Cyklodextriny funkcionalizované nanoˇcástice typu jádro-pláˇst’

(1)

Cyklodextriny funkcionalizovan´ e nanoˇ c´ astice typu j´ adro-pl´ aˇ st’

Diplomov´ a pr´ ace

Studijn´ı program: N3942 – Nanotechnologie Studijn´ı obor: 3942T002 – Nanomateri´aly Autor pr´ace: Bc. Jaroslav Grof

Vedouc´ı pr´ace: RNDr. Michal ˇRezanka, Ph.D.

Katedra chemie

(2)

Zadání diplomové práce

Cyklodextriny funkcionalizované nanočástice typu jádro-plášť

Jméno a příjmení: Bc. Jaroslav Grof Osobní číslo: M18000181

Studijní program: N3942 Nanotechnologie Studijní obor: Nanomateriály

Zadávající katedra: Katedra chemie Akademický rok: 2019/2020

Zásady pro vypracování:

1. Vypracovat literární rešerši o přípravě nanočástic typu jádro-plášť funkcionalizovaných cyklodextriny.

2. Připravit a charakterizovat nanočástice typu jádro-plášť funkcionalizované cyklodextriny.

3. Vyzkoušet jejich sorpční schopnosti vzhledem k vybraným organickým sloučeninám.

(3)

Rozsah grafických prací: dle potřeby dokumentace Rozsah pracovní zprávy: 50-70 stran

Forma zpracování práce: tištěná/elektronická

Jazyk práce: Čeština

Seznam odborné literatury:

1. Solovieva, A. Yu.; Ioni, Yu. V.; Baskakov, A. O.; Starchikov, S. S.; Avilov, A. S.; Lyubutin, I. S.; Gubin, S.

P. Synthesis of Fe₃O₄@Au Core-Shell Nanoparticles. Russ. J. Inorg. Chem. 2017, 62(6), 711-714.

2. Lo, C. K.; Xiao, D.; Choi, M. M. F. Homocysteine-Protected Gold-Coated Magnetic Nanoparticles:

Synthesis and Characterisation. J. Mater. Chem. 2007, 17(23), 2418-2427.

3. Wei, Y.; Han, B.; Hu, X.; Lin, Y.; Wang, X.; Deng, X. Synthesis of Fe₃O₄Nanoparticles and Their Magnetic Properties. Procedia Engineering 2012, 27, 632-637.

Vedoucí práce: RNDr. Michal Řezanka, Ph.D.

Katedra chemie

Datum zadání práce: 7. října 2019 Předpokládaný termín odevzdání: 18. května 2020

prof. Ing. Zdeněk Plíva, Ph.D.

děkan

L.S.

prof. Ing. Josef Šedlbauer, Ph.D.

vedoucí katedry

(4)

Prohl´ aˇ sen´ı

Prohlaˇsuji, ˇze svou diplomovou práci jsem vypracoval samostatnˇe jako p˚uvodn´ı d´ılo s pouˇzit´ım uvedené literatury a na základˇe kon- zultac´ı s vedouc´ım mé diplomové práce a konzultantem.

Jsem si vˇedom toho, ˇze na mou diplomovou práci se plnˇe vztahuje zákon ˇc. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – ˇskoln´ı d´ılo.

Beru na vˇedom´ı, ˇze Technická univerzita v Liberci nezasahuje do mých autorských práv uˇzit´ım mé diplomové práce pro vnitˇrn´ı potˇrebu Technické univerzity v Liberci.

Uˇziji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jej´ımu vyuˇzit´ı, jsem si vˇedom povinnosti informovat o této skuteˇcnosti Technickou univerzitu v Liberci; v tomto pˇr´ıpadˇe má Technická univerzita v Li- berci právo ode mne poˇzadovat úhradu náklad˚u, které vynaloˇzila na vytvoˇren´ı d´ıla, aˇz do jejich skuteˇcné výˇse.

Souˇcasnˇe ˇcestnˇe prohlaˇsuji, ˇze text elektronické podoby práce vloˇzený do IS STAG se shoduje s textem tiˇstˇené podoby práce.

Beru na vˇedom´ı, ˇze má diplomová práce bude zveˇrejnˇena Technic- kou univerzitou v Liberci v souladu s § 47b zákona ˇc. 111/1998 Sb., o vysokých ˇskolách a o zmˇenˇe a doplnˇen´ı dalˇs´ıch zákon˚u (zákon o vysokých ˇskolách), ve znˇen´ı pozdˇejˇs´ıch pˇredpis˚u.

Jsem si vˇedom následk˚u, které podle zákona o vysokých ˇskolách mohou vyplývat z poruˇsen´ı tohoto prohláˇsen´ı.

(5)

Cyklodextriny funkcionalizovan´ e nanoˇ c´ astice typu j´ adro-pl´ aˇ st’

Abstrakt

Byly pˇripraveny magnetické nanoˇcástice oxidu ˇzeleznato-ˇzelezitého, naˇceˇz probˇehla optimalizace jejich pokryt´ı zlatým pláˇstˇem.

Výsledné nanoˇcástice typu jádro-pláˇst’ byly charakterizovány EDX a elementárn´ı analýzou. Následnou funkcionalizac´ı tˇechto nanoˇcástic per-6-deoxy-per-6-sulfanyl-α-, β- i γ-cyklodextriny vznikl systém na detekci organických látek ve vodném prostˇred´ı a jejich následné odstranˇen´ı z roztoku. Testován´ı detekˇcn´ı odezvy probˇehlo s r˚uznými léˇcivy, u vybraných vzork˚u byla mˇeˇrena zbytková koncentrace pro ovˇeˇren´ı sorpˇcn´ıch vlastnost´ı. Ukázalo se, ˇ

ze navrˇzený systém je schopný navázat znaˇcnou ˇcást zneˇciˇstˇen´ı.

Kl´ıˇcová slova: magnetické zlaté nanoˇcástice, cyklodextriny, detekce, sorpce

(6)

Cyclodextrin-functionalised core-shell nanoparticles

Abstract

Iron(II,III) oxide magnetic nanoparticles were prepared and synthesis of gold shell was optimalised. Thus prepared core-shell nanoparticles were characterised via EDX and elementar analysis.

System for detection and sorption organic compound from water was made by functionalisation of core-shell nanoparticles with per-6-deoxy-per-6-sulfanyl-α-, β- and γ-cyclodextrins. Sensor response was tested with various drugs. Residual concentration of some samples was measured to determine sorption ability. Sys- tem turned out to be able to remove significant portion of pollution.

Keywords: magnetic gold nanoparticles, cyclodextrins, detection, sorption

(7)

Podˇ ekov´ an´ı

Dˇekuji vˇsem, kteˇr´ı se jakýmkoli zp˚usobem zaslouˇzili o vznik následuj´ıc´ıch ˇctyˇr des´ıtek stran. Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ım zásluˇzn´ıkem je sa- mozˇrejmˇe vedouc´ı této diplomové práce RNDr. Michal ˇRezanka, Ph.D., který mˇe ani po tˇrech letech spolupráce nepˇrestává ohro- movat svou racionalitou a chladnou hlavou. Vˇsechny nastalé problémy mnˇe pomohl ˇreˇsit s maximáln´ı lehkost´ı a nekoneˇcnou du- chapˇr´ıtomnost´ı, kterou pˇredával i na mˇe. Dˇekuji mu za bezchybné pr˚uvodcovstv´ı pˇri studiu.

Dˇekuji i vˇsem mým koleg˚um a nadˇr´ızeným za poskytnut´ı cenných rad a vytvoˇren´ı pˇr´ıjemné pˇrátelské pracovn´ı atmosféry. Jmeno- vitˇe pak dˇekuji Mgr. Veronice Mákové, Ph.D., a Ing. Martinu Stuchl´ıkovi. Mgr. V´ıtu Novotnému dˇekuji za trpˇelivost a Mgr. Janˇe Karp´ıˇskové, Ph.D., za neodolatelný hudebn´ı doprovod pˇri práci v la- boratoˇri.

Dˇekuji svým pˇrátel˚um a spolubydl´ıc´ım z vysokoˇskolských kolej´ı, Bc. Miroslavu Váˇnovi, Bc. Zdeˇnku Devátému a Lukáˇsi Voseckému, panu bakaláˇri, za bezproblémové souˇzit´ı a vzájemnou psychic- kou podporu. Zvláˇstˇe dˇekuji Bc. Vitu Kancl´ıˇrovi za vytvoˇren´ı a dodrˇzován´ı tradic (vˇcetnˇe pit´ı kaf´ıˇcka), které zlehˇcuj´ı strasti stu- dentského ˇzivota.

Dˇekuji vˇsem svým pˇrátel˚um v hudbˇe. Zejména Filipu ˇSnajdrovi za naˇse hudebn´ı partnerstv´ı a hudebn´ı výlety, které zp˚usobuj´ı neuvˇeˇritelnou lehkost byt´ı.

Dˇekuji své velké rodinˇe za trpˇelivost a pochopen´ı v tˇeˇzkých chv´ıl´ıch studia. Dˇekuji tat´ınkovi a mamince za stvoˇren´ı a veden´ı tou správnou cestou ˇzivota. Dˇekuji obˇema svým bratr˚um za ˇzivotn´ı inspiraci a tˇrem svým sestˇriˇckám, které mi ukazuj´ı, ˇze rodina je základ.

Dˇekuji Eliˇsce Suchardov´e, protoˇze je nejlepˇs´ı.

Dˇekuji za podporu poskytnutou v rámci projektu Výzkumné in-

(8)

Obsah

Seznam obr´azk˚u. . . 9

Seznam zkratek . . . 10

1 Uvod´ 11 2 Nanoˇcástice 13 2.1 Magnetické nanoˇcástice . . . 14

2.1.1 Magnetismus . . . 14

2.1.2 Pˇr´ıprava . . . 15

2.1.3 Povrchov´a ´uprava, vyuˇzit´ı . . . 18

2.2 Zlat´e nanoˇc´astice . . . 20

2.2.1 Vlastnosti . . . 20

2.2.2 Vyuˇzit´ı. . . 20

2.3 Nanoˇcástice typu jádro-pláˇst’ . . . 23

2.3.1 Fe₃O₄@Au nanoˇc´astice . . . 23

2.3.2 Moˇznosti pˇr´ıpravy zlat´e slupky . . . 25

3 Odstraˇnován´ı látek z vodného prostˇred´ı 27 3.1 Cyklodextriny . . . 27

3.1.1 Inkluzn´ı komplexy . . . 28

3.1.2 Substituce, navázán´ı na nanoˇcástice . . . 29

3.2 Navrˇzen´y syst´em . . . 31

4 Experimentáln´ı ˇcást 33 4.1 Pˇr´ıprava Fe₃O₄ nanoˇcástic – metoda I . . . 33

4.2 Pˇr´ıprava Fe₃O₄ nanoˇc´astic – metoda II . . . 33

4.3 Pˇr´ıprava Fe₃O₄@Au nanoˇc´astic – metoda A . . . 34

4.4 Pˇr´ıprava Fe₃O₄@Au nanoˇc´astic – metoda B . . . 34

4.5 Pˇr´ıprava Fe₃O₄@Au nanoˇc´astic – metoda C . . . 34

4.6 Funkcionalizace nanoˇc´astic cyklodextriny . . . 35

(9)

