Controle do Tamanho de Nanopartículas de Ouro via Polaridade do Solvente na Síntese por Redução Química

Resumo

Protocolos complexos e rigorosos são seguidos para ajustar o tamanho de nanopartículas de ouro (GNPs) em métodos de síntese química. Neste estudo, abordamos a polaridade dos solventes como ferramenta para modular o tamanho das GNPs no método de redução química. Investigaram-se os efeitos da variação do índice de polaridade do meio de reação na síntese de nanopartículas de ouro por redução química. Utilizaram-se etanol como solvente polar, mistura etanol-água como meio de reação, ácido L-ascórbico como agente redutor e polivinilpirrolidona (PVP) como estabilizador para sintetizar as GNPs. O índice de polaridade do meio de reação foi ajustado alterando a razão volumétrica de etanol para água. Caracterizações por UV-Vis, espalhamento dinâmico de luz (DLS) e microscopia eletrônica de transmissão (MET) revelam que o crescimento das nanopartículas aumentou gradualmente (~22 a 219 nm de diâmetro hidrodinâmico) com a diminuição do valor do índice de polaridade do meio de reação (~8,2 a 5,2). Além disso, o alto índice de polaridade do meio de reação produziu nanopartículas menores e esféricas, enquanto um índice de polaridade menor resultou em GNPs de maior tamanho com diferentes formas. Estes resultados indicam que a mecânica do crescimento, montagem e fenômenos de agregação de GNPs revestidas por ligantes ou estabilizadores depende fortemente da polaridade das moléculas do solvente. Usando a metodologia proposta, uma ampla faixa de tamanhos de GNPs com diferentes morfologias pode ser sintetizada simplesmente modulando a porcentagem volumétrica do solvente orgânico no meio de reação.

Introdução

Nanopartículas de ouro (GNPs) são reconhecidas como candidatas potenciais em muitas áreas de aplicações científicas e de engenharia, incluindo terapia médica, liberação de fármacos, detecção química, catálise e aplicações eletrônicas, devido à ressonância de plasmônio de superfície (SPR) dependente de tamanho e forma, afinidade com espécies orgânicas e alta condutividade elétrica das GNPs. Considerando a demanda exponencialmente crescente por GNPs, muito mais atenção tem sido dada à síntese de nanopartículas monodispersas com tamanho e morfologia controláveis. Diversos princípios de design foram propostos para controlar as propriedades das GNPs incorporando diferentes reagentes, agentes estabilizadores ou ligantes, condições de reação (temperatura, pH e concentração) e meio dispersante (diferentes tipos de solvente).

Na síntese química de GNPs, o método de Turkevich é promissor em comparação a outros. Nesse método, íons Au³⁺ são reduzidos por um agente redutor suave, como citrato, ácido ascórbico e ácido tânico, em meio aquoso. Nesse processo, produzem-se GNPs de tamanho relativamente pequeno e biocompatíveis. No entanto, a principal desvantagem deste método é o protocolo de processo altamente controlável (temperatura, concentração e pH) que deve ser rigorosamente seguido para produzir partículas monodispersas com tamanhos desejáveis. Além disso, em meio puramente aquoso, a marcação de GNPs por moléculas orgânicas de fármacos e a modificação de superfície com diferentes ligantes são difíceis devido à menor solubilidade e hidrofobicidade do componente orgânico em água. Assim, busca-se superar essas limitações do método de Turkevich otimizando o meio de reação, que controla significativamente as propriedades do solvente.

O solvente desempenha papel importante no crescimento e montagem de nanopartículas no processo de síntese coloidal. A interação entre a superfície da nanopartícula e as moléculas do solvente ou entre as moléculas do solvente e as moléculas do ligante influencia consideravelmente o tamanho e morfologia final das partículas. Em geral, na ausência de ligantes passivos ou agentes de revestimento, a força da camada dupla elétrica que controla o crescimento da partícula é dominada pela natureza das moléculas do solvente. Em meio dispersante de alto índice de polaridade, grande quantidade de íons carregados é adsorvida pela superfície das nanopartículas, formando uma forte camada dupla elétrica ao redor das partículas coloidais. Como resultado, o potencial zeta da partícula aumenta, e as partículas são impedidas de agregar-se por se repelirem. No entanto, a carga superficial ao redor das nanopartículas pode ser manipulada pela polaridade do solvente, e a interação entre as partículas é controlada para otimizar tamanho e forma. Por exemplo, Song et al. produziram GNPs revestidas por tiol na faixa de 1-6 nm em diferentes polaridades de solvente orgânico. Embora poucos trabalhos tenham sido propostos para otimizar o tamanho de GNPs em diferentes polaridades de solvente, o tamanho das partículas finais situa-se numa faixa pequena (menos de 20 nm), o que não satisfaz completamente as principais aplicações das GNPs, como para fins terapêuticos e de liberação de fármacos.

