SUPERVISOR
محمد حسین نصر اصفهانی (استاد مشاور) حسین فرخ پور (استاد راهنما) حسن حداد زاده (استاد راهنما) سیده زهره میر احمدی زارع (استاد راهنما)
STUDENT
Farid Hajareh Haghighi
فرید حجاره حقیقی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Synthesis of hybrid copper and gold nanoparticles using pulsed-laser ablation method and study of their antibacterial and anticancer activities; the application of magnetite–gold nanocomposite in detection and collection of HL-60 cancer cells
In the first research, the pulsed-laser ablation (PLA) method was used as a facile and green approach to prepare oxide-free copper nanoparticles (Cu ), and was performed by laser ablation of a copper target in aqueous solutions of DNA bases (adenine, cytosine, and thymine). The structural analyses reveal that the in situ adsorption of the cytosine and thymine molecules on the surface of Cu , although improving the stability of the colloids, cannot prevent the interaction of Cu with the dissolved oxygen. However, the nanoparticles obtained in the aqueous solution of adenine are free from an oxide layer, indicating the high stabilizing effect of adenine molecules on the copper nanoparticles. FT-IR spectroscopy was used to study the mode of interaction of the DNA bases with the Cu . Our results show that the participation of the nitrogen atoms of the DNA bases in the coordination to the Cu surface has a significant effect on the stabilization of the Cu . In the case of adenine, the FT-IR spectra reveal that the excellent stabilizing effect originates from the ability of adenine to protect the laser-generated Cu through its –NH2 group and imidazole nitrogen atoms. Thymine has no such nitrogen atoms and the NH2 group of cytosine cannot significantly participate in the coordination to the Cu surface. To the best of our knowledge, this is the first report on the preparation of oxide-free copper nanoparticles by the laser ablation of bulk copper in aqueous solutions containing small neutral biomolecules. The synthesized Cu /adenine shows effective antibacterial activity against Gram-negative Escherichia coli and Gram-positive Staphylococcus aureus. In the second research, a stable colloidal solution of gold nanoparticle–3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA) zwitterion conjugates (Au NP–z-DOPA) was prepared using nanosecond-laser ablation of a gold target in an aqueous solution of zwitterionic DOPA (z-DOPA). The produced Au NP–z-DOPA conjugates were characterized by spectroscopic methods and transmission electron microscopy. The spectroscopic data revealed that the Au strongly interact with z-DOPA, which lead to a significant change in the electronic structure of z-DOPA. The results showed that the adsorbed z-DOPA is highly stable against the oxidation in the aqueous solution for a long period of time (at least two weeks), indicating a significant stabilizing e?ect of the Au surface on this zwitterion. To obtain more insight into the interaction of DOPA with the surface of Au , the electronic structures and geometries of z-DOPA and the other forms of DOPA (including uncharged (u-DOPA), cationic (c-DOPA), and anionic (a-DOPA) forms) adsorbed on the Au(111) nanosurface were determined using the ONIOM calculations. The geometry and electronic structure of each DOPA form are significantly affected by the surface upon the adsorption process. The analysis of the frontier orbitals confirmed the significant stabilizing effect of the Au on z-DOPA. In addition, the calculations are consistent with the variations observed in the recorded absorption spectra of the z-DOPA due to its interaction with the Au . One of the important findings of our calculations is that the Au nanosurface does not necessarily have a stabilizing effect on all DOPA forms. Finally, the in vitro cytotoxicity of the free z-DOPA and the Au NP–z-DOPA conjugates against the Jurkat T-cells was evaluated using an MTT assay. In comparison to the free z-DOPA with an IC50 165 ?g/mL, the Au NP–z-DOPA conjugates (containing only 0.6 ?g/mL adsorbed z-DOPA) exhibit a potent anticancer activity against the Jurkat T-cells with an IC50 value of 8.3 ± 2 ?g/mL. In the third research, a ?uorescent-superparamagnetic nanocomposite was prepared by decoration of silica-coated Fe3O4 nanoparticles with highly ?uorescent gold nanoparticles (Au ). The nanocomposite was embedded in a poly(ethylene glycol)-diacrylate (PEG-DA) layer. The outer polyethylene glycol layer not only e?ectively enhanced the stability of the nanocomposite but also provided a convenient and versatile functional groups to readily conjugate KH1C12 aptamer onto the nanocomposite to get cell accessibility. The nanocomposite was fully characterized by different spectroscopic techniques, including X-ray di?raction, energy dispersive analysis using X-rays, transmission electron microscopy, ?eld-emission scanning electron microscopy, and magnetic measurements. The nanocomposite was successfully used for specific recognition and magnetic removal of HL-60 cells from a homogeneous mixture of HL-60 and K562 cells.