4.7 Pˇr´ıprava testovac´ıch roztok˚u, mˇeˇren´ı koncentrace . . . 35

5 V´ysledky a diskuze 36 5.1 Fe₃O₄ nanoˇc´astice – metoda I . . . 36

5.2 Fe₃O₄ nanoˇc´astice – metoda II . . . 36

5.3 Fe3O4@Au nanoˇc´astice – metoda A . . . 37

5.4 Fe3O4@Au nanoˇc´astice – metoda B . . . 37

5.5 Fe₃O₄@Au nanoˇc´astice – metoda C . . . 40

5.6 Zkouˇska senzorov´e odezvy a sorpˇcn´ıch vlastnost´ı . . . 43

6 Z´avˇer 46

Seznam pouˇzit´e literatury 47

(10)

Seznam obr´ azk˚ u

2.1 Graf z´avislosti pomˇeru SA:V na pr˚umˇeru ˇc´astice . . . 13

2.2 Sch´emata metod pˇr´ıpravy MNPs . . . 17

2.3 Zbarven´ı roztok˚u AuNPs a graf absorbance, pˇrevzato . . . 21

2.4 Schéma senzorového systému, pˇrevzato . . . 22

2.5 Ukázka vyuˇzit´ı nanoˇcástic jádro-pláˇst’ . . . 24

2.6 Schéma struktury nanoˇcástice typu jádro-pláˇst’ . . . 25

3.1 Struktura hlavn´ıch typ˚u cyklodextrin˚u . . . 28

3.2 Sch´ema inkluzn´ıch komplex˚u a prostorov´e struktury CD . . . 29

3.3 Dvoustupˇnová syntéza persubstituovaných cyklodextrin˚u . . . 30

3.4 Schéma navrˇzeného systému . . . 32

5.1 Sn´ımky ze SEM MNPs – metoda II . . . 37

5.2 Sn´ımek ze SEM Fe₃O₄@Au NPs – metoda A . . . 38

5.3 EDX spektrum Fe₃O₄@Au NPs – metoda A . . . 38

5.4 EDX spektrum Fe₃O₄@Au NPs – metoda B . . . 39

5.5 Reakce Fe₃O₄@Au NPs na vnˇejˇs´ı magnetick´e pole . . . 40

5.6 Sn´ımek ze SEM Fe₃O₄@Au NPs – metoda C . . . 41

5.7 EDX spektrum Fe3O4@Au NPs – metoda C . . . 42

5.8 Ukázka výsledku testován´ı senzorové odezvy . . . 43

5.9 Struktury dvou vybran´ych l´eˇciv a graf jejich absorbanc´ı . . . 44

(11)

Seznam zkratek

AuNPs zlat´e nanoˇc´astice

CD cyklodextrin

EC zneˇciˇst’uj´ıc´ı l´atky

EDX energiovˇe disperzn´ı anal´yza

Fe₃O₄@AuNPs nanoˇcástice oxidu ˇzeleznato-ˇzelezitého se zlatým pláˇstˇem MNPs magnetické nanoˇcástice

MRI magnetick´a rezonance µ_r relativn´ı permeabilita

PLAL pulsn´ı laserov´a ablace v kapalinˇe

SA specifick´y povrch

SEM skenovac´ı elektronová mikroskopie SPR povrchová plasmonová rezonance

(12)

1 Uvod ´

Voda je jednou z nejnepostradatelnˇejˇs´ıch substanc´ı pro ˇzivot na Zemi. Se zrych- luj´ıc´ım se rozmnoˇzován´ım lidského druhu na naˇs´ı planetˇe samozˇrejmˇe stoupá i mnoˇzstv´ı pitné vody potˇrebné k ukojen´ı jedné z naˇsich nejzákladnˇejˇs´ıch potˇreb.

Cistota vody je proto velice d˚ˇ uleˇzit´a pro zdrav´ı vˇsech ˇziv´ych bytost´ı.

Od doby pr˚umyslové revoluce, rozvoje vˇedy a techniky, se vˇsak zaˇcalo objevo- vat výrazné zneˇciˇstˇen´ı vodn´ıch zdroj˚u. Polutanty, které maj´ı negativn´ı dopad na lidské zdrav´ı, ˇzivotn´ı prostˇred´ı a typicky nemaj´ı stanovené hygienické limity, si vy- slouˇzily nové pojmenován´ı. Slovn´ı spojen´ı Emerging contaminants (EC) by se dalo volnˇe pˇreloˇzit jako novˇe vznikaj´ıc´ı zneˇciˇst’uj´ıc´ı látky. Nejˇcastˇejˇs´ımi zdroji EC jsou zemˇedˇelstv´ı, odpady z velkomˇest, nemocnic, ale i domácnost´ı. Mezi vodn´ımi polutanty se pˇreváˇznˇe vyskytuj´ı pesticidy, surfaktanty, mikroplasty, farmaceutické a hy- gienické produkty a dalˇs´ı (Patel et al. 2020).

V dneˇsn´ı dobˇe je po celém svˇetˇe bˇeˇznˇe pouˇz´ıváno na 4 000 farmaceutických látek.¹ Patˇr´ı mezi nˇe napˇr´ıklad analgetika, antibiotika, antikoncepce, antidepresiva a mnohé dalˇs´ı. Jejich sloˇzitá organická struktura nav´ıc zvyˇsuje polaritu a t´ım i mobilitu látek ve vodném prostˇred´ı. Problémem tak nejsou pouze samotná léˇciva, ale i rychlost a dosah jejich ˇs´ıˇren´ı.

Uˇćinné látky v tˇechto léˇcivech jsou vysoce bioaktivn´ı, nelze proto vylouˇcit jejich neˇzádouc´ı efekty (Schwarzenbach et al. 2010). Farmaceutické látky jsou vytvoˇrené tak, aby mˇely specifický léˇcivý úˇcinek na organismus, a to pˇri urˇcité stanovené dávce.

Po vylouˇcen´ı tˇechto látek prostˇrednictv´ım odpadn´ıch vod do ˇzivotn´ıho prostˇred´ı vˇsak m˚uˇze docházet k bioakumulaci. Látky tak p˚usob´ı v mnohem vyˇsˇs´ıch koncentrac´ıch na organismy, pro které nebyly urˇceny (Du et al. 2015).

Zneˇciˇstˇen´ı tohoto druhu se z odpadn´ıch vod ˇc´asteˇcnˇe odstraˇnuje samovolnˇe.

Jednak sorpc´ı do sediment˚u, jednak biodegradac´ı. Biodegradace léˇciv vˇsak ne vˇzdy vede k plnému rozkladu molekul, ˇcasto m˚uˇze doj´ıt k tvorbˇe metabolit˚u. Bylo napˇr´ıklad zjiˇstˇeno, ˇze z iopromidu (molekula pouˇz´ıvaná jako kontrastn´ı látka pˇri

1Udaj k bˇ´ reznu 2020. Dostupn´e z: https://www.drugbank.ca/stats.

(13)

tomografii) nalezeného v odpadn´ıch vodách vzniklo degradac´ı dalˇs´ıch dvanáct r˚uzných látek (Schulz et al. 2008). Problém zneˇciˇstˇen´ı vody tak netkv´ı pouze ve vypouˇstˇen´ı primárn´ıch neˇcistot, v potaz se mus´ı brát i produkty jejich degradace.

Je evidentn´ı, ˇze nen´ı moˇzné ˇcekat, neˇz se polutanty z vodn´ıch zdroj˚u samovolnˇe odstran´ı. Je d˚uleˇzité rychle jednat. Nˇekteré doposud vyvinuté metody ˇciˇstˇen´ı vody jsou bud’ drahé, málo úˇcinné, nebo samy vytváˇrej´ı dalˇs´ı vedlejˇs´ı produkty, o kterých provozovatelé nemus´ı m´ıt ani ponˇet´ı. Pˇred vˇedeckým svˇetem tak stoj´ı nelehký úkol – vytvoˇrit efektivn´ı, levný a bezpeˇcný zp˚usob odstraˇnován´ı polutant˚u z vodn´ıch zdroj˚u. Jednou z moˇznost´ı úˇcinného ˇciˇstˇen´ı vod jsou sorpˇcn´ı systémy.

Byl jiˇz pˇripraven a otestován senzorový systém tvoˇrený cyklodextriny funkci- onalizovanými zlatými nanoˇcásticemi, který je d´ıky tvorbˇe inkluzn´ıch komplex˚u schopen vázat farmaceutické produkty a léˇciva. Následná sedimentace a odbarven´ı roztoku nav´ıc umoˇzˇnuje in situ detekˇcn´ı odezvu (Grof 2018). Na následuj´ıc´ıch stránkách bude tento systém zdokonalen. Zlaté nanoˇcástice budou nahrazeny mag- netickými jádry se zlatými pláˇsti. Toto vylepˇsen´ı jednak zachovává senzorovou pod- statu systému, tedy v pˇr´ıpadˇe pˇr´ıtomnosti organické látky s lipofiln´ımi ˇcástmi dojde k vytvoˇren´ı inkluzn´ıch komplex˚u, sedimentaci a odbarven´ı, jednak poskytuje moˇznost odstranˇen´ı sedimentu pomoc´ı magnetického pole.

(14)

2 Nanoˇ c´ astice

Nanomateriály jsou takové materiály, které maj´ı jeden nebo v´ıce svých rozmˇer˚u v ˇrádu nanometr˚u. Nanoˇcástice jsou podmnoˇzinou nanomateriál˚u a v ˇrádu nanometr˚u maj´ı rozmˇery ve vˇsech tˇrech dimenz´ıch (Wei et al. 2012). V mnoha defi- nic´ıch nanomateriál˚u se vyskytuje slovn´ı spojen´ı

”mimoˇrádné vlastnosti“. Ty jsou zp˚usobeny právˇe jejich malými rozmˇery.

V nanomateriálech nejsou hladiny energi´ı elektron˚u spojité jako v bulkových materiálech, ale jsou diskrétn´ı, coˇz vede k výskytu kvantových jev˚u. Docház´ı ke zvýˇsen´ı pomˇeru specifického povrchu (SA) k objemu a dominanci vlastnost´ı povr- chových atom˚u nad tˇemi uvnitˇr materiálu (viz graf na obrázku 2.1). Objevuj´ı se tak vlastnosti nebo zmˇeny vlastnost´ı, které jsou u jejich makroskopických ekvivalent˚u nev´ıdané. Napˇr´ıklad odliˇsné teploty tán´ı, zmˇeny ve fluorescenci, elektrické vodivosti, chemické reaktivitˇe, ale i magnetismu (Daruich De Souza et al. 2019).

Obrázek 2.1: Graf pomˇeru specifického povrchu k objemu v závislosti na pr˚umˇeru ˇcástice.

(15)

2.1 Magnetick´ e nanoˇ c´ astice

2.1.1 Magnetismus

Magnetismus byl objeven ve starovˇeku. Dle zm´ınek pouˇz´ıvali ˇC´ıˇnané zmagnetizova- nou jehlu jako kompas jiˇz 2 500 pˇr. n. l. V obdob´ı 6. stol. pˇr. n. l. si magnetismu vˇsimli i ˇRekové. Ve starovˇekém ˇRecku byl nalezen minerál, který pˇritahoval ˇzelezo a jehoˇz jednotlivé ˇcásti se podle vzájemného natoˇcen´ı bud’ pˇritahovaly, nebo odpuzo- valy. Thalés z Milétu byl pravdˇepodobnˇe prvn´ım ˇclovˇekem, který pro tento minerál pouˇzil slovo

”magnetit“. Název je nejsp´ıˇse odvozen od oblasti, kde byl minerál po- prvé nalezen. Magnésie v ˇRecku tak svým jménem poznamenala nejen magnetit, magnet, ale i jejich projev – magnetismus (Kramer 1933). V angliˇctinˇe se pro kus magnetitu vˇzil také název

”lodestone“ (lode, lead znamená vést a stone kámen).

