Oscillations dynamiques de l'état d'oxydation du cérium déclenchées par la diffusion d'oxygène dans la nanocerie colloïdale

Résumé

La performance redox des nanocristaux de CeO₂₋ₓ (nanocerie) s'accompagne toujours du changement d'état d'oxydation du cérium entre Ce³⁺ et Ce⁴⁺. Nous avons surveillé l'oxydation Ce³⁺ → Ce⁴⁺ de la nanocerie stimulée par un oxydant dans des solutions colloïdales aqueuses en contrôlant la luminescence des ions Ce³⁺ situés à différentes distances de la surface. Les changements de luminescence du Ce³⁺ observés indiquent que la réaction Ce³⁺ → Ce⁴⁺ se développe à l'intérieur de la nanocerie, déclenchée par l'oxygène diffusant provenant de la scission de l'eau sur la surface de nanocerie oxydée. Nous présentons la première observation d'oscillations prononcées de l'intensité de luminescence du Ce³⁺ résultant du changement réversible Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺. Cet effet de seuil est piloté par l'absorption et la libération d'oxygène par la nanocerie, lorsque la concentration de lacunes d'oxygène dans le réseau, la concentration d'oxydant en solution colloïdale et la température atteignent certaines valeurs critiques. Ainsi, la capacité de la nanocerie à absorber et libérer l'oxygène selon les conditions redox environnementales en fait véritablement un antioxydant auto-suffisant et éternel.

Contexte

Aujourd'hui, les nanocristaux de structures et compositions chimiques diverses sont largement utilisés dans une grande variété d'applications modernes. Outre d'importantes utilisations en ingénierie, les nanocristaux de CeO₂ (nanocerie) ont donné naissance à des développements biomédicaux prometteurs grâce à leur capacité à agir comme un piégeur régénératif d'espèces réactives de l'oxygène (ROS). Le prérequis principal qui rend la nanocerie si unique et utile est généralement attribué à la forte teneur en lacunes d'oxygène (V_O) et en ions Ce³⁺ à sa surface. Dans le réseau de nanocerie, V_O et ions Ce³⁺ sont des défauts interreliés ; deux ions Ce³⁺ sont comptabilisés pour une V_O. La concentration de défauts (Ce³⁺, V_O) dans la nanocerie peut être contrôlée par la taille des particules, le dopage spécial et le traitement thermique. En général, l'oxygène de surface peut assister le cycle redox par création et guérison de V_O ou les V_O de surface peuvent agir comme sites de liaison pour des espèces catalytiquement actives. Les ions Ce³⁺ de surface de la nanocerie sont communément supposés fournir le piégeage des ROS par commutation entre les états d'oxydation 3+ et 4+. Les ROS, à savoir les ions superoxyde (O₂⁻), les radicaux hydroxyles OH· et le peroxyde d'hydrogène H₂O₂ à faibles concentrations, sont d'une importance critique pour la régulation des fonctions cellulaires. Contrairement aux antioxydants ordinaires, qui disparaissent irrémédiablement après interaction avec les ROS, la nanocerie, à des tailles de particules inférieures à 15 nm, peut agir comme un antioxydant auto-régénérant. La dépendance critique de l'activité biologique de la nanocerie vis-à-vis de sa taille, ainsi que le mécanisme d'auto-régénération de la nanocerie en environnement biologique, sont encore mal compris, et les discussions se poursuivent. Il faut souligner que dans les expériences in vitro et in vivo, la nanocerie opère à une concentration de défauts élevée et une activité de l'eau élevée, et sa performance redox peut être fortement masquée par les systèmes antioxydants cellulaires.

Pour comprendre le mécanisme de la performance redox de la nanocerie, nous avons utilisé des conditions plus simples et contrôlées : la dynamique d'oxydation de la nanocerie a été étudiée dans des solutions colloïdales aqueuses pour des spécimens de nanocerie avec variation de déficience en oxygène. Comme la concentration de V_O (Ce³⁺) varie avec la taille des particules, des spécimens de nanocerie de 3,0, 10,0 et 50,0 nm ont été utilisés. Selon les données, la concentration de V_O dans la nanocerie de 3,0 nm peut atteindre ~20 %. Nous avons déterminé que la concentration de V_O dans la nanocerie de 10,0 nm, comparée à celle de 3,0 nm, était deux fois moindre. Dans le cas de la nanocerie de 50,0 nm, le dopage avec des ions Y³⁺ (ou Eu³⁺) et le recuit sous vide ont été utilisés pour générer des V_O et créer différentes conditions pour la diffusion d'oxygène dans le réseau. Dans tous les échantillons de 50,0 nm, la concentration de V_O a été rendue équivalente à celle de la nanocerie de 10,0 nm. Au dopage Re³⁺ de la nanocerie de 50,0 nm, les concentrations d'ions Y³⁺ et Eu³⁺ étaient au niveau de 10 at.%. Ces concentrations étaient suffisamment inférieures aux limites de solubilité correspondantes pour ces ions dans le réseau de cérium, ~25 at.% ou même ~45 at.% pour les ions Y³⁺ et ~30 at.% pour les ions Eu³⁺ ; la formation de phases Y₂O₃ ou Eu₂O₃ peut donc être exclue. Toutes les solutions colloïdales contenaient la même quantité de substance (1,0 g/L) et étaient caractérisées par un pH initial ~7. Pour l'oxydation de la nanocerie, le peroxyde d'hydrogène (HP) et le periodate de potassium KIO₄ (PP) ont été utilisés. Le PP a permis d'exclure la diversité chimique du HP. Les détails de la synthèse de la nanocerie et de la caractérisation des spécimens obtenus, ainsi que la description des expériences, sont présentés dans le fichier supplémentaire 1.

Résultats et Discussion

S'appuyant sur notre expérience préliminaire, la luminescence du Ce³⁺ (Fig. 1a) due aux transitions optiques dipolaires autorisées 5d → 4f des ions Ce³⁺ a été utilisée pour surveiller la dynamique d'oxydation de tous les spécimens de nanocerie testés. L'augmentation de l'asymétrie de la bande Ce³⁺ avec la diminution de la taille des particules, c'est-à-dire avec l'augmentation du rapport surface/volume (voir insert Fig. 1a), indique clairement son inhomogénéité. La partie à grande longueur d'onde de cette bande peut être attribuée à la luminescence du Ce³⁺ de la sous-surface de la nanocerie, et la partie restante provient des ions Ce³⁺ profondément enfouis. Les ions Ce³⁺ de sous-surface ont des spectres de luminescence décalés vers le rouge (voir insert Fig. 1a) en raison de l'affaiblissement du champ cristallin agissant sur ces ions résultant de l'augmentation du paramètre de réseau dans la direction de la surface de la nanocerie. Contrairement à la nanocerie de 3,0 nm, pour celle de 50,0 nm, l'impact de ces ions sur le spectre de luminescence résultant est négligeable (voir insert Fig. 1a). Cette attribution a été confirmée par le quenching de Förster plus fort de la partie à grande longueur d'onde de la bande Ce³⁺ (voir fichier supplémentaire 1 et Fig. 1b). L'augmentation de la concentration du quenceur a entraîné le quenching de luminescence des ions Ce³⁺ plus profondément enfouis (Fig. 1b) en raison de la réduction de la distance donneur-accepteur.

L'ajout d'oxydant (HP ou PP) aux solutions colloïdales a entraîné une diminution de l'intensité de la bande Ce³⁺ pour tous les spécimens testés (Fig. 1a). De plus, on peut voir que sous quenching sélectif de la bande Ce³⁺ (Fig. 1b), l'oxydant a stimulé une chute de luminescence des ions Ce³⁺ profondément enfouis (voir insert Fig. 1b). L'oxydation Ce³⁺ → Ce⁴⁺ se produit pour ces ions également, bien que l'oxydant ne puisse pas pénétrer dans la nanocerie. Cet effet est similaire au recuit de la nanocerie en atmosphère d'oxygène (voir fichier supplémentaire 1). Ainsi, l'oxydant stimule la pénétration d'oxygène (sa source sera déterminée ci-dessous) à l'intérieur de la nanocerie. Cela est corroboré par l'évolution temporelle contrôlée par les défauts de la luminescence Ce³⁺ sous action de l'oxydant (Fig. 2a). Dans cette expérience, HP et PP agissent de manière similaire (voir insert Fig. 2a). D'après la Fig. 2a, la nanocerie de 3,0 nm avec la plus haute concentration de V_O a démontré la chute la plus rapide de l'intensité de la bande Ce³⁺ et la luminescence résiduelle Ce³⁺ la plus faible. À la même concentration de V_O, la nanocerie dopée Y³⁺ a montré un taux de quenching plus fort de l'intensité de la bande Ce³⁺ et un niveau de luminescence résiduelle Ce³⁺ plus bas comparé à la nanocerie dopée Eu³⁺ (Fig. 2a). Cela corrèle avec le fait que l'énergie d'activation de la diffusion d'oxygène dans l'oxyde de cérium augmente en présence d'ions Eu³⁺ plus fortement que d'ions Y³⁺. Donc, la diminution de l'intensité de la bande Ce³⁺ sous action de l'oxydant (Fig. 1 et 2a) est le résultat de l'oxydation Ce³⁺ → Ce⁴⁺ causée par la pénétration d'oxygène dans la nanocerie via le mécanisme de diffusion par lacunes. L'ajout d'agent réducteur (par exemple, benzène-triol) à la solution colloïdale lors de l'oxydation de la nanocerie n'a pas entraîné la récupération de la luminescence Ce³⁺, ce qui est cohérent avec le mécanisme proposé d'oxydation Ce³⁺ → Ce⁴⁺ à l'intérieur de la nanocerie.

