Coordonator științific Absolvent Conf. Dr. Nicolae Leopold Pop Maria 2018 UNIVERSITATEA ,,BABEȘ-BOLYAI” CLUJ-NAPOCA FACULTATEA DE FIZICĂ… [308590]

UNIVERSITATEA ,,BABEȘ-BOLYAI” CLUJ-NAPOCA
FACULTATEA DE FIZICĂ
SPECIALIZAREA FIZICĂ MEDICALĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

Coordonator științific Absolvent: [anonimizat]

2018

UNIVERSITATEA ,,BABEȘ-BOLYAI” CLUJ-NAPOCA
FACULTATEA DE FIZICĂ
SPECIALIZAREA FIZICĂ MEDICALĂ

LUCRARE DE LICENȚĂ

Sinteza și caracterizarea nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur (Fe3O4@Au)

Coordonator științific Absolvent: [anonimizat]

2018

Abstract

Nanoscale materials are a [anonimizat]. [anonimizat] 1 to 100 nm, exhibit exceptional structural and functional properties that are not found in heavy materials. The two major classes of functional nanoplatges that have been studied and used are plasmon nanoparticles (NPs) and magnetic nanoparticles (MNPs).

[anonimizat] (MNPs) have been used in analytical detection and in nanomedicine. This is because magnetic nanoparticles interact with both magnetic fields and their gradients. By interacting magnetic nanoparticles with magnetic fields we can find and control the position of MNPs in space by using magnets. Also, [anonimizat]. [anonimizat], which are used as contrast agents in magnetic resonance imaging (MRI).

Gold-coated magnetic nanoparticles (Au) have attracted attention through the advantages of their features such as: non-toxicity, [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat] (Fe3O4) is a compound having advantages due to its biocompatibility and biodegradable activity. Thus, [anonimizat]3O4 magnetic nanoparticles increased significantly due to their utility in the biomedical field.

[anonimizat]. [anonimizat], shape, load, and surface modification.

[anonimizat]. [anonimizat] 1 la 100 nm, prezintă proprietăți structurale și funcționale excepționale care nu sunt întâlnite în materialele voluminoase. Cele două clase majore de nanoplatforme funcționale care au fost studiate și utilizate pe scară largă sunt nanoparticule plasmonice (NPs) și nanoparticulele magnetice (MNPs).

[anonimizat] (MNPs) au fost utilizate în detectarea analitică și în nanomedicină. Acest lucru se datorează faptului că nanoparticulele magnetice interacționează atât cu câmpurile magnetice cât și cu gradientele acestora. Prin interacțiunea nanoparticulelor magnetice cu câmpurile magnetice putem afla și controla poziția MNPs în spațiu prin utilizarea magneților. De asemenea câmpurile magnetice fluctuante pot fi utilizate pentru încălzirea nanoparticulelor, având astfel utilitate în nanomedicină. În plus, proprietățile magnetice ale MNPs influențează câmpurile magnetice, acestea fiind utilizate ca agenți de contrast în imagistica prin rezonanță magnetică (RMN).

Nanoparticulele magnetice acoperite cu aur (Au) au atras atenția prin avantajele caracteristicilor acestora, cum ar fi: non-toxicitatea, super magnetismul, ușurința detecției in corpul uman, nucleul magnetic ce împiedică oxidarea, suprafața catalitică dar și potențialul pe care îl oferă în variate aplicații biologice. Printre cristalele cunoscute formate de fier (III), oxidul feroferic sau magnetita (Fe3O4) este un compus ce prezintă avantaje datorită biocompatibilității și activității biodegradabile a acestuia. Astfel, producția nanoparticulelor magnetice de Fe3O4 acoperite cu Au a crescut semnificativ datorită utilității acestora in domeniul biomedical.

Motivul pentru care nanoparticulele magnetice acoperite cu aur pot fi folosite în atât de multe aplicații este că acestea sunt extrem de versatile. Proprietățile optice și magnetice ale particulelor pot fi reglate și adaptate aplicațiilor prin schimbarea dimensiunii lor, a grosimii coajei de aur, a formei, a încărcăturii și a modificării suprafeței.

Lucrarea este structurată în șase capitole importante. Primul capitol prezintă clasificarea și proprietățile atât a nanoparticulelor magnetice de Fe3O4 cât și a nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur, Fe3O4@Au. Sunt prezentate de asemenea metodele și procedeele de preparare a celor două tipuri de nanoparticule cât și dificultățile întâmpinate în încercarea producerii acestora.

Cel de-al doilea capitol prezintă cele mai importante aplicații biomedicale ale nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur cum ar fi, transportul de medicamente, hipertermia dar și imagistica medicală.

În capitolele III și IV sunt prezentate metodele spectroscopice si metodele de caracterizare utilizate precum și metodele experimentale folosite în sintezele nanoparticulelor de Au, Fe3O4 și Fe3O4@Au.

Capitolul V și ultimul capitol prezintă discuții pe baza rezultatelor obținute. Analizând spectrele UV-Vis, imaginile TEM precum și rezultatele în urma analizei Zetasizer și Nanosight obținute, sunt prezentate concluziile privind mărimea dimensiunii diametrului nanoparticulelor dar și potențialul zeta de la suprafața acestora.

Capitolul I. Nanoparticulele magnetice de Fe3O4@Au. Clasificare și proprietăți

I.1. Clasificare și proprietăți ale Fe3O4

Există 17 oxizi, oxo-hidroxizi și hidroxizi de fier ; aceștia diferă între ei prin aranjarea în spațiu a unității structurale, prin culoare dar și prin proprietățile metalice. Pe de altă parte o caracteristică importantă a oxizilor de fier este aceea că în condiții optime de mediu, pH, presiune și temperatură aproape fiecare oxid poate să fie transformat în altul.

Figura 0.1.1 a) reprezentarea schematică și culoarea caracteristică pentru Fe3O4; b) reprezentarea schematică și culoarea caracteristică pentru γ-Fe2O3

Oxidul fero-feric, Fe3O4, care apare în natură ca magnetită, se obține și artificial prin arderea fierului metalic sau prin calcinarea puternică a celorlalți oxizi. Magnetita este un oxid mixt, FeO*Fe2O3, conținând în rețea ambele tipuri de ioni ai fierului: Fe2+ și Fe3+, alături de ioni O2-. Magnetita apare sub formă de pulbere sau cristale negre insolubile in acizi, cu punctul de topire la 1540℃. Spre deosebire de ceilalți oxizi ai fierului, care sunt paramagnetici, magnetita este feromagnetică și conduce relativ bine curentul electric.