Por outro lado, na presença de ligantes no meio de reação, as interações entre moléculas do solvente e ligantes afetam consideravelmente o crescimento e montagem das nanopartículas. Estudos semelhantes mostram que o meio não aquoso solvata moléculas de ligante orgânico na solução coloidal, protegendo as nanopartículas de maior crescimento e agregação em grande extensão. No entanto, sob certas circunstâncias, como em concentrações mais altas, maior peso molecular e maior comprimento de ligantes, pode causar agregação ou alto crescimento em nanopartículas coloidais. Notavelmente, diferentes taxas de inchamento e alongamento de moléculas de ligante em diferentes polaridades de solventes desencadeiam facilmente o crescimento e montagem de nanopartículas na síntese coloidal. Contudo, este efeito negativo pode ser transformado em ferramenta para crescer nanopartículas com tamanho controlável. Mais do que o envolvimento direto do solvente no crescimento da nanopartícula, o conceito de governar as propriedades dos ligantes usando o solvente pode permitir sintetizar GNPs com ampla faixa de escala de tamanho.

Considerando as proposições acima, este estudo propõe um método para otimizar tamanho e morfologia de GNPs controlando o ligante ou estabilizador e as cargas superficiais usando o índice de polaridade do meio de reação como ferramenta. Neste estudo, GNPs foram sintetizadas via método de redução química usando ácido L-ascórbico como agente redutor e PVP como agente estabilizador. Em comparação às moléculas de água, o índice de polaridade do etanol (solvente orgânico polar selecionado neste estudo) é menor. Portanto, o índice de polaridade do meio de reação foi manipulado adicionando etanol à água em várias razões volumétricas. Diferentemente do método convencional de Turkevich, espera-se sintetizar GNPs com ampla faixa de tamanhos preferíveis usando esta técnica proposta em uma única etapa com protocolo mínimo.

Métodos

Material

HAuCl₄·3H₂O (≥ 99% base de metal traço), ácido L-ascórbico cristalino, polivinilpirrolidona (PVP) K60 e pellets de hidróxido de sódio (NaOH) foram adquiridos da Sigma-Aldrich (Missouri, EUA). Etanol (ensaio 99,90%) foi obtido da J-Kollin Chemicals (Reino Unido), e água duplamente destilada (ddH₂O) foi obtida do laboratório (Faculdade de Engenharia Química, UiTM, Malásia).

Preparação de Nanopartículas de Ouro (GNPs)

GNPs coloidais foram preparadas usando uma abordagem modificada de Turkevich incorporando ácido ascórbico. Neste método, o ácido L-ascórbico foi usado como agente redutor enquanto polivinilpirrolidona (PVP) como estabilizador. A solução do agente redutor foi preparada dissolvendo ácido L-ascórbico em etanol absoluto ou misturas binárias de solvente etanol-água nas razões volumétricas de 20%, 50% e 80%. O volume total de água adicionado à mistura binária etanol-água foi determinado conforme a Equação (1). Além disso, o PVP foi dissolvido diretamente na mistura de solvente ácido L-ascórbico/etanol-água até a concentração final de 1% (p/v) sob sonicação de baixo decibel. Finalmente, o pH da solução do agente redutor foi ajustado para 10,5 a partir do seu valor inicial adicionando NaOH 2 M gota a gota.

Equação (1): Porcentagem volumétrica de água na mistura de solvente (%) = (V_w + V_GC) / V_R × 100

onde volume de água é V_W, volume de cloreto de ouro é V_GC, e volume total da mistura de reação é V_R.

