nstituto politÉcnico acional centro de investigación en

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


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


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


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


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


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


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


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


3.2 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


Capítulo 4. Síntesis y Caracterización de Nanocorazas de Oro 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


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


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


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.


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


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,


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


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


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.


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.


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).

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10. Manuel Arrueboa, Fernández‐Pacheco, R., Ibarraa, M.R. & Santamaría, J. Magnetic nanoparticles for drug delivery Nanotoday 2, 22‐32 (2007).

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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:


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.


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.


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


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


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:


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.


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


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


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.


20

300 400 500 600 700 800

Cex

t, C

dis,

Cab

s

φ = 100 nm

φ = 50 nm

φ = 10 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.


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.


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


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.


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).

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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


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


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


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


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+.


30

225 250 275 300 325 350 3750

2

4

6

Cue

ntas


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.


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


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


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


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


SiO2@Ag sin proceso de lavado

φ = 312 nmσ = 9.13%

250 300 350

0

5

10

Cue

ntas


SiO2@Ag lavada y redispersada manualmente

φ = 313 nmσ = 6.33%

250 300 350 4000

20

40

Cue

ntas


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


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


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.


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


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.


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


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


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


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.


41

3.4 Bibliografía

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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).

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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.


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


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


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.


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


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


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


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


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.


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.


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


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


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.


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.


56

200 400 600 800 1000

Abso

rban

cia


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


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


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


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


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


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.


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.


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).

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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


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.


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.


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.


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


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.



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.


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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.



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).

nstituto politÉcnico acional centro de investigación en

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