Rețeaua magnetitei este cea a spinelilor. Celula elementară cuprinde 32 ioni O2-, în ale căror goluri se repartizează 16 ioni de Fe3+ și 8 ioni de Fe2+. Magnetita dar și alți compuși în care metalul se găsește în două stări de oxidare diferite, au proprietăți speciale, în primul rând o culoare intensă (în cazul magnetitei, un negru intens, atât solid, cât și precipitatul pe care îl poate forma), iar în unele cazuri conductibilitate electrică mare. Magnetita conduce bine curentul la temperatura ordinară, dar la 120 K conductibilitatea scade brusc, la o valoare de cca. 100 de ori mai mică. S-a arătat că deasupra temperaturii de 120 K, distanțele Fe-O (octaedrice) sunt toate egale (2,059 Å), în timp ce la temperatură joasă există două distanțe diferite, una de 2,00 Å (caracteristică pentru Fe3+) iar alta de 2,123 Å (caracteristică pentru Fe2+). Faptele au fost interpretate astfel: la temperaturi peste 120 K se produce un transfer rapid de electroni între Fe2+ și Fe3+, deci o oscilație rapidă a stărilor de oxidare, distanța Fe-O având o singură valoare .

Un compus este considerat semiconductor atunci când banda interzisă a acestuia este mai mică de 3 eV, în cazul conductorilor banda interzisă fiind neexistentă. Datorită proprietăților menționate mai sus putem argumenta faptul că magnetita are proprietăți similare materialelor metalice, valoarea benzii interzise fiind de 0,1 eV. Este important de subliniat faptul că valoarea benzii interzise depinde de dimensiunea particulelor .

Oxizii de fier sunt cunoscuți și ca materiale magnetice dar proprietățile magnetice ale acestora sunt diferite de la un oxid la altul; spre exemplu magnetita, maghemita, sunt feromagnetice la temperatura camerei în timp ce goetita este antiferomagnetică.

I.2. Metode și procedee de preparare a nanoparticulelor magnetice

În ultimii ani au fost studiate dar și îmbunătățite diferite metode și procedee de preparare a nanoparticulelor magnetice. Printre cele mai cunoscute metode de obținere a nanoparticulelor de oxid de fier se numără: co-precipitarea , descompunerea termică , metoda hidrotermală dar și multe altele.

Producerea și prepararea nanoparticulelor magnetice este un proces complex ce implică găsirea unor condiții experimentale optime, prin care să putem obține nanoparticule monodispersate cât și stabilirea reproductibilității procesului.

Metoda cea mai frecventă de preparare a nanoparticulelor de Fe3O4 este metoda co-precipitării, folosită de altfel și în acestă lucrare. Metoda co-precipitării folosită pentru a obține nanoparticulele magnetice constă în combinarea ionilor de Fe2+ și Fe3+ într-o soluție bazică în condiții optime de presiune si temperatură.

Raportul dintre ioni, temperatura reacției, valoarea pH-ului dar și tipul sărurilor de fier utilizate în reacție (în cazul de față, clorură) sunt factori de care depind mărimea și forma nanoparticulelor rezultate. Pentru a prepara nanoparticule de Fe3O4, omogene în mărime și compoziție, este necesar ca reacția să aibă loc într-un mediu bazic apos cu raportul molar Fe(II) la Fe(III) de 1:2, valoarea pH-ul fiind cuprinsă între 11-12 .

Principalul avantaj al metodei este acela că putem obține o cantitate suficient de mare de particule într-o sigură reacție, cu observația că dimensiunea nanoparticulelor este foarte greu de controlat, acestea obținându-se de cele mai multe ori dispersate în soluție. De asemenea, valoarea pH-ului, trebuie sa fie ajustată, atât în timpul sintezei cât și în cel al purificării (spălării nanoparticulelor), schimbarea acestuia ducând la formarea de nanoparticule cu dimensiuni si morfologie diferită .

I.3. Stabilizarea nanoparticulelor magnetice

Multe aplicații ale nanoparticulelor magnetice impun anumite condiții cum ar fi netoxicitatea și stabilitatea în timp. Un plus al procedeelor chimice de preparare al nanopaticulelor magnetice este posibilitatea de a folosi diferiți agenți de stabilizare, care opresc nanoparticulele să se aglomereze sau să agrege, oferind totodată o mai bună solubilitate în diferiți solvenți.

Agentul de stabilizare este ales în funcție de metoda de preparare ținând cont de pH-ul și temperatura de reacție, astfel că pentru metoda co-precipitării, cel mai frecvent utilizat stabilizator este citratul de sodiu sau glucoza. Citratul este utilizat frecvent în stabilizarea nanoparticulelor deoarece acesta se leagă de suprafața nanoparticulelor prin coordinarea uneia sau a două grupe carboxilice, celelalte grupe carboxilice fiind astfel expuse către solvent, ducând la o stabilizare electrostatică a nanoparticulelor.

Indiferent de stabilizatorul utilizat, nanoparticulele obținute sunt de tip miez-coajă, unde miezul este reprezentat de nanoparticulele magnetice iar coaja de startul stabilizator.

I.4. Metode de preparare a nanoparticulelor magnetice acoperite cu Au

Datorită instabilității în aer din punct de vedere chimic cât și oxidarea rapidă, utilitatea nanoparticulelor magnetice este destul de limitată. Nanoparticulele pot fi protejate împotriva oxidării prin realizarea structurii core-shell, unde stratul exterior sau coaja să fie un material inert din punct de vedere chimic. Fiind un material biocompatibil, netoxic dar și inert din punct de vedere chimic, aurul este un element optim de utilizat drept înveliș a acestor nanoparticule .

Când două materiale au structuri cristaline asemanătoare , unul dintre materiale poate fi direct depozitat pe celălalt material, formând astfel un înveliș relativ uniform ce poate fi facilitat prin intermediul creștierii treptate.

Învelișul de aur al nanopaticulelor magnetice poate sa fie format direct cu ajutorul unor agenți reducători, cum ar fi citratul de sodiu sau glucoza. Una dintre cele mai folosite și totodată cele mai simple metode pentru realizarea învelișului de aur este utilizarea citratului de sodiu ca și agent reducător al clorurii acide de aur .

Figură 0.1.2 Schema procedurii preparării Fe3O4@Au-repetarea procesului; imeginile TEM a nanoparticulelor după după depozitarea aurului o dată, de trei ori și de cinci ori.

Nanoparticulele magnetice sunt pregătite prin metoda co-precipitării, prin combinarea clorurii feerice (FeCl3) și a clorurii feroase (FeCl2) într-un mediu alcalin, în prezența hidroxidului de sodiu (NaOH). Atomii de aur se depozitează pe învelișul nanoparticulelor magnetice datorită reducerii clorurii acide de aur (HauCl4) în prezența soluției apoase de nanoparticule magnetice și citrat de sodiu, la o temperatură de fierbere . Dacă temperatura la care are loc reacția este temperatura de fierbere, putem obține nanoparticule magnetice învelite cu un strat subțire de aur, bine dispersate și stabile în apă. Pe de altă parte, dacă condițiile experimentale cum ar fi rația dintre nanoparticulele magnetice și clorura acidă de aur sau concentrația agentului reducător nu sunt cu precizie urmate, există posibilitatea formării doar a nanoparticulelor de aur . Formarea învelișului de aur a nanoparticulelor se observă vizibil prin schimbarea culorii soluției din negru în maro roșiatic cum se poate observa în figura I.3.

Figura 0.2.3 Schimbarea culorii nanoparticulelor magnetice acoperite cu Aur din negru in maro roșiatic și separarea magnetică a acestora

Mai mult, pentru a obține nanoparticule magnetice învelite cu aur monodispersate și a evita interacțiunea ionică asociată aglomerării particulelor putem introduce soluția la sonicare.

Un alt agent reducător folosit este glucoza . Chiar daca această metodă este simplă și rapidă, este nevoie de repetarea procesului de cel puțin 3 ori pentru a obține un înveliș relativ uniform. Și în acest caz, dacă nu sunt urmate intocmai condițiile optime atunci există o mare probabilitate de a se forma doar nanoparticule de aur.

În acestă lucrare, am aratat și faptul că, doar combinând nanoparticulele magnetice cu nanoparticulele de aur, pregatite în prealabil, putem obține un înveliș de aur uniform, datorită sarcinii negative mai slabe de la suprafața nanoparticulelor de Fe3O4 decât a sarcinii de la suprafață a nanoparticulelor de aur.

I.5. Dificultăți în acoperirea cu aur a nanoparticulelor magnetice

Una dintre cele mai mari provocări în acoperirea cu aur în acoperirea cu aur a nanoparticulelor este asigurarea faptului că nanoparticulele sunt acoperite complet și nu exisă urme de fier sau oxid de fier.

A doua provocare este de a controla cu precizie grosimea și finețea învelișului de aur. De obicei, grosimea învelișului de aur este controlată de raportul dintre nucleul magnetic și învelișul de aur sau raportul dintre clorura acidă de aur și agentul reducător. Cu toate acestea, pentru a obține rapoarte optime, este necesară o dezvoltare experimentală extensivă. Cu metodele de creștere prezentate, este uneori dificil să se obțină o suprafață de aur netedă. O altă alternativă pentru a obține învelișul de aur neted este crearea unui spațiu între nucleul magnetic și coajă, folosind diferiți polimeri.

O altă provocare este caracterizarea morfologică a acestor nanoparticule. Deoarece particulele sunt magnetice la temperatura camerei, ele tind să agrege în timpul etapelor de uscare ale preparării probelor. Datorită acestui lucru, imaginile obținute prin tehnici precum microscopia electronică de transmisie pot fi neclare .

I.6. Proprietăți ale Fe3O4@Au

În general, proprietațile magnetice ale nanoparticulelor sunt puternic influențate de mulți parametrii cum ar fi, mărimea, forma, impuritățile și structura cristalină a elementului. Comportamentul feromagnetic al nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur este asemănător cu cel al nanoparticulelor magnetice chiar dacă aurul nu este un material magnetic, având deci proprietăți magnetice asemănătare cu nanoparticulele de Fe3O4. În multe cazuri stratul protector al nanoparticulelor nu acționează doar în stabilizarea nanoparticulelor magnetice, ci și în legarea acestora de diferite biomolecule datorită stratului inert format la suprafață.

Nanoparticulele magnetice au fost de un real ajutor în diferite domenii tehnologice, în special în aplicațiile biomedicale. Pentru utilizarea acestora într-un sistem biologic, nanoparticulele magnetice trebuie sa aibă proprietăți biocompatibile cu celelule și țesuturile cu care interacționează. Citotoxicitatea nanoparticulelor magnetice și nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur a fost evaluată în mai multe cercetări folosind o celulă HeLa, în care nanoparticulele au fost păstrate timp de 24 de ore. Aceste celule sunt în general folosite pentru a testa toxicitatea nanoparticulelor.

Rezultatele au indicat faptul ca nanoparticulele de magnetita și nanoparticulele de Fe3O4@Au au un efect neglijabil asupra celulelor, viabilitatea celulei fiind puțin mai ridicată în cazul nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur. Acest lucru demonstrază potențialul nanoparticulelor de Fe3O4@Au în nanomedicină și în aplicațiile biotehnologice.

Capitolul II. Aplicații biomedicale ale nanoparticulelor de Fe3O4@Au

Nanoparticulele magnetice prezintă un real interes în mediul clinic datorită proprietăților pe care le dețin, cum ar fi stabilitatea și biocompatibilitatea. În aplicațiile biomedicale nanoparticulele trebuie sa fie monodispersate, de dimensiuni mici și să posede o susceptibilitate magnetică mare la aplicarea unui camp magnetic exterioră . Pentru asigurarea toleranței și a biocompatibilității, nanoparticulele magnetice sunt acoperite cu aur pentru anumite aplicații precum: transportul de medicamente , hipertermie și agenți de contrast pentru tomografia de rezonanța magnetică nucleară .

II.1. Transportul de medicamente

Recent s-a demonstrat potențialul nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur în transportul de medicamente ghidate magnetic . Transportul controlat de medicamente, facilitat de nanoparticulele de Fe3O4@Au este favorizat de forțele hidrodinamice ale fluxului sangvin. Nanoparticulele sunt injectate intravenos, sunt ghidate magnetic către țesutul vizat, imobilizate în acesta până medicamentul este eliberat datorită câmpului magnetic exterior iar apoi eliminate din organism. După administrarea intravenoasă are loc interacțiunea dintre nanoparticule și proteinele din organism, proteinele fiind absorbite de dispersia de nanoparticule magnetice, proces numit opsonizare.

Ultimele studii au arătat prin analiza in vitro a rezultatelor nanopaticulelor magnetice acoperite cu aur o scădere a viabilității celulelor canceroase (piept, cap și gât) de până la 64% după tratamentul combinat al terapiei fototermale și fotodinamice. În plus, țintirea magnetică a permis o creștere a absorbției celulare în comparație doar cu țintirea biomoleculară.

O altă problemă care poate fi rezolvată prin terapia chemo-fototermă este artrita reumatoidă. Metodele actuale de tratare se bazează pe medicamente anti-reumatice care modifică boala dar care au și efecte secundare pe termen lung cum ar fi toxicitatea hepatică . În prezent modificarea medicamentelor anti-reumatice este un domeniu de cercetare în dezvoltare. Prin utilizarea nanoparticulelor de dorește, administrarea unor doze mici dar cu o concentrație ridicată de metotrexat în zonele afectate .

II.2. Hipertermia

O altă zonă importantă de cercetare în medicină a nanoparticulelor magnetice este folosirea acestora ca agenți de hipertermie. Abordarea clasică a hipertermiei presupune expunerea pacientului la un tratament cu unde electromagnetice cu frecvențe de oridinul sutelor de MHz. Acest tratament termic funcționează pe principiul de bază al deteriorării selective a celulelor canceroase prin încălzire, lăsând țesuturile sănătoase intacte datorită toleranței lor la temperaturi mai ridicate datorită diferențelor de metabolizare.106. Această creștere a temperaturii poate fi generate fie de un camp magnetic alternative care utilizează material magnetice active, fie prin excitarea cu laser a nanoparticulelor plasmonice.

