Oscilaciones dinámicas del estado de oxidación del cerio provocadas por difusión de oxígeno en nanoceria coloidal

Resumen

El rendimiento redox de nanocristales CeO₂₋ₓ (nanoceria) siempre está acompañado por el cambio del estado de oxidación del cerio entre Ce³⁺ y Ce⁴⁺. Monitoreamos la oxidación Ce³⁺ → Ce⁴⁺ de nanoceria estimulada por oxidante en soluciones coloidales acuosas controlando la luminiscencia de iones Ce³⁺ ubicados a diferentes distancias de la superficie de nanoceria. Los cambios observados en la luminiscencia Ce³⁺ indican que la reacción Ce³⁺ → Ce⁴⁺ se desarrolla dentro de la nanoceria, siendo desencadenada por el oxígeno difusivo originado de la división de agua en la superficie oxidada de nanoceria. Presentamos la primera observación de oscilaciones pronunciadas de la intensidad de luminiscencia Ce³⁺ derivadas del cambio reversible Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺. Este efecto umbral es impulsado por la captura y liberación de oxígeno por nanoceria, cuando la concentración de vacancias de oxígeno en la red de nanoceria, concentración de oxidante en solución coloidal y temperatura alcanzan ciertos valores críticos. Así, la capacidad de nanoceria para capturar y liberar oxígeno dependiendo de las condiciones redox ambientales realmente la convierte en un antioxidante autosuficiente eterno.

Antecedentes

Hoy, nanocristales con diferente estructura y composición química se usan ampliamente en gran diversidad de aplicaciones modernas [1,2,3,4,5,6,7,8,9]. Junto con importantes utilizaciones de ingeniería [3, 4], los nanocristales CeO₂ (nanoceria) dieron origen a desarrollos biomédicos prometedores [5,6,7,8,9] debido a su capacidad para actuar como eliminador regenerativo de especies reactivas de oxígeno (ROS). El prerrequisito principal que hace a nanoceria tan única y útil se atribuye generalmente a alto contenido de vacancias de oxígeno (V_O) e iones Ce³⁺ en su superficie [10,11,12,13,14]. En la red de nanoceria, V_O e iones Ce³⁺ son defectos interrelacionados [10,11,12,13,14]; dos iones Ce³⁺ se contabilizan por una V_O [13]. La concentración de defectos (Ce³⁺, V_O) en nanoceria puede controlarse por tamaño de partícula, dopaje especial y tratamiento térmico [11, 14, 15]. En general, el oxígeno superficial puede asistir el ciclo redox a través de creación y curación de V_O o V_O superficiales pueden actuar como sitios de unión para especies catalíticamente activas [3, 4, 14]. Los iones Ce³⁺ superficiales de nanoceria comúnmente se supone que proveen eliminación de ROS debido al cambio entre estados de oxidación 3+ y 4+ [5,6,7,8,9]. ROS, a saber, iones superóxido (O₂⁻), radicales hidroxilo OH˙ y peróxido de hidrógeno H₂O₂ a bajas concentraciones, son críticamente importantes para la regulación de funciones celulares [5,6,7,8,9]. A diferencia de antioxidantes ordinarios, que desaparecen irrecuperablemente tras interacción con ROS [5,6,7], nanoceria, a tamaños de partícula bajo 15 nm, puede actuar como antioxidante auto-regenerante [5,6,7,8,9]. La dependencia crítica de la actividad biológica de nanoceria en su tamaño, así como el mecanismo de auto-regeneración de nanoceria en ambiente biológico, aún se comprende pobremente [5,6,7], y las discusiones continúan [8, 9]. Debe enfatizarse que en experimentos in vitro e in vivo [5,6,7,8,9], la nanoceria opera a alta concentración de defectos y actividad de agua y su rendimiento redox puede estar fuertemente enmascarado por sistemas antioxidantes celulares.

