nanoparticulas de oxido de zinc

Centro de Investigación en Materiales Avanzados S. C.
Maestría en Nanotecnología
Tesis:
"Estudio de las propiedades antimicrobianas de nanopartículas de ZnO y ZnO/Ag
sintetizadas por el método de reacción en microemulsión"
Alumnos:
Luis Alejandro Esquivel Rodríguez
María Blanca Nieves Cancino González
Director de tesis: Dra. Margarita Sánchez Domínguez
Co-asesor: Dra. Celia N. Sánchez Domínguez
Ramos Arizpe, Coahuila.
Agosto 2017
pág. 1
AGRADECIMIENTOS
pág. 2
RESUMEN
Este trabajo, se centró en el estudio de las propiedades antibacteriales de
nanomateriales basados en ZnO y ZnO/Ag, sintetizadas por el método de reacción
en microemulsión aceite-en-agua (O/W) combinado con el método de Tollens
modificado.
La microemulsión para la síntesis de ZnO fue preparada mediante la mezcla de
agua desionizada, el surfactante no iónico Synperonic 91/6 y una solución de Zinc2-etilhexanoato en hexano como fase oleosa. Para llevar a cabo la reacción se
utilizaron 4 agentes precipitantes diferentes: hidróxido de sodio (NaOH), hidróxido
de sodio y peróxido de hidrógeno (NaOH+H2O2), hidróxido de amonio (NH4OH), e
hidróxido de tetrametil amonio (TMAH), en soluciones acuosas. Esto con el fin de
obtener
diferentes
morfologías:
Nanoflores,
Nanomoras,
Nanogalletas
y
Nanomoños, respectivamente.
Las nanopartículas de Ag se sintetizaron utilizando un método de Tollens
modificado, empleando un polisacárido (goma de mezquite) como agente
estabilizante y reductor. El nanomaterial híbrido fue sintetizado a partir de la mezcla
de los polvos de nanopartículas ZnO previamente preparadas y las dispersiones
estables de nanopartículas Ag, agregando isopropanol con el fin de desestabilizar
las nanopartículas de Ag y depositarlas sobre las nanoestructuras de ZnO, creando
las nanopartículas híbridas en forma de decorado de nanopartículas de Ag sobre
las nanoestructuras de ZnO.
Los materiales se caracterizaron mediante difracción de rayos X, microscopía
electrónica de barrido, microscopía electrónica de transmisión, y Espectroscopía de
Fotoelectrones de Rayos X.
Para determinar la actividad antimicrobiana, se evaluó el porcentaje de inhibición
del crecimiento de Escherichia Coli, utilizando el método de macrodiluciones en
pág. 3
tubos de ensayo, se encontró que con el ZnO, tuvo una inhibición máxima de 80%
al utilizar 0.5 mg/ml con las nanoflores. La actividad antimicrobiana fue dependiente
de la morfología de las nanoestructuras, ya que las nanogalletas solo presentaron
un 53% de inhibición (a 0.5 mg/ml). Al incorporar 3% de Ag con respecto al ZnO, el
porcentaje de inhibición aumento a valores cercanos al 100% para casi todas las
nanoestructuras, manteniendo la concentración de nanomaterial a 0.5 mg/ml. Por lo
que, debido al potente efecto antimicrobiano de la Plata, el efecto de las diferentes
morfologías del ZnO quedó completamente suprimido.
En base a los resultados obtenidos, se lograron obtener los nanomateriales híbridos
de ZnO y ZnO/Ag por el método de reacción en microemulsión aceite-en-agua
(O/W) combinado con el método de Tollens modificado, y se puede afirmar que
existe un potencial prometedor para utilizar dichos nanomateriales como agentes
antimicrobianos.
pág. 4
ABSTRACT.
This study is focused on the study of the antibacterial properties of ZnO and ZnO/Ag
nanomaterials which were synthetized by the oil-in-water (O/W) microemulsion
reaction method combined with a modified Tollens method.
