SINTESIS DE NANOPARTICULAS DE ORO Y PLATA

SINTESIS DE NANOPARTÍCULAS DE ORO Y PLATA MEDIANTE IRRADIACIÓN DE MICROONDAS Y ESTUDIO DE SU ESPECTRO VISIBLE Javier E. Hernández, Luis F. Reyna, Eric Ortiz, M.C Salomón Rojas Treviño Tecnológico de Monterrey, Departamento de Química, Campus Monterrey ABSTRACT: Las nanoescala hace referencia a partículas las cuales tiene un tamaño entre 1nm hasta 100nm, a dicha escala las partículas formadas presentan propiedades partículares que materiales a una escala mayor. Nanopartículas de oro(Au) y plata( Ag) tienen relevancia en la actualidad al emplearse en aplicaciones médicas, ópticas, electrónicas y bacteriológicas. En nuestro estudio se sintetizaron nanopartículas de oro (Au) y de plata(Ag) a partir de Tetracloroaurato de Hidrógeno (HAuCl4) y Nitrato de Plata (AgNO3 ) disueltas en solución de almidón. Se pudo obtener sus respectivos espectros de absorción con el apoyo del software Logger Pro ® y el espectrofotómetro “ SpectroVis Plus” ®. Se registraron rangos de cerca de 393-400 nm y 388-432nm para partículas de oro y plata respectivamente, la información recopilada se comparó con la literatura.

I INTRODUCCION Las nanoescala hace referencias a partículas las cuales tienen un tamaño entre 1nm hasta 100 nm, la escala a la cual están formadas estas partículas permite que dichas partículas presentan propiedades diferentes a las de una escala mayor [1] Las nanopartículas metálicas presentan ciertas particularidades que son de interés en distintas aplicaciones a causa de su tamaño y forma. Estas particularidades son consecuencia del fenómeno de resonancia que presentan los electrones de valencia de los elementos en presencia de luz. La excitación de estos plasmones puede mejorar la absorción o emisión de luz, es por esta razón que las muestras pueden ser utilizadas en análisis espectroscópicos. El estudio de nanopartículas es generalmente motivado por los cambios físico-químicos en sus propiedades comparados con materiales voluminosos[5] Las nanopartículas de Oro (AuNPs) son de gran interés por sus propiedades tanto químicas (reactividad, reconocimiento molecular), biológicas (sensores de glucosa, ensamblajes de ADN) y físicas (ópticas, electrónicas) y su actividad catalítica [1,6]. En cuanto a las partículas de plata (AgNPs) gozan de propiedades ópticas (empleo en dispositivos electroluminiscentes) y presentan actividad

catalítica [1], además tienen especial aplicación por su efecto bactericida (desinfección de dispositivos médicos y tratamiento de aguas) pues presentan una actividad antibacteriana mayor a las pruebas positivas y negativas de tinción de Gram de algunas bacterias como el “Staphylococus aureus” o la “Salmonella typhi” respectivamente[5] .

Figura 1. Escala de tamaño de las nanopartículas tomada de [1] La absorción de la luz Se considera un rayo de luz monocromática que pasa a través de un sistema absorbente de espesor dx. Sea I la intensidad del rayo incidente e I+dI la del rayo emergente.[3]

Si la longitud de onda "a" es muy grande entonces el término exponencial se aproxima a cero por su comportamiento asintótico . Por lo que se puede confirmar que toda la luz incidente I0 es absorbida por la muestra. Esto explica el hecho de que una solución como la de CuSO4 que absorbe en la región final del rojo sea de color azul, por lo que podemos decir que las especies refleja el color de las frecuencias en el espectro visible que son contrarias a las que pueden absorber. La ecuación (5) también se puede expresar como: Figura 2.Rayo incidente y emergente Donde la constante ɛ es el coeficiente de extinción molar. La ecuación (6) recibe el nombre de ley de Beer [2]

La siguiente ecuación establece que la disminución relativa en la intensidad del rayo es proporcional al número de moléculas “c” absorbentes en el sistema.

Si hay varias clases de moléculas, cada una con diferente capacidad para absorber la luz de la frecuencia en cuestión se tiene que:

Donde las constantes a1 , a2, ... son los coeficientes de absorción molar de las sustancias en cuestión. I es la intensidad del rayo emergente una vez que atraviesa la capa de espesor x. Cuando x=0, resolviendo la ecuación diferencial se obtiene:

Y teniendo que la intensidad absorbida es

Combinando la ecuación (3) y (4)

y

En nuestro estudio sometimos diversas soluciones como Tetracloroaurato de Hidrógeno (HAuCl4) y Nitrato de Plata (AgNO3 ) disueltas en solución de almidón , y a través del calentamiento en un horno se pudieron sintetizar nanopartículas de oro (Au) y plata (Ag) pudiendo obtener su respectivos espectros de absorción con la ayuda del software LoggerPro ® y el espectrofotómetro “SpectroVis Plus ®.