La concentration d'eau plus faible dans la solution colloïdale a ralenti la dynamique d'oxydation de la nanocerie (Fig. 2b), tandis que l'augmentation du pH initial a accéléré ce processus (voir insert Fig. 2b). En excluant la source possible de H⁺ dans le cas de l'application HP, nous avons également révélé la coïncidence exacte de la diminution du pH avec la chute d'intensité de la bande Ce³⁺ sous l'oxydation de la nanocerie par PP (Fig. 2c). Ces faits indiquent la scission de l'eau, qui peut se produire avec une haute efficacité avec la participation des sites actifs Ce⁴⁺–V_O⁺⁺–Ce⁴⁺ (ou Ce⁴⁺–V_O⁺–Ce³⁺) sur la surface de la nanocerie se formant suite à l'oxydation des sites Ce³⁺–V_O–Ce³⁺ (Fig. 3). Il y a deux voies possibles (Fig. 3) : soit l'ion O²⁻ occupe V_O⁺⁺ et deux ions H⁺ sont éjectés dans la solution, soit l'ion O²⁻ occupe V_O⁺ résultant en la création d'hydroxyle, ce qui fait éjecter un ion H⁺ dans la solution (Fig. 3). Le premier saut d'oxygène dans la nanocerie régénère le site Ce³⁺–V_O–Ce³⁺ pour un nouveau cycle d'oxydation (Fig. 3). Ce processus peut se répéter de nombreuses fois avec des taux différents selon la concentration d'oxydant. La courbe ρ(t)=1−I_Ce3+(t) décrit le remplissage de la nanocerie avec l'oxygène, et son stade initial s'ajuste bien à la fonction ~t¹ᐟ² (voir Fig. 2d). Cela signifie que l'oxygène pénètre dans la nanocerie par diffusion en file unique à travers les canaux V_O (Fig. 3), où les atomes d'oxygène ne peuvent pas se dépasser. La formation de grands agrégats de V_O ouverts sur les plans terminés par l'oxygène de la nanocerie (Fig. 3) est inévitable pour deux raisons : tous les spécimens testés contiennent des concentrations de V_O suffisamment élevées proches du seuil de percolation et la concentration de V_O atteint sa valeur maximale près de la surface de la nanocerie. Les structures linéaires observées pour les V_O de sous-surface peuvent être considérées comme des canaux V_O ou comme composants de grands agrégats de V_O.

Des oscillations prononcées de l'intensité de la bande Ce³⁺ sont observées lorsque la concentration d'oxydant (HP ou PP) dans les solutions colloïdales dépasse ~0,5 mM, de sorte que la dynamique d'oxydation Ce³⁺ → Ce⁴⁺ de la nanocerie se transforme en scénario redox réversible Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ (Fig. 4). Ces oscillations n'apparaissent pas immédiatement après l'ajout de HP (C = 1,0 mM) ou PP (C = 1,0 mM) mais commencent à se développer lorsque le stade rapide arrive à son terme (Fig. 4a, b). Pour tous les oxydants, après la disparition des oscillations, elles peuvent être répétées en ajoutant de nouvelles portions d'oxydant aux solutions colloïdales (Fig. 4c). Pour comparaison, les oscillations de l'intensité de la bande Ce³⁺ pour tous les spécimens testés sont montrées Fig. 4d. Les lignes de base dans Fig. 4d sont en fait les niveaux de luminescence résiduelle Ce³⁺ pour chaque spécimen (Fig. 2a), et l'intensité de la bande Ce³⁺ oscille au-dessus de ces niveaux. La variation de la concentration de V_O dans la nanocerie de 50,0 nm dopée Y³⁺ (ou Eu³⁺) a montré clairement que les oscillations de l'intensité de la bande Ce³⁺ n'étaient observables que lorsque les concentrations de V_O devenaient équivalentes à celles de la nanocerie de 10,0 nm (Fig. 4d). Dans le cas de la nanocerie de 50,0 nm dopée Eu³⁺, les oscillations étaient plus irrégulières et moins prononcées (Fig. 4d). Comme mentionné précédemment, ce fait est cohérent avec la suppression de la diffusion d'oxygène en présence d'ions Eu³⁺. Dans la nanocerie de 50,0 nm recuite avec des V_O thermodynamiquement non-équilibres, les oscillations n'ont pas été observées du tout. Les oscillations (voir Fig. 4) étaient observables uniquement aux températures supérieures à 35 °C.

