TÉCNICAS AVANZADAS EN QUÍMICA
Aplicadas a Nanopartículas
Máster en Química Sostenible
ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN
Se basa en la absorción de radiación electromagnética comprendida entre 100-800 nm, aunque un intervalo más estrecho de 190-750 nm es el más común. Mientras que el rango UV va de 190-380 nm, el componente visible de 380-750 nm.
Cuando una molécula absorbe un umbral mínimo de radiación UV o visible, los electrones pasan desde su estado fundamental E1 a un estado de energía superior “excitado” (E2). La energía necesaria para alcanzar el estado excitado se registra como un máximo en una determinada banda del espectro de absorción.
En el caso de las nanopartículas, es una técnica bastante útil, ya que permite observar el comportamiento de absorción de muchas de ellas, ya que en su mayoría absorben en UV o visible. Ejemplo de ello son las nanopartículas de Oro, las cuales presentan una banda plasmón roja, violeta o azul dependiendo de su tamaño. Además, esta técnica también permite la caracterización de ligandos unidos a superficie de nanopartículas.
Aunque no siempre coincide, conocer los máximos de absorción de una nanopartícula fluorescente, podría ser de utilidad al momento de realizar un seguimiento de fluorescencia.
En la página 7-8 del siguiente artículo puedes observar el espectro UV de la banda plasmon de nanopartículas de plata y su desplazamiento de acuerdo a naturaleza, tamaño, síntesis, medio,etc. CLICK AQUÍ.
- HANDBOOK SPECTROSCOPY: UV/IR
El siguiente video muestra como realizar medidasen un espectrofotómetro de absorción para muestras líquidas y sólidas.
ESPECTROSCOPIA FOTOELECTRÓNICA DE RAYOS X (XPS)
Es un tipo de espectroscopia que se fundamenta en la irradiación de una muestra con rayos X (1250 -1480 eV), a una muestra y en el análisis de la energía de los electrones que se eyectan de los átomos. Los fotoelectrones incidentes pueden penetrar una muestra sólida entre 1-10 µm. Esta técnica se usa habitualmente para estimar la composición de la muestra y el estado de oxidación de sus átomos constituyentes. Identifica todos los elementos presentes (excepto H, He), en concentraciones mayores al 0.1%
En el caso de las nanopartículas, resulta de utilidad como técnica de caracterización, ya que al permitir identificar elementos y su estado de oxidación, permite inferir qué tipo de ligandos de superficie se tiene en el análisis.
Mod-01 Lec-16 Applications of X-ray Photoelectron spectroscopy
MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN (TEM)
Esta técnica es de gran interés para la caracterización de nanopartículas. Se fundamenta en la utilización de un haz de electrones de alta energía que incide sobre una muestra ultra fina con el fin de obtener una imagen, que es el resultado del contraste entre los electrones que atraviesan la muestra y los que son absorbidos por la misma. Se puede analizar la muestra determinando el tamaño, morfología y la dispersión de tamaños. Este tipo de técnica permite una resolución de 2 nm en equipos de baja resolución (usando 100 kV), y 0,2 nm en equipos de alta resolución (HRTEM).
Para el caso de las nanopartículas, es una técnica ampliamente usada en caracterización, debido a su utilidad para cuantificar el tamaño promedio y forma de nanopartículas. Además, usando HRTEM es posible identificar los planos cristalinos en algunos casos, lo que permite identificar el elemento conformacional de una nanopartícula.
Conoce el equipo y su funcionamiento:
En el siguiente link podrás leer un trabajo de investigación donde utilizan la técnica TEM. Aquí encontrarás algunas imágenes de como se ven ciertas nanopartículas: CLICK AQUÍ.
¿Cómo preparar una muestra para TEM?
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ANÁLISIS TÉRMICO DIFERENCIAL-TERMOGRAVIMÉTRICO
La termogravimetría (TG) es una técnica analítica que permite medir la variación de peso de una muestra, frente a la temperatura o el tiempo, cuando se le aplica un programa de temperatura controlada y una atmósfera específica.
Concretamente, el análisis térmico diferencial consiste en medir la diferencia de temperatura entre la sustancia en estudio y un material de referencia (térmica, física y químicamente inerte) cuando ambos se calientan en condiciones idénticas. Estas diferencias de temperatura se relacionan con procesos químicos o cambios de fase que puedan ocurrir.
