INFORMAZIONE PER GLI STUDENTI SULL ESPERIMENTO C: SENSORE COLORIMETRICO D ORO

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1 INFORMAZIONE PER GLI STUDENTI SULL ESPERIMENTO C: SENSORE COLORIMETRICO D ORO In questo esperimento sintetizzerai e testerai un sensore plasmonico colorimetrico costituito con nanoparticelle d oro. Qui ti vengono fornite le informazioni di base per ottenere il massimo risultato dall esperimento. Che cosa sai già sull oro? Pensa all oro come lo consci tu. L oro (Au, numero atomico 79) è il più duttile e malleabile dei metalli. Può essere ridotto in un foglio estremamente sottile ed arrotolato o piegato a piacere. Questo è noto e utilizzato da secoli. Il colore dell oro puro è un giallo metallico (dorato). Probabilmente hai sentito parlare di oro bianco o oro rosa, ma questi non sono fatti di oro puro; queste sono leghe d oro e contengono altri metalli quali rame e argento. Cosa sappiamo della reattività dell oro? L oro è molto stabile e non tossico e per questa ragione è largamente usato nei gioielli e nelle applicazioni dentistiche perché è inerte in contatto con l aria e non è attaccato dalla maggior parte delle sostanze chimiche. L oro è anche un buon conduttore di calore ed elettricità (ciò è dovuto al fatto che gli elettroni di conduzione sono liberi di muoversi attorno al nucleo); resiste bene alla corrosione e pertanto è utilizzato per contatti elettronici ed altre applicazioni elettroniche. Figure 1. Colore approssimativo di leghe di Ag-Au-Cu ( Crediti di Immagine: Wiki commons, Creative commons Attribution sharealike L oro ha anche molte altre applicazioni. Per esempio strati sottilissimi d oro (così sottili da diventare trasparenti) sono applicati alle finestre di grandi edifici per aumentare la quantità di luce solare riflessa dalla vetrata. In questo modo è necessario un minor uso dei condizionatori d aria in estate per mantenere freschi gli ambienti. In questo esperimento analizziamo le nanoparticelle d oro ( nano-oro ). Il nano oro è diverso dall oro che conosciamo? Si lo è! Le proprietà dell oro nanometrico sono molto diverse ed è tutto dovuto alla dimensione delle nanoparticelle. Page 1 of 8

2 Quando le nanoparticelle si trovano all interno di un mezzo, come ad esempio l acqua, formano un colloide. Un colloide è diverso da una soluzione. Una soluzione è una miscela chimica dove una sostanza è dispersa in modo uniforme in un'altra (per esempio una soluzione salina); un colloide è un altro tipo di miscela chimica: le particelle della sostanza dispersa sono solo sospese nella miscela, non sono completamente disciolte in essa. Questo accade perché le particelle in un colloide sono più grandi che in una soluzione. Un colloide è composto di particelle dell ordine di nm. L oro colloidale può avere molti colori differenti, dal rosso rubino al violetto ed al blu. E non si tratta di leghe ma di colloidi costituiti di nanoparticelle d oro puro! Una caratteristica dei colloidi è che producono light scattering ovvero diffusione ottica. I colloidi esistono in natura e possono essere sotto forma di emulsioni (come il latte), gel (gelatine), aerosol (nebbia) e molte altre forme. Anche la crema pasticcera è un colloide! Dove sono le nanoparticelle in questi materiali? Per esempio, il latte è un emulsione di macromolecole (micelle di caseina e liposomi) in acqua. Micelle di caseina e liposomi sono un esempio di nanomateriali naturali. Un modo molto semplice per testare se una miscela è una soluzione o un colloide è di far passare un raggio laser attraverso la miscela: la luce verrà diffusa solo dal colloide. Perché ciò sia visibile il colloide deve essere relativamente trasparente. Per esempio il latte è un colloide naturale ma è opaco. Perciò per fare questo test dovete diluire il latte. ATTENZIONE: non guardare mai il raggio laser direttamente e non utilizzarlo vicino agli occhi! Che cosa determina il colore nell oro colloidale? Le nanoparticelle di metallo (comprese le nanoparticelle d oro) hanno proprietà ottiche che sono molto diverse dalle proprietà del corrispondente materiale macroscopico. Ciò è dovuto ad un effetto chiamato risonanza localizzata della superficie plasmonica (LSPR). In un metallo convenzionale, gli elettroni sono liberi di muoversi in qualunque direzione. Quando un raggio di luce (una radiazione elettromagnetica) colpisce tale materiale, l energia è assorbita dagli elettroni di conduzione che cominciano ad oscillare, generando un plasma. In un materiale macroscopico il plasma si dissipa in fretta sotto forma di calore mentre gli elettroni si muovono e nessun effetto è visibile. Gli elettroni di conduzione in una nanoparticella di metallo non sono così liberi di muoversi, sono confinati in uno spazio ben definito. Anche quando la luce colpisce una nanoparticella di metallo gli elettroni di conduzione di superficie creano un plasma ma questa volta il movimento degli elettroni è confinato nello spazio. Pertanto si genera un plasma di superficie localizzato. Il plasma oscilla in modo periodico in uno spazio confinato. Quando la frequenza di tale oscillazione è la stessa della luce che lo ha generato (ovvero la luce incidente) si dice che il plasma entra in risonanza con la luce incidente. Per tale ragione si parla di effetto Page 2 of 8

