Люминесцентная динамика кислородного окисления Viburnum opulus L. в растворах хитозана с наночастицами золота

Введение. Представлены результаты исследования люминесцентной динамики комбинированных водноспиртовых растворов экстрактов плодов калины красной (Viburnum opulus L.) с хитозаном и наночастицами золота при разных концентрациях кислорода. Поиск природных источников фотосенсибилизаторов является актуальной задачей. Для решения данной задачи используются чувствительные аналитические методы, например люминесцентные, с усилением аналитического сигнала в результате генерации плазмонов в наночастицах благородных металлов. Дополнительные исследования в условиях генерации плазмонной энергии показали существенные изменения в динамике оптических спектров при вариации концентрации кислорода в растворах. Спектрально-временная динамика исследована при полном окислении витамина С в изучаемой системе. Метод. Основным методом регистрации динамики взаимодействия флавоноидов Viburnum opulus L. с молекулами кислорода выбран люминесцентный метод. Спектры люминесценции измерены на установке Fluorolog-3 (Horiba, Япония). Применены методы абсорбционного анализа на спектрофотометре (Shimadzu, Япония). Время жизни люминесценции экстрактов Viburnum opulus L. в наносекундном диапазоне измерено в режиме многоканального счета фотонов с использованием пикосекундного диода NanoLED-405L на спектральной установке Fluorolog-3. Выполнена регистрация времени жизни исследуемых экстрактов в микросекундном диапазоне при возбуждении импульсной ксеноновой лампой. Синтез наночастиц золота проведен методом лазерной абляции металлической пластины золота в дистиллированной воде. Лазерная абляция выполнена на установке LQ929 (Solar Laser System, Республика Беларусь). Основные результаты. Обнаружен плазмонный эффект усиления оптической плотности поглощения и интенсивности люминесценции. Изучена кинетика тушения люминесценции экстракта плодов Viburnum opulus L. с хитозаном под влиянием наночастиц золота, близкая к диффузионной. Спектрально определена концентрация кислорода, при которой происходит окисление флавоноидов экстракта. В условиях изменения концентрации кислорода установлены зависимости изменения интенсивности люминесценции экстракта с хитозаном на длинах волн регистрации спектров люминесценции. При допировании кислорода во все растворы обнаружены и исследованы спектральные и кинетические особенности затухания люминесценции с максимумами на длинах волн 480 нм и 580 нм. Установлено, что время жизни люминесценции на длине волны регистрации 480 нм изменяется в зависимости от концентраций наночастиц золота и молекул кислорода и находится в наносекундной области спектра (3–4 нс). Показано, что люминесценция на длине волны 580 нм обусловлена окисленной формой кверцетина, входящего в состав флавоноидов Viburnum opulus L., возникшей при высоких концентрациях кислорода. Зарегистрирована долговременная хемилюминесценция на длине волны 580 нм с длительностью 15 мкс как результат радикальных процессов с участием молекулярного кислорода и молекул экстракта. Обсуждение. Представленные в работе спектральные методы, а также способ определения кверцетина в результате кислородного окисления флавоноидов Viburnum opulus L. могут быть использованы в областях биофизики, биотехнологий и химического анализа.

1. Makhadmeh G.N., Abuelsamen A., Al-Akhras M-A.H., Aziz A.A. Silica nanoparticles encapsulated cichorium pumilum as a promising photosensitizer for osteosarcoma photodynamic therapy: In-vitro study // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 2022. V. 38. P. 102801. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2022.102801

2. Chiode M.M.M., Colonello G.P., Kabadayan F., Silva J.D.S., Suffredini I.B., Saraceni C.H.C. Plant extract incorporated into glass ionomer cement as a photosensitizing agent for antimicrobial photodynamic therapy on Streptococcus mutans // Photodiagnosis and Photodynamic Therapy. 2022. V. 38. P. 102788. https://doi.org/10.1016/j.pdpdt.2022.102788

3. Sarker M.A.R., Ahn Y.-H. Strategic insight into enhanced photocatalytic remediation of pharmaceutical contaminants using spherical CdO nanoparticles in visible light region // Chemosphere. 2023. V. 311. Part 1. P. 137040. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.137040

4. Huang W.H., Zhang Q.W., Yuan C.S., Wang C.Z., Li S.P., Zhou H.H. Chemical constituents of the plants from the genus Oplopanax // Chemistry & Biodiversity. 2014. V. 11. N 2. P. 181–196. https://doi.org/10.1002/cbdv.201200306

