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ナノテクノロジーの環境影響


先生によって Priyanka Battacharya

物理学の Priyanka Battachara、 Nano 生物物理学および柔らかい問題の実験室、部門および天文学、 Clemson 大学先生。
対応する著者: pbhatta@g.clemson.edu

目録

導入
水処理のための Nanomaterials
樹木状ポリマーの環境アプリケーション
進路
参照

導入

物質科学およびナノテクノロジーの最近の前進は nanomaterials の影響に環境および人間の健康の研究のための呼出しの原因となることを持っている開発の無数をもたらしました。 ここ十年間、そこにずっと nanomaterials の可能性としては不利な環境そして健康の影響上の心配を育てています。1 同時に、ナノテクノロジーは水質のフィールドの改良された環境の解決を、特に提供しました。2 環境問題は多次元分析および解決を必要とする多重現象の複雑なモザイクです。 物理学者が nanomaterials と生態系間の基本的で物理的な相互作用を理解することを試みると同時に私達は物理学、材料および物理化学の原則そして技術を使用してとそうすることのための複数の容易なスキームを開発しました。 この記事の焦点は私達の実験室が nanomaterials を使用して飲料水の治療のフィールドに作った主貢献です。

水処理のための Nanomaterials

世界的に、 11億人は安全な水の十分な量へのアクセスに欠けています。3 低価格で高いスループットの浄化された水の十分な供給は世界中に成長する挑戦です。 広い使用中の現在の浄水方法は環境に比較的高く、有害、非工業化された世界に適応可能ではない化学的に集中的な処置を用います。 Nanomaterial ベースの技術、吸着剤および触媒は小説、環境的に水処理のための温和な解決を作成できます。 nanomaterials が約束を -、および最終的に汚染物の汚染物質、処置および治療の感知および検出、汚染の防止示す 3 つの主要出願があります。 また Nanomaterials が膜分離プロセスを高めるのに使用されより大きい選択率およびより低いコストに導きます。 ただし、これらの技術の正常なアプリケーションは興味の汚染物のために nanoparticle の移動性 (NP)、反応の制御の高度を、理想的に、特定性必要とし。

特性を、再生および環境の沈殿上の低い検出限界汚す、未知の生態学的な効果、環境の安定性は高い費用および心配 nano ゼロ valent 鉄、二酸化チタンの nanoparticles、カーボン nanotubes およびゼオライトのような水処理のための多くの広く使われた nanomaterials の大規模のアプリケーションを、限定します。 樹木状ポリマーの統合のような高分子化学の前進は異なった有機性溶質および無機陰イオンを除去するために浄水のための有効なろ過プロセスを改善することおよび開発するために絶好の機会を提供しました。 hyperbranched 含み、 dendrigraft がポリマー、 dendrons および dendrimers 非常に総合的である樹木状ポリマー、 nanoscale は構造形、サイズおよび多重機能性による興味深く物理化学的な動作を表示する表面の機能性、 monodispersity、制御された構成およびアーキテクチャの高度のブランチしました。4

樹木状ポリマーの環境アプリケーション

樹木状ポリマーは 3 つの主要なコンポーネント - コア、内部の枝セルおよびターミナル枝セルから成っている ` のと nanoparticle」静かにみなされるかもしれません。 樹木状ポリマーのサイズは ` の中核 (図 1) から出る生成」 (G)、か枝の番号によって特徴付けられます。 Dendrimers に有毒な金属イオン、放射性核種、無機陰イオン、有機性溶質および多環式の芳香族炭化水素のための高い催す容量があります (PAHs)。5,6 さらに、樹木状ポリマーの pH 依存した amphiphilic 特性はそれらが水様および有機性解決およびオイル水インターフェイスのような多様な環境のさまざまな化学種を捕獲するようにし次に pH をそのままで変更することによって集中的で、高い再生に依頼しないでこれらの化学種を制御された方法で解放します。


図 1. アミノおよび amidoethanol の表面のグループとの世代別 0 (G0) および世代別 2 (G2) polyamidoamine (PAMAM) の dendrimers の模範的な構造。 シグマ Aldrich の画像礼儀。

dendrimers の次の一義的で物理化学的な特性はそれらを水処理のための機能材料として特に魅力的にさせます。

1. 容量および recyclability を催すこと

ほぼ明示されている分子構成との monodisperse の nanoscale の (サイズは 1-20 nm の間で及びます) dendrimers の統合の柔軟性の高度、サイズおよび形、可変的な functionalization および疎水性キャビティは適用範囲が広く堅い足場とのそれらをできます。 Dendrimers に球状形のために同じモルの大容量が付いている線形ポリマーより大いに小さく本質的な粘着性があります。4 それらにまた同じ大容量のバルク粒子より多くの大きい表面積があります。 従って、操作が高圧の (RO)必要とする逆浸透および nanofiltration の膜とは違って、 dendrimer 高められた限外濾過の (UF)膜を低圧 (200-700 kPa) で作動させ、分解された有機性および無機化合物 of3 の kDa しか除去なできる非修飾 UF の膜とは違う低速および高分子量の両方汚染物を、捕獲できます。 さらに樹木状ポリマーが存在に統合されますことが、商業 UF の膜分離プロセス示されました。7,8

証拠の概念の調査では、私達のグループは trifunctional G4-tris PAMAM の dendrimer が環境の検索能力の主要な化学種の方の例外的で、選択的な催す容量を表示すること、即ち - 64 カチオンの銅を示しました (pH 10 の pH 7 (図 2) の疎水性相互作用による pH 2 および 10 PAH のフェナントレンの分子の静電気の相互作用 (NO)3-による 32 の陰イオンの硝酸塩イオンの配位子に金属の料金転送 (LMCT の) (PN) 複雑な形成による dendrimer ごとの Cu (II)) イオン。9 pH が 10. に上がった時イオンが解放されない間、 pH、下がった時非常に、 PN および Cu3- 2 に (II) は dendrimer の内部から解放されました。


多生成 1 の図 2. (a) 構造 (amidoamine) - tris の (hydroxymethyl) amidomethane の dendrimer (Tris-dendrimer)、現在の調査で使用される生成 4 Tris-dendrimer のブロック。 赤: 酸素; 緑: 二次アミン; 青: 第三アミン。 (b) 別の PH. の dendrimer 引きつけられる化学種のスキーム。9

さらに、私達は PAMAM の dendrimers を使用して分解されたフミン酸の (HA)効率的な取り外しを示しました。10 HA は何人かの陰イオンの化学グループから成っている非常に複雑な分子です。 PAMAM の dendrimers の表面の機能性の高度はそれらがそのような複雑な分子種の吸着の 「nanosponge として」動作するようにしました。 この方法への本部は複雑な形成で中立 PH. でカチオンの dendrimers と陰イオン HA 間の静電気の相互作用に起因します。 PAMAM の dendrimers によって示された倍は一度 HA の料金の中和のための広く使われた重合体の吸着剤の容量達されました。 ただし、追加 dendrimers のローディングは静電気の拒絶によって総計を再安定させ、再停止しました。

私達はまた選択式に Cu を検出するために金の nanowire (Au NW) の表面のプラズモン共鳴に基づいて新しい光学スキームを開発しました (II) 静電気的に Au NW 基板で固定する PAMAM の dendrimers による nM の範囲への水溶液で。11 そのような検出限界は金属イオン検出のための広く使われた分析的なスキームの中ではるかに最も低くそして最も実行可能です。