Así, para entender el mecanismo de rendimiento redox de nanoceria, usamos condiciones más simples y controladas: la dinámica de oxidación de nanoceria se estudió en soluciones coloidales acuosas para especímenes de nanoceria con variación de deficiencia de oxígeno. Como la concentración V_O (Ce³⁺) varía con el tamaño de partícula [10,11,12], se usaron especímenes de nanoceria de 3,0, 10,0 y 50,0 nm. Según datos [12], la concentración V_O en nanoceria 3,0 nm puede alcanzar ~20%. Determinamos que la concentración V_O en nanoceria 10,0 nm, comparada con 3,0 nm, era la mitad (ver Archivo adicional 1). En el caso de nanoceria 50,0 nm, dopaje con iones Y³⁺ (o Eu³⁺) y recocido al vacío se usaron para generar V_O y crear diferentes condiciones para difusión de oxígeno en red de nanoceria [14, 15]. En todas las muestras 50,0 nm, la concentración V_O se hizo equivalente a nanoceria 10,0 nm. En dopaje Re³⁺ de nanoceria 50,0 nm, las concentraciones de iones Y³⁺ y Eu³⁺ estaban al nivel de 10 at.% (ver Archivo adicional 1). Estas concentraciones eran suficientemente menores que los límites de solubilidad correspondientes para estos iones en red de ceria, ~25 at.% [16] o incluso ~45 at.% [17] para iones Y³⁺ y ~30 at.% [18] para iones Eu³⁺; así, la formación de fases Y₂O₃ o Eu₂O₃ puede excluirse. Todas las soluciones coloidales contenían la misma cantidad de sustancia (1,0 g/l) y se caracterizaron por pH inicial ~7. Para oxidación de nanoceria, se usaron peróxido de hidrógeno (HP) y periodato de potasio KIO₄ (PP). PP permitió excluir la diversidad química de HP. Los detalles de síntesis de nanoceria y caracterización de especímenes obtenidos, así como descripción de experimentos, se presentan en Archivo adicional 1.

Resultados y Discusión

Basándonos en nuestro experimento preliminar [19], la luminiscencia Ce³⁺ (Fig. 1a) debida a transiciones ópticas dipolo-permitidas 5d → 4f de iones Ce³⁺ [20] se usó para monitorear la dinámica de oxidación de todos los especímenes de nanoceria probados. El aumento de asimetría de la banda Ce³⁺ con la disminución del tamaño de partícula, es decir, con el aumento de la relación superficie-volumen (ver inserto en Fig. 1a) indica claramente su inhomogeneidad. La parte de onda larga de esta banda puede atribuirse a la luminiscencia Ce³⁺ de la subcapa superficial de nanoceria, y la parte restante de la banda Ce³⁺ proviene de iones Ce³⁺ profundos. Los iones Ce³⁺ subsuperficiales tienen espectros de luminiscencia desplazados al rojo (ver inserto en Fig. 1a) debido al debilitamiento del campo cristalino actuando sobre estos iones como resultado del aumento del parámetro de red en dirección a la superficie de nanoceria [12]. Contrario a nanoceria 3,0 nm, para nanoceria 50,0 nm, el impacto de estos iones al espectro de luminiscencia resultante es insignificante (ver inserto en Fig. 1a). Esta atribución se confirmó por el cuarteo de Forster más fuerte [21] de la parte de onda larga de la banda Ce³⁺ (ver Archivo adicional 1 y Fig. 1b). El aumento de concentración de cuarteador resultó en cuarteo de luminiscencia de iones Ce³⁺ más profundos (Fig. 1b) debido a la reducción de la distancia donante-aceptor [21].

La adición de oxidante (HP o PP) a soluciones coloidales resultó en disminución de la intensidad de banda Ce³⁺ para todos los especímenes de nanoceria probados (Fig. 1a). Además, se ve que bajo cuarteo selectivo de la banda Ce³⁺ (Fig. 1b), el oxidante estimuló una caída en la luminiscencia de iones Ce³⁺ profundos (ver inserto en Fig. 1b). La oxidación Ce³⁺ → Ce⁴⁺ ocurre para estos iones también a pesar de que el oxidante no puede penetrar en nanoceria. Este efecto es similar al recocido de nanoceria en atmósfera de oxígeno (ver Archivo adicional 1). Por tanto, el oxidante estimula la penetración de oxígeno (su fuente se determinará a continuación) dentro de nanoceria. Realmente está corroborado por la evolución temporal controlada por defectos de la luminiscencia Ce³⁺ bajo acción de oxidante (Fig. 2a). En este experimento, tanto HP como PP actúan de manera similar (ver inserto en Fig. 2a). Como se deduce de Fig. 2a, la nanoceria 3,0 nm con la mayor concentración V_O demostró la caída más rápida de intensidad de banda Ce³⁺ y la luminiscencia residual Ce³⁺ más baja. A la misma concentración V_O, la nanoceria dopada con Y³⁺ mostró una tasa de cuarteo de intensidad de banda Ce³⁺ más fuerte y nivel menor de luminiscencia residual Ce³⁺ comparada con nanoceria dopada con Eu³⁺ (Fig. 2a). Esto correlaciona con el hecho de que la energía de activación de difusión de oxígeno en óxido de cerio aumenta en presencia de iones Eu³⁺ de manera más fuerte que de iones Y³⁺ [14, 15]. Por tanto, la disminución de intensidad de banda Ce³⁺ bajo acción de oxidante (Figs. 1 y 2a) es resultado de oxidación Ce³⁺ → Ce⁴⁺ causada por penetración de oxígeno en nanoceria vía mecanismo de difusión por vacancias [14, 15]. La adición de agente reductor (por ejemplo, bencenetriol) a la solución coloidal tras oxidación de nanoceria no condujo a recuperación de luminiscencia Ce³⁺, lo cual es consistente con el mecanismo propuesto de oxidación Ce³⁺ → Ce⁴⁺ dentro de nanoceria.

La menor concentración de agua en la solución coloidal ralentizó la dinámica de oxidación de nanoceria (Fig. 2b), mientras el aumento de pH inicial aceleró este proceso (ver inserto en Fig. 2b). Excluyendo posible fuente de H⁺ en caso de aplicación HP, también revelamos la coincidencia exacta de la disminución de pH con la caída de intensidad de banda Ce³⁺ bajo oxidación de nanoceria por PP (Fig. 2c). Estos hechos indican la división de agua, que puede proceder con alta eficiencia con participación de sitios activos Ce⁴⁺–V_O⁺⁺–Ce⁴⁺ (o Ce⁴⁺–V_O⁺–Ce³⁺) en la superficie de nanoceria formados como resultado de la oxidación de sitios Ce³⁺-V_O-Ce³⁺ (Fig. 3) [13]. Hay dos formas posibles para eso (Fig. 3): o el ion O²⁻ ocupa V_O⁺⁺ y dos iones H⁺ son eyectados a la solución o el ion O²⁻ ocupa V_O⁺ resultando en creación de hidroxilo, lo que hace un ion H⁺ ser eyectado a solución (Fig. 3). El primer salto de oxígeno en nanoceria regenera el sitio Ce³⁺-V_O-Ce³⁺ para un nuevo ciclo de oxidación (Fig. 3). Este proceso puede repetirse muchas veces con diferentes tasas dependiendo de concentración de oxidante. La curva ρ(t)=1-I_Ce³⁺(t) describe el llenado de nanoceria con oxígeno, y su etapa inicial encaja bien la función ~t¹ᐟ² (ver Fig. 2d). Significa que el oxígeno penetra en nanoceria por difusión de archivo único a través de canales V_O (Fig. 3), donde los átomos de oxígeno no pueden rebasarse entre sí [22, 23]. La formación de grandes racimos V_O abiertos sobre planos terminados en oxígeno de nanoceria (Fig. 3) es inevitable por dos razones: todos los especímenes de nanoceria probados contienen concentraciones V_O suficientemente altas cercanas al umbral de percolación [24] y la concentración V_O alcanza su valor máximo cerca de la superficie de nanoceria [10,11,12]. Las estructuras lineales [25, 26] observadas para V_O subsuperficiales pueden considerarse como canales V_O o como componentes de grandes racimos V_O.

Las oscilaciones pronunciadas de la intensidad de banda Ce³⁺ se observan cuando la concentración de oxidante (HP o PP) en soluciones coloidales excede ~0,5 mM, de modo que la dinámica de oxidación Ce³⁺ → Ce⁴⁺ de nanoceria se transforma en escenario redox Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ (Fig. 4). Estas oscilaciones no aparecieron inmediatamente tras adición HP (C = 1,0 mM) o PP (C = 1,0 mM) sino que comenzaron a desarrollarse cuando la etapa rápida llega a completarse (Fig. 4a, b). Para todos los oxidantes, tras desaparecer las oscilaciones, pudieron repetirse añadiendo nuevas porciones de oxidante a las soluciones coloidales (Fig. 4c). Para comparación, las oscilaciones de intensidad de banda Ce³⁺ para todos los especímenes de nanoceria probados se muestran en Fig. 4d. Las líneas base en Fig. 4d son en realidad los niveles de luminiscencia residual Ce³⁺ para cada especimen de nanoceria (Fig. 2a), y la intensidad de banda Ce³⁺ oscila por encima de estos niveles. La variación de concentración V_O en nanoceria 50,0 nm dopada con Y³⁺ (o Eu³⁺) mostró claramente que las oscilaciones de intensidad de banda Ce³⁺ fueron observables solo cuando las concentraciones V_O se volvieron equivalentes a las en nanoceria 10,0 nm (Fig. 4d). En caso de nanoceria 50,0 nm dopada con Eu³⁺ las oscilaciones fueron más irregulares y menos pronunciadas (Fig. 4d). Como se mencionó antes, este hecho es consistente con la supresión de difusión de oxígeno en presencia de iones Eu³⁺ [14, 15]. En nanoceria 50,0 nm recocida con V_O termodinámicamente no-equilibrio, las oscilaciones no se observaron en absoluto. Las oscilaciones (ver Fig. 4) fueron observables a temperaturas superiores a 35 °C solamente.