5. Zakłos-Szyda M., Pawlik N. The influence of viburnum opulus polyphenolic compounds on metabolic activity and migration of hela and mcf cells // Acta Innovations. 2019. V. 31. P. 33–42. https://doi.org/10.32933/ActaInnovations.31.4

6. Bina F., Soleymani S., Toliat T., Hajimahmoodi M., Tabarrai M., Abdollahi M., Rahimi R. Plant-derived medicines for treatment of endometriosis: A comprehensive review of molecular mechanisms // Pharmacological Research. 2019. V. 139. P. 76–90. https://doi.org/10.1016/j.phrs.2018.11.008

7. Ozkan G., Kostka T., Dräger G., Capanoglu E., Esatbeyoglu T. Bioaccessibility and transepithelial transportation of cranberrybush (Viburnum Opulus) phenolics: Effects of non-thermal processing and food matrix // Food Chemistry. 2022. V. 380. P. 132036. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.132036

8. Kajszczak D., Zakłos-Szyda M., Podsędek A. Viburnum Opulus L.—A review of phytochemistry and biological effects // Nutrients. 2020. V. 12. N 11. P. 3398. https://doi.org/10.3390/nu12113398

9. Khalaf M.Z., Hassan B.H., Shbar A.K., Naher F.H., Salman A.H., Jabo N.F. Current status of population density of mediterranean fruit fly (Ceratitis Capitata) in fruit orchards in Central Iraq // Journal of Agricultural Science and Technology. 2011. P. 773–777.

10. Saltan G., Süntar I., Ozbilgin S., Ilhan M., Demirel M.A., Oz B.E., Keleş H., Akkol E.K. Viburnum opulus L.: A remedy for the treatment of endometriosis demonstrated by rat model of surgically-induced endometriosis // Journal of Ethnopharmacology. 2016. V. 193. P. 450– 455. https://doi.org/10.1016/j.jep.2016.09.029

11. Петрова И.Б., Жогова А.А., Черкашин А.В., Эллер К.И., Раменская Г.В., Самылина И.А. Биологически активные вещества плодов калины обыкновенной // Химико-фармацевтический журнал. 2014. Т. 48. № 5. С. 32–39.

12. Qiu S., Zhou S., Tan Y., Feng J., Bai Y., He J., Cao H., Che Q., Guo J., Su Z. Biodegradation and prospect of polysaccharide from crustaceans // Marine Drugs. 2022. V. 20. N 5. P. 310. https://doi.org/10.3390/md20050310

13. Skryabin K.G., Mikhailova S.N. Chitosan: Collection of articles // Nuclear Physics. 2013. V. 13. P. 104–116.

14. Shi Z., Neoh K.G., Kang E.T., Wang W. Antibacterial and Mechanical properties of bone cement impregnated with chitosan nanoparticles // Biomaterials. 2006. V. 27. N 11. P. 2440–2449. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.11.036

15. Fernandes J.C., Tavaria F.K., Soares J.C., Ramos Ó.S., João Monteiro M., Pintado M.E., Xavier Malcata F. Antimicrobial effects of chitosans and chitooligosaccharides, upon Staphylococcus aureus and Escherichia coli, in food model systems // Food Microbiology. 2008. V. 25. N 7. P. 922–928. https://doi.org/10.1016/j.fm.2008.05.003

16. Дыдыкина В.Н., Ерёмина Ю.Д, Корягин А.С., Смирнов В.П., Смирнова Л.А. Влияние наноструктурированных систем «хитозан-наночастицы золота», «Хитозан-пчелиный яд-наночастицы золота» на структуру и массу опухоли, перекисное окисление липидов и функциональное состояние крыс с опухолью РС-1 // Медицинский альманах. 2016. № 2(42). С. 133–137.

17. Tyukova I.S., Safronov A.P., Kotel’nikova A.P., Agalakova D.Y. Electrostatic and steric mechanisms of iron oxide nanoparticle sol stabilization by chitosan // Polymer Science Series A. 2014. V. 56. N 4. P. 498–504. https://doi.org/10.1134/S0965545X14040178

18. Абилова Г.К., Махаева Д.Н., Ирмухаметова Г.С., Хуторян ский В.В. Гидрогели на основе хитозана и их применение в медицине // Вестник Казахского национального университета. Серия химическая. 2020. Т. 97. № 2. С. 16–28. https://doi.org/10.15328/cb1100

19. Iordansky A.L., Rogovina S.Z., Kosenko R.Y., Ivantsova E.L., Prut E.V. Development of a biodegradable polyhydroxybutyratechitosan-rifampicin composition for controlled transport of biologically active compounds // Doklady Physical Chemistry. 2010. V. 431. N 2. P. 60–62. https://doi.org/10.1134/S0012501610040020

20. Агабеков В., Куликовская В., Гилевская К., Дубатовка Е. Нано- и микроконтейнеры для доставки биологически активных веществ // Наука и инновации. 2017. № 4. С. 16–19.

