Nora Elizondo Villarreal
Doctorado en Ingeniería Física Industrial,
Facultad de Ciencias Físico Matemáticas
Universidad Autónoma de Nuevo León
RESUMEN
En este trabajo se pretende estudiar la posibilidad de sintetizar nanopartículas metálicas usando química verde a partir de extractos de plantas como Rosa Berberifolia, Geranium Maculatum, Aloe Barbadenisis y Cucúrbita Digitata. El método de química verde es una técnica ecológica de síntesis.
En este estudio hicimos uso de compuestos químicos de extractos de las plantas para obtener el ácido ascórbico como agente reductor, saponinas y fosfolípidos con propiedades tensoactivas y surfactantes naturales. Se investigó la influencia de los parámetros de la reacción en el tamaño de las partículas resultantes y su distribución. Por el método de química verde sintetizamos nanopartículas metálicas con tamaños controlados y a bajas temperaturas. Las mediciones con espectroscopia UV-Vis de la solución acuosas de los iones Au+3 y Ag+1, después de entrar en contacto con diferentes volúmenes de extractos de Rosa Berberifolia, Geranium Maculatum, Aloe Barbadenisis y Cucúrbita Digitata mostraron una intensa banda de absorción alrededor de 540 nm, característica del plasmón de resonancia de nanopartículas de oro y del plasmón de resonancia de la palta de entre 415 nm y 420 nm. Se observó un incremento en la intensidad de dichas bandas en función del tiempo de reacción. Estudios de TEM, muestran que el extracto de Aloe Barbadensis favorece la formación y estabilización de nanopartículas esféricas con un tamaño aproximado de 25 nm a una temperatura de 60 oC, en el caso de la Cucúrbita Digitata se obtuvieron partículas de diferentes tamaños y un rango de distribución también más amplio de 2 nm a 150 nm a la misma temperatura y tiempo de reacción. Se observa también que los parámetros que controlan el tamaño y la forma de la nanopartículas de oro y plata, son la concentración de los iones Au+3 y Ag+1 en la solución precursora, el tiempo de reducción, la clase y la concentración de extracto como agente reductor y estabilizador es el parámetro que ejerce una mayor influencia sobre las características de las nanopartículas de oro y plata.
INTRODUCCIÓN
Las nanopartículas monometálicas son de gran interés debido a sus propiedades físicas y químicas observadas a escala nanométrica, causadas por los efectos de tamaño, modificando propiedades como las catalíticas, las electrónicas, y las ópticas [1-3]. Con este fin, muchos métodos coloidales de síntesis se han desarrollado para la preparación de nanopartículas metálicas, tales como: reducción homogénea en soluciones acuosas, [4] reacciones de transferencia de fase, [5] con el citrato de sodio e hidracina, NaBH4, y el trietilborohidruro de litio (LiBEt3H) como agentes reductores directos. Cada uno de ellos se utiliza para sintetizar partículas con diversas características fisicoquímicas y estructurales [6]. Entre éstos, el método poliol es muy conocido y útil para producir nanopartículas como producto final, los modificadores y estabilizadores como polivinilpirrolidona (PVP) fácilmente cambian la composición y la superficie de las nanopartículas. Esta técnica no requiere de un reductor adicional puesto que el solvente por sí mismo, el etilenglicol, reduce el precursor metálico. Sin embargo, además de la estequiometría y del orden de adición del precursor metálico en el proceso de síntesis, uno de los parámetros más importantes de la preparación de nanopartículas es la temperatura. Las modificaciones de temperatura causan un efecto en la reacción, cambiando la estabilidad de las nanopartículas formadas y de los modificadores superficiales como PVP y el índice de nucleación de los átomos metálicos reducidos [7-9]. Las nanopartículas de oro (Au) y de plata (Ag) tienen una diversidad de características interesantes entre las cuales se acentúan las optoelectrónicas para cristales fotónicos, catalíticas como en las reacciones de interacción de luz con colorantes para su degradación por fotocatálisis y biomédicas como agentes antibacteriales, antivirales y para tratamiento de cáncer, las cuales dependen de la morfología y el tamaño de las nanopartículas. La caracterización de estos sistemas ha sido un proceso difícil donde los investigadores han empleado medidas indirectas para identificar la localización de los elementos dentro de las nanopartículas. Un nuevo método para estudiar esta clase de partículas se basa en el uso de una técnica de campo oscuro anular de ángulo amplio (HAADF), en un microscopio electrónico de transmisión (TEM), que permite la observación de los elementos debido al número atómico, a las densidades, o a la presencia de campos de tensión, debido a las diferencias en parámetros del enrejado, de la estructura, la presencia de surfactantes y tensoactivos o cualquier otro modificador superficial, además del tamaño de la partícula y también por el campo cercano que explora la microscopia óptica (NSOM) determinamos el tamaño de las partículas[10-12]. Las nanopartículas fueron sintetizadas usando métodos de química verde. Hicimos unas síntesis por este método para investigar la influencia de los parámetros de la reacción en el tamaño de partícula resultante y su distribución. Existen artículos que presentan las morfologías de las nanopartículas metálicas de oro y plata, preparadas por métodos convencionales [13-15]. El método de química verde es una técnica ecológica de síntesis. Por este método hicimos uso de compuestos químicos de plantas: Rosa Berberifolia, Geranio Maculatum, Aloe Barbadensis y Cucúrbita Digitata como se muestra en la figura 1, para obtener el ácido ascórbico como agente reductor. El ácido ascórbico (C6H8O6) es un componente abundante de las plantas que alcanza una concentración de más de 20 milimoles en cloroplastos y ocurre en todos los compartimientos de las células incluyendo la pared celular. El ácido tiene además funciones en fotosíntesis como cofactor de las enzimas y en el control del crecimiento de la célula [16]. Los extractos de estas plantas contienen compuestos que tienen características tensoactivas. En este trabajo mostramos que el método de química verde reduce el parámetro de la temperatura de reacción, lo cual está en contraste con lo obtenido por el método de poliol. El uso de estos componentes de extractos naturales nos permitió sintetizar nanopartículas de oro y de plata [17,18].