II MATERIALES Y PROCEDIMIENTO II.1 MATERIALES Para nuestro estudio se requirieron los siguientes soluciones y materiales: Una papa como fuente de almidón, una solución de 25 mM de Nitrato de Plata (AgNO3 ), Tetracloroaurato de Hidrógeno(HAuCl4) al 0.08mM, solución de Hidróxido de Sodio(NaOH) al 0.1 M y solución de almidón preparada al 1% (p/v) masa-volumen. Agua desionizada fue utilizada como solvente en lugar de agua destilada como consecuencia de que el agua desionizada tiene una mayor pureza al tener iones removidos . Se requirió el apoyo de un horno de microondas CEM ® de modelo MDS-8ID para calentar las soluciones. Se utilizó un espectrofotómetro

“SpectroVis Plus” de la marca Vernier ® y el software Logger Pro ® para obtener la información referente al espectro de absorbancia de las nanopartículas sintetizadas. II.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se procedió a colocar la alícuota de 1mL en la celda del espectrofotómetro “SpectroVis Plus” para realizar la medición del espectro de absorción con la técnica UV-Vis. Se hicieron 2 muestras más de estas soluciones variando el tiempo de calentamiento en el horno a 30 y 45 segundos.

Nuestro estudio se realizó a una temperatura de 19°C y 23.58 inHg. II.2.1 Extracción de Almidón Se pelo y corto 130 gramos de papa la cual se licuo con 100 ml de agua destilada a 95°C. Posteriormente se filtraron los residuos de almidón con magitel y se decantaron por 30 minutos para después separar el almidón. Se prosiguió a lavar el almidón con 15 ml de agua destilada para finalmente dejar secar y calentar en horno CEM ® a 80°C durante 15 minutos.

Figura 4. Espectofotómetro “SpectroVis Plus” II.2.3 Síntesis de nanopartículas de Plata

Figura 3. Horno Microondas CEM modelo MDS81D

II.2.2 Síntesis de nanopartículas de Oro Se mezcló durante 10 minutos 1 mL de la solución de almidón al 1% (p/v)con 5 mL de agua de desionizada previamente caliente y se determinó su pH. Se añadió 300 μL de HAuCl4 a la solución, se mezcló se calentó en el horno CEM ® al 50% de potencia por 15 segundos.

Se mezcló durante 10 minutos 1 mL de solución de almidón almidón al 1% (p/v)con 5 mL de agua desionizada caliente y se determinó su PH. Posteriormente se añadieron 100 μL de solución de AgNO3 , se agitó y se calentó la mezcla en el horno CEM ® al 50% de potencia durante 1 minuto. La muestra se calentó en intervalos de 15 segundos con la finalidad de que la continuidad en el calentamiento no evaporara la muestra. Finalmente se tomó la alícuota de 1mL y se colocó en el espectrofotómetro “SpectroVis Plus” para realizar la medición del espectro correspondiente. Se realizaron 3 muestras adicionales a la anterior variando el pH de la solución a 8 , 9 y 10 añadiendo a la solución resultante NaOH.

Absorbancia

0,08 0,07 0,06 0,05 En la Gráfica 2 se muestra el espectro de absorción de 0,04 las nanopartículas de oro preparadas mediante el 0,03 calentamiento de 30s en microondas (50% de potencia). 0,02 Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 0,01 399.2 0 nm. 380 480 580 680 780 880 980

Longitud de onda (nm) Gráfica 2. Espectro de Absorción de Nanopartículas de Oro preparadas con calentamiento de 30s en microondas.

En la Gráfica 2 se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de oro preparadas mediante el calentamiento de 30s en microondas (50% de potencia). Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 399.2 nm.

Figura 5. Indicador pH con algunas muestras de papel a diferentes pH

0,12

III RESULTADOS

Absorbancia

0,1

Absorbancia

0,12

0,08

En la 0,06 Gráfica 3 se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de oro preparadas mediante el 0,04 calentamiento de 45s en microondas (50% de potencia). 0,02 Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 0 393.9 nm.

0,1 0,08 0,06 0,04

380

0,02

480

580

680

780

880

980

Longitud de onda (nm)

0 380

480

580

680

780

880

980

Longitud de onda (nm) Gráfica 1. Espectro de Absorción de Nanopartículas de Oro preparadas con calentamiento de 15s en microondas.

En la Gráfica 1 se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de oro preparadas mediante el calentamiento de 15s en microondas (50% de potencia). Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 397.4 nm.

Gráfica 3. Espectro de Absorción de Nanopartículas de Oro preparadas con calentamiento de 45s en microondas.

En la Gráfica [3] se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de oro preparadas mediante el calentamiento de 45s en microondas (50% de potencia). Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 393.9 nm.