A mixture of deionized water, Synperonic 91/6 as nonionic surfactant, and a solution
of Zinc 2-ethyl hexanoate in hexane as the oily phase was used to prepare the
microemulsion for the synthesis of ZnO nanomaterials. In order to carry out the
reaction, 4 precipitating agents were used, such as: sodium hydroxide (NAOH),
sodium hydroxide plus hydrogen peroxide (NAOH + H2O2), ammonium hydroxide
(NH4OH), and tetramethylammonium hydroxide (TMAH), as aqueous solutions. This
was made with the purpose to obtain different morphologies: nanoflowers,
nanoraspberries, nanocookies, and nanobows, respectively.
Ag nanoparticles were synthetized using a modified Tollens method, and as a
stabilizing and reducing agent a polysaccharide, the “Mezquite” gum was used. The
hybrid nanomaterial was synthetized based on the mixture of the ZnO nanostructures
powder, previously synthesized, and the stable dispersion of the Ag nanoparticles.
Then isopropanol was added to destabilize the Ag nanoparticles in order to be
deposited onto the ZnO nanostructures. As a result the hybrid nanomaterials,
namely ZnO nanostructures decorated with Ag nanoparticles, were created.
Materials were characterized by using X ray diffraction, scanning electron microscopy,
transmission electron microscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy.
To determine the antimicrobial activity, an evaluation of Escherichia Coli growth
inhibition was performed by utilizing the macro dilution method in test tubes, and it
was found that an 80% of maximum inhibition was achieved with the ZnO (0.5 mg/ml
of nanoflowers). The antimicrobial activity was dependent on the ZnO morphology
used, since the nanocookies only presented an inhibition of 53%, however when 3%
of Ag was incorporated with respect to ZnO, the inhibition increased to almost 100%
pág. 5
values for all the hybrid nanostructures, keeping the 0.5 mg/ml concentration. Due
to the potent Ag antimicrobial effect, the effect of the different morphologies of ZnO
was completed suppressed.
Based on the obtained results, it was possible to obtain ZnO and ZnO/Ag hybrid
nanomaterials using the oil-in-water (O/W) microemulsion reaction method
combined with the modified Tollens method, and we can conclude that there is an
excellent potential for the use of such hybrid nanomaterials as antimicrobial agents.
pág. 6
Contenido
RESUMEN .......................................................................................................3
ABSTRACT. ....................................................................................................5
1. INTRODUCCIÓN .....................................................................................13
2. ANTECEDENTES ....................................................................................21
2.1 NANOTECNOLOGÍA Y NANOMATERIALES. ...............................................21
2.2 NANOPARTÍCULAS DE ZNO ....................................................................21
2.3 NANOPARTÍCULAS DE AG .......................................................................24
2.4 NANOMATERIAL HÍBRIDO ZNO/AG .........................................................27
3. JUSTIFICACIÓN ......................................................................................32
4. HIPÓTESIS ...............................................................................................34
5. OBJETIVO GENERAL ............................................................................35
5.1.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS .....................................................................35
6. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL. ......................................................36
6.1 MATERIALES. .........................................................................................36
6.2 SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS DE ZNO POR MICROEMULSIÓN O/W. ...37
6.3 SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS DE AG POR EL MÉTODO DE TOLLENS
MODIFICADO..................................................................................................39
6.4 SÍNTESIS DEL NANOMATERIAL HÍBRIDO ZNO/AG ...................................41
6.5 CARACTERIZACIÓN DE LAS NANOPARTÍCULAS .......................................43
6.5.1 TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN ........................................................44
6.5.1.1 DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX) ....................................................44
6.5.1.2 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO (SEM) Y
ESPECTROSCOPÍA DE ENERGÍA DISPERSIVA (EDX) .....................................45
6.5.1.3 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN DE ALTA
RESOLUCIÓN ................................................................................................46
6.5.1.4 ESPECTROSCOPIA FOTOELECTRONICA DE RAYOS X (XPS) ...........47
6.5.2 EVALUACIÓN DE LA ACTIVIDAD ANTIMICROBIANA EN PREPARADOS DE
NANOPARTÍCULAS DE ÓXIDO DE ZINC Y PLATA. ...........................................50
7. RESULTADOS .........................................................................................56
pág. 7
7.1 SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS DE ZNO POR EL MÉTODO DE REACCIÓN
EN MICROEMULSIÓN O/W .............................................................................56
7.1.1 FORMACIÓN DE LAS DIFERENTES MORFOLOGÍAS DEL ZNO ...............60
7.2 SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS DE AG POR EL MÉTODO TOLLENS. ......64
7.3 SÍNTESIS DEL NANOMATERIAL HÍBRIDO ZNO/AG POR EL MÉTODO DE
IMPREGNACIÓN. ............................................................................................68
7.4 MICROSCOPIA ELECTRÓNICA DE TRANSMISIÓN (TEM)........................75
7.5 DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX). ..........................................................76
7.6 ESPECTROSCOPIA FOTOELECTRÓNICA DE RAYOS X (XPS) ..................78
7.7 ACTIVIDAD ANTIMICROBIANA. .................................................................85
7.7.1 MÉTODO DE MACRODILUCIONES EN TUBOS DE ENSAYO .....................85
CONCLUSIONES .........................................................................................91
BIBLIOGRAFIA .............................................................................................93
pág. 8
Lista de Figuras
Fig 1.Características de los nanomaterials
13
Fig 2. Enfoque multidisciplinario de la nanotecnología y fabricación "abajo hacia arriba" and "arriba hacia
abajo"
14
Fig 3. Representación de una gota de microemulsión O/W (con cosurfactante).