El principal inconveniente de esta técnica es que puede llegar a consumir bastantes miligramos del nanomaterial, lo cual puede resultar un problema en ciertos casos.
En nanopartículas de ZnO se han hecho estudios termogravimétricos para comparar el bulk con las NPs, también se utiliza para determinar la densidad superficial de una nanopartícula de Au y evaluar la pureza y caracterizar nanomateriales.
Esta técnica se ha acoplado con MS, las pérdidas de peso se producen a unas temperaturas determinadas.
También se ha utilizado el TG-DTA para medir las propiedades térmicas de Fe3O4, CS-Fe3O4 and Cur-CS-Fe3O4, siendo la primera pérdida de peso debido a la evaporación del agua y la siguiente por un banda exotérmica. Los grupos se han anclado a la superficie de las NPs perfectamente.
El estudio TGA de NPs de Au y Pd, con diferentes monocapas de tioles, miestran las estabilización de dicha capa muestra que disminuye la estabilidad térmica al disminuir la longitud de la cadena y además que las NP de Au son menos estables que las de Pd.
DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX)
La técnica de difracción de rayos X (DRX), al igual que otras técnicas elementales permiten determinar los diferentes atomos que estan presentes en una muestra, sin embargo esta tecnica permite además saber que tipo de moleculas estan formando estos atomos. De esta manera, la técnica DRX nos permite identificar y distinguir las diferentes fases/composiciones que se encuentran en la muestra que queremos analizar
Esta técnica consiste en hacer incidir la radiación sobre una muestra. Esta radiación interaccionará con los distintos planos de la estructura cristalina de la muesta, habrá planos con los que choque y planos con los que no. Si se hace girar la muestra respecto al ángulo de incidencia de la radiación se podrán abarcar todos los ángulos posibles. Cada vez que la radiación choca con una familia de planos en el ángulo apropiado se produce una interferencia constructiva (ondas en fase), el detector la lee y aparece un pico en el difractograma. Los difractogramas son únicos para cada tipo de sustancia cristalina, como una huella dactilar, así que te permiten identificar la fase que tienes presente en la muestra.
ESPECTROMETRIA DE MASAS Y SP-ICP-MS
La espectrometría de masas está basada en la obtención de iones a partir de moléculas orgánicas en fase gaseosa; una vez obtenidos estos iones, se separan de acuerdo con su masa y su carga, y finalmente se detectan por medio de un dispositivo adecuado. Un espectro de masas será, en consecuencia, una información bidimensional que representa un parámetro relacionado con la abundancia de los diferentes tipos de iones en función de la relación masa/carga de cada uno de ellos. Para cumplir estas funciones, un espectrómetro debe estar constituido por las siguientes partes mas o menos independientes: un sistema introductorio de muestras, una fuente de iones, un analizador para la separación de iones y un detector. Existen varios tipos de espectrometros de masas, según el sistema de inyección , la fuente de iones y el analizador empleado. .
Los procesos que tienen lugar en un espectrómetro de masas, son de naturaleza química; en consecuencia, la presencia y abundancia en el espectro de determinados tipos de iones, identificables a partir de su masa, será función de la estructura química de cada compuesto; la información ofrecida por un espectro de masas es, de alguna forma, comparable a la obtenida mediante una gran cantidad de reacciones de las utilizadas para la determinación de estructuras por vía química, por lo que la espectrometría de masas puede ofrecer una enorme cantidad de información sobre un compuesto determinado.
En los útlimos años, la caracterización de NP mediante ICP-MS ha experimentado un gran auge debido a sus características: Alta exactitud y precisión, bajos limites de detección, un elevado intervalo dinámico y su capacidad para obtener información isotópica. Un proceso importante es el conocido como la espectrometría de masa plasmática acoplada inductivamente de una sola partícula (SP-ICP-MS). SP-ICP-MS es la capacidad para cuantificar la diferencia entre las señales ionicas y las señales de partículas, medir la concentración de particulas por volumen (ml), determinar el tamaño de partícula y la distribución del tamaño.
SP-ICP-MS se basa en la introducción de un flujo discreto de una suspensión de NP suficientemente diluida (concentración de número NPs por debajo de 10-8 L) en el plasma para detectar solo una NP por lectura, donde cada NP individual produce un paquete de iones que da como resultado una señal elemental transitoria (de menos de 0,5 ms de duración). Esta señal transitoria resuelta registrada desde la nube de iones generada por una sola NP en el plasma puede medirse usando frecuencias de adquisición de datos rápidas (104-105 Hz). Por otro lado, al usar bajas frecuencias de adquisición (100-1000 Hz), aunque la nube de iones se registra como un pulso, es posible determinar las concentraciones númericas y los contenidos de masa elemental por NP. Además, se puede determinar el tamaño del núcleo y las distribuciones de tamaños numéricos de las NPs, siempre que haya disponible alguna información adicional sobre la forma, composición y densidad de las NPs. Es importante señalar que el límite de detección de tamaño alcanzable que se puede detectar para las NP de metal por sp-ICP-MS es de 18nm.
RAMAN
El efecto Raman fue descrito por el físico indio Chandrasekhara Venkata Raman en el año 1928, y le supuso la obtención del premio Nobel de física en 1930.
La espectroscopía Raman es una técnica fotónica de alta resolución que es capaz de proporcionar en pocos segundos información tanto química como estructural de casi cualquier compuesto orgánico/inorgánico y de casi cualquier material.
Este análisis de basa en el estudio de la luz dispersada por un material al incidir sobre el un haz de luz monocromático. Una pequeña porción de la luz dispersada tiene un comportamiento inelástico y experimenta así ligeros cambios de frecuencia, característicos de cada material, independientemente de la frecuencia de luz incidente. Estos ligeros cambios de frecuencia son el resultado de la interacción de la luz con la materia. Esta luz, que es la que proporciona información sobre la composición moléculas de la muestra es la que se conoce como dispersión Raman. Quiero saber más
Espectroscopía Micro Raman en Nanotecnología
El espectro Raman para una molécula funciona como para cada ser humano la huella dactilar. Es característica particular de cada molécula, por ello, dos moléculas diferentes no tendrán el mismo patrón. Por ejemplo, en la siguiente imagen podemos observar diferentes estructuras formadas por átomos de carbono, como son los nanotubos, nanohorns, etc. La frecuencia del espectro Raman puede variar inclusio variando el diámetro de los tubos y asi puede ser usado para determinar la calidad del material.
El principal inconveniente de la espectroscopia Raman es su intensidad de señal, esta es extremadamente débil y por ello es necesario utilizar láseres de elevada intensidad para poder medir la luz dispersada. Desde hace ya unos cuantos años se empezaron a estudiar técnicas para mejorar esta intensidad, por ejemplo, la espectroscopia Raman de superficie mejorada (SERS, por sus siglas en inglés). Esta técnica está basada en la nanotecnología, e incluye nanopartículas de oro y plata para mejorar estas señales.
Tiene una gran utilidad para caracterizar compuestos a baja concentración, por tanto, tiene mucha utilidad en el campo de la biomedicina. Anteriormente era muy complicado utilizar esta técnica en medios de cultivo biológico debido a sus bajas concentraciones de analitos a determinar, o la necesidad de utilizar haces de luz muy potentes con los cuales era muy probable dañar la muestra. En esta técnica, como vemos en la ilustración, el analito a analizar se coloca sobre las nanopartículas de oro o plata. Cuando la luz incidente golpea la superficie de las nanopartículas, los plasmones localizados se excitan y el campo electromagnético mejora. Para que se produzca la dispersión las oscilaciones del plasmón deben de ser perpendiculares a la superficie, sino no se producirá. Se utilizan estos dos metales porque las frecuencias de resonancia de sus plasmones se encuentra dentro del rango de longitudes de onda de absorción óptimo para la luz visible y NIR.
FOTÓLISIS DE DESTELLO LÁSER
Técnica de espectroscopía de especies transitorias y estudios cinéticos de las especies transitorias en la que un pulso de luz de duración corta es utilizada para obtener la suficiente concentración de especies transitorias para su observación espectroscópica.
