Post on 19-Mar-2022
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada
Unidad Legaria
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el
Cercano Infrarrojo
TESIS
Para obtener el grado de
Doctor en Tecnología Avanzada
Presenta
M. en T. A. Delfino Cornejo Monroy
Director de Tesis: Dr. José Francisco Sánchez Ramírez
México, D. F., Diciembre 2009.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Agradecimientos
I
Agradecimientos
Mi gratitud infinita al ser supremo, padre celestial que me ha proporcionando todos
los medios para terminar una etapa más en mi vida, de igual forma me ha
proporcionado un entorno favorable para ser próspero.
Igualmente, doy las gracias a mis padres, mis hermanos por su apoyo incondicional en
toda mi vida. Así también doy gracias a Dios por la extraordinaria esposa que me
concedió, la cual siempre me brinda su apoyo y comprensión total.
Agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por la beca otorgada durante
mis estudios de doctorado; al Instituto Politécnico Nacional y al Centro de
Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Unidad Legaria por darme la
oportunidad de realizar mis estudios de doctorado.
Doy las gracias a todas las personas que me apoyaron durante mis estudios de
posgrado; tales como mi director de tesis, Dr. José Francisco Sánchez Ramírez; al Dr.
Umapada Pal que me facilito su laboratorio de nanoestructuras; a la microscopista
María Esther Sánchez Espíndola por la amable atención y apoyo para la caracterización
de diversas muestras por Microscopia Electrónica de Transmisión; a mis compañeros
de estudio que de diversas formas me apoyaron con sus conocimientos. Son muchos
los nombres para enlistarlos pero ellos saben que más de una vez recurrí a ellos para
solicitar su apoyo en la solución de algunos problemas y/o dudas.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Resumen
II
Resumen
Nanocorazas de plata y oro con forma esférica, superficie lisa y homogeneidad en
tamaño fueron sintetizadas; el proceso de fabricación de estas nanocorazas requiere
de diferentes etapas de crecimiento; no es posible sintetizar nanocorazas de oro o
plata con núcleo se SiO2 en una sola etapa. Las síntesis de nanocorazas de plata
básicamente incluye tres etapas; la absorción de iones Sn2+ sobre la superficie de las
nanopartículas de dióxido de silicio; seguida de la reducción de iones Ag+ con los iones
Sn2+; y finalmente, la deposición de una capa densa y uniforme de plata. Empleando
este procedimiento, se obtuvieron nanocorazas esféricas de plata cuya resonancia de
plasmón superficial se presenta en el espectro visible. Resultados por microscopia
electrónica de transmisión y análisis por EDS corroboran la deposición de plata sobre
toda la superficie de las nanopartículas de SiO2. Adicionalmente, un análisis detallado
de los espectros de absorbancia fue realizado para investigar el efecto del método de
lavado y redispersión de las nanocorazas. Se concluyó que durante el proceso de
lavado y redispersión de la muestra se desprenden pequeñas nanopartículas de plata
de la superficie, y que este desprendimiento de partículas de las nanocorazas de plata
genera corrimiento de la resonancia de plasmón superficial hacia menores longitudes
de onda.
Comparable con la síntesis de nanocorazas de plata, la fabricación de nanocorazas de
oro requiere de diferentes etapas; se requiere la modificación superficial de las
nanopartículas de SiO2 para generar grupos amino; en estos grupos amino fueron
absorbidos pequeñas nanopartículas de oro produciendo nanoestructuras SiO2@NP‐
Au. Estas nanoestructuras de oro fueron mezcladas en una solución conteniendo
hidróxido de oro; esta etapa final ocasiona el crecimiento de las nanopartículas de oro
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Resumen
III
completando la nanocoraza. Pequeñas nanopartículas de oro con diámetro promedio
de 2.5 nm fueron empleadas como catalizadoras de la formación de las corazas;
pequeñas nanopartículas de oro en conjunto con nanoesferas de SiO2 contribuyen a la
formación de nanocorazas esféricas, lisas y homogéneas. Se obtuvieron nanocorazas
de oro cuyo espesor de coraza oscila entre los 5 y 10 nm. Establecidas las condiciones
de reacción fue posible producir nanoestructuras con resonancia de plasmón
superficial desde el visible hasta el infrarrojo cercano únicamente adicionando mayor
cantidad de hidróxido de oro a la reacción. Con la finalidad de obtener nanocorazas de
oro sin núcleo se sílice, se adicionó ácido fluorhídrico a la solución coloidal para
disolver las nanopartículas de SiO2. Micrografías por TEM muestran nanocorazas de
oro formadas sobre toda la superficie de las nanoesferas de sílice, así como también,
es posible observar que las nanocorazas están formadas a partir de nanopartículas de
oro las cuales fueron creciendo hasta colapsar unas con otras.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Abstract
IV
Abstract
Spherical, smoothed along with homogenous size distribution silver and gold
nanoshells were synthesized; processing these nanostructures include different steps;
it is not feasible to synthesize gold or silver nanoshells with silica core and metal
nanolayer merely in one step or chemical reaction. Basically three steps are required
to assemble silver nanoshells, absorption of Sn+2 ions on the surface of silica; then the
reduction of Ag+ ions with Sn2+ ions to produce nanoscaled silver nuclei on hetero silica‐silver
interface as seeds; and finally, the deposition of dense and uniform silver layer. Following this
procedure, spherical silver nanoshells were obtained along with surface plasmon
resonance in the visible region. Results obtained by transmission electron microscopy
and EDS examination corroborates the deposition of silver on the silica surface. Furthermore,
a detail survey on the absorbance spectrums to investigate the effect of the redispersion
method was made. It was found that some small silver nanoparticles are detached from
the surface and these detached nanoparticles form he silver nanoshells produce a blue
shift of the surface plasmon resonance.
Comparable to silver nanoshells, gold nanoshells synthesis involve different phases.
Firstly, surface modification of silica nanoparticles was required to produce amino
groups on the silica surface; in these amino groups were attached small gold
nanoparticles providing SiO2@NP‐Au nanostructures. These gold nanostructures were
added into a solution containing gold hydroxide; this final phase produced the growing
of the gold nanoparticles completing the gold nanoshell. Gold nanoparticles with
average particle size of 2.5 nm were employed to catalyze the formation of the shell
gold; small gold nanoparticles along with spherical silica nanoparticles contribute to
achieve spherical, homogenous as well as smoothed nanoshells. Gold nanoshells with
shell thickness between 5 to 10 nm were obtained. Having reaction conditions
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Abstract
V
controlled was possible to produce a red shift of the surface plasmon resonance from
the visible region up to the near infrared region merely with the addition of more gold
hydroxide to the reaction. To acquire gold nanoshells without core, hydrofluoric acid
was added to the colloid with the main purpose to dissolve silica nanoparticles. TEM
micrographs displayed that the gold nanoshells were formed on the entire silica
surface, and also that the shell is made of gold nanoparticles that were growing until to
coalescence each other.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Glosario de Términos
VI
Glosario de Términos
Nanomateriales
Materiales con al menos una característica longitudinal menor o cercana a los 100 nm.
Esta característica longitudinal puede ser el diámetro de una partícula, el tamaño de
grano, espesor de capa, o el ancho de una línea de conducción en un chip electrónico
Nanopartículas
Partículas cuya dimensión es menor a los 100 nm, constituidas por un material
homogéneo y particularmente de forma esférica
Nanoestructuras
Estructuras formadas generalmente por más de un material, y cuyas características
dimensionales están en la nanoescala
Nanocorazas
Nanoestructuras esféricas formadas por un material dieléctrico en el núcleo el cual es
cubierto por una delgada coraza metálica, la cual típicamente es de oro o plata
Plasmón
En Física, un plasmón es un cuanto de la oscilación de plasma. El plasmón es una
cuasipartícula resultante de la cuantización de las oscilaciones del plasma, solo fotones
y fonones son cuantizaciones de las ondas de luz y sonido, respectivamente. Por lo
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Glosario de Términos
VII
tanto, los plasmones son oscilaciones colectivas de la densidad de la nube de los
electrones libres, generalmente a frecuencias ópticas.
Resonancia de plasmón superficial
Para nanopartículas esféricas cuyo diámetro es mucho menor a la longitud de onda
(diámetro << λ), un campo electromagnético a cierta frecuencia induce una
resonancia, una oscilación coherente de los electrones libres sobre la superficie de la
nanopartícula. Esta oscilación se conoce como resonancia de plasmón de superficial
(RPS). La oscilación de plasmón superficial de los electrones metálicos origina una
extraordinaria absorción y dispersión de la radiación electromagnética en resonancia
con la frecuencia de la RPS de nanopartículas de metales nobles (Au, Ag y Cu),
dándoles colores intensos e importantes propiedades ópticas.
Plasmónica
Constituye una parte importante del campo fascinante de la nanofotónica. La Plasmónica
estudia cómo los campos electromagnéticos se puede confinar a dimensiones del orden o
menores que la longitud de onda. Se basa en los procesos de interacción
entre la radiación electromagnética y los electrones de conducción en las interfaces metálicas
o en nanoestructuras metálicas pequeñas, teniendo énfasis en las propiedades ópticas que se
presentan a dimensiones sub‐longitud de onda.
Extinción
Es la atenuación de una onda electromagnética por dispersión y absorción al atravesar
un medio específico.
Materiales biocompatibles
Materiales que no reaccionan con ambientes biológicos. Normalmente los materiales
biocompatibles no son rechazados por el sistema inmune del ser humano.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Figuras y Tablas
VIII
Índice de Figuras y Tablas
Figura Descripción Página
1.1 Nanoescala y su comparación con materiales típicos cuyas
dimensiones son comparables con la nanoescala.
5
2.1 Imagen representativa de la oscilación colectiva de la nube de
electrones al incidir un campo eléctrico sobre nanopartículas
metálicas.
15
2.2 Representación esquemática de la extinción de la radiación
electromagnética incidente (R0). La extinción es la suma de la
absorción (RA) y la dispersión (RD).
16
2.3 Espectros de extinción calculados empleando la teoría de Mie para
nanopartículas de oro de 2, 10, 50 y 100 nm.
17
2.4 Cext, Cdis, Cabs calculados empleando la teoría de Mie para
nanopartículas de oro de 2, 10, 50 y 100 nm. Observe que a menor
diámetro de las nanopartículas el Cext está gobernado por la
absorción, siendo la dispersión prácticamente nula; a diferencia
conforme se incrementa el diámetro de la nanopartículas la
18
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Figuras y Tablas
IX
atenuación de la radiación electromagnética incidente por
dispersión se hace dominante.
2.5 Cext, Cdis, Cabs calculados empleando la teoría de Mie para
nanopartículas de plata de 2, 10, 50 y 100 nm. Observe que a menor
diámetro de las nanopartículas el Cext está gobernado por la
absorción, siendo la dispersión prácticamente nula; en contraste,
conforme se incrementa el diámetro de la nanopartículas la
atenuación de la radiación electromagnética incidente por
dispersión se hace dominante.
20
2.6 Ilustración de la ventana óptica de los principales componentes de
los tejidos del cuerpo humano. Obsérvese que entre 650 y 900 nm,
el coeficiente de absorción es mínimo; por lo cual radiación con esta
longitud de onda podría llegar a los tejidos internos del cuerpo.
21
2.7 Cext calculado empleado la teoría de Mie para nanocorazas de oro.
En esta gráfica se presenta el coeficiente de extinción para
nanocorazas de oro a las cuales únicamente cambiando el espesor
de la coraza de oro, la RPS se desplaza hasta el infrarrojo cercano.
22
3.1 Espectros de extinción de nanopartículas de plata de 2, 10, 50 y 100
nm de diámetro. Espectros calculados empleando la teoría de Mie.
26
3.2 Imágenes representativas obtenidas por microscopia electrónica de
Transmisión (TEM) a diferentes magnificaciones correspondientes a
las esferas de SiO2, estas nanoesferas fueron empleadas como
núcleos para la formación de las corazas de plata.
27
3.3 Imágenes por TEM características de las nanoesferas de SiO2 con
iones de Sn2+ absorbidos sobre la superficie a diferentes
magnificaciones. A estas estructuras las denominamos SiO2@Sn2+.
29
3.3.A Histograma de distribución de tamaño de las nanoestructuras
denominadas. SiO2@Sn2+. Nótese y comparece el diámetro
promedio entre las nanoesferas de SiO2 y las nanoestructuras
30
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Figuras y Tablas
X
SiO2@Sn2+; este último es menor debido a la erosión de las
nanoesferas de SiO2.
3.4 Imágenes típicas por TEM a diferentes magnificaciones de
nanoesferas de SiO2 con núcleos de plata reducidos sobre la
superficie. A esta muestra la denominamos SiO2@NP Ag.
31
3.5 Imágenes típicas por TEM de las nanoestructuras formadas
empleando nanoesferas de SiO2 como núcleo y a las cuales se le
creció una capa de plata sobre su superficie. A estas nanoestructuras
las denominamos SiO2@Ag.
32
3.6 Imágenes características por TEM de las nanoestructuras SiO2@Ag a
diferentes magnificaciones. Estas imágenes corresponden a la
muestra lavada con agua desionizada y empleando agitación manual
para redispersar las nanocorazas durante el proceso de lavado.
33
3.7 Micrografías representativas obtenidas por TEM de la muestra con
configuración SiO2@Ag. Estas imágenes pertenecen a la muestra
que fue lavada con agua desionizada y redispersada haciendo uso de
una tina de ultrasonido.
34
3.8 Histogramas de distribución de tamaño con dinámetro promedio y
desviación estándar, los cuales fueron obtenidos a partir de las
imágenes por TEM pertenecientes a las nanoestructuras SiO2@Ag. El
histograma posicionado a la izquierda pertenece a la muestra que no
se le realizó el proceso de lavado; el histograma del centro
pertenece a la muestra que fue lavada y aplicando agitación manual
moderada para redispersar, y el último pertenece a la muestra que
fue lavada y redispersada haciendo uso de la tina de ultrasonido.
34
3.9 Micrografía obtenida por SEM de la nanoestructura con
configuración SiO2@Ag. En la tabla posicionada a la derecha se
muestra los resultados por EDS sobre un punto cercano a la
superficie de la nanoestructura.
35
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Figuras y Tablas
XI
3.10 Micrografía obtenida por SEM correspondiente a la nanoestructura
SiO2@Ag. La gráfica de la derecha es su correspondiente resultado
de análisis por EDS lineal; las líneas de color rojo indican la presencia
de plata.
36
3.11 Imagen por SEM de las nanocorazas de plata con su respectivo
análisis por EDS sobre una superficie; la superficie examinada
corresponde al área comprendida dentro del recuadro de líneas de
color rosa; las cuatro pequeñas imágenes a la derecha de la
micrografía corresponden a los resultados de EDS debido a la
presencia de Si, O, Sn y Ag en las nanocorazas; los puntos de color en
estas imágenes representan la presencia de cada elemento químico
examinado.
37
3.12 Espectros de absorbancia de las muestras SiO2@Sn2+, SiO2@NP‐Ag y
SiO2@Ag, indicando la posición de máxima de la banda de absorción.
Curva (A): espectro de absorbancia correspondiente a las
nanopartículas de SiO2 con iones Sn2+ absorbidos sobre la superficie,
nanoestructuras tipo SiO2@Sn2+. Curva (B): espectro de absorbancia
de las nanoesferas de SiO2 con núcleos de plata reducidos sobre su
superficie, SiO2@NP‐Ag, muestra sin lavar. Curva (C): espectro de
absorbancia de las nanoesferas de SiO2 con núcleos de plata
reducidos sobre su superficie, SiO2@NP‐Ag, muestra lavada y
redispersada empleando la tina de ultrasonido. Curva (D): espectro
de absorbancia de las nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra sin
lavar. Curva (E): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo
SiO2@Ag, muestra lavada y redispersada con agitación manual
moderada. Curva (F): espectro de absorbancia de las
nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra lavada y redispersada
haciendo uso de la tina de ultrasonido.
39
3.13 Espectros de absorbancia correspondientes a las nanocorazas tipo 40
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Figuras y Tablas
XII
SiO2@Ag obtenidos a los 30 días después de sintetizar dichas
estructuras. Curva (2D): espectro de absorbancia de las
nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra sin lavar. Curva (2E):
espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo SiO2@Ag,
muestra lavada y redispersada con agitación manual moderada.
Curva (2F): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo
SiO2@Ag, muestra lavada y redispersada haciendo uso de la tina de
ultrasonido.
4.1 Ilustración de las cuatro etapas para la formación de las nanocorazas
de oro. Los viales ilustran la apariencia física las nanoestructuras en
solución coloidal.
44
4.2 Micrografía por MET de las nanopartículas de oro e histograma junto
con diámetro (φ) promedio y desviación estándar (σ).
46
4.3 Patrón de difracción indexado correspondiente a las muestras de
oro sintetizadas las cuales fueron empleadas en la superficie de las
nanoesferas de SiO2 como núcleos de crecimiento para la formación
de la coraza de oro.
46
4.4 Micrografías por MET correspondientes a las muestras de SiO2 del
grupo G1 preparadas con diferentes volúmenes de NH4OH: A1:
10.00 ml, B1: 6.50 ml, C1: 3.00, D1: 1.5 ml y E1: 0.75 ml.
49
4.5 Histogramas de distribución de tamaño de nanoesferas de SiO2 del
grupo G1 preparadas con diferentes volúmenes de NH4OH: A1:
10.00 ml, B1: 6.50 ml, C1: 3.00, D1: 1.5 ml y E1: 0.75 ml. Del ajuste
Gaussiano de los correspondientes histogramas, se estimo el
tamaño promedio (φ) y desviación estándar (σ) de las nanoesferas.
49
4.6 Imágenes por MET correspondientes al grupo de muestras G2;
muestras A2, B2, C2, D2 y E2 de SiO2 preparadas con un volumen de
reacción de 500 ml bajos las mismas concentraciones molares de las
muestras del grupo G1.
51
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Figuras y Tablas
XIII
4.7 Micrografías por MET y sus correspondientes histogramas de
distribuciones de tamaño de las muestras S1, S2 (semillas); S1A y
S2A (crecidas empleando S1 y S2, respectivamente, por el método
de crecimiento sucesivo).
52
4.8 Espectros obtenidos por espectroscopia FTIR de las muestras de SiO2
preparadas con diferentes condiciones experimentales.
53
4.9 Micrografías por MET de partículas de SiO2 funcionalizadas (con
grupos terminales NH2 sobre la superficie) a diferente magnificación
y su correspondiente histograma de distribución de tamaño con
diámetro promedio y desviación estándar.
54
4.10 Micrografías representativas de las nanoestructuras tipo SiO2@NP
Au y su correspondiente histograma de distribución de tamaño.
55
4.11 Espectros de absorbancia correspondientes a las nanopartículas de
SiO2 (NP SiO2) y a las nanopartículas de oro (NP Au); así como
también el espectro de absorbancia obtenido del resultado de
emplear estas nanopartículas para formar la estructura SiO2@Au.
56
4.12 Espectros de absorbancia correspondientes a las nanocorazas de oro
(SiO2@Au) sintetizas adicionando diferentes volúmenes de hidróxido
de oro a la reacción (desde1ml hasta 18 ml). Se observa como la
posición de la resonancia de plasmón superficial se ensancha y se
desplaza hacia mayores longitudes de onda.
57
4.13 Micrografías representativas por MET y su correspondiente
histograma para nanocorazas de oro preparadas con 2, 8, 13 y 18 ml
de hidróxido de oro adicionados a la reacción.
60
Tabla
4.1
Características principales obtenidas por espectroscopia UV‐Vis y
microscopia electrónica de transmisión de las nanoesferas de SiO2,
nanopartículas de Au y las nanocorazas de oro (SiO2@Au)
sintetizadas adicionando 2, 8, 13 y 18 ml de AuOH a la reacción.
60
4.14 Imágenes por microscopia electrónica de transmisión de la muestras 60
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Figuras y Tablas
XIV
SiO2@Au‐18, a la cual se le adicionó ácido fluorhídrico con la
finalidad de disolver el núcleo. Con estas micrografías se puede
comprobar la ausencia del SiO2.
4.15 Micrografía por MET de nanocorazas de oro seccionadas
transversalmente correspondientes a la muestra SiO2@Au‐18. A
estas nanocorazas de oro se le realizaron cortes transversales con la
finalidad de poder medir directamente el espesor de la coraza de
oro.
61
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Tesis
XV
Índice de Tesis
Página
Capítulo 1. Introducción 1
1.1 Naturaleza y Tecnología 1
1.2 Nanociencia y Nanotecnología 3
1.3 Nanomateriales Biológicos y No‐Biológicos 4
1.4 Nanotecnología Biomédica 5
1.5 Nanotecnología del Cáncer 6
1.6 Nanocorazas y el Cáncer 7
1.7 Bibliografía 10
Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y
Plata
12
2.1 Introducción 12
2.2 Nanomateriales 13
2.3 Origen de las propiedades ópticas de nanomateriales 13
2.4 Propiedades ópticas de nanopartículas de oro y plata 15
2.5 Propiedades ópticas de nanocorazas 20
2.6 Bibliografía 24
Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de plata 25
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Índice de Tesis
XVI
3.1 Introducción 25
3.2 Síntesis de nanocorazas de plata 27
3.3 Análisis y discusión de resultados 28
3.3.1 Análisis por microscopia electrónica de transmisión,
TEM.
28
3.3.2 Análisis por EDS 35
3.3.3 Análisis por Espectroscopia UV‐Vis 37
3.4 Bibliografía 41
Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro 42
4.1 Introducción 42
4.2 Parte Experimental 43
4.3 Análisis y discusión de resultados 44
4.3.1 Nanopartículas de oro 44
4.3.2 Nanopartículas de SiO2 47
4.3.3 Incorporación de nanopartículas de oro sobre la
superficie de las nanoesferas de SiO2
53
4.3.4 Crecimiento de las nanocorazas de oro 56
4.4 Bibliografía 62
Capítulo 5. Conclusiones 63
Productos obtenidos 67
Participación en congresos 67
Publicación 70
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
1
Capítulo 1
Introducción
1.1 Naturaleza y Tecnología
El hombre constantemente aprende de la naturaleza; en la actualidad los avances
tecnológicos desarrollados por el hombre son primitivos en comparación con diversos
procesos presentes en la naturaleza1. Por ejemplo, no se ha logrado la eficiencia de la
fotosíntesis para el almacenamiento de energía. Nadie es capaz de facilitar la
transferencia de energía (o transferencia de electrones) tan eficientemente como las
biomoléculas. Ninguna empresa purifica y almacena agua tan eficientemente como el
agua que contienen los cocos o el de un melón. El cerebro de una persona, en
principio, almacena y procesa más información que una supercomputadora de la
actualidad. Es imposible para cualquier videocámara capturar imágenes más vívidas
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
2
que un ojo humano2. En fin, un sin número de funciones están presentes en la
naturaleza y sobre todo han estado presentes aún antes de que el hombre existiera.
Ahora con respecto del impacto que tiene la tecnología desarrollada por el hombre. De
acuerdo al conocimiento popular, la tecnología convierte materiales primitivos en
materiales prácticos. Pero la tecnología tiene un impacto mucho mayor en la
naturaleza, especialmente cuando la complejidad tecnológica incrementa. El impacto
de la invención de la rueda no tiene el mismo impacto que el de un automóvil, lo que
fundamenta el decir que el impacto de la tecnología incrementa con el progreso de la
civilización. El mejor producto tecnológicamente hablando en la actualidad podrían ser
los súper circuitos integrados empleados en las súper computadoras; estos se obtienen
de la arena pasando por obleas y finalmente en circuitos integrados, lo cual causa
severos daños al medio ambiente; aún cuando estos contribuyen a la explotación de la
información. El impacto de la moderna tecnología es evidente en los recursos
naturales, el agua, el aire y en todo lo que nos rodea. Con base a lo anterior, la
tecnología que hemos desarrollado no es de la mejor calidad en su totalidad.
Eric Drexler3 sugirió una alternativa para producir las cosas; propuso comenzar a
ensamblar las cosas desde el nivel molecular; a lo cual se le puede llamar
nanotecnología molecular. Esto está completamente relacionado al “humilde” proceso
a través el cual las plantas adquieren dióxido de carbono y agua del ambiente para
producir compuestos tales como carbohidratos, exceptuando unos organismos los
cuales lo extraen de otras formas de energía química. En realidad un carbón de CO2 es
ensamblado por una serie de procesos químicos para producir estructuras complejas.
Este ensamblaje uno‐a‐uno ha facilitado las funciones de moléculas complejas a partir
de moléculas sencillas. Algunos de estos ejemplos podrían ser las proteínas, los
polisacáridos, incluyendo la estructura molecular más compleja hasta ahora conocida
el DNA. La complejidad de estas arquitecturas moleculares es tal que una molécula
puede comunicarse con las demás moléculas como si fueran una unidad integral
realizando funciones complejas que son necesarias para mantener la vida. La
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
3
naturaleza ha perfeccionado estas estrategias a través de millones de años y las
continuará perfeccionando4. Por lo cual nosotros podríamos aprovechar los
conocimientos desarrollados por la naturaleza para nuestro beneficio, a través del
desarrollo de tecnología compleja y amigable con la naturaleza
Cualquier proceso ‐ producción realizada por los procesos biológicos es
extremadamente complejo; pero muy económicos en término reales. La constitución
de un melón es mucho más compleja que la de un circuito integrado avanzado; pero es
mucho más económico.
Por otro lado, el poder manipular átomos y arreglarlos de la forma que deseemos
puede facilitar la creación de estructuras inorgánicas complejas al precio de los
vegetales.
Esta habilidad podría facilitar la creación de todos los productos hechos por el hombre.
Esto es Nanotecnología. Procesos en la naturaleza podrían considerarse como el lado
“húmedo” de la nanotecnología5‐6. Hay también su lado “seco” en donde la habilidad
para organizar las cosas átomo por átomo podría originar estructuras o dispositivos
con funciones; que no solamente dieran como resultado computadoras más pequeñas
y/o procedimientos quirúrgicos sin pérdida de sangre, sino que ayude a tomar el
control; que nos ayude a evitar cambios climáticos.
1.2 Nanociencia y Nanotecnología
Terminológicamente hablando, el prefijo “nano” se refiere o una mil millonésima parte
de la unidad. (En término anglosajón sería una billonésima parte de la unidad)6. Por
ejemplo, un nanómetro (nm) es una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 1x10‐9
m). La escala nanométrica es el espacio de acción de las moléculas y sus interacciones.
La nanociencia y la nanotecnología trabajan con objetos en la escala nanométrica7. Las
propiedades y funciones de los objetos a dicha escala son significativamente diferentes
de la escala en bulto8.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
4
Estrictamente hablando; nanociencia investiga las propiedades de los materiales a
escala atómica, molecular y macromolecular; mientras que la nanotecnología trata del
diseño, producción y aplicación de dispositivos y sistemas a través del control de sus
forma y tamaños en la escala nanométrica9.
La Biología es una de las ciencias fundamentales más activas, y también una ciencia
más perceptible para el público en general. La necesidad de tener mejoras en la
medicina para el tratamiento de una enfermedad; la de mejorar, corregir y prevenir
una disfunción en la salud, siempre estará presente en nuestras vidas. A la
combinación de la biología y la medicina se le conoce como “Biomedicina”, la cual
representa una de las combinaciones más excitantes de la ciencia y la tecnología.
Trabajar en la escala nanométrica provee una unión entre biomedicina, ciencia de
materiales y tecnología. La presente tesis trata de la Preparación y Bioconjugación de
Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo enfocadas hacia el
tratamiento del cáncer.
1.3 Nanomateriales Biológicos y No‐Biológicos
La escala nanométrica abarca desde el nivel atómico hasta los 100 nanómetros, y un
nanomaterial se define generalmente como aquel cuyas dimensiones son menores a
los 100 nm. En términos generales, dentro de los materiales están todas las
estructuras, dispositivos y sistemas a escala nanométrica. En algunos casos el límite de
la escala de un nanomaterial se puede extender hasta los 1000 nm; debido a que el
punto esencial no es la escala sino la que un nanomateriales posee propiedades únicas
las cuales son diferentes a las de material en bulto2.
Para entender mejor en que rango se está hablando y su relación con entidades
biológicas se presenta la figura 1.1, la cual contiene diversas entidades biológicas, tales
como, proteínas, anticuerpos, virus y bacterias, las cuales son generalmente conocidas
como nanomateriales biológicos. Las funciones y propiedades de un nanomaterial
biológico inspiran el diseño de nanomateriales no‐biológicos; por otra parte, debido a
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
5
las dimensiones, los nanomateriales no‐biológicos pueden ser empleados para acceder
o manipular los nanomateriales biológicos1.
Figura 1.1 Nanoescala y su comparación con materiales típicos cuyas dimensiones son comparables con la nanoescala.
La biología y la Física comparten un área de interés en común en la nanoescala; en la
integración de la biología con ciencia de materiales en la nanoescala se tiene el
potencial para revolucionar en muchos campos de la ciencia y la tecnología. Existe un
campo de acción entre los límites de investigación de estas áreas, que involucra el
desarrollo de nuevos materiales y herramientas, y la investigación de nuevos
fenómenos. Los avances en la Física proveen materiales adecuados en biología celular
y molecular, además provee herramientas para caracterización de componentes
celulares y sub‐celulares; mientras que el progreso en la Biología provee un campo
para que los investigadores descifren las más sofisticadas nanoestructuras funcionales
que jamás hayan existido.
1.4 Nanotecnología Biomédica
Nanomateriales y nanotecnología se emplean en biomedicina; especialmente en el
área de diagnósticos biomédicos, drogas, prótesis e implantes. Las aplicaciones de la
nanotecnología biomédica generalmente se divide en dos categorías: fuera del cuerpo
y dentro del cuerpo. Para aplicaciones fuera del cuerpo están los biosensores y
biochips, los cuales han sido empleados para analizar diversas muestras biológicas,
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
6
entre ella muestras de sangre. Para aplicaciones dentro del cuerpo, investigadores
están trabajando en el transporte de drogas (medicamentos) a partes específicas del
cuerpo, en la implementación de un dispositivo que inyecte cuando se necesite, y en la
terapia genética. Adicionalmente, grandes logros se han desarrollado en las prótesis e
implantes que emplean materiales nanoestructurados.
1.5 Nanotecnología del Cáncer
El cáncer es una de las principales causa de muerte a nivel mundial. Tratamientos
convencionales, incluyendo cirugía, radiación, quimioterapia y terapias biológicas
(inmunoterapia) están limitadas por la accesibilidad al tumor, el riesgo de operar cerca
o en un órgano vital, el riesgo de extender las células cancerígenas dentro del cuerpo y
a la falta de selectividad para con las células del tumor hace de estos tratamientos
ineficientes10. La nanotecnología puede proveer una alternativa mejor para sobrevivir.
La nanotecnología del cáncer es actualmente un tipo de nanotecnología biomédica.
Cada vez se le pone más y más atención en el diagnóstico y tratamiento del cáncer
empleando la nanotecnología. Por ello la nanotecnología del cáncer es un campo de
investigación especial de la nanotecnología11.
La nanotecnología del cáncer incluye una variedad de matariles y técnicas que son
empleadas para resolver varios problemas. La investigación en la nanotecnología del
cáncer puede dividirse en siete categorías1. La primera, enfocada al desarrollo de
técnicas para la detección y diagnóstico de cáncer desde sus comienzos; en el estado
pre‐sintomático. La segunda es el desarrollo de técnicas que puedan proveer
evaluación in‐vivo de los efectos terapéuticos. La tercera es el desarrollo de
dispositivos de objetivo específico que puedan penetrar la barrera biológica del bypass
y con exactitud liberen agentes terapéuticos en el tumor. La cuarta, el desarrollo de
agentes que puedan ser usados para monitorear cambios moleculares predictivos y
prevenir la formación de células pre‐cancerosas en células malignas. Quinta, es el
desarrollo de sistemas de vigilancia para la detección de mutaciones que pudieran
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
7
provocar cáncer y también para detectar marcadores genéticos con predisposición de
cáncer. Sexta es el desarrollo de métodos para controlar los síntomas del cáncer que
afectan gravemente la calidad de vida. Séptima, es el desarrollo de técnicas que
ayuden rápidamente a los investigadores identificar nuevos blancos para el
tratamiento clínico y el pronóstico de posibles efectos secundarios y resistencia al
medicamento.
Hay dos principales tendencias en la nanotecnología del cáncer12. Una se orienta hacia
el desarrollo de nanomateriales multifuncionales que puedan ser usados
simultáneamente para detección del tumor, y tratamiento a través de la liberación de
medicamentos en el tumor. Esta tal vez sea el adelanto más radical que la
nanotecnología pueda hacer para la detección y el tratamiento del cáncer. La otra
tendencia en la nanotecnología del cáncer es trasportar simultáneamente dosis a un
tumor conformada de diferentes medicamentos; no solamente de un medicamento en
particular. En esta tendencia, la resistencia al medicamento por parte del tumor, es el
reto más importante por resolver. Usualmente, la resistencia al medicamento de las
células cancerígenas es debida a la habilidad de expulsar hacia afuera los
medicamentos anti‐cancerígenos una vez que estos se hayan introducido en la célula.
A pesar de ello, existe la posibilidad de liberar un agente que sea capaz de inhibir la
expulsión del medicamento, al mismo tiempo que el medicamento anti‐cáncer sea
liberado en la célula cancerígena, lo cual podría extinguir la resistencia hacia el
medicamento.
1.6 Nanocorazas y el Cáncer
Las Nanocorazas metálicas han atraído la atención de la comunidad científica debido a
sus extraordinarias propiedades ópticas, químicas y electrónicas13‐14. Nanocorazas de
oro se pueden diseñar para que absorban o dispersen radiación incidente a longitudes
de onda específica, especialmente en el cercano infrarrojo15; a diferencia de las
nanopartículas sólidas en las cuales la posición de su resonancia de plasmón superficial
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
8
(RPS) no cambia significativamente respecto a sus dimensiones. En contraste, las
Nanocorazas metálicas, particularmente las de oro son altamente sensibles a las
dimensiones relativas entre núcleo – coraza. Las Nanocorazas de oro son de particular
interés en medicina tanto por sus propiedades ópticas y químicas16, dicha
nanoestructuras pueden ser diseñadas para que sus propiedades ópticas sean
activadas en el infrarrojo cercano. En este rango de energía, los principales
componentes de los tejidos del cuerpo, como son, agua, hemoglobina y
oxihemoglobina presentan una mínima absorción; por lo cual las Nanocorazas podrían
ser potencialmente útiles para el tratamiento y/o detección del cáncer17. Para ello se
deben diseñar nanocorazas que absorban o dispersen la radiación a este rango de
longitud de onda y la conviertan en calor o la dispersen18. Es conocido que la absorción
de luz origina calor, este calor podría matar a las celular cancerígenas; para ello es
necesario localizar las Nanocorazas sobre dicha células para ello es necesario la
bioconjugación de las Nanocorazas (unir anticuerpos sobre la superficie de las
nanocorazas); las Nanocorazas bioconjugadas se posicionarían específicamente en el
tumor para poder tratar o detectar dicha enfermedad.
Para la detección, en vez de diseñar Nanocorazas que absorban la radiación incidente,
se diseñarían Nanocorazas que dispersen dicha energía y empleando un microscopio
adecuado se podría detectar el tumor por una diferencia de contraste en la imagen.
Para poder aplicar las nanocorazas in vivo es muy importante que sean fabricadas con
materiales biocompatibles, es decir, con materiales que son sea tóxicos para el
organismo; el dióxido de silicio (SiO2) es un material inerte y el oro (Au) se reporta
como un material altamente biocompatible19.
Durante mis estudios de doctorado, se sintetizaron principalmente nanopartículas de
SiO2 de diferentes diámetros; las cuales se emplearon como núcleo para la fabricación
de nanocorazas metálicas. Así también, se sintetizaron pequeñas nanopartículas de
oro (entre 2 y 5 nm) las cuales funcionarían como catalizadores en la superficie de las
nanoesferas de SiO2 para la formación de la coraza de oro.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
9
Así también, se sintetizaron Nanocorazas de plata. Las nanopartículas de plata
presentan su RPS alrededor de los 480 nm, a diferencia de las nanopartículas de oro las
cuales su RPS está alrededor de 520 nm; por lo cual teóricamente se podrían diseñar
nanocorazas con RPS mejor definido en un rango más amplio; pero debido al difícil
control de nanopartículas de plata de diámetro menor a los 5 nm y por ende al control
del espesor de la capa de plata sobre el núcleo, se obtuvieron mejores resultados con
las Nanocorazas de oro.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
10
1.7 Bibliografía
1. Varadan, V.K., Chen, L. & Xie, J. Nanomedicine: design and applications of magnetic nanomaterials, nanosensors, and nanosystems, (John Wiley & Sons, Ltd, United Kingdom, 2008).
2. Pradeep, T. Nano: the essentials; understanding nanoscience and nanotechnology, (McGraw‐Hill, United States of America, 2007).
3. Drexler, K.E., Peterson, C. & Pergamit, G. Unbounding the Future: the Nanotechnology Revolution (William Morrow and Company, Inc, New York, 1991).
4. Zanuy, D., et al. Stability of Tubular Structures Based on β‐Helical Proteins: Self‐Assembled versus Polymerized Nanoconstructs and Wild‐Type versus Mutated Sequences. Biomacromolecules 8, 3135‐3146 (2007).
5. Nanoparticles: Synthesis, Stabilization, Passivation, and Functionalization, (American Chemical Society, Washington, DC, 2008).
6. Chandross, E.A. & Miller, R.D. Nanostructures: Introduction. Chemical Reviews 99, 1641‐1642 (1999).
7. NSTC. Nanotechnology: Shaping the World Atom by Atom. (Executive Office of the President of the United States, Washington, DC, 1999).
8. Edelstein, A.S. & Cammarata, R.C. (eds.). Nanomaterials Synthesis, Properties and Applications, (IOP Publishing Ltd, Philadelphia, USA, 1998).
9. Eduardo Ruiz‐Hitzky, Ariga, K. & Lvov, Y. (eds.). Bio‐inorganic Hybrid Nanomaterials; Strategies, Syntheses, Characterization and Applications, (WILEY‐VCH, Federal Republic of Germany, 2008).
10. Manuel Arrueboa, Fernández‐Pacheco, R., Ibarraa, M.R. & Santamaría, J. Magnetic nanoparticles for drug delivery Nanotoday 2, 22‐32 (2007).
11. Meir, E.G.V. (ed.) CNS Cancer; Models, Markers, Prognostic Factors, Targets, and Therapeutic Approaches, (Humana Press, New York, 2009).
12. Alper, J. in Why nano?, Monthly Feather (NCI Alliance for Nanotechnology in Cancer, September 2005).
13. Wu, D.J., Liu, X.J., Liu, L.L. & Qian, W.P. Third‐order nonlinear optical properties of gold nanoshells in aqueous solution. Appl. Phys. A 92, 279–282 (2008).
14. Boris N. Khlebtsova & Khlebtsov, N.G. Biosensing potential of silica/gold nanoshells: Sensitivity of plasmon resonance to the local dielectric environment. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 106, 154–169 (2007).
15. Jeffrey N. Anker, et al. Biosensing with plasmonic nanosensors. nature materials 7, 442‐453 (2008).
16. K. Lance Kelly, Coronado, E., Zhao, L.L. & Schatz, G.C. The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment. J. Phys. Chem. B 107, 668‐677 ( 2003).
17. Andre M. Gobin, et al. Near Infrared Laser‐Tissue Welding Using Nanoshells as an Exogenous Absorber. Lasers in Surgery and Medicine 37, 123–129 (2005).
18. Jain, P.K., Lee, K.S., El‐Sayed, I.H. & El‐Sayed, M.A. Calculated Absorption and Scattering Properties of Gold Nanoparticles of Different Size, Shape, and Composition:
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 1. Introducción
11
Applications in Biological Imaging and Biomedicine. J. Phys. Chem. B 110, 7238‐7248 (2006).
19. Davis, N.E., Karfeld‐Sulzer, L.S., Ding, S. & Barron, A.E. Synthesis and Characterization of a New Class of Cationic Protein Polymers for Multivalent Display and Biomaterial Applications. Biomacromolecules 10, 1125‐1134 (2009).
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
12
Capítulo 2
Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas
de Oro y Plata
2.1 Introducción
La manipulación de la materia a escala nanométrica ha despertado el interés de la
comunidad científica debido principalmente a las nuevas propiedades que presenta la
materia1; así como también a las aplicaciones que se les pueden dar a los materiales
nanoestructurados en prácticamente cualquier área de investigación; sea manipulando
materiales orgánicos y/o inorgánicos2. Así también es importante recalcar que un
material nanoestructurado puede ser fabricado tanto por la naturaleza o por el
hombre3. Finalmente la tendencia actual es fabricar materiales biocompatibles, es
decir, materiales que puedan ser aplicados en la medicina. Para que un material sea
biocompatible, la primera característica a cumplir es que no sea tóxico al organismo.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
13
Actualmente se pueden fabricar nanomateriales biocompatibles; estos pueden tener
diferentes formas y tamaños; durante el desarrollo de la presente tesis nos enfocamos
a la manipulación de las propiedades ópticas de nanocorazas metálicas; las
nanocorazas metálicas a diferencia de las nanopartículas esféricas del mismo material
sus propiedades ópticas pueden ser activadas desde el visible hasta el infrarrojo
cercano.
2.2 Nanomateriales
Para comprender mejor de lo que se está tratando; antes de continuar, presentaré el
concepto de nanomateriales. En la actualidad existen diversos conceptos, la mayoría
de ellos se basan en las dimensiones del material. Dentro de estos conceptos, el que
me parece más adecuado es el siguiente:
Nanomateriales: materiales con al menos una característica longitudinal menor o
cercana a los 100 nm. Esta característica longitudinal puede ser el diámetro de una
partícula, el tamaño de grano, espesor de capa, o el ancho de una línea de conducción
en un chip electrónico4.
2.3 Origen de las propiedades ópticas de nanomateriales
Ahora nuestro principal interés es sobre las propiedades ópticas de los
nanomateriales, principalmente en las propiedades ópticas de nanopartículas de oro y
plata; así como de nanocorazas metálicas con corazas de oro o plata. Nanoestructuras
de Au son de particular interés en medicina debido a sus extraordinarias propiedades
ópticas (RPS) y químicas además de su excelente biocompatibilidad5.
Las propiedades ópticas del oro y plata nanoestructurado dependen directamente de
la resonancia de plasmón superficial (RPS)6; la RPS da origen a una extraordinaria
absorción y dispersión de la radiación electromagnética incidente.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
14
Para entender mejor la RPS, explicaré lo que es un plasmón. En Física, un plasmón es
un cuanto de la oscilación de plasma. El plasmón es una cuasipartícula resultante de la
cuantización de las oscilaciones del plasma, solo fotones y fonones son cuantizaciones
de las ondas de luz y sonido, respectivamente. Por lo tanto, los plasmones son
oscilaciones colectivas de la densidad de la nube de los electrones libres,
frecuentemente a frecuencia ópticas. Ellos también puede unirse con un fotón para
crear una tercera cuasipartícula llamada un plasma polaritón7.
Los metales pueden ser considerados como un plasma confinado de iones positivos
(constituido de núcleos y electrones núcleo los cuales son estáticos) y electrones de
conducción (libres y en movimiento). En estado neutral, la nube de iones con carga
positiva y la nube de electrones con carga negativa se traslapan entre sí. Por una
distorsión externa, por ejemplo, radiación de electrones o radiación electromagnética,
la carga de la nube es distorsionada y los electrones pierden la posición de equilibrio.
Si la densidad de electrones en una región incrementa estos mismos se repelen y
tienden a retornar a su posición original de equilibrio. Al momento de que los
electrones tratan de recuperar su posición de equilibrio, estos adquieren energía
cinética y en vez de de lograr la configuración de equilibrio, estos oscilan hacia atrás y
hacia adelante. La oscilación colectiva de los electrones de la banda de conducción en
metales en estado de excitación con la radiación electromagnética es conocida como
plasmones.
Los plasmones dan origen a una fuerte banda de absorción en el rango visible del
espectro electromagnético8. En pocas palabras, el origen de esta banda, conocida
como banda de resonancia de plasmón, es atribuida a la resonancia entre las
oscilaciones colectivas de los electrones de la banda de conducción y la radiación
incidente. Para dar originen a la RPS, se requiere de una ffrecuencia de plasmón; la luz
consiste de un campo eléctrico fluctuante que genera un campo magnético fluctuante,
que genera un campo eléctrico fluctuante etc. Cuando el campo eléctrico interactúa
con un metal, los electrones del metal oscilarán hacia atrás y hacia adelante a la
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
15
frecuencia de fluctuación (ver figura 2.1). Como resultado, la luz será reflejada. Pero,
hay una frecuencia límite en la cual los electrones pueden responder. Si las
fluctuaciones son demasiado rápidas, los electrones ya no podrán responder. Este
límite es llamado la frecuencia de plasmón, límite en el cual las interacciones electrón‐
plasma dan origen a la absorción de la energía del fotón. La frecuencia de plasmón es
responsable del color del oro en bulto. Debido a que el oro en bulto refleja el rojo de
frecuencia baja y el amarillo claro mientras absorbe el azul claro el color resultante el
color amarillo.
Figura 2.1 Imagen representativa de la oscilación colectiva de la nube de electrones al incidir un campo eléctrico sobre nanopartículas metálicas.
2.4 Propiedades ópticas de nanopartículas de oro y plata
Enfocándonos a las nanoestructuras, particularmente en nanopartículas de oro. Al
irradiar nanopartículas de oro, los electrones de la banda de conducción del oro
nanoestructurado son afectados por el campo eléctrico lo que provoca su oscilación
colectiva a una frecuencia de resonancia, la cual depende de la red de iones positivos
(posición). A esta frecuencia de resonancia, la radiación incidente es absorbida por la
nanoestructura. Algunos de estos fotones serán liberados con la misma frecuencia en
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
16
todas las direcciones, a este proceso se le conoce como dispersión. Al mismo tiempo
algunos de estos fotones serán convertidos en fonones o vibraciones de la red, a este
proceso se le conoce como absorción8.
Ya mencione el proceso de absorción y dispersión, ahora hay un concepto que
involucra los dos fenómenos, la Extinción; la extinción es la atenuación de una onda
electromagnética por dispersión y absorción al atravesar un medio específico. Para
medios homogéneos el mecanismo atenuación dominante es la absorción9.
Extinción = absorción + dispersión
Figura 2.2 Representación esquemática de la extinción de la radiación electromagnética incidente (R0). La extinción es la suma de la absorción (RA) y la dispersión (RD).
El coeficiente de extinción para nanopartículas esféricas se calcula por ecuación
derivada de la teoría de Mie5:
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
17
Por lo cual Cext tiene unidades de área (m2). La condición para que se presente la
resonancia es que ε1 = ‐2εm. cuando se cumple esta condición se obtienen colores
brillantes para varios tipos de nanopartículas metálicas; así como también cuando se
presenta la máxima absorción o dispersión de las nanopartículas esféricas.
Ahora refiriéndose a medios coloidales; particularmente de nanoestructuras de oro y
plata; como pueden observar en la figura 2.3 las nanopartículas de oro presenta su
resonancia de plasmón superficial (RPS) en el visible, entre 520 y 570 nm, en este
intervalo de frecuencias las propiedades ópticas de nanopartículas de oro se activan.
