Multifuncional híbrido Fe 2 O 3 -Au Nanopartículas para la calefacción eficiente plasmónicas
20 de febrero de 2016
Describimos la síntesis y las propiedades de las nanopartículas multifuncionales de Fe2O3-Au producidas por un enfoque químico húmedo e investigamos sus propiedades fototérmicas utilizando irradiación láser. Las nanopartículas compuestas de Fe2O3-Au conservan las propiedades de ambos materiales, creando una estructura multifuncional con excelentes propiedades magnéticas y plasmónicas.
El objetivo general de este estudio de investigación es investigar las propiedades de una nueva clase de nanopartículas multifuncionales de óxido de hierro y oro producidas por un enfoque químico húmedo, y mostrar cómo pueden transducir eficientemente la luz al calor a través de efectos plasmónicos. Una forma de reducir los costos asociados con las nanopartículas de metales nobles para aplicaciones industriales es crear alternativas más baratas que tengan las mismas propiedades a una fracción del costo. Por ejemplo, las nanopartículas de óxido de hierro y oro pueden calentar fototérmicamente soluciones acuosas con la misma eficiencia que las nanopartículas de oro puro, al tiempo que conservan las propiedades originales de estas últimas.
Debido a su bajo costo y propiedades únicas, nuestras nanopartículas se pueden utilizar para aplicaciones tales como la manipulación fototérmica de AnaLight, imágenes y sensores biomédicos, procesamiento analítico y detección magnética. Para comenzar este procedimiento, prepare una solución madre de 25 milimolares de óxido de hierro en agua desionizada. Agregue 10 mililitros de agua desionizada y una barra agitadora a un matraz cónico de 25 mililitros.
Después de colocar el matraz en un bloque calefactor, agregue 100 microlitros de la solución madre de óxido de hierro y caliente la mezcla mientras revuelve durante aproximadamente cinco minutos. A continuación, prepare 10 mililitros de una solución de citrato de sodio al 1% disolviendo 0,1 gramos de citrato de sodio en 10 mililitros de agua. Añadir 1 mililitro de la solución de citrato de sodio al 1% al matraz que contiene la solución de óxido de hierro.
Después de calentar la solución a 100 grados centígrados, agregue 250 microlitros de ácido cloroáurico 0.01 molar al matraz. Continúe calentando la solución a 100 grados durante 10 minutos. Luego, retire la solución del bloque calefactor y deje que se enfríe a temperatura ambiente durante una o dos horas.
A continuación, purifique las muestras por centrifugación durante siete minutos a 4.700 x g. Cuando termine, retire el sobrenadante de las muestras. Luego, redistribuya las nanopartículas en hasta un mililitro de agua desionizada.
Para caracterizar las nanopartículas, coloque tres mililitros de la solución acuosa de color marrón rojizo en una cubeta de metacrilato. Coloque un imán comprado comercialmente muy cerca de la cubeta. En este punto, encienda la fuente de alimentación del láser y equilibre.
Coloque las ventanas de equilibrio de manera que no obstruyan la trayectoria del láser ni bloqueen los termopares IR. Después de quitar las cubiertas protectoras de los termopares IR, abra el programa de software de recopilación de datos, haga clic en Ejecutar y asigne a la medición el nombre Calentar.Mientras el sistema se calienta, en una campana, prepare la muestra pipeteando la cantidad adecuada de la solución deseada en una cubeta de metacrilato. Ajuste la potencia del láser a la configuración más baja que produce un haz apenas visible.
Compruebe que el punto del rayo láser no esté obstruido y permanezca en el punto focal del termopar IR. Después de esto, coloque la muestra en el brazo de equilibrio, de modo que el lado de la cubeta quede perpendicular al haz de medición IR del termopar, y el punto del rayo láser golpee el centro de la solución. Reduzca la potencia del láser hasta que el haz ya no sea visible.
Una vez finalizado el calentamiento, detenga el programa de medición y salga del software. Después de volver a poner a cero el saldo y abrir el programa de software de recopilación de datos, haga clic en Ejecutar y cree un nombre para el archivo de datos. Inicie la recopilación de datos haciendo clic en Guardar.
Después de 120 segundos de recopilación de datos, aumente la potencia del láser a la configuración deseada. Después de la recopilación de datos durante otros 1000 segundos, ajuste la potencia del láser a la configuración mínima y apague la fuente de alimentación del láser. Una vez finalizado el experimento, salga del programa.