Pojmenován´ı tedy odkazuje na jeho vyuˇzit´ı jako kompasu pˇri cestován´ı. Pozdˇeji se ukázalo, ˇze se jedná o podvojný oxid ˇzeleznato-ˇzelezitý, Fe₃O₄.

I pˇresto, ˇze magnetismus existuje od samotného velkého tˇresku a znám je jiˇz od starovˇeku, jeho podstata z˚ustala dlouho neobjevena. Prvn´ı vˇedecké poznatky o magnetismu pˇrináˇs´ı ve své práci De magnete britský fyzik William Gilbert (Gilbert a Mottelay 1991). Zmiˇnuje mimo jiné, ˇze planeta Zemˇe se sama o sobˇe také chová jako slabý magnet. Velký pokrok v chápán´ı magnetismu uˇcinili fran- couzský fyzik André-Maria Ampère a britský fyzik Michael Faraday, kdyˇz provedli experimenty ukazuj´ıc´ı úzkou souvislost mezi elektrickým a magnetickým polem.

Nejd˚uleˇzitˇejˇs´ım ˇclánkem v poznán´ı elektromagnetismu byl bezpochyby legendárn´ı skotský fyzik James Clerk Maxwell, který v 19. stol. vˇedeckému svˇetu poskytl teorii, která dokazuje, ˇze elektˇrina a magnetismus jsou pouze dva projevy jedné a té samé s´ıly. Elektromagnetismus je nyn´ı fyziky zaˇrazován mezi ˇctyˇri základn´ı interakce (Dalal 2017).

Magnetismus je zp˚usoben pohyby ˇcástic, které maj´ı jak hmotnost, tak elektrický náboj. Mezi tyto ˇcástice se ˇrad´ı elektrony, d´ıry, protony a ionty. Rotuj´ıc´ı elektricky nabitá ˇcástice vytváˇr´ı magnetický dipól, takzvaný magneton. Magnetony se mohou seskupovat a vytváˇret magnetické neboli Weissovy domény. Podle uspoˇrádán´ı tˇechto domén lze kaˇzdý materiál zaˇradit do jedné z následuj´ıc´ıch skupin.

Látky diamagnetické maj´ı v atomových podslupkách vˇsechny elektrony spárované. Jednotlivé magnetické dipóly se tedy vzájemnˇe vyruˇs´ı a nevytváˇr´ı se tak ˇzádné domény. Ve vnˇejˇs´ım magnetickém poli generuj´ı nabité ˇcástice vlastn´ı pole,

(16)

kterým to vnˇejˇs´ı vyruˇs´ı. Proto jsou z vnˇejˇs´ıho magnetického pole slabˇe vypuzovány.

Jejich relativn´ı permeabilita je nepatrnˇe menˇs´ı neˇz 1, µ_r< 1.

V elektronové konfiguraci paramagnetických látek se vyskytuj´ı nespárované elektrony a jsou vytváˇreny magnetické dipóly. Ty jsou napˇr´ıˇc látkou uspoˇrádány náhodnˇe, shodnˇe se zorientuj´ı pouze za pˇr´ıtomnosti vnˇejˇs´ıho magnetického pole, které se t´ım zes´ıl´ı. Jejich relativn´ı permeabilita je o nˇeco vˇetˇs´ı neˇz 1, µ_r > 1.

Feromagnetické látky maj´ı v d a f orbitalech nespárovaných elektron˚u vˇetˇsinu, vznikaj´ı tak silné magnetické dipóly, které jsou v magnetických doménách shodnˇe orientovány. Ve vnˇejˇs´ım magnetickém poli se domény orientuj´ı v jeho smˇeru a t´ım ho zesiluj´ı. Po vyjmut´ı m˚uˇze magnetizace ˇcásteˇcnˇe z˚ustat, feromagnetika tak mohou sama generovat vlastn´ı magnetické pole. Jejich relativn´ı permeabilita je o mnoho vyˇsˇs´ı neˇz 1, µ_r 1.

Látky ferrimagnetické jsou tvoˇreny dvˇema r˚uznými ionty, jejichˇz magnetické dipóly jsou orientovány opaˇcnˇe. D´ıky r˚uzné velikosti dipól˚u materiál magnetické pole generuje a pˇri aplikaci pole vnˇejˇs´ıho ho zesiluje. Pokud maj´ı opaˇcnˇe orien- tované magnetické dipóly stejnou velikost, jedná se o látky antiferomagnetické (Samadishadlou et al. 2018).

Vˇsechny výˇse uvedené pˇr´ıpady popisuj´ı takzvané bulkové materiály, ve kterých jsou magnetické domény pospojovány chemickými vazbami v makroskopické celky.

Zaj´ımavý jev se objev´ı, pokud se z fero-, ferri- nebo antiferomagnetického materiálu vytvoˇr´ı nanoˇcástice s velikost´ı pod jistou hranic´ı. Tou je velikost jedné magnetické domény daného materiálu (pro bˇeˇzné materiály cca 100 nm). Kaˇzdá nanoˇcástice pak obsahuje právˇe jednu magnetickou doménu, koercivita klesá k nule, ˇcástice nemaj´ı ˇzádnou hysterezi a vzniká takzvanˇe superparamagnetický materiál. Takové ˇcástice reaguj´ı na vnˇejˇs´ı magnetické pole témˇeˇr okamˇzitˇe, pˇri jeho absenci ale d´ıky tepelné fluktuaci nevykazuj´ı ˇzádné magnetické vlastnosti. V ideáln´ım pˇr´ıpadˇe nejsou mezi ˇcásticemi ˇzádné interakce (Akbarzadeh et al. 2012). Tuto vlastnost jako prvn´ı pˇredpovˇedˇeli Frenkel a Dorfman (1930).

2.1.2 Pˇ r´ıprava

Rozliˇsuj´ı se dva hlavn´ı pˇr´ıstupy k výrobˇe nanoˇcástic – top-down a bottom-up. Top- down pˇr´ıstup zahrnuje metody fyzikáln´ı, ˇrad´ı se mezi nˇe napˇr´ıklad mlet´ı objemových materiál˚u. Takto pˇripravené nanoˇcástice mohou m´ıt nepravidelný tvar. Bottom-up, chemické metody, zahrnuje koprecipitaci, syntézu v mikroemulzi nebo napˇr´ıklad laserovou ablaci.

(17)

Magnetické nanoˇcástice mohou být vyrobeny z materiál˚u, které vykazuj´ı vysokou relativn´ı permeabilitu, µ_r 1. Mezi takové se ˇrad´ı materiály feromagnetické a ferrimagnetické, napˇr´ıklad ˇcisté kovy – ˇzelezo, kobalt a nikl – nebo oxidy ˇzeleza, γ-Fe₂O₃, Fe₃O₄ a dalˇs´ı. Existuje velké mnoˇzstv´ı metod pˇr´ıpravy magnetických nanoˇcástic, a právˇe od pouˇzité metody se odv´ıj´ı výsledné vlastnosti jako je tvar, velikost, distribuce velikost´ı, povrchový náboj, ale i magnetické vlastnosti.

Nanoˇcástice mohou být krystalické nebo amorfn´ı v závislosti na tom, jestli se formuj´ı z uspoˇrádaných nebo neuspoˇrádaných agregát˚u. Metoda syntézy také urˇcuje m´ıru výskytu strukturn´ıch defekt˚u a neˇcistot, jejich rozloˇzen´ı v nanoˇcástici, a t´ım opˇet jej´ı magnetické vlastnosti. Témˇeˇr pro jakékoliv následné vyuˇzit´ı je ˇzádouc´ı pˇripravovat magnetické nanoˇcástice s úzkou distribuc´ı velikost´ı, nebot’ na rozmˇerech závis´ı vˇetˇsina fyzikáln´ıch i chemických vlastnost´ı. N´ıˇze jsou popsány vybrané metody pˇr´ıpravy magnetických nanoˇcástic.

Synt´eza ultrazvukem

Chemický efekt ultrazvuku nepocház´ı z pˇr´ımé interakce mezi zvukovými vlnami a molekulami. Sonochemie stav´ı na akustické kavitaci. P˚usoben´ım expanze a kom- prese zvukových vln o frekvenc´ıch 20 kHz – 10 MHz docház´ı v kapalinˇe k oscilaci ˇcástic a vzniku bublin. Vakuum v bublinách zp˚usob´ı vypaˇrován´ı kapaliny, dojde k jejich r˚ustu a následnému uvolnˇen´ı nahromadˇené energie pˇri implosivn´ım kolapsu.

T´ım jsou generována m´ısta s velmi vysokou teplotou a tlakem (experimentálnˇe zjiˇstˇeno pˇres 5 000 K a 180 MPa)(Suslick et al. 1996). Pˇri tˇechto extrémn´ıch podm´ınkách docház´ı k poruˇsen´ı chemických vazeb a vzniku nových struktur.

Z d˚uvodu kr´atce trvaj´ıc´ıch podm´ınek vznikaj´ı ˇc´astice v rozmˇerech nanometr˚u.

Touto metodou lze pˇripravit monodisperzn´ı superparamagnetické nanoˇcástice s velice úzkou distribuc´ı velikost´ı (Nazrul Islam et al. 2011, Hee Kim et al. 2005).

Synt´eza v mikroemulzi

Dalˇs´ı moˇznost´ı pˇr´ıpravy nanoˇcástic je syntéza v mikroemulzi tvoˇrené reverzn´ımi micelami. Jedná se o malé kapky polárn´ıho rozpouˇstˇedla (nejˇcastˇeji vody) disper- gované v hydrofobn´ım roztoku. Oproti bˇeˇzným emulz´ım je systém pr˚uhledný a ter- modynamicky stabiln´ı. Micely jsou stabilizovány monovrstvou surfaktantu. Surfak- tantem m˚uˇze být amfifiln´ı molekula, kteréˇzto hydrofobn´ı konce tvoˇr´ı povrch micel, zat´ımco hydrofiln´ı konce jsou v kontaktu s vodou a m´ıˇr´ı do jejich stˇred˚u. Právˇe tyto micely slouˇz´ı jako

”nanoreakory“, ve kterých je moˇzné nechat probˇehnout syntézu nanoˇcástic, napˇr´ıklad redukc´ı nebo koprecipitac´ı. S moˇznost´ı ovlivˇnovat velikost

(18)

Obrázek 2.2: Schémata metod pˇr´ıpravy magnetických nanoˇcástic; vlevo mikroemulze, vpravo koprecipitace.

micel se naskýtá pˇr´ıleˇzitost syntézy nanoˇcástic s velice úzkou distribuc´ı velikosti (Gubin et al. 2005).