なお、私達はこれらの柔らかさ、環境的に水様の環境からの有害性がある排出された nanoparticles を軽減するための温和な nanomaterials を特徴付けました。 ここに fullerenols はモデル nanomaterial として使用され、 2 生成、 G1 および G4 の dendrimers の相互作用は分光測光および熱力学方法を使用して調査されました。 具体的には、私達はイオンの結合によって dendrimer ごとの 2 つの一次アミンと (G1 および G4 両方) 区切られた各 fullerenol および水素の結合によって促進された相互クラスタ相互作用および疎水性相互作用による大きい総計の形成が明白だったことが分りました (図 3)。 おそらく、そのような相互クラスタ形成は fullerenol に dendrimer のモルの比率を合わせることによって制御することができます。 さらに、 dendrimer-fullerenol アセンブリ最高で搭載能力の形成は精力的に好ましく熱力学的に自発。12 dendrimer-fullerenol の複合体間のそのような相互クラスタ相互作用は環境の nanomaterials の偶発的流出を軽減するために好ましい考えられます; ただしそれらは - 血流および終局のセル通風管の拡散に照し合わせて… dendrimer によってフラーレンの派生物の薬剤配達のために最小化されるべきです。 この調査に基づいて、私達は薬剤配達 (沈殿物の下の範囲) のための 0.005-0.02 の G4/fullerenol のローディングの比率、および環境治療のための 0.02 の上のの G4/fullerenol のローディングの比率を推薦します。 なお、 nanomedicinal および環境アプリケーション両方のために、この調査のスコープは反対の料金のブランチされた/hyperbranched ポリマーそして nanoparticles のそれに拡張されるかもしれません。


G4-PAMAM の dendrimer (赤い) および fullerenols (銀) の自己アセンブリの図 3. 実例。 dendrimer の一次アミンは blue.12 で明記されます

一緒に取られて、これらは示されるの上で実験室スケール PAMAM の dendrimers がさまざまな化学種および環境の汚染物質のためのエネルギーが完了にプロセスを運転するように要求する RO のような他の慣習的な浄水プロシージャより自発の吸着プロセスをもっと熱力学的に可能にすることを調査します。 PAMAM の dendrimers のそのような特性は水処理装置の次世代に訴えるべきです。

2. Biocompatibility

Dendrimer 関連の毒性は G7 のためにだけより大きい、最小限にただそれから観察され。13 DNA のトランスフェクションのための dendrimers、 MRI のための金属イオン対照のエージェントのキャリアの使用の複数の調査は、薬剤および治療上のエージェント配達手段を目標とし、ウイルスの抑制剤はことを G5 の hyperbranched ポリマーそして PAMAM の dendrimers 提案しましたり以下に無毒、生物分解性です。14,15 さらに、 dendrimers は有害性がある副産物を置き去りにしません。

3. Degradability

PAMAM の dendrimers は 5°C で記憶の 3 年目でだけ測定可能な劣化、および周囲温度でレトロミハエル反作用に基づいて ~6-9 か月の保存性を、示します。 非常に長い寿命は水処理の方法のための樹木状ポリマーの安定性そして有効性を保障します。 なお、酵素 degradable 結束 (PAMAM の例えば、アミド) の付加は細胞内か細胞外の加水分解の酵素が 1 つの内のポリマー鎖を壊すことができることそのような物使用することができます。 この特性は使用水量の間に樹木状ポリマーの偶然の通風管に関連するようになることができます。 dendrimer の劣化のための第 3 メカニズムはポリマーのエステル結束で機能する水加水分解によって行います。 そのようなメカニズムが選択式に樹木状ポリマーを破壊するのに掲示します水処理の使用法を利用されるかもしれません。

従って、高く、多目的な催す容量、エネルギー効率、 regenerability、選択率、 biocompatibility および環境的に温和な性質は樹木状ポリマーに環境アプリケーションのための好ましい nanomaterial を作ります。 従ってそれは環境治療のための樹木状ポリマーの物理化学的な動作を開発するための私達の努力です。

進路

私達は環境治療のための樹木状ポリマーのスコープを拡張するための作戦を開発しています。 私達の最近の調査の 1 つはこれらの樹木状ポリマーの機能をこぼされたオイル、16石油産業の沖合い操作と関連付けられた巨大な環境に危険をもたらすものを分散させる探索しました。 精力的に、包囲された水 pH のこれらのポリマーの疎水性内部は疎水性オイルの分子の十分なスペースを仕切るために提供します。

地表の 70% に水によって覆われる間、それの約 3% だけが人間の消費のために使用できます。 、発展途上国でより悪い、病気の 80% は関連する水です。 飲料水の処置のためにナノテクノロジーを使用することへきれいな飲料水を、規定し、大衆の受容は提供することの驚くほどの挑戦へ技術的な解決を提供することに加えて確立されなければなりません。 さらに、これらの nanomaterials の危険そして利点の循環期間の査定は重大に必要です。


参照

  1. Colvin、 V.L。 設計された nanomaterials の潜在的な環境影響。 ネットワークアドレス交換。 Biotechnol。 2003 年21 1166-1170。
  2. 野蛮人、 N. および Diallo、 M.S. Nanomaterials および浄水: 機会および挑戦。 J. Nanopart。 Res. 2005 年7、 331-342。
  3. 無経験、 T. および Reinders、 L.T。 世界の健康のレポート 2007 年: より安全な未来: 21 世紀の全体的な公衆衛生の機密保護。 世界保健機構2007 年、 1-96。
  4. Frechet、 J.M.J。; Tomalia、 D.A. Dendrimers および Dendrtitic 他のポリマー。 ポリマー科学のワイリーシリーズ; ワイリー: チチェスター、イギリス 2001 年; pp. 648。
  5. Ottaviani、 M.F.; Favuzza、 P.; Bigazzi、 M.; Turro、ニュージャージー; Jockusch、 S.; Tomalia、 D.A。 Starburst の dendrimers および liposomes へのウラニルイオンの競争の結合の TEM および EPR の調査: ウラニルイオンスポンジとして dendrimers の潜在的な使用。 Langmuir 2000 年16、 7368-7372。
  6. ラード、 M.; 金、 S.H.; 林、 S.; Bhattacharya、 P.; Ke、 P.C.; Lamm のフェナントレンと PAMAM の dendrimers 間の M.H. Fluorescence の共鳴エネルギーの転送。 Phys。 Chem。 Chem。 Phys。 2010 年12、 9285-9291。
  7. Diallo の dendrimer による M.S. の水処理はろ過を高めました。 米国は 2008 年11/182,314、 1-40 の特許を取ります
  8. Halford、 B. Dendrimers はブランチします。 化学薬品および工学ニュース 2005 年83、 30-36。
  9. 陳、 P.; ヤン、 Y.; Bhattacharya、 P.; Wang、 P.; Ke、 P.C。 多様な化学種を催すための tris-dendrimer。 J. Phys。 Chem。 C 2011 年115、 12789-12796。
  10. Bhattacharya、 P.; Conroy、 N.; Rao、 AM; パウエル、 B.; Ladner、 D.A.; Ke の有機物の foulant の RSC の ADV 軽減するための P.C. PAMAM の dendrimer 2012 年2、 7997-8001。
  11. Bhattacharya、 P.; 陳、 P.; Spano、 M.N.; 朱、 L.; Ke の dendrimer および金の nanowire 誘発の表面のプラズモン共鳴を利用する P.C. Copper の検出。 J. Appl。 Phys。 2011 年109、 014911-1-6。
  12. Bhattacharya、 P.; 金、 S.H.; 陳、 P.; 陳、 R.; Spuches、 AM; ブラウン、 J.M.; Lamm、 M.H.; Ke、 nanoassembly ソフト凝縮する P.C. Dendrimer-fullerenol。 J. Phys。 Chem。 C 2012 年116、 15775-15781。
  13. リー、 C.C.; MacKay、 J.A.; Frechet、 J.M.J。; Szoka の生物的アプリケーションのための F.C. Designing の dendrimers。 ネットワークアドレス交換。 バイオテクノロジー。 2005 年、 23 1517-1526。
  14. Mortimer、 M.; Kasemets、 K.; Heinlaan、 M.; Kurvet、 I.; Kahru の A. High スループット nanoparticles の毒作用の調査のための運動ビブリオの fischeri の bioluminescence の阻止試金。 毒物学生体外で 2008 年22 1412-1417。
  15. 独特の味、 M.X.; Redemann、 C.T.; Szoka の F.C. の低下させた polyamidoamine の dendrimers による生体外の遺伝子配達。 Bioconjugate Chem。 1996 年7、 703-714。
  16. Geitner、 N.K.; Bhattacharya、 P.; Steele、 M.; Ladner、 D.A.; Ke の P.C. Understanding のオイルの分散のための樹木状のポリマー炭化水素の相互作用。 RSC の ADV。 2012 年の先発の記事 (DOI: 10.1039/C2RA21602G)。


Date Added: Sep 20, 2012 | Updated: Sep 21, 2012

Last Update: 21. September 2012 05:19

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