Después de apagar todo y recuperar todo el equipo, guarde los datos experimentales en formato ascii para su posterior procesamiento. El análisis SEM revela la morfología de las nanopartículas de oro de óxido de hierro, mostrando agregados de partículas de óxido de hierro redondeadas e irregulares que parecen funcionalizadas con nanopartículas de oro más pequeñas, brillantes y redondeadas. A 520 nanómetros se observa un pico de absorbancia distinto en el espectro UV-Vis-NIR de las nanopartículas híbridas, y se atribuye al modo LSPR de las nanopartículas de oro, funcionalizando el óxido de hierro.
Los espectros de absorbancia UV-Vis de la solución de reacción muestran una ligera absorbancia inicial de luz visible, atribuida a las nanopartículas de óxido de hierro dispersas en la solución. A medida que avanza la reacción, se forma un pico a los 1,5 minutos, que se corresponde con la formación y deposición de nanopartículas de oro en la superficie del óxido de hierro. Las mediciones de calentamiento fototérmico de las nanopartículas de óxido de hierro, oro y oro exhiben un perfil de temperatura casi idéntico, con temperaturas que aumentan en más de 40 grados centígrados.
El experimento de agua desionizada no muestra cambios, lo que demuestra que el aumento de temperatura en las soluciones de nanopartículas se debe únicamente a la disipación de la energía electromagnética absorbida en las nanopartículas. El cambio en la masa de la solución de nanopartículas es mucho mayor que la tasa de evaporación de fondo, lo que indica temperaturas superficiales suficientemente altas para generar vapor a una tasa significativa. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en dos horas si se realiza correctamente.
Al intentar este procedimiento, es importante utilizar cristalería de laboratorio limpia para garantizar resultados reproducibles. Siguiendo este procedimiento, se pueden realizar otros métodos como la microscopía electrónica, UV-Vis y DLS para determinar si se produjeron daños inducidos por el láser. Tome las precauciones adecuadas cuando trabaje con rayos láser abiertos, como alinear el sistema con potencias láser mínimas, verificar los reflejos parásitos que bloquean extraños y cerrar el láser siempre que sea posible, y usar gafas de seguridad láser adecuadas cuando sea necesario.
Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo producir nanopartículas baratas en grandes cantidades y cómo generar calor dirigido de forma inalámbrica y bajo demanda para aplicaciones del mundo real.
Descripción general
Este estudio investiga la síntesis y las propiedades de nanopartículas multifuncionales de óxido de hierro y oro producidas mediante un enfoque químico en medio líquido. Las nanopartículas presentan excelentes propiedades magnéticas y plasmónicas, lo que permite un calentamiento fototérmico eficiente mediante irradiación con láser.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Síntesis de nanopartículas
- Propiedades fototérmicas
- Aplicaciones biomédicas
Antecedentes
- Las nanopartículas de óxido de hierro y oro son una alternativa rentable frente a las nanopartículas de oro puro.
- Pueden transducir eficientemente la luz en calor mediante efectos plasmónicos.
- Estas nanopartículas conservan las propiedades tanto del óxido de hierro como del oro.
- Sus aplicaciones incluyen la manipulación fototérmica y la imagenología biomédica.
Objetivo del estudio
- Sintetizar nanopartículas multifuncionales de óxido de hierro y oro.
- Evaluar sus propiedades fototérmicas.
- Explorar sus aplicaciones potenciales en diversos campos.
Métodos Utilizados
- Preparación de soluciones de óxido de hierro y citrato de sodio.
- Calentamiento y mezcla de soluciones para sintetizar nanopartículas.
- Centrifugación para la purificación de nanopartículas.
- Caracterización mediante espectroscopía UV-Vis y análisis por MEB.
Resultados principales
- Las nanopartículas mostraron un pico de absorbancia distintivo a 520 nm.
- Las mediciones de calentamiento fototérmico indicaron aumentos de temperatura superiores a 40 grados Celsius.
- Se demostró un calentamiento eficaz en soluciones acuosas.
- Los resultados sugieren potencial para aplicaciones industriales.
Conclusiones
- Las nanopartículas de óxido de hierro y oro son una alternativa viable a las nanopartículas de metales nobles.
- Se pueden producir en grandes cantidades a un costo más bajo.