Touto metodou se podaˇrilo pˇripravit magnetické nanoˇcástice kobaltu s poly- disperzitou 11 %. Syntéza prob´ıhá tak, ˇze se sm´ıchaj´ı dvˇe mikroemulze s velikost´ı micel 3 nm. Jedna emulze ve svých reverzn´ıch micelách obsahuje chlorid kobalt- natý, druhá redukˇcn´ı tetrahydridoboritan sodný ve stejné koncentraci. Micely z obou emulz´ı se spoj´ı a dojde ke vzniku nanoˇcástic kobaltu o velikosti pˇribliˇznˇe dvojnásobku p˚uvodn´ıch micel (schéma metody je na obrázku 2.2 vlevo) (Petit a Pileni 2000).

Koprecipitace

Nejbˇeˇznˇeji vyuˇz´ıvanou cestou produkce vˇetˇs´ıho mnoˇzstv´ı magnetických nanoˇcástic je vˇsak koprecipitace neboli spolusráˇzen´ı. Nanoˇcástice oxid˚u kov˚u vznikaj´ı sráˇzen´ım z roztoku jejich sol´ı, lze tak pˇripravit nanoˇcástice rozliˇcného sloˇzen´ı, napˇr´ıklad MnFe₂O₄, MgFe₂O₄, ferity zinku, niklu a mnohé dalˇs´ı. Konkrétnˇe syntéza Fe₃O₄ nanoˇcástic alkalickou koprecipitac´ı z roztoku ˇzeleznatých a ˇzelezitých sol´ı se nˇekdy oznaˇcuje jako Massartova metoda (na obrázku 2.2 vpravo) (Massart 1981).

Mezi nejvˇetˇs´ı výhody koprecipitaˇcn´ı metody patˇr´ı n´ızké náklady a nedrastické podm´ınky reakce.

Nejˇcastˇeji pouˇz´ıvanými solemi jsou chloridy, dusiˇcnany nebo s´ırany. Tyto jsou rozpouˇstˇeny v kyselém prostˇred´ı vytvoˇreném napˇr´ıklad kyselinou chlorovod´ıkovou.

Nad kritickou koncentrac´ı iont˚u dojde k saturaci roztoku a pˇridán´ım silné báze, napˇr´ıklad amoniaku nebo hydroxidu sodného, vzniknou jádra pevné fáze.

(19)

Ty se stejnomˇernˇe zvˇetˇsuj´ı, aˇz dojde k vytvoˇren´ı monodisperzn´ıch nanoˇc´astic.

Pˇri závˇereˇcné centrifugaci ve vodˇe a ethanolu se vymyj´ı nezreagované chemikálie.

Dobré disperznosti a rozmˇerové stability lze dosáhnout pˇridán´ım hydrofiln´ı molekuly, napˇr´ıklad polyvinylalkoholu. Nanoˇcástice s povrchovou úpravou pak mohou být v roztoku rozptýleny ve vysoké koncentraci a vytvoˇrit takzvaný ferrofluid – te- kutinu sloˇzenou z dostateˇcnˇe malých magnetických nanoˇcástic, ve které magnetické ani gravitaˇcn´ı pole nem˚uˇze zp˚usobit jejich sráˇzen´ı.

Touto rychlou metodou vznikaj´ı nanoˇcástice uniformn´ı jak tvarem, fáz´ı, tak i velikost´ı. Na vlastnosti vzniklých nanoˇcástic maj´ı znaˇcný vliv parametry expe- rimentu, jako jsou teplota, pH, typ pouˇzitých sol´ı, pˇr´ıtomné báze, u Massartovy metody také pomˇer iont˚u Fe²⁺/Fe³⁺. Napˇr´ıklad hodnota pH je zodpovˇedná za velikost ˇcástic. Pˇri vyˇsˇs´ım pH zp˚usob´ı náboj na povrchu vznikaj´ıc´ıch nanoˇcástic jejich odpuzován´ı a t´ım menˇs´ı výslednou velikost (Mosayebi et al. 2017).

2.1.3 Povrchov´ a ´ uprava, vyuˇ zit´ı

Pˇripravené nanoˇcástice je v´ıce neˇz vhodné opatˇrit povrchovou úpravou. Chemie povrchu hraje d˚uleˇzitou roli pˇri zajiˇstˇen´ı dostateˇcné repulze mezi ˇcásticemi. Na zeta potenciál má kromˇe koncentrace nanoˇcástic, hodnoty pH, rozpouˇstˇedla a dalˇs´ıch vliv právˇe materiál povrchu. Jeho zmˇenou tak m˚uˇze doj´ıt k zabránˇen´ı agregace, zvýˇsen´ı stability, zlepˇsen´ı rozpustnosti nebo poskytnut´ı vhodné funkcionalizace pˇri navazován´ı biomolekul. Pokrýván´ı nanoˇcástic, takzvaný coating, se provád´ı bud’

pˇr´ımo pˇri syntéze (in situ), nebo aˇz po n´ı (postsyntetická modifikace). Konkrétn´ım pˇr´ıkladem in situ povrchové úpravy m˚uˇze být koprecipitace za pˇr´ıtomnosti poly- sacharidu dextranu (Shen et al. 1993). Dextran zvýˇsil stabilitu Fe₃O₄ nanoˇcástic i rozpustnost ve vodˇe a umoˇznil tak jejich pouˇzit´ı pˇri klinických studi´ıch. Postsyn- tetická modifikace nab´ız´ı moˇznost ˇsirˇs´ıho výbˇeru pokrývac´ıch materiál˚u. Na dru- hou stranu je obt´ıˇzné kontrolovat tlouˇst’ku vrstvy nebo zamezit obalován´ı nˇekolika nanoˇcástic dohromady. Touto metodou vˇsak byly úspˇeˇsnˇe funkcionalizovány super- paramagnetické nanoˇcástice vrstvou fosfolipid˚u modifikovaných polyethylenglykolem. Výsledkem byly 14nm ˇcástice s vysokou stabilitou a rozpustnost´ı ve vodˇe. Funk- cionalizace nav´ıc umoˇzˇnovala navazován´ı dalˇs´ıch molekul a biokonjugaci. Dalˇs´ım c´ılem modifikace m˚uˇze být sn´ıˇzen´ı toxicity, coˇz se povedlo napˇr´ıklad u polyethylenglykolem funkcionalizovaných nanoˇcástic (Billen et al. 2019).

Velkou výzvou povrchové modifikace magnetických nanoˇcástic je udrˇzen´ı velikosti výsledných ˇcástic pod 50 nm. Vˇetˇs´ı ˇcástice jsou totiˇz zachycovány v játrech a slezinˇe

(20)

a t´ım je znemoˇznˇeno jejich pouˇzit´ı v medic´ınˇe. Menˇs´ı nanoˇcástice (pod 100 nm) jsou vhodnˇejˇs´ı, protoˇze mohou déle cirkulovat v krvi, maj´ı vyˇsˇs´ı ˇcas sedimentace a lépe difunduj´ı tkánˇemi (LaConte et al. 2005).

D´ıky speciáln´ım vlastnostem maj´ı magnetické nanoˇcástice slibnou budoucnost v mnoha oborech. Kaˇzdá potenciáln´ı aplikace magnetických nanoˇcástic potˇrebuje trochu jiné vlastnosti. V biomedic´ınˇe jsou preferovány nanoˇcástice superparamag- netické, nesm´ı být toxické ani imunogenn´ı. Je ˇzádouc´ı, aby byly vysoce stabiln´ı pˇri pH 7 ve fyziologickém prostˇred´ı. Jejich velikost mus´ı být dostateˇcnˇe malá, aby po in- jekci cirkulovaly v krevn´ım ˇreˇciˇsti a zároveˇn procházely kapilárn´ım systémem orgán˚u a tkán´ı a nedocházelo k embolii. ˇZádouc´ı je také vysoká magnetizace, aby mohl být jejich pohyb v krvi kontrolován magnetickým polem a nanoˇcástice tak mohly být navedeny do c´ılových tkán´ı. Mezi biomedic´ınské aplikace se ˇrad´ı vyuˇzit´ı v systémech pro c´ılenou dopravu léˇciv, hypertermii, v terapii a diagnostice nebo pˇri magnetické rezonanci.

Pro in vivo aplikace musej´ı být magnetické nanoˇcástice pokryty biopo- lymerem nebo jiným biokompatibiln´ım pláˇstˇem, který chrán´ı pˇred zmˇenami ve struktuˇre, agregac´ı nebo biodegradac´ı pˇri vystaven´ı fyziologickému prostˇred´ı.

Takové nanoˇcástice nav´ıc dovoluj´ı vázat léˇciva zachycen´ım na pláˇst’ adsorpc´ı, ale i kovalentnˇe. Oxidy ˇzeleza, magnetit (Fe3O4) nebo jeho oxidovaná forma maghe- mit (γ-Fe₂O₃), jsou zdaleka nejˇcastˇeji vyuˇz´ıvanými materiály pro výrobu nanoˇcástic s vyuˇzit´ım v biomedic´ınˇe. Dalˇs´ı vysoce magnetické materiály jako kobalt a nikl jsou náchylné k oxidaci a toxické, proto je o nˇe v tˇechto aplikac´ıch menˇs´ı zájem.

V pr˚umyslu se nab´ız´ı vyuˇzit´ı napˇr´ıklad v záznamových médi´ıch. Pˇri ukládán´ı dat je kladen d˚uraz na vysokou stabilitu a pˇrep´ınatelný magnetický stav, který nen´ı ovlivˇnován tepelnou fluktuac´ı. Bylo provedeno mnoho pokus˚u o zvládnut´ı procesu, který by vedl k výrobˇe monodisperzn´ıch koloidn´ıch roztok˚u sestávaj´ıc´ıch z uniformn´ıch ˇcástic, a to jak tvarem, tak velikost´ı. Takové technologie by usnadnily reprodukovatelnost výroby MNPs do komerˇcn´ıch produkt˚u, pˇri vyuˇzit´ı ve fotografii, tisku nebo katalýze (Akbarzadeh et al. 2012).

Pro obrovský specifický povrch a vysokou aktivitu zp˚usobenou kvantovými jevy jsou magnetické nanoˇcástice ˇcasto vyuˇz´ıvány také v ˇciˇstˇen´ı odpadn´ıch vod. Mo- hou zde slouˇzit jako nosiˇce adsorbent˚u, ale i jako adsorbenty samotné (Hua et al.

2012). Po adsorpci polutant˚u na povrch nanoˇcástic pak staˇc´ı aplikovat vnˇejˇs´ı mag- netické pole a nanoˇcástice i s navázaným zneˇciˇstˇen´ım z vodného prostˇred´ı odstranit.

Konkr´etn´ı pˇr´ıklady jsou pops´any v kapitole 3.1.2.

(21)

2.2 Zlat´ e nanoˇ c´ astice

Nanoˇcástice vzácných kov˚u, zvláˇstˇe pak nanoˇcástice zlaté, se tˇeˇs´ı velké vˇedecké po- zornosti. Zejména pro atraktivn´ı vlastnosti elektrické, optické, tepelné, ale i kataly- tické a jimi vyvolané slibné vyuˇzit´ı v medicinˇe, odvˇetv´ıch fyzikáln´ıch, chemických, biologických, nebo napˇr´ıklad materiálových vˇed (Guo a Wang 2007).