3 localizzato di superficie plasmonica (LSPR). Come conseguenza dell effetto LSPR viene amplificato il campo elettromagnetico vicino alla superficie/particella. L energia del LSPR dipende dalla costante dielettrica del materiale e dell ambiente circostante e alla forma e dimensione della nanoparticella. Ciò significa che se un agente legante, ad esempio una proteina, si attacca alla superficie di una nanoparticella, la sua energia di LSPR cambia. Analogamente l effetto LSPR è sensibile ad altre variazioni come la distanza tra le nanoparticelle, che può essere modificata dalla presenza di tensioattivi o ioni. L effetto LSPR è stato osservato non solo su nanoparticelle metalliche ma anche in nano-anelli, nanobuchi in strati sottili, lamine metalliche sottilissime e altre nanostrutture. Una delle conseguenze dell effetto LSPR nelle nanoparticelle di metallo è che esse presentano un assorbimento molto forte del visibile, dovuti alla coerente oscillazione risonante dei plasmoni. Come risultato i colloidi di particelle metalliche come oro o argento, possono mostrare colori che non si ritrovano nella loro forma macroscopica come rosso, violetto, arancio a seconda della dimensione e forma delle nanoparticelle e del mezzo circostante. Figure 2 Formazione di plasmoni nei metalli macroscopici (in alto) e nelle nanoparticelle (in basso). (Crediti per l immagine: D.Sutherland, inano, Aarhus University, Creative Commons Attributions ShareAlike 3.0) In questo esperimento vedrete che il nano oro non ha un colore dorato ma è invece rosso rubino! Figure 3. Micrografie elettroniche di trasmissione e spettri UV / vis di colloidi di nanoparticelle d'oro aventi diverse geometrie: (alto) sfere; (mezzo) decaedri e (in basso) barrette. (Crediti per l immagine: ristampato da Borja Sepulveda et altri, LSPR-Based Nanobiosensors, Nano Today (2009), 4 (3), , con permesso da Elsevier) Page 3 of 8

4 Figure 4. Dipendenza del colore dell oro dalla sua dimensione. (Crediti per l immagine L.Filipponi, inano, Aarhus University, Creative Commons Attributions ShareAlike 3.0) Gli artigiani medioevali usavano già questo effetto! Senza saperlo gli artigiani hanno sempre usato il nano oro nel corso della storia. Le bellissime vetrate colorate prodotte durante l epoca medioevale e visibili in numerosissime chiese, sono fatte di un composto di vetro e nanoparticelle di metallo. I vetri rossi rubino che si ammirano così frequentemente sono una miscela di vetro e polvere d oro finissima (aventi dimensioni nanometriche). Il nano oro ha altre proprietà diverse rispetto all oro macroscopico? Sì, ne ha. Il nano oro è estremamente reattivo ed è ora studiato come nuovo tipo di catalizzatore. Si è visto che il nano oro è un catalizzatore estremamente efficiente in numerosi studi riguardanti il controllo dell inquinamento. Per esempio, una ditta ha annunciato un catalizzatore per l ossidazione costruito in nano oro che può ridurre le emissioni degli idrocarburi diesel del 40% in più rispetto ai materiali disponibili in commercio. Considerando che ci sono più di 14 milioni di veicoli leggeri diesel in tutto il mondo e due milioni di quelli pesanti, l impatto di questa nanotecnologia potrebbe essere enorme. Quali sono le applicazioni del nano oro in medicina? L oro è ora studiato in molte applicazioni di nanomedicina. Qui ci focalizziamo su una sola di esse: il suo uso come biosensore colorimetrico. Generalmente parlando, un sensore è un dispositivo capace di riconoscere una o più specie chimiche specifiche all interno di una miscela e di segnalarne la presenza attraverso qualche cambiamento di tipo chimico. Un trasduttore converte il segnale chimico in un segnale quantificabile con una sensibilità definita. Un biosensore è un dispositivo capace di individuare una specifica biomolecola, come un tipo di anticorpo, un frammento di DNA, etc. La presenza di queste specifiche biomolecole è indicativo della presenza di un certo tipo di virus o batterio responsabile di una specifica malattia. Un area in cui la ricerca è molto attiva è lo sviluppo di futuri biosensori miniaturizzati che i medici potranno usare nei propri uffici per verificare se i loro pazienti sono affetti da una specifica malattia. Questa è chiamata Page 4 of 8

5 diagnostica sul posto di cura. I nanomateriali hanno la maggior parte dei propri atomi sulla superficie e pertanto hanno una grande superficie (se paragonata al loro volume) disponibile per la rilevazione. Inoltre, come vedremo in questo esperimento, i nanomateriali hanno proprietà ottiche che rendono vantaggioso il loro uso. Per questa e per altre ragioni i nanomateriali sono molto utili per la costruzione di biosensori miniaturizzati. In un sensore plasmonico ad oro colloidale il rilevamento produce un cambio nell aggregazione tra le particelle che formano il colloide (Figura 5) Figure 5. Rappresentazione schematica di un biosensore plasmonico Questo cambio di aggregazione può determinare un cambiamento di colore nel colloide. La spettroscopia di assorbimento è usata per quantificare il rilevamento da parte del sensore biologico. Figure 6. Un nano sensore plasmonico colloidale. (crediti per l immagine: ristampato con permesso da. Jin et al., Journal of American Chemical Society (2003), 125 (6), Copyright 2003 American Chemical Society. Per questa ragione il sensore è chiamato colorimetrico (dalla parola colore ). Nel caso dell oro colloidale, che è normalmente color rosso rubino, la rilevazione può far sì che il colloide diventi blu. Nella nanomedicina questo effetto è usato ad esempio nello screening genetico dove gli scienziati cercano una specifica sequenza di un gene in un campione. La sequenza del gene può essere un indicatore della presenza di un agente patogeno specifico, come un virus. Innanzitutto è identificata la sequenza delle basi nel DNA bersaglio. Successivamente due set di particelle d oro vengono preparati: uno ha attaccato del DNA che si lega ad un capo del DNA ricettore, mentre il secondo set porta DNA che si aggancia all altro capo. Le nanoparticelle vengono disperse in acqua. Quando il DNA ricettore viene aggiunto, esso lega assieme i due tipi di particelle in modo da formare un aggregato. La formazione di tale aggregato produce uno spostamento nello spettro di diffrazione della soluzione cioè un cambiamento di colore nella soluzione che può facilmente essere individuato. L esempio è illustrato nella Figura 6. Page 5 of 8

6 Altre tecniche usano il meccanismo di chiave e serratura tipico degli antigeni-anticorpi, o enzimi che possono legarsi a biomolecole specifiche. Sostanzialmente questa tecnica combina il concetto generale di bioricognizione (che è comune a tutti i biosensori) con un tipico nano effetto (il fatto che quando l aggregazione delle nanoparticelle d oro muti, anche il colore cambia.) In questo esperimento eseguirai un test con un nano sensore ad oro colloidale per vedere se è in grado di individuare un elettrolita come il sale. Eseguirai la sintesi di un colloide d oro partendo da una soluzione di cloruro d'oro idrato ed una soluzione di citrato di sodio. Questa è la più semplice reazione per sintetizzare nanoparticelle d oro e generalmente produce nanoparticelle d oro aventi dimensioni sui nm. Nella reazione il citrato agisce come un debole agente di riduzione (riducendo AuCl 4- ad Au) e come stabilizzatore. Uno strato di anioni di citrato riveste ogni nanoparticella e impedisce che queste si aggreghino: la repulsione elettrostatica degli anioni mantiene le nanoparticelle separate. In questo stato il colloide appare rosso rubino in conseguenza all assorbimento della luce da parte delle oscillazioni degli elettroni liberi (il plasma di superficie). In questo esperimento λ max è all incirca 520nm (verde) e la soluzione appare rossa. - Se lo strato di anioni viene rimosso, le nanoparticelle iniziano ad avvicinarsi e ad agglomerarsi. Questo effetto può essere utilizzato per individuare una certa sostanza chimica. Se un forte elettrolita viene aggiunto, come ad es. NaCl, gli ioni del sale schermano le cariche negative sulle particelle che tenderebbero a respingersi, permettendo loro di avvicinarsi e aggregarsi in masse sempre più grandi. La formazione degli agglomerati si riflette in un cambio dello spettro ottico cambiando la soluzione in blu intenso. Se una grande concentrazione di sale viene aggiunta le nanoparticelle si aggregano al punto che precipitano e la soluzione diventa trasparente. Figure 7. Rappresentazione schematica dei cambiamenti ottici di un colloide d oro quando viene aggiunta una soluzione di sale. (Crediti per l immagine L.Filipponi, inano, Aarhus University, Creative Commons Non-Commercial Attribution ShareAlike 3.0) Page 6 of 8

7 -Se si aggiunge un elettrolita debole o una sostanza non elettrolita (ad es. zucchero), la repulsione elettrostatica tra l oro e gli ioni citrati non è impedita e la soluzione rimane rossa. Figure 8. Rappresentazione schematica del cambiamento ottico di un colloide d oro quando è aggiunta una soluzione di zucchero (Crediti per l immagine: L. Filipponi, inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) - Se si aggiunge uno stabilizzatore ad elevato peso molecolare come una proteina o il glicol polietilene, esso viene assorbito superficialmente dalle nanoparticelle con l effetto di inibire l aggregazione, anche ad elevate concentrazioni di sale. In questa esercitazione l albume d uovo è usato come sorgente molto economica di proteine (soprattutto ovalbumina.) Figure 9. Rappresentazione schematica che dimostra come una proteina inviluppa le nanoparticelle d oro e impedisce loro di aggregarsi man mano che il sale viene aggiunto al colloide (Crediti per l immagine: L.Filipponi,, inano, Aarhus University, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) Page 7 of 8

8 CREDITI NANOYOU Kit di Formazione sulle Nanotecnologie per Insegnanti di Studenti di età anni (Modulo Esperimenti) Questa esercitazione è stata parzialmente adattata dall esperimento Colour my nanoworld dal Journal of Chemical Education Vol. 81(4),2004 e dall esperimento Citrate synthesis of gold nanoparticles, University of Winsconsin.Madison,, vedi Una descrizione maggiormente dettagliata della sintesi dell oro colloidale si trova in : Keating ed altri, Journal of Chemical Education 1999, Vol.76 n 7 pp RINGRAZIAMENTI Si ringrazia la classe V B PNI del Liceo Scientifico Sorbelli/ISIS Cavazzi (Pavullo, Italy) per aver effettuato la traduzione del testo dalla versione in Inglese. Page 8 of 8