21. Полюдова Т.В., Шагдарова Б.Ц., Коробов В.П., Варламов В.П. Бактериальная адгезия и образование биопленок в присутствии хитозана и его производных // Микробиология. 2019. Т. 88. № 2. С. 129–136. https://doi.org/10.1134/s0026365619020083

22. Ahmad N., Muhammad J., Khan K., Ali W., Fazal H., Ali M., Rahman L., Khan H., Uddin M.N., Abbasi B.H., Hano C. Silver and gold nanoparticles induced differential antimicrobial potential in calli cultures of Prunella vulgaris // BMC Chemistry. 2022. V. 16. P. 20. https://doi.org/10.1186/s13065-022-00816-y

23. Dykman L., Khlebtsov N. Gold nanoparticles in biomedical applications: recent advances and perspectives // Chemical Society Reviews. 2012. V. 41. N 6. P. 2256–2282. https://doi.org/10.1039/c1cs15166e

24. Гладкова Е.В., Бабушкина И.В., Белова С.В., Мамонова И.А., Карякина Е.В., Конюченко Е.А. Возможности использования хитозана и наночастиц металлов в регенерации экспериментальных ран // Фундаментальные исследования. 2013. № 7-3. С. 530– 533.

25. Rakhmetova A.A., Bogoslovskaya O.A., Olkhovskaya I.P., Zhigach A.N., Ilyina A.V., Varlamov V.P., Gluschenko N.N. Concomitant action of organic and inorganic nanoparticles in wound healing and antibacterial resistance: Chitosan and copper nanoparticles in an ointment as an example // Nanotechnologies in Russia. 2015. V. 10. N 1-2. P. 149–157. https://doi.org/10.1134/s1995078015010164

26. Pérez-Díaz M.A., Prado-Prone G., Díaz-Ballesteros A., GonzálezTorres M., Silva-Bermudez P., Sánchez-Sánchez R. Nanoparticle and nanomaterial involvement during the wound healing process: an update in the field // Journal of Nanoparticle Research. 2023. V. 25. P. 27. https://doi.org/10.1007/s11051-023-05675-9

27. Rubina M.S., Elmanovich I.V., Shulenina A.V., Peters G.S., Svetogorov R.D., Egorov A.A., Naumkin A.V., Vasil’kov A.Y. Chitosan aerogel containing silver nanoparticles: from metal-chitosan powder to porous material // Polymer Testing. 2020. V. 86. P. 106481. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2020.106481

28. Раик С.В., Гасилова Е.Р., Добродумов А.В., Скорик Ю.А. Изучение структуры и физико-химических свойств продуктов взаимодействия хитозана и N-(2-хлорэтил)-N,N-диэтиламина // Известия Уфимского научного центра РАН. 2018. № 3(2). С. 75– 79. https://doi.org/10.31040/2222-8349-2018-2-3-75-79

29. Özdemir S., Karaküçük A., Çakırlı E., Sürücü B., Üner B., Barak T.H., Bardakçı H. Development and characterization of Viburnum opulus l. extract-loaded orodispersible films: potential route of administration for phytochemicals // Journal of Pharmaceutical Innovation. 2023. V. 18. N 1. P. 90–101. https://doi.org/10.1007/s12247-022-09627-z

30. Popletaeva S.B., Arslanova L.R. Use of Chitosan nanoparticles loaded with biologically active substances for pre-harvest plant protection from pathogens (a review) // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 1942. P. 012077. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1942/1/012077

31. Bratu D.C., Pop S.I., Balan R., Dudescu M., Petrescu H.P., Popa G. Effect of different artificial saliva on the mechanical properties of orthodontic elastomers ligatures // Materiale Plastice. 2013. V. 50. N 1. P. 49–52.

