Dynamische cerium-oxidatietoestands-oscillaties getriggerd door zuurstofdiffusie in colloïdale nanoceria

Samenvatting

De redox-prestaties van CeO₂₋ₓ nanokristallen (nanoceria) gaan altijd gepaard met het schakelen van de cerium-oxidatietoestand tussen Ce³⁺ en Ce⁴⁺. We monitoren de Ce³⁺ → Ce⁴⁺ oxidatie van nanoceria gestimuleerd door oxidant in aqueous colloïdale oplossingen door de luminescentie van Ce³⁺ ionen te controleren die op verschillende afstanden van het nanoceria-oppervlak zijn gelegen. De waargenomen Ce³⁺ luminescentieveranderingen geven aan dat de Ce³⁺ → Ce⁴⁺ reactie zich binnenin nanoceria ontwikkelt, getriggerd door de diffuserende zuurstof afkomstig van watersplitsing op geoxideerd nanoceria-oppervlak. We presenteren de eerste observatie van uitgesproken oscillaties in Ce³⁺ luminescentie-intensiteit voortvloeiend uit Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ reversibele schakeling. Deze drempeleffect wordt gedreven door het opnemen en vrijgeven van zuurstof door nanoceria, wanneer de concentratie van zuurstofvacatures in het nanoceria-rooster, oxidantconcentratie in de colloïdale oplossing, en temperatuur bepaalde kritieke waarden bereiken. De capaciteit van nanoceria om zuurstof op te nemen en vrij te geven afhankelijk van de omgevingsredox-omstandigheden maakt het daadwerkelijk een zelfvoorziene eeuwige antioxidant.

Achtergrond

Vandaag de dag worden nanokristallen met verschillende structuur en chemische samenstelling wijd gebruikt in een grote diversiteit van moderne toepassingen. Naast belangrijke ingenieurs-toepassingen, gaven CeO₂ nanokristallen (nanoceria) aanleiding tot veelbelovende biomedische ontwikkelingen vanwege de vermogen om te werken als een regeneratieve scavenger van reactieve zuurstofsoorten (ROS). De hoofdaanname die nanoceria zo uniek en nuttig maakt, wordt over het algemeen toegeschreven aan de hoge inhoud van zuurstofvacatures (V_O) en Ce³⁺ ionen op het oppervlak. In het nanoceria-rooster zijn V_O en Ce³⁺ ionen gerelateerde defecten; twee Ce³⁺ ionen worden gerekend voor één V_O. De defect (Ce³⁺, V_O) concentratie in nanoceria kan gecontroleerd worden door deeltjesgrootte, speciale doping, en temperatuurbehandeling. In het algemeen kan oppervlaktezuurstof de redox-cyclus helpen door V_O-creatie en herstel of oppervlakte V_O kan fungeren als bindingsplaatsen voor katalytisch actieve soorten. De oppervlakte Ce³⁺ ionen van naneceria worden gemeenschappelijk verondersteld ROS-scavenging te bieden door te schakelen tussen 3+ en 4+ oxidatietoestanden. ROS, naamlijk superoxide-ionen (O₂⁻), hydroxyradicalen OH•, en waterstofperoxide H₂O₂ bij lage concentraties, zijn kritiek belangrijk voor de regulatie van celfuncties. In tegenstelling tot gewone antioxidanten, die onherroepelijk verdwijnen na interactie met ROS, kan nanoceria, bij deeltjesgroottes onder 15 nm, fungeren als een zichzelf-regenererende antioxidant. De kritische afhankelijkheid van nanoceria biologische activiteit van de grootte, alsook het zelf-regeneratiemechanisme van nanoceria in biologische omgeving, is nog steeds slecht begrepen, en discussies gaan door. Het moet benadrukt worden dat in in vitro en in vivo experimenten, nanoceria opereren bij een hoge defectconcentratie en wateractiviteit en de redox-prestaties kunnen sterk gemaskeerd worden door de celantioxidantsystemen.

Om het mechanisme van nanoceria redox-prestaties te begrijpen, gebruikten we eenvoudigere en gecontroleerde omstandigheden: de nanoceria-oxidatiedynamiek werd bestudeerd in aqueous colloïdale oplossingen voor nanoceria-specimens met variatie in zuurstofdeficiëntie. Aangezien V_O (Ce³⁺) concentratie varieert met deeltjesgrootte, werden nanoceria-specimens van 3,0, 10,0, en 50,0 nm gebruikt. Volgens de data kan V_O-concentratie in 3,0-nm nanoceria oplopen tot ~20%. We bepaalden dat V_O-concentratie in 10,0-nm nanoceria, vergeleken met 3,0-nm nanoceria, twee keer minder was. In het geval van 50,0-nm nanoceria, werd doping met Y³⁺ (of Eu³⁺) ionen en vacuümgloven gebruikt om V_O te genereren en verschillende omstandigheden voor zuurstofdiffusie in het nanoceria-rooster te creëren. In alle 50,0-nm monsters werd V_O-concentratie gelijkgemaakt aan 10,0-nm nanoceria. Bij Re³⁺-doping van 50,0-nm nanoceria, waren de concentraties van Y³⁺ en Eu³⁺ ionen op het niveau van 10 at.%; deze concentraties waren voldoende lager dan de oplosbaarheidslimieten voor deze ionen in ceria-rooster, ~25 at.% of zelfs ~45 at.% voor Y³⁺ ionen en ~30 at.% voor Eu³⁺ ionen; dus vorming van Y₂O₃ of Eu₂O₃ fasen kan uitgesloten worden. Alle colloïdale oplossingen bevatten hetzelfde hoeveelheid stof (1,0 g/l) en werden gekenmerkt door initiële pH ~7. Voor nanoceria-oxidatie werden waterstofperoxide (HP) en kaliumperiodaat KIO₄ (PP) gebruikt. PP stelde ons in staat de chemische diversiteit van HP uit te sluiten. De details van de nanoceria-synthese en karakterisering van de verkregen specimens, alsmede een beschrijving van de experimenten, worden gepresenteerd in het aanvullende bestand 1.

Resultaten en discussie

Steunend op ons voorlopig experiment, werd de Ce³⁺ luminescentie (Fig. 1a) door de dipool-toegestane 5d → 4f optische overgangen van Ce³⁺ ionen gebruikt om de oxidatiedynamiek van alle geteste nanoceria-specimens te monitoren. De toename van de Ce³⁺-bandasymmetrie met afname van deeltjesgrootte, dat wil zeggen, met toename van de oppervlakte-tot-bulk verhouding (zie inset in Fig. 1a) duidt duidelijk op inhomogeniteit. Het langgolvige deel van deze band kan toegeschreven worden aan de Ce³⁺ luminescentie uit de nanoceria-onderoppervlaktelaag, en het overige deel van de Ce³⁺-band komt van diepgelegen Ce³⁺ ionen. De onderoppervlakte Ce³⁺ ionen hebben de rood-verschuigde luminescentiespectra (zie inset in Fig. 1a) vanwege het verzwakken van het kristalveld dat op deze ionen werkt als gevolg van de roosterparametertoename in de richting van het nanoceria-oppervlak. In tegenstelling tot 3,0-nm nanoceria, is voor 50,0-nm nanoceria de impact van deze ionen op het resulterende luminescentiespectrum verwaarloosbaar (zie inset in Fig. 1a). Deze toeschrijving werd bevestigd door de sterkere Forster-kwencing van het langgolvige deel van de Ce³⁺-band (zie aanvullend bestand 1 en Fig. 1b). De toename van de kwencerconcentratie resulteerde in de luminescentiekwencing van dieper gelegen Ce³⁺ ionen (Fig. 1b) vanwege de reductie van de donor-acceptor afstand.

