Abstract
本論文では、Au（III）イオンを有する材料をロードするためにイオン交換反応とともに、合成とナノサイズのモノナトリウム、チタン酸の過酸化修飾（nMST）について説明します。合成法は、粒子種ステップを省略し、試薬濃度を変化させることを含むいくつかの主要な修飾で、ミクロンサイズのモノナトリウムチタネート（MST）を生成するために使用されるゾル - ゲルプロセスから誘導される、との制御を容易にするために、非イオン性界面活性剤を導入しました。粒子形成と成長。得nMST材料は、100〜150 nmの範囲の粒径の単分散分布を有する球状の粒子形態を示します。 nMST材料はミクロンサイズMSTよりも高い桁以上で285 m 2とgで-1のブルナウアー-エメット-テラー（BET）表面積を有することが見出されました。 nMSTの等電点は、ミクロンサイズMSTについて測定よりも低いpH単位で3.34のpH単位を測定しました。 T彼は材料が金（III）-exchangeのナノチタンの製造のための弱酸性条件下での効果的なイオン交換体として機能することがわかったnMST。また、対応するperoxotitanateの形成は、過酸化水素とnMSTの反応によって実証されました。
Introduction
二酸化チタンとアルカリ金属チタン酸塩は、広くそのような塗料やスキンケア製品における顔料として、エネルギー変換および利用における光触媒として様々な用途に使用されている。1-3ナトリウムチタネートは、陽イオンの範囲を除去するのに有効な材料であることが示されています陽イオン交換反応によってpH条件の広い範囲にわたって4-7
今述べた用途に加えて、ミクロンサイズのナトリウム、チタン酸ナトリウムperoxotitanates最近、治療金属配信プラットフォームとして機能することが示されています。このアプリケーションでは、例えばAu（III）などの治療用金属イオンは、金（I）、およびPt（II）は、一ナトリウムチタネート（MST）のナトリウムイオンと交換される。貴金属交換チタン酸塩を用いたin vitro試験での抑制を示します未知のメカニズムによる癌および細菌細胞の増殖。8,9
歴史的には、ナトリウムチタネートがあることしていますENは、ゾル-ゲル及び少数から数百ミクロンの範囲の粒子サイズを有する微粉末が得られ、水熱合成技術の両方を使用して製造。4,5,10,11より最近では、合成方法は、ナノサイズの二酸化チタンを生じたことが報告されている、金属-ドープ酸化チタン、および他の金属チタン酸塩の様々な。例としては、ナトリウム、酸化チタンナノチューブ（NaTONT）またはナノワイヤ高温高圧で過剰の水酸化ナトリウム中の二酸化チタンの反応によって、高められた温度および圧力、15ナトリウムで過剰の水酸化ナトリウムを有するペルオキソチタン酸の反応により12-14チタン酸ナトリウムナノファイバーを含みます酸交換ミクロンサイズのチタン酸塩の層間剥離することによりナノファイバーチタン酸セシウム。16
ナノサイズのナトリウム、チタン酸ナトリウムperoxotitanatesの合成は、典型的には、フィルムの拡散または粒子内diffuによって制御され、イオン交換速度を高めるために重要ですシオン。これらのメカニズムは、主にイオン交換体の粒径によって制御されます。また、治療用金属配信プラットフォームとして、チタン材の粒径が大きく、金属交換チタン酸癌と細菌細胞との間の相互作用の性質に影響を与えると予想されます。例えば、0.5のオーダーで、典型的には、細菌細胞、 - 2μmでは、ナノサイズ粒子対ミクロンサイズの粒子と異なる相互作用を可能性を有するであろう。また、非食真核細胞は、1ミクロン未満のサイズの粒子を内部にのみ示されている。17このように、ナノサイズのナトリウムチタン酸塩の合成は、チタン酸配信プラットフォームからの金属の送達および細胞取り込みを容易にするために、関心もあります。ナトリウムチタネート及びperoxotitanatesのサイズを小さくすると、金属イオンの分離において有効容量を増加させ、材料の光化学的特性を強化する。16,18 </ SUP>本稿では、軽度のゾル-ゲル条件下でナノサイズのモノナトリウム、チタン酸（nMST）を合成するために開発したプロトコルを記述し19 nMST修正、対応する過酸化物の製造を。金とnMST（III）をロードするためのイオン交換反応と一緒にも記載されています。
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Protocol
ナノモノナトリウムチタン酸の1の合成（nMST）
- チタンイソプロポキシドの1.8ミリリットル、続いてイソプロパノール7.62ミリリットル〜25重量％ナトリウムメトキシド溶液の0.58ミリリットルを添加することにより、溶液＃1の10ミリリットルを準備します。
- イソプロパノールの9.76ミリリットルに超純水の0.24ミリリットルを添加することにより、溶液＃2の10ミリリットルを準備します。
- トリトンX-100（：625グラム/モルの平均MW）の0.44ミリリットル、続いて三首500mlの丸底フラスコにイソプロパノールの280ミリリットルを追加します。磁気攪拌棒をうまく解決策をかき混ぜます。
- 0.333ミリリットル/分の速度でソリューション＃1と＃2を提供するデュアルチャネルシリンジポンプを準備します。
- ロードソリューション500mlの丸底フラスコ内の溶液レベル以下にシリンジポンプからの溶液の配信を可能にするチューブの長さを装備二つの別々の10-mlの注射器への＃1、＃2。
- 撹拌しながら、ステップ1.4でプログラムシリンジポンプを用いて反応するソリューション＃1、＃2（各10ml）のすべてを追加します。 <添加が完了した後李>は、フラスコに蓋をし、室温で24時間撹拌し続けます。
- フラスコにキャップを取ると、45〜90分間の〜82℃（還流イソプロパノール）反応混合物を加熱し、加熱を維持しながら、窒素でパージしました。イソプロパノールが蒸発するように、蒸発させてイソプロパノールを置換するために断続的に超純水を加えます。
- イソプロパノールのほとんどを蒸発させ、水の添加量が約50 mlであるした後、熱を除去し、反応混合物を冷却することを可能にします。
- 0.1μmのナイロンフィルター紙を通して濾過することにより生成物を収集し、界面活性剤及び残留イソプロパノールを取り除くために水で数回洗浄します。乾燥するまでフィルタリングしないでください。洗浄が完了した後、予め秤量した瓶またはバイアルにフィルターからスラリーを転送し、水性スラリーとして保存します。
- スラリーの重量％の固形分を決定することによって、収量を決定します。これのアリコートの重量を測定することによって行うことができます乾燥前と後のスラリー。
2.金（III）イオン交換
- 50-ml遠心チューブに4.23重量％nMSTスラリーの6.50グラムを転送します。この金額は、上記のステップ1.10で生産nMSTスラリーの実際の重量パーセントに基づいて、ステップ1.11で決定して変化し得ます。
- 1ドラムのガラスバイアルにのHAuCl 4・3H 2 Oの0.0659グラムを量り分けます。ターゲットTiが1：Auの質量比は4です。
- 水〜1ミリリットル中のHAuCl 4・3H 2 Oを溶解し、その後nMSTを含む遠心管に移します。 3H 2 O・のHAuCl 4の全てを確実にするために、追加の水でバイアルを数回すすぎnMSTを含む遠心管に移します。
- 11ミリリットルに全量を、必要に応じて、追加の水で懸濁液を希釈します。約15mmの最後の金（III）濃度をターゲットにしています。
- 、暗闇の中での懸濁液を保つためにホイルで遠心分離管を包みますその後、最低4日間シェーカーロティサリーにサスペンションをタンブルdは。
- 固形物を分離するために15分間、3000×gで遠心分離することによって、製品を収集します。任意の未交換のAu（III）を除去するために15分間、3000×gで遠心分離することにより、水に再分散することにより、蒸留水で固形分を3回洗浄し、そしてreisolate。
- いずれかの水に再分散することにより水性懸濁液として、または最終洗浄水をデカントし、チューブをキャッピングすることにより湿った固形物として最終製品を保管してください。暗所で保管してください。
Peroxotitanateの調製
- 小さなフラスコにnMSTの9.8重量％スラリーの5グラムを転送します。
- 30重量％H 2 O 2溶液 0.154グラム量り分けます。目標H 2 O 2：Tiのモル比は0.25：1です。
- nMST懸濁液を攪拌しながらも、H 2 O 2溶液の滴下の0.154グラムを追加します。 WHIのH 2 O 2添加すると、サスペンションteの固体がすぐに黄色に変わります。
- 添加が完了した後、24時間周囲温度で反応を撹拌しました。
- 0.1μmのナイロンフィルターを通して濾過することにより生成物を収集し、未反応のH 2 O 2を除去するために水で数回洗浄します。乾燥するまでフィルタリングしないでください。洗浄が完了した後、予め秤量した瓶またはバイアルにフィルターからスラリーを転送し、水性スラリーとして保存します。
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Representative Results
MSTは、テトライソプロポキシチタン（IV）（TIPT）、ナトリウムメトキシド、および水を合わせ、MSTのシード粒子を形成するために、イソプロパノール中で反応させる。4ミクロンサイズの粒子は、追加の制御された添加によって成長させられたゾル-ゲル法を用いて合成されます試薬の量。得られた粒子は、長さが50ナノメートルによって幅約10nmの寸法を有するアモルファスコアと外側の繊維の領域を備えています。20
図1Aは、ミクロンサイズのMSTのための動的光散乱（DLS）によって測定される確立されたゾル-ゲル法を用いて調製され、典型的な粒径分布を示しています。この合成は、1ミクロンの周りの大部分は、粒子の多峰分布を生成します。 MSTの粒径を小さくするための最初の試みは、シード工程を排除し、はるかに希釈試薬の濃度を用いて調べました。希釈した反応では、最終的な溶媒：TIPTの体積比は16でした合成中に〜32の試薬希釈を表すミクロンサイズのMST合成の5.14に比べて5。 図1Bに見られるように、これは、反応の24時間後に50〜100 nmで500 nmの中心粒径を有する二峰性分布が得られました。 48時間後、三峰性分布は、大きさは1000nm（1ミクロン）（ 図1C）を測定した粒子の出現で観察されます。より短い反応時間でのDLS測定は粒子の二峰性分布は分布が小さい粒子サイズを中心とする以外は、図1Bに示したものと同様のサイズを示します。したがって、我々は、シード段階の還元試薬濃度および非存在下で最初に製造さより小さな粒子をもたらすが、粒子成長は、ナノ及びミクロンサイズMSTの両方の混合物を生じ続けると結論します。
過去10年間のゾル - ゲル合成における界面活性剤の添加を報告する論文の数がありましたナノサイズの二酸化チタン、金属ドープされた二酸化チタン及び多金属酸化チタンの製造において得られる粒子のサイズを制御する。これらの知見に基づいて21〜26に 、我々は、MST合成の界面活性剤を添加するかどうかを決定するために一連のテストを開始しましたナノサイズ粒子の唯一の生産を可能にする粒子成長を制御します。 Merpol A;トリトンXシリーズ（X-15、X-45、X-100、X-165、X-405）、非イオン性界面活性剤（ブリーク52の数TWEEN 20、2,4,7,9-テトラメチル-5-デシン-4,7-ジオールエトキシレート;およびゾニールFS300）ならびに1つのアニオン性界面活性剤（ドキュセートナトリウム）と1つのカチオン性界面活性剤（CTAB）をスクリーニングしました。
最初の実験は、TIPTのモル当たり界面活性剤の0.12モルの濃度で界面活性剤をスクリーニングしました。これらの反応からの生成物は、多分散性および平均粒子径はDLSを用いてスクリーニングしました。トリトンX-100、トリトンX-165、ブリジ52とのZonyl FS300は、小さな粒子サイズの良好な組み合わせを示した（ZのAVE<150 nm）を単分散、トリトンX-100およびトリトンX-165は、粒子サイズの最も狭い範囲を示しています。さらなる実験は、その後、TIPTモル当たり界面活性剤を0.012〜1.2モルの界面活性剤濃度の範囲を調べるために行きました。より低い濃度は、粒子の成長を制限するのに十分な界面活性剤が存在することが示唆された二峰性の分布をもたらし、一方、より高い界面活性剤濃度は、粒子サイズの広い分布をもたらしました。トリトンX-100 TIPTのモル当たり0.12モルで、均一なnMST粒子の合成のために最適に近い現れ（ 図2及び3）。
温度は、粒子状のゲルから産物への変換において重要な役割を果たしています。透過型電子顕微鏡（TEM）82℃に加熱する前と後の画像は、製品は、加熱前に半微粒子/半ゲル状の状態として表示され表示が、製品を加熱した後、固体が表示され自然の中での微粒子。したがって、45〜90分間低温加熱nMSTの粒子形成を完了するために必要とされます。
nMSTのさらなる特徴付けは、表面領域及び等電点（IEP）の決意を含んでいました。表面積の測定は、窒素吸着等温線のブルナウアー - エメット - テラー（BET）分析によって得ました。 BET表面積285 m 2のグラム測定-1 nMSTはわずか20 m 2とgの比較のため-1ミクロンサイズMSTため。 nMSTためのより高い表面積はnMSTのはるかに小さい粒子サイズと一致しています。ゼータ電位の測定は、ナノ及びmicrotitanatesためIEPを決定するために、pH条件の範囲に亘って実施しました。以下のように決定IEPSは、次のとおりです。nMST = 3.34;過酸化物で修飾されたnMST = 2.05; MST = 4.46;過酸化物で修飾されたMST = 3.43。 nMSTは、プロトン化のために利用可能な表面部位のより高い割合を示すMSTより低いIEPを示しました。 T彼はnMSTの大きさより高い表面積の順序与え予想されるであろう。過酸化物で修飾されたnMSTフォームへnMSTの変換は、pH単位を超えてIEPを下げました。同様の傾向は、ペルオキソフォームにMSTの変換の際に観察されました。過酸化物で修飾されたnMSTおよび過酸化物で修飾されたMSTの材料を容易にプロトン化と脱プロトン化することができます非架橋ペルオキソ種の存在から、可能性の高い結果を得るために低いIEP。