16
Fig 4.Tipos de estructuras de las microemulsiones: a) aceite en agua (O/W), b) agua en aceite (W/O) y c)
bicontínuas
18
Fig 5.Síntesis de nanopartículas en microemulsiones de agua-en-aceite.
19
Fig 6.Síntesis de nanopartículas en microemulsiones de aceite-en-agua.
20
Fig 7.Perfiles de tiempo de la desinfección de E. Coli por Ag –ZnO y ZnO
30
Fig 8.Preparación de microemulsión (muestra de 10g).
38
Fig 9.Síntesis de nanopartículas de ZnO
38
Fig 10.Proceso de lavado con Isopropanol y cloroformo, mediante sedimentación centrífuga
39
Fig 11.Formación de Hidróxido de plata AgOH
40
Fig 12.Añadiendo NH4OH al AgOH
40
Fig 13.Formación de complejo diamin plata
41
Fig 14.Calentamiento a 80°C para formar Np Ag
41
Fig 15.Dispersión coloidal de Ag
42
Fig 16.Dispersión coloidal acuosa de Nps de Ag y ZnO
42
Fig 17.Adicción de Isopropanol para desestabilizar dispersión.
43
Fig 18.Recuperación de material mediante lavados con isopropanol
43
Fig 19.Difractómetro Empyrean, PANalyrical
45
Fig 20. Microscopio Electrónico de Barrido de Emisión de Campo Modelo Nova Nano SEM 200 Marca FEI y
detector de EDX
46
Fig 21.Microscopio electrónico de ultra alta resolución JEOL JEM2200Fs+STEM Cs corrector
47
Fig 22.(a) Un fotón transfiere su energía a un electrón, el cual es emitido. (b) El exceso de energía en el
átomo se compensa con la ocupación del hueco de baja energía por un electrón de un nivel
energético superior. (c) Otra forma para liberar el exceso de energía del átomico resulta en la
emisión de un electrón de barrena o emitiendo un fotón de rayos X
48
Fig 23.Diagrama esquemático de un espectrómetro XPS.
49
Fig 24.Equipo utilizado XPS thermo scientific ESCALAB 250 XI
50
Fig 25.Preparación de caldo Mueller Hinton
51
Fig 26.Estriado de la placa a partir de una cepa de Escherichia Coli ATCC
52
Fig 27. Preparación del cultivo de E. Coli en la placa de Agar Mueller Hinton.
52
Fig 28.Preparación de la suspensión bacteriana
53
Fig 29.Procedimiento para la preparación de los tubos de trabajo
54
Fig 30.Preparacion de los tubos de trabajo
54
Fig 31.Incubación en baño de agua.
55
Fig 32.Lectura de resultados.
55
Fig 33.Micrografías SEM con el uso de NaOH como agente precipitante
56
Fig 34.Micrografías SEM con el uso de NaOH más H2O2 como agente precipitante seguido de calcinación a
300 ºC para la obtención de nanomoras de ZnO.