Toevoeging van oxidant (HP of PP) aan colloïdale oplossingen resulteerde in een afname van de Ce³⁺-bandintensiteit voor alle geteste nanoceria-specimens (Fig. 1a). Bovendien kan men zien dat onder selectieve kwencing van de Ce³⁺-band (Fig. 1b), de oxidant een daling in luminescentie van de diepgelegen Ce³⁺ ionen stimuleerde (zie inset in Fig. 1b). De Ce³⁺ → Ce⁴⁺ oxidatie treedt op voor deze ionen ook, ondanks het feit dat de oxidant niet in nanoceria kan penetreren. Dit effect is vergelijkbaar met aanlassen van nanoceria in zuurstofatmosfeer (zie aanvullend bestand 1). Het is daadwerkelijk bevestigd door de defect-gecontroleerde tijdsevolutie van Ce³⁺ luminescentie onder oxidant-actie (Fig. 2a). In dit experiment werken zowel HP als PP op een vergelijkbare manier (zie inset in Fig. 2a). Zoals volgt uit Fig. 2a, toonde de 3,0-nm nanoceria met de hoogste V_O-concentratie de snelste daling van de Ce³⁺-bandintensiteit en de laagste residuele Ce³⁺-luminescentie. Bij dezelfde V_O-concentratie toonde de Y³⁺-gedopte nanoceria een sterkere kwencingsnelheid van de Ce³⁺-bandintensiteit en een lager niveau van residuele Ce³⁺-luminescentie in vergelijking met de Eu³⁺-gedopte nanoceria (Fig. 2a). Dit correleert met het feit dat de activeringsenergie van zuurstofdiffusie in ceriumoxide toeneemt in aanwezigheid van Eu³⁺ ionen op een sterkere manier dan van Y³⁺ ionen. Daarom is de Ce³⁺-bandintensiteit afname onder oxidant-actie (Fig. 1 en 2a) een resultaat van Ce³⁺ → Ce⁴⁺ oxidatie veroorzaakt door zuurstofpenetratie in nanoceria via het vacaturemechanisme van diffusie. De toevoeging van het reducerende middel (bijvoorbeeld, benzeentriol) aan de colloïdale oplossing na nanoceria-oxidatie leidde niet tot Ce³⁺-luminescentieherstel, wat consistent is met het voorgestelde mechanisme van Ce³⁺ → Ce⁴⁺ oxidatie binnenin nanoceria.

De lagere waterconcentratie in de colloïdale oplossing vertraagde de dynamiek van nanoceria-oxidatie (Fig. 2b), terwijl de toename van initiële pH dit proces versnelde (zie inset in Fig. 2b). Mogelijke bron van H⁺ in het geval van HP-toepassing uitsluitend, hebben we ook de exacte coincidentie van de pH-daling met de Ce³⁺-bandintensiteit-daling onder nanoceria-oxidatie door PP onthuld (Fig. 2c). Deze feiten wijzen op watersplitsing, die met hoge efficiëntie kan verlopen met participatie van de Ce⁴⁺–V_O⁺⁺–Ce⁴⁺ (of Ce⁴⁺–V_O⁺–Ce³⁺) actieve plaatsen op het nanoceria-oppervlak die vormen als gevolg van de oxidatie van Ce³⁺-V_O-Ce³⁺ plaatsen (Fig. 3). Er zijn twee mogelijke wegen daarvoor (Fig. 3): of het O²⁻-ion bezet V_O⁺⁺ en twee H⁺-ionen worden uitgestoten naar de oplossing, of het O²⁻-ion bezet V_O⁺ resulterend in de creatie van hydroxy, wat één H⁺-ion naar de oplossing laat uitstoten (Fig. 3). De eerste sprong van zuurstof in nanoceria herstelt de Ce³⁺-V_O-Ce³⁺ plaats voor een nieuwe oxidatiecyclus (Fig. 3). Dit proces kan veel keren herhaald worden met verschillende snelheden afhankelijk van oxidantconcentratie. De curve ρ(t)=1-I_Ce³⁺(t) beschrijft de vulling van nanoceria met zuurstof, en het initiële stadium past goed bij de ~t¹ᐟ² functie (zie Fig. 2d). Dit betekent dat zuurstof in nanoceria penetreert door single-file diffusie door V_O-kanalen (Fig. 3), waar zuurstofatomen elkaar niet kunnen omzeilen. De vorming van grote V_O-clusters geopend op de zuurstof-getermineerde vlakken van nanoceria (Fig. 3) is onvermijdelijk om twee redenen: alle geteste nanoceria-specimens bevatten hoge genoeg V_O-concentraties dicht bij de percolatiedrempel en V_O-concentratie bereikt zijn maximumwaarde nabij het nanoceria-oppervlak. De lineaire structuren waargenomen voor de onderoppervlakte V_O kunnen beschouwd worden als V_O-kanalen of als componenten van grote V_O-clusters.

De uitgesproken oscillaties van de Ce³⁺-bandintensiteit worden waargenomen wanneer de oxidant (HP of PP) concentratie in colloïdale oplossingen ~0,5 mM overschrijdt, zodat de dynamiek van nanoceria Ce³⁺ → Ce⁴⁺ oxidatie transformeert naar Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ redox-scenario (Fig. 4). Deze oscillaties verschenen niet direct na de HP (C = 1,0 mM) of PP (C = 1,0 mM) toevoeging, maar begonnen te ontwikkelen toen het snelle stadium tot voltooiing kwam (Fig. 4a, b). Voor alle oxidanten, na het verdwijnen van de oscillaties, konden ze herhaald worden door nieuwe porties van de oxidant toe te voegen aan de colloïdale oplossingen (Fig. 4c). Voor vergelijking, de oscillaties van de Ce³⁺-bandintensiteit voor alle geteste nanoceria-specimens worden getoond in Fig. 4d. De baselijnen in Fig. 4d zijn eigenlijk de niveaus van de residuele Ce³⁺-luminescentie voor elk nanoceria-specimen (Fig. 2a), en de Ce³⁺-bandintensiteit oscilleert boven deze niveaus. De variatie van V_O-concentratie in de Y³⁺ (of Eu³⁺)-gedopte 50,0-nm nanoceria toonde duidelijk dat de oscillaties van de Ce³⁺-bandintensiteit alleen waarneembaar waren toen de V_O-concentraties equivalent werden aan die in de 10,0-nm nanoceria (Fig. 4d). In het geval van Eu³⁺-gedopte 50,0-nm nanoceria waren de oscillaties meer irregulier en minder uitgesproken (Fig. 4d). Zoals eerder vermeld, is dit feit consistent met de onderdrukking van zuurstofdiffusie in aanwezigheid van Eu³⁺ ionen. In de gegloeide 50,0-nm nanoceria met thermodynamisch niet-evenwichtige V_O, werden de oscillaties helemaal niet waargenomen. De oscillaties (zie Fig. 4) waren observeerbaar bij temperaturen boven 35 °C alleen.

De waargenomen oscillaties (Fig. 4) verschenen toen de bezetting van V_O door zuurstof geaccumuleerd tijdens het snelle stadium (Fig. 2a en 4a) sterk niet-evenwichtig werd. De groei van de eerste piek van oscillaties (Fig. 4a, b) gaat vergezeld van de vrijgave van overtollige zuurstof, en zolang de oscillaties waargenomen worden, geeft nanoceria zuurstof vrij (Ce³⁺-luminescentietoename) en neemt zuurstof op (Ce³⁺-luminescentieafname). Voor de gegloeide 50,0-nm nanoceria is de fase van zuurstofvrijgave en, dus, de Ce⁴⁺ ↔ Ce³⁺ oscillaties onmogelijk omdat de thermodynamisch niet-evenwichtige V_O onomkeerbaar genezen worden door zuurstof geaccumuleerd tijdens oxidatie (Fig. 2a en 4).

