (pasmo stokesowskie [Rys. 2, (a)]). Drugi typ pasm ramanowskich, czyli. pasma. antystokesowskie. powstają. wtedy,. gdy. przed. oddziaływaniem. elektromagnetycznym cząsteczka była w stanie wzbudzonym, a po nim wróciła na poziom podstawowy [Rys. 2, (c)]. Prawdopodobieństwo zaobserwowania wspomnianych efektów jest bardzo małe, ponieważ około jeden na 107 fotonów ulega temu rozpraszaniu [138]. Trzy reguły wyboru muszą zostać spełnione w spektroskopii ramanowskiej. Pierwsza z nich uwzględnia fakt, iż różnica energii fotonu padającego i rozproszonego musi pasować do różnicy poziomów oscylacyjnych: ΔE = hν0 - hνR. Druga reguła zakłada, iż w czasie przejścia następuje kwantowa zmiana liczby oscylacji o: Δν=+1 (dla oscylator harmonicznego) lub Δν=+1, +2, +3,…, 19. (dla oscylator anharmonicznego)..

(20) Ostatnia z tych reguł uwzględnia założenie iż w czasie drgań nastąpi zmiana polaryzowalności cząsteczki [139].. Rys. 2 Diagram energetyczny dla procesów rozpraszania (a) i (c) Ramana oraz (b) Rayleigha [138].. Próbki do pomiarów za pomocą spektroskopii ramanowskiej nie wymagają specjalnego przygotowania można je mierzyć zaraz po pobraniu. W trakcie pomiaru badana substancja nie ulega zniszczeniu. Kolejną dużą zaletą tej metody jest badanie próbek in situ w roztworach wodnych [139].. 2.9. Technika powierzchniowo-wzmocnionego efektu Ramana (SERS) SERS jest techniką spektroskopii Ramana, która umożliwia badania procesu adsorpcji na powierzchni metali. Widma SERS dają informacje o fragmencie cząsteczki, która znajduje się najbliżej powierzchni SERS aktywnego substratu metalicznego. Z tego powodu widma SERS adsorbatu różnią się od jego widma zebranego w spektroskopii Ramana. Oznacza to, iż pasma intensywne na widmie ramanowskim mogą być nie obecne w widmie SERS. Może też wystąpić sytuacja na odwrotna, to znaczy słabe pasmo w widmie ramanowskim ulegnie wzmocnieniu w widmie SERS. Interpretacja widm SERS bazuje na różnicach pomiędzy częstościami, intensywnościami i szerokościami w połowie intensywności pasm obserwowanych w widmach SERS i Ramana, a także w oparciu o tak zwane reguły wyboru [140], [141], [142]. Zasadniczo reguły wyboru w SERS są takie same jak w konwencjonalnym Ramanie. Jednakże, ze względu na 20.

(21) większe lokalne pole elektryczne na powierzchni metalu, drgania prostopadłe do powierzchni są znacznie intensywniejsze. Widma SERS dla cząsteczek o wysokiej symetrii są przewidywane w oparciu o regułę wyboru Herzberga-Tellera, która podaje iż względna intensywności drgań SERS zależy od stosunku sił oscylatora przejść optycznych i stałej sprzężenia wibronowego Herzberg-Teller [143], [144], [145]. Wzmocnienie sygnału SERS zależy między innymi od: rodzaju powierzchni metalicznej lub półprzewodnika, częstości promieniowania wzbudzającego, efektywnego, ramanowskiego przekroju czynnego i chemicznego pochodzenia molekuły. Możliwe również jest wzmocnienie sygnału, wtedy gdy częstość promieniowania wzbudzającego znajduje się w rezonansie z pasmem absorpcyjnym, które ma wysoki współczynnik ekstynkcji. molowej,. badanej. cząsteczki.. Zwiększenie. stopnia. schropowacenia. powierzchni metalu pomaga w osiągnięciu dobrego wzmocnienia sygnału SERS [146]. Zalety techniki SERS [147], [148], [149]:  wzmocnienie efektu ramanowskiego do 106 razy, które zależy od rezonansu plazmowego. powierzchni,. morfologii. powierzchni. metalicznej,. optycznych. właściwości podłoża metalicznego, a także tworzenie się π-elektronowych kompleksów aromatycznych;  bardzo wysoka czułość techniki, widma SERS otrzymywane dla adsorbatów o stężeniu wynoszącym 10-14M;  wygaśnięcie tła fluorescencyjnego w porównaniu do tradycyjnej spektroskopii ramanowskiej; Ograniczenia techniki SERS:  niezbędne stosowanie jest aktywnych substratów metalicznych;  prawdopodobieństwo pojawienia się innych procesów takich jak luminescencji lub absorpcji;  trudności w kontrolowaniu jednorodności chropowatych powierzchni metalicznych.. 21.

