Состояние ионов Gd(III), Fe(III) в растворе оксида графена по данным ЯМР-релаксации

В работе исследовано взаимодействие катионов Fe(III) и Gd(III) с оксидом графена (ОГ). Цель работы - установление закономерностей взаимодействия оксида графена с ионами Fe(III) и Gd(III) в водных растворах, включая определение условий достижения образуемыми комплексами высокой релаксационной эффективности, количественная характеризация сорбционной способности ОГ в воде и растворах конкурирующих ионов, выявление типов функциональных групп ОГ, участвующих в связывании с катионами. Научная новизна работы состоит в том, что впервые: - метод ЯМР-релаксации на протонах воды с Gd(III) и Fe(III) в качестве парамагнитных зондов применен для количественной оценки связывания катионов металла с поверхностью оксида графена, установлено наличие мест высокорелаксивного (прочного) и низкорелаксивного (слабого) связывания катион/ОГ; - показана взаимосвязь между ассоциацией листов оксида графена и многократным увеличением релаксивности его растворов в присутствии ионов Gd(III) и Fe(III); - установлен характер замещения связанных с ОГ ионов Gd(III) и Fe(III) конкурирующими одно-, двух- и трехзарядными диамагнитными катионами; - проанализировано распределение ионов Gd(III) и Fe(III) между водой и оксидом графена, определены условия десорбции катионов металлов из ОГ; - по данным изучения растворов комплексов Fe(III) с низко- и высокомолекулярными модельными лигандами определены преимущественные типы функциональных групп ОГ, участвующих в связывании ионов металлов. Практическая значимость работы: - результаты исследования могут быть полезны при разработке способов концентрирования и разделения целевых катионов металлов с применением сорбентов или мембран на основе оксида графена; - выявленные закономерности связывания Gd(III) и Fe(III) с ОГ могут быть использованы при разработке новых функциональных материалов (полимерных пленок, сенсоров или полиэлектролитных нанокапсул как средств адресной доставки или зондов для биомедицинских исследований). Методология и методы исследования. В работе получил развитие подход к изучению взаимодействий Gd(III) и Fe(III) с нанообъектами в растворах методом ЯМР-релаксации с использованием значений релаксивности в качестве критерия размерности комплекса, что позволяет делать обоснованные выводы о характере состояния его в растворе. Количественная характеризация связывания ионов металлов с ОГ, включая конкурентные реакции замещения, проведена по данным анализа ЯМР-релаксометрических данных, а также по результатам аналитического определения катионов в надосадковых растворах, отделенных от ОГ после центрифугирования. Типы функциональных групп ОГ, участвующих в связывании ионами Fe(III) определяли по данным СФ-метрического и ЯМР-релаксационного изучения растворов комплексов с низко- и высокомолекулярными модельными лигандами. Оксид графена охарактеризован методами УФ-, ИК-спектроскопии, термогравиметрии, рН-метрии, просвечивающей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии.