Dossier de formació en nanotecnologies

per als professors

Mòdul experimentalUn dossier de formació integral per als professors

Experiment CJudith Linacero, Plataforma de Nanotecnologia, PCB

Luisa Filipponi, iNANO, Universitat d’Aarhus

Aquest document ha estat creat en el context del projecte NANOYOU (WP4, tasca 4.1). Tota la informació es proporciona tal com apareix aquí, i no es dóna cap garantia que la informació sigui adequada per a cap propòsit concret. L’usuari de la informació en fa ús sota la seva pròpia responsabilitat. El document reflecteix únicament les opinions dels seus autors, i la Comissió Europea no es fa responsable de la utilització que es pugui fer de la informació que conté.

Abans d’utilitzar aquesta presentacióAquesta presentació en PowerPoint forma part del mòdul experimental del dossier de formació en nanotecnologies per als professors elaborat per NANOYOU. AQUEST PAQUET DE L’EXPERIMENT C INCLOU EL MATERIAL SEGÜENT:

Per al professor:EXPERIMENT C - DOCUMENT PER AL PROFESSORVÍDEO 2 - GOLD COLLOID DE NANOYOU

Per als estudiants:*

EXPERIMENT C - LECTURES INTRODUCTÒRIES PER ALS ESTUDIANTSEXPERIMENT C - QUADERN DE TREBALL DE LABORATORI DE L’ESTUDIANT NIVELL DE L’EXPERIMENT: Avançat

* Aquests documents estan a disposició dels grups d’edat d’11-13 i 14-18 anys en diverses llengües.

ELS DOCUMENTS ES PODEN TROBAR A WWW.NANOYOU.EU.Aquests documents de NANOYOU es distribueixen amb una llicència de Creative Commons – Attribution-NonCommercial-ShareAlike, llevat que s’indiqui altrament. Cal tenir en compte que algunes de les imatges

que conté aquest PowerPoint estan protegides amb drets d’autor, i que per tant per reutilitzar-les fora d’aquest document cal el permís del titular dels drets originals. Per a més detalls vegeu la diapositiva 19.

AVÍS D’EXEMPCIÓ DE RESPONSABILITAT: En els experiments que es descriuen en el dossier de formació següent es fan servir productes químics que cal utilitzar seguint les especificacions de seguretat del fabricant i la normativa de seguretat específica de l’escola. La protecció personal s’ha d’utilitzar seguint les indicacions corresponents. Com amb tots els productes químics, cal prendre precaucions. Els sòlids no s’han d’inhalar, i cal evitar-ne el contacte amb la pell, els ulls o la roba. Cal rentar-se bé les mans després de manipular-los, i s’han de llençar seguint les indicacions corresponents. Tots els experiments s’han de realitzar en presència d’un educador format per ensenyar ciència. Tots els experiments es duran a terme sota la pròpia responsabilitat de cadascú. La Universitat d’Aarhus (iNANO) i el consorci NANOYOU en el seu conjunt no es fan responsables dels danys o les pèrdues que puguin produir-se com a conseqüència de la realització dels experiments descrits.

EXPERIMENT CNIVELL D’EDAT: 11-13 i 14-18 ANYS

Nanosensor colorimètric d’or

Experiment C – Nanosensor colorimètric d’orAplicacions de les nanotecnologies: Medicina

Les propietats de l’or a escala nanomètrica són diferents de les de l’or a escala macroscòpica.

Figura 1. Or macroscòpic i nanoscòpic. Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 19

- Dúctil.- Mal·leable.- Color groc metàl·lic.- Estable i no tòxic.- Bon conductor.- Resistent a la

corrosió.

- Nanopartícules d’or a l’aigua poden formar un col·loide.

- El color depèn de la grandària (zona on els seus electrons es poden moure lliurement) .

PROPIETATS OPTIQUES

Experiment C – Nanosensor colorimètric d’orAplicació de les nanotecnologies: Medicina

S’hi generen plasmons de superfície que oscil·len endavant i enrere de manera sincronitzada en un espai reduït: ressonància localitzada dels plasmons de superfície (localized surface plasmon resonance, LSPR). → Quan la freqüència d’aquesta oscil·lació és la

mateixa que la freqüència de la llum que l’ha generat (és a dir, la llum incident), aleshores es diu que el plasmó està en ressonància amb la llum incident.