(22) 2.9.1. Mechanizm SERS W. literaturze. opisano. kilka. mechanizmów. SERS.. Do. najbardziej. prawdopodobnych przyczyn wzmocnienia promieniowania rozproszonego zaliczana jest wypadkowa dwóch mechanizmów: elektromagnetycznego (EM), który spowodowany jest polem elektromagnetycznym ( E L ) i chemicznego (CE), na którego powstanie wpływa polaryzowalność cząsteczki (  ). Mechanizm wzmocnienia efektu SERS można opisać za pomocą następującego wzoru:.  L   E L  L  Powyższy wzór opisuje zależność pomiędzy momentem dipolowym cząsteczki (   L  ) wyindukowanym przez oddziaływanie pola elektromagnetycznego padającego promieniowania elektromagnetycznego i polaryzowalności cząsteczki. Obserwowane w SERS wzmocnienie ramanowskiego przekroju czynnego dla zaadsorbowanej cząsteczki zachodzi w wyniku wzrostu intensywności pola elektromagnetycznego, zwiększenia polaryzowalności tej cząsteczki, a także, gdy obie te wielkości wzrastają. Z powyżej przytoczonych dwóch mechanizmów wzmocnienia sygnału SERS dominującym jest mechanizm elektromagnetyczny, który odpowiedzialny jest za wzmocnienie sygnału SERS o intensywność w zakresie od 102 do 1012 w stosunku do spektroskopii klasycznego Ramana. Natomiast, w przypadku mechanizmu chemicznego intensywność sygnału wzrasta do około 102. W mechanizmie chemicznym na wzmocnienie sygnału zaadsorbowanej cząsteczki ma wpływ jedynie zmiana stanu elektronowego cząsteczki wynikająca z jej chemisorpcji. Natomiast, mechanizm EM silnie zależy od obecności tak zwanych schropowaceń na powierzchni metalu, np. w postaci igieł. EM zmienia zatem intensywność promieniowania rozproszonego immobilizowanej cząsteczki nie powodując zmiany jej przekroju czynnego, podczas gdy w CE oddziaływanie metal z zaadsorbowaną cząsteczką zmienia jej naturę chemiczną [150], [151], [152] .. 2.9.2. Adsorpcja na metalach i półprzewodnikach Najsilniejszy sygnał SERS otrzymuje się na powierzchni Au, dlatego w 90% badań SERS ten metal i jego połączenia z innymi metalami/niemetalami. Drugim metalem stosowanym w technice SERS jest Au, ponieważ zapewnia ona warunki rezonansu plazmonów powierzchniowych w zakresie promieniowania widzialnego 22.

(23) i bliskiej podczerwieni. Jednakże, wzmocnienie sygnału SERS jest słabsze aniżeli na Ag. Powierzchnie Au wykazują kilka innych pożądanych właściwości, w tym: wysoki potencjał (1.5 V), który zapobiega utlenianiu powierzchni, w związku z tym mogą być stosowane w różnych badaniach redoks, w postaci elektrody [153], [154]; są odpowiednie do chemicznej modyfikacji go przez polaryzowanie zarówno na metalicznych i niemetalicznych materiałach [155], [156], [157], [158]; cząsteczki biologiczne związane z powierzchnią Au zachowują swoją aktywność biologiczną i wreszcie, tzw. miejsca aktywne na Au wykazują większą stabilność niż na Ag [159], [160]. W technice SERS oprócz Ag i Au wykorzystuje się jeszcze Pt. Początkowo inne metale przejściowe, oprócz Au i Ag były powszechnie uważane za nieaktywne w technice SERS [161], [162]. Pierwsze eksperymenty z zastosowaniem Pt, zostały wykonane przy wykorzystaniu linii wzbudzającej w zakresie promieniowania ultrafioletowego [163], [164]. Alternatywną strategią uzyskiwania intensywnych widm SERS na podłożach z nanostrukturami Pt polega na zapożyczeniu wzmocnienia od sąsiadującej nanometrowej powierzchni Ag lub Au. Należy jednak zauważyć, że cienka warstwa Pt może wykonywać inne właściwości, niż elektroda wykonane z Pt [165], [166], [167]. Oprócz metali szlachetnych w technice SERS stosuje się metale przejściowe, w których z poziomem Fermiego pokrywa się d-pasmo. Do tych metali należy Ti i Fe [168], [169], [170]. Metale szlachetne stosowane w SERS aktywne substraty w postaci koloidów, metalicznych powierzchni otrzymanych w wyniku schropowacenia w cyklach utleniająco-redukcyjnych, cienkie filmy metaliczne osadzone z fazy gazowej, nanostruktury uzyskane z zastosowaniem litografii. Z pośród tych rodzajów powierzchni najczęściej wykorzystywane są koloidy, pomimo ich tendencji do agregowania. Proces ten powoduje zmianę rozmiaru i kształtu nanocząstek, nie można go kontrolować, a co za tym idzie nie ma możliwości oszacowania miejsc aktywnych. Dlatego też, chętnie stosuje się SERS aktywnych substratów, które nie ulegają agregacji takie jak np. filmy, elektrody, wypolerowane płytki metali [171], [172], [173], [174], [175] , [176], [177]. W technice SERS najczęściej stosowane są powierzchnie metali, jednakże wzmocnienie efektu Ramana obserwowane jest również na półprzewodnikach takich jak TiO2 [178], [179] i Fe2O3 [180], [181].. 23.