Las oscilaciones observadas (Fig. 4) aparecieron cuando la población de V_O por oxígeno acumulado durante la etapa rápida (Figs. 2a y 4a) se volvió fuertemente no-equilibrio. El crecimiento del primer pico de oscilaciones (Fig. 4a, b) está acompañado por la liberación de exceso de oxígeno, y mientras las oscilaciones se observan, la nanoceria libera (aumento luminiscencia Ce³⁺) y captura (disminución luminiscencia Ce³⁺) oxígeno. Para nanoceria 50,0 nm recocida, la fase de liberación de oxígeno y, por tanto, las oscilaciones Ce⁴⁺ ↔ Ce³⁺ son imposibles porque las V_O termodinámicamente no-equilibrio son curadas irreversiblemente por oxígeno acumulado durante oxidación (Figs. 2a y 4).

Debe notarse que la escala temporal de la evolución de intensidad de banda Ce³⁺ (ver Figs. 2 y 4) requiere una tasa anómalamente alta de difusión de oxígeno en nanoceria a RT. Generalmente, en óxidos, la difusión ordinaria de oxígeno es demasiado lenta debido al gran valor de energía de activación [14, 15]. Pero en nuestro caso, la difusión rápida de oxígeno es provista por la reducción dependiente de carga de la energía de activación inherente a la difusión de archivo único [23]. La concentración de oxidante en soluciones coloidales controla este efecto vía la tasa y nivel de llenado de racimos V_O con oxígeno.

Conclusiones

Nuestros resultados sugieren nueva visión de mecanismos microscópicos detrás del rendimiento redox de nanoceria. Primero, tanto los iones Ce³⁺ superficiales disponibles para el oxidante como los iones Ce³⁺ profundos están involucrados en la dinámica de oxidación de nanoceria debido a difusión de oxígeno soportada por racimos V_O abiertos. Tales racimos V_O se forman inevitablemente a tamaño suficientemente pequeño (< 15 nm) de nanoceria que explica la fuerte dependencia del tamaño de la actividad antioxidante de nanoceria. La auto-regeneración (reducción inversa Ce⁴⁺ → Ce³⁺) de nanoceria en ambiente biológico es resultado de la liberación del oxígeno acumulado durante su oxidación por ROS. Similar a las oscilaciones en catálisis heterogénea [27], las oscilaciones del estado de oxidación del cerio en nanoceria pueden explotarse para desarrollar antioxidantes de alto rendimiento, extremadamente importantes para protección celular bajo radiación de alta intensidad (radioterapia contra cáncer, catástrofes nucleares, etc.). En general, las ideas sugeridas en el artículo permiten iniciar una búsqueda racional de nuevos nanomateriales que puedan utilizarse no solo como antioxidantes efectivos, sino también como materiales catalíticos únicos en diversas áreas tecnológicas.

