SÍNTESIS DE PUNTOS CUÁNTICOS
A TRAVÉS DE UN MÉTODO SUSTENTABLE
Genoveva Rosano-Ortega
Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla A.C.
11 Poniente #2316, Barrio de Santiago. Puebla, C.P. 72410. México
* Corresponding author, E-mail: [email protected]
.
Areli Munive-Olarte
Departamento de Ciencias Biológicas, Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla A.C.
11 Poniente #2316, Barrio de Santiago. Puebla, C.P. 72410. México.
Carlos Arturo Vega-Lebrún
Dirección de Posgrados, Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla A.C.
11 Poniente #2316, Barrio de Santiago. Puebla, C.P. 72410. México.
Pablo Schabes-Retchkiman
Instituto de Física, Universidad Nacional Autónoma de México
Apartado Postal 20-364, Distrito Federal, CP 01000. México.
Sonia Martínez Gallegos
División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de Toluca.
Apartado Postal 890, Metepec, Estado de México, C.P. 52140. México.
RESUMENEn la presente investigación se evaluó la biosíntesis desde soluciones acuosas de nanopartículas de Mn y Co a escala de tamaño de confinamiento cuántico ( < 10nm) utilizando biomasa de lirio acuático (Eichhornia crassipes, planta acuática considerada como peste) y a diferentes condiciones de pH. Asimismo, éstas fueron caracterizadas a través de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y de alta resolución (HRTEM) para evaluar sus estructuras y distribución de tamaño, espectroscopia de energía dispersiva de rayos-X (EDS) para su análisis elemental y espectroscopia por pérdida de energía de los electrones (EELS). El contexto del método de biosíntesis innovado considera condiciones estándares de temperatura y presión, uso de agua como solvente, sales comerciales de MnSO4 y CoCl2 como precursores en
agua de iones Mn2+ y Co2+, 3+ y biomasa de Eichhornia crassipes. Lo anterior promueve la sustentabilidad del método de biosíntesis ya que es fácil de realizar y amigable con el medio ambiente, sumando una alternativa eficiente y económica a los métodos convencionales de síntesis de nanopartículas metálicas para impulsar el desarrollo de un proceso de química verde a gran escala.
PALABRAS CLAVE: Biosíntesis, nanopartículas metálicas, lírio acuático, método de biorreducción, puntos cuánticos, química verde.
INTRODUCCIÓN
La investigación del comportamiento de la materia en la escala nanométrica abre una prometedora perspectiva de
nuevos conocimientos. Cuando las dimensiones de las partículas de un sólido son del orden del nanómetro, o milésima de micra, el número de átomos que las constituyen es del orden de centenas. La mayoría de ellos se encuentran situados en la superficie de las partículas. En general para desarrollar un trabajo de investigación sobre la materia y sus propiedades, es básico el saber las cuatro características que definen a la materia (o material una vez que se le asignan propiedades): forma, composición, tamaño y estructura. Más aún cuando se
trabaja a escala nanométrica (Nanociencia y
Nanotecnología), donde modificar el tamaño se puede producir un cambio significativo en las propiedades de los materiales. Las propiedades físicas de estas partículas son muy distintas de las que se observan en un sólido de tamaño normal o macroscópico con la misma composición química. Hoy día comienzan a utilizarse de modo habitual técnicas experimentales que permiten fabricar, caracterizar y manipular partículas de este tamaño minúsculo que llamamos nanopartículas, NPs [1, 2].
El lirio acuático (Eicchornia crassipes) es una planta libre flotadora miembro de la familia de las Pontederiaceae, que ocupa un lugar sobresaliente entre las comunidades de hidrófilas de agua dulce de las regiones tropicales y subtropicales en el mundo. Su distribución en México es sumamente amplia, ya que crece en una gran diversidad de hábitats dulce-acuícola localizados desde el nivel del mar hasta los 2250m de altitud [3]. En las regiones fuera de su área natural de distribución, el lirio acuático es considerado maleza o peste (planta indeseable) por la
serie de problemas que acarrea su presencia debido al rápido crecimiento de su población y es una de las plantas invasoras más difíciles de exterminar en áreas inundables manejadas por el hombre en las regiones tropicales y subtropicales en el mundo. En hábitats perturbados sustituye con frecuencia a elementos de la flora nativa. Además, tiene diversos efectos perjudiciales, entre los que se destacan: el entorpecimiento de la navegación por ríos y lagunas, la elevación de los índices de evaporación y el impedimento del paso de la luz al fondo de los estanques, lo que trae como consecuencia la eliminación de microalgas que son el alimento de crustáceos y peces. En todo el mundo, el lirio acuático se considera como un problema medioambiental grave debido a que eutrofiza los sistemas acuáticos [4]. Por otro lado, la alta concentración de taninos en el lirio acuático favorece la capacidad de bioacumulación de metales pesados, sin embargo esto representa serios problemas para los sistemas en general, ya que cuando la planta se degrada, se lleva a cabo la reincorporación del metal al ecosistema. Aunadamente, los metales en las plantas causan toxicidad cuando son consumidas por otros organismos y éstos a su vez pueden incorporar los metales al resto de la cadena trófica [5-7]. De forma general, la retención de los metales por las plantas es regulada por la disponibilidad de los metales pesados en el agua. La raíz actúa como una primera barrera para la captación y translocación de metales pesados, su contenido decrece en el siguiente orden: raíces > tallos > hojas > frutos > semillas [7]. Los métodos de bioreducción se han relacionado con la remediación de suelos y del agua, desde la posibilidad de absorción y retención de metales por plantas y especies de bacterias que se han estudiado para la generación colateral de nanopartículas metálicas de selenio, arsénico y varios otros elementos. Asimismo, se han realizado numerosas investigaciones involucrando diferentes técnicas de análisis para explicar el mecanismo de sorción o retención de los metales por múltiples plantas y bio-sistemas [5-7]. La evaluación de inorgánicos dentro de las plantas u otros organismos vivos han sido estudiados principalmente
usando métodos espectroscópicos y técnicas
cromatográficas, sin embargo, anterior a este trabajo de investigación no se encontró información de las formas que los metales generan cuando están en la matriz de la biomasa.
Adicionalmente, el uso del lirio acuático como alimento (forraje) para animales ha sido objetado debido a que esta planta acuática contiene un alto contenido de taninos, sin embargo se cree que es esta la molécula orgánica responsable de la biosíntesis de nanopartículas metálicas generadas a través del método de biorreducción utilizando plantas, procedimiento desarrollado por Gardea-Torresday et al., 2005, y modificado [8-11].Con base a lo anterior, la propuesta de este trabajo de investigación fue desarrollar un proceso auto-sustentado para la síntesis de nanopartículas metálicas de Mn y Co aprovechando el lirio acuático que infesta la presa “Manuel Ávila Camacho” o de Valsequillo, Puebla, México [10].
METODOLOGÍA
Se realizó un muestreo de lirio acuático, para el cual se seleccionó y colectó 1m2 de individuos adultos. Los ejemplares se colocaron no densamente en recipientes de plástico y con agua de su medio para evitar que murieran (figura 1). Posteriormente, los ejemplares se transportaron inmediatamente al laboratorio para su lavado y procesamiento. La toma, transporte y conservación de las muestras se realizaron de acuerdo a los criterios establecidos por la Norma Oficial Mexicana
NMX-AA-014-1980y al Manual de Campo de la Comisión Nacional
del Agua, 1997. Asímismo, el lirio acuático colectado se lavó con agua corriente hasta dejar el agua clara, es decir, con el mínimo de residuos. Posteriormente, los lirios se cortaron en trozos pequeños para facilitar su secado en un horno a 80+5°C/semana. En seguida, estos trozos de lirio seco se trituraron en un mortero de ágata hasta obtener un polvo fino el cual se sometió a lavado con una solución de ácido clorhídrico (HCl) a una concentración 0.01N, dejando reposar por 30min. Este lavado se realizó 2 veces y por último se enjuagó con agua corriente hasta obtener un pH cercano al neutro (figura 2). Las filtraciones que se realizaron durante los lavados se llevaron a cabo a través de una tela de algodón; los filtrados ácidos se guardaron para su posterior análisis. La biomasa una vez filtrada se colocó en recipientes de aluminio para deshidratarla en un horno previamente calentado a 80°C+ 5°C.
Figura 2 Esquema que ilustra los pasos a seguir en el procesamiento del lirio acuático.
Biosíntesis de nanopartículas metálicas
Con objeto de establecer las condiciones experimentales necesarias para la obtención de nanopartículas con tamaños de <10nm, mediante el método de bioreducción utilizando la biomasa de lirio acuático, se llevó a cabo un estudio sistemático de los efectos de distintas condiciones de biosíntesis (figura 3):
1) tipo y concentración del metal en solución, 2) ajuste de pH y
Figura 3 Esquema que ilustra los pasos a seguir en la síntesis de nanopartículas metálicas por el método de biorreducción.
Para reducir el metal en solución a agregados <10 nm se preparó una solución a concentración conocida, entre 9x10-4 a 1x10-4M del metal en estudio con agua de-ionizada. En una balanza se pesó la cantidad necesaria de biomasa de lirio la cual se vació en tubos de ensaye de polietileno de 25mL con tapa roscada y se agregó agua deionizada. Los tubos se colocaron dentro de baño ultrasónico durante 15min y una vez terminado se dejaron reposar 5min y en seguida las muestras se centrifugaron durante 15 minutos/5000rpm. A cada muestra se le agregó 1mL de solución buffer (pH= 3 a 14) por cada 5mL de solución de biomasa. Nuevamente, las muestras se sometieron a baño ultrasónico durante 15 minutos, y se dejaron reposar 5min, consecutivamente se centrifugaron durante 15 minutos a 5000rpm. A continuación, a cada muestra se le adicionó solución metálica para obtener una relación 1:1 con respecto a la concentración de la solución de la biomasa (1mL por cada mL de solución de biomasa). En seguida, las muestras se sometieron a baño ultrasónico durante 20 min y se dejaron reposar 5min, una vez concluido esto, se centrifugaron a 5000 rpm/20 min. Teniendo cuidado de no agitar las muestras, se separó el
sobrenadante (solución coloidal) del precipitado
(biomasa) por decantación y la solución fue analizada por TEM (figura 3).
Las nanopartículas biosintetizadas de Mn y Co fueron caracterizadas (estructura y distribución de tamaño) a través de un microscopio electrónico de transmisión Jeol 2010F FasTem con resolución de 2.3 Å. Las imágenes de HRTEM obtenidas fueron digitalizadas usando una cámara CCD Sensys de alta resolución obteniendo imágenes (digitales) que fueron procesadas usando filtros en el espacio de Fourier. Asimismo, la composición elemental de estos agregados se evaluó empleando espectroscopia EELS por sus siglas en inglés Electron Energy Loss Spectroscopy.
RESULTADOS
En la tabla 1 se presenta una sinopsis del análisis de distribución de tamaños de las nanopartículas obtenidas a través del método de biorreducción en función del pH, en donde la formación de las partículas nanométricas menores a 5nm consideradas como puntos cuánticos, se
obtienen a las condiciones de pH siguientes:
nanopartículas de Mn a pH=5 y Co a pH=3.
Tabla 1 Síntesis de nanopartículas metálicas a diferentes
condiciones de pH
Nanopartícula sintetizadas con biomasa de lirio acuático a una concentración metálica 3x10-4M
pH = 3 pH= 5 pH =7 pH =10 Mn 3 σ+ 2nm 2nm 20%, Cúbicas 2 σ+ 1 nm 2nm 45%, Cúbicas --- 4 σ+ 3nm cúbicas Co 2 σ+ 1nm hexagonal > 10nm 5nm 10% hexagonal < 10nm 5nm 15% --- 5nm σ+ 3nm 5nm 25% hexagonal --- En las micrografías, las nanopartículas fueron apantalladas por la biomasa.
En la figura 4, se aprecia una gráfica de distribución de tamaños del Mn considerando una población total de 300
nanopartículas las cuales fueron analizadas por
micrografías TEM, en donde se identifica que a un pH=5 la distribución de tamaños denotan un tamaño preferencial menor a 3nm y con más del 60% menor a 2nm, a diferencia del pH= 3 y pH=10, en donde se obtienen nanopartículas entre 3 a 4nm con una desviación estándar de σ=2nm.
Figura 4. Análisis de distribución de tamaños (TEM) de las nanopartículas de Mn producidas a diferente pH: (a) pH= 3, (b) pH= 5, (c) pH= 10 y d) corresponde al gráfico de distribución de tamaños considerando una población total de 300 nanopartículas.
Para el caso de muestras producidas a pH = 5 (figura 5), las estructuras se forman por sólo unos átomos y, por consiguiente, el contraste no es alto; sin embargo, la fig. 4a, b y c muestran arreglos de 2, 1.6 y 1.8nm con contraste cúbico. En la figura 4d se identifica un arreglo cúbico además de uno deformado. Los FFTs demuestran que las nanopartículas son, fundamentalmente, cúbicas.
Figura 5. Imágenes HRTEM de nanopartículas de Mn con estructura cúbica sintetizadas a pH=5 con su correspondiente patrón de FFT.
Es especialmente interesante que para las partículas más pequeñas de Mn (0) sintetizadas a condiciones de pH=5, la configuración más común es la fcc y cuando el tamaño se aumenta la presencia de defectos crece. En el caso de las nanopartículas, la alta influencia de distancias atómicas desaparece y sólo la interacción en rangos cortos es importante, principalmente la energía de superficie que confina a los átomos en una forma específica. Para el Mn, esto significa que en las partículas más pequeñas los arreglos cúbicos compactos son la configuración de mínima energía; pero cuando el número de capas atómicas se incrementan, la tendencia a producir defectos y arreglos más desordenados aumenta. Hay tres rangos principales, donde la influencia de la energía debe producir sistemas diferentes. En los arreglos más pequeños la estructura poliedral está presente y no hay muchos defectos, por lo que, la energía de superficie domina plenamente la morfología. Para arreglos intermedios de ~ 100 átomos o de ~ 2 a 2.3 nm serán principalmente poliedros deformados.
Aunadamente, las muestras producidas por el método de biorreducción utilizando la biomasa de lirio acuático como agente reductor generaron nanopartículas de Co a pH=3, 5, 7 y 10 (figura 6); el análisis de distribución de tamaño se realizó a partir de imágenes TEM considerando 120 nanopartículas para cada condición de pH. En el caso de las muestras de Co a pH=5 (figura 6b) las imágenes muestran la síntesis de nanopartículas con maclas. A pH=3, se aprecia una producción del 70% de nanopartículas de Co menor a 3nm de configuración esférica (mínima energía). Asimismo, a través de la micrografía TEM de nanopartículas producidas utilizando lirio acuático a una concentración de Co 3x10-4 M y a pH=7 (fig. 6c), se obtienen nanoestructuras menor a 10nm.
Figura 6 Imágenes TEM de las nanopartículas de Co producidas a diferentes pH: (a) pH= 3, (b) pH= 5, (c) pH= 7 y (d) pH= 10, e) gráfico comparativo de distribución de tamaños para diferentes pH.
En la figura 7a, se muestra una sección aislada de nanopartículas homogéneas esféricas de tamaño uniforme menor a 5nm, obtenidas a pH= 3. También se identifican estructuras hexagonales en donde a= b= 2.503 y c=4.060 con tamaño de 3nm con desviación estándar de σ=2nm, con ángulo de 62.6° entre las familias de planos (1,1,0) y (1,0,3), distancia de 1.2 y de 1.1 Å, respectivamente, y eje de zona [3,-3,-1]. En esta micrografía se nota que un segmento de la nanopartícula está embebido en la biomasa.
Fig. 7 a) y b) Imagen HRTEM de partículas de Co en muestras producidas a un pH=3 a una orientación [3,-3,-1] y con pH=5 a una orientación [0,6,0], respectivamente con sus referentes patrones de FFT.
A través de los resultados del espectro EDS y EELS, se verificó la composición de Co de las nanopartículas obtenidas a través del método de biorreducción bajo condiciones iníciales de concentración de Co al 3x 10-4 M y pH =3. En el caso de las nanopartículas obtenidas de Co en solución a pH=5, las imágenes muestran la síntesis en un 10% de nanopartículas con maclas y de tamaño menor a 20nm. En contraparte, a un pH=3 se aprecia una producción del 70% de nanopartículas de Co <3nm, las cuales poseen configuración esférica y estructura hexagonal, por lo que se considera que la relación entre el tamaño y estabilidad es favorable bajo estas condiciones. De lo anterior, se concluye que las condiciones óptimas de síntesis de nanopartículas de Co fue a pH=3.
5nm 5nm
5nm 5nm
CONCLUSIONES
El lirio acuático (Eichhornia crassipes), planta
considerada como peste, es un organismo hiper-acumulador de metales pesados presentes en los sistemas acuáticos contaminados en donde crece, es decir, los metales pesados en solución quedan expuestos para ser traslocados y retenidos en la estructura del lirio acuático. Asimismo, se logró establecer un procedimiento de síntesis de nanopartículas de Mn(0) y Co(0) reproducible, con resultados consistentes en términos de su tamaño, estructura y composición, aprovechando la biomasa de lirio acuático como agente reductor en disolución en donde existe una relación irrefutable entre el pH en el proceso de biosíntesis y el tamaño de nanopartículas. La formación de las partículas nanométricas menores a 5nm, consideradas como puntos cuánticos, se obtienen agregando una relación biomasa/agua deionizada de 5mg/mL, una concentración del ion metálico de 3 x10-4M y en base al metal a reducir se debe fijar las condiciones de pH siguientes: nanopartículas de Mn a pH=10 y Co a pH=3. El hecho de que los iones de Mn y Co reaccionen con la biomasa de lirio acuático en un amplio rango de pH desde soluciones acuosas sugiere que estos iones interactúan con los radicales taninos, producto del lavado ácido de la biomasa de lirio acuático, hasta reducirlos a su estado cerovalente, esta condición química favorece la agregación entre átomos en donde su tamaño queda determinado por el pH y en donde las nanopartículas formadas se estabilizan a través de fuerzas electrostáticas con las moléculas orgánicas que quedan adsorbidas en su
superficie y proporcionan una barrera estérica
previniéndose la aglomeración de las nanopartículas formadas.
Es factible que en los pasos iniciales de la síntesis de nanopartículas metálicas a través del método de biorreducción utilizando lirio acuático, los átomos metálicos se unan para formar un núcleo estable que crece por la suma de más átomos de éstos y en donde la superficie se pasiva por la biomasa que se adsorbe y por lo tanto envuelve, de manera que se genera en principio una restricción volumétrica debido a la constricción que las moléculas de la biomasa generan alrededor de la nanopartícula.
La microscopía electrónica de transmisión permitió el estudio de las partículas nanométricas de Mn y Co < 20nm producidas después de la reacción entre la molécula de la biomasa vegetal con los iones de estos metales, la frecuencia de distribución mostró que a través del uso de lirio acuático se forman para el caso del Mn partículas con geometría cúbica y hexagonal para el Co.
Las nanopartículas magnéticas como el Mn y Co se desempeñan en este caso como soporte de materiales de
reactividad química selectiva que forman un
recubrimiento estable en su superficie, por lo anterior, se
obtiene así un material altamente reactivo de
relativamente bajo volumen y con gran superficie de reacción [13].
La autosustentabilidad del proceso de síntesis desarrollado en esta investigación, se manifiesta por el uso de una planta encontrada comúnmente y considerada como plaga tipo 2 (Eichhornia crassipes) en la síntesis de nanopartículas a partir de soluciones metálicas preparadas a través de sales precipitadas de los metales presentes en agua contaminada, lo que promueve la remoción de
contaminantes como los metales pesados desde
ecosistemas acuáticos para la descontaminación del medioambiente [14].
REFERENCIAS
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