- Estas nanopartículas tienen un potencial significativo para aplicaciones en el mundo real.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Las nanopartículas multifuncionales de Fe2O3-Au ofrecen una alternativa rentable a las nanopartículas de oro puro para aplicaciones fototérmicas, permitiendo una transducción eficiente de luz en calor mientras conservan la funcionalidad magnética. Este enfoque apoya la validación temprana de objetivos y la reducción del riesgo mecanicista al proporcionar una plataforma ajustable y escalable para investigar hipótesis terapéuticas en sistemas relevantes para enfermedades. La tecnología mejora la confianza predictiva en los flujos de trabajo de identificación de compuestos activos mediante lecturas térmicas cuantitativas y reproducibles que informan las decisiones de continuar o descartar.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la evaluación de hipótesis terapéuticas mediante calentamiento plasmónico controlado por el diseño de nanopartículas.
- Valor operativo: Facilita la reducción de riesgos biológicos mediante perfiles de temperatura reproducibles en soluciones acuosas.
- Valor predictivo: Facilita la selección de carteras al correlacionar la respuesta fototérmica con la carga y el tamaño de las nanopartículas.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor científico: Proporciona cambios cuantificables de temperatura masiva y pérdida de masa como variables dependientes para la estandarización de ensayos.
- Valor operativo: Utiliza equipo de fácil acceso (termopares de infrarrojo, balanza, láser) para flujos de trabajo de cribado escalables.
- Preparación para ensayos: Permite la preparación de soluciones validadas de nanopartículas para la evaluación de compuestos en ensayos fototérmicos.
Investigación Traductiva y Preclínica
- Continuidad Translacional: El núcleo magnético de Fe2O3 permite la recuperación y reutilización posteriores al experimento, favoreciendo estudios preclínicos longitudinales.
- Reducción de Riesgos Mecanísticos: Separa el calentamiento plasmónico de la evaporación de fondo mediante mediciones de pérdida de masa, mejorando la confianza en el objetivo.
- Sistema Relevante para Enfermedades: La estabilidad de las nanopartículas en medios acuosos permite modelar condiciones fisiológicas para aplicaciones de hipertermia.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El método se encaja dentro del continuo de descubrimiento que va desde la validación del blanco hasta la identificación de compuestos activos, donde el calentamiento plasmónico sirve como lectura mecanicista de los efectos del compuesto en sistemas funcionalizados con nanopartículas.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis al permitir la modulación térmica precisa inducida por láser en entornos biológicos.
- Selección: Proporciona resultados cuantitativos reproducibles (aumento de temperatura >40°C, pérdida de masa) para la confirmación de resultados positivos en ensayos fototérmicos.
- Análisis: El pico en UV-Vis a 520 nm ofrece una señal plasmónica para verificar la consistencia entre lotes y la caracterización de nanopartículas.
- Investigación Traductiva: La recuperación magnética facilita la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica, permitiendo la reutilización de nanopartículas.
- Reutilización Empresarial: El protocolo utiliza una síntesis compatible con aire/agua y equipo de laboratorio estándar, lo que favorece la adaptación entre plataformas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Reduce la ambigüedad mecanicista en estudios fototérmicos al aislar el calentamiento plasmónico de los efectos del disolvente.
- Valor operativo: La estandarización mediante el tamaño, forma y carga ajustables de Au y la purificación mediante centrifugación garantizan consistencia entre lotes.
- Valor estratégico: La síntesis de bajo costo mejora la eficiencia del capital y permite cribados de alto rendimiento sin gastos en metales nobles.
- Impacto en la cartera: Las decisiones de avance ajustadas al riesgo se basan en la correlación entre el diseño de nanopartículas y los umbrales de rendimiento térmico.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en la síntesis de nanopartículas y en técnicas de caracterización plasmónica.
- Necesita infraestructura de seguridad láser, termopares de infrarrojo, balanza analítica y espectrómetro UV-Vis.
- Exige la estandarización de las concentraciones de reactivos, agentes reductores y surfactantes para una carga reproducible de Au.
- La adaptación a sistemas biológicos puede requerir funcionalización de la superficie para prevenir la agregación en medios complejos.
- Limitación práctica: las mediciones de temperatura en masa pueden subestimar el calentamiento localizado en la superficie de la interfaz de las nanopartículas.