În ultima perioadă au fost effectuate diferite studii care demostrează funcționalitatea multiplă a nanomaterialelor hibride. Spre exemplu. Hoskins și colaboratorii au demonstrate eficiența in vitro a nanoparticulelor magnetice de fier, folosiți ca agenți de hipertermie, intr-un studiu axat pe celulele melanomului uman. Pentru realizarea unor experimente s-a folosit substanța agar-agar, substanță gelatinoasă extrasă din unele alge marine, în care au fost introduse și mai apoi iradiate nanoparticulele magnetice de fier, cu un laser de 532 nm, rezultând astfel o creștere a temperaturii de 32 ℃ dar și o limitare a acesteia la locul de acumulare. Din experiment au rezultat și condițiile optime prind timpul de recuperare, temperaturea celulelor și cantitățile de dozare a nanoparticulelor.

O altă utilizare este hipertermia cu fluid magnetic, ce implică dispersarea nanoparticulelor magnetice în interiorul țesutului țintă. Se aplică mai apoi un câmp magnetic de current alternativ ce are putere și frecvență suficient de mare încât determina încălzirea particulelor prin pierderi de histerezis sau relaxare Neel. Hipertermia bazată pe fuide magnetice se diferențiază de celelalte tipuri de terapii prin cel mai bun potential de a ținti în mod selectiv celulele tumorii, permițând astfel reducerea cantității de radio- și chemoterapie dar și cea a efectelor secundare toxice.

II.3. Imagistica medicală

Un alt domeniu de interes în mediul clinic dar și în cercetarea medicală este imagistica celulară sau imagistică medicală. Tehnicile imagistice medicale ne permit să privim în interiorul corpului uman și să detectăm țesutul bolnav fără a fi nevoie de intervenții chirurgicale. Unul dintre marile avantaje ale tehnologiilor imagistice este acela că aceste tehnologii sunt acum utilizate în mod obișnuit în spital și în domeniile biomedicale. Nanoparticulele magnetice sunt utilizate drept agent de contrast pentru a urmări migrarea celulelor în organism sau ca biomarker patologic, fiind legate de liganzi specifici (molecule vectori) prin care acestea sunt direcționate în organism. Drept molecule vector pot fi utilizați anticorpi, polizaharide,și altele. Spre exemplu în ficat, splina și țesutul ganglionilor limfatici sănătos, nanoparticulele de oxid de fier reduc intensitatea semnalului pentru imagistica de rezonanță magnetică, deoarece celulele fagocitare absorb nanoparticulele. Pe de altă parte în țesuturile bolnave celulele fagocite nu reușesc să absoarbă nanoparticulele și prin urmare apare un semnal mai puternic în zona vizată. Condițiile pentru care direcționalitatea nanoparticulelor magnetice în organism să fie optimă depind de timpii de staționare prelungită a nanoparticulelor în organele țintă, îmbunătățirea semnificativă a raportului semnal/zgomot pentru a permite detectarea acestora prin tomografie de rezonanță magnetică, constante de afinitate marei pentru asigurarea specificității interacțiunii, toxicitatea redusă dar și timpul de înjumătățire a concentrației în sânge, care trebuie să fie suficient de lung pentru a permite interacțiunea nanoparticulelor cu biomarkeri țintă.

RMN implică utilizarea unui câmp magnetic, în timp ce tomografia computerizată se bazează pe atenuarea razelor X. O combinație a acestor modalități permite obținerea simultană a informațiilor anatomice ale țesuturilor moi și tari, generând imagini cu rezoluție înaltă , oferind astfel informații biologice mai detaliate. O tehnică de rutină este IRM-ul în care câmpurile magnetice sunt utilizate pentru a detecta moleculele de apă în diferite țesuturi. Agenții de contrast pe bază de oxid de fier au fost utilizați în domeniul medical și în trecut și sunt utilizați în principal pentru aplicațiile cu rezonanță magnetică.

De exemplu, ferumoxsil-ul este o suspensie orală a nanoparticulelor magnetice ce este administrate ca agent de contrast pentru imagistica intestinului. Cercetarea care se bazează pe îmbunătățirea potențialului contrastului acestor nanomateriale este un proces continuu. Una dintre ariile de cercetare este sinteza nanoparticulelor de fier care au o magnetizare mai mare, dar complicațiile suplimentare ale sensibilității în ceea ce privește oxidarea acestora împiedică dezvoltarea lor. Pentru a depăși acest obstacol, o abordare este de a acoperi nanoparticulele cu un material inert și biocompatibil, cum ar fi aurul. Unele cercetări anterioare au implicat un studiu comparativ între nanoparticulele magnetice acoperite cu aur sintetizate și Feridex, o suspensie de dextran (nanoparticule magnetice) disponibilă în comerț. Studiile confirmă faptul că coajă de aur nu are niciun efect negativ asupra proprietăților magnetice interne ale nucleului. În plus, absorbția tumorală a nanoparticulelor datorită permeabilității acestora a arătat o îmbunătățire prin prisma biocompatibilității, dimensiunii adecvate și duratei lungi de circulație a sângelui a nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur. În figura de mai jos se poate observa diferența dintre imaginile obținute prin RMN după 4 ore, între țesut tumoral analizat prin nanoparticulele magnetice acoperite cu aur și substanța comercială Feridex.

Figura II.1 Imagini RMN in vivo a țesutului tumoral după 4 ore a injecției intravenoase cu: a) și c) Fe3O4@Au iar b) și d) Feridex

O altă tehnică care furnizează informații funcționale este imagistica cu ultrasunete, prin care o zonă este inundată de unde sonore producând un ecou prin care se obțin date moleculare. Studiile arătă că stratul de aur mărește contrastul tomografiei computerizate atunci cu corp când este iradiat cu raze X în comparație doar cu nanoparticulele de oxid de fier .

Capitolul III. Metode spectroscopice și metode de caracterizare utilizate

Procesele de bază ale unei măsurători spectroscopice sunt procesele care apar între lumină și materie. Se știe că câmpul electric generat de o undă luminoasă interacționează cu momente de dipol, fie ele existente sau induse, făcându-le să oscileze foarte repede. Aceste oscilații ale distribuțiilor de sarcină pot genera un câmp electromagnetic. Având în vedere faptul că aceste distribuții de sarcină sunt specifice fiecărui tip de materie, schimbul de energie dintre undele electromagnetice și materie este unic și oferă informații unice asupra despre acea materie.

III.1. Spectroscopia UV-Vis

Nanoparticulele magnetice acoperite cu aur au fost de asemenea caracterizate folosind spectroscopia UV-Vis. Spectroscopia UV-Vis este un tip de spectroscopie care se utilizează pentru a măsura absorbția luminii unei anumite soluții între intervalele de 200 și 750 nm. Dintr-un spectru UV-Vis se determină câteva proprietăți importante ale soluției analizate, cum ar fi lungimea de undă la care are cea mai mare absorbanță și, în mod analog, intensitatea unei absorbții stabilite.