→ Els col·loides de metall tenen una forta absorció del visible a causa de l’oscil·lació coherent de la ressonància dels plasmons.

→ Les nanopartícules de metall adquireixen colors diferents (vermell, verd, taronja, etc.).

L’energia de l’LSPR depèn de la constant dielèctrica del material i de l’entorn i de la forma i de la grandària de la nanopartícula.

Figura 2. (superior) Efecte LSPR (2). (inferior) El color del metall depèn de la grandària de les nanopartícules. Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 19

Experiment A - Protocol

Material:

LA SEGURETAT ES MOLT IMPORTANT EN QUALSEVOL TIPUS D'EXPERIMENT!!

Taula professors: Taula comú:

Per taula1 Erlenmeyer 50 ml1 Hotplate stirrer1 Barra magnètica1 Termòmetre1 Pipeta de 2ml1 Pipum1 Laser2 Gots de plàstic1 Gradeta5 Tubs d’assaig1 Ou1 Contenidor de plàstic per posar-hi l’ou5 Pipetes pasteur

Guants per no cremar-se!

Solució HAuCl4

Solució Na3C6H5O7+2H2O1 Recipient amb solució NaCl1 Brick de llet 1 Recipient amb solución de sucre

Aigua destilada

Experiment C – Protocol de la síntesi

→ Prepareu solucions estàndard (tetracloroaurat d’hidrogen (HAuCl4) i una solució de

citrat trisòdic (Na3C6H5O7) en aigua). Color groc clar.

→ Escalfeu el tetracloroaurat d’hidrogen fins a la seva temperatura d’ebullició.

→ Afegiu-hi ràpidament el citrat.

→La solució s’aclareix immediatament. La reacció continua fins que es forma el col·loide de color roig robí.

→ El temps de reacció des de l’addició del citrat és d’uns 10 minuts.

Abans de la reacció Fi de la reacció

Experiment C – Nanosensor colorimètric d’orAplicacions de les nanotecnologies: Medicina

→ En la reacció, el citrat actua com a agent reductor feble (redueix AuCl4- a Au) i com a estabilitzador. Una capa d’anions del citrat adsorbeix cada nanopartícula i impedeix que s’agreguin: la repulsió electrostàtica dels anions manté les nanopartícules separades.

→ Col·loide d’or amb nanopartícules de 0-20 nm de grandària.

→ En aquest estat, el col·loide és de color roig robí.

Experiment C - Detalls de la síntesi

→ Al cap d’aproximadament un minut s’hi observen alguns canvis de color:

gris clar > gris blavós > morat > morat fosc > roig robí

→ Estudis molt recents han demostrat que a mesura que es va produint la reacció es van formant algunes nanoestructures intermèdies, entre les quals hi ha nanocables d’or (solució morat fosc).

→ Els nanocables es descomponen en nanopartícules.

Figura 5 (esquerra) Mecanisme de creixement de les partícules d’or nanoesfèriques. (Dreta) Imatges TEM del color fosc intermedi que mostren una extensa xarxa de nanocables d’or. Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 19

SENSOR: Dispositiu capaç de reconèixer una o més espècies químiques.

BIOSENSOR: Dispositiu capaç de detectar una biomolècula específica. (Anticossos, DNA...).

En un biosensor col·loïdal d’or, la detecció es produeix quan hi ha un canvi d’agregació entre les nanopartícules que conformen el col·loide.

Canvi de color del col·loide

Biosensor colorimètric d’or.

Experiment C – Nanosensor colorimètric d’orAplicacions de les nanotecnologies: Medicina

Figura 4. Sensor col·loïdal d’or. Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 19.

El col·loide d’or es pot utilitzar com a sensor: si se n’elimina la capa d’anions, les nanopartícules comencen a acostar-se i a aglomerar-se; això provoca un canvi de color, i aquest efecte es pot utilitzar per detectar una substància química.