Figura 1. La síntesis por el método de química verde se realizó utilizando extractos de plantas con nombre científico de: (a) Rosa Berberiforia, (b) Geranium Maculatum, (c) Aloe Barbadensis y (d) Cucúrbita Digitata.
MÉTODO EXPERIMENTAL
Las plantas utilizadas en este experimento debieron estar frescas y sin residuos oxidados. El ácido tetracloroáurico(III) (HAuCl4) y el nitrato de plata Ag NO3 que se utilizaron fueron del proveedor Sigma-Aldrich, con una pureza de 99.99 %. Se utilizó agua desionizada. Se extrajeron 20 gramos de extractos de cada una de las plantas, los cuales se licuaron y se filtraron en tres ocasiones.
El método de reducción directa ha mostrado ser un método de bajo costo, puesto que no necesita de equipos de alto vacío o de algún otro aditamento sofisticado. Se utilizó un sistema de reflujo para la síntesis. Éste consiste de una parrilla de calentamiento, la cual posee un regulador que controla la velocidad de agitación y la temperatura en el reactor. Un matraz de bola es utilizado como reactor. En el aceite mineral se suspende un termómetro que mide la temperatura alcanzada en el sistema de reacción. En la parte central lleva acoplado un sistema refrigerante para el proceso de reflujo donde se acopla una jeringa para inyectar la solución con el precursor del metal. En el matraz de bola se colocaron 20 mL de agua desionizada y de 1 a 5 mL de extractos de plantas. Se prepararon soluciones acuosas de HAuCl4 y AgNO3 con concentraciones de 10-3 M a 5X10-3 M y se agregó al sistema de reacción un mililitro de cada solución en cada experimento. Se realizaron experimentos en el sistema de reflujo con agitación de temperatura ambiente (30 ºC) hasta 100ºC en intervalos de calentamiento de 10ºC, para observar el efecto de la temperatura en la morfología y tamaño de las nanopartículas monometálicas de oro y plata. Al momento de agregar los precursores las soluciones cambiaron de color de amarillo claro a rosa, rojizo, azul-violeta y café-oscuro en función de la temperatura y del tiempo de reacción. La duración de las reacciones varió en un rango de 30 minutos a 36 horas.
RESUTADOS Y DISCUSIÓN
Las nanopartículas de oro y plata se caracterizaron por medio de Espectroscopia UV-Vis; con esta técnica se puede observar el plasmón de resonancia superficial que se presenta alrededor de los 540 nm para el oro y 420 nm para la plata. Asimismo, se puede observar el efecto que ejerce el tiempo de reacción en la síntesis de las nanopartículas metálicas, ya que la intensidad de la absorción a 540 nm y a los 420 nm en los espectros de UV-Vis aumenta en función del tiempo, hasta alcanzar un valor estable después de aproximadamente 18 horas de reacción. Otra técnica analítica utilizada fue la Microscopia Electrónica de Transmisión, en la cual podemos observar la morfología y tamaño de las nanoestructuras de oro que se obtuvieron por bio-reducción con el extracto de Aloe Barbadensis ver la figura 2a y Cucúrbita Digitata figura 2b y 2c. En la figura 2 se muestran las micrografías representativas de las nanopartículas de oro obtenidas después de 18 horas de reacción, con un volumen de 2 mL de bio-reductor, con un tamaño promedio de de 25 nm (figura 2a), la figura 2b muestra una nanoparticula de oro de 150 nm y la 2c a una de 4nm.
Figura 2. Las imágenes de microscopia electrónica de transmisión muestran (a) a las partículas de oro sintetizadas con extractos de Aloe Barbadensis de 25 nm aproximadamente y la (b) a una partícula sintetizada con extractos de Cucúrbita Digitata de 150 nm y (c) a una nanopartícula sintetizada con extractos de Cucúrbita Digitata de 4 nm a 60oC y 18 horas de reacción.
CONCLUSIONES
Los extractos actúan como agentes reductores de los iones metálicos Au+3 y Ag+3. Las nanoestructuras de oro y plata se obtienen a partir de las sales de HAuCl4 y AgNO3. La síntesis de nanopartículas metálicas está fuertemente influenciada por la cantidad de extracto de las plantas. El tiempo es un factor que influye de manera determinante en la formación de las nanopartículas sintetizadas. El desplazamiento del plasmón se debe a la concentración del extracto de las plantas al intervenir en el tamaño, forma y cantidad de las nanopartículas formadas. Este método es una excelente ruta de síntesis de nanopartículas metálicas de oro y plata.
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