H 2 O 2によるnMSTの表面改質の成功はすぐに白色から黄色への色の変化から観察することができます。この色の変化は 、2つの結合型プロトン化hydroperoxoチタン配位子-金属電荷移動吸収帯385 nmでのηのためである。またperoxotitanate種の形成を確認した27,28フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）を形質転換883 -1ペルオキシドのための吸収バンドの出現によって証明されるようにeは未処理nMST材料には存在しないnMST（ 図4）を修正しました。このバンドは非常に過酸化物で伸縮振動OOのために報告された845〜875センチメートル-1の領域の近くにある。29 TEMおよび走査型電子顕微鏡（SEM）は、粒子のサイズおよび形態は、過酸化物反応後に保持されたことを示した分析します。
発光分光法（ICP-ES） - 金（III）イオン交換の程度を決定するために、金（III）のサンプルは、固形物が誘導結合プラズマによる希釈液の分析を行っホット硝酸で消化した-loaded 。金（III）負荷が97.3ミリグラム/グラムの平均値は、71.4ミリグラムのAu /グラムnMSTから128.7ミリグラムのAu / gの範囲です。これは、73.3ミリグラム/グラムの平均値は、88.6ミリグラム/ gの58.0ミリグラムのAu /グラムのMSTの範囲ミクロンサイズのMST、上のAu（III）の負荷を超える33％の増加を表します。 nMSTのTEM像は、Au（III）との交換の後にobserva金の存在を示しました粒子形態でBLE変化。我々は、Au（III）はSrの2+とUO 2 2+と交換MSTと以前の研究で観察されたとしてチタニアの酸素原子に配位することにより、ミクロンおよびナノサイズMSTの格子に組み込まれていることを信じています。20
図1 MSTとnMST粒子サイズ分布（A） MSTの粒度分布、 nMSTの（B）の粒度分布は、24時間後には、界面活性剤を使用していない合成、及びnMSTの（C）の粒度分布は、48時間後には、界面活性剤を用いない合成しました。参照19から許可を得て複製この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。 P>
nMSTの図2の典型的な粒度分布。トリトンX-100の存在下で合成モノナトリウムチタネートについての粒子サイズ分布。参照19から許可を得て複製この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
図3.サイズとnMSTとMSTの形態 （A、B）nMSTの透過型電子顕微鏡画像。 （C）MSTのnMST、及び（D）は、走査型電子顕微鏡像の電子顕微鏡画像を走査します。参照19からの許可を得て複製。.COM /ファイル/ ftp_upload / 53248 / 53248fig3large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
nMST（黒）及び過酸化物変性nMST（灰色）の図4 FT-IR吸収スペクトル。スペクトル883 -1での吸収バンドの出現によって明らかなようにperoxotitanate種の形成を確認-1過酸化物変性のためにnMST。参照19から許可を得て複製この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
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Discussion
余分な水の存在は、不純な試薬から、例えば、より大きなまたはより多分散の粒子をもたらす、反応の結果を変えることができます。そのため、注意が乾燥反応物が使用されているように注意しなければなりません。チタンイソプロポキシドおよびナトリウムメトキシドは、使用しないときはデシケーター中に保存しなければなりません。高純度イソプロパノールも合成のために使用されるべきです。
