Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Механизм взаимодействия

Ядовитый кислород и полезный магний

Ключевые слова:  Иннтернет-олимпиада, Наноазбука

Автор(ы): Булатов Эмиль Рафаэлевич

Опубликовал(а):  Травкин Илья Олегович

10 мая 2009

ОтветБулатова Эмиля Рафаэлевичана задачу "Ядовитый кислород и полезный магний" секции "Нанохимия"

Найдите ошибки в этом утверждении и поясните, что происходит на самом деле (2 балла).

Кремний не светится, а люминесцирует. Лечить раковые клетки – это значит помогать развитию рака в организме. Раковые клетки надо уничтожать, а не лечить! Под воздействием лазера на поверхности нанокристаллов кремния образуется синглетный кислород, который обладает исключительно высокой окислительной способностью, и его можно использовать для уничтожения нежелательных биологических объектов, например раковых клеток. В данном случае наночастицы кремния являются фотосенсибилизатором. Наночастицы кремния способны к видимой люминесценции при фото- и электровозбуждении, а также при адсорбции озона. Укорочение времени жизни люминесценции нанокристаллов кремния в водных суспензиях может свидетельствовать о генерации синглетного кислорода.

Где на практике может быть использовано данное свойство нанокристаллического кремния (2 балла)?

Фотодинамическая терапия (ФДТ) — метод лечения онкологических, опухолевых заболеваний, некоторых заболеваний кожи или инфекционных заболеваний, основанный на применении светочувствительных веществ — фотосенсибилизаторов (в том числе красителей), и, как правило, видимого света определенной длины волны. В ФДТ используют свет в диапазоне 600-800 нм, который, обладая достаточной энергией для возбуждения синглетного кислорода, имеет максимальную глубину проникновения в ткани. Синглетный кислород — основной активный компонент фотодинамической терапии. Синглетный кислород примерно в 100 раз эффективней невозбужденного О2 окисляет липиды, белки и другие биомолекул, а также способствует развитию фотоцитотоксических эффектов в тканях. Биосистемы обладают необычайно высокой чувствительностью к этому веществу. Синглетный кислород и радикалы вызывают в клетках опухоли некрози апоптоз(два варианта гибели клеток). ФДТ также приводит к нарушению питания и гибели опухоли за счет повреждения ее микрососудов. Детально изучены процессы фотосенсибилизированного порфиринами окисления ненасыщенных стероидов, в частности, холестерина, синглетным кислородом. Устройство для получения синглетного кислорода найдет широкое применение в технологических кислородно-йодных лазерах, а также в области охраны окружающей среды, например для очистки питьевой воды. Возможные сферы применения пористого кремния:

  • газовые сенсоры
  • взрывчатые вещества
  • в качестве матрицы для нанокомпозитов
  • фотосенсибилизаторы
  • датчик озона

Кремний быстро окисляется, превращаясь в химически инертный оксид кремния, чего нельзя сказать о современных препаратах, используемых в фотодинамической терапии. Биосовместимость с тканями организма наряду со свойством быстрого выведения из организма позволяет использовать данный материал в качестве фотосенсибилизатора для фотодинамической терапии рака. Поскольку пористый кремний обладает очень высокой удельной поверхностью, то его можно использовать для создания датчиков влажности, газовых, химических и биологических сенсоров. Принцип действия таких датчиков основан на влиянии внешних молекул на электронное состояние поверхности, что в случае пористого кремния приводит к высокой чувствительности. Обычно такие датчики фиксируют изменение емкостных, проводящих, люминесцентных свойств пористого кремния при наличии в контролируемой среде заданных молекул. Ограничения в контактных и поверхностных свойствах этого материала, а так же высокой химической активностью в окислительной среде, связанные с его фундаментальными характеристиками не позволяют не только создавать устойчивые к внешним воздействиям (не деградирующих даже при при Н.У.) датчики, но и требует периодической, сложной калибровки в зависимости от условий их эксплуатации.

Как происходит процесс формирования «полезного воздуха», может ли это происходить с поликристаллическим кремнием (1 балл)?

Процесс формирования «полезного воздуха» происходит в порах нанокристиллического кремния, на наноразмерных дефектах поверхности. Энергия лазерного облучения передается молекулам кислорода, который из триплетного превращается в синглетный. С поликристаллическим кремнием такое едва ли возможно, так как в данном случае кристаллы не являются наноразмерными, поверхность материала является очень ровной, с малым количеством дефектов и пор. И поэтому образование синглетного кислорода затруднено.