Nótese que a pesar de diferir el diámetro de la nanopartícula más pequeña con la de
mayor diámetro en un factor de 50, la posición de la resonancia de plasmón superficial
solo se desplaza 50 nm.
400 600 800
Cex
tinci
ón
Longitud de onda (nm)
2 nm 10 nm 50 nm 100 nm
Figura 2.3 Espectros de extinción calculados empleando la teoría de Mie para nanopartículas de oro de 2, 10, 50 y 100 nm.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
18
Algo muy importante a resaltar, es que al incrementar el diámetro de las
nanopartículas de oro se incrementa el fenómeno de atenuación de la radiación
electromagnética incidente debido a la dispersión, figura 2.4. Aun más, a diferencia
para nanopartículas de oro con diámetro menor a 50 nm, el coeficiente de extinción es
gobernado por la absorción; pero para nanopartículas de mayor diámetro (observe la
gráfica para φ = 100nm de la figura 2.4) el coeficiente de extinción es en mayor parte al
fenómeno de dispersión. Finalmente, el cambio en la resonancia de plasmón
superficial no es muy significativo a pesar de modificar drásticamente las dimensiones
de las nanopartículas.
300 400 500 600 700 800
Cext Csca Cabs
Cex
t, C
dis,
Cab
s
φ = 100 nm
φ = 50 nm
φ = 10 nm
Longitud de onda (nm)
φ = 2 nm
Figura 2.4 Cext, Cdis, Cabs calculados empleando la teoría de Mie para nanopartículas de oro de 2, 10, 50 y 100 nm. Observe que a menor diámetro de las nanopartículas el Cext está gobernado por la absorción, siendo la dispersión prácticamente nula; a diferencia conforme se incrementa el diámetro de la nanopartículas la atenuación de la radiación electromagnética incidente por dispersión se hace dominante.
Respecto a las nanopartículas de plata, su resonancia de plasmón superficial se
encuentra en los límites del ultravioleta y visible. Para nanopartículas de plata de
diámetro de 2 nm su RPS esta a los 385 nm, ver figura 2.5. Obsérvese también que el
ancho medio de la banda de absorción es más angosto en comparación con las
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
19
nanopartículas de oro. Y al igual que las nanopartículas de oro, a diámetros menores el
fenómeno de atenuación de la radiación electromagnética incidente es la absorción,
siendo para nanopartículas de plata de diámetro de 2 y 10 nm la dispersión
despreciable. Para nanopartículas de 50 y 100 nm, el fenómeno de atenuación de la
radiación electromagnética dominante es la dispersión. Algo muy importante a resaltar
es que a diferencia de los espectros de las nanopartículas de oro mostrados en la
figura 2.4; los espectros correspondientes a las nanopartículas de 50 y 100 nm
presentan dos bandas de absorción; este hecho se hace más notable en los espectros
correspondientes a las nanopartículas de plata de 100 nm.
Muy importante a notar; que tanto con nanopartículas de oro y plata no se puede
desplazar la posición de las banda de absorción hacia el infrarrojo. Como se puede
observar en la figura 2.4, la posición de la banda de absorción para nanopartículas de
oro cuyo diámetro difiere en factor de 50, la posición de la máxima absorción se
desplazó únicamente 25 nm; aunado a esto conforme se incrementa el diámetro de
partícula la absorción disminuye. Algo muy parecido sucede con las nanopartículas de
plata; el pico máximo de la banda de absorción de desplazó únicamente 25 nm, entre
el espectro de las nanopartículas de 2 nm y el espectro de las nanopartículas de 50 nm;
aun más al incrementar el diámetro la posición de la máxima absorción disminuyó
(espectro de las nanopartículas de plata de 100 nm de diámetro). Al igual que los
espectros de las nanopartículas de oro, la intensidad de las bandas de absorción
disminuye al incrementar el diámetro de partícula.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
20
300 400 500 600 700 800
Cex
t, C
dis,
Cab
s
φ = 100 nm
φ = 50 nm
φ = 10 nm
Longitud de onda (nm)
Cext Cdis Cabs
φ = 2 nm
Figura 2.5 Cext, Cdis, Cabs calculados empleando la teoría de Mie para nanopartículas de plata de 2, 10, 50 y 100 nm. Observe que a menor diámetro de las nanopartículas el Cext está gobernado por la absorción, siendo la dispersión prácticamente nula; en contraste, conforme se incrementa el diámetro de la nanopartículas la atenuación de la radiación electromagnética incidente por dispersión se hace dominante.
2.5 Propiedades ópticas de nanocorazas
Los resultados por la teoría de Mie presentados para nanopartículas de oro y plata nos
indican que no es posible fabricar nanopartículas esféricas de oro o de plata que
presenten banda de absorción a longitudes mayores a los 550 nm. Ahora como unos
de los objetivos durante en el desarrollo de la tesis fue sintetizar nanopartículas y/o
nanoestructuras cuyas propiedades ópticas se activen en el infrarrojo cercano,
particularmente entre 650 y 900 nm. En este intervalo los principales tejidos del
cuerpo humano presentan una ventana óptica, es decir, presentan mínima absorción
lo que permite el paso de esta energía hacia el interior del cuerpo, ver figura 2.6. Por lo
cual nanoestructuras cuyas propiedades ópticas se activen en el infrarrojo podrían
emplearse para aplicaciones médicas; particularmente en el tratamiento y/o detección
del cáncer10.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
21
Figura 2.6 Ilustración de la ventana óptica de los principales componentes de los tejidos del cuerpo humano. Obsérvese que entre 650 y 900 nm, el coeficiente de absorción es mínimo; por lo cual radiación con esta longitud de onda podría llegar a los tejidos internos del cuerpo.
Con base los cálculos obtenidos por la teoría de Mie para nanopartículas de oro y
plata, y para nanocorazas metálicas se eligió fabricar nanocorazas metálicas. Al igual
haciendo uso de la teoría de Mie; se pueden predecir las propiedades ópticas de
nanocorazas metálicas; tal como se muestra en la figura 2.7. La posición de la
resonancia de plasmón superficial puede fácilmente manipularse cambiando el
espesor de la nanocoraza de oro y/o la relación diámetro del núcleo – espesor de la
nanocoraza11.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
22
Figura 2.7 Cext calculado empleado la teoría de Mie para nanocorazas de oro. En esta gráfica se presenta el coeficiente de extinción para nanocorazas de oro a las cuales únicamente cambiando el espesor de la coraza de oro, la RPS se desplaza hasta el infrarrojo cercano.
Respecto a las propiedades de nanocorazas de plata, teóricamente estas
nanoestructuras podrían presentar su resonancia de plasmón superficial en intervalo
más amplio al de las nanocorazas de oro; además que su banda de absorción sería más
definida, esto porque la resonancia de plasmón superficial para nanopartículas de
plata se presenta desde los 385 nm, y el ancho medio de su banda de absorción es más
puntual en comparación con la de las nanopartículas de oro.
Importante mencionar que las propiedades ópticas de nanocorazas metálicas
dependen principalmente de:
o Relación entre diámetro del núcleo – espesor de la nanocoraza
o Propiedades de la superficie de la nanocoraza, tales como rugosidad, si es
completa o no, etc.
o Material de la nanocoraza
o Material del núcleo
o Diámetro del núcleo
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
23
o Espesor de la coraza metálica
o Índices de refracción, parte real (n) e imaginaria (k) de la nanocoraza y del
núcleo
o Índice de refracción del medio
o Radiación electromagnética incidente
Importante mencionar que los índices de refracción complejos son dependientes de la
frecuencia6; y para nanocoraza metálicas, debido a las dimensiones nanométricas los
índices de refracción complejos se vuelven tamaño – dependientes12‐16, es decir,
cambian respecto al espesor de la coraza.
A diferencia de las propiedades ópticas de las nanopartículas de plata que solo
dependen de:
o Diámetro de nanopartícula
o Material de la nanopartícula
o Índices de refracción, parte real (n) e imaginaria (k) de la nanopartícula
o Índice de refracción del medio
o Radiación electromagnética incidente
Como se puede apreciar se tienen más variable que influyen en las propiedades
ópticas de las nanocorazas; particularmente sobre la resonancia de plasmón
superficial.
Con base a estas predicciones por teoría de Mie se sintetizaron nanocorazas de oro y
plata, los resultados se presentan en el capítulo 3 y 4. Importante recalcar que la teoría
de Mie no siempre se ajusta a los resultados experimentales; este hecho ha permitido
y permite el desarrollo de nuevos métodos y que predigan las propiedades óptica de
nanocorazas.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 2. Propiedades Ópticas de Nanopartículas y Nanocorazas de Oro y Plata
24
2.6 Bibliografía
1. K. Lance Kelly, Coronado, E., Zhao, L.L. & Schatz, G.C. The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment. J. Phys. Chem. B 107, 668‐677 ( 2003).
2. Eduardo Ruiz‐Hitzky, Ariga, K. & Lvov, Y. (eds.). Bio‐inorganic Hybrid Nanomaterials; Strategies, Syntheses, Characterization and Applications, (WILEY‐VCH, Federal Republic of Germany, 2008).
3. Pradeep, T. Nano: the essentials; understanding nanoscience and nanotechnology, (McGraw‐Hill, United States of America, 2007).
4. Edelstein, A.S. & Cammarata, R.C. (eds.). Nanomaterials Synthesis, Properties and Applications, (IOP Publishing Ltd, Philadelphia, USA, 1998).
5. Jain, P.K., El‐Sayed, I.H. & El‐Sayed, M.A. Au nanoparticles target cancer. Nanotoday 2, 18‐29 (2007).
6. Davis, N.E., Karfeld‐Sulzer, L.S., Ding, S. & Barron, A.E. Synthesis and Characterization of a New Class of Cationic Protein Polymers for Multivalent Display and Biomaterial Applications. Biomacromolecules 10, 1125‐1134 (2009).
7. Maier, S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications, (Springer, New York, 2007). 8. Hu, M., et al. Gold nanostructures: engineering their plasmonic properties for
biomedical applications. Chem. Soc. Rev. 35, 1084–1094 (2006). 9. Bohren, C.F. & Huffman, D.R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles
(Wiley‐VCH, Germany, 2004). 10. Gu, F.X., et al. Targeted nanoparticles for cancer therapy. Nanotoday 2, 14‐21 (2007). 11. Halas, N. The Optical Properties of Nanoshells. Optics & Photonics News, 26‐30 (2002). 12. N.K. Grady, Halas, N.J. & Nordlander, P. Influence of dielectric function properties on
the optical response of plasmon resonant metallic nanoparticles. Chemical Physics Letters 399, 167–171 (2004).
13. Wu, D.J., Liu, X.J., Liu, L.L. & Qian, W.P. Third‐order nonlinear optical properties of gold nanoshells in aqueous solution. Appl. Phys. A 92, 279–282 (2008).
14. Averitt, R.D., Westcott, S.L. & Halas, N.J. Linear optical properties of gold nanoshells. J. Opt. Soc. Am. B 16, 1824‐1832 (1999).
15. Jain, P.K., Lee, K.S., El‐Sayed, I.H. & El‐Sayed, M.A. Calculated Absorption and Scattering Properties of Gold Nanoparticles of Different Size, Shape, and Composition: Applications in Biological Imaging and Biomedicine. J. Phys. Chem. B 110, 7238‐7248 (2006).
16. van Vugt, L.K., Zhang, B., Piccione, B., Spector, A.A. & Agarwal, R. Size‐Dependent Waveguide Dispersion in Nanowire Optical Cavities: Slowed Light and Dispersionless Guiding. Nano Lett. 9, 1684‐1688 (2009).
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
25
Capítulo 3
Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de plata
3.1 Introducción
Nanopartículas esféricas de plata de diferentes diámetros y por diversos métodos se
pueden sintetizar logrando muy buena homogeneidad1; ahora haciendo énfasis en las
propiedades ópticas de estas nanopartículas, tal como se muestra en la figura 3.1, las
propiedades ópticas de nanopartículas de plata con diferentes diámetros se activan en el
visible al igual que las nanopartículas de oro2 (véase figura 1.2); pero a diferencia de las
nanopartículas de oro en las cuales la posición de la resonancia de plasmón superficial se
presenta a partir de aproximadamente los 520 nm; para las nanopartículas de plata la
posición de la RPS se presenta desde los 384 nm. Por lo cual teóricamente sería posible
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
26
manipular las propiedades ópticas de nanoestructuras de plata en intervalo más amplio a
las nanoestructuras de oro3. Sabiendo que las propiedades ópticas de nanocorazas se
pueden manipular fácilmente al modificar la relación espesor de la coraza – diámetro del
núcleo se sintetizaron nanocorazas de plata con la finalidad de que estas dichas
propiedades se activen a determinada longitud de onda desde el visible hasta el infrarrojo
cercano.
300 400 500 600 700
Cex
tinci
ón
Longitud de Onda (nm)
2 nm 10 nm 50 nm 100 nm
Figura 3.1 Espectros de extinción de nanopartículas de plata de 2, 10, 50 y 100 nm de diámetro. Espectros calculados empleando la teoría de Mie.
Durante mis estudios de doctorado sintetice y caractericé nanocorazas de plata. La
fabricación de nanocorazas de plata se realizó a diferentes etapas empleando el método
de “electroless plating”4; empleando como núcleo esferas monodispersas de SiO2. Con
base a los resultados obtenidos por microscopia electrónica de transmisión y microscopia
electrónica de barrido se puede aseverar la formación de una capa uniforme de plata
sobre las nanopartículas de SiO2. Adicionalmente a esto; haciendo uso de la
espectroscopia UV‐Vis se observa claramente que la posición de la resonancia de plasmón
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
27
superficial se desplaza hacia mayores longitudes de onda, en comparación con la
resonancia de plasmón superficial de nanopartículas de plata.
3.2 Síntesis de nanocorazas de plata
Tetraetil ortosilicato (TEOS), Nitrato de plata, Cloruro de estaño, formaldehido, ácido
clorhídrico (37 %), hidróxido de amonio (28 ‐30 % de NH3 en agua) e hidróxido de sodio
fueron adquirido en Sigma‐Aldrich México y usados sin ninguna purificación adicional. En
todas las reacciones se empleo etanol y agua desionizada.
Las esferas de SiO2 de diámetro promedio de 307 nm fueron preparadas empleando el
método de Stöber5; siguiendo este método se obtuvieron partículas cuya dispersión en
tamaño fue menor al 5 %, es decir, se obtuvieron partículas homogéneas y de forma
esférica bien definida tal como se puede observar en la figura 3.2
250 275 300 325 350 3750
20
40
60
Cue
ntas
Tamaño de partícula (nm)
Esferas de SiO2
φp = 307 nmσ = 4.45 %
Figura 3.2 Imágenes representativas obtenidas por microscopia electrónica de Transmisión (TEM) a diferentes magnificaciones correspondientes a las esferas de SiO2, estas nanoesferas fueron empleadas como núcleos para la formación de las corazas de plata.
El proceso de fabricación empleado para las nanocorazas de plata incluye básicamente
tres etapas6: Etapa A, absorción de iones de estaño Sn+2 sobre la superficie de las esferas
de dióxido de silicio; Etapa B, reducción de los iones de plata Ag+ sobre los iones de estaño
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
28
Sn2+ para producir núcleos de plata de tamaño nanométrico sobre la superficie de las
nanoesferas de SiO2, dichos núcleos funcionarían como semillas para la formación de la
coraza de plata; finalmente, etapa C, la deposición de una capa densa y uniforme de plata
sobre toda la superficie de las nanoesferas. Con la el objetivo de eliminar los residuos de
reactivos e impurezas; en cada etapa del proceso de fabricación de las nanocorazas las
muestras eran lavadas por centrifugación empleando agua desionizada como solvente y
haciendo uso de una tina de ultrasonido para redispersar las muestras.