温度を粒子状にゲルから産物への変換において重要な役割を果たしていることが見出されました。 82℃に加熱前後のTEM画像は、製品が加熱前の状態半微粒子/半ゲル状のように表示されますが、製品を加熱した後、固体と自然の中での微粒子表示されます表示されます。したがって、45〜90分間低温加熱nMSTの粒子形成を完了するために必要とされます。
本論文で述べたように、界面活性剤の添加は、モノナトリウムtitanaの最終的なサイズを制御することが重要ですTE。すべてのサイトがイオン交換反応のためにアクセスできるようにしかし、MSTが効果的なイオン交換体として機能するために、界面活性剤を除去しなければなりません。したがって、適切な界面活性剤の選択は、粒子成長特性だけでなく、界面活性剤を容易かつ効率的に経済的な手段によって除去されることを可能にする化学的性質だけでなく、考慮しなければなりません。界面活性剤のトリトンXシリーズの場合には、これらの界面活性剤は、水に非常に可溶性であり、効果的に水ですすぐことによって除去することができます。他の界面活性剤については、効果的な除去は、非水性液体ですすぐ必要とする場合があります。
この作業に記載された技術は、ダウンナノ政権に、調製することができるMSTの粒子サイズの範囲を拡大してきました。これは、治療用金属の配信プラットフォームとしての使用を含め、これらの材料のための新しいアプリケーションのための可能性を開きました。粒径の減少はまた、より多くの材料を製造、吸着速度を増加させます効率的なイオン交換体。この技術で使用される条件の改変はさらにだけでなく、より小さなナノ材料に、利用可能な粒子サイズの範囲を拡大することができ、またそれは、特定の用途に望ましい場合、より大きなサイズの粒子を生成します。
この技術は、ゾル - ゲル合成を用いて調製することができる材料の合成に限られているが、それは、MSTを越えて他の材料に適用することができます。この技術は、説明したものと同様に、RTゾルゲル合成に適用することができるが、水熱合成への応用も想定することができるだけでなく。水熱合成法では、前駆体溶液に界面活性剤の添加は、形成された前駆体材料のサイズ、水熱工程の間に速い反応をもたらすとともに、最終製品のより小さな粒子の形成の可能性を制限するのに役立つ可能性があります。
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Titanium(IV) isopropoxide | Sigma Aldrich | 377996 | 99.999% trace metals basis |
| Isopropyl alcholol, 99.9% | Sigma Aldrich | 650447 | HPLC grade (Chomasolv) |
| Sodium methoxide in methanol | Sigma Aldrich | 156256 | 25 wt% |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | T9284 | BioXtra |
| hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrate | Sigma Aldrich | G4022 | ACS reagent grade |
| hydrogen peroxide (30 wt%) | Fisher | H325 | Certified ACS |
| 10-ml syringes | Fisher | 14-823-16E | |
| Dual channel syringe pump | Cole Parmer | EW-74900-10 | Or equivalent programmable dual channel syringe pump |
| Tygon tubing 1/8 inch ID, 1/4 inch OD | Cole Parmer | EW-0640776 | |
| Tygon tubing 1/16 inch ID, 1/8 inch OD | Cole Parmer | EW-0740771 | |
| 0.1-µm Nylon filter | Fisher | R01SP04700 | |
| Labquake shaker rotisserie | Thermo Scientific | 4002110Q |
References
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