Principiul de funcționare al unui spectrometru UV-Vis este destul de simplu. Compusul organic care este măsurat trebuie să aibă un inel aromatic, o legătură nesaturată și un heteroatom sau o combinație a acestor elemente. Motivul din spatele acestui fapt este că lumina UV are doar suficientă energie pentru a excita heteroatomi, inele aromatice și legături duble C = C. Există numai trei tipuri de tranziții: n la Σ, n la π și π la π. Absorbția UV crește, de asemenea, cu existența unor legături duble de carbon.

Spectrometrul UV-Vis este compus în principal din lămpi care eliberează lumină în spectrul spectrului UV și vizibil, oglinzile colimatoare, un fotodetector, o fantă și un monochromator. Lampa UV este de obicei bazată pe deuteriu, iar lampa Vis este de obicei din tungsten. Rotița de filtrare, care înlocuiește de obicei fanta, poate fi rotită și astfel modifică intervalul de lungime de undă caracteristic luminii care trece prin sondă. Lumina care provine din eșantion este apoi transformată într-un semnal electric de către fotodetector și apoi este amplificată. După aceasta, semnalul este procesat de software și apoi este afișat într-o formă spectrală.

Spectroscopia UV-Vis nu poate oferi o structură detaliată structurală și nu este un instrument de identificare pură, dar poate fi utilizată în mod eficient în studiile de stabilitate sau în procesele de determinare a concentrațiilor de proteine ​​.

III.2. Microscopul Electronic cu Transmisie

Caracterizarea morfologică a nanoparticulelor va fi efectuată cu ajutorul unui microscop electronic de transmisie, așa cum se poate vedea în Figura III.1 de mai jos:

Figura III.1. Schema microscopului electronic de transmisie

Microscopia TEM utilizează un principiu destul de simplu. Folosește un fascicul concentrat de electroni care sunt accelerați în sonda foarte subțire, electronii trecând prin sondă și interacționând cu ea.

Deoarece electronii au o lungime de undă Broglie mică, microscoapele electronice au o rezoluție mai mare decât rezoluția microscoapelor clasice. Prin urmare, microscopul cu transmisie electronică poate furniza imagini care au detalile fine comparabile cu o singură coloană de atomi. Pentru ca imaginea să se formeze, electronii care ies din sonda trebuie poziționați corect pe placa fotografică. Intensitatea observată a electronului poate fi determinată utilizând următoarea formulă:

(1)

Din această ecuație, se poate observa că imaginea analizată depinde de amplitudinea fasciculului și de faza electronilor. Pentru ca o imagine să aibă o rezoluție mai mare, electronii trebuie să aibă energii mai mari, iar sonda trebuie să fie mai subțire. Sonda modifică faza undei electronice grosimea determinând astfel o imagine cât mai clară.

III.3. Zetasizer Nano

Instrumentele din aria Zetasizer (figura III.2) sunt în general utilizate pentru a măsura dimensiunile particulelor și a moleculelor care pot avea în diametru și mai puțin de un nanometru utilizând împrăștierea luminoasă și potențalul Zeta prin împrăștierea luminii electroporetice. Tehnica utilizată în această lucrare este DLS- Dynamic Light Scattering, tehnică non-invazivă ce oferă informații despre caracteristicile moleculelor, nanoparticulelor sau particulelor dispersate sau dizolvate intr-un lichid, în general apă.

Figura III.2. Aparatul Zetasizer Nano utilizat

În practică, particulele suspendate într-un lichid nu sunt niciodată staționare. Particulele se mișcă constant datorită mișcării browniene. Miscarea Browniană este mișcarea particulelor datorită coliziunii întâmplătoare cu moleculele lichidului care înconjoară particula. O caracteristică importantă a mișcării browniane pentru DLS este aceea că particulele mici se mișcă rapid și particulele mari se mișcă mai încet. Relația dintre dimensiunea unei particule și viteza sa datorată mișcării browniene este definită în ecuația lui Stokes-Einstein. Pe măsură ce particulele sunt în mod constant în mișcare, lumina împraștită va avea o fază constructivă și distructivă ce va determina creșterea sau diminuarea intensității zonelor luminoase și întunecate; altfel spus, la un anumit punct intensitatea pare să fluctueze. Sistemul Zetasizer Nano măsoară rata intensității fluctuație și apoi utilizează acest lucru pentru a calcula dimensiunea particulelor după cum se observă in figura III.3 de mai jos.

Figura 0.1.3 Principiul fizic utilizat de aparatul Zetasizer Nano

Analiza acestor fluctuații de intensitate determină viteza mișcării browniere și, prin urmare, dimensiunea particulelor utilizând relația Stokes-Einsten.

III.4. NanoSight

Seria de instrumente NanoSight (figura III.4) utilizează analiza de urmărire a nanoparticulelor pentru a caracteriza nanoparticulele ce au diametrul cuprins între 10 nm – 2000 nm. Fiecare particulă este analizată individual, dar simultan, prin observații directe ale difuziei. Această metodologie particulă-cu-particulă oferă rezultate de înaltă rezoluție pentru distribuția și concentrația particulelor. Pe lângă dimensiunea și concentrația particulelor, agregarea proteinelor și vâscozitatea pot fi de asemenea analizate, în timp ce un marker de fluorescență asigură detectarea particulelor marcate.

Figura 0.1.4 Aparatul NanoSight utilizat

Măsurarea dimensiunii este o metodă de vizualizare și analiză a particulelor în lichide, care corelează viteza mișcării browniene cu dimensiunea particulelor. Rata de mișcare a particulelor este legată de vâscozitatea lichidului, de temperatura și dimensiunea particulei și nu este influențată de densitatea particulelor sau de indicele de refracție. Particulele conținute în eșantion sunt vizualizate în virtutea luminii pe care o împrăștie atunci când sunt iluminate de lumina laser (figura III.5). Lumina împrăștiată de particule este capturată utilizând o cameră digitală științifică, iar mișcarea fiecărei particule este urmărită de la un cadru la altul prin software-ul special dezvoltat. Această rată a mișcării particulelor este legată de o rază hidrodinamică sferică echivalentă calculată prin ecuația Stokes-Einstein. Tehnica calculează dimensiunea particulelor, depășind punctele slab inerente prin tehnicile ansamblului. De asemenea, deoarecebaza analizei este video, este posibilă o caracterizare precisă a evenimentelor în timp real, cum ar fi agregarea și dizolvarea.

Figura III.5. Principiul fizic utilizat de aparatul NanoSight

Sistemul unic de detectare a particulelor NanoSight permite măsurarea concentrației particulelor în intervalul de diametre de 10 nm – 2000 nm în suspensie lichidă.