Почему возникает свечение (1 балл)?

Фотолюминесценция в видимой области спектра появляется только в тех образцах пористого кремния, для которых размеры пор и кремниевых нанокристаллов не превышают нескольких нанометров. С уменьшением размеров нанокристаллов происходит сдвиг полосы фотолюминесценции в коротковолновую сторону и увеличение интенсивности свечения. Одновременно в сторону меньших длин волн сдвигается и край поглощения пористого кремния. Это следствие квантово-размерного эффекта — из-за ограниченного размера наночастицы энергия электронов и дырок квантуется, поэтому увеличивается ширина запрещенной зоны в полупроводниковом нанокристалле. Широкий спектр фотолюминесценции вызван распределением наночастиц по диаметру. Дальнейшее исследование показало, что люминесценция обусловлена взаимодействием экситона — связанной пары электрона и возникшей при его возбуждении положительно заряженной дырки. Сильно связанные экситоны с гораздо меньшей вероятностью будут диссоциировать термически — они будут аннигилировать излучательно, то есть с испусканием фотонов. Именно ими обусловлена люминесценция пористого кремния при комнатной температуре.

Почему именно специфического, легко узнаваемого цвета (1 балл)?

Наиболее удивительным свойством пористого кремния является его способность эффективно люминесцировать в видимой области спектра. Уже в первых опытах выяснилось, что эффективно люминесцируют образцы пористого кремния, в которых пористость превышает 50 %. Эффективность фотолюминесценции может достигать десятков процентов. Длиной волны излучения можно управлять изменяя условия анодирования. Оказалось возможным получать красный, зеленый и синий цвета, необходимые для изготовления цветных дисплеев. Оптические свойства пористого кремния также существенно отличаются от таковых для объемного материала. В частности, край спектра поглощения пористого слоя, отделенного от подложки, в зависимости от пористости смещен в сторону больших hν относительно Eg0 на 100—500 мэВ. Как уже говорилось, основной интерес к пористому кремнию вызван его способностью эффективно, в отличие от монокристаллического кремния излучать свет в видимом диапазоне. Это может быть использовано для создания значительно более дешёвых светоизлучающих устройств (светодиодов, плоских цветных дисплеев). Для целей интегральной оптики применяются планарные световоды, представляющие собой пленочную структуру, в которой свет распространяется в слое с высоким показателем преломления, ограниченном с двух сторон слоями с меньшим показателем преломления (эффект полного внутреннего отражения). Для пористого кремния этот показатель зависит от пористости (чем больше пористость, тем меньше показатель преломления), и поэтому формирование многослойных структур с разной пористостью позволяет получать на их основе волноводные элементы с низким уровнем потерь. Потери на поглощение можно дополнительно уменьшить окислением слоев пористого кремния. Размер пор, сравнимый с длиной волны, не позволяет описывать оптические свойства в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах в рамках приближения эффективной среды. Если поры не упорядочены, мы не вправе рассматривать эти материалы как фотонные кристаллы. Для них большую роль начинают играть рассеяние света и интерференция рассеянных волн.

Почему реакционная способность такого «полезного воздуха» существенно повышена (2 балла)?

Синглетный кислород примерно в 100 раз эффективней невозбужденного О2 окисляет липиды, белки и другие биомолекул, а также способствует развитию фотоцитотоксических эффектов в тканях. Биосистемы обладают необычайно высокой чувствительностью к этому веществу. Синглетный кислород и радикалы вызывают в клетках опухоли некроз и апоптоз (два варианта гибели клеток).

Объясните причину данного явления (4 балла)?