IUPAC Compendium of Chemical Terminology, 2nd Edition (1997)
La ótolisis de destello láser es una técnica utilizada en el laboratorio en la cual una muestra se excita con un pulso de luz intenso de corta duración, nanosegundos, picosegundos o incluso femtosegundos. Estepulso es capaz e iniciar una reacción química o conduce a aumentar la población de niveles de energía excitados (distintos al estado fundamental) en el interior de una muestra de átomos o moléculas. Estos pulsos de luz deben de ser de duración tan corta por el siguiente motivo, el pulso no puede tener un tiempo de vida superior al tiempo de vida del estado triplete de nuestra muestra a estudiar. Por ello, cada vez se buscan láseres con pulsos de tiempos menores.
Esta técnica es muy interesante para estudiar los estados excitados (transientes) de moléculas orgánicas ya que produce una elevada energía en comparación con las fuentes de estado estacionario.
La descomposición fotoquímica es un método muy simple para obtener radicales libres, que estos a su vez podrán interaccionar con otro tipo de nanopartículas o moléculas orgánicas.
Las 10 reglas de oro de la seguridad del láser
• No mirar el haz de luz laser
• Mantener la luz de la habitación encendida
• Quitarse todas las joyas
• Tener controlado todo el recorrido del haz de luz
• Fijar bien todos los componentes ópticos
• Mantener todo el montaje en horizontal
• No agacharse por debajo de la altura del haz luminoso
•Todos los componentes ópticos reflejan transmiten y absorben luz
• No olvidar los otros peligros (disolventes, electricidad, gases)
• Usar las gafas de seguridad adecuadas
Los componentes necesarios para llevar a cabo un láser de destello se pueden dividir en cuatro grupos:
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Fuente de excitación
-
Sistema de monitoreo
-
Sistema de detección
-
Instalaciones de procesamiento de señales
Los componentes II y III corresponden a un espectofotómetro, que requieren tener las características especiales para poder interpretar las señales y la respuesta del tiempo adecuado.
La fuente de excitación es un láser pulsado, y encontramos los siguientes tipos:
Características de la luz láser
- Baja divergencia (spot pequeño)
- Elevada luminosidad
- Alta densidad de luz
- Coherente
- Monocromática
- Pulsos cortos
El más utilizado es el de Neodimio/YAG ya que mediante filtos se puede ir jugando con sus cuatro harmónicos.
Como norma general, un láser de estas características ha de ser capaz de generar una concentración 10-5 M del estado transiente para que sea útil, por ello, requiere energías en el rango de 1-100mJ/pulso.
El sistema de monitoreo está constituido por una fuente de luz, la más habitual, una lámpara de xenón, una serie de lentes para concentrar la región espectral pertinente en la muestra, otra serie de lentes y filtros para dirigir la luz en la rendija del monocromador y un monocromador.
Para lograr buenas resoluciones señal/ruido en escalas de tiempo tan cortas, es conveniente utilizar la luz puslada, de esta manera la intensidad de luz del haz de monitoreo aumenta considerablemente y es posible llevar a cabo el experimento.
La excitación de la muestra generalmente se lleva a cabo a 90º para poder obtener señales más fuertes
El sistema detector (III) consiste en un fotomultiplicador, una unidad que es capaz de medir la intensidad del haz de monitoreo y una unidad capaz de almacenar una señal respecto del tiempo, y una cámara o digitalizador de transientes.
El procesamiento de señal (IV) es donde se pueden encontrar mayores variaciones. El tratamiento de datos se puede llevar a cabo manualmente o mediante digitalización.
Nanopartículas mediante fotólisis
A partir de la técnica de fotólisis de destello láser es posible llevar a cabo la síntesis de nanopartículas. Hay diferentes estrategias, primeramente, las agruparemos en 2 tipos, top down (de material volumétrico a nanopartícula) o bottom up (de átomos a nanopartícula).
Nos centraremos en hablar en la más habitual, en la síntesis coloidal (bottom-up) centradas en la síntesis de nanopartículas de oro.
Bottom-Up
Una manera sencilla y con pocos reactivos seria a partir de la sal de oro HAuCl4 y con exceso de H2O2 como podemos ver en el siguiente esquema, el peróxido de higrodeno será el que absorberá el pulso de luz formando el radical superóxido (HOO·). Este radical será el que actue como reductor para obtener Au(I) y posteriormente obtener las nanopartículas de oro (AuNP). Son las propias nanopartículas las que volverán a formar los radicales superóxido. Es una manera limpia de sintetizar las AuNP ya que los subproductos obtenidos más allá del Cl- son O2 y H2O. Scaiano et al. Phys. Chem. Chem. Phys., 2011,13, 11914-11918
SEM (Scanning Electron Microscope)
El microscopio electrónico de barrido (SEM) es un instrumento capaz de ofrecer información variada procedente de la superficie de una muestra, es decir, es una técnica de microscopia electrónica capaz de producir imágenes de alta resolución utilizando interacciones electrón-materia.
A grandes rasgos, este equipo funciona de la siguiente manera. Consta de una cámara en forma de columna con alto vacío, donde se tiene un emisor de electrones (electron gun), un filamento que se asemeja al de una bombilla.
Se genera un haz de electrones de voltaje controlable a partir de una gran diferencia de potencial (puede ir desde 50 hasta 30000 voltios, dependiendo de si la muestra es biológica, más sensibles o partículas metálicas) que hace que los electrones presentes en el filamento se dirijan al polo opuesto.
El ánodo permite regular diferentes parámetros como puede ser la velocidad a la cual viajan dichos electrones o modular el poder penetrante de los mismos en la muestra. Si se incrementa el voltaje de los electrones se podrá reducir el diámetro del haz electrónico y conseguir así mejor resolución. Además, dentro de esta columna a vacío se disponen diversos electroimanes, también ajustables, que permiten enfocar los electrones, las llamadas lentes magnéticas.
Los electrones acelerados salen del cañón (después de incidir en la última lente magnética) para penetrar en la cámara, y se enfocan mediante las lentes condensadora y objetiva, cuya función es reducir la imagen del filamento, de manera que incida en la muestra un haz de electrones lo más pequeño posible (para así tener una mejor resolución).
Podemos encontrar también las bobinas de barrido, las cuales mueven este haz para producir imagen, es decir, “barren” con el haz de electrones la superficie de la muestra para generar una imagen como la de televisión, hecha punto por punto y línea tras línea.
Electrones secundarios (SE)
Cuando el haz de electrones primarios (muy energéticos) incide sobre la muestra se emiten electrones con energías inferiores a los 50 eV. Estos electrones, llamados secundarios (SE), tienen energías bajas (de 3 a 5 eV) y proceden de las capas electrónicas de los átomos de la muestra. Estos electrones son los que, con los detectores adecuados, nos ofrecen la imagen de la muestra.
LUMINISCENCIA
Dentro del material confinado en la escala nanométrica existe un creciente interés por el estudio de las nanopartículas fotoactivas. Estas están consideradas como pequeños sistemas que exhiben propiedades ópticas únicas generalmente dependientes de su tamaño y composición. Las nanopartículas (NPs) inorgánicas fotoactivas se pueden clasificar en: NPs Up conversión, NPs metálicas y NPs semiconductoras.
Concretamente, las NPs semiconductoras se caracterizan por contener entre la BV y la BC una banda de energía prohibida (0,1-3 eV) mayor que los metales pero menor que los materiales aislantes. Precisamente, al irradiar las NPs semiconductoras con fotones de energía igual o superior al espacio energético de la banda prohibida se consigue generar una buena conductividad electrónica debido a que los electrones son excitados con la energía suficiente para pasar de la BV a la BC, originando un par electrón-hueco o excitón. En los semiconductores, los excitones presentan un tiempo de vida finito debido a la recombinación del par electrón-hueco excitado. Además, como la energía liberada por la aniquilación del excitón es demasiado grande como para ser disipada únicamente por “relajación vibracional”, se libera mediante recombinación radiativa a través de la emisión de fotones (luminiscencia).
La espectroscopía de fluorescencia en estado estacionario presenta elevada utilidad para la caracterización de este tipo de NPs debido a que puede informar de forma rápida de la estructura electrónica del material (separación banda de valencia y conducción; junto con la absorción), de su tamaño y morfología, del rendimiento cuántico de las nanopartículas (utilizando un patrón) y de los defectos de superficie de este entre otras muchas utilidades en función de la aplicación específica.