Métodos

Métodos de síntesis de nanoceria

Síntesis coloidal de nanoceria 3,0 y 10,0 nm

Soluciones acuosas de nanopartículas de ceria se obtuvieron por el siguiente método: solución CeCl₃ (100 ml, 2 mM) se mezcló con 100 ml de solución hexametilentetramina (4 mM) y agitó mediante agitador magnético por 3 h a temperatura ambiente. Tras eso, 1,8 ml NH₄OH y 0,6 ml H₂O₂ se añadieron a la solución. Luego, la solución se puso en matraz de fondo redondo y refluxó por 5 h. Como resultado, se obtuvieron soluciones transparentes incoloras. La solución se evaporó en evaporador rotatorio bajo vacío a temperatura de baño 70 °C a 30 ml. Se añadió solución 2 M NaCl a la solución obtenida hasta que la resultante se volvió turbia. Luego, la fase sólida se precipitó por centrifugación. El precipitado se separó, y solución de cloruro de sodio se añadió de nuevo. El procedimiento de limpieza de precipitado se repitió tres veces. Tras la última etapa de centrifugación, se añadió solución de citrato de sodio con relación molar CeO₂/NaCt 1:1 al precipitado. El tamaño de nanoceria obtenido de la mezcla de cloruro de cerio (III) y hexametilentetramina (HMTA) tomada en relación molar 1:10 fue ~10,0 nm. Al aumento adicional de HMTA, el tamaño de nanopartículas obtenidas disminuye a ~3,0 nm. Nanopartículas CeO₂₋ₓ se estabilizaron con citrato de sodio con relación molar 1:1. Las soluciones se dializaron adicionalmente por 24 h contra agua desionizada para eliminar exceso de iones y especies orgánicas. Tubos de membrana de diálisis con corte de peso molecular "Cellu Sep H1" 3,5 KDa se usaron. Todos los soles fueron transparentes en luz transmitida y pasaron a través de filtros de membrana con poros 100 nm sin pérdida.

Síntesis sol-gel de nanoceria 50,0 nm

CeO₂₋ₓ, CeO₂:Eu³⁺/Y³⁺(0,1–10 at.%) nanocristales se obtuvieron por método Pechini. Óxido de cerio (CeO₂) (99,995%, Sigma-Aldrich) se disolvió en mezcla de ácido nítrico (HNO₃) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) (en proporción de volumen 1:1) a 60 °C. Óxido de europio (Eu₂O₃) (99,999%, Sigma-Aldrich) y óxido de itrio (Y₂O₃) (99,999%, Sigma-Aldrich) se disolvieron en HNO₃ diluido a 80 °C. La solución de 0,75 g ácido cítrico y 1 ml glicol etileno se añadió a 20 ml de nitrato de cerio Ce(NO₃)₃ (C = 1 M) solución o a 20 ml mezcla estequiométrica de nitrato de cerio Ce(NO₃)₃ (C = 1 M) y nitrato de europio Eu(NO₃)₃/nitrato de itrio Y(NO₃)₃ (C = 1 M) soluciones. Todas las mezclas resultantes se trataron a 80 °C durante 10 h y luego hidrolizaron mediante solución acuosa NH₃ 10% en masa. Los precipitados se secaron a 120 °C durante 5 h y luego deshidrataron a 250 °C durante 4 h. Los nanocristales se recocieron durante 2 h en vacío a 1000 °C. Tras recocido, las nanopartículas se dispersaron en agua a concentración 1 g/l.

Técnicas experimentales

La fotoluminiscencia de todos los tipos de nanoceria ha sido excitada por láser He-Cd GKL-4UM de onda continua (λ~325 nm) y registrada usando monocromador de rejilla SDL-1 con Hamamatsu R9110 PMT en modo conteo de fotones.

Inmediatamente tras adición de oxidante (peróxido de hidrógeno o periodato de potasio) a soluciones coloidales acuosas de nanoceria, la evolución temporal de intensidad de luminiscencia Ce³⁺ (tomada a 390 nm) se determinó mediante mediciones resueltas en tiempo a excitación CW (láser He-Cd). Concentraciones de nanoceria en soluciones acuosas fueron similares en todos los experimentos e iguales a 1 g/l. Concentración de oxidante requerida para iniciar reacción redox Ce³⁺ → Ce⁴⁺ no reversible fue 0,1 mM; concentraciones de oxidantes para iniciar reacciones redox reversibles Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ fueron 1,0 mM para tanto H₂O₂ (HP) como KIO₄ (PP).

La dependencia temporal del valor pH para soluciones coloidales acuosas de nanoceria tras adición de oxidante se midió usando medidor pH. Como oxidantes HP (C = 0,1 mM) y PP (C = 0,1 mM) se usaron, valores pH se registraron con intervalos de tiempo de 1 s tras adición de porciones de oxidante a soluciones coloidales acuosas de nanoceria. La dependencia temporal del valor pH para agua destilada tras adición de oxidante se tomó como control (valor pH inicial de agua destilada fue el mismo que para soluciones coloidales de nanoceria (pH = 7)).

Todos los experimentos se realizaron a T = 37 °C.

Abreviaturas

HP:

Peróxido de hidrógeno

PP:

Periodato de potasio

ROS:

Especies reactivas de oxígeno

V_O:

Vacancias de oxígeno