Siguiendo este procedimiento se obtuvieron las nanocorazas de plata presentadas en esta
tesis.
Se empleo un microscopio electrónico de transmisión JEOL modelo JEM‐1010 operando a
60 Kv para adquirir imágenes de las muestras preparadas para las diferentes etapas del
proceso de fabricación. Haciendo uso de un microscopio electrónico de barrido (SEM)
modelo JEOL JSM‐6390LV se realizo análisis por EDS con la finalidad de conocer los
elementos químicos presentes en la superficie de las nanopartículas de SiO2, es decir,
para corroborar la formación de la coraza de plata; así mismo, para estudiar el cambio en
la absorbancia se empleo un espectrofotómetro mara SHIMATZU UV‐3101PC operado en
el intervalo de 190 a 1100 nm. Durante todo el proceso de fabricación de las nanocorazas
de plata se monitorio las soluciones preparadas por espectroscopia UV‐Vis.
3.3 Análisis y discusión de resultados
3.3.1 Análisis por microscopia electrónica de transmisión, TEM.
En la figura 3.3 se muestran imágenes a diferentes magnificaciones obtenidas por TEM,
estas imágenes corresponden a las nanoesferas de SiO2 con iones Sn2+ sobre su superficie,
a esta muestra la denominamos SiO2@Sn2+. Claramente se puede observar que la
superficie de las nanoesferas de SiO2 cambia debido a los iones de Sn2+. Aunque
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
29
estrictamente hablando en estas imágenes los iones de Sn2+ no pueden ser visualizados a
estas magnificaciones, solo se puede apreciar que la solución de SnCl2 con HCl erosionó la
superficie. Para fundamentar lo anterior se midieron diferentes nanoestructuras
SiO2@Sn2+ para poder realizar su histograma de distribución de tamaño así como
determinar el diámetro promedio, tal como se puede observar en la figura 3.3.A y
comparando los diámetros promedio de SiO2 y SiO2@Sn2+, se concluye que las
nanoestructuras SiO2@Sn2+ son de menor diámetro a las nanopartículas puramente de
SiO2 por aproximadamente 7 nm.
Figura 3.3 Imágenes por TEM características de las nanoesferas de SiO2 con iones de Sn
2+
absorbidos sobre la superficie a diferentes magnificaciones. A estas estructuras las denominamos SiO2@Sn2+.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
30
225 250 275 300 325 350 3750
2
4
6
Cue
ntas
Tamaño de partícula (nm)
SiO2@Sn2+
φ = 300 nmσ = 9.97 %
Figura 3.3.A Histograma de distribución de tamaño de las nanoestructuras denominadas.SiO2@Sn2+. Nótese y comparece el diámetro promedio entre las nanoesferas de SiO2 y las nanoestructuras SiO2@Sn2+; este último es menor debido a la erosión de las nanoesferas de SiO2.
Una vez que se tenían las nanoestructuras SiO2@Sn2+ estas fueron mezcladas con una
solución acuosa concentrada de nitrato de plata amoniacal durante 60 min, después
fueron lavadas con agua desionizada por cinco veces, de esta solución coloidal se
vertieron una gotas en una rejilla TEM de cobre; esta rejilla fue examinada en el
microscopio electrónico de transmisión. En la figura 3.4 se muestran micrografías
representativas de esta muestra. A partir de estas imágenes TEM es fácilmente observar
una capa granular – porosa sobre la superficie de las esferas de silica. Por lo cual podemos
concluir que aun no la formación de la coraza de plata uniforme y densa sobre la
superficie.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
31
Figura 3.4 Imágenes típicas por TEM a diferentes magnificaciones de nanoesferas de SiO2 con núcleos de plata reducidos sobre la superficie. A esta muestra la denominamos SiO2@NP Ag.
Finalmente en la figura 3.5 se muestran imágenes de nanoesferas de dióxido de silicio con
coraza de plata sobre su superficie. En contraste con las micrografías mostradas en la
figura 3.4, la capa de plata sobre la superficie es compacta y más uniforme, lo cual era el
principal objetivo de la etapa C del proceso de fabricación de las nanocorazas de plata, en
dicha etapa, las nanoestructuras denominadas SiO2@NP Ag se pusieron en reacción
durante 24 horas en una solución diluida de plata. El propósito de esta etapa es completar
la coraza de plata a velocidad lenta, la velocidad lenta de reacción nos permitió completar
la coraza lentamente, por lo cual los poros presentes en las nanoestructuras SiO2@NP Au
se fueron rellenando; además el emplear una solución de plata diluida contribuye también
a la formación de corazas más finas; aunado a esto el tiempo de reacción de 24 horas
permite ir incrementando el espesor de la coraza gradualmente, todo esto contribuye a
obtener nanocorazas de plata de mejor calidad.
Como se tiene la formación de nanoestructuras cuyo material del núcleo es
completamente diferente al material de la nanocoraza y con la finalidad de investigar la
estabilidad de estas nanoestructuras; durante el proceso de lavado de las nanocorazas de
plata se estudio el efecto de las vibraciones ultrasónicas producidas en la tina ultrasónica
en la cual se redispersaban las nanocorazas de plata en el solvente, siendo este agua o
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
32
etanol. Para esto, una muestra coloidal de nanocorazas de plata de 50 ml fue dividida en
tres partes equivalentes; una muestra de estas no fue lavada, esto con la finalidad no
alterar las características finales de las nanocorazas después de ser sintetizadas, por lo
cual esta muestra no serviría como control; las otras dos muestras fueron lavadas con
agua desionizada; pero el método de redispersión fue diferente; una fue redispersada
empleando agitación manual y la otra haciendo uso de la tina de ultrasonido.
Las micrografías mostradas en la figura 3.5 pertenecen a la muestra control, es decir, a la
muestra que no se le realizó el proceso de lavado. Póngase especial atención en las
características de la superficie de las nanocorazas, dichas características serán
comparadas con las otras dos muestras.
Figura 3.5 Imágenes típicas por TEM de las nanoestructuras formadas empleando nanoesferas de SiO2 como núcleo y a las cuales se le creció una capa de plata sobre su superficie. A estas nanoestructuras las denominamos SiO2@Ag.
Se tomaron buen número de imágenes por TEM de todas las muestras; en la figura 3.6 se
exhiben imágenes características de la muestra de nanocorazas de plata, esta muestra fue
lavada cinco veces para eliminar cualquier material contamínate; y en el proceso de
redispersión de la muestra se empleo agitación manual.
A partir de un análisis detallado de las micrografías obtenidas se encontró que la
nanocoraza de plata de la muestra que no fue lavada es más granular y aparentemente
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
33
tiene mayor número de nanopartículas de plata sobre la superficie en comparación con
las muestras que fueron lavadas. Adicionalmente a esto, la muestra no lavada presenta
algunos trazos de material residual tal como se puede apreciar en la figura 3.5 los cuales
difícilmente se encuentran en las micrografías de las muestras lavadas cuyas micrografías
se presentan en la figura 3.6 y 3.7.
Figura 3.6 Imágenes características por TEM de las nanoestructuras SiO2@Ag a diferentes magnificaciones. Estas imágenes corresponden a la muestra lavada con agua desionizada y empleando agitación manual para redispersar las nanocorazas durante el proceso de lavado.
La figura 3.7 contiene imágenes TEM representativas de las nanocorazas de plata
correspondientes a la muestra que fue lavada y empleando la tina de ultrasonido para
redispersar las nanocorazas en el agua; en contraste con las micrografías mostradas en la
figura 3.6 la nanocorazas de platas son menos granulares por lo que la superficie aun es
más lisa en comparación con las nanocorazas obtenidas de la muestra no lavada y la
muestra lavada y redispersada manualmente, aunado a esto aun es más difícil encontrar
material residual cerca de la superficie de las nanoestructuras. Así también la forma
esférica está bien definida. Adicionalmente a estas observaciones, una característica
particular es observada a diferencia de las otras dos muestras. Alrededor de las
nanocorazas de plata se pueden apreciar pequeños puntos negros. Estos pueden ser
atribuidos a pequeñas nanopartículas de plata las cuales pudieron haberse desprendido
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
34
de la superficie de la nanocoraza por el método de redispersión de la muestra, para este
caso por las frecuencias ultrasónicas generadas en la tina de ultrasonido.
Figura 3.7 Micrografías representativas obtenidas por TEM de la muestra con configuración SiO2@Ag. Estas imágenes pertenecen a la muestra que fue lavada con agua desionizada y redispersada haciendo uso de una tina de ultrasonido.
A partir de las micrografías por TEM obtenidas de las nanocorazas de plata se obtuvieron
los histogramas de distribución de tamaño así como el diámetro promedio y la desviación
estándar, tal como se muestra en la figura 3.8. Estos histogramas revelan un incremento
en el diámetro promedio final, entre 12 y 16 nm, en comparación con el diámetro
promedio de la muestra con configuración SiO2@Sn2+ y el de las nanocorazas de plata,
SiO2@Ag.
250 300 350 4000
5
10
Cue
ntas
Tamaño de partícula (nm)
SiO2@Ag sin proceso de lavado
φ = 312 nmσ = 9.13%
250 300 350
0
5
10
Cue
ntas
Tamaño de partícula (nm)
SiO2@Ag lavada y redispersada manualmente
φ = 313 nmσ = 6.33%
250 300 350 4000
20
40
Cue
ntas
Tamaño de partícula (nm)
SiO2@Ag lavada haciendo uso del ultrasonidoφ = 316 nmσ = 5.93%
Figura 3.8 Histogramas de distribución de tamaño con dinámetro promedio y desviación estándar,los cuales fueron obtenidos a partir de las imágenes por TEM pertenecientes a
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
35
las nanoestructuras SiO2@Ag. El histograma posicionado a la izquierda pertenece a la muestra que no se le realizó el proceso de lavado; el histograma del centro pertenece a la muestra que fue lavada y aplicando agitación manual moderada para redispersar, y el último pertenece a la muestra que fue lavada y redispersada haciendo uso de la tina de ultrasonido.
3.3.2 Análisis por EDS
Diferentes tipos de análisis por EDS fueron realizados hacienda uso del microscopio
electrónico de barrido, SEM; en la figura 3.9 se muéstralos resultados por EDS sobre un
punto cercano a la superficie de la nanoestructura. Como se muestra en la tabla de la
figura 8 se detectaron diferentes elementos químicos. Como nuestra muestra a analizar
fue depositada sobre una rejilla TEM de cobre con película de carbón en el espectro
procesado aparece el C y el Cu; así también hay una pequeña señal de S, la cual tal vez se
deba a la contaminación de la cámara del microscopio. Finalmente y de especial
importancia para nuestro trabajo se observa notablemente la presencia de O, Si, Ag y Sn.
Este análisis por EDS confirma la presencia de plata sobre la superficie de las nanoesferas
de dióxido de silicio; además de que también hay presencia de estaño, el cual se deposito
durante la etapa A del proceso de fabricación de las nanocorazas de plata.
Procesamiento del espectro Elemento % Peso % Atómico
C K 51.12 65.56 O K 30.71 29.57 Si K 4.10 2.25 S K 0.49 0.24 Cu K 4.85 1.17 Ag L 5.35 0.76 Sn L 3.38 0.44 Total 100
Sin omitir picos
Figura 3.9 Micrografía obtenida por SEM de la nanoestructura con configuración
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
36
SiO2@Ag. En la tabla posicionada a la derecha se muestra los resultados por EDS sobre un punto cercano a la superficie de la nanoestructura.
Adicionalmente al análisis puntual por EDS, se realizó análisis lineal por EDS, dicho análisis
también corrobora la presencia de una coraza de plata sobre la superficie de las
nanoesferas de SiO2; tal como se puede observar en la figura 3.10, las líneas en color rojo
representan la presencia de plata sobre la nanoesfera de SiO2.
Figura 3.10 Micrografía obtenida por SEM correspondiente a la nanoestructura SiO2@Ag. La gráfica de la derecha es su correspondiente resultado de análisis por EDS lineal; las líneas de color rojo indican la presencia de plata.
Finalmente se presentan los resultados de EDS sobre un área cuadrada sobre una
nanocoraza de plata, tal como se puede apreciar en la micrografía de la figura 3.11. Este
tipo de análisis nos da un argumento más fuerte sobre la presencia de la coraza de plata
sobre toda la superfie se las esfera de dióxido de silicio. Adicionalmente, la variedad de
resultados por EDS revelan la presencia de Sn, esto debido a los iones Sn2+ absorbidos
sobre la superficie de la silica que antecedieron a la formación de la nanocoraza de plata.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
37
Figura 3.11 Imagen por SEM de las nanocorazas de plata con su respectivo análisis por EDS sobre una superficie; la superficie examinada corresponde al área comprendida dentro del recuadro de líneas de color rosa; las cuatro pequeñas imágenes a la derecha de la micrografía corresponden a los resultados de EDS debido a la presencia de Si, O, Sn y Ag en las nanocorazas; los puntos de color en estas imágenes representan la presencia de cada elemento químico examinado.
3.3.3 Análisis por Espectroscopia UV‐Vis
Durante todo el proceso de fabricación de las nanoestructuras núcleo – coraza de
configuración SiO2@Ag se analizó cada etapa por espectroscopia UV‐Vis, esto con la
principal finalidad de observar cualquier cambio en la absorbancia de la muestra
sintetizada, así como también del efecto del método de lavado sobre esta. Tal como se
muestra en la figura 3.12, las nanopartículas puramente de SiO2 y las nanopartículas de
SiO2 con iones de Sn2+ absorbidos sobre la superficie no presenta ninguna banda de
absorción en la región examinada; lo cual contrasta claramente con los espectros de
absorbancia de las nanopartículas de SiO2 con nanocoraza de plata sobre su superficie; las
cuales presentan una fuerte banda de absorción. Además, se realizó un análisis detallado
en los espectros de absorbancia con la finalidad de investigar el efecto del método de
lavado, principalmente sobre la técnica empleada para redispersar la muestra. Las curvas
B y C de la figura 3.12 corresponden a los espectros de absorbancia de las muestra
SiO2@NP Ag no lavada y SiO2@NP Ag lavada y empleando la tina de ultrasonido para
Ag La1 Sn La1 O Ka1 Si Ka1
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
38
redispersar las muestra. Los espectros muestran un desplazamiento significativo hacia
menores longitudes de onda de la posición de la banda de absorción, en este caso
alrededor de 25 nm de desplazamiento; esto tal vez se deba a que algunas nanopartículas
de plata son desprendidas de la superficie de la coraza debido al proceso de lavado y
redispersión de la muestra. Percatándonos de este cambio en el desplazamiento de la
banda de absorción durante el proceso de fabricación de las nanocorazas de plata; la
muestra obtenida al final del proceso de síntesis, es decir, la muestra de nanocorazas de
plata, SiO2@Ag, fue dividida en tres porciones iguales y sus correspondientes espectros de
absorbancia son mostrados también en la figura 3.12, curvas D, E y F. El espectro de la
curva D, corresponde a la muestra coloidal SiO2@Ag sin lavar; el espectro de la curva E
pertenece a la muestra SiO2@Ag lavada y redispersada empleando agitación manual
moderada; finalmente el espectro de la curva F pertenece a la muestra SiO2@Ag lavada y
redispersada en cada etapa de lavado en una tina de ultrasonido. Es obvio el
desplazamiento hacia menores longitudes de onda de la posición de la banda de absorción
de las muestras SiO2@Ag lavadas, en comparación con la muestra SiO2@Ag sin lavar; la
muestra SiO2@Ag sin lavar, espectro de absorbancia D, manifiesta su banda de absorción
con posición máxima en 507 nm divergiendo del pico máximo de la banda de absorción de
las muestras que fueron lavadas. Además, dependiendo de la técnica empleada para
redispersar la muestra también hay corrimiento de la banda de absorción, (véase
espectros de absorbancia E y F) esto tal vez se deba a un incremento de nanopartículas de
plata desprendidas de la superficie, y aparentemente haciendo uso de la tina ultrasónica
para redispersar la muestra se causa mayor desprendimiento de nanopartículas de plata;
esta suposición también pudo ser confirmada a partir de la micrografías por TEM
obtenidas de dicha muestra, (ver figura 3.7) en las imágenes se observaba la presencia de
pequeños puntos negros cerca de las nanoestructuras SiO2@Ag, los cuales, todo indica, se
deben a la presencia de nanopartículas de plata.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
39
Los espectros de absorbancia D, E y F presentan bandas de absorción cerca de los 300 nm,
estas bandas de absorción pueden deberse a la presencia de moléculas inestables
formadas durante el proceso de fabricación. Para analizar la estabilidad de las muestras
después de varios días, se volvieron a obtener los espectros de absorbancia a los 30 días
después de obtener las nanocorazas de plata. Tal como se muestra en la figura 3.13, se
aprecia un corrimiento entre 3 y 21 nm hacia menores longitudes de onda en todas las
muestras; con base a los resultados, la muestra SiO2@Ag que no fue lavada muestra ser la
más estable. Adicionalmente a esto, las pequeñas bandas de absorción presentes
alrededor de los 300 nm ya no están presentes (compárense los espectros de las figura
3.12 y 3.13).