→ Si s’hi afegeix un electròlit fort, com ara el NaCl, els ions salins protegeixen les càrregues negatives de les partícules, i les partícules tendeixen llavors a acostar-se i a agregar-se. Això produeix un canvi en l’espectre òptic i l’aparició d’un pic d’entre 650 i 750 nm, aproximadament, que fa que la solució esdevingui de color blau fosc.

Experiment C - Sensor químic

→ Si s’hi afegeix una alta concentració de sal, les nanopartícules s’agreguen fins al punt que precipiten, i la solució s’aclareix.

Experiment C - Sensor químic

→ EXPERIMENT: afegiu gotes d’una solució de NaCl al col·loide d’or.

→ Si s’hi afegeix un estabilitzador d’alt pes molecular, com ara una proteïna o polietilenglicol, s’adsorbeix a la superfície de les nanopartícules amb l’efecte d’inhibir-ne l’agregació, fins i tot amb una elevada concentració de sal.

→ Experiment:

Experiment C – Sensor químic

egg white + 10

drops NaCl

control

egg white

10 drops NaCl

→ Si s’hi afegeix un electròlit feble o un no-electròlit (com per exemple sucre), la repulsió electrostàtica entre l’or i els ions del citrat no es veu afectada i la solució continua sent de color vermell. S’hi pot observar un petit canvi de color (per exemple, de roig robí a rosaci) que és conseqüència d’una aglomeració molt petita que es produeix en afegir-hi la proteïna.

→ Prova al laboratori: afegiu deu gotetes de solució de sucre al col·loide d’or.

Experiment C – Sensor químic

Experiment C – Nanosensor colorimètric d’orAplicació de les nanotecnologies: Medicina

Per què serveixen els nanosensors colorimètrics amb nanopartícules d’or?

→ Cambi de color: nomes depèn de la agregació.→ Cribratge genètic: per cercar una seqüència de gens

específica en una mostra que pot ser indicativa d’una malaltia concreta.

Avantatges respecte a altres mètodes:→ No exigeixen cap marcador; canvi òptic intrínsec. → Funcionen amb moltes combinacions de biomolècules

amb mecanisme de “pany i clau”.→ Tenen un límit de detecció baix.

Crèdits de les imatges

Figura 1: El color depèn de la grandària de l’or. (Crèdits de la imatge: L. Filipponi, iNANO, Universitat d’Aarhus, Creative Commons – Attribution-NonComercial-ShareAlike 3.0).

Figura 2: (superior) Formació de plasmons en metall a escala macroscòpica (a dalt) i en nanopartícules (a baix). (Crèdits de la imatge: D. Sutherland, iNANO, Universitat d’Aarhus, Creative Commons – Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0).

Figura 2: (inferior) Micrografies electròniques de transmissió i espectrografia UV—Vis de col·loides de nanopartícules d’or amb geometries diverses: esferes (a dalt), decaedres (al centre) i cables (a baix). (Crèdit de la imatge: reimpresa de Borja Sepúlveda et al., "LSPR-based Nanobiosensors", Nano Today (2009), 4 (3), 244-251, amb permís d’Elsevier).

Figura 3: Representació esquemàtica de la preparació i resposta d’un biosensor LSPR basat en els canvis en l’índex de refracció. (Crèdits de la imatge: reimpresa de Borja Sepúlveda et al., “LSPR-based Nanobiosensors”, Nano Today (2009), 4 (3), 244-251, amb permís d’Elsevier).

Figura 4: Nanosensor plasmònic col·loïdal. (Crèdits de la imatge: reimpresa amb el permís de Jin et al., Journal of American Chemical Society (2003), 125 (6), 1643- . Copyright 2003 American Chemical Society).

Figura 5: (esquerra) Mecanisme de creixement de partícules d’or nanoesfèriques sintetitzades per reducció d’AuCl4- amb citrat de sodi en solució aquosa. (Dreta) Imatges TEM del color fosc intermedi que mostren una àmplia xarxa de nanocables d’or que han estat aïllats de la solució de color morat fosc. (Crèdits de la imatge: reimpresa amb permís de Pong et al., J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6281-7. Copyright 2003 American Chemical Society).