(24) Cząsteczka zaadsorbowana na półprzewodniku tworzy z nim jeden układ, w którym powstaje wzmocnienie SERS poprzez kombinacje wszystkich rezonansów w systemie cząsteczka-półprzewodnik. Więc należy uwzględnić możliwy wkład plazmonów. powierzchniowych,. transferu. ładunku,. cząsteczek. i. rezonansu. ekscytonowego. Maksymalne wzmocnienie SERS na półprzewodnikach występuje na krawędzi pasma metalicznego, a nie na poziomie Fermiego jak w metalach. [182]. Dla TiO2NPs obserwowane jest wzmocnienie SERS wynoszące 106, a dla γ-Fe2O3NPs wynosi ono 103 [183], [184].. 2.9.3. Adsorpcji na powierzchni Pt, Ti, TiO2NPs, Fe i Fe2O3NPs Do tej pory na powierzchni Pt zaadsorobowano małe i/lub symetryczne cząsteczki. Do chwili obecnej, Hahn and Melendres badali proces utleniania metanolu na elektrodzie wykonanej z Pt [185]. Kim i Kim wykorzystali nanoagregaty Pt do adsorpcji benzenotiolu [186], natomiast Bartlett i jego współpracownicy zaadsorbowali ten sam związek na foli Pt o różnej grubości [161]. Ikeda i jego zespół zmierzy samoorganizujące się monowarstwy izocyjanianu 4-chlorofenylu na powierzchni Pt (111) i Pt (100) [187]. Tian i współpracownicy otrzymali widmo SERS dla pirydyny zaadsorbowanej na elektrodzie platynowej [188], podczas gdy Wu i jego zespół zaadsorbowali pirydynę na powierzchni mikocząsteczek platyny [189]. Li i współpracownicy zaprezentowali widma SERS o wysokiej rozdzielczości wody na PtNPs [190]. Popp i współpracownicy osadzili melaminę na PtNPs [163]. Dodatkowo, w literaturze można znaleźć kilka innych wzmianek o zastosowaniu SERS dla acetonitrylu (CH3CN), etylenu (CH2 = CH2), kwasu nadchlorowego (HClO4) i tlenku węgla (CO) zadsorbowanych na platynie [191], [192]. Należy nadmienić, iż cienka warstwa Ti może mieć inne właściwości adsorpcyjne, niż jego nanocząstki tego metalu. Do tej pory tylko niewielu badaczy przedstawiło efekt SERS wzbudzony w zakresie widzialnym promieniowania elektromagnetycznego do pomiarów na Ti, TiN lub TiO2 dla małych i/lub wysoce symetrycznych cząsteczek. Zhao i jego zespół ocenił aktywność nanopręcików Ti w SERS stosując rodaminę G6 (RG6) i fiolet krystaliczny [193]. Dwie inne grupy badawcze, Vogela i Chena, osadzili odpowiednio L-lizynę [194] i kwas 4-hydroksybenzoesowy [195] na powierzchni Ti. Ponadto Xiao badał oddziaływanie pomiędzy TiO2NPs i trzema ściśle związanymi strukturalnie flawonoidami występującymi w owocach cytrusowych [196]. Polubotko i Chelibanov unieruchomili hydrochinon na TiO2NPs [197], podczas gdy Zhang i jego współpracownicy. przedstawili. widmo. SERS 24. kwasu. 4-merkaptobenzoesowego.

(25) immobilizowanego na tym nanomateriale [198]. Również zespoły Weiego i Zhao wykazały aktywność w SERS dla filmu z TiN przy użyciu RG6 i/lub fioletu krystalicznego [199], [200]. Bu i współpracownicy wykorzystali nanopręciki złota samoorganizujące się na powierzchnie TiO2 w celu wykrycia 2-chlorotiofenolu i rodaminy B [201]. Grochowska i współpracownicy zastosowali wysoce uporządkowaną nanometryczną warstwę z Ti, do wykrywania R6G, jednak opublikowane przez nich widma SERS miały niską stosunek S/N [202]. Na powierzchni elektrody Fe schropowaconej elektrochemicznie do chwili obecnej zaadsorbowano: imidazol (Wanga i współpracownicy [203]), pirydynę i chlorek pirydyny (Aramaki i współpracownicy [204]) oraz tiocyjaninę (Cao i współpracownicy [205]). Gu i jego zespół na powierzchnię srebra napylono FeNPs, a następnie zaadsorbowano pirydynę [206]. Aramaki i Uehara zaadsorbował pirydynę i N-etylopirydynę na powierzchni Fe [207]. Ohno i współpracownicy przedstawili widma SERS dla siarczku dibenzylu unieruchomionego na powierzchni Fe/Ag [208]. Podczas gdy Andrade i jego zespół zaadsorbowali 1,10-fenantrolinę na powierzchni Fe [209]. Kim i współpracownicy na powierzchni Ag/Fe2O3NPs unieruchomili benzenotiol, adeninę, ryboflawinę, pentachlorobenzenotiolinę oraz naftalen [210]. Tang i jego zespół na powierzchni Au/Fe2O3NPs zaobserwowali efekt SERS dla 4-aminotiofenolu [211]. Shen i jego współpracownicy na powierzchni Au/Fe2O3NPs zaadsorbowali pirydynę [212].. Fu. i. współpracownicy. na. powierzchni. Fe2O3NPs. zaadsorbowano. 4-merkaptopirydynę [181]. Inni badacze np. Zhang i jego zespół na α-Fe2O3/rGO zaadsorbowali Rodamine 6G [213]. Na powierzchni γ-Fe2O3@Au zaadsorbowano 1,4-dioksan (Hang [180]), kwas 4-merkaptobenzoesowy (Hu i jego zespół [214]).. 2.9.4. Zastosowanie SERS Powierzchniowo–wzmocniony efekt Ramana jest najczęstszą stosowaną techniką in situ do badania procesu adsorpcji na granicy faz ciało stałe/ciecz. Ze względu na swoją. prostotę. i. możliwość. określenia. struktury. adsorbatu. (np.. peptydów,. neuroprzekaźników, enzymów, przeciwciał lub DNA) w wodnym roztworze. Technika ta daje również możliwość testowania różnych typów architektury supermolekularnych i badania zjawiska adsorpcji peptydów [215], [216], [154], [217]. Uważa się, że odziaływanie na granicy faz mają ogromne znaczenie dla wielu dziedzin, w tym: biokatalizy, bioelektrochemii, konstrukcji biosensorów, w analizie biokompatybilności 25.