IV. Metode experimentale

IV. 1. Sinteza Fe3O4

Pentru a prepara nanoparticule de Fe3O4, omogene în mărime și compoziție, este necesar ca reacția să aibă loc într-un mediu apos cu raportul molar Fe(II) la Fe(III) de 1:2, valoarea pH-ul fiind cuprinsă între 11-12. Primul pas constă în combinarea a 0,85 mL soluție HCl 12,1 N cu 25 mL de apă pură deoxigenată. În soluția deja formată se dizolvă succesiv sub agitare, 5,2 g FeCl3 și 2,0 g FeCl2. În 250 mL soluție de NaOH 1,5 M se adaugă prin picurare soluția finală obținută anterior. Ultimul pas generează instant un precipitat negru intens. Substanțele folosite se pot observa in figura IV.1 de mai jos:

Figura IV.1. Substanțele utilizate pentru sinteza nanoparticulelor magnetice

Paramagnetismul soluției a fost verificat prin plasarea unui magnet sub paharul Berzelius în care se afla precipitatul negru de Fe3O4 după cum se poate observa în figura IV.2. Precipitatul este izolat de câmpul magnetic iar astfel, prin decantare, supernatantul se elimină . Urmatorul pas constă în adaugarea unei cantități de apă pură deoxigenată în recipientul in care se află precipitatul și centrifugarea acestuia la 350 rpm. După repetarea procedurii anterioare de cel puțin trei ori, pH-ul nanoparticulelor ajunge la valoarea de 3,5. Prin adăugarea unui ml de soluție de NaOH 1,5 M, soluția finală de nanoparticule de Fe3O4 are valoarea pH-ului cuprinsă în intervalul 11-12 .

Figura IV.2. Metoda de separarea a nanoparticulelor magnetice de supernatant

IV.2. Sinteza nanoparticulelor de Au

Nanoparticulele de aur (AuNPs) au fost preparate folosind 90 ml apă, 600 µl soluție de aur (1 g HAuCl4 dizolvată în 50 ml apă), 500 µl de soluție de glucoză (0,9 g de glucoză dizolvată în 5 ml apă) și 1 ml 1% soluție de NaOH.

Apa, soluția de glucoză și soluția de NaOH s-au adăugat într-un pahar Berzelius și s-au încălzit până la 50 ° C, fiind agitate viguros în același timp. Soluția de aur a fost adăugată rapid după atingerea temperaturii dorite, nanoparticulele de aur formându-se aproape instantaneu.

IV.3. Acoperirea nanoparticulelor de Fe3O4 cu Au

Nanoparticulele magnetice de Fe3O4 au fost stabilizate cu citrat sau glucoză (în proporție de cantitate echivalentă) iar mai apoi au fost acoperite cu aur prin diferite metode, prezentate mai jos.

Prima probă, A, a fost preparată prin adăugarea a 20 ml Fe3O4 Nps stabilizate cu citrat în 40 ml H2O pură la o temperatură t= 85 ℃. 2 ml 1 % clorură acidă de aur, HAuCl4, au fost adăugați la soluția preparată anterior la aceeași temperatură.

Proba B, a fost preparată asemanător cu proba A, cu excepția faptului că nanoparticulele magnetice de Fe3O4 au fost stabilizate cu glucoză. Prin urmare, 20 ml de Fe3O4 Nps stabilizate cu glucoză au fost adăugate în 40 ml H2O pură la o temperatură t= 85 ℃; în final, s-au adăugat 2 ml 1% de HAuCl4.

Proba C reprezintă o extensie a probei B, astfel că în soluția deja formată au fost adăugați 5 ml 0,1 M de glucoză și 1,5 ml 1 % de HAuCl4 la o temperatură de 85 ℃, coaja de aur a nanoparticulelor magnetice stabilizate cu glucoză extinzându-se pe aproximativ întreaga suprafață a nanoparticulelor magnetice.

Proba D, a fost preparată prin adaugarea a 3 ml Fe3O4 Nps și 3 ml Au Nps- sintetizate prin metoda descrisă în subcapitolul IV.2.

Probele A, B, C și D au fost spălate de 3 sau 4 ori, supernatantul fiind eliminat prin plasarea unui magnet sub recipientul în care se afla proba, dovedind astfel și paramagnetismul nanoparticulelor. Probele finale au fost supuse metodelor de investigare prezentate în capitolul III.

Folosind aceste patru metode de preparare am reușit să controlam mărimea nanoparticulelor. Imediat după preparare, nanoparticulele au fost caracterizate prin spectroscopie UV-Vis și pH-ul lor a fost înregistrat. Modificările morfologiei și ale pH-ului nanoparticulelor au fost observate în timp.

V. Rezultate și discuții

În acest capitol al lucrării voi prezenta și interpreta spectrele și imaginile achiziționate probelor preparate în capitolul anterior. Metodele de investigare utilizate sunt metodele prezentate in capitolul III al lucrării.

Fe3O4 Nps

Inițial, am achiziționat un spectru UV-Vis al nanoparticulelor magnetice de Fe3O4 preparate după sinteza prezentată (0.85 ml 12 N HCl +25 ml H2O+ 5.2 g FeCl3+2 g FeCl2; rezultatul a fost adăugat unei soluții de 250 ml 1.5 M NaOH. Solutia finala a fost spalata de 4 ori si redispersată în 250 ml H20). Spectrul obținut se poate observa mai jos.

Figura V.1 Spectrul UV-Vis al Fe3O4 Nps

Putem observa că în cazul nanoparticulelor de Fe3O4 absorbanța are loc la peak-ul corespunspunzător valorii de 342 nm. În literatură, valoare optimă a absorbanței se găsește în domeniul 300-350 nm.

Proba A (Fe3O4@Au Nps stabilizate cu citrat)

Prima probă analizată, Proba A, constă în dispersia a 20 ml nanoparticule Fe3O4 stabilizate cu citrat în 40 ml H20 încalzite la 85°C. S-au adăugat 2 ml 1% HAuCl4 lăsând soluția, timp de 20 de minute pe plită. În final nanoparticulele de Fe3O4@Au au fost spălate de 4 ori, supernatantul fiind astfel eliminat. Imediat după sinteza nanoparticulelor, o probă a fost supusă caracterizării UV-Vis.

Figura V.2 Spectrul UV-Vis al Fe3O4@Au Nps stabilizate cu citrat

În figura V.2 de mai sus, este reprezentat spectrul UV-Vis al nanoparticulelor de Fe3O4@Au stabilizate cu citrat. Se observă cele două peak-uri importante ale absorbanței, primul la valoarea de 351 nm corespunzător oxidului de fier, iar cel de-al doilea la 545 nm corespunzător aurului. După prima metodă de investigație putem afirma că nanoparticulele magnetice sunt parțial acoperite cu aur.

Fe3O4 Nps stabilizate cu glucoză

Nanoparticulele magnetice de Fe3O4 au fost stabilizate cu glucoză (cantități echivalente de nanoparticule magnetice și soluție de glucoză 0,1 M) și caracterizate cu ajutorul aparatului Zetasizer (prepararea probei a constat în diluția a 100 µl nanoparticule în 10 ml H2O). În figurile putem observa rezultatele obținute cu privire la diametrul și potențialul zeta al nanoparticulelor magnetice.

Figura 0.1.3 Distribuția mărimii nanoparticulelor de Fe3O4 stabilizate cu glucoză în funcție de numărul acestora

În figura V.3 sunt prezentate rezultatele cu privire la diametrul nanoparticulelor magnetice de Fe3O4 stabilizate cu glucoză. S e observă faptul că cele două picuri sunt la valori diferite, având o diferență de mărime în diametru mare. Pe de altă parte procentajele sau numărul de nanoparticule al celod două grupe este aproximativ același. In cazul primului vârf, corespunzător valorii de 710,1 nm, deviația standard (St. Dev) este una foarte mare (75,15), în timp ce cel de-al doilea vârf, corespunzător valorii de 167,5 nm, deviația standard este mult mai mică (13,74 nm).