A mistura de reação formadora de GNP foi preparada injetando rapidamente solução aquosa de HAuCl₄ 5 mM na solução do agente redutor. O volume total da mistura de reação foi mantido em 20 ml de soluções de HAuCl₄ e ácido L-ascórbico. A concentração inicial de HAuCl₄ e ácido L-ascórbico na mistura de reação final foi definida como 0,15 mM e 1,5 mM, respectivamente, com razão molar de HAuCl₄ para ácido L-ascórbico de 1:10. A mistura de reação foi vigorosamente agitada a 800 rpm por 30 min à temperatura ambiente, e o coloide resultante de GNP foi filtrado usando papel de filtro de laboratório Whatman antes do armazenamento a 4 °C para evitar reação contínua.

Caracterização e Instrumentação

Caracterização UV-Vis

Os espectros de extinção UV-Vis de cada amostra de GNPs foram medidos à temperatura ambiente (25 °C) usando um Espectrofotômetro UV-Vis Agilent Cary 60. O comprimento de onda máximo de ressonância de plasmônio de superfície (SPR) das GNPs resultantes foi determinado a partir dos dados UV-Vis obtidos para comparar o tamanho das partículas.

Distribuição de tamanho de partícula e potencial zeta

Tamanho médio de partícula, distribuição de tamanho, índice de polidispersidade (PDI) e potencial zeta das GNPs foram medidos usando um instrumento Malvern Zetasizer nanoZS. O valor de PDI foi calculado a partir de gráficos de distribuição de tamanho de partícula por intensidade (PSD) de medições de espalhamento dinâmico de luz (DLS) usando a Equação (2):

Equação (2): PDI = (desvio padrão / tamanho médio de partícula)²

Análise do Índice de Polaridade do Solvente Misto

A polaridade do meio de reação foi otimizada misturando diferentes razões volumétricas de água e solvente orgânico. Além disso, o índice de polaridade líquido da mistura resultante solvente orgânico-água, P', pode ser dado pela Equação (3):

Equação (3): P' = Σ p'_i φ_i

onde p'_i é o índice de polaridade do solvente i, e φ_i é a fração volumétrica do solvente i na mistura. O índice de polaridade da água destilada e etanol absoluto foram 9,0 e 5,2, respectivamente.

Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) e Distribuição de Tamanho de Partícula

Amostras de GNP foram sonificadas antes da medição por MET. Gotas das suspensões/coloides sonificadas foram depositadas em grade de cobre Formvar de 200 mesh. A grade foi colocada em um porta-amostra de "inclinação única" e inserida em um Microscópio Eletrônico de Transmissão FEI, Tecnai G2 20 Twin de 200 kV para imagem. Além disso, a análise quantitativa de tamanho de partícula e distribuição de tamanho a partir de imagens de MET foi analisada usando o software de processamento de imagem ImageJ.

Resultados e Discussão

A Figura 1 mostra os espectros UV-Vis de GNPs coloidais sintetizadas em diferentes razões volumétricas de mistura de solvente etanol-água. Tipicamente, o comprimento de onda máximo de absorção SPR (λ_m) das GNPs é dependente de tamanho e forma. Como mostrado na Fig. 1, o λ_m máximo das GNPs coloidais sintetizadas desloca-se para a direita, o que implica que o tamanho das GNPs sintetizadas aumentou com o aumento da razão volumétrica de etanol em água. O λ_m máximo das GNPs coloidais sintetizadas em misturas de reação contendo etanol com 20% e 50% de porcentagem volumétrica aparece na região de comprimentos de onda de absorção mais curtos (514 nm e 520 nm), o que implica que tamanhos pequenos de GNPs foram produzidos em baixa porcentagem volumétrica de etanol. Além disso, o λ_m máximo de GNPs sintetizadas em etanol-água com 80% de porcentagem volumétrica ou etanol absoluto deslocou-se para regiões de comprimento de onda mais alto em 575 nm e 561 nm, respectivamente. Estes deslocamentos indicam a formação de maior tamanho e ampla tendência dos gráficos que implicam formas irregulares de GNPs.

As GNPs sintetizadas em diferentes porcentagens volumétricas de misturas etanol-água com diferentes índices de polaridade foram quantificadas usando DLS, e a distribuição de tamanho obtida das GNPs é mostrada na Fig. 2. Além disso, os diâmetros hidrodinâmicos médios, valores de PDI das GNPs e índices de polaridade das misturas etanol-água das GNPs produzidas são resumidos na Tabela 1. A Figura 2 mostra que a distribuição de tamanho DLS aumenta com o aumento da porcentagem volumétrica de etanol. Os diâmetros hidrodinâmicos médios das GNPs em misturas de solvente contendo etanol absoluto, 80%, 50% e 20% de porcentagem volumétrica de etanol-água foram 154 ± 56,7, 219 ± 84,9, 28 ± 10,5 e 22 ± 4,6 nm, respectivamente (c.f. Tabela 1). Estes resultados de DLS são semelhantes aos achados de UV-Vis deste estudo, nos quais partículas pequenas foram produzidas em alto índice de polaridade de mistura etanol-água e vice-versa.

Os valores calculados do índice de polaridade de diferentes porcentagens volumétricas de misturas de solvente etanol-água são dados na Tabela 1. O índice de polaridade da mistura de solvente binária diminui com o aumento da porcentagem volumétrica de etanol (solvente orgânico) na mistura de solvente. Neste estudo, os resultados de UV-Vis e DLS revelam que menor tamanho de GNPs foi produzido em alto índice de polaridade do meio de reação, enquanto maior tamanho de GNPs foi produzido em baixo índice de polaridade do meio de reação. Tem sido bem estudado que tanto o solvente quanto os ligantes desempenham papel importante no controle do crescimento e montagem de nanopartículas no processo de síntese coloidal de nanopartículas. Durante a formação da nanopartícula, moléculas do solvente e moléculas do ligante controlam e retardam o crescimento das partículas bloqueando sítios de ligação superficial. No entanto, em certas condições, como diferente polaridade de mistura de solvente, as moléculas do solvente e moléculas do ligante também podem desencadear o crescimento e montagem de nanopartículas em soluções coloidais. Em concordância com esta afirmação, resultados de UV-Vis e DLS mostram que o crescimento e montagem de GNPs revestidas por PVP aumentaram com o aumento da porcentagem volumétrica de etanol na mistura de solvente binária. Para validar estes achados, o mecanismo correspondente para o crescimento de GNPs revestidas por PVP em mistura de solvente binária etanol-água pode ser interpretado em duas etapas (como mostrado na Fig. 3): crescimento causado pelo solvente e crescimento induzido pelo ligante.

Na primeira etapa, após a nucleação de monômeros, o crescimento de GNPs foi governado pelas moléculas do solvente. Em solução coloidal, moléculas de solvente de alta polaridade distribuem alta carga superficial na superfície da nanopartícula e constroem uma forte camada dupla elétrica que impede as partículas de maior crescimento, enquanto moléculas de solvente de baixo índice de polaridade formam uma camada dupla elétrica fraca ao redor das partículas, resultando em maior crescimento ou agregação. A correlação entre a carga superficial e o índice de polaridade da reação pode ser explicada usando a equação de Poisson dada na Equação (4).

Equação (4): εε₀ d²ψ(x)/dx² = -ρ(x)

onde ρ é a densidade de carga, ψ é o potencial elétrico, ε é a permissividade do vácuo, ε₀ é a constante dielétrica, e x é a distância entre a superfície da partícula.

De acordo com a Eq. (4), a densidade de carga na superfície da nanopartícula (ρ) é proporcional à constante dielétrica (ε₀) do entorno, que é governada pelo índice de polaridade do meio. Neste estudo, o valor do índice de polaridade dos solventes correspondentes pode ser ordenado como água > etanol. Portanto, meio dispersante que tem maior porcentagem volumétrica de água pode oferecer maior carga superficial à superfície da GNP devido à alta polaridade. Além disso, o ácido ascórbico atua como agente redutor doando elétrons ao sal metálico para formar uma nanopartícula de ouro. O ácido ascórbico tem maior solubilidade em água pura que em etanol absoluto, formando mais ligações de hidrogênio com moléculas de água. Além disso, a maior solubilidade poderia promover maior transferência de elétrons livres para nucleação rápida de monômeros Au⁰ que levam ao crescimento lento de GNPs. Devido a estes fatos, a taxa de crescimento de GNPs foi inversa ao valor do índice de polaridade da mistura de solvente etanol-água.

Na segunda etapa, hipotetizou-se que o crescimento e montagem de GNPs foram predominantemente governados por moléculas do ligante (PVP). Na presença de moléculas do ligante na solução coloidal, os ligantes são adsorvidos ou covalentemente ligados à superfície da nanopartícula e impedem as nanopartículas de maior crescimento e montagem controlando a energia interfacial entre a superfície da partícula e o solvente ou criando forças repulsivas entre partículas semelhantes revestidas por ligante. No entanto, se moléculas de ligante adsorvidas têm alta concentração, longa cadeia polimérica ou alto peso molecular, elas formam cauda, trecho e laço na solução coloidal. Como representado na Fig. 3(b), estas caudas, trechos e laços proeminentes das cadeias de ligante fazem ponte entre as nanopartículas e induzem floculação em coloides. Esta floculação por ponte em nanopartículas pode promover o crescimento secundário mediado por semente em nanopartículas, onde as partículas podem crescer facilmente. Neste estudo, 1% (p/v) de PVP foi usado para estabilizar as GNPs em solução coloidal. O PVP é uma molécula anfifílica que tem uma cabeça hidrofílica (que consiste em espécies C=O e N) e cauda de hidrocarboneto altamente hidrofóbica. Em solvente orgânico polar, moléculas orgânicas têm grande afinidade com tanto o grupo carboxílico quanto a cauda de hidrocarboneto do PVP como representado na Fig. 4(a). No entanto, meramente em meio aquoso, moléculas de água só podem ligar-se com a cabeça carboxílica do PVP via ligação de hidrogênio, e caudas hidrofóbicas permanecem na suspensão independentemente como representado na Fig. 4(b). Assim, moléculas de PVP são solvatadas e inchadas em solvente orgânico em maior extensão que em meio puramente aquoso. Como evidência, Guettari et al. investigaram o comportamento do polímero PVP em diferentes porcentagens volumétricas de mistura de solvente etanol-água. Resultados experimentais com modelagem de interação efetiva solvente-polímero (ESIP) deste trabalho confirmam que o raio hidrodinâmico e a interação polímero-polímero de moléculas de PVP aumentam com o aumento da fração molar de etanol. Este tamanho globular crescente das moléculas de PVP em maior porcentagem volumétrica de etanol aumenta a ponte de GNPs resultando em alto crescimento ou montagem. Portanto, concluiu-se que cadeias de PVP 1% (p/v) altamente estendidas floculavam as partículas e formavam diferentes formas de montagem ou agregação de GNPs que levam a alto crescimento em alta razão volumétrica de etanol.

Além disso, a influência de moléculas do ligante no crescimento e montagem de nanopartículas em variação do índice de polaridade de mistura de solvente etanol-água foi analisada pelo potencial zeta das GNPs resultantes. Os valores de potencial zeta de GNPs sintetizadas em diferentes razões volumétricas de etanol-água são mostrados na Fig. 5. Os resultados obtidos mostram que os valores de potencial zeta de GNPs estabilizadas por PVP diminuem com o aumento da porcentagem volumétrica de etanol. Em geral, o polímero desloca o plano de deslizamento da camada dupla elétrica das partículas, o que pode mudar o valor do potencial zeta. As mudanças no valor do potencial zeta dependem da carga superficial interfacial e da quantidade de polímero adsorvido. Estudos semelhantes encontraram que o valor do potencial zeta de GNPs totalmente revestidas por PVP é cerca de -6 mV. Além disso, este valor negativo de potencial zeta pode aumentar com a diminuição da quantidade de adsorção de PVP na superfície da GNP. Portanto, o menor valor obtido de potencial zeta (-5,53 mV) em etanol absoluto indica que as GNPs sintetizadas foram totalmente cercadas por moléculas de PVP. Por outro lado, valores de potencial zeta diminuíram com o aumento da razão volumétrica de etanol, implicando que o PVP adsorveu em alto grau em alta razão volumétrica de solvente orgânico (etanol).