Данное открытие было сделано группой ученых под руководством акад. Бучаченко А.Л. (А.Л.Бучаченко, Д.А.Кузнецов, МАГНИТНЫЙ ИЗОТОПНЫЙ ЭФФЕКТ МАГНИЯ – КЛЮЧ К МЕХАНОХИМИИ ФОСФОРИЛИРУЮЩИХ ФЕРМЕНТОВ КАК МОЛЕКУЛЯРНЫХ МАШИН. Молекулярная биология. (2006) 40:1, 12-20). Обнаружено, что активность ферментов АТФазы, креатин- и глицерофосфаткиназы, в которых ион Mg2+ имеет магнитно-изотопные ядра 25Mg, в 2-4 раза превосходит активность ферментов, в которых Mg2+ содержит бесспиновые, немагнитные изотопы 24Mg или 26Mg. Ядра 25Mg имеют спин 5/2, тогда как 24Mg и 26Mg являются бесспиновыми. Изотопный эффект однозначно доказывает, что синтез АТФ является спин-селективным процессом, в котором ион Mg2+ является реагентом, акцептором электрона. Синтез АТР происходит в ион-радикальной паре, партнерами которой являются оксирадикал АDР и Mg+. Ион Mg2+ – центральный реагент, трансформирующий механику белковой молекулы в химию; именно этот ион является ключевой деталью ферментов как механохимических молекулярных машин. Изотопный эффект магния в реакции фосфорилирования не зависит от атомной массы, а значит не является классическим. Это магнитный изотопный эффект, в котором скорость реакции зависит от спина и магнитного момента ядер. В обычных химических реакциях спин остается неизменным. В присутствии магнитного ядра в составе одного из образующихся радикалов может меняться спин электрона. Магнитное взаимодействие неспаренного электрона радикала с магнитным ядром приводит к изменению спина электрона (синглет переходит в триплет, или наоборот). Изменение спина заметно влияет на реакционную способность радикала. Это является ядерным спиновым контролем химической реакции. В данном случае магнитное ядро регулирует спин электрона и, следовательно, реакционную способность радикала. Это явление называется магнитный изотопный эффект. Как показано на рисунке, стадия 1 является обратимой. И поэтому скорость фосфорилирования ограничена скоростью обратной реакции. Однако, после взаимодействия образовавшегося синглета с 25Mg – образуется триплет. Для триплетного состояния реакция, обратная фосфорилированию, является запрещенной и обратная реакция не происходит. Поэтому скорость реакции фосфорилирования возрастает примерно в 2-3 раза. Это и является причиной повышения активности фермента в присутствии 25Mg.

Что объединяет первую и вторую часть задачи (1 балл)?

Две части задачи объединяет то, что в их основе лежит процесс изменение спина электрона. (синглет → триплет, триплет → синглет). Данные явления способны применяться, например, в области медицины.


В статье использованы материалы: Интернет-олимпиада


Средний балл: 9.7 (голосов 7)

 


Комментарии

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Нанолошарик
Нанолошарик

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Не только производные: как рассчитать кривизну пластины. Фуллерен и антибиотик. О непостоянстве ширины запрещенной зоны в ван-дерваальсовом магнитном топологическом изоляторе. Девятая Всероссийская конференция с международным участием “Топливные элементы и энергоустановки на их основе”

Поступай без экзаменов в совместную магистратуру "ИИ в биотех системах" ИТМО, Татнефть и АГНИ
Университет ИТМО, компания Татнефть и Альметьевский государственный нефтяной институт запускают совместную программу магистратуры "Искусственный интеллект в биотехнологических системах". Программа направлена на биологов, биотехнологов и химиков, готовых оттачивать навыки программирования и применять data-driven подход для решения фронтирных научных задач и создания реальных продуктов для вывода на рынок.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Оптическая квантовая память на фотонном эхе. Ударим фуллереном по графену! Полу-ван-дер-ваальсовский композит. Монослои нитрида бора вместо антибиотиков.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022
Коллектив авторов
Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2022 содержат следующую информацию:
• Подготовка бакалавров на факультете наук о материалах МГУ
• Состав Государственной Экзаменационной Комиссии
• Расписание защит выпускных квалификационных работ бакалавров
• Аннотации квалификационных работ бакалавров

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2022 году
коллектив авторов
24 - 27 мая пройдут защиты магистерских квалификационных работ выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Пятилетка Олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в будущее!": что было и что может быть в будущем
Е.А.Гудилин , А.А.Семенова
Уже более 15 лет живет и развивается Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в будущее!". За всю историю Олимпиады было предложено много инновационных решений, охват олимпиадой составил более 50 000 участников по всей Российской Федерации и странам ближнего зарубежья. В статье приводятся статистические данные по Олимпиаде и возможные пути ее дальнейшего развития.

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.