(26) biomateriałów oraz w celu zrozumienia zachowania się in vivo implantów. Oddziaływanie z powierzchniami nanostrukturalnymi a systemami biologicznymi i fizycznymi mogą być w przyszłości wykorzystywane do konstruowania czujników biologicznych, zrozumienia zdarzeń niepożądanych, które występujących podczas kontaktu implantu ze składnikami płynów ustrojowych (np. plazma krwi), w okresie okołooperacyjnym, do projektowania optymalnych warstw powłoki implantu kości, stentów i sztucznego serca, a także uproszczenie procesu projektowania i syntezy leków [217], [218],[194].. 2.10. Adsorpcja na granicy faz ciało stałe/roztwór Adsorpcja to zjawisko występujące na granicy zetknięcia się dwóch faz. Związana ona jest z występowaniem nie wysyconych sił międzycząsteczkowych, takich jak wiązanie kowalencyjne, jonowe i Van der Waalsa. W konsekwencji oddziaływania wspomnianych sił zachodzi zmiana stężenia adsorbatu w fazie ciekłej lub gazowej i jego stężenia na granicy faz. Substancje, na powierzchni której zachodzi proces adsorpcji nazywamy adsorbentem. Najczęściej takim materiałem jest porowate ciało stałe w tym chropowata powierzchnia elektrody czy aglomerat nanocząstek metalu. Adsorpcję podzielono ze względu na stężenie adsorbatu na powierzchni adsorbentu na dodatnią i ujemną. Drugi podział opiera się na rodzaju oddziaływań i wyróżnia się adsorpcje fizyczną (fizysorpcja) i chemiczną (chemisorpcja). W technice SERS zachodzi adsorpcja chemiczna i fizyczna substancji rozpuszczonych w wodzie na powierzchni metalu lub półprzewodnika [219], [220]. W trakcie chemisorpcji cząsteczki adsorbatu łączą się z powierzchnią metalu z utworzeniem wiązań chemicznych, które najczęściej mają charakter kowalencyjny. Entalpia tego procesu jest dużo większa niż w przypadku adsorpcji fizycznej i wynosi ona. od. 100. do. 400. kJ/mol.. Cząsteczki. substancji. zaadsorbowanej. tworzą. z powierzchnią metalu pojedynczą warstwę. Adsorpcja chemiczna jest zwyczajnie procesem nieodwracalnym. Rozpatruje się ją w układach: ciało stałe-ciecz, ciecz-ciecz, ciecz-gaz i ciało stałe-gaz. Najczęściej stosowane są układy: ciało stałe-ciecz i ciało stałe–gaz ze względu na stały adsorbent o rozwiniętej powierzchni [220]. Proces chemisorpcji na granicy faz ciało stałe–roztwór jest zjawiskiem bardziej złożonym w porównaniu do adsorpcji z gazów. W tym przypadku na powierzchni adsorbentu. osadzają. się. zarówno. cząsteczki 26. substancji. rozpuszczonej. jak.

(27) i rozpuszczalnika. Składniki roztworu na skutek zmiany stężenia mogą wypierać się wzajemnie z warstwy utworzonej na powierzchni. Oddziaływanie składników roztworu adsorbentem ma wpływ na wielkość adsorpcji tzn. substancja rozpuszczona tym lepiej adsorbuje się, im gorzej rozpuszcza się w wybranym rozpuszczalniku. Natomiast, na ilości zaadsorbowanego na powierzchni rozpuszczalnika ma wpływ jego zdolność zwilżania adsorbentu, np. woda słabo zwilża węgiel aktywny, a zatem z roztworu wodnego adsorbuje się w przede wszystkim substancja rozpuszczona [219],[220]. Proces adsorpcji na granicy faz ciało stałe-ciecz ma duży wpływ na wiele procesów technologicznych i przemysłowych. Między innymi adsorpcja surfaktantu na granicy faz ciało stałe-ciecz odgrywa ważną rolę w trakcie mycia, rozdrabniania ciał stałych, flotacji mineralnej, wydobycia ropy naftowej i zapobieganiu korozji [221], [222], [207]. Zjawisko adsorpcji znalazło również szerokie zastosowanie w medycynie, przy konstruowaniu leków o przedłużonym działaniu [223], [224]. Przykładem takiego zastosowania ma układ składający się z nanocząstki, spełniających funkcję nośnika radionuklidu i cząsteczki biologicznie czynnej mogącej rozpoznać antygeny lub receptory na powierzchni komórki nowotworowej. Związkami, które mają powinowactwo do receptorów dużej ilości nowotworów należy: substancja P, kwas foliowy, somatostatyna i bombezyna. Do tej pory zastosowano BN połączoną z AuNPs do detekcji komórek raka prostaty. Badania te jak na razie wykonano jedynie na myszach [225]. Proces adsorpcji cieczy na powierzchni metalu ma wpływ na zjawisko osteointerganicji (połączenia pomiędzy kością i przylegającą do niej powierzchnię wszczepu) endoprotez i implantów. Mechanizm tego procesu, jak do tej pory nie został dokładnie poznany [5], [6], [7], [8].. 27.