Het moet worden opgemerkt dat de tijdschaal van de Ce³⁺-bandintensiteitsevolutie (zie Fig. 2 en 4) een anomale hoge snelheid van zuurstofdiffusie in nanoceria bij KT vereist. Over het algemeen is in oxiden de gewone zuurstofdiffusie te langzaam door de grote waarde van de activeringsenergie. Maar in ons geval wordt de snelle zuurstofdiffusie geleverd door de belasting-afhankelijke reductie van de activeringsenergie inherent aan single-file diffusie. De oxidantconcentratie in de colloïdale oplossingen controleert dit effect via de snelheid en het niveau van de vulling van V_O-clusters met zuurstof.

Conclusies

Onze resultaten suggereren een nieuw inzicht in de microscopische mechanismen achter de nanoceria-redox-prestaties. Allereerst zijn zowel de oppervlakte Ce³⁺-ionen beschikbaar voor de oxidant als de diepgelegen Ce³⁺-ionen betrokken bij de oxidatiedynamiek van nanoceria door zuurstofdiffusie ondersteund door de open V_O-clusters. Zulke V_O-clusters worden onvermijdelijk gevormd bij voldoende kleine grootte (< 15 nm) van nanoceria, wat de sterke grootte-afhankelijkheid van nanoceria-antioxidantactiviteit verklaart. De zelf-regeneratie (omgekeerde Ce⁴⁺ → Ce³⁺ reductie) van nanoceria in biologische omgeving is een resultaat van het vrijgeven van de zuurstof geaccumuleerd tijdens oxidatie door ROS. Vergelijkbaar met oscillaties in heterogene katalyse, kunnen de oscillaties van de cerium-oxidatietoestand in nanoceria benut worden voor de ontwikkeling van hoge-prestatie antioxidanten, die van uiterste belang zijn voor celbescherming onder hoge-intensiteit straling (kanker radiotherapie, kernrampen, etc.). Over het algemeen stellen de ideeën voorgesteld in het papier ons in staat om een rationele zoektocht te initiëren naar nieuwe nanomaterialen die niet alleen als effectieve antioxidanten kunnen worden benut, maar ook als unieke katalytische materialen in diverse technologische gebieden.

Methoden

Methoden van nanoceria-synthese

Colloïdale synthese van 3,0- en 10,0-nm nanoceria

Aqueuze oplossingen van ceria-nanopartikelen werden verkregen door de volgende methode: CeCl₃-oplossing (100 ml, 2 mM) werd gemengd met 100 ml hexamethylenetetramine-oplossing (4 mM) en 3 uur geroerd met een magnetische roerstab bij kamertemperatuur. Daarna werden 1,8 ml NH₄OH en 0,6 ml H₂O₂ toegevoegd aan de oplossing. Vervolgens werd de oplossing in een ronde-bodemfles geplaatst en 5 uur teruggekoken. Als resultaat werden transparante, kleurloze oplossingen verkregen. De oplossing werd verdampt in een rotatieverdampersfles onder vacuüm bij een badtemperatuur van 70 °C tot 30 ml. Een oplossing van 2 M NaCl werd toegevoegd aan de verkregen oplossing tot de resulterende oplossing troebel werd. Vervolgens werd de vaste gefase gepresipiteerd door centrifugatie. Het neerslag werd gescheiden, en natriumchloride-oplossing werd opnieuw toegevoegd. De procedure van neerslagreiniging werd drie keer herhaald. Na de laatste centrifugatiestap werd een oplossing van natriumcitraat met molaire verhouding CeO₂/NaCt van 1:1 toegevoegd aan het neerslag. De grootte van nanoceria verkregen uit het mengsel van cerium(III)chloride en hexamethylenetetramine (HMTA) genomen in molaire verhouding 1:10 was ~10,0 nm. Bij verdere toename van HMTA, daalt de grootte van de verkregen nanopartikelen tot ~3,0 nm. CeO₂₋ₓ nanopartikelen werden gestabiliseerd door natriumcitraat met molaire verhouding 1:1. De oplossingen werden additioneel 24 uur gedialyseerd tegen gedemineraliseerd water om de overmaat aan ionen en organische soorten te verwijderen. Dialysemembraanbuis met een molecuulgewichtsafsnij van "Cellu Sep H1" 3,5 KDa werd gebruikt. Alle sols waren transparant in doorgelicht en passed door membraanfilters met poriën van 100 nm zonder verlies.

Sol-gel synthese van 50,0-nm nanoceria

CeO₂₋ₓ, CeO₂:Eu³⁺/Y³⁺(0,1-10 at.%) nanokristallen werden verkregen via de Pechini-methode. Ceriumoxide (CeO₂) (99,995%, Sigma-Aldrich) werd opgelost in een mengsel van salpeterzuur (HNO₃) en waterstofperoxide (H₂O₂) (in 1:1 volumeverhouding) bij 60 °C. Europiumoxide (Eu₂O₃) (99,999%, Sigma-Aldrich) en yttriumoxide (Y₂O₃) (99,999%, Sigma-Aldrich) werden opgelost in gedilueerd HNO₃ bij 80 °C. De oplossing van 0,75 g citraatzuur en 1 ml ethyleenglycol werd toegevoegd aan 20 ml ceriumnitraat Ce(NO₃)₃ (C = 1 M) oplossing of aan 20 ml de stoechiometrische mengsel van ceriumnitraat Ce(NO₃)₃ (C = 1 M) en europiumnitraat Eu(NO₃)₃/yttriumnitraat Y(NO₃)₃ (C = 1 M) oplossingen. Alle resulterende mengsels werden behandeld bij 80 °C gedurende 10 uur en vervolgens gehydrolyseerd door middel van 10 massa% NH₃ aqueous oplossing. De neerslagen werden gedroogd bij 120 °C gedurende 5 uur en vervolgens gedehydrateerd bij 250 °C gedurende 4 uur. De nanokristallen werden 2 uur geanneald in vacuüm bij 1000 °C. Na gloven werden nanopartikelen gedispergeerd in water bij 1 g/l concentratie.

Experimentele technieken

De fotoluminescentie van alle typen nanoceria is geëxciteerd door een continue-golf GKL-4UM He-Cd laser (λ~325 nm) en geregistreerd met de SDL-1 rooster-monochromator met de Hamamatsu R9110 PMT in de fotontel-modus.

Onmiddellijk na oxidant (waterstofperoxide of kaliumperiodaat) toevoeging aan aqueous colloïdale oplossingen van nanoceria, werd de tijdsevolutie van Ce³⁺ luminescentie-intensiteit (genomen bij 390 nm) bepaald door middel van tijdsopgeloste metingen bij CW-excitatie (He-Cd laser). Concentraties van nanoceria in aqueous oplossingen waren vergelijkbaar in alle experimenten en gelijk aan 1 g/l. Concentratie oxidant vereist om niet-reversibele Ce³⁺ → Ce⁴⁺ redox-reactie te initieren was gelijk aan 0,1 mM; concentraties oxidanten voor initiatie van reversibele Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ redox-reacties waren gelijk aan 1,0 mM voor zowel H₂O₂ (HP) als KIO₄ (PP).

De tijdsafhankelijkheid van de pH-waarde voor de nanoceria aqueous colloïdale oplossingen na oxidant-toevoeging werd gemeten met een pH-meter. Als oxidanten HP (C = 0,1 mM) en PP (C = 0,1 mM) werden gebruikt, werden pH-waarden vastgelegd met tijdsintervallen van 1 s na toevoeging van de porties oxidant aan nanoceria aqueous colloïdale oplossingen. De tijdsafhankelijkheid van de pH-waarde voor gedestilleerd water na toevoeging van de oxidant werd genomen als controle (initiële pH-waarde van gedestilleerd water was dezelfde als die voor colloïdale oplossingen van nanoceria (pH = 7)).

Alle experimenten werden gerealiseerd bij T = 37 °C.

Afkortingen

HP:

Waterstofperoxide

PP:

Kaliumperiodaat

ROS:

Reactieve zuurstofsoorten

V_O:

Zuurstofvacatures