La fluorescencia resuelta en el tiempo se define como el tiempo promedio que un fluoróforo excitado permanece en este estado antes de emitir un fotón y decaer al estado fundamental. Sin embargo, en el estudio de nanopartículas, las medidas de fluorescencia resuelta en el tiempo no se han usado tanto como la fluorescencia en estado estacionario, aunque ofrecen la posibilidad de proporcionar una comprensión más profunda de la nanopartícula en sí misma y de su entorno local.
Esta técnica puede utilizarse para a) estudiar nanopartículas no fluorescentes unidas a fluoróforos o para b) analizar las características intrínsecas de nanopartículas semiconductoras con luminiscencia propia.
Especialmente es muy utilizada para estudiar la carga y liberación de fármacos ligados a nanopartículas, ya que estas medidas son altamente sensibles a un entorno con fluoróforos donde las respectivas curvas de decaimiento de fluorescencia pueden usarse para obtener información sobre la conjugación de este a la nanopartícula.
RENDIMIENTO CUÁNTICO
El rendimiento cuántico mide de la eficiencia del proceso de emisión de luz tras la absorción de fotones (Ecuación 1). Se define como el cociente entre el número de fotones emitidos sobre el número de fotones absorbidos. El rendimiento cuántico es solo igual a 1 si no hay procesos no radiativos que compitan con la emisión de fluorescencia. La existencia de otras formas de disipar la energía obtenida por la absorción de fotones reducirá el rendimiento cuántico. Su determinación puede llevarse a cabo mediante métodos absolutos y métodos indirectos
Ecuación 1. Fórmula para cálculo de rendimiento cuántico
Métodos directos: Implican la medida de toda la radiación emitida por el compuesto tras haber sido excitado. Para tal fin se necesita una esfera integradora de radiación. Aplicable para muestras en estado sólido y líquido.
Métodos indirectos: Se parte de sustancias de rendimiento cuántico conocido mediante la medida de la absorción y la intensidad de fluorescencia. Aplicable únicamente para muestras líquidas.
ESFERA DE INTEGRACIÓN
Dispositivo diseñado para recoger la emisión de luz de la muestra desde todos los ángulos.
La esfera integradora está formada por un material fluoropolimérico10 (Spectralon®) que se caracteriza por tener una alta reflectancia (reflectancia ~ 95%). Esta propiedad hace que toda la luz que entra en la esfera tenga solo dos posibles caminos: la absorción por parte de la muestra o la recolección óptica por el detector del espectrofluorímetro. El número de fotones absorbidos por la muestra (por unidad de tiempo) se determina como la diferencia entre el número de fotones que emite la fuente de iluminación (lámpara) y el número de fotones que llega al detector (ya que los que no llegan es que han sido absorbidos por la muestra).
Por su parte, los fotones emitidos son recolectados por la esfera integradora que los focaliza todos en una zona cercana al detector para su cuantificación.
APLICACIONES EN LA INVESTIGACIÓN ACTUAL
Esta técnica es especialmente relevante para el diseño y la caracterización de nanopartículas utilizadas para aplicaciones optoelectrónicas (celdas solares, LEDs, etc) pero también proporciona información relevante del entorno local de las nanopartículas (conjugación o interacciçon con otras moléculas) y de los defectos de superficie que pueden contener los nanocristales que generan pérdidas de eficiencia radiativa. Es un recurso primordial en toda investigación y publicación relacionada con nanopartículas emisivas, siendo una herramienta clave para determinar emisión y con ello posibles utilidades en el campo fotoquímico.
Por ejemplo, Julia Pérez-Prieto y colaboradores en su publicación "Adenosine monophosphate-capped gold(I) nanoclusters: synthesis and lanthanide ion-induced enhancement of their luminescence" reportan el rendimiento cuántico de las nanopartículas sintetizadas, empleando el método directo con la ayuda de una esfera de integración. Otras publicaciones como la de Goswami y colaboradores "Luminescent Metal Nanoclusters with Aggregation-Induced Emission", realizan un compedio acerca de las propiedades emisivas de diferentes nanoclusters metálicos, donde resaltan la importancia de un alto rendimiento cuántico.