Imagens de MET das GNPs sintetizadas em diferentes índices de polaridade de misturas de solvente etanol-água são mostradas na Fig. 6. As Figuras 6(a) e (b) mostram que nanopartículas quase esféricas de 9,7 nm e 13,9 nm foram produzidas em 20% e 50% de porcentagem volumétrica de mistura de solvente etanol-água, respectivamente. Por outro lado, a Fig. 6(c) mostra as imagens típicas de GNPs em 80% de porcentagem volumétrica de mistura etanol-água. Imagens de MET revelam que forma irregular e maior tamanho (cerca de 53,1 nm) de GNPs foram formadas em 80% de porcentagem volumétrica de solução de etanol, e estas partículas estavam agregadas na solução coloidal. Similarmente, 37,2 nm de diâmetro médio de GNPs relativamente maiores e de forma irregular foram produzidas em etanol absoluto também. Estes resultados estão em conformidade com os resultados anteriores de UV-Vis e DLS deste estudo, nos quais o maior tamanho de partículas foi formado devido ao baixo valor do índice de polaridade do meio de reação que consequentemente causou o crescimento de partículas e montagem causada pela cadeia polimérica de PVP altamente estendida em baixo índice de polaridade de mistura de solvente etanol.

Vale informar que o tamanho de GNPs em 80% de porcentagem volumétrica de etanol-água é maior que o tamanho de GNPs em etanol absoluto.

As Figuras 7(a) e (d) comparam as imagens de MET de GNPs em 80% de razão volumétrica de etanol-água e etanol absoluto, respectivamente. As GNPs agregaram-se como aglomerados (Fig. 7(a-c)) e alinharam-se linearmente (Fig. 7(a) e (b)) em 80% de razão volumétrica de etanol, enquanto GNPs em etanol absoluto permaneceram como partículas discretas com menos agregação (Fig. 7d). Hipotetizou-se que a composição de 80% etanol-água aumentou rapidamente a energia superficial das partículas primárias de GNP devido à interação assimétrica de moléculas de água e etanol com cadeia polimérica de PVP e superfícies de nanopartículas. Portanto, partículas agregaram-se por mecanismo de anexação orientada formando maior tamanho de nanogrupos para minimizar esta energia superficial. Além disso, o alinhamento linear de GNPs em 80% etanol-água atribuiu-se à interação dipolo-dipolo das partículas que resultou da interação assimétrica de moléculas de água e etanol com cadeia polimérica de PVP. Além disso, observou-se que o diâmetro hidrodinâmico médio de GNPs obtido usando DLS foi maior que o tamanho calculado a partir de imagens de MET. Neste estudo, GNPs foram sintetizadas em quantidade excessiva de solução de polímero PVP. Portanto, a técnica DLS mediu não apenas o diâmetro das partículas, mas também a camada de polímero de revestimento com cauda, trecho e laço de polímero alongado. Além disso, DLS pode medir o tamanho de flocos em vez de partículas individuais (ex.: amostra de GNPs 80% etanol-água). Consequentemente, o tamanho médio de GNPs medido usando DLS foi maior que usando MET.

Conclusão

Neste estudo, a síntese de GNPs seletivas de tamanho usando polaridade de solvente orgânico como variável foi discutida. A influência da polaridade do solvente no crescimento de GNPs foi investigada sintetizando GNPs revestidas por PVP em etanol e misturas etanol-água em ácido L-ascórbico. Espectros UV-Vis e medições DLS confirmaram que o tamanho da partícula aumenta com a diminuição do índice de polaridade do solvente. Baseado nestes resultados, o crescimento de GNPs foi controlado em duas etapas durante o processo de redução química. O crescimento da partícula foi inicialmente controlado pelas moléculas do solvente formando uma forte camada dupla ao redor da nanopartícula. Então, a montagem e estabilidade de GNPs são governadas pelas moléculas do estabilizador ou ligante na segunda etapa. No entanto, o crescimento de GNPs aumenta com a diminuição do índice de polaridade do meio de reação em ambas as etapas. As cores finais de GNPs suspensas e imagens de MET implicam as morfologias das GNPs produzidas. Notavelmente, alta polaridade da mistura de solvente resultou em GNPs de forma esférica, e ambiente de baixo índice de polaridade resultou em GNPs de forma irregular. Esta investigação abordou uma nova abordagem para sintetizar vários tamanhos e formas de GNPs em uma única etapa, aproveitando o crescimento e montagem de partículas dependentes do índice de polaridade do solvente.