2.2.1 Vlastnosti

Barva roztoku se sférickými zlatými nanoˇcásticemi vykazuje závislost na velikosti ˇcástic. S rostouc´ım pr˚umˇerem nanoˇcástice v rozmez´ı cca 1–100 nm se roztok zbarvuje od oranˇzové, pˇres sytˇe ˇcervenou aˇz do fialové a r˚uˇzové (viz obrázek 2.3 nahoˇre). Toto neintuitivn´ı zbarvován´ı má své opodstatnˇen´ı v jevu zvaném povrchová plasmonová rezonance (v angliˇctinˇe surface plasmon resonance, SPR). Tento jev se neobjevuje u shluk˚u atom˚u velikosti menˇs´ı neˇz cca 1 nm, ale ani u objemových materiál˚u. Jedná se o kolektivn´ı oscilaci elektron˚u iniciovanou dopadaj´ıc´ımi fotony. Urˇcité frekvence, bl´ızké frekvenci rezonanˇcn´ı, jsou absorbovány v´ıce, a jsou proto v emisn´ım spektru roztoku zastoupeny ménˇe. Absorpˇcn´ı vrchol je u AuNPs v okol´ı vlnových délek 500–550 nm, které odpov´ıdaj´ı zelené barvˇe (graf závislosti absorbance na velikosti AuNPs je na obrázku 2.3 dole). SPR nen´ı závislá pouze na velikosti nanoˇcástic, ale i na jejich tvaru, na typu rozpouˇstˇedla, povrchových úpravách, náboji, teplotˇe a dalˇs´ıch vlastnostech. Agregace nanoˇcástic pak vyúst´ı v posun absorpˇcn´ıho vrcholu k delˇs´ım vlnovým délkám, dojde k vˇetˇs´ı absorpci ˇcervené barvy a t´ım ke zfialovˇen´ı aˇz zmodrán´ı roztoku (Kumari et al. 2019).

Nanoˇc´astice disponuj´ıc´ı SPR jiˇz naˇsly vyuˇzit´ı v oblastech fotoniky a elektroniky.

Protoˇze SPR umoˇzˇnuje interakci svˇetla s nanoobjekty a vytváˇr´ı t´ım nové optické efekty, v budoucnu se spekuluje i o vyuˇzit´ı v oborech jako je nanooptika, nanofoto- nika nebo metamateriály (Kravets et al. 2018).

2.2.2 Vyuˇ zit´ı

Vyuˇzit´ı zlatých nanoˇcástic se r˚uzn´ı podle jejich tvaru a velikosti. D´ıky silnˇe se projevuj´ıc´ı povrchové plasmonové rezonanci nanoˇcástice vzácných kov˚u skvˇele roz- ptyluj´ı a absorbuj´ı viditelné svˇetlo. Mimoˇrádné optické vlastnosti nav´ıc doplnˇené výhodami jednoduché syntézy pˇredurˇcuj´ı tyto nanoˇcástice k pouˇzit´ı v optice nebo fotonice (Huang et al. 2006). Zlaté nanoˇcástice nav´ıc nab´ız´ı i vysokou biokompatibilitu a schopnost konjugace r˚uzných biomolekul a protilátek. Proto se nab´ız´ı i jejich

(22)

Obrázek 2.3: Ukázka zbarven´ı roztoku AuNPs v závislosti na velikosti ˇcástic (nahoˇre) a graf absorbance roztoku AuNPs ve viditelné oblasti elektromagnetického záˇren´ı (dole). Pˇrevzato (Njoki et al. 2007), upraveno.

vyuˇzit´ı v biomedic´ınˇe, diagnostice ˇci terapii (Jain et al. 2006). Nˇekolik studi´ı ukázalo pouˇzit´ı biosenzor˚u zaloˇzených na plasmonové absorpci a rozptylu (Riboh et al. 2003, Shafer-Peltier et al. 2003).

Nanoˇcásticové senzory jsou typicky sloˇzeny z ligandu nebo biologického substrátu, který v pˇr´ıtomnosti analytu projde urˇcitou transformac´ı. Modifikace sloˇzen´ı nebo konformace substrátu zp˚usob´ı zmˇenu prostˇred´ı nanoˇcástic, které následnˇe agreguj´ı (Aldewachi et al. 2018). V kapitole 2.2.1 je popsaný d˚uvod, proˇc agregované nanoˇcástice zmˇen´ı barvu z ˇcervené na fialovou.

Byl navrˇzen vysoce selektivn´ı systém zaloˇzený na merkaptoalkyloligonukleotidy funkcionalizovaných zlatých nanoˇcástic´ıch, který je schopný detekce polynukleotid˚u.

Hybridizace kovalentnˇe navázaných detekovaných segment˚u polynukleotid˚u vyúst´ı v agregaci nanoˇcástic a t´ım zmˇenu barvy roztoku. Agregace je závislá na teplotˇe

(23)

Obrázek 2.4: Schéma senzorového systému na detekci tobramycinu (TOB). Pˇrevzato (Ma et al. 2018), upraveno.

a v tomto pˇr´ıpadˇe je i reversibiln´ı. Zaj´ımavé je, ˇze agregace a disociace prob´ıhaj´ı ve velmi úzkém rozmez´ı teplot. Systém je natolik citlivý, ˇze dokáˇze detekovat jiˇz 10 femtomol˚u polynukleotid˚u. Stejná laboratoˇr navrhla podobný systém, ve kterém vlivem kovalentn´ıho navázán´ı doˇslo ke zmˇenˇe vodivosti. M´ısto zmˇeny barvy a mˇeˇren´ı absorbance byla mˇeˇrena elektrická vodivost. Velice podobný systém lze pouˇz´ıt pro detekci tˇeˇzkých kov˚u, napˇr´ıklad toxického olova, kadmia nebo rtuti (Link a El-Sayed 2003).

Nedávno se podaˇrilo pˇripravit systém na detekci tobramycinu. Tobramycin je aminoglykosidové antibiotikum dˇr´ıve hojnˇe vyuˇz´ıvané k léˇcen´ı bakteriáln´ıch infekc´ı u lid´ı i zv´ıˇrat. Nicménˇe jeho nesprávné a nekontrolované uˇz´ıván´ı mohlo zp˚usobit ne- vratné vedlejˇs´ı úˇcinky. Kv˚uli n´ızké cenˇe je vˇsak ve veterinárn´ım lékaˇrstv´ı pouˇz´ıvané i dnes, coˇz vede k potenciáln´ım rezidu´ım v potravn´ım ˇretˇezci, hlavnˇe v mléku, vejc´ıch a mase. Navrˇzený detekˇcn´ı systém sestává ze zlatých nanoˇcástic a aptameru tobramycinu. K nim je pˇridán testovac´ı vzorek a roztok chloridu sodného. Schéma detekce je na obrázku 2.4. V negativn´ım pˇr´ıpadˇe vytváˇr´ı aptamer d´ıky van der Waalsovým silám a hydrofobn´ım interakc´ım koronu na povrchu AuNPs. Nanoˇcástice jsou elek- trostaticky stabilizovány pˇred agregac´ı, kterou by jinak chlorid sodný vyvolal. Pokud je vˇsak tobramycin ve vzorku pˇr´ıtomen, vysoká afinita zp˚usob´ı jeho navázán´ı s apta- merem. Zmˇenou konformace aptameru dojde k obnaˇzen´ı AuNPs a p˚usoben´ım NaCl k jejich agregaci a zmˇenˇe barvy z ˇcervené na fialovou (Ma et al. 2018).

(24)

2.3 Nanoˇ c´ astice typu j´ adro-pl´ aˇ st’

Kompozitn´ı nanoˇcástice jsou tvoˇreny koncentrickými slupkami z r˚uzných materiál˚u.

V pˇr´ıpadˇe dvou materiál˚u se mluv´ı o vnitˇrn´ım jádˇre a vnˇejˇs´ım pláˇsti. Takové struktury mohou nabývat nových vlastnost´ı d´ıky takzvanému synergickému efektu. In- terakc´ı mezi jádrem a pláˇstˇem se m˚uˇze objevit vlastnost, kterou nedisponuje ˇzádný z pˇr´ıtomných materiál˚u samostatnˇe a která nav´ıc nen´ı ani prostým souˇctem vlastnost´ı obou materiál˚u. Pˇr´ıtomnost synergie pˇredurˇcuje kompozitn´ı nanomateriály k vyuˇzit´ı v mnoha odvˇetv´ıch, at’ uˇz jde o nanomedic´ınu, nanooptiku nebo o ka- talýzu.

Bylo popsáno nˇekolik povrchových úprav magnetických nanoˇcástic, které vedly k novým fyzikáln´ım i chemickým vlastnostem (Ho et al. 2011). Napˇr´ıklad nanoˇcástice pokryté vrstvou platiny maj´ı velký potenciál jako kontrastn´ı látky pˇri zobrazován´ı magnetickou rezonanc´ı nebo tomografii. Magnetické nanoˇcástice pokryté porézn´ı vrstvou vykazuj´ı stejné vlastnosti jako ty plné, nav´ıc disponuj´ı moˇznost´ı uchovávat a vypouˇstˇet r˚uzná léˇciva. Pokryt´ı ˇzelezem nebo kobaltem m˚uˇze zvýˇsit magnetizaci (Kudr et al. 2017).

Nanoˇcástice typu jádro-pláˇst’ jsou pˇreváˇznˇe vyrábˇeny dvoustupˇnovou syntézou.

V prvn´ım stupni je vyrobeno jádro, které je ve druhém kroku potaˇzeno vrstvou.

Pˇri pˇr´ıpravˇe je d˚uleˇzité dbát na uniformitu a tlouˇst’ku pláˇstˇe. K tomuto úˇcelu se pouˇz´ıvaj´ı surfaktanty a polymery, které mˇen´ı vlastnosti jádra (povrchový náboj, povrchové napˇet´ı) a t´ım i selektivitu pro materiál pláˇstˇe. Vzniká tak homogenn´ı vrstva, která kompletnˇe pokryje jádro (Solovieva et al. 2017).

2.3.1 Fe

3

O

4

@Au nanoˇ c´ astice

ˇSiroké spektrum vyuˇzit´ı magnetických, zejména Fe3O4 nanoˇcástic je uvedeno v kapitole 2.1.3. Kombinac´ı magnetického jádra s opticky aktivn´ım pláˇstˇem se vˇsak spektrum vyuˇzit´ı m˚uˇze znaˇcnˇe rozˇs´ıˇrit. Zlato se jev´ı jako velice slibný materiál pro optický pláˇst’. Pˇred ostatn´ımi materiály bývá preferováno pro své dobˇre prozkou- mané optické kvality. Zlatý pláˇst’ absorbuje ve viditelné a bl´ızké infraˇcervené oblasti elektromagnetického spektra.

D´ıky unikátn´ı kombinaci nanorozmˇer˚u, magnetického jádra a funkˇcn´ıho pláˇstˇe disponuj´ı Fe₃O₄@Au NPs specifickými magnetickými, optickými, povrchovými i kon- jugaˇcn´ımi vlastnosti. Jsou snadno funkcionalizovatelné organickými a bioorga- nickými molekulami, napˇr´ıklad thioly, proteiny nebo enzymy, nejsou toxické a jejich inertn´ı chován´ı chrán´ı nanoˇcástice pˇred oxidac´ı. Jak zlato, tak oxidy ˇzeleza jsou

(25)

biokompatibiln´ı a vhodné pro vnitˇrn´ı pouˇzit´ı. Je moˇzné jejich sledován´ı v tˇele, coˇz je ˇcin´ı vhodnými pro vyuˇzit´ı v biologickém prostˇred´ı.

V posledn´ıch letech prob´ıhaly výzkumy zlatem pokrývaných magnetických nanoˇcástic v oborech MRI, kde slouˇzily jako kontrastn´ı látka, dále byly zkoumány pˇri léˇcen´ı tkán´ı, detoxikaci tˇeln´ıch tekutin, hypertermii, separaci bunˇek a v systémech pro c´ılenou dopravu léˇciv, viz dále (Kharisov et al. 2012).

MRI je neinvazivn´ı technika zobrazován´ı vyuˇz´ıvaná v preklinických stádi´ıch rakoviny. Je zaloˇzena na principu nukleárn´ı magnetizace vod´ık˚u¹H pˇr´ıtomných v tˇele v molekulách vody. Spiny proton˚u se orientuj´ı ve smˇeru silného magnetického pole.

Po vypnut´ı je mˇeˇrena relaxace spin˚u do p˚uvodn´ıch stav˚u. Kontrastn´ı látky, jako jsou napˇr´ıklad superparamagnetické nanoˇcástice, jsou schopny zd˚uraznit rozd´ıl mezi zdravou a nemocnou tkán´ı zkrácen´ım relaxaˇcn´ıch ˇcas˚u proton˚u. Ukázalo se, ˇze mag- netické nanoˇcástice pokryté zlatým pláˇstˇem vytváˇr´ı jeˇstˇe lepˇs´ı kontrast výraznˇejˇs´ım zkrácen´ım ˇcasu relaxace protonových spin˚u.

Hypertermie má v léˇcen´ı rakoviny dlouhou historii. Metoda je zaloˇzena na vystaven´ı nádoru vysokým teplotám. Rakovinné buˇnky jsou na teplo citlivˇejˇs´ı a pˇri 46–48 ^◦C um´ıraj´ı. Pro pˇresné zamˇeˇren´ı nádoru a t´ım zvýˇsen´ı úˇcinnosti léˇcen´ı se vyuˇz´ıvaj´ı superparamagnetické nanoˇcástice. Pˇri aplikaci vnˇejˇs´ıho stˇr´ıdavého mag- netické pole se rozkmitaj´ı a zaˇcnou generovat teplo pˇr´ımo v poˇzadovaném m´ıstˇe.

Nanoˇcástic´ım oxidu ˇzeleza se zlatým pláˇstˇem vˇsak pro stejné úˇcinky staˇc´ı niˇzˇs´ı frekvence magnetického pole a poˇzadované teploty dosáhnou aˇz 5x rychleji. Nav´ıc jsou biokompatibiln´ı, vykazuj´ı niˇzˇs´ı toxicitu (Sabale et al. 2017).

Obrázek 2.5: Ukázka vyuˇzit´ı nanoˇcástic jádro-pláˇst’. Pˇrevzato (Sabale et al. 2017), upraveno.

Dalˇs´ı zaj´ımavou technikou, ve které naˇsly Fe₃O₄@Au vyuˇzit´ı, je takzvaná foto- termáln´ı terapie. Jedná se o metodu odstraˇnován´ı nádor˚u zahˇr´ıván´ım, stejnˇe jako pˇri hypertermii (obˇe metody jsou schematicky znázornˇeny na obrázku 2.5). V tomto

(26)

nýbrˇz elektromagnetickým záˇren´ım. M´ısto magnetických jader tedy hraj´ı hlavn´ı roli optické pláˇstˇe. Pˇri terapii se pouˇz´ıvaj´ı lasery vyzaˇruj´ıc´ı v infraˇcervené oblasti, pro vlnové délky kolem 700–1000 nm jsou totiˇz tkánˇe

”pr˚uhledné“. Zlatý pláˇst’ magne- tických nanoˇcástic záˇren´ı v bl´ızké infraˇcervené oblasti absorbuje a kinetická energie osciluj´ıc´ıch elektron˚u je pˇri koliz´ıch pˇremˇenˇena na energii tepelnou. Probˇehly in vivo testy na myˇs´ıch nádorech. Vyuˇzit´ım fototermáln´ıho efektu byly Fe₃O₄@Au NPs schopny lokálnˇe zvýˇsit teplotu aˇz na 60 ^◦C, a to v ˇrádu minut. D´ıky magnetickým vlastnostem lze nanoˇcástice velice pˇresnˇe navádˇet k nádoru, kam je nav´ıc moˇzné dopravit potˇrebné protilátky funkcionalizac´ı zlatého pláˇstˇe (Dong et al. 2011).

2.3.2 Moˇ znosti pˇ r´ıpravy zlat´ e slupky

Na obrázku 2.6 je zobrazena struktura Fe3O4@Au nanoˇcástice. Pˇr´ıprava magne- tických je popsána v kapitole 2.1.2, n´ıˇze jsou shrnuty nˇekteré moˇznosti pˇr´ıpravy zlatého pláˇstˇe.

Obrázek 2.6: Schéma struktury Fe₃O₄@Au nanoˇcástice typu jádro-pláˇst’ (Bc. Vit Kancl´ıˇr, 2020, software: Autodesk^R Inventor^R), upraveno.

Chemick´a redukce

Zlato se v pˇr´ırodˇe pˇrirozenˇe vyskytuje ve tˇrech oxidaˇcn´ıch stavech, Au^+I, Au^+III a Au⁰. Ve zlatých nanoˇcástic´ıch jsou atomy v oxidaˇcn´ım stavu Au⁰. Pro syntézu zlatých nanoˇcástic (nebo pouze zlatých pláˇst’˚u) se tak nab´ız´ı reakce, pˇri které dojde k redukci zlatných nebo zlatitých prekurzor˚u aˇz do stavu Au⁰.

(27)

Jako prekurzor bývá nejˇcastˇeji volena kyselina tetrachlorozlatitá nebo jej´ı soli.

Vhodnými redukˇcn´ımi ˇcinidly jsou napˇr´ıklad borohydridy, karboxylové kyseliny, aminy i alkoholy. Nejzaj´ımavˇejˇs´ım redukˇcn´ım ˇcinidlem je vˇsak bezesporu citronan sodný, který kromˇe redukce zvládá i následnou stabilizaci (Daruich De Souza et al.

2019). Redukce H[AuCl₄] a následná stabilizace AuNPs citronanem sodným je natolik známá a pouˇz´ıvaná metoda, ˇze si dokonce vyslouˇzila sv˚uj název. Ten byl zvolen podle jej´ıho prvn´ıho proveditele – Turkevichova metoda. (Turkevich et al.

1951).

Laserov´a ablace

PLAL neboli pulsn´ı laserová ablace v kapalinˇe je velice komplexn´ı proces schopný tvorby nanostruktur. Na povrch materiálu v roztoku dopadaj´ı laserové pulsy a pe- netruj´ı ho do urˇcité hloubky. V závislosti na vlnové délce, indexu lomu a materiálu typicky kolem 10 nm. Silné elektrické pole generované laserovým svazkem je schopné odstranit elektrony z bulkového materiálu. Volné elektrony osciluj´ı s iniciuj´ıc´ım elek- tromagnetickým polem a zpˇetnˇe koliduj´ı s atomy, pˇriˇcemˇz se uvoln´ı energie. Povrch se zahˇr´ıvá, odpaˇruje, pˇretváˇr´ı se v plazma, které obsahuje atomy, molekuly, elektrony, ionty i jiˇz vznikaj´ıc´ı klastry. Teplota, tlak a hustota stoupaj´ı do vysokých hodnot. Tlakový rozd´ıl zp˚usob´ı rychlou expanzi plazmatu, poté dojde ke zchlazen´ı, plazma kondenzuje a ˇcástice se spojuj´ı. Protoˇze laserové pulsy maj´ı velice krátké trván´ı (v ˇrádu nanosekund), vznikaj´ıc´ı celky rostou do nanorozmˇer˚u (Zeng et al.

2012).

Touto metodou je moˇzné pˇripravovat samotné nanoˇcástice stejnˇe jako opatˇrovat jiˇz existuj´ıc´ı jádra slupkami jiného materiálu. Nd:YAG laser s vlnovou délkou 532 nm byl pouˇzit na takzvané

”nanopájen´ı“. Frekvence laseru je velice bl´ızko povrchové plazmonové absorpci (SPA) zlatých nanoˇcástic (520 nm). Roztok Au a Fe₃O₄ nanoˇcástic byl vystaven puls˚um tohoto laseru, naˇceˇz doˇslo ke sn´ıˇzen´ı absorpˇcn´ı frekvence tak, jak uvád´ı literatura studuj´ıc´ı právˇe Fe3O4@Au jádro-pláˇst’ nanoˇcástice (Kawaguchi et al. 2007).

(28)

3 Odstraˇ nov´ an´ı l´ atek z vodn´ eho prostˇ red´ı

K ˇciˇstˇen´ı vodn´ıch zdroj˚u od organických a kovových polutant˚u je nutné vyvi- nout efektivn´ı technologii. Bˇeˇznˇe bývaj´ı vyuˇz´ıvány membránové, chemické nebo elektrochemické procesy, pokroˇcilé metody oxidace a adsorpˇcn´ı procedury. Napˇr´ıˇc vˇsemi je vˇsak nejvyuˇz´ıvanˇejˇs´ı adsorpce. Jedná se o dobˇre prozkoumaný separaˇcn´ı proces, je efektivn´ı, finanˇcnˇe i ˇcasovˇe nenároˇcný, má velice jednoduchý design a vysokou úˇcinnost. Adsorbenty mohou být mineráln´ıho, organického nebo biolo- gického p˚uvodu. Dobˇre prozkoumány jsou napˇr´ıklad aktivovaný uhl´ık, uhl´ıkové na- notrubiˇcky, zeolity, porézn´ı a hydrofobn´ı polymern´ı materiály a mnohé dalˇs´ı (Crini 2005). Nˇekteré z nich se vˇsak ukázaly jako problematické v ohledu recyklace a zno- vupouˇzit´ı. Kaˇzdý z tˇechto adsorbent˚u je v´ıce ˇci ménˇe specifický a nedokáˇze vázat ˇsirˇs´ı spektrum látek. Nˇekteré jsou nav´ıc problematické z hlediska pomalého navazován´ı polutant˚u (Alsbaiee et al. 2016).

Vˇseobecná snaha tak je vytváˇret stále levnˇejˇs´ı a efektivnˇejˇs´ı systémy s moˇznost´ı regenerace a ˇsirokým spektrem vyuˇzit´ı. V posledn´ı dobˇe nejvˇetˇs´ı pozornost pˇritahuj´ı adsorbenty na bázi pˇr´ırodn´ıch polymer˚u, nejˇcastˇeji polysacharid˚u jako chitin nebo ˇskrob. Ukazuje se, ˇze zat´ım nejlepˇs´ımi adsorbenty jsou oligosacharidy cyklodextriny (Fan et al. 2013).

3.1 Cyklodextriny

Poprvé byly tyto látky popsány jiˇz v roce 1891 a pojmenovány jako

”celulosiny“

(Villiers, 1891). Nyn´ı jsou známy pod názvem cyklodextriny (CD). Jedná se o sku- pinu cyklických oligosacharid˚u s tvarem komolého dutého kuˇzele. Jsou tvoˇreny d-glukopyranózovými jednotkami, které jsou v cyklus spojeny α(1 → 4) glyko- sidickými vazbami. Podle poˇctu glukózových jednotek se rozliˇsuj´ı tˇri hlavn´ı typy cyklodextrin˚u: α-, β- a γ-CD se 6, 7, respektive 8 glukózovými jednotkami v cyklu (viz obrázek 3.1). Pˇetiˇclenný cyklus a v´ıce neˇz dev´ıtiˇclenné cykly jsou ménˇe bˇeˇzné, vyuˇz´ıvané zˇr´ıdkakdy (Crini 2014).