Figura 0.2.4 Distribuția potențialului zeta al nanoparticulelor de Fe3O4 stabilizate cu glucoză

Potențialul zeta reprezintă diferența de potențial dintre mediul de dispersie și stratul staționar atașat de particula dispersată . Potențialul zeta este un indicator-cheie al stabilității dispersiilor coloidale. Mărimea potențialului zeta indică gradul de repulsie electrostatică între particulele adiacente, dintr-o soluție. Pentru moleculele și particulele suficient de mici, un potențial zeta ridicat va conferi stabilitate, adică soluția va rezista agregării. După cum putem observa în figura V.4 , nanoparticulele magnetice de Fe3O4 stabilizate cu glucoză, prezintă un potențial zeta cu o valoare corespunzătoare primului peak, de -20,5 mV cu o deviație standard neglijabilă. Valoarea potențialului zeta obținută ne confirmă faptul că nanoparticulele sunt stabile.

Proba B (Fe3O4@Au Nps stabilizate cu glucoză)

Proba B constă în dispersia a 20 ml nanoparticule Fe3O4 stabilizate cu glucoza în 40 ml H20 încalzite la 85°C. S-au adăugat 2 ml 1% HAuCl4 lăsând după soluția, timp de 20 de minute pe plită. Culoarea s-a schimbat în primele 10 minute de la un negru intens la un roșu-cărămiziu. În final nanoparticulele de Fe3O4@Au au fost spălate de 4 ori, supernatantul fiind astfel eliminat. Imediat după sinteza nanoparticulelor, o probă a fost supusă caracterizării UV-Vis.

Figura V.5 Spectrul UV-Vis al Fe3O4@Au Nps stabilizate cu glucoză

Spectul rezultat prezintă două peak-uri ale absorbanței, după cum putem observa în figura V.5 . Primul peak, corespunzător valorii aproximative de 400 nm, este datorat absorbției nanoparticulelor de Fe3O4 , în timp ce cel de-al doilea peak, corespunzător valorii de 572 nm, este datorat absorției aurului.

Imaginile TEM obținute, susțin ipoteza că nanoparticulele magnetice au fost parțial acoperite cu aur după cum putem observa în imaginile de mai jos.

Figura V.6 Imagine TEM a probei de Fe3O4@Au stabilizată cu glucoză

Figura V.7. Imagine TEM a probei de Fe3O4@Au stabilizată cu glucoză

Figurile V.6 și V.7 reprezintă imagini TEM ale nanoparticulelor de Fe3O4@Au, înregistrate la câteva zile după sinteza acestora. Se poate observa paramagnetismul nanoparticulelor datorită conglomerării acestora dar și varietatea în diametru.

Figura V.8 Imagine TEM a probei de Fe3O4@Au stabilizată cu glucoză

Figura V.9. Spectrul corespunzător primului punct analizat din proba de Fe3O4@Au

Figura V.10. Spectrul corespunzător celui de-al doilea punct analizat din proba de Fe3O4@Au

Figura V.8 este o de asemenea o imagine TEM a nanoparticulelor, care ne prezintă de asemenea spectrul pentru diferite puncte ale soluției dispersate. Cele mai importante și elevante spectre în acest scop sunt spectrele 1 și 2, corespunzătoare imaginilor V.9 și V.10 .

Primul punct analizat din figura V.8 prezintă spectrul reprezentat în figura V.10 . Analiza TEM ne arată un procent ridicat al prezenței fierului de 71,6%, al oxigenului de 21,4% și al aurului de 7,0%. Putem afirma deci că în acel punct al soluției dispersate nu a avut loc acoperirea cu aur a nanoparticulelor magnetice.

Cel de-al doilea punct analizat din figura V.8 prezintă un spectru reprezentat de figura V.10. Putem evidenția imediat diferența majoră față de primul punct. Aici, analiza TEM ne arată un procent ridicat al prezenței aurului de 86,1% în timp ce oxigenul și fierul prezintă un procentaj mult mai mic de 11,2% respectiv 2,6%. Analiza spectrală a celui de-al doilea punct ne confirmă faptul că nanoparticulele magnetice au fost parțial sau complet acoperite cu aur.

Dimensiunea diametrului nanoparticulelor de Fe3O4@Au precum și stabilirea valorii potențialului zeta a fost determinantă prin analiza Nanosizer. Prepararea probei a constat în diluția a 100 µl nanoparticule în 10 ml H2O. Rezultatele sunt ilustrate în figurile de mai jos.

Figura V.11 Distribuția mărimii diametrului în funcție de numărului nanoparticulelor din proba de Fe3O4@Au

Distribuția mărimii diametrului a nanoparticulelor în funcție de numărul acestora prezintă două peak-uri, la distanțe diferite dar și de procentaj diferit. Primul peak, corespunzător valorii de 603,0 nm prezintă o deviație standard de 81,11 nm, având un procentaj de două ori mai mare față de cel de-al doilea peak, corespunzător valorii de 151,9 nm, cu o deviație standard de 11,15%.

Figura V.12 .Insumarea distribuțiilor mărimilor diametrului în funcție de numărului nanoparticulelor din proba de Fe3O4@Au

Figura V.12 prezintă o însumare a tuturor măsurătorilor efectuate pe această probă. Rezultatul final ne arată peak-ul corespunzător valorii de 523,1 nm la o intensitate de 100% și cu o deviație standard de 22,81 nm.

Comparând rezultatele de la nanoparticulele de oxid de fier stabilizate cu glucoză și nanoparticulele de fier acoperite cu aur, se poate observa că diametrul acestora a crescut semnificativ în urma acoperirii , fapt ce susține ipoteza că acestea au fost într-adevăr învelite cu aur.

Valoarea potențialului zeta se poate observa din figura V.13 de mai jos.

Figura V.13 .Distribuția potențialului zeta din proba de Fe3O4@Au

Potențialul zeta prezintă o valoare corespunzătoare primului peak de -12,6 mV cu o deviație standard de 4,85 mV. Din acest punct de vedere, putem afirma faptul că nanoparticulele de fier stabilizate cu glucoză sunt mai stabile față de nanoparticulele magnetice acoperite cu aur, valoarile potențialului zeta fiind de -20,5 mV, respectiv -12,6 mV.

Proba C (Fe3O4@Au Nps stabilizate cu glucoză- a doua acoperire cu aur)

Datorită faptului că proba B, adică nanoparticulele de Fe3O4@Au stabilizate cu glucoză, au prezentat interes, următorul pas a fost acela de a încerca o a doua acoperire sau o completare a coajei de aur deja formată. Astfel, peste o parte din proba B au fost adăugați 5 ml 0,1 M de glucoză și 1,5 ml 1 % de HAuCl4 la o temperatură de 85 ℃ timp de 20 de minute. La final, proba a fost din nou spalată de trei ori și supusă inverstigației UV-Vis.

Figura V.14. Spectrul UV-Vis al Fe3O4@Au Nps acoperite cu aur de două ori

În figura V.14 putem observa spectrul caracteristic nanoparticulelor de Fe3O4@Au acoperite de două ori cu aur. Se remarcă faptul că cele două peak-uri corespunzătoare absorbanței fierului și a aurului, la valorile de 386 nm respectiv 611 nm sunt mai proeminente față de cele prezente în spectrul nanoparticulelor de Fe3O4@Au acoperite doar o singură dată.

Morfologia particulelor au fost observate prin TEM, imagini prezentate în figura V.15 și figura V.16. Fotografiile TEM au arătat nanoparticule sferice de oxid de fier care au apărut ca pete adânci întunecate în jurul acestora observându-se coaja de aur formată. De asemenea putem observa o creștere consideranbilă în diametru a acestora.

Figura V.15 Imagine TEM a Fe3O4@Au de două ori

Figura V.16 Imagine TEM a Fe3O4@Au de două ori

Figura V.17 Imagine TEM a Fe3O4@Au de două ori ce ne oferă spectre în diferite puncte ale soluției

Figura V.17 reprezintă de asemenea o fotografie TEM a soluției de nanoparticule. Soluția s-a caracterizat din punct de vedere chimic în mai multe puncte. Cele mai relevante spectre rezultate sunt spectrele corespunzătoare punctelor 8 și 9 după cum putem observa în figurile de mai jos.

Figura V.18 .Analiza spectrală a punctului corespunzător numărului 8 din proba de Fe3O4@Au

Spectrul corespunzător punctului de referință 8, ne arată un procent al prezenței apropiat de aur și fier, și anume 45,1% respectiv 38,4%. Analiza spectrală a acestui punct confirmă acoperirea parțială cu aur a nanoparticulelor magnetice.

Figura V.19 .Analiza spectrală a punctului corespunzător nr. 9 din proba de Fe3O4@Au

Figura V.19 reprezintă analiza spectrală a punctului 9 din proba de Fe3O4@Au. Se observă un procent al prezenței aproximativ egal între aur și fier diferența fiind de 1,5%. Acestă analiză ne confimă o oarecare omogenitate a soluției, astfel că putem afirma că toate nanoparticulele magnetice au fost parțial sau complet acoperite cu aur.

Figura V.20 Imagine TEM a nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur

Imaginea V.20 de mai sus, reprezintă o fotografie TEM a nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur de două ori. Putem observa că fiecărui element i s-a atribuit o culoare specifică după cum urmează: oxigen-albastru, aur-roșu și fier-portocaliu. Putem observa cum în unele zone, culorile corespunzătoare aurului și fierului, și anume portocaliu și roșu, se suprapun. Acest lucru dovedește faptul că o mare parte din nanoparticulele magnetice sintetizate au fost parțial sau chiar complet acoperite cu aur.

Proba D (Fe3O4 Nps + Au Nps)

Ultima proba preparată, proba D, constă în combinarea simplă dintre nanoparticulele magnetice de Fe3O4 și nanoparticulele de Au sintetizate dupa metoda prezentată în subcapitolul IV.2. Spectrul UV-Vis al nanoparticulelor de aur prezintă un peak corespunzător absorbanței acestuia la valoarea de 540 nm, dupa cum putem observa în imaginea V.21 de mai jos.

Figura V.21 Spectrul UV-Vis al nanoparticulelor de aur

Pentru prepararea probei s-a folosit un raport masic echivalent de 3 ml, soluția fiind încălzită timp de 20 de minute la 85 ℃. După acest timp, proba a fost spălată de 3 ori și supusă caracterizării UV-Vis.

Figura V.22. Spectrul UV-Vis al probei D de Fe3O4@Au

Spectru UV-Vis al probei D, prezintă două peak-uri, cel mai evidențiat fiind corespunzător valorii de 539 nm, valoare a absorbanței ce ne confirmă prezența nanoparticulelor de aur. În acest caz, nu există acoperire cu aur a nanoparticulelor ci doar o alipire a acestora datorată deplasării benzii plasmonice.

Pentru mai multe detalii proba a fost caracterizată prin zetasizer si nanosight probele fiind preparate prin combinarea a 100 µl de nanoparticule și 10 ml de H2O.

Figura V.23. Concentrația soluției de nanoparticule în funcție de mărimea acestora

În figura V.23 de mai sus sunt prezentate rezultatele obținute după caracterizarea nanosight a probei D. Datorită faptului că deviația standard (SD) are o valoare foarte ridicată, respectiv 81,3 nm, proba este polidispersă. Se evidențiază de asemenea faptul că nanoparticulele cu o valoare a diametrului de aproximativ 65 nm au cea mai mare concentrație (particule/ml). Există și alte valori ale diametrului nanoparticulelor pentru care concentrația este relativ mare și anume 110 nm și 208-251 nm.

În același timp proba a fost supusă caracterizării zetasizer. Rezultatele se pot observa în figura V.24 de mai jos. Peak-ul corespunzător valorii de 55,21 prezintă o valoare medie a diametrului nanoparticulelor cu o deviație standard de 3,986 nm.

.

VI. Concluzii

Analiza datelor din literatură, referitoare la nanoparticule în general și nanoparticule magnetice de fier acoperite cu aur în special a permis definirea noțiunilor de bază, evidențierea realizărilor recente și identificarea provocărilor actuale în domeniu. Astfel, scopul acestei lucrări a fost de a obține și caracteriza nanoparticule magnetice de Fe3O4@Au plecând de la sărurile fierului, optimizarea metodelor de preparare și identificarea potențialului aplicativ. Metodele chimice de preparare a nanoparticulelor de Fe3O4@Au s-au dovedit a fi extrem de eficiente datorită posibilității de a utiliza diferiți agenți de stabilizare și de a prepara nanoparticule de dimensiuni și forme controlate.

Nanoparticulele de oxid de fier și nanoparticulele de oxid de fier acoperite cu aur au fost sintetizate cu succes. Rezultatele obținute prin spectrometria UV-Vis au confirmat acoperirea cu aur a nanoparticulelor, dimensiunile acestora fiind determinate prin microscopia electronică de transmisie (TEM) dar și prin rezultatele Nanosight și Zetasizer obținute.

În concluzie, nanoparticulele magnetice acoperite cu aur oferă un mare potențial pentru aplicațiile biotehnologice și biomedicale în viitorul apropiat, în special pentru imagistica medicală, biodetecție, livrare de medicamente și bioseparare magnetică.

Declarație

Prin prezenta declar că Lucrarea de licență cu titlul ,,Sinteza și caracterizarea nanoparticulelor magnetice acoperite cu aur (Fe3O4@Au)” este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate. De asemenea, declar că toate sursele utilizate, inclusive cele de pe Internet, sunt indicate în lucrare, cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului.

Cluj-Napoca Absolvent:

20.06.2018 Pop Maria