32. Mocanu G., Nichifor M., Mihai D., Oproiu L.C. Bioactive cotton fabrics containing chitosan and biologically active substances extracted from plants // Materials Science and Engineering: C. 2013. V. 33. N 1. P. 72–77. https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.08.007

33. Rahman A., Goswami T., Tyagi N., Ghosh H.N., Neelakandan P.P. Hot electron migration from gold nanoparticle to an organic molecule enhances luminescence and photosensitization properties of a pH activatable plasmon-molecule coupled nanocomposite // Journal of Photochemistry & Photobiology A: Chemistry. 2022. V. 432. P. 114067. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2022.114067

34. Ge M., Liu S., Li J., Li M., Li S., James T.D., Chen Z. Luminescent materials derived from biomass resources // Coordination Chemistry Reviews. 2023. V. 477. P. 214951. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214951

35. Бельтюкова С.В., Степанова А.А., Ливенцова Е.О. Антиоксиданты в пищевых продуктах и методы их определения // Вісник ОНУ. Хімія. 2014. Т. 19. N 4. С. 16–30.

36. Bondarev S.L., Knyukshto V.N., Tikhomirov S.A., Buganov O.V., Pyrko A.N. Photodynamics of intramolecular proton transfer in polar and nonpolar biflavonoid solutions // Optics and Spectroscopy. 2012. V. 113. N 4. P. 401–410. https://doi.org/10.1134/s0030400x12070065

37. Зенкевич И.Г., Пушкарева Т.И. О моделировании механизма образования димерных продуктов окисления флавоноидов // Химия растительного сырья. 2018. № 3. С. 185–197. https://doi.org/10.14258/jcprm.2018033589

38. Tcibulnikova A., Zemliakova E., Artamonov D., Slezhkin V., Skrypnik L., Samusev I., Zyubin A., Khankaev A., Bryukhanov V., Lyatun I. Photonics of Viburnum opulus L. extracts in microemulsions with oxygen and gold nanoparticles // Chemosensors. 2022. V. 10. N 4. P. 130. https://doi.org/10.3390/chemosensors10040130

39. Tcibulnikova A., Zemlyakova E., Slezhkin V., Samusev I.G., Bryukhanov V.V., Khankaev A., Artamonov D. Spectroscopy of triplet-excited complexes of oxygen with spruce cone molecules extract from picea abies in AOT micelles under combined photoexcitation // Journal of Molecular Structure. 2022. V. 1259. P. 132661. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2022.132661

40. Zemlyakova E.S., Tcibulnikova A.V., Slezhkin V.A., Zyubin A.Yu., Samusev I.G., Bryukhanov V.V. The infrared spectroscopy of chitosan films doped with silver and gold nanoparticles // Journal of Polymer Engineering. 2019. V. 39. N 5. P. 415–421. https://doi.org/10.1515/polyeng-2018-0356

41. Tcibulnikova A.V., Degterev I.A., Bryukhanov V.V., Roberto M.M., Campos Pereira F.D., Marin-Morales M.A., Slezhkin V.A., Samusev I.G. The participation of singlet oxygen in a photocitotoxicity of extract from amazon plant to cancer cells // Proceedings of SPIE. 2018. V. 10456. P. 104563E. https://doi.org/10.1117/12.2283317

42. Deineka V.I., Kul’chenko Y.Y., Blinova I.P., Chulkov A.N., Deineka L.A. Anthocyanins of basil leaves: Determination and preparation of dried encapsulated forms // Russian Journal of Bioorganic Chemistry. 2019. V. 45. P. 895–899. https://doi.org/10.1134/S1068162019070021

43. Nagai S., Ohara K., Mukai K. Kinetic study of the quenching reaction of singlet oxygen by flavonoids in ethanol solution // Journal of Physical Chemistry B. 2005. V. 109. N 9. P. 4234–4240. https://doi.org/10.1021/jp0451389

44. Shraim A.M., Ahmed T.A., Rahman M.M., Hijji Y.M. Determination of Total flavonoid content by aluminum chloride assay: A critical evaluation // LWT. 2021. V. 150. P. 111932. https://doi.org/10.1016/j.lwt.2021.111932

45. Guo Y., Qu Y., Yu J., Song L., Chen S., Qin Z., Gong J., Zhan H., Gao Y., Zhang J. A chitosan-vitamin c based injectable hydrogel improves cell survival under oxidative stress // International Journal of Biological Macromolecules. 2022. V. 202. P. 102–111. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.01.030

46. Пушкарёва Т.И., Зенкевич И.Г. Хромато-масс-спектрометрическая идентификация продуктов окисления кверцетина кислородом воздуха в водных растворах // Вестник Санкт-Петербургского университета. Физика и химия. 2017. Т. 4. № 1. С. 59–79. https://doi.org/10.21638/11701/spbu04.2017.107

47. Fuentes J., Atala E., Pastene E., Carrasco-Pozo C., Speisky H. Quercetin oxidation paradoxically enhances its antioxidant and cytoprotective properties // Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2017. V. 65. N 50. P. 11002–11010. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.7b05214