(29)

Obr´azek 3.1: Struktura hlavn´ıch typ˚u cyklodextrin˚u.

Cyklodextriny jsou povaˇzovány za netoxické. LD50 pˇri oráln´ım poˇzit´ı pro krysu ˇcin´ı 12 500 mg/kg. Pˇri intravenózn´ım, subkutánn´ım a intraperitoneáln´ım podán´ı se hodnoty LD₅₀ pohybuj´ı od 700 do 3 700 mg/kg (Hedges 2009). Takové mnoˇzstv´ı je vˇsak jiˇz i finanˇcnˇe obt´ıˇznˇe dostupné. Pˇrepoˇc´ıtáno na dospˇelého jedince homo sapiens sapiens, pro jistou smrt oráln´ım poˇzit´ım by bylo tˇreba zakoupit β-CD za v´ıce neˇz 20 000 Kˇc.¹

3.1.1 Inkluzn´ı komplexy

Orientace hydroxylových skupin zp˚usobuje, ˇze cyklodextriny maj´ı hydrofiln´ı exteriér a hydrofobn´ı vnitˇrn´ı kavitu. Do té se mohou na základˇe hydrofobn´ıch interakc´ı vázat jiné molekuly ˇci jejich ˇcásti a vytváˇret takzvané inkluzn´ı komplexy (obrázek 3.2 vlevo). V pr˚ubˇehu formován´ı inkluzn´ıho komplexu nedocház´ı ke vzniku ani zániku ˇzádných kovalentn´ıch vazeb. Molekula hosta ale ˇcasto podstoup´ı takové konformaˇcn´ı zmˇeny, které maximalizuj´ı poˇcet nevazebných interakc´ı a minimalizuj´ı celkovou energii systému (Jambhekar a Breen 2016).

D´ıky r˚uzným velikostem mohou cyklodextriny hostit ˇsiroké spektrum látek.

α-CD m˚uˇze tvoˇrit komplexy s n´ızkomolekulárn´ımi látkami nebo alifatickými ˇretˇezci

1https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product

(30)

vˇetˇs´ıch molekul. β-CD váˇze aromatické a heterocyklické molekuly, zat´ımco γ-CD komplexuje i s vˇetˇs´ımi molekulami, makrocykly nebo napˇr´ıklad steroidy. Komplexy mohou cyklodextriny se svými hosty tvoˇrit v pomˇeru 1:1, pˇri inkluzi v´ıce ˇcást´ı jedné molekuly do r˚uzných cyklodextrin˚u vznikaj´ı komplexy v pomˇeru 2:1 nebo vyˇsˇs´ım (Szejtli 1998). Tvorba inkluzn´ıch komplex˚u naˇsla velký potenciál ve farmacii. Dokáˇz´ı zvýˇsit rozpustnost málo rozpustných léˇciv ve vodˇe a zlepˇsit jejich biodostupnost, zakrýt nepˇr´ıjemnou chut’ aktivn´ıch látek nebo stabilizovat léˇciva pˇred svˇetelným a tepelným p˚usoben´ım nebo oxidaˇcn´ı degradac´ı. Cyklodextriny se kromˇe farma- cie vyuˇz´ıvaj´ı pro molekulárn´ı rozpoznáván´ı, katalýzu, polymeraci, nanotechnologie, senzorové aplikace a mnohé dalˇs´ı (Delbianco et al. 2016).

Obrázek 3.2: Schéma inkluzn´ıch komplex˚u (vlevo) a prostorová struktura cyklodextrinu (vpravo).

3.1.2 Substituce, nav´ az´ an´ı na nanoˇ c´ astice

Velké uplatnˇen´ı cyklodextrin˚u je moˇzné jeˇstˇe rozˇs´ıˇrit substituc´ı kterékoliv hydroxy- lové skupiny. K dispozici jsou celkem tˇri typy: dvˇe sekundárn´ı na uhl´ıc´ıch C2 a C3 na ˇsirˇs´ım okraji cyklodextrinu a jedna primárn´ı na uhl´ıku C6 na uˇzˇs´ım okraji (viz obrázek 3.2 vpravo). Primárn´ı -OH je nejreaktivnˇejˇs´ı, zat´ımco sekundárn´ı na C3 je stericky nejh˚uˇre dostupná. Selektivita substituˇcn´ıch reakc´ı bude velice d˚uleˇzitým faktorem, protoˇze napˇr´ıklad v β-CD se nacház´ı tˇri typy -OH skupiny na jednadva- ceti moˇzných pozic´ıch. Pˇri reakci spolu tyto tˇri typy soupeˇr´ı, jsou mezi nimi vˇsak dostateˇcné rozd´ıly, které umoˇzˇnuj´ı ˇr´ızenou substituci (Schmidt a Barner-Kowollik 2017).

Nejjednoduˇsˇs´ı a nejpˇr´ımˇejˇs´ı syntézou derivát˚u cyklodextrin˚u je persubstituce, tedy substituce urˇcité hydroxylové skupiny na vˇsech glukózových jednotkách v cyklu. Persubstituované deriváty jsou pˇripraveny reakc´ı nativn´ıho cyklodextrinu s pˇr´ısluˇsným reaktantem. Syntéza jednoho konkrétn´ıho derivátu je mnohem

(31)

nároˇcnˇejˇs´ı z d˚uvodu obrovského poˇctu moˇzných izomer˚u. Monosubstituovaný de- rivát m˚uˇze sice vzniknout jen jeden, u tri- a v´ıceubstituovaných derivát˚u se ale jedná o stovky a tis´ıce izomer˚u. Výtˇeˇzky bˇeˇzných substituˇcn´ıch reakc´ı jsou velice malé ( ˇRezanka 2019).

Substituc´ı hydroxylové skupiny na uhl´ıku C6 byl pˇripraven maleoyl-β-CD, který byl poté modifikován chitosanem. Pomoc´ı chitosanu bylo moˇzné pˇrichytit cyklodextriny na povrch magnetických nanoˇcástic. Tento systém byl testován na odstraˇnován´ı methylenové modˇri z roztoku pomoc´ı extern´ıho magnetického pole. Komplexaci cyklodextrin˚u s barvivem je nav´ıc moˇzné oslabit zmˇenou rozpouˇstˇedla. Systém je tak po promyt´ı ethanolem recyklován a pˇripraven k novému pouˇzit´ı (Fan et al. 2012).

Pro odstraˇnován´ı kovových kationt˚u z vodného prostˇred´ı byl vytvoˇren systém obsahuj´ıc´ı magnetické nanoˇcástice a cyklodextrinový polymer. β-cyklodextrin byl dvoustupˇnovou syntézou pˇreveden na polymer karboxymethyl-β-cyklodextrinu, který disponuje mnoˇzstv´ım vazebných m´ıst pro kationty. Následnˇe byl pˇridán do reakˇcn´ı smˇesi pˇri koprecipitaci chlorid˚u ˇzeleza a zachytil se na vznikaj´ıc´ı magne- tické nanoˇcástice. Po pˇridán´ı funkcionalizovaných nanoˇcástic do roztoku s Pb²⁺, Cd²⁺ a Ni²⁺ doˇslo k adsorpci kationt˚u na jejich povrch. Nanoˇcástice byly následnˇe vytaˇzeny magnetem. Pro olovnaté kationty je maximáln´ı adsorpˇcn´ı kapacita stanovena na 64 mg/g. Okyselen´ım prostˇred´ı napˇr´ıklad kyselinou dusiˇcnou nebo fos- foreˇcnou bylo moˇzné vyvolat i desorpci kovových kationt˚u. Pro Pb²⁺ úˇcinnost desorpce pˇresahuje 90 % (Badruddoza et al. 2013).

Obrázek 3.3: Dvoustupˇnová syntéza persubstituovaných cyklodextrin˚u.

(32)

Pro navázán´ı cyklodextrin˚u na zlaté, ale i stˇr´ıbrné nanoˇcástice se ˇcasto vyuˇz´ıvá thiolovaných derivát˚u. Vazba Au-S, pˇr´ıpadnˇe Ag-S, je dostateˇcnˇe silná, aby na povrchu nanoˇcástic cyklodextriny udrˇzela (Chen et al. 2010). Per-6-deoxy-per-6- sulfanylcyklodextriny je moˇzné pˇripravit dvoustupˇnovou syntézou (Chmurski a De- faye 2000). Nativn´ı cyklodextrin nejprve reaguje s N -jod-sukcinimidem za vzniku perjodovaného derivátu. Pˇridán´ım moˇcoviny pak vzniká kýˇzený cyklodextrin per- substituovaný skupinou -SH (viz obrázek 3.3).

3.2 Navrˇ zen´ y syst´ em

Ciˇstˇˇ en´ı vody, odpadn´ıch vod, pomoc´ı adsorbent˚u je povaˇzováno ze jednu z nejefek- tivnˇejˇs´ıch alternativ; je levné, jednoduché a neprodukuje ˇzádné vedlejˇs´ı zneˇciˇstˇen´ı.

Magnetické nanoˇcástice se ukázaly být nejvhodnˇejˇs´ım nosiˇcem adsorbent˚u zejména pro velký specifický povrch a moˇznost manipulace pomoc´ı extern´ıho magnetického pole. Mohou být pouˇzity pˇr´ımo, nab´ız´ı se vˇsak jejich vyuˇzit´ı jako jader pod zlatými pláˇsti. Zlato jednak zvyˇsuje biokompatibilitu, sniˇzuje toxicitu, hlavnˇe ale nab´ız´ı moˇznost navázán´ı thiolovaných cyklodextrin˚u jako adsorbent˚u pomoc´ı vazby Au-S (Kefeni et al. 2017).

Byl navrˇzen systém pro detekci a sorpci organických látek z vodného prostˇred´ı (schéma je na obrázku 3.4). Magnetické nanoˇcástice pokryté zlatým pláˇstˇem jsou funkcionalizovány per-6-deoxy-per-6-sulfanylcyklodextriny. Pokud je v roztoku pˇr´ıtomna látka schopna tvorby inkluzn´ıch komplex˚u v pomˇeru 2:1 a vyˇsˇs´ım, dojde k jej´ımu zanoˇren´ı do kavit cyklodextrin˚u. Tato látka pak slouˇz´ı jako linker mezi jednotlivými nanoˇcásticemi v celém roztoku. Agregované nanoˇcástice v gravitaˇcn´ım poli sedimentuj´ı. Protoˇze zlatý pláˇst’ vlivem SPR poskytoval roztoku ˇcervenofialovou barvu, dojde následkem sedimentace vˇsech nanoˇcástic k jeho odbarven´ı. Magnetická jádra umoˇzn´ı celý sediment odstranit p˚usoben´ım extern´ıho magnetického pole. Roz- tok je nyn´ı zbaven nanoˇcástic a cyklodextrin˚u, ale i navázaných organických látek.

(33)

Obrázek 3.4: Schéma navrˇzeného systému. Fáze I: Syntéza magnetických nanoˇcástic koprecipitac´ı chlorid˚u ˇzeleza. Fáze II: Pokryt´ı magnetických jader zlatým pláˇstˇem redukc´ı zlata z tetrachlorozlatitého aniontu. Fáze III: Funkcionalizace zlatých nanoˇcástic persubstituovanými cyklodextriny. Fáze IV: Zkouˇska senzorové odezvy pˇridán´ım léˇciva. Fáze V: Odstranˇen´ı sedimentu magnetem.

(34)

4 Experiment´ aln´ı ˇ c´ ast

Vˇsechny výchoz´ı látky a rozpouˇstˇedla byly poskytnuty bˇeˇznými dodavateli. Se- dmnáct léˇciv pro otestován´ı navrˇzeného detekˇcn´ıho a sorpˇcn´ıho systému bylo po- skytnuto doc. RNDr. Ing Pavlem ˇRezankou, Ph.D., z VˇSCHT v Praze.

Sn´ımky nanoˇcástic a jejich EDX analýzu provedl Ing. Pavel Kejzlar, Ph.D., na UHR FE-SEM Carl Zeiss ULTRA Plus. Elementárn´ı analýzu vykonala Mgr. Jana Melicher´ıková na Elementar vario EL Cube. Byla provedena dvˇe 90s mˇeˇren´ı s naváˇzkami 5 mg. Stanoven´ı zbytkových koncentrac´ı léˇciv ve zkuˇsebn´ıch roztoc´ıch byla provedena Mgr. V´ıtem Novotným na Dionex UltiMate 3000 s detektorem DAD 3000 pˇri vlnové délce 262 nm a vzorkovac´ı frekvenci 5 Hz. Kaˇzdý vzorek byl zaznamenáván 1 min pˇri pr˚utoku 0,5 ml/min v nosném roztoku acetonitrilu a vody v pomˇeru 1:1.

Magnetické nanoˇcástice z oxidu ˇzeleznato-ˇzelezitého byly pˇripraveny precipitac´ı pˇr´ısluˇsných chlorid˚u ˇzeleza. Produkty metody II byly pokryty zlatým pláˇstˇem che- mickou redukc´ı zlatitých iont˚u.

4.1 Pˇ r´ıprava Fe

₃

O

₄

nanoˇ c´ astic – metoda I

1 g tetrahydrátu chloridu ˇzeleznatého a 2,7 g hexahydrátu chloridu ˇzelezitého bylo rozpuˇstˇeno v 10 ml 2M kyseliny chlorovod´ıkové. K roztoku byl pomalu pˇridáván 0,7M vodný roztok amoniaku, dokud pH nebylo pˇribliˇznˇe 10 (podle lakmusového pap´ırku). Vzniklá ˇcerná suspenze byla m´ıchána 30 min. Nanoˇcástice byly odsepa- rovány na centrifuze a opláchnuty 2M kyselinou chloristou. Po dalˇs´ım promyt´ı vodou byly ponechány v roztoku.

4.2 Pˇ r´ıprava Fe

₃

O

₄

nanoˇ c´ astic – metoda II

2,2 g FeCl₂· 4H₂O a 6,2 g FeCl₃· 6H₂O bylo rozpuˇstˇeno ve 20, respektive 30 ml destilované vody. Oba roztoky byly sm´ıˇseny a za stálého m´ıchán´ı zahˇráty na teplotu

(35)

80 ^◦C. Pˇri této teplotˇe byl po kapkách pˇridáván 3M roztok hydroxidu sodného, dokud hodnota pH nedosáhla pˇribliˇznˇe 10 (mˇeˇreno pomoc´ı lakmusového pap´ırku).

Vzniklé nanoˇcástice byly separovány magnetem, zbaveny supernatantu a znovu sonifikovány v destilované vodˇe. Takto vzniklý roztok byl opˇet zahˇrát na 80 ^◦C. Po pˇridán´ı 40 mg polyethylenglykolu byl roztok jeˇstˇe 30 min m´ıchán, poté ponechán ke zchlazen´ı. Stabilizované nanoˇcástice byly opˇet separovány magnetem, zbaveny supernatantu a sonifikovány v destilované vodˇe. Proˇciˇstˇené nanoˇcástice byly po dalˇs´ı separaci a odbˇeru supernatantu ponechány za sn´ıˇzeného tlaku k dosuˇsen´ı.

4.3 Pˇ r´ıprava Fe

₃

O

₄

@Au nanoˇ c´ astic – metoda A

5 mg Fe₃O₄ NPs bylo sonifikováno v 50 ml vody. Roztok byl okyselen 0,1M kyselinou chlorovod´ıkovou do pH 5 (mˇeˇreno lakmusovým pap´ırkem). Bˇehem 30min m´ıchán´ı byl postupnˇe pˇridáván urotropin (6 mg v 1 ml) a roztok kyseliny tetrachlorozlatité (8 mg v 1 ml). Poté byl roztok dalˇs´ıch 30 min m´ıchán. Dále byl do reakˇcn´ı smˇesi pˇridán ˇcerstvˇe pˇripravený roztok tetrahydridoboritanu sodného (60 mg v 10 ml). Po dalˇs´ıch 60 min m´ıchán´ı bylo pˇridáno 50 mg polyethylenglykolu a roztok byl m´ıchán pˇres noc. Výsledný roztok byl nˇekolikrát promyt vodou, vzniklé nanoˇcástice byly vysuˇseny ve vakuu.

4.4 Pˇ r´ıprava Fe

₃

O

₄

@Au nanoˇ c´ astic – metoda B

Do 100 ml vody bylo pˇridáno 30 mg kyseliny tetrachlorozlatité. Roztok byl pod zpˇetným chladiˇcem pˇriveden k varu. Bylo pˇridáno 10 mg Fe₃O₄NPs, vzápˇet´ı 100 mg citrátu sodného. Roztok byl dále refluxován po dobu 5 min. Po zchlazen´ı byly nanoˇcástice promyty vodou a ponechány v roztoku.

4.5 Pˇ r´ıprava Fe

₃

O

₄

@Au nanoˇ c´ astic – metoda C

5 mg práˇsku Fe₃O₄NPs bylo 10 min sonifikováno v cca 50 ml destilované vody. ˇRádnˇe rozpuˇstˇené magnetické nanoˇcástice byly pˇridány do roztoku kyseliny tetrachloro- zlatité (5 mg v 50 ml). Výsledný roztok byl intenzivnˇe m´ıchán ve dvojhrdlé baˇnce opatˇrené zpˇetným chladiˇcem. Byl pˇridáván ˇcerstvˇe pˇripravený 0,05M roztok tetrahydridoboritanu sodného. Prvn´ı 0,2ml pˇr´ıdavek byl následován pˇeti 0,5ml pˇr´ıdavky, vˇzdy s 10min pauzami. Následnˇe byl roztok pˇriveden k varu. Po kapkách byl pˇridáván citronan sodný (80 mg ve 3 ml). Výsledný roztok byl jeˇstˇe 30 min refluxován a poté

(36)

ponechán ke zchladnut´ı. Magnetické nanoˇcástice se zlatou slupkou byly separovány magnetem. Po odebrán´ı supernatantu byly opˇet rozpuˇstˇeny ve 100 ml destilované vody.

4.6 Funkcionalizace nanoˇ c´ astic cyklodextriny

Fe₃O₄@Au NPs pˇripravené metodou C byly funkcionalizovány per-6-deoxy-per-6- sulfanylcyklodextriny prostým sm´ıchán´ım roztok˚u obou látek. Naváˇzka cyklodextrinu byla vypoˇctena na základˇe pr˚umˇerné velikosti nanoˇcástice zjiˇstˇené ze sn´ımk˚u ze SEM a známé velikosti cyklodextrin˚u.

Ke 100 ml roztoku nanoˇcástic byly pˇridány 4 mg persubstituovaného α-, β- nebo γ-cyklodextrinu rozpuˇstˇeného v hydroxidu sodném (1 mg 5 ml vody). Tento roztok byl m´ıchán po dobu dvaceti hodin. Funkcionalizované nanoˇcástice byly separovány magnetem. ˇCirý supernatant byl odebrán a sediment byl dispergován ve 100 ml destilované vody.

4.7 Pˇ r´ıprava testovac´ıch roztok˚ u, mˇ eˇ ren´ı koncentrace

Zkuˇsebn´ı roztoky byly pˇripraveny sm´ıˇsen´ım roztok˚u cyklodextriny funkcionalizo- vaných nanoˇcástic a vybraných léˇciv. K 1 ml roztoku Fe₃O₄@Au NPs bylo pˇridáno 0,2 ml roztoku léˇciva. Od kaˇzdého ze tˇr´ı homolog˚u cyklodextrinu a kaˇzdého ze se- dmnácti léˇciv byly vytvoˇreny ˇctyˇri zkuˇsebn´ı roztoky s výslednými koncentracemi léˇciva v roztoku 500, 50, 5 a 0,5 µmol·l⁻¹. Po homogenizaci byly ponechány 8–10 hod v klidu pˇri laboratorn´ı teplotˇe.

V pˇr´ıpadˇe objeven´ı sedimentu byl magnetickým polem z testovac´ıho roztoku tento sediment odstranˇen. UV/VIS spektroskopi´ı byla stanovena zbytková koncentrace léˇciva v roztoku. Pro absolutn´ı stanoven´ı koncentrace byly vytvoˇreny kalibraˇcn´ı kˇrivky z roztok˚u o známých koncentrac´ıch, a to 600, 300, 100, 60 a 30 µmol·l⁻¹.

(37)

5 V´ ysledky a diskuze

5.1 Fe

₃

O

₄

nanoˇ c´ astice – metoda I

Magnetické nanoˇcástice oxidu ˇzeleznato-ˇzelezitého byly prvnˇe pˇripraveny podle po- stupu uvedeného v literatuˇre (Lo et al. 2007). Chloridy byly rozpuˇstˇeny v kyse- linˇe chlorovod´ıkové, nanoˇcástice vysráˇzeny zˇredˇeným amoniakem a promyty kyselinou chloristou. Výsledný roztok vˇsak nereagoval na vnˇejˇs´ı magnetické pole. To je pˇripisováno tomu, ˇze nanoˇcástice po promyt´ı neproˇsly ˇzádnou povrchovou úpravou, je tedy moˇzné, ˇze zoxidovaly aˇz na oxid ˇzelezitý. Pro dalˇs´ı experimenty kaˇzdopádnˇe pouˇzity být nemohly.

5.2 Fe

₃

O

₄

nanoˇ c´ astice – metoda II

Byl vybrán jiný postup (Solovieva et al. 2017), ve kterém jsou nanoˇcástice vysráˇzeny hydroxidem sodným. V nˇem jsou sice udány koncentrace pouˇzitých roztok˚u, jejich objem vˇsak nikoliv. Bylo vyzkouˇseno nˇekolik r˚uzných naváˇzek výchoz´ıch látek, dokud nebyla nalezena optimáln´ı kombinace. Roztok chlorid˚u se po pˇr´ıdavku hydroxidu sodného zbarvoval postupnˇe ze ˇzluté do ˇcerné. Výsledná sraˇzenina po promyt´ı a povrchové úpravˇe polyethylenglykolem reagovala na vnˇejˇs´ı magnetické pole.

Sn´ımky z rastrovac´ıho elektronového mikroskopu na obrázku 5.1 ukazuj´ı, ˇze velikost nanoˇcástic se pohybuje okolo 40 nm.