300 400 500 600 700 800
Abs
orba
ncia
Longitud de onda (nm)
A B, 492 nm C, 467 nm D, 507 nm E, 481 nm F, 466 nm
Figura 3.12 Espectros de absorbancia de las muestras SiO2@Sn2+, SiO2@NP‐Ag y SiO2@Ag, indicando la posición de máxima de la banda de absorción. Curva (A): espectro de absorbancia correspondiente a las nanopartículas de SiO2 con iones Sn
2+ absorbidos sobre la superficie, nanoestructuras tipo SiO2@Sn2+. Curva (B): espectro de absorbancia de las nanoesferas de SiO2 con núcleos de plata reducidos sobre su superficie, SiO2@NP‐Ag, muestra sin lavar. Curva (C): espectro de absorbancia de las nanoesferas de SiO2 con núcleos de plata reducidos sobre su superficie, SiO2@NP‐Ag, muestra lavada y redispersada empleando la tina de ultrasonido. Curva (D): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra sin lavar. Curva (E): espectro de absorbancia de
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
40
las nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra lavada y redispersada con agitación manual moderada. Curva (F): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra lavada y redispersada haciendo uso de la tina de ultrasonido.
300 400 500 600 700 800
Abs
orba
ncia
Longitud de onda (nm)
2D, 504 nm 2E, 460 nm 2F, 454 nm
Figura 3.13 Espectros de absorbancia correspondientes a las nanocorazas tipo SiO2@Ag obtenidos a los 30 días después de sintetizar dichas estructuras. Curva (2D): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra sin lavar. Curva (2E): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra lavada y redispersada con agitación manual moderada. Curva (2F): espectro de absorbancia de las nanoestructuras tipo SiO2@Ag, muestra lavada y redispersada haciendo uso de la tina de ultrasonido.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 3. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Plata
41
3.4 Bibliografía
1. Brenier, R. Silver Nanoparticle Oxide Coating via a Surface‐Initiated Reduction Process. J. Phys. Chem. C 113, 1758‐1763 (2009).
2. Koh, A.L., et al. Electron Energy‐Loss Spectroscopy (EELS) of Surface Plasmons in Single Silver Nanoparticles and Dimers: Influence of Beam Damage and Mapping of Dark Modes. ACS Nano 3, 3015‐3022 (2009).
3. Jackson, J.B. & Halas, N.J. Silver Nanoshells: Variations in Morphologies and Optical Properties. J. Phys. Chem. B 105, 2743‐2746 (2001).
4. Miyoshi, K., Aoki, Y., Kunitake, T. & Fujikawa, S. Facile Fabrication of Silver Nanofin Array via Electroless Plating. Langmuir 24, 4205‐4208 (2008).
5. Stöber, W., Fink, A. & Bohn, E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range. J. Colloid Interface Sci. 26, 62‐69 (1968).
6. Dong Chena, et al. A general method for synthesis continuous silver nanoshells on dielectric colloids. Thin Solid Films 516, 6371‐6376 (2007).
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
42
Capítulo 4
Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
4.1 Introducción
Nanocorazas de oro pueden diseñarse para que absorban energía cuya longitud de
onda sea en el infrarrojo cercano1, particularmente entre los 600 – 900 nm; en este
intervalo los principales componentes del tejido del cuerpo humano presenta lo que se
le conoce como ventana óptica2. Entre los 600 y 900 nm el tejido presenta un mínimo
de absorción de energía, lo que da como resultado que la energía en este intervalo de
longitud de onda pueda penetrar al interior del cuerpo. Esta energía podría ser
empleada para que nanoestructuras la absorban o la dispersen y estas puedan ser
empleadas en aplicaciones médicas3.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
43
Las nanocorazas son altamente sensibles a la relación diámetro del núcleo – espesor
de la coraza, por lo cual, estas nanoestructuras pueden sintetizarse para que absorban
determinada energía desde el visible hasta el infrarrojo cercano4.
La síntesis de las nanocorazas de oro requiere de un procedimiento metódico5‐6. La
limpieza y control en la cantidad de los reactantes influyen fuertemente en los
resultados; sin el control adecuado de cada uno de los parámetros de crecimiento
podría ocasionar estructuras no deseadas.
A continuación se describe el procedimiento experimental desarrollado para la síntesis
de nanocorazas de oro con resonancia de plasmón superficial desde el visible hasta el
infrarrojo cercano.
4.2 Parte Experimental
Materiales; Tetraetil ortosilicato, biftalato, hidróxido de amonio, etanol, metanol,
borohidruro de sodio, fosfato, cloruro de oro, 3‐Aminopropiltrietoxisilano, borato,
carbonato de potasio, ácido clorhídrico. Todos los materiales fueron adquiridos con
una pureza mayor al 97 % en Sigma‐Aldrich México.
Para la síntesis de las nanocorazas de oro presentadas en esta tesis se requieren
básicamente de cuatro etapas, ver figura 4.1. Primer etapa, síntesis de pequeñas
nanopartículas de de oro cuyo diámetro deseado es de 2‐3 nm; para ello se empleo el
borohidruro de sodio como reductor, el cual provoca la formación de partículas cuyo
diámetro está entre 2 y 5 nm. Segunda etapa, síntesis y funcionalización de
nanopartículas de dióxido de silicio, SiO2, estas nanopartículas fueron sintetizadas
siguiendo el método desarrollado por Stöber y Fink; en el cual variando únicamente la
concentración del hidróxido de amoniaco a la solución preparada genera
nanopartículas de SiO2, cuyo diámetro pudo ser controlado entre 50 y 600 nm. Tercer
etapa, incorporación de las nanopartículas de oro sobre la superficie de las
nanoesferas de SiO2; para esto, las nanoesferas de SiO2 previamente funcionalizadas se
mezclaron con las nanopartículas de oro, las nanopartículas de oro se acoplaron a
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
44
grupo funcional NH2. Finalmente, cuarta etapa, crecimiento de las nanopartículas de
oro depositadas sobre la superficie de las nanoesferas de SiO2 a través de las
incorporación de las nanoestructuras SiO2@NP Au en una solución rica en oro, con la
cual las nanopartículas de oro incrementaron en tamaño originando la formación de la
coraza de oro sobre la superficie de las nanopartículas de SiO2, a estas nanoestructuras
finalmente obtenidas se les conoce como nanocorazas de oro (gold nanoshells).
Figura 4.1 Ilustración de las cuatro etapas para la formación de las nanocorazas de oro. Los viales ilustran la apariencia física las nanoestructuras en solución coloidal.
4.3 Análisis y discusión de resultados
4.3.1 Nanopartículas de oro
Para lograr sintetizar nanocorazas de oro es necesaria la incorporación de pequeñas
nanopartículas de oro sobre la superficie de las nanoesferas de SiO2, las cuales servirán
como núcleos catalizadores para la formación de la coraza de oro. Para ello es
necesaria la síntesis de nanopartículas de oro cuyo diámetro sea menor a 5 nm;
pequeñas nanopartículas de oro darán como resultado nanocorazas menos rugosas y
menos porosas a diferencia de emplear nanopartículas grandes (mayores de 5 nm).
NP de Au
SiO2@NH2
SiO2@NP Au
SiO2@Au
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
45
Con nanopartículas de oro de diámetro mayor a 5 nm podrían generarse nanocorazas
altamente polidispersas y cuya forma esperada sería menos esférica. Para obtener
nanocorazas homogéneas de forma esférica es deseable que las nanopartículas de oro
sean monodispersas y preferentemente esféricas.
En la figura 4.2 se presenta una micrografía representativa obtenida por microscopia
electrónica de transmisión; así mismo se presenta el histograma de distribución para
esta muestras junto con el diámetro promedio y desviación estándar. Como es
conocido, muestras de nanopartículas de menor diámetro tienden a presentar
desviación estándar mayor; este hecho es claramente observable tanto en la
micrografía como en la desviación estándar obtenida (> 10 %) para las nanopartículas
de oro. Es importante mencionar que para obtener diámetro menor en las muestras
de nanopartículas de oro es necesario emplear reductores fuertes, razón por la cual se
eligió al borohidruro de sodio, el cual casi instantáneamente reduce el Au+3 a oro
metálico; y como resultado de la velocidad de reacción se obtiene nanopartículas de
menor diámetro. A diferencia de diferentes artículos publicados referentes a la síntesis
de nanocorazas de oro, en los cuales usan diferentes reductores y dejan reposar las
nanopartículas de oro entre 2 y 3 semanas a baja temperatura (2‐3 oC), las muestras de
que se prepararon fueron empleadas inmediatamente después de su fabricación. Lo
cual reduce considerablemente el tiempo de espera para la obtención de las
nanocorazas de oro.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
46
1 2 3 4 5 60
50
φ = 2.6 nmσ = 31.5 %
Num
. de
partí
cula
s
Tamaño (nm)
Figura 4.2 Micrografía por MET de las nanopartículas de oro e histograma junto con diámetro (φ) promedio y desviación estándar (σ).
Para asegurarse que las nanopartículas obtenidas eran de oro, con ayuda del
microscopio electrónico de transmisión se obtuvieron diferentes patrones de
difracción de las nanopartículas sintetizadas. En la figura 4.3 se presenta un patrón de
difracción característico de las nanopartículas de oro sintetizadas.
Figura 4.3 Patrón de difracción indexado correspondiente a las muestras de oro sintetizadas las cuales fueron empleadas en la superficie de las nanoesferas de SiO2 como núcleos de crecimiento para la formación de la coraza de oro.
A partir del patrón de difracción se corrobora la composición de las nanopartículas. Las
nanopartículas presentan estructura cristalina cúbica centrada en las caras. Los anillos
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
47
de difracción fueron medidos e indexados de acuerdo a las reglas de selección. Para
ello se empleo la relación fundamental en un patrón de difracción,
Rd=λL
donde R, es la distancia, d distancia interplanar, y λL es constante7.
Siguiendo esta relación se pudieron identificar cinco anillos de difracción
correspondientes a la familia de planos, 111, 200, 220, 311 y 222 correspondientes a la
estructura cristalina cúbica tipo FCC. Con base a la forma de los anillos en el patrón de
difracción; el cual está formado por anillos continuos se puede concluir que las
nanopartículas de oro son policristalinas y con tamaño de grano es muy fino.
4.3.2 Nanopartículas de SiO2
Nanopartículas de dióxido de silicio de diferentes diámetros fueron sintetizadas para
ser empleadas como núcleos de las nanocorazas de oro. Se eligió emplear a las
nanopartículas de SiO2 como material dieléctrico debido a que pueden fabricarse a
nivel nanométrico con dispersión en tamaño muy estrecha, menor al 10 %; así como a
la forma esférica bien definida de las mismas. Adicionalmente, el SiO2 es un material
inerte, por lo cual este material en principio no presentaría algún obstáculo para que
las nanocorazas se pudieran introducir en el cuerpo para aplicaciones médicas.
Con el objetivo de tener un mejor control en las propiedades de las nanopartículas de
SiO2, se estudio el efecto de la concentración, cantidad de preparación de muestra y
condiciones de adición de reactantes en la morfología, diámetro y homogeneidad del
diámetro de las nanopartículas coloidales de SiO2.
Utilizando el método de hidrólisis de Stöber, se sintetizaron tres diferentes grupos
de muestras de SiO2, G1, G2 y G3. En todos los grupos se utilizó al TEOS como
precursor de SiO2, al hidróxido de amonio como catalizador de la reacción de hidrólisis;
como solventes se utilizó metanol, etanol y butanol. Las reacciones se realizaron
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
48
utilizando reactores de vidrio con un volumen 100 ml y 500 ml, bajo agitación vigorosa,
a temperatura ambiente y bajo atmosfera de nitrógeno.
La síntesis de las muestras de sílice del primer grupo G1 se inicio mezclando
metanol y butanol a una razón volumétrica de 4:1 para obtener un volumen final de 60
ml. A esta solución, se le mezclaron diferentes volúmenes de NH4OH: 10.00, 6.50, 3.00,
1.50, 0.75 y 0 ml para estudiar su efecto de concentración en el crecimiento y
consecuentemente en las propiedades de las partículas obtenidas. A cada una de las
mezclas, se les adicionó simultáneamente una cantidad de 0.5 ml de TEOS originando
las muestras A1, B1, C1, D1, y E1. Al momento de mezclar estas soluciones, se inicia la
reacción de hidrólisis y condensación del TEOS. En todas las muestras se mantuvo
constante el contenido de agua. La reacción fue puesta en agitación y a temperatura
ambiente por 12 h para garantizar la hidrólisis completa del TEOS. Al término de la
reacción, cada dispersión coloidal fue centrifugada y redispersada a la misma
concentración cinco veces empleando agua desionizada y etanol como solvente para
limpiarlas de los residuos químicos.
Para la síntesis del segundo grupo de muestras G2, se utilizaron las mismas
concentraciones de reacción de las muestras G1, excepto que la cantidad de muestra
preparada aumento a 500 ml. Se realizó una cuantificación del efecto de la cantidad de
muestra preparada en las propiedades de las partículas de SiO2 obtenidas.
En el último conjunto de experimentos, el grupo G3, partículas de SiO2 fueron
sintetizadas utilizando el método de crecimiento sucesivo o semilla. En este método,
inicialmente se prepararon dos dispersiones coloidales de SiO2 con tamaños promedios
de partícula de 65 y 88 nm (muestra S1 y S2, respectivamente) siguiendo el mismo
procedimiento de preparación de las muestras G1 utilizando 1.0 y 1.5 ml de hidróxido
de amonio, respectivamente. Posteriormente a 60 ml de la dispersión coloidal S1, se le
adicionó de manera sucesiva (100 µl por minuto) una solución alcohólica de TEOS (10
ml de TEOS en 50 ml de etanol) originando la muestra S1A. Después de haber sido
agregada toda la solución alcohólica de TEOS a la dispersión semilla, la solución
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
49
reactante se mantuvo en agitación por 12 hrs a temperatura ambiente. De manera
similar; a la muestra S2, se le adicionó de manera sucesiva una solución alcohólica de
TEOS (5 ml de TEOS en 25 ml de etanol). Finalmente las dispersiones obtenidas, fueron
lavadas y centrifugadas de la misma manera que las muestras del grupo G1.
Figura 4.4 Micrografías por MET correspondientes a las muestras de SiO2 del grupo G1 preparadas con diferentes volúmenes de NH4OH: A1: 10.00 ml, B1: 6.50 ml, C1: 3.00, D1: 1.5 ml y E1: 0.75 ml.
0
30 φ=320 nmσ=5.0 %
A1)
0
30
Núm
ero
de p
artíc
ulas
Tamaño (nm)
B1)φ=283 nmσ=5.8 %
0
30 C1)φ=166 nmσ=8.3 %
0
30
D1) φ=61 nmσ=16.4 %
0 100 200 300 4000
30 E1) φ=22 nmσ=17.1 %
Figura 4.5 Histogramas de distribución de tamaño de nanoesferas de SiO2 del grupo G1 preparadas con diferentes volúmenes de NH4OH: A1: 10.00 ml, B1: 6.50 ml, C1: 3.00, D1: 1.5 ml y E1: 0.75 ml. Del ajuste Gaussiano de los correspondientes histogramas, se estimo el tamaño promedio (φ) y desviación estándar (σ) de las nanoesferas.
En la figura 4.4 se muestran micrografías representativas obtenidas por microscopia
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
50
electrónica de transmisión de las muestras correspondientes al grupo G1. Partículas de
escala nanométrica y con forma esférica son claramente observadas en las
micrografías. Independientemente de la concentración de NH4OH utilizada durante la
síntesis, la forma esférica de las partículas es conservada. De las micrografías por MET
(no presentadas) de las muestras preparadas en ausencia de NH4OH, no fue posible
observar la formación de partículas de sílice. Por lo que la presencia del hidróxido de
amoniaco es indispensable para catalizar la formación de partículas. Otra característica
observable en las micrografías por MET es un incremento a la tendencia de la forma
esférica conforme el contenido del hidróxido de amonio se aumenta. Además existe
una mayor tendencia a la aglomeración con la disminución del tamaño de las
partículas.
De los histogramas de distribución de tamaño, figura 4.5, se percibe que el tamaño
de las partículas es fuertemente dependiente del contenido de NH4OH. Un aumento en
su concentración genera un mayor diámetro de las nanoesferas. El diámetro promedio
disminuye de 320 a 22 nm cambiando simplemente el contenido de NH4OH de 10 a
0.75 ml. Así, variando la concentración de hidróxido de amoniaco en la solución
reactante es posible controlar el diámetro de las nanoesferas de sílice. De los valores
de las desviaciones estándar (σ), es claro observar que a mayores concentraciones de
hidróxido de amoniaco se obtienen partículas esféricas más homogéneas (σ < 10 %).
Estos resultados son consistentes con trabajos anteriores publicados.
Las micrografías por MET de las partículas de SiO2 preparadas a volúmenes mayores,
grupo G2, se presentan en la figura 4.6. Con base al análisis de las micrografías se
percibe que no existe diferencia apreciable en la morfología, tamaño y dispersión de
las partículas con respecto a las preparadas a bajas cantidades (G1). Por lo cual, el
volumen de la reacción preparada no tiene influencia apreciable en las propiedades
finales de las nanoesferas de SiO2.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
51
Figura 4.6 Imágenes por MET correspondientes al grupo de muestras G2; muestras A2, B2, C2, D2 y E2 de SiO2 preparadas con un volumen de reacción de 500 ml bajos las mismas concentraciones molares de las muestras del grupo G1.
En la figura 4.7, se muestran las micrografías por MET correspondientes a las
muestras del grupo G3; y sus correspondientes histogramas de distribución de
tamaño. Las muestras S1 y S2 fueron empleadas como “semillas” para la obtención de
las muestras S1A y S2A. Los histogramas revelan un tamaño promedio de 65 y 88 nm
para las muestras S1 y S2, respectivamente. Todas las muestras presentan
homogeneidad menor al 10 %. Con la adición sucesiva de la solución alcohólica de
TEOS, la forma esférica de las partículas se conserva. El tamaño promedio de las
muestras S1A y S2A se incremento a 95 y 120 nm, respectivamente. Pero se puede
observar mayor rugosidad superficial acompañada de indicios de formación de nuevos
núcleos o material residual de SiO2. Estas características superficiales pueden deberse
al producto de la colisión y a la enorme diferencia en tamaño entre los nuevos núcleos
de SiO2 que se forman y las nanopartículas “semillas” presentes en la solución. Así
como también a la adherencia de nuevas partículas de SiO2 sobre la superficie de las
nanopartículas semilla.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
52
0
20
40 S2)φ=88 nmσ=8.9 %
0 50 100 1500
20S2A)
φ=120 nmσ=7.6 %
Tamaño (nm)
0
20
40 S1)φ=65 nmσ=9.5 %
Núm
ero
de p
artíc
ulas
0
10
20 S1A)φ=95 nmσ=9.4 %
Figura 4.7 Micrografías por MET y sus correspondientes histogramas de distribuciones de tamaño de las muestras S1, S2 (semillas); S1A y S2A (crecidas empleando S1 y S2, respectivamente, por el método de crecimiento sucesivo).
Finalmente en la figura 4.8, se presentan espectros FTIR representativos de las
muestras preparadas bajo las condiciones experimentales en cada grupo de muestras.
Como se puede observar no hay cambio perceptible entre los. Las muestras de SiO2
preparadas presentan bandas intensas de absorción las cuales son asociadas a las
vibraciones del grupo Si‐O en modo de vibración tipo estiramiento, doblez y de
movimiento. Se puede observar en los espectros valles de absorción en 3400, 2350,
1630, 1200, 1100, 960, 800 y 470 cm‐1. Los valles en 1100, 8000 y 470 cm‐1 son
producto de los enlaces Si‐O en las nanoesferas de SiO28‐10. La fuerte banda de
absorción en 1100 cm‐1 se puede atribuir al enlace Si‐O en modo de vibración tipo
estiramiento; mientras los dos valles en 800 y 470 cm‐1 se deben a la vibración en
modo de doblez para los enlaces O‐Si‐O y Si‐O‐Si. Adicionalmente, hay una banda de
absorción en el infrarrojo relacionada con la presencia de agua en el SiO2. La banda en
3400 cm‐1 es atribuida al enlace O‐H en el modo de vibración tipo estiramiento en
estructuras Si‐OH y H2O. Hay una banda más en 2350 cm‐1 la cual es atribuida al grupo
CO2. La banda a 1200 cm‐1 cercana al valle de absorción en 1100 cm‐1 debido a
estiramiento en los enlaces Si‐O‐Si11. Finalmente, hay bandas presentes debido a la
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
53
humedad inducida sobre la superficie de la sílice las cuales se presentan en muestras
de con estequiometria SiO2 con alta área superficial. Particularmente la banda de
absorción en 960 cm‐1 que es observable en todas las muestras, la cual está
relacionada directamente con los grupos silanos presentes en la superficie del SiO2 y a
las vibraciones tipo estiramiento en los enlaces Si‐O de los grupos Si‐OH. Con lo
anterior se estima que las nanoesferas presentan una composición de SiO2
independientemente de las condiciones experimentales de crecimiento utilizadas.
3000 2000 1000
470800
960
11001200
16302350
3400
Tra
nsm
itanc
ia
Número de onda (cm-1)
A1 B1 B2 S1A S2A
Figura 4.8 Espectros obtenidos por espectroscopia FTIR de las muestras de SiO2 preparadas con diferentes condiciones experimentales.
4.3.3 Incorporación de nanopartículas de oro sobre la superficie
de las nanoesferas de SiO2
Para sintetizar las nanocorazas de oro se emplearon las nanopartículas de oro y las
nanopartículas de SiO2 descritas anteriormente.
Para poder incorporar las nanopartículas de oro sobre las nanoesferas de dióxido de
silicio es necesario funcionalizar las nanopartículas. En la figura 4.9 se presentan
micrografías representativas de nanopartículas de SiO2 funcionalizadas, es decir, con
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
54
grupos funcionales NH2 sobre su superficie; como se puede observar no hay cambio
apreciable en la rugosidad de la superficie de las nanoesferas, así como también,
comparando en diámetro promedio de las partículas de SiO2 sin funcionalizar y las
funcionalizadas se concluye que el diámetro promedio no se altera.
550 575 600 625
0
25
φ = 577.46 nmσ = 2.5 %
Núm
ero
de p
artíc
ulas
Tamaño (nm)
Figura 4.9 Micrografías por MET de partículas de SiO2 funcionalizadas (con grupos terminales NH2 sobre la superficie) a diferente magnificación y su correspondiente histograma de distribución de tamaño con diámetro promedio y desviación estándar.
Como se puede observar en la figura 4.10, es apreciable una clara diferencia de la
rugosidad superficial de las muestras SiO2@NP Au claramente debido a la presencia de
nanopartículas de oro sobre la superficie de las nanoesferas de SiO2. El pequeño
incremento en el diámetro promedio de las muestras en comparación con las
nanoesferas de SiO2 no es muy significativo y considerando la desviación estándar
dicho incremento esta dentro del rango de error, por lo cual no es posible cuantificar
con exactitud el espesor de la capa de oro sobre la superficie de SiO2. Esto se debe al
pequeño diámetro de las nanopartículas de oro incorporadas en la superficie de las
nanoesferas de SiO2; este hecho en vez de ser una desventaja la consideramos
favorable ya que las nanopartículas de oro no se encuentran como aglomerados de
diámetro considerable. Adicionalmente, la desviación estándar es mucho menor al 10
% y muy similar a la deviación estándar de las muestras de SiO2 por lo que la
homogeneidad se conserva en las muestras.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
55
525 550 575 600 6250
25
50
φ =572.41 nmσ =2.56 %
Núm
ero
de p
artíc
ulas
Tamaño (nm)
Figura 4.10 Micrografías representativas de las nanoestructuras tipo SiO2@NP Au y su correspondiente histograma de distribución de tamaño.
Para monitorear el cambio en las propiedades ópticas de las muestras sintetizadas se
empleo la espectroscopia UV‐Vis; en la figura 4.11 se presentan los espectros de
absorbancia del coloide de partículas de SiO2, de oro y de las nanoestructuras tipo
SiO2@NP Au. Como se puede observar las partículas de dióxido de silicio no presentan
banda de absorción en este intervalo; las nanopartículas de oro presentan una banda
de absorción en aproximadamente 490 nm, por la forma del espectro es una evidencia
indirecta que las nanopartículas de oro tienen diámetro menor a los 5 nm. Analizando
el espectro de absorbancia de la figura 4.11 correspondiente a las nanoestructuras
SiO2@NP Au se puede observar que este espectro tiende a ser una combinación del
espectro de las nanopartículas de SiO2 y de las de Au, aunado a esto existe un ligero
corrimiento de las banda de absorción hacia mayores longitudes de onda, de 490 a 520
nm; esto puede deberse que al incorporarse las nanopartículas de oro sobre la
superficie de las nanoesferas de SiO2 dichas partículas incrementan ligeramente su
tamaño.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
56
200 400 600 800 1000
Abso
rban
cia
Longitud de onda (nm)
NP SiO2
NP Au SiO2@NP Au
Figura 4.11 Espectros de absorbancia correspondientes a las nanopartículas de SiO2 (NP SiO2) y a las nanopartículas de oro (NP Au); asi como también el espectro de absorbancia obtenido del resultado de emplear estas nanopartículas para formar la estructura SiO2@Au.
4.3.4 Crecimiento de las nanocorazas de oro
Con la finalidad de observar el desplazamiento de la resonancia de plasmón superficial
de las nanocorazas de oro (SiO2@Au); así como cuantificar el espesor de las
nanocorazas de oro se realizó una cinética de crecimiento a diversas etapas. Se
obtuvieron espectros de absorbancia por espectroscopia UV‐Vis y micrografías por
microscopia electrónica de transmisión.
Establecidas las condiciones ópticas de crecimiento de las nanocorazas de oro, con el
simple hecho de ir adicionando mayor contenido de hidróxido de oro a la reacción se
obtenía un desplazamiento de la posición de la resonancia de plasmón superficial, tal
como se puede observar en la figura 4.12. En la figura 4.12 se presentan los espectros
de absorbancia de las nanocorazas de oro sintetizadas adicionando diferentes
volúmenes de hidróxido de oro, desde 1 ml hasta 18 ml. Con base a los espectros de
absorbancia presentados en la figura 4.12 es claro observar que la posición de la
resonancia de plasmón superficial se desplaza hacia el infrarrojo al adicionar mayor
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
57
volumen de AuOH a la reacción. Conforme se incrementa el volumen de AuOH
adicionado a la reacción la posición de la RPS se desplaza hacia el infrarrojo y la banda
de absorción se ensancha. Los espectros correspondientes a las nanoestructuras de
SiO2@Au son una combinación de los espectros de las nanopartículas de SiO2 y de las
nanopartículas de oro. Observe que el espectro sigue la misma trayectoria que el de
las muestras de SiO2 con la adición de una banda de absorción que se va desplazando
hacia el infrarrojo.
200 400 600 800 1000
Abso
rban
cia
Longitud de onda (nm)
SiO2@NP Au
SiO2@Au-1
SiO2@Au-2 SiO2@Au-3 SiO
2@Au-4
SiO2@Au-5
SiO2@Au-6 SiO2@Au-8 SiO
2@Au-10
SiO2@Au-13
SiO2@Au-18
Figura 4.12 Espectros de absorbancia correspondientes a las nanocorazas de oro (SiO2@Au) sintetizas adicionando diferentes volúmenes de hidróxido de oro a la reacción (desde1ml hasta 18 ml). Se observa como la posición de la resonancia de plasmón superficial se ensancha y se desplaza hacia mayores longitudes de onda.
La espectroscopia UV‐Vis es una herramienta muy útil para monitorear la formación de
las nanocorazas de oro. Para poder evaluar las propiedades estructurales, tales como
diámetro promedio, forma, aglomeración, distribución de las nanoestructuras en la
muestra coloidal nos apoyamos de la microscopia electrónica de transmisión.
En la figura 4.13 se presentan las micrografías y sus correspondientes histogramas de
distribución para etapas representativas de la etapa de crecimiento de las nanocorazas
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
58
de oro. A partir de las micrografías por MET es claro observar el cambio en la
rugosidad superficial de las nanocorazas de oro en comparación con la rugosidad
superficial de la rugosidad de las nanoesferas de SiO2. Esto es una prueba más de la
formación de la coraza de oro sobre la superficie de las esferas de SiO2. A partir del
análisis de las micrografías se determinó el diámetro promedio y la desviación
estándar de cada muestras; como se resume en la tabla 4.1 no se puede determinar
con exactitud es espesor de la coraza, esto es debido a que el rango de error es mayor
al incremento en el diámetro promedio de las nanocorazas de oro. Pero así también
con estos resultados se puede asegurar que se tienen corazas de oro cuyo espesor es
menor de 20 nm lo cual es muy favorable para el control de la posición de la
resonancia de plasmón superficial de nanoestructuras tipo SiO2@Au.
Para tener pruebas más sólidas de la formación de las nanocorazas de oro, se eligió
la muestra preparada con 18 ml de hidróxido de sodio. A esta muestra se le agregó
ácido fluorhídrico con la finalidad de disolver el núcleo, es decir, el SiO2. En la figura
4.14 se muestran micrografías por microscopia electrónica de transmisión. Con estas
micrografías se puede probar la ausencia del núcleo de dióxido de silicio debido a la
penetración del haz de electrones en la coraza de oro. Estos pequeños orificios en la
coraza de oro nos permiten ver que el ácido fluorhídrico disolvió el SiO2 y quedó
únicamente la coraza de oro, la cual sigue conservando la forma esférica. También
estas imágenes son reveladoras de cómo está formada la coraza, la cual
aparentemente está formada por el crecimiento de las nanopartículas de oro que
inicialmente se depositaron sobre la superficie de las nanoesferas de SiO2, se observa
que aparentemente la coraza está formada una especie de aglomerados de oro. Como
se menciono anteriormente, a través del análisis del las imágenes por MET de
diferentes etapas de crecimiento de las corazas de oro no fue posible medir con
exactitud el espesor de la coraza de oro; para superar esta dificultad se realizaron
cortes transversales a la muestra SiO2@Au‐18. La figura 4.15 muestra una micrografía
obtenida por MET de nanocorazas de oro seccionadas transversalmente. A partir de
este tipo de micrografías fue posible medir directamente el espesor de las corazas de
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
59
oro el cual tiene un espesor aproximado de 30 nm.
550 575 600 625 6500
25
φ = 582.5 nmσ = 2.47 %
Núm
ero
de p
artíc
ulas
Tamaño (nm)
SiO2@Au-2
550 575 600 625 650 6750
25
φ = 592.3 nmσ = 2.89 %
Núm
ero
de p
artíc
ulas
Tamaño (nm)
SiO2@Au-8
550 575 600 625 6500
25φ = 586.9 nmσ = 2.92 %
Núm
ero
de p
artíc
ulas
Tamaño (nm)
SiO2@Au-13
500 525 550 575 600 625 6500
25
φ = 582.2 nmσ = 3.34 %
Núm
ero
de p
artíc
ulas
Tamaño (nm)
SiO2@Au-18
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
60
Figura 4.13 Micrografías representativas por MET y su correspondiente histograma para nanocorazas de oro preparadas con 2, 8, 13 y 18 ml de hidróxido de oro adicionados a la reacción.
Muestra
Posición de la resonancia de
plasmón superficial, RPS
(nm)
Número de partículas
Diámetro promedio,
φ (nm)
Desviación estándar,
σ (%)
SiO2 No tiene 131 577.46 2.41NP‐Au 490 162 2.57675 31.83SiO2@NP‐Au 520 170 572.41451 2.56SiO2@Au‐2 543 128 582.49049 2.47SiO2@Au‐8 646 182 592.32858 2.89SiO2@Au‐13 723 117 586.96765 2.92SiO2@Au‐18 818 100 582.1686 3.34
Tabla 4.1 Características principales obtenidas por espectroscopia UV‐Vis y microscopia electrónica de transmisión de las nanoesferas de SiO2, nanopartículas de Au y las nanocorazas de oro (SiO2@Au) sintetizadas adicionando 2, 8, 13 y 18 ml de AuOH a la reacción.
Figura 4.14 Imágenes por microscopia electrónica de transmisión de la muestras SiO2@Au‐18, a la cual se le adicionó ácido fluorhídrico con la finalidad de disolver el núcleo. Con estas micrografías se puede comprobar la ausencia del SiO2.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
61
Figura 4.15 Micrografía por MET de nanocorazas de oro seccionadas transversalmente correspondientes a la muestra SiO2@Au‐18. A estas nanocorazas de oro se le realizaron cortes transversales con la finalidad de poder medir directamente el espesor de la coraza de oro.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro
62
4.4 Bibliografía
1. Halas, N. The Optical Properties of Nanoshells. Optics & Photonics News, 26‐30 (2002). 2. Safavy, A., et al. Design and Development of Water‐Soluble Curcumin Conjugates as
Potential Anticancer Agentsf. Journal of Medicinal Chemistry 50, 6284‐6288 (2007). 3. Lal, S., Clare, S.E. & Halas, N.J. Nanoshell‐Enabled Photothermal Cancer Therapy:
Impending Clinical Impact. Accounts of Chemical Research 41, 1842‐1851 (2008). 4. Jain, P.K., Lee, K.S., El‐Sayed, I.H. & El‐Sayed, M.A. Calculated Absorption and
Scattering Properties of Gold Nanoparticles of Different Size, Shape, and Composition: Applications in Biological Imaging and Biomedicine. J. Phys. Chem. B 110, 7238‐7248 (2006).
5. Storti, B., Elisei, F., Abbruzzetti, S., Viappiani, C. & Latterini, L. One‐Pot Synthesis of Gold Nanoshells with High Photon‐to‐Heat Conversion Efficiency. J. Phys. Chem. C 113, 7516‐7521 (2009).
6. Kim, J.‐H., Bryan, W.W. & Randall Lee, T. Preparation, Characterization, and Optical Properties of Gold, Silver, and Gold−Silver Alloy Nanoshells Having Silica Cores. Langmuir 24, 11147‐11152 (2008).
7. Williams, D.B. & Carter, C.B. Transmission Electron Microscopy A Textbook for Materials Science, (Springer, New York, 2009).
8. Pliskin, W.A. J. Vac. Sci. Technol. 14, 1064 (1977). 9. Adams, A.C. Solid State Technol. 26, 135 (1983). 10. Rojas, S., Zanotti, L., Borghesi, A., Sassella, A. & Pignatel, G.U. Characterization of
silicon dioxide and phosphosilicate glass deposited films. J. Vac. Sci. Technol. B 11, 2081‐2089 (1993).
11. Hartstein, A. & Young, D.R. Identification of electron traps in thermal silicon dioxide films. Appl. Phys. Lett. 38, 631‐633 (1981).
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 5. Conclusiones
63
Capítulo 5
Conclusiones
• Para nanopartículas esféricas de oro de 2, 10, 50 y 100 nm su resonancia de
plasmón superficial se presenta en el visible; la posición de la máxima
absorción solo se puede desplazar unos 25 nm hacia mayores longitudes de
onda. El coeficiente de extinción para nanopartículas de 10 y 5 nm de diámetro
está dominado por la absorción; en contraste para nanopartículas de 50 y 100
nm de diámetro su coeficiente de absorción es dominado por la dispersión de
la radiación electromagnética incidente.
• Las nanopartículas esféricas de plata de 2, 10, 50 y 100 presentan su resonancia
de plasmón superficial entre los límites del ultravioleta y el visible; la posición
de la máxima absorción solo se puede desplazar unos 25 nm hacia mayores
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 5. Conclusiones
64
longitudes de onda. El coeficiente de extinción para nanopartículas de diámetro
de 10 y 2 nm está dominado por la absorción; en contraste para nanopartículas
de 50 y 100 nm de diámetro su coeficiente de absorción es dominado por la
dispersión de la radiación electromagnética incidente; además en
nanopartículas de diámetro de 50 y 100 nm se presentan dos bandas de
extinción.
• Teóricamente se podrían fabricar nanocorazas de plata que presenten su
resonancia de plasmón superficial desde los límites del UV y el visible hasta el
infrarrojo cercano; pero con base las los resultados experimentales esto no fue
posible; esto puede deberse principalmente al problema de poder sintetizar
nanopartículas de diámetros menores a 3 nm.
• Empleando el método de Stöber es posible sintetizar nanoesferas de SiO2 de
diferentes diámetros, conforme se incrementa el diámetro de partícula la
homogeneidad en tamaño y forma esférica se incrementa.
• Para sintetizar nanocorazas de plata y oro es necesario que el proceso de
fabricación se realice a diferentes etapas; no es posible obtener nanocorazas el
una sola etapa o reacción.
• El proceso de tratar la superficie de las nanopartículas de dióxido de silicio para
absorber en ella iones de Sn2+ provoca erosión de las nanoesferas de SiO2.
• Se obtuvieron nanocorazas de plata esféricas y homogéneas con resonancia de
plasmón superficial entre 450 ‐ 550 nm. Estas nanocorazas presentan solo una
banda de absorción; a diferencia de las dos bandas de absorción presente para
nanopartículas de 50 y 100 nm.
• Después de 30 días de reposo de las nanocorazas de plata se observa que la
posición de la banda de absorbancia se desplaza hacia menores longitudes de
onda.
• El proceso de lavado y redispersión de las nanocorazas de plata provoca el
desprendimiento de pequeñas nanopartículas de plata de la superficie de la
nanocoraza.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 5. Conclusiones
65
• El desprendimiento de nanopartículas de plata es ligeramente mayor al aplicar
ultrasonido para redispersar la muestra.
• Con base a los resultados por EDS se afirma la deposición de una coraza de
plata sobre toda la superficie de las nanoesferas de SiO2; además también hay
presencia de Sn en las nanocorazas de plata.
• El espesor de la nanocoraza de plata oscila entre los 12 y 16 nm; lo que nos
indica que se tiene una coraza muy delgada recubriendo la superficie de las
nanoesferas de SiO2.
• Para sintetizar nanocorazas de oro se requiere mayor control en cada variante
del proceso de fabricación en comparación con el proceso de fabricación de
nanocorazas de plata. Cualquier variante no adecuada nos dará como resultado
la usencia de la formación de nanocorazas de oro.
• Para obtener nanocorazas de oro homogéneas es necesario emplear
nanopartículas de oro de diámetro menor a 3 nm; ya que las nanopartículas de
oro funcionan como semillas catalizadoras de la formación de la coraza.
Partículas de oro de mayor diámetro provocaría nanocorazas de mayor
rugosidad y porosidad.
• Nanopartículas de oro de diámetro menor a 3 nm son altamente inestables,
tienden a aglomerarse; esta desventaja fue empleada a favor de la formación
de las nanocorazas de oro; a través de la absorción inmediata de las
nanopartículas de oro sobre la superficie de las nanoesferas de SiO2 que al
crecer estas nanopartículas se comenzaba a formar la nanocoraza de oro.
• Las nanopartículas empleadas son policristalinas de estructuras cristalina tipo
FCC y con diámetro promedio a 2.6 nm, lo cual es favorable para la obtención
de nanocorazas de oro homogéneas.
• Se obtuvieron nanocorazas de oro de forma esférica bien definida y cuyo
espesor de coraza oscila entre los 5 y 10 nm de espesor.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Capítulo 5. Conclusiones
66
• Con base las imágenes por TEM y al método de crecimiento se puede afirmar
que las nanocorazas de oro están formadas a partir del crecimiento sucesivo de
las nanopartículas de oro.
• La nanocoraza de oro se mantienen aun después de disolver el núcleo de SiO2
con ácido fluorhídrico, siempre y cuando no se agite vigorosamente la solución
coloidal.
• Con las nanocorazas de oro se logró el control de la posición de la resonancia
de plasmón superficial desde el visible hasta el infrarrojo cercano, esto
únicamente cambien el contenido de hidróxido de oro adicionado a la reacción
en la etapa del crecimiento de la nanocoraza. Por lo que estas nanoestructuras
presentan actividad en el cercano infrarrojo.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Productos Obtenidos
67
Productos Obtenidos
Participación en congresos
21 Sep – 25 Sep 2009 Presentación del poster titulado Thermal Characterization
of SiO2 Nanofluids by Photothermal Techniques, in the 29th
Annual Meeting International Conference on Surfaces,
Materials and Vacuum; San Luis Potosi, SLP, México.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, J.L. Jiménez‐Pérez, J.F.
Sánchez‐Ramírez, A. Cruz‐Orea.
16 Ago – 20 Ago 2009 Ponente de la conferencia Optical and Structural Properties
of Smooth Gold Nanoshells, in the Materials
Characterization Symposium at the XVIII International
Materials Research Congress; Cancún Quintana Roo,
México.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, J.F. Sánchez‐Ramírez, A.
Bautista‐Hernández, M.P. González‐Araoz and J.L. Herrera‐
Pérez.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Productos Obtenidos
68
16 Ago – 20 Ago 2009 Asistencia al XVIII International Materials Research
Congress; Cancún Quintana Roo, México.
17 Jun – 24 Jun 2009 Presentación del Póster titulado Diseño de Nanocorazas
Metálicas y su Valoración en el Tratamiento del Cáncer, en
el III Simposio de Tecnología Avanzada, CICATA‐IPN, México,
D.F.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, J.F. Sánchez‐Ramírez y M.E.
Sánchez‐Espíndola.
17 Jun – 24 Jun 2009 Asistencia al III Simposio de Tecnología Avanzada, CICATA‐
IPN, México, D. F.
11 Mar – 13 Mar 2009 Participación en la ponencia Efecto del Peso Molecular en
la Formación de Microfibras Electrohiladas de
Polivinilpirrolidona, en el 3er Simposium de Ingeniería en
Materiales, 1er Simposium de Ingeniería y 70 Aniversario de
la Facultad de Ingeniería Química; Facultad de Ingeniería
Química de la BUAP, Puebla México.
Autores: J.A. Pescador‐Rojas, J.F. Sánchez‐Ramírez, M.E.
Ramírez‐Ortiz, M.E, Sánchez‐Espíndola y D. Cornejo‐
Monroy.
Se obtuvo premio a la mejor presentación en sesión oral
11 Mar – 13 Mar 2009 Ponente de la conferencia Síntesis con Tamaño Controlado
de Nanoesferas Monodispersas de SiO2, en el 3er
Simposium de Ingeniería en Materiales, 1er Simposium de
Ingeniería y 70 Aniversario de la Facultad de Ingeniería
Química; Facultad de Ingeniería Química de la BUAP, Puebla
México.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, J.F. Sánchez‐Ramírez, M.E.
Sánchez‐Espíndola y J.A. Pescador‐Rojas.
Se obtuvo premio a la mejor presentación en sesión oral
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Productos Obtenidos
69
26 Nov ‐ 03 Dic 2008 Ponente de la conferencia Diseño de Nanoshells Metálicos
Para Detección y Tratamiento del Cáncer; Síntesis y
Cinética de Crecimiento, en el 2do Simposio de Tecnología
Avanzada, CICATA‐IPN, México, D. F.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, J.F. Sánchez‐Ramírez y M.E.
Sánchez‐Espíndola.
26 Nov ‐ 03 Dic 2008
Asistencia al 2do Simposio de Tecnología Avanzada, CICATA‐
IPN, México, D. F.
24 Nov ‐ 26 Nov 2008
Presentación del poster titulado Nanofluids Containing
Monodisperse SiO2 Nanospheres with Different
Concentrations in the Fifth International Topical Meeting on
Nanostructured Materials and Nanotechnology, Torre de
Ingeniería, UNAM, México, D. F.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, J.A. Balderas‐López, J.F.
Sánchez‐Ramírez, J.L. Herrera‐Pérez, U. Pal, J. Mendoza‐
Álvarez.
24 Nov ‐ 26 Nov 2008
Participación en el poster Thermal and Optical
Characterization of Solutions Containing Au Nanoparticles
at Different pH Values in the Fifth International Topical
Meeting on Nanostructured Materials and Nanotechnology,
Torre de Ingeniería, UNAM, México, D. F.
Autores: E.N. Cerón‐Juárez, J.L. Jiménez‐Pérez, J.F. Sánchez‐
Ramírez, A. Cruz‐Orea, J.A. Pescador‐Rojas, D. Cornejo‐
Monroy, J.L. Herrera‐Pérez.
17 Ago ‐ 21 Ago 2008
Presentación del poster titulado Decorating Silver
Nanoparticles on Silica Nanospheres, in the
Nanostructured Materials and Nanotechnology Symposium
at the XVII International Materials Research Congress held
in Cancun, México.
Preparación y Bioconjugación de Nanocorazas Metálicas con Actividad en el Cercano Infrarrojo Productos Obtenidos
70
Autores: D. Cornejo‐Monroy, U. Pal, J.F. Sánchez‐Ramírez,
M.E. Sánchez‐Espíndola.
16 Jun ‐ 20 Jun 2008
Ponente de la Conferencia Diseño de Nanoshells Metálicos
Para Detección y Tratamiento del Cáncer; Síntesis y
Cinética de Crecimiento, en el 1er Simposio de Tecnología
Avanzada, CICATA‐IPN, México, D.F.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, J.F. Sánchez‐Ramírez y M.E.
Sánchez‐Espíndola.
16 Jun ‐ 20 Jun 2008
Asistencia al 1er Simposium de Tecnología Avanzada,
CICATA‐IPN, México, D.F.
11 Mar ‐ 13 Mar 2008
Presentación del poster titulado Preparation of Mono‐
Dispersed SiO2 Colloids, en el VII Taller Nacional de
Estudiantes de Posgrado de Física y Ciencia de Materiales,
realizado en el Instituto de Física de la Benemérita
Universidad Autónoma de Puebla, Puebla, Pue. México.
Autores: D. Cornejo‐Monroy, U. Pal, J.F. Sánchez‐Ramírez
and M.E. Sánchez‐Espíndola.
Publicación
D. Cornejo‐Monroy, J. F. Sánchez‐Ramírez, M. P. González‐Araoz, M. E. Sánchez‐
Espíndola, y J. A. Pescador‐Rojas. Nanoesferas Monodispersas de SiO2: Síntesis y
Caracterización. Superficies y Vacío 22, (2009).