Absorbancia 0,4

Absorbancia

Absorbancia

0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

0,3 0,2 0,1 0

380

480

580

680

780

880

980

380

En la Gráfica [4] se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de plata preparadas mediante el calentamiento de 1min en microondas (50% potencia) a pH 7. Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 431.9 nm.

Absorbancia

680

780

880

0,1

En la Gráfica 5 se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de plata preparadas mediante el 0,05 calentamiento de 1min en microondas (50% potencia) a pH 9. 0 Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue 380 nm.480 580 680 780 880 980 de 395.7 Longitud de Onda (nm)

Gráfica 5. Espectro de Absorción de Nanopartículas de Plata preparadas con calentamiento de 1 min en microondas a pH 9. En la Gráfica 5 se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de plata preparadas mediante el calentamiento de 1min en microondas (50% potencia) a pH 9. Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 395.7 nm.

980

Gráfica 6. Espectro de Absorción de Nanopartículas de Plata preparadas con calentamiento de 1 min en microondas a pH 10.

En la Gráfica 6 se muestra el espectro de absorción de las nanopartículas de plata preparadas mediante el calentamiento de 1min en microondas (50% potencia) a pH 10. Su longitud de onda de la máxima absorbancia fue de 388.6 nm.

IV DISCUSION DE RESULTADOS Se obtuvieron los espectros de absorción para las partículas de oro en un rango de 393nm y 400 nm.

0,15

Absorbancia

580

Longitud de onda (nm)

Longitud de onda (nm)

Gráfica 4. Espectro de Absorción de Nanopartículas de Plata preparadas con calentamiento de 1 min en microondas a pH 7.

480

De acuerdo a la referencia [3] se esperaba un pico de absorbancia entre 520nm. Se puede apreciar que en cuanto a la longitud de onda de las partículas de oro hay una variación considerable, no sólo por el resultado experimental si no también tras observar el espectro de absorción del mismo, que no tiene una forma suave pudiendo confirmar la existencia de ruido en la señal del mismo. Esta situación se presenta infiriendo que las partículas de oro no fueron sintetizadas de manera correcta pudiendo ser debido a la homogenización de los reactivos. %𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =

(𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙) ∗ 100 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

Las nanopartículas de oro presentaron el siguiente porcentaje de error, tomando en cuenta que el valor

experimental fue un promedio de las tres mediciones a las tres diferentes temperaturas. %𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =

(520𝑛𝑚 − 396.83𝑛𝑚) ∗ 100 520𝑛𝑚 %𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 23.68%

En cuanto a las partículas de plata los resultados experimentales se obtuvieron en un rango de 388nm y 432 nm. La referencia [3] muestra una longitud de onda de 400 nm y la referencia [5] muestra un pico máximo de absorbancia entre 410nm y 430nm. Podemos confirmar que dado la semejanza en el rango de absorción experimental de las partículas de plata con respecto a lo citado en la literatura, las nanopartículas se sintetizaron de manera correcta. El porcentaje de error con respecto a las partículas de plata, tomando en consideración un promedio de las longitudes de onda fue: %𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =

(413.33𝑛𝑚 − 405.4𝑛𝑚) ∗ 100 413.33𝑛𝑚

%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 1.91% Dado que el porcentaje de error es menor al 5% se considera un resultado con una validez aceptable. También fue prudente observar que en medida que el pH de la solución de las nanopartículas de Plata (AgNPs) se incrementaba la longitud de onda de absorción disminuía, ya que como la referencia [8] muestra que el uso de NaOH acelera el proceso de reacción y de síntesis de las nanopartículas. Al acelerar este proceso la formación de las nanopartículas se ven más segregadas dando lugar a tamaños más pequeños, y siguiendo el comportamiento de que la longitud de onda del pico de absorción es directamente proporcional al tamaño de la partícula conformada.

V CONCLUSION El físico Richard Feynman se considera el padre de la nanociencia. El papel del hombre al introducirse a la manipulación y al control de las moléculas a esta escala ha permitido grandes avances tecnológicos que hace algunas décadas no habían sido posible contemplar [1]. La manipulación de dichas partículas ha dado lugar a la posibilidad de poder sintetizar materiales para poder generar aplicaciones en distintos ámbitos de esta época en cuestiones de: energía, farmacéuticas, dispositivos biomédicos, opto electrónicos, etc. En nuestro estudio pudimos estudiar la formación de las nanopartículas en función de la temperatura y de la variación de pH. Aunque para la formación de las partículas de oro no fue exitosa y no pudimos observar la relación directa con respecto a la temperatura, si se pudo ver influencia en la variación del pH para la formación de las partículas de plata y consecuentemente confirmar el efecto acelerador de la sal NaOH. Para trabajos futuros se podría explorar la aplicación de este estudio de síntesis en materiales conductores mejorando la sensibilidad de los mismos optimizando el funcionamiento de dispositivos electrónicos.

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