Les oscillations observées (Fig. 4) apparaissent lorsque la population de V_O par l'oxygène accumulée pendant le stade rapide (Fig. 2a et 4a) devient fortement non-équilibre. La croissance du premier pic d'oscillations (Fig. 4a, b) s'accompagne de la libération d'oxygène en excès, et tant que les oscillations sont observées, la nanocerie libère (augmentation luminescence Ce³⁺) et absorbe (diminution luminescence Ce³⁺) l'oxygène. Pour la nanocerie de 50,0 nm recuite, la phase de libération d'oxygène et, par conséquent, les oscillations Ce⁴⁺ ↔ Ce³⁺ sont impossibles car les V_O thermodynamiquement non-équilibres sont irréversiblement guéris par l'oxygène accumulé pendant l'oxydation (Fig. 2a et 4).

Il convient de noter que l'échelle temporelle de l'évolution de l'intensité de la bande Ce³⁺ (voir Fig. 2 et 4) requiert un taux anormalement élevé de diffusion d'oxygène dans la nanocerie à RT. Généralement, dans les oxydes, la diffusion ordinaire d'oxygène est trop lente en raison de la grande valeur de l'énergie d'activation. Mais dans notre cas, la diffusion rapide d'oxygène est fournie par la réduction dépendante du chargement de l'énergie d'activation inhérente à la diffusion en file unique. La concentration d'oxydant dans les solutions colloïdales contrôle cet effet via le taux et le niveau de remplissage des agrégats de V_O avec l'oxygène.

Conclusions

Nos résultats suggèrent une nouvelle vision des mécanismes microscopiques derrière la performance redox de la nanocerie. Premièrement, tant les ions Ce³⁺ de surface accessibles à l'oxydant que les ions Ce³⁺ profondément enfouis sont impliqués dans la dynamique d'oxydation de la nanocerie grâce à la diffusion d'oxygène soutenue par les agrégats de V_O ouverts. De tels agrégats de V_O se forment inévitablement à une taille suffisamment petite (< 15 nm) de la nanocerie, ce qui explique la forte dépendance de l'activité antioxydante de la nanocerie vis-à-vis de la taille. L'auto-régénération (réduction inverse Ce⁴⁺ → Ce³⁺) de la nanocerie en environnement biologique est le résultat de la libération de l'oxygène accumulé pendant son oxydation par les ROS. Similaires aux oscillations en catalyse hétérogène, les oscillations de l'état d'oxydation du cérium dans la nanocerie peuvent être exploitées pour le développement d'antioxydants haute performance, extrêmement importants pour la protection cellulaire sous rayonnement de haute intensité (radiothérapie anticancéreuse, catastrophes nucléaires, etc.). Globalement, les idées suggérées dans l'article permettent d'initier une recherche rationnelle de nouveaux nanomatériaux qui peuvent être utilisés non seulement comme antioxydants efficaces, mais aussi comme matériaux catalytiques uniques dans divers domaines technologiques.

