Análisis espectrográfico de nanopartículas de Ag, Au y Ni sintetizadas usando aminoácidos como agente reductor y radiación por microondas

Caracterización experimental de materiales y nanomateriales • Febrero 2015 • Práctica 3

Análisis espectrográfico de nanopartículas de Ag, Au y Ni sintetizadas usando aminoácidos como agente reductor y radiación por microondas L. Corona, A. Sigüenza, V. Ubici, E. G. Gómez, W. Ortega Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Departamento de Química, Campus Monterrey

11 de Febrero de 2015 Resumen Las nanopartículas metálicas son las más usadas debido a sus propiedades ópticas y electricas dependientes de su tamaño. las nanopartículas de plata han mostrado potencial de aplicación en diferentes áreas, tal como: biomedicina, catálisis, óptica y electrónica. Por otra parte, las nanopartículas de oro, además de mostrar el mismo potencial de aplicación que las de plata, tiene ciertas ventajas en la aplicación clínica en cuestión de biocompatibilidad y no-toxicidad. Aunque la síntesis de estas nanopartículas sea relativamente sencilla, los métodos usados comúnmente son el método químico y el físico. Sin embargo, para poder tener el potencial de aplicación clínica de estas nanopartículas requerimos del método "verde"para su síntesis, el cual es amigable con el ambiente y no-tóxico. En este artículo exponemos un método de síntesis verde para nanopartículas de oro, plata y níquel, usando como agente reductor tres diferentes aminoácidos (Asparagina, tirosina e histidina) y usando, para acelerar la síntesis, radiación de microondas, para su posterior análisis espectrográfico mediante el método UV-visible y comparar las nanoparticulas sintetizadas con los diferentes aminoácidos, así como con la absorción documentada en la literatura para cada una de ellas; encontrando que el aminoácido más apto encontrado cuando se quiere una mayor absorción de la longitud de onda (generalmente estudios imagenológicos) fue la histidina, predominando en cada una de las nanopartículas.

Palabras clave: nanopartículas, síntesis, espectrografía, absorción, histidina, oro.

I.

Introducción

as nanopartículas son aquellas partículas que tienen dos o más dimensiones y tienen un rango de tamaño de 1-100 nm y las propiedades que presentan son considerablemente diferentes a las del mismo material a una escala mayor; esta diferencia de comportamiento se debe a una mayor área superficial reactiva y expuesta, y debido al efecto cuántico resultado de estructuras electrónicas específicas [2]. De entre ellas, las nanopartículas metálicas son las más usadas debido a sus propiedades

L

ópticas y electricas dependientes de su tamaño [7]. De entre los metales, las nanopartículas de plata han mostrado potencial de aplicación en diferentes áreas, tal como: biomedicina, catálisis, óptica y electrónica. Muy particularmente las nanopartículas de Ag son usados en diagnóstico biomédico por imagenología [4]. Por otra parte, las nanopartículas de oro, además de mostrar el mismo potencial de aplicación que las de plata, tiene ciertas ventajas en la aplicación clínica en cuestión de biocompatibilidad y no-toxicidad [6]. Aunque la síntesis de estas nanopartículas sea relativamente sencilla, los métodos usados 1

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comúnmente son el método químico y el físico. Sin embargo, para poder tener el potencial de aplicación clínica de estas nanopartículas requerimos del método "verde"para su síntesis, el cual es amigable con el ambiente y notóxico [2]. Dicho método se logra al usar como agentes reductores biomateriales o biosustancias, como ácido cítrico [6], o aminoácidos [8]. En este artículo exponemos un método de síntesis verde para nanopartículas de oro, plata y níquel, usando como agente reductor tres diferentes aminoácidos (Asparagina, tirosina e histidina) y usando, para acelerar la síntesis, radiación de microondas, para su posterior análisis espectrográfico mediante el método UV-visible y comparar las nanoparticulas sintetizadas con los diferentes aminoácidos, así como con la absorción documentada en la literatura para cada una de ellas

II. Material, Sustancias y Método A continuación se enlista el material y sustancias utilizadas para el desarrollo de esta demostración: Solución AgNO3 0.04 M Sigma-aldrich 99 % Solución NiCl2 · 6H2O2 0.04 M Sigmaaldrich 98 % Solución HAuCl4 2.5 mmol Solución Asparagina (Asp) 40 mmol Solución Tirosina (Tyr) 1.8 mmol Solución Histidina (His) 11 mmol Solución de Almidón al 1 % (p/v) Horno de microondas Espectrofotómetro 9 vial transparente 5 ml

I.

Procedimiento experimental

Ya que las soluciones de AgNO3 y de NiCl2 · 6 H2O2 aún no se encontraban preparadas, se obtuvieron los gramos necesarios para obtener 2 mmol de cada uno, que fueron 0.339 g y 0.475 g respectivamente, y se aforaron en 50 ml de agua destilada. Ya con las soluciones preparadas, tanto de las sales metálicas, de aminoácidos (AA) y de 2

almidón (AL) se prepararon las siguientes soluciones en los viales mostradas en el cuadro 1. Cuadro 1: Soluciones de sales metálicas y aminoácidos Vial 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Sal (4ml)

AA(4ml)

AgNO3 AgNO3 AgNO3 NiCl2 · 6 H2O2 NiCl2 · 6 H2O2 NiCl2 · 6 H2O2 HAuCl4 HAuCl4 HAuCl4

Asp Tyr His Asp Tyr His Asp Tyr His

AL(2ml) 3 3 3 3 3 3 3 3 3

Estas soluciones se agitaron vigorosamente y se metieron al horno de microondas, durante 30 segundos en intervalos de 10 segundos y 5 segundos de descanso entre cada uno de ellos, de tres en tres, es decir, las tres soluciones de AgNO3 primero y así sucesivamente. Una vez que las soluciones fueron radiadas, se dejaron enfriar. En el mismo orden se fueron colocando las soluciones en las cubetas para espectrografía para su posterior barrido de longitud de onda en el espectrografo. Dicho barrido se realizó de 300-600 nm para las 6 primeras soluciones y de 200-700 nm para las nanopartículas de oro, esto debido a que se esperan los picos de absorción en esos rangos de acuerdo a lo documentado.

III.

Resultados y discusión

Para las nanopartículas de plata encontramos la mayor absorción en los 300 nm exactamente, infiriendo que el pico estaría entre 200 y 300 nm (ver Figura 1), lo cual difiere mucho con los resultados de Lin et al. [3] y Pal et al. [4]. En los cuales el pico de absorción se encontró alrededor de los 400 nm. Sin embargo, se puede apreciar un pico menor alrededor de los 425 nm, el cual estaría en un rango aceptable con los datos documentados, por lo que

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podemos sugerir un cambio en el máximo de adsorción debido al método de síntesis y los agentes reductores usados, ya que los métodos usados por los autores previamente citados son químico y físico respectivamente.

0.22 4-NiCl2 6H2O2-L-aspargina.SP 5-NiCl2 6H2O2-L-tirosina.SP 6-NiCl2 6H2O2-L-histidina.SP 0.2

0.18

Absorbance

0.16

0.14

0.12 0.9 1-AgNO3-L-aspargina.SP 2-AgNO3-L-tirosina.SP 3-AgNO3-L-histidina.SP

0.1

0.8 0.08 0.7 0.06 300

Absorbance

0.6

350

400

450 500 Wavelength [nm]

550

600

650

Figura 2: Espectrografía UV-visible de nanopartículas de níquel usando como agente reductor tres diferentes aminoácidos: Asparagina (Morado), Tirosina (Verde), Histidina (Azul).

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1 300

350

400

450 500 Wavelength [nm]

550

600

650

Figura 1: Espectrografía UV-visible de nanopartículas de plata usando como agente reductor tres diferentes aminoácidos. Asparagina (Morado), Tirosina (Verde), Histidina (Azul).

Ahora comparando la absorción de las nanopartículas sintetizadas con los diferentes aminoácidos encontramos que las que tienen una mayor absorción fueron sintetizadas con histidina con un valor de 0.8, lo cual resulta de gran importancia, ya que como sabemos, este aminoácido es esencial, por lo que podría ser introducido al organismo humano sin problema. Con las nanopartículas de niquel se detecto la mayor absorción en 300 nm al igual que las de plata, por lo que muy probablemente el pico se encuentre entre 200 y 300 nm, con lo que concordaría con lo encontrado por Curtis et al. (referenciado en [1]). No obstante, se puede observar en la figura 2 un pico considerable en el rango de 370 a 400 nm con su máximo alrededor de 390 nm lo cual coincidiría con los 371 nm encontrados por Hemalatha et al. en partículas de níquel de 23.64 nm de tamaño [1].

Comparando las nanopartículas con respecto a los aminoácidos con los que fueron sintetizadas, encontramos una vez más que con histidina las nanopartículas tuvieron el máximo de absorción con un valor de 0.19 al igual que con la asparagina, aunque si seguimos observamos la pendiente que muestra la curva de la asparagina en ese punto, podemos asegurar que superaría a la de histidina en longitudes de onda más cortas. La asparagina es uno de los 20 aminoácidos encontrados en el ADN, por lo que también se tendrían aplicaciones clínicas muy importantes. El último, y probablemente el resultado más importante, ha sido la absorción de las nanopartículas de oro. En la que obtuvimos dos picos muy importantes, el mayor en el intervalo de 200-300 nm con su máximo alrededor de 250 nm, y el otro en un rango de 520-620 nm con un máximo aproximado en 570 nm; lo cual corresponde exactamente con los datos obtenidos por Wangoo et al. y Scaravelli et al. [5]. Quienes documentan la absorción de nanopartículas de oro sintetizadas con aminoácidos alrededor de los 280 nm y nanopartículas de oro sintetizadas con ácido glutámico en los 540 nm [7]. 3

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7-HAuCl4-L-aspargina.SP 8-HAuCl4-L-tirosina.SP 9-HAuCl4-L-histidina.SP

3.5

3.5

3

3

2.5

2.5

2

2

1.5

1.5

1

1

0.5

0.5

0 200

300

400

500 Wavelength [nm]

600

700

Figura 3: Espectrografía UV-visible de nanopartículas de oro usando como agente reductor tres diferentes aminoácidos: Asparagina (Morado), Tirosina (Verde), Histidina (Azul).

