Caracterización de Oro Coloidal Mediante el Método de Dispersión de Luz Dinámica

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Introducción 

El oro coloidal es una suspensión de partículas de oro en un coloide que muestra características interesantes[1]. El color del espécimen cambia según el tamaño y la forma de las partículas de oro[2]. La Figura 1 muestra suspensiones coloidales de oro de diversos tamaños. Las partículas de menos de 5nm aparecen amarillas, de 5nm a 20nm son rojas y aquellas mayores de 100nm son azules.

Las partículas de oro en una solución acuosa tienen una carga negativa que les da una alta afinidad por macromoléculas biológicas como proteínas y anticuerpos[3]. Por este motivo, el oro coloidal encuentra aplicaciones en biotecnología en áreas como unión al ADN, sondas de imágenes y agentes de diagnóstico[1,4,5]. Además, se están desarrollando suspensiones de oro coloidal para aplicaciones en sectores de electrónica avanzada y recubrimientos[6].

La identificación del tamaño de las partículas de oro coloidal es crucial para asegurar que el diámetro de las partículas es homogéneo y que no existen partículas agregadas en la muestra. El microscopio electrónico es muy utilizado para la caracterización del tamaño[1,2]. La Figura 2 muestra una imagen de microscopía electrónica de transmisión de una muestra de oro coloidal. Se pueden observar las partículas individuales de oro, aunque la mayoría forman racimos con dos o más partículas.

Aunque la microscopía electrónica es excelente para visualizar partículas, en términos estadísticos solo mide unas pocas decenas o cientos de partículas, lo que podría ser insuficiente. Se utiliza para calcular el tamaño basado en número al contar partículas de diferentes tamaños.

La dispersión de luz dinámica (DLS) es una técnica no intrusiva que mide el tamaño de las nanopartículas en dispersión. Utiliza el movimiento browniano para medir la intensidad de luz dispersada con el tiempo en una suspensión de partículas. Analizando las fluctuaciones en la intensidad de la luz dispersada, se determina el coeficiente de difusión, que a su vez, mediante la ecuación de Stokes-Einstein, permite calcular el tamaño de las partículas.

En esta nota de aplicación, se examina la caracterización del tamaño del oro coloidal usando dispersión de luz dinámica y se compara con resultados obtenidos mediante microscopía electrónica.

Experimento

Todas las mediciones en esta nota de aplicación se realizaron a 25°C usando un Zetasizer Nano S. El Nano S está equipado con un láser He-Ne de 4mW con longitud de onda de 633nm y un detector de fotodiodo de avalancha (APD), y detecta luz dispersada a un ángulo de 173°.

Resultados y discusión

La Figura 3 muestra la distribución de tamaños por intensidad del oro coloidal medida con el Nano S. Esta figura ilustra la proporción relativa de luz que es dispersada por partículas de diversos tamaños (eje X) en el conjunto de partículas (eje Y). La distribución de tamaños obtenida tiene dos picos con promedios de 13.6nm y 339nm, respectivamente. Los resultados del análisis de estos picos en Intensidad, Volumen y Número se muestran en la Tabla 1.

La distribución de tamaños por intensidad medida indica que hay un número significativo de partículas agregadas en la muestra. Sin embargo, al convertir la distribución de tamaño por intensidad a volumen (o masa o peso) (Figura 4), se puede observar que la concentración de partículas agregadas es baja. Para convertir los resultados de intensidad a volumen, se utiliza la teoría de Mie, que requiere valores de índice de refracción (n) y absorbancia (k). Aquí se usaron 0.2(n) y 3.32(k) respectivamente[9]. La distribución del tamaño por volumen muestra que más del 90% de la muestra, basado en masa, consiste en pequeñas partículas de aproximadamente 13nm.

Convertir esta distribución a tamaño por número, como se muestra en la Figura 5, resulta en un único pico con un promedio de 12.4nm. Este resultado sugiere que, si se caracteriza este tipo de muestra con una técnica basada en número, como la microscopía electrónica, se observarán principalmente pequeñas partículas. La presencia de partículas grandes solo se hará evidente si se contabiliza un número suficiente de ellas. En una base de número, hay pocas partículas agregadas en esta muestra, pero dispersan una cantidad considerable de luz, dominando los picos de intensidad de distribución de tamaño (Figura 3). Por lo tanto, este tipo de muestra puede producir resultados muy diferentes cuando se analiza con dispersión de luz dinámica y microscopía electrónica.

Si la muestra de la Figura 2 se mide con dispersión de luz dinámica, la información sobre diferentes partículas (partículas individuales, agrega de dos, agrega de tres partículas, etc.) sería difícil de obtener. Así, el método de dispersión de luz dinámica no es recomendable para analizar una muestra con múltiples tamaños de partículas.

Por lo tanto, una mezcla de partículas individuales y agregadas (compuestas de 2, 3 o 4 partículas) generaría un único pico amplio a causa de la dispersión de luz mayormente por las partículas grandes. Los valores de diámetro promedio z y polidispersidad son sensibles a la presencia de partículas agregadas; el diámetro promedio z es el diámetro hidrodinámico promedio y el valor de polidispersidad estima la amplitud de la distribución. Ambos valores se calculan siguiendo el estándar internacional sobre dispersión de luz dinámica, ISO13321[10].

Conclusión

La dispersión de luz dinámica es un método adecuado para determinar el tamaño del oro coloidal. Es muy sensible a la presencia de partículas agregadas, y el diámetro promedio z y la polidispersidad pueden utilizarse para evaluar la uniformidad de la muestra.

Para muestras monodispersas, los resultados obtenidos mediante dispersión de luz dinámica y microscopía electrónica deben ser muy cercanos. Sin embargo, para muestras polidispersas, la dispersión por partículas grandes resulta en que la dispersión de luz dinámica proporcione resultados de tamaño de partículas más grandes que los obtenidos con microscopía electrónica.

Referencias

[1] M.A. Hayat (1989) Colloidal Gold:Principles, Methods and Applications,
Academic Press, New York.

[2] K. Miura and B. Tamamushi (1953)J. Electron Microscopy 1, 36-39.
[3] M. Horisberger and M.F. Clerc(1985) Histochem and Cell Biol. 82,219-223.
[4] A. Csaki, R. Möller and W.Fritzsche (2002) Expert Rev. Mol.Diagn. 2, 89-94.
[5] R. Tanaka, T. Yuhi, N. Nagatani,T. Endo, K. Kerman, Y. Takamura and E. Tamiya (2006) Anal. Bioanal.Chem 385, 1414-1420.
[6] T. Sato and H. Ahmed (1997)Applied Phys. Letters 70, 2759-2761.
[7] A.N. Shipway, E. Katz and I Willner (2000) 1, 18-52.
[8] P. Mulvaney, M. Giersig and A.Henglein (1992) J. Phys. Chem. 96,
10419- 10424.

[9] L. G. Shulz (1954) J. Opt. Soc. Am.44, 357-362 and 362-368.
[10] International Standard ISO13321 Methods for Determination of Particle
Size Distribution Part 8: Photon Correlation Spectroscopy, International Organization for Standardization (ISO) 1996.

Zetasizer Nano

El Zetasizer Nano de Malvern Instruments es el primer equipo comercial que incluye hardware y software capaces de medir dispersión de luz estática, dinámica y electroforética. Las características de muestra que pueden medirse con el aparato Nano incluyen tamaño de partícula, peso molecular y potencial zeta.

El aparato Zetasizer Nano está diseñado para satisfacer las necesidades de bajo volumen y baja concentración de áreas como la farmacéutica y biomolecular, así como de alta concentración en aplicaciones coloidales. Utilizando un dispositivo óptico de retrodispersión y un nuevo diseño de cubeta, satisface estos requerimientos únicos. Como resultado, las especificaciones de tamaño de partícula y concentración del Zetasizer Nano superan las de otros equipos comerciales de dispersión de luz dinámica. Su rango de tamaño de partícula es de 0.6nm a 6um y el rango de concentración es de 0.1ppm a 40% w/v.

El Sistema Zetasizer Nano cuenta no solo con un diseño de hardware patentado, sino también con un software sobresaliente para el control del aparato y el análisis de datos. Este software utiliza algoritmos de optimización automática para automatizar la configuración óptica según cada muestra, y está diseñado para minimizar el tiempo de aprendizaje del software para nuevos usuarios con un sistema de medición, análisis y reporte de «un click».