در بخش اول این رساله، تولید نانوذرات مس با روش سایش لیزری سطح مس در محلول های آبی بازهای DNA (آدنین، سیتوزین و تیمین) مورد بررسی قرار گرفت. برهمکنش میان بازهای DNA و نانوذرات مس تولید شده با روش های طیف سنجی مطالعه شد. نتایج این بررسی نشان دادند که حضور مولکول های سیتوزین و تیمین بر روی سطح نانوذرات مس، مانع از اکسایش سطح نانوذرات تولید شده نمی شود. هر چند، حضور این دو گونه در محلول، فرآیند اکسایش سطح را کنترل می کند و منجر به تولید نانوذرات پایدار Cu@Cu 2 O می شود. بر طبق نتایج بدست آمده، نانوذرات تولید شده در محلول آدنین فلزی هستند که نشان دهنده اثر پایدارکنندگی بالای مولکول آدنین در مقابل اکسایش سطحی است. بر مبنای بررسی های ساختاری، می توان نتیجه گرفت که قدرت پایدارکنندگی بازهای DNA در مقابل اکسایش به ترتیب آدنین سیتوزین تیمین است. همچنین، برای تایید پوشش سطح نانوذرات با بازهای DNA و بررسی اثر تابش لیزر بر ساختار بازهای DNA، از طیف سنجی FT-IR استفاده شد. در ادامه، فعالیت ضد باکتری نانوذرات مس پوشش داده شد با آدنین بر روی باکتری های اشرشیا کلی و استافیلوکوکوس اورئوس مورد بررسی قرار گرفت. نانوذرات مس پوشش داده شده با آدنین فعالیت ضد باکتری موثری را نسبت به این دو باکتری از خود نشان می دهند. در بخش دوم این رساله، روش سایش لیزری برای تولید نانوذرات طلا پوشش داده شده با فرم زوج یون داروی ?،?- دی هیدروکسی فنیل آلانین (z-DOPA) مورد استفاده قرار گرفت. برهمکنش دارو با نانوذرات طلا با روش های طیف سنجی بررسی شد. نتایج نشان دادند که مولکول های z-DOPA برهمکنش قوی با سطح نانوذرات تولید شده دارند و این برهمکنش موجب تغییر قابل توجه در ساختار الکترونی z-DOPA می شود. همچنین، مولکول های z-DOPA جذب شده بر روی سطح نانوذرات، پایداری بالایی در مقابل اکسایش در محلول آبی از خود نشان می دهند که نشان دهنده اثر پایدارکنندگی بالای نانوذرات طلا بر روی سطوح الکترونی z-DOPA است. به منظور بررسی بیشتر برهمکنش DOPA با نانوذرات طلا، ساختارهای الکترونی و هندسی فرم های مختلف دارو (شامل فرم های خنثی (u-DOPA)، کاتیونی (c-DOPA)، زوج یون (z-DOPA) و آنیونی (a-DOPA)) جذب شده بر روی نانوسطح طلا(111) با استفاده از شیمی محاسباتی مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج محاسبات نشان دادند که ساختارهای الکترونی و هندسی هر یک از فرم های دارو در نتیجه فرآیند جذب بر روی سطح طلا تغییر قابل ملاحظه ای می کنند. بررسی اوربیتال های مولکولی پیشانی، اثر پایدارکنندگی نانوذرات طلا را بر روی ساختار الکترونی فرم z-DOPA تایید می کند. همچنین، تغییرات به وجود آمده در طیف های الکترونی z-DOPA (در نتیجه پیوند به سطح نانوذرات) با نتایج محاسبات سازگاری کامل دارند. در پایان، سمیت سلولی z-DOPA و نانوذرات طلا پوشش داده شده با z-DOPA (Au NP–z-DOPA) بر روی سلول های سرطانی Jurkat T مورد مطالعه قرار گرفت. در مقایسه با داروی آزاد با مقدار IC 50 g/mL µ 165، ترکیب Au NP–z-DOPA (حاوی مقدارg/mL µ 6/0 z-DOPA جذب شده) اثر سمیت سلولی بسیار بالایی بر روی سلول های سرطانی Jurkat T با مقدار IC 50 g/mL µ 2 ± 3/8 نشان می دهد. در بخش سوم این رساله، سنتز یک نانوکامپوزیت تشکیل شده از نانوذرات مگنتیت پیوند شده به نانوذرات طلا مورد بررسی قرار گرفت. سطح این نانوکامپویت با ترکیب پلی(اتیلن گلیکول)- دی اکریلات پوشانده شد. این لایه پلیمری باعث افزایش پایداری و آب دوستی نانوکامپوزیتمی شود. با استفاده از این پوشش سطحی، امکان عامل دار کردن سطح نانوکامپوزیت با آپتامر KH1C12 فراهم می شود. این آپتامر برای شناسایی گیرنده های سطحی سلول های سرطانی HL-60 اختصاصی شده است. ساختار و شکل نانوکامپوزیت با روش های گوناگون بررسی شد. این نانوکامپوزیت می تواند سلول های سرطانی HL-60 را از مخلوط سلولی شامل سلول های HL-60 و K562 جداسازی کند.