1-AgNO3-L-aspargina.SP 2-AgNO3-L-tirosina.SP 3-AgNO3-L-histidina.SP 4-NiCl2 6H2O2-L-aspargina.SP 5-NiCl2 6H2O2-L-tirosina.SP 6-NiCl2 6H2O2-L-histidina.SP 7-HAuCl4-L-aspargina.SP 8-HAuCl4-L-tirosina.SP 9-HAuCl4-L-histidina.SP

4

Absorbance

Absorbance

4

0 200

300

400

500 Wavelength [nm]

600

700

Figura 4: Espectrografía UV-visible de nanopartículas de oro usando como agente reductor tres diferentes aminoácidos: Asparagina (Morado), Tirosina (Verde), Histidina (Azul). Como se puede observar en la figura 4, ahora comparamos los espectros de todas las nanopartículas obtenidas. Por lo descrito en las discusiones individuales y lo que se muestra aquí, podemos decir que los picos de absorción correspondientes al rango de 200-300 nm pertenecen a los aminoácidos, mientras que los picos que difieren entre ellas, son los correspondientes a la característica individual de cada una.

Como podemos observar de la Figura 3, la histidina de nuevo obtuvo el máximo valor de absorción con 3.7 en el primer y segundo pico, pero, preste atención a la transición de los dos picos, en el intervalo de 300-350 nm, donde la tirosina tiene por poco mayor absorción. En el segundo pico la absorbancia fue de 0.25 para la aspargina, la cual no afecta mucho la absorción del oro, a 2.25 de la histidina donde en comparación con el máximo obtenido por Wangoo (0.62) es rebasado por mucho.

Debido a esta gran absorbancia en síntesis con agentes proteínicos, las nanopartículas de oro son las que tendrían un mayor alcance en las aplicaciones biomédicas ópticas, como los métodos de imagenología (MRI, PET, CT). 4

IV.

Conclusión

La síntesis "verde"por aminoácidos, esenciales o presentes en el código genético (ADN), de nanopartículas de gran potencial de aplicación como de oro, plata y níquel, puede maximizar su aplicabilidad en el área clínica, debido a que el método no es tóxico y completamente amigable con el organismo, ya que este es completamente capáz de descomponer dichos aminoácidos. El aminoácido más apto encontrado cuando se quiere una mayor absorción de la longitud de onda (generalmente estudios imagenológicos) fue la histidina, predominando en cada una de las nanopartículas. La ayuda del método físico de radiación por microonda es completamente válido para acelerar la síntesis sin afectar en realidad la composición, propiedades y/o características de las nanopartículas.

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Será interesante estudiar y documentar en un futuro la aplicación de estas nanopartículas mediante la síntesis usada en el presente artículo, en clínica y poder determinar de manera más concreta su alcance.

[5] R. C. B. Scaravelli, R. L. Dazzi, F. C. Giacomelli, G. Machado, C. Giacomelli, and V. Schmidt. Direct synthesis of coated gold nanoparticles mediated by polymers with amino groups. Journal of Colloid and Interface Science, 397:114–121, 2013.

Referencias [1] M. Hemalatha, N. Suriyanarayanan, and S. Prabahar. Nanoscale synthesis and optical features of nickel nanoparticles. Optik, 125(8):1962–1966, 2014. [2] A. K. Khan, R. Rashid, G. Murtaza, and A. Zahra. Gold nanoparticles: Synthesis and applications in drug delivery. Tropical Journal of Pharmaceutical Research, 7(July):1169–1177, 2014. [3] X. Z. Lin, X. Teng, and H. Yang. Direct Synthesis of Narrowly Dispersed Silver Nanoparticles Using a Single-Source Precursor. Langmuir, 19(40):10081–10085, 2003. [4] A. Pal, S. Shah, and S. Devi. Microwaveassisted synthesis of silver nanoparticles using ethanol as a reducing agent. Materials Chemistry and Physics, 114:530–532, 2009.

[6] M. V. Sujitha and S. Kannan. Green synthesis of gold nanoparticles using Citrus fruits (Citrus limon, Citrus reticulata and Citrus sinensis) aqueous extract and its characterization. Spectrochimica Acta - Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 102:15–23, 2013. [7] N. Wangoo, K. K. Bhasin, S. K. Mehta, and C. R. Suri. Synthesis and capping of water-dispersed gold nanoparticles by an amino acid: Bioconjugation and binding studies. Journal of Colloid and Interface Science, 323:247–254, 2008. [8] C.-S. Wu, H.-H. H. Huang, F.-K. Liu, and C.-C. Leu. A novel synthesis approach of gold nanoparticles by amino acids. IEEE 5th International Nanoelectronics Conference (INEC), pages 181–182, 2013.

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