57
Fig 35.Micrografías SEM con el uso de NH4OH como agente precipitante para la obtención de nanogalletas
de ZnO.
58
Fig 36.Micrografías SEM con el uso de TMAH como agente precipitante para la obtención de nanomoños
de ZnO.
59
Fig 37.Dirección de crecimiento-c en una estructura hexagonal.
61
pág. 9
Fig 38.Esquema propuesto de la formación de diferentes morfologías auto-ensambladas de ZnO.
64
Fig 39.Espectro de absorción UV-Vis de las NPs de Ag sintetizadas por el método de Tollens modificado,
utilizando una solución de AgNO3 0.11 M.
66
Fig 40. Espectro de absorción UV-Vis de las NPs de Ag sintetizadas por el método de Tollens modificado,
utilizando una solución de AgNO3 0.11 M.
67
Fig 41. Ilustración de los modos posibles de ligado de la goma de mezquite a la superficie de la
nanopartícula de plata.
67
Fig 42.Micrografías de SEM del material híbrido ZnO/Ag nanoflores (3% Ag). Las flechas rojas indican la
localización de algunas de las Nps de Ag.
68
Fig 43.Análisis de EDX para el material híbrido ZnO nanoflores con 3% Ag
69
Fig 44.Micrografías SEM ZnO nanomoños al 3% Ag
70
Fig 45.EDX ZnO nanomoños al 3% Ag.
71
Fig 46.Micrografías SEM ZnO nanogalletas al 3% Ag
72
Fig 47.EDX ZnO nanogalletas al 3% Ag.
72
Fig 48.Micrografías SEM ZnO nanomoras al 3% Ag
73
Fig 49.EDX ZnO nanomoras al 3% molar de Ag
74
Fig 50.Micrografías de STEM para la muestra de ZnO/Ag (nanomoras, 3% Ag).
75
Fig 51.Micrografías de STEM para la muestra de ZnO/Ag (nanogalletas, 3% Ag).
76
Fig 52.Espectro de DRX de los nanomateriales ZnO, (nanoflores , nanomoras, nanogalletas y nanomoños)
77
Fig 53. Espectro de DRX de los nanomateriales híbridos ZnO/Ag
78
Fig 54.Espectros XPS de C 1s de las diferentes muestras de ZnO (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c)
nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-enagua (O/W)
79
Fig 55.Espectros XPS de C 1s de las diferentes muestras de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c)
nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-enagua (O/W)
79
Fig 56.Espectros XPS de Zn 2p 3/2 y Zn 2p 1/2 de las morfologías de ZnO (a) nanogalletas; (b) nanoflores;
(c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-enagua (O/W)
80
Fig 57. Espectros XPS de Zn 2p 3/2 y Zn 2p 1/2 de las morfologías de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b)
nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en
microemulsión aceite-en-agua (O/W)
81
Fig 58.Espectros XPS de 1s O de las morfologías de ZnO (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y
(d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-en-agua (O/W) 82
Fig 59.Espectros XPS de 1s O de las morfologías de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras
y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-en-agua (O/W) 83
Fig 60.Espectros XPS de Ag 3d 5/2 y Ag 3d 1/2 de las morfologías de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b)
nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en
microemulsión aceite-en-agua (O/W)
84
Fig. 61. Gráficas de crecimiento e inhibición bacterianas en presencia de las nanopartículas de ZnO,
representando en A, el crecimiento bacteriano como la Absorbancia a 600 nm vs. Concentración de
NPs mg/ml, y en B, la inhibición del crecimiento para cada concentración y tipo de Nanopartícula de
ZnO, expresado cómo %.
86
Fig 62. Gráficas de crecimiento e inhibición bacterianas en presencia de las nanopartículas de ZnO/Ag,
representando en A, el crecimiento bacteriano como la Absorbancia a 600 nm vs. Concentración de
NPs mg/ml, y en B, la inhibición del crecimiento para cada concentración y tipo de Nanopartícula de
Plata, expresado como %.
87
pág. 10
Fig 63. Gráficas de comparaciòn de crecimiento bacteriano para cada preparación de Nps.A: Flores,
B:Moños, C: Moras, G: Galletas.Eje X Concentración de nanopartículas en mg/ml, Eje Y lectura de
absorbancia a 600nm.