Méthodes

Méthodes de synthèse de la nanocerie

Synthèse colloïdale de nanocerie 3,0 et 10,0 nm

Des solutions aqueuses de nanoparticules de cérium ont été obtenues par la méthode suivante : une solution de CeCl₃ (100 ml, 2 mM) a été mélangée avec 100 ml de solution d'hexaméthylènetétramine (4 mM) et agitée par agitateur magnétique pendant 3 h à température ambiante. Ensuite, 1,8 ml de NH₄OH et 0,6 ml de H₂O₂ ont été ajoutés. La solution a été placée dans un ballon à fond rond et refluxée pendant 5 h. Des solutions transparentes incolores ont été obtenues. La solution a été évaporée dans un ballon d'évaporation rotatif sous vide à température de bain de 70 °C jusqu'à 30 ml. Une solution de NaCl 2 M a été ajoutée jusqu'à ce que la solution devienne trouble. La phase solide a été précipitée par centrifugation. Le précipité a été séparé, et la solution de chlorure de sodium a été à nouveau ajoutée. La procédure de nettoyage du précipité a été répétée trois fois. Après la dernière centrifugation, une solution de citrate de sodium avec rapport molaire CeO₂/NaCt de 1:1 a été ajoutée au précipité. La taille de la nanocerie obtenue à partir du mélange de chlorure de cérium(III) et d'hexaméthylènetétramine (HMTA) en rapport molaire 1:10 était ~10,0 nm. À l'augmentation supplémentaire de HMTA, la taille des nanoparticules obtenues diminue à ~3,0 nm. Les nanoparticules CeO₂₋ₓ ont été stabilisées par citrate de sodium avec rapport molaire 1:1. Les solutions ont été dialysées additionally pendant 24 h contre l'eau déionisée pour éliminer l'excès d'ions et d'espèces organiques. Une membrane de dialyse avec coupure de poids moléculaire « Cellu Sep H1 » 3,5 KDa a été utilisée. Tous les sols étaient transparents en lumière transmise et passaient à travers des filtres à membrane avec pores de 100 nm sans perte.

Synthèse sol-gel de nanocerie 50,0 nm

CeO₂₋ₓ, CeO₂:Eu³⁺/Y³⁺ (0,1-10 at.%) nanocristaux ont été obtenus par la méthode Pechini. L'oxyde de cérium (CeO₂) (99,995 %, Sigma-Aldrich) a été dissous dans un mélange d'acide nitrique (HNO₃) et de peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) (rapport volumique 1:1) à 60 °C. L'oxyde d'europium (Eu₂O₃) (99,999 %, Sigma-Aldrich) et l'oxyde d'yttrium (Y₂O₃) (99,999 %, Sigma-Aldrich) ont été dissous dans HNO₃ dilué à 80 °C. Une solution de 0,75 g d'acide citrique et 1 ml d'éthylène glycol a été ajoutée à 20 ml de solution de nitrate de cérium Ce(NO₃)₃ (C = 1 M) ou à 20 ml du mélange stœchiométrique de nitrate de cérium Ce(NO₃)₃ (C = 1 M) et nitrate d'europium Eu(NO₃)₃/nitrate d'yttrium Y(NO₃)₃ (C = 1 M). Tous les mélanges résultants ont été traités à 80 °C pendant 10 h puis hydrolysés par une solution aqueuse de NH₃ à 10 % massique. Les précipités ont été séchés à 120 °C pendant 5 h puis déshydratés à 250 °C pendant 4 h. Les nanocristaux ont été recuits pendant 2 h sous vide à 1000 °C. Après recuit, les nanoparticules ont été dispersées dans l'eau à une concentration de 1 g/L.

Techniques expérimentales

La photoluminescence de tous les types de nanocerie a été excitée par un laser He-Cd GKL-4UM à onde continue (λ~325 nm) et enregistrée en utilisant un monochromateur à réseau SDL-1 avec un PMT Hamamatsu R9110 en mode comptage de photons.

Immédiatement après l'ajout d'oxydant (peroxyde d'hydrogène ou periodate de potassium) aux solutions colloïdales aqueuses de nanocerie, l'évolution temporelle de l'intensité de luminescence Ce³⁺ (prise à 390 nm) a été déterminée par des mesures résolues en temps à excitation CW (laser He-Cd). Les concentrations de nanocerie dans les solutions aqueuses étaient similaires dans toutes les expériences et égales à 1 g/L. La concentration d'oxydant requise pour initier la réaction redox non-réversible Ce³⁺ → Ce⁴⁺ était de 0,1 mM ; les concentrations d'oxydants pour initier les réactions redox réversibles Ce³⁺ ↔ Ce⁴⁺ étaient de 1,0 mM pour H₂O₂ (HP) et KIO₄ (PP).

La dépendance temporelle de la valeur de pH pour les solutions colloïdales aqueuses de nanocerie après ajout d'oxydant a été mesurée à l'aide d'un pH-mètre. Comme oxydants HP (C = 0,1 mM) et PP (C = 0,1 mM) étaient utilisés, les valeurs de pH étaient enregistrées avec des intervalles de 1 s après l'ajout de portions d'oxydant aux solutions colloïdales. La dépendance temporelle du pH pour l'eau distillée après ajout d'oxydant a été prise comme témoin (pH initial de l'eau distillée identique à celui des solutions colloïdales de nanocerie (pH = 7)).

Toutes les expériences ont été réalisées à T = 37 °C.

Abréviations

HP :

Peroxyde d'hydrogène

PP :

Periodate de potassium

ROS :

Espèces réactives de l'oxygène

V_O :

Lacunes d'oxygène