(28) 3. Cel pracy Celem niniejszej pracy jest: 1. Otrzymywanie i charakterystyka tlenków metali i powierzchni metalicznych. 2. Zbadanie zjawiska adsorpcji występującej na granicy powierzchni metalicznej i roztworu wodnego. 3. Badanie wpływu adsorbatu na proces korozji wybranych powierzchni metalicznych. 4. Zastosowanie techniki SERS do badań in vivo korozyjnych procesów metali stosowanych w implantach i endoprotezach.. 28.

(29) 4. Część eksperymentalna 4.1. Adsorbat Bombezyna i jej sześć fragmentów: BN13-14, BN12-14, BN11-14, BN10-14, BN9-14 (gdzie: X-14 sekwencja aminokwasów w fragmencie BN) zakupiono w firmie Sigma-Aldrich (Polska), natomiast fragment BN8-14 zakupiono w firmie Bachem Co. (Szwajcaria). Wszystkie związki zostały użyte bez wcześniejszego oczyszczania.. 4.2. AuNPs/SiO2 Powierzchnia szkła wodnego pokryta nanocząstkami złota (99.999% Au, wysoko krystaliczne złoto o orientacji <111> i <100>; grubość warstwy złota wynosi 1000 Å; średnica x grubość 101,6 mm × 500 μm płytki szkła wodnego) zakupiono w firmie Sigma-Aldrich (Polska).. 4.3. Synteza PtNPs PtNPs zostały otrzymane. poprzez redukcję soli platyny (PtCl2) wrzącym. glikolem etylenowym. W warunkach syntezy glikol etylenowy pełni jednocześnie rolę reduktora i środowisko reakcji. Przebieg syntezy jest następujący: do kolby okrągłodennej wlano reduktor (glikol etylenowy) i dodano chlorek platyny (II). Kolbę wraz z zawartością ogrzewano w stałej temperaturze przez trzy godzinny. Następnie nanocząstki były oddzielane od środowiska syntezy i oczyszczane poprzez wielokrotne wirowanie i przemywanie wodą destylowaną. Tak uzyskane nanocząstki stosowane były do dalszych badań. Metoda ta pozwala uzyskać PtNPs o bardzo wysokiej czystości [226], [227].. 4.4. Płytka Ti, Fe Płytka Ti o grubości 0.74 mm (99,4% metalu Ti) i Fe o grubości 0.25 mm (99,995% metalu Fe) zakupiono w firmie Alfa Aesar. Przed badaniami płytki wypolerowano na szlifierko-polerce przy użyciu papieru ściernego o różnej gradacji (800, 1200, 2400, 4000). Następnie płytkę oczyszczono w myjce ultradźwiękowej w roztworze etanolu przez 15 min dla Ti i 30 min dla Fe.. 29.

(30) 4.5. TiO2NPs TiO2NPs o odmianie polimorficznej anatazu zakupiono w firmie Sigma-Aldrich Polska. Z zakupionego nanoproszku sporządzono wodny roztwór.. 4.6. Synteza γ-Fe2O3NPs γ-Fe2O3NPs zostały otrzymane metodą chromoamperometrii (w temperaturze pokojowej przy stałym potencjale elektrody wynoszącym 0.4 V przez 0.5 godziny na potencjostacie AUTOLAB PGSTAT 30). Zostały przygotowane dwa roztwory 0.1 M chlorku litu (LiCl; from Sigma-Aldrich, Poland) w wodzie i alkoholu etylowym. Roztwory te zmieszano w stosunku objętościowym 1:1. Proces elektrochemiczny prowadzono w atmosferze obojętnej poprzez powolne barbotowanie argonem roztworu w standardowym układzie składającym się z trzech elektrod: blaszka platynowa (przeciw elektroda), Ag/AgCl (1M KCl) (elektroda porównawcza) i pręt Fe (99.99% Fe) (elektroda pracująca). Wytrącony produkt anodowego roztwarzania Fe była w postaci ziaren o ciemnopomarańczowy kolorze γ-Fe2O3NPs [228]. Następnie otrzymane NPs zostały oczyszczone z alkoholu etylowego poprzez odwirowanie przy szybkości obrotów 10 000 rpm.. 4.7. Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) Zdjęcia SEM dla badanych powierzchni i powierzchni z adsorbatem wykonano na mikroskopie Versa 3D Dual Beam, pracującym przy wiązce energii o wartości 10 keV i prądzie wiązki 4 nA. Podczas pomiaru zastosowano dwa detektory: EverhartaThornleya (ETD) i dla elektronów wstecznie rozproszonych (BSE). Badane powierzchni metali zanalizowano za pomocą spektrometru rentgenowskiego (EDS) z rozdzielczością spektralną 136 eV.. 4.8. Spektroskopia elektronowa (UV-Vis) Spektroskopia elektronowa w zakresie światła widzialnego–ultrafioletu została zastosowano do zbadania wodnych roztworów: PtNPs, TiO2NPs, γ–Fe2O3NPs, PtNPs/BN, TiO2NPs/BN i γ–Fe2O3NPs/BN (gdzie powierzchnia/adsorbent w tym wypadku to bombezyna). Próbki nanocząstki/adsorbent przygotowano tak samo jak do pomiarów SERS (patrz opis pomiarów SERS). Widma układów: γ–Fe2O3NPs/BN,. 30.

(31) TiO2NPs/BN wykonano po 120 minutach. Natomiast dla PtNPs/BN po 180 minutach od zmieszania. Badania wykonano na spektrometrze Lambda 25 UV-Vis w zakresie długości fali od 200 nm do 1100 nm.. 4.9. Dyfrakcja rentgenowska (XRD) Widma dyfrakcji rentgenowskiej dla badanych próbek zostały zebrane przy użyciu dyfraktometru Bruker D2 PHASER (CuKα1 długość fail wynosi λ= 1.54056 Å) w zakresie kąta 2 wynoszącym 10˚–110˚.. 4.10. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IRATR) Spektroskopia w podczerwieni wykorzystano do badań TiO2NPs i γ–Fe2O3NPs. Widma w podczerwieni zebrano w temperaturze pokojowej przy użyciu spektrometru FT–IR Thermo Scientific Nicolet 6700 wyposażonego w wysokociśnieniową przystawkę ATR z kryształem diamentowym. Źródłem wzbudzającym był pręt Nernsta, a detektorem jest siarczan deuterowano-triglicynynowy. Widma zebrano w częstości zakresie od 400 cm-1 do 4000 cm-1, z rozdzielczością wynoszącą 4 cm-1.. 4.11. Przygotowanie próbek polipeptydów do pomiarów SERS Peptydy rozpuszczono w wodzie dejonizowanej (0,08 μS/cm), otrzymano stężenia roztworów wynoszących 10-4 mol/dm3 , a pH otrzymanego roztworu wyniosło 7.. 4.12. Spektroskopia Ramana i powierzchniowo-wzmocniony efekt Ramana (SERS) Na wypolerowaną powierzchnię płytki Ti, Fe i AuNPs/SiO2 naniesiono po 10 kropli każdego z badanych polipeptydów. Po dwóch godzinach zmierzono widma SERS. Przygotowano po 10 próbek: PtNPs, γ–Fe2O3NPs i TiO2NPs o objętość po 40 μl zmieszanano z 20 μl roztworów badanych polipeptydów (o stężaniu 10-4 mol/dm3). W tak przygotowanych próbkach stężenie polipeptydów wynosiło 3∙10-5 mol/dm3. Widma SERS zbierano po trzech (PtNPs) i dwóch godzinach (γ–Fe2O3NPs i TiO2NPs) od zmieszania. Widma Ramana i SERS wykonano przy użyciu spektrometru InVia (Renishaw), wyposażonego w detektor CCD i mikroskop Leica (obiektyw 50x). Widma 31.

(32) zarejestrowano z rozdzielczością 4 cm-1 przy długość fali 785 nm z lasera diodowego. Moc lasera na wyjściu została ustawiona na: 10 mW (płytka Ti, PtNPs i AuNPs/SiO2) i 20 mW (płytka Fe, γ–Fe2O3NPs, TiO2NPs). Czas ekspozycji dla każdego pomiaru Ramana i SERS wynosił 40 s, z pięcioma skanami (seria 5 widm, każdy skan trwa 40 s, co daje czas ekspozycji wynoszący 200 s). Otrzymane widma SERS były prawie identyczne, z wyjątkiem niewielkich różnic w intensywnościach pasm do 4%. Podczas pomiarów nie zaobserwowano zmian na widmach, które wskazywałyby na rozkład próbki.. 32.

(33) 5. Analiza wyników badań i dyskusja 5.1. Charakterystyka SERS aktywnych substratów. 5.1.1. AuNPs/SiO2 Na rysunku 3 zaprezentowano zdjęcia SEM dla powierzchni AuNPs/SiO2 (Rys. 3, (A)), na których została zaadsorbowano BN (Rys. 3, (B)). Wielkość ziaren AuNPs (przy powiększeniu 200 000x) osadzonych na powierzchni szkła wodnego zawiera się w przedziale od 70 nm do 226 nm. Na zdjęciu (B) widać wyraźnie węglową warstwę substancji organicznej świadczącą o tym iż nastąpiła adsorpcja peptydu na powierzchni AuNPs/SiO2.. Rys. 3 Zdjęcie SEM powierzchni AuNPs/SiO2 (A) i AuNPs/SiO2 zaadsorbowaną na jego powierzchni BN (B) [108].. 5.1.2. PtNPs Rysunek 4 przedstawia dyfraktogram rentgenowski PtNPs, z prążkami dyfrakcyjnymi w przedziale od 10° do 90°. Dyfrakcyjne prążki mają następujące wartości 33.

(34) kątów 2Ө:. 39.89°, 46.40°, 67.7° i 81.57°. Prążki te odpowiadają indeksowanym. płaszczyznom kryształów odpowiednio: (111), (200), (220) i (311). Dyfraktogram ten jest charakterystyczny dla układu sześciennego ściennie centrowanego (ang. face-centeredcubic, fcc) [JCPDS: #04-0802, grupa przestrzenna: Fm3m] [229], [230]. Wielkość krystalitu Pt obliczona na podstawie szerokość linii dyfrakcyjnej z równania Debye'a Scherreya [231] została wyliczona na 12 nm.. Rys. 4 Widmo XRD dla PtNPs [232].. Na rysunku 5, (A) przedstawiono widma UV-Vis wodnego roztworu PtNPs (linia ciągła granatowa) i PtNPs z zaadsorbowanym na jego powierzchni peptydem (PtNPs/BN (przerywana linia granatowa)). Widmo PtNPs wykazuje maksimum absorpcji przy 206 nm i jest zgodne z danymi literaturowymi [233], [234], [229]. W widmach tych obserwuje się również słabe, szerokie pasmo w zakresie 240 - 270 nm. Po dodaniu BN do PtNPs nieznaczną zmiana w zakresie plazmonu powierzchniowego (przesunięcie maksimum absorpcyjnego do 217 nm), oraz nowe słabe: bardzo szerokie pasmo d-d metalu pojawiającego się w zakresie od 250 nm do 300 nm [234], [235]. Na podstawie teorii Mie, Creighton i Eadon wyznaczono energie plazmonu powierzchniowego Pt, które wynosi 215 nm [236]. Natomiast, Henglein wraz z zespołem wykazali istnienie tego pasma dla PtNPs otrzymanych w wyniku redukcji PtCI4234.

(35) cytrynianem [233]. Stwierdzono również, że widmo absorpcyjne jest prawie niezależne od wielkości PtNPs, a zatem drganie plazmonu powierzchniowego wpływa znacząco na całkowitą absorpcję, niezależnie od metody przygotowania nanocząstek [237]. Dlatego, w porównaniu do AuNPs i AgNPs, średni rozmiar i rozkład wielkości PtNPs nie mogą zostać określane na podstawie ich widma UV–Vis. Parametry te można wyznaczyć dzięki porównaniu ze sobą z wyników z pomiarów SEM i XRD.. Rys. 5 Widmo UV-Vis dla PtNPs (linia granatowa ciągła) i PtNPs/BN (linia granatowa przerywana) (A); zdjęcie SEM dla PtNPs przed (B) i PtNP zaadsorbowaną na jego powierzchni BN (C).. Zaprezentowane na rysunku 5 (B) i (C) obrazy SEM wykonano dla PtNPs. Na zdjęciu 5 (B) zaprezentowano PtNPs, z którego wynika, iż kształt tych nanocząstek jest praktycznie sferyczny i nanocząstki te wykazują także tendencję do tworzenia agregatów, o bardzo skomplikowanej powierzchni. Na zdjęciu 5 (C) obserwuje się zmianę sposobu agregacji PtNPs związaną z adsorpcją na jego powierzchni polipeptydu. Badania SEM potwierdzają wyznaczone na podstawie pomiarów XRD, iż wielkość PtNPs wynosi 12 nm.. 35.

(36) 5.1.3. Płytka Ti Na rysunku 6 przedstawiono widmo XRD dla płytki Ti, widmo to przedstawia prążki dyfrakcyjne przy kątach wynoszących 35.0°, 38.4°, 40.1°, 52.9°, 62.9°, 70.6°, 76.1°, które odpowiadają następującym indeksowanym płaszczyznom kryształów: (101), (002), (101), (102), (110), (103), (112) i (210). Ten kształt widma XRD odpowiada Ti o sieci krystalicznej heksagonalnej ciasno upakowanej (P63/mmc, JCPDS 00-005-0682) i świadczy o odmianie α-Ti [238]. Płytka ma pewne zanieczyszczenia. Świadczy o tym obecność prążków przy 2Ө wynoszących: 30.7, 50.3˚ i 50.9˚ nie można przypisać do żadnej fazy Ti.. Rys. 6 Widmo XRD dla płytki Ti [239].. Na rysunku 7(B) i (C) zaprezentowano zdjęcia SEM płytki Ti. Mikrofotografie te pokazują, że powierzchnia Ti jest zdominowana przez rowki i grzbiety wzdłuż kierunku obróbki mechanicznej (polerowanie powierzchni). Czarne „plamki‖ na powierzchni Ti (Rysunek 7, (C)) wskazują na obecność węgla, co świadczy o obecności adsorbatu w postaci peptydu. Fakt ten potwierdzają widma EDS, które dla układu Ti/BN (Rys. 7, linia ciągła czerwona) w porównaniu z płytką Ti (Rys. 7, linia ciągła granatowa) pokazują wzrost zawartości procentowej węgla. od 1% wagowy do 12% wagowy. i zmniejszenie zawartości Ti (od 93% wagowy do 68% wagowy) (patrz tabele na Rys. 7).. 36.

(37) Rys. 7 Widmo EDS dla płytki Ti (linia ciągła granatowa) i Ti/BN (linia ciągła granatowa) (A); zdjęcia SEM powierzchni płytki Ti (B) i układu Ti/BN (C) [239].. 5.1.4. TiO2NPs Na rysunku 8 przedstawiono widmo XRD dla TiO2NPs. Wartości kątów 2Ө i płaszczyzny [(hkl)] na tym rysunku wynoszą 25.2° [(101)], 37.3° [(003)], 37.8° [(004)], 38.7° [(112)], 48.0° [ (200)], 54.8° [(105)], 55.2° [(211)], 62.7° [(204)], 68.9° [(116)], 70.5° [(220)] i 82,9° [(215)]. Prążki te odpowiadają fazie krystalicznej tetragonalnej (I41/amd(141) JCPDS 00-002-0387). Te wartości katów 2Ө wraz z intensywnymi dyfrakcjami przy 25.2° i 48.0°. Przy braku niepożądanych prążków dyfrakcyjnych, wskazują na czystą fazę anatazu [240]. Wysoka intensywność prążków XRD wskazuje również na to, że utworzone nanocząstki mają strukturą krystaliczną, podczas gdy duża szerokość tych prążków świadczy o bardzo małych rozmiarach krystalitów. Na podstawie z równania Debye'a-Scherera wyznaczono średni rozmiar krystalitów anatazu, który wynosi 16 nm. 37.

(38) Rys. 8 Widmo XRD dla TiO2NPs [239].. Analiza obrazów SEM anatazu wskazuje, że TiO2NPs mają kształt kulisty o wielkości ziaren od 30 do 110 nm (Ryc. 9, (B) (czysty anataz) i (C) (układ anataz/BN)). Na zdjęciach tych nie widać znaczącej różnicy pomiędzy układem z adsorbatem (BN), a czystym TiO2NPs. Jednakże na widmie UV–Vis (Rys. 9, (A)) jest obserwowane wyraźne przesunięcie pasma absorpcyjnego dla TiO2NPs/BN w kierunku dłuższych fali, w porównaniu do czystego anatazu. Roztwór wodny TiO2NPs charakteryzuje się plazmową powierzchnią przy 331 nm (Rys.19, (A), linia ciągła granatowa). Pasma przejścia elektronów z pasma walencyjnego TiO2NPs do pasma przewodności (O2-:Ti4 + pasmo przenoszenia (O 2p → Ti 3d)) [241]. Wynik ten jest zgodny z doniesieniami literaturowymi dla anatazu. Hasan i współpracownicy pokazali pasmo absorpcji dla TiO2NPs przy 337 nm, które przesuwa się do 378 nm w wyniku agregacji (Rys.19, (A), linia przerywana granatowa) [242], [243]. Efekt ten wskazuje na skuteczną adsorpcję adsorbatu (BN) na powierzchni anatazu. Dodatkowo brak znaczącej absorpcji w zakresie widzialnym charakterystycznym dla przejść d-d metalu wskazuje na to, iż TiO2NPs nie redukują się do Ti [244].. 38.

(39) Rys. 9 Widmo UV-Vis dla TiO2NPs (linia granatowa ciągła) i układu TiO2NPs/BN (linia granatowa przerywana) (A); zdjęcie SEM dla TiO2NPs przed (B) i po zmieszaniu z roztworem BN (C) [239].. W widmie w podczerwieni dla TiO2NPs obserwowane są szerokie pasma przy 495 cm-1 i 3287 cm-1 (Rys. 10, (A)). Pierwsze pasmo jest charakterystyczne dla wiązania O–Ti–O, podczas gdy drugie sugeruje obecność zaadsorbowanej na powierzchni wody i wiązania O–H [245]. Kolejne pasmo tego widma znajduje się przy 1639 cm-1 i odpowiada drganiom zginającym, występującym w cząsteczce wody jak i też w grupie Ti–OH [246]. Na podstawie widma ramanowskiego (Rys. 10, (B)) można jednoznacznie potwierdzić wynik badań XRD, iż formą polimorficzną TiO2NPs w niniejszych badaniach jest anataz (Rys. 10, (B)). W widmie TiO2NPs pojawiają się wszystkie pasma dla anatazu przewidywane przez teorie grup są to: 142 cm-1 (Eg), 193 cm-1 (Eg), 394 cm-1 (B1g), 514 cm-1 (A1g) 637 cm-1 (Eg). W widmie nie ma pasm Ramana w zakresie spektralnym 2800 – 3000 cm-1, co oznacza, że na powierzchni anatazu nie ma związków organicznych [247], [248].. 39.

(40) Częstość [cm-1] Rys. 10 Widmo FT-IR-ATR (A) i Ramana (B) dla TiO2NPs [239].. 5.1.5. Płytka Fe Na podstawie widma XRD (Rys. 11) zmierzono wartości kątów 2θ wynoszące: 43.8°, 64.8°, 81.6° i 98.3° i zostały przypisane, odpowiednio, do płaszczyzn: (110), (200), (211) i (220) czystej fazy α-Fe o strukturze sześciennej (Im-3m, ICCD nr 00-0060696). Wysoka intensywność prążków dyfrakcyjnych wskazuje na wysoką krystaliczność płytki α-Fe. Dla płytki α–Fe (Rys. 12, (B)) i płytki α–Fe z naniesionej na niej wodnym roztworem adsorbatu (BN) (Rys. 12, (C)) wykonano zdjęcia SEM. Obrazy te pokazują, że powierzchnia α–Fe jest zdominowana przez rowki i grzbiety wzdłuż kierunku obróbki mechanicznej metalu. Natomiast zaciemnienia na powierzchni α–Fe (Rys. 12, (C)) zwiększają się z obecnością węgla w tych miejscach, co wskazuje na adsorpcje peptydu na powierzchni. Fakt ten potwierdzają widma EDS, które dla układu α–Fe/BN (Rys. 12,(A), linia ciągła czerwona) w porównaniu z α–Fe (ryc. 13, (A) linia ciągła niebieska) wykazują równoczesny wzrost procentowej zawartości węgla i azotu od 0% (wagowy) do 17% (wagowy) i od 0% ( wagowy) do 3% (wagowy), odpowiednio, a także zmniejszenie zawartości żelaza (z 100% (wagowy) do 80% (wagowy)) (patrz tabela na Rys. 12). 40.

(41) Rys. 11 Widmo XRD dla blaszki Fe.. Rys. 12 Widmo EDS dla płytki Fe (linia ciągła granatowa) i układu płytki Fe/BN (linia ciągła czerwona) (A); zdjęcia SEM powierzchni Fe (B) oraz układu płytka Fe/BN (C).. 41.