88
Fig 64. Gráficas de comparaciòn de % de Inhibición de crecimiento bacteriano para cada preparación de
Nps.A: Flores, B:Moños, C: Moras, D: Galletas.Eje X Concentración de nanopartículas en mg/ml, Eje Y
% de Inhibición, Eje X, las diferentes concentraciones de NPs.
89
pág. 11
Lista de tablas
Tabla 1.Análisis XPS del binding energy para C 1s de las diferentes nanopartículas de ZnO y ZnO/Ag (a)
nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción
en microemulsión O/W, y el método de Tollens modificado
80
Tabla 2.Análisis XPS del binding energy de las morfologías de nanopartículas de ZnO y ZnO/Ag (a)
nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción
en microemulsión aceite-en-agua (O/W), y el método de Tollens modificado para la plata para Zn 2p
3/2 y 2p 1/2
81
Tabla 3.Análisis XPS del binding energy de las morfologías de nanopartículas de ZnO y ZnO/Ag (a)
nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción
en microemulsión aceite-en-agua (O/W) y el método de Tollens modificado para la plata para O 1 s.
84
Tabla 4.Análisis XPS del binding energy correspondientes al Ag 3d 5/2 y Ag 3d 1/2 para los distintos
materiales de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas
por el método de reacción en microemulsión aceite-en-agua (O/W), y el método de Tollens
modificado.
85
pág. 12
1. INTRODUCCIÓN
La nanotecnología es un tema de actualidad que involucra a varias ramas de la
ciencia, por lo que se hace difícil definirla. Sin embargo, podría decirse que es el
diseño, fabricación y aplicación de nanoestructuras o nanomateriales, y el
conocimiento de la relación entre las propiedades o fenómenos físicos y las
dimensiones del material
[1]
. Un esquema que relaciona las características,
propiedades y aplicaciones de los nanomateriales se muestra en la figura 1.
Fig 1.Características de los nanomaterials
La búsqueda de nuevos materiales funcionales nanoestructurados, se ha centrado
en la manipulación a escala nanométrica, lo que conduce a la mejora de las
propiedades en la macroescala [2].
pág. 13
Los nanomateriales son una nueva clase de materiales (sean cerámicos, metales,
semiconductores, polímeros, o bien, una combinación de estos) en los cuales por lo
menos una de sus dimensiones se encuentra entre 1 y 100 nm; representan una
transición entre moléculas o átomos, y un material con dimensiones de sólido
volumétrico (material en bulto). Debido a su tamaño reducido a unos cuantos
nanómetros, sus propiedades fisicoquímicas difieren de las del mismo material en
bulto, así como de las moléculas y los átomos [3]. Conceptualmente, se consideran
dos vías de trabajo. La primera consiste en la miniaturización de los microsistemas,
denominado enfoque de arriba abajo o top-down. La segunda, en imitar a la
naturaleza mediante el desarrollo de estructuras a partir de los niveles atómico y
molecular, denominado enfoque de abajo arriba o bottom-up [4].
Fig 2. Enfoque multidisciplinario de la nanotecnología y fabricación "abajo hacia arriba" and "arriba
hacia abajo"
La ruta de síntesis de los nanomateriales juega un papel crucial en la preparación
de productos específicos, y es determinante en las propiedades que se desean
obtener [5]. Los métodos de síntesis incluyen coprecipitación a partir de soluciones,
pág. 14
condensación de gases (aerosoles), plasma, combustión, pirolisis en spray,
“sputtering”, expansión de fluidos supercríticos, evaporación láser, polimerización,
molienda mecánica, litografía, ensamblado molecular, cavitación hidrodinámica, solgel, solvotérmico, hidrotérmico y otros procesos.[6] Otro método alternativo es el
método de reacción en microemulsión, el cual es un método de química suave que
utiliza un tipo de sistema coloidal el cual es un líquido nanoestructurado como medio
confinado de reacción.
El presente estudio, se enfoca en investigar las propiedades antibacterianas de
nanomateriales de ZnO y ZnO/Ag sintetizados por el método de reacción en
microemulsión, que por ser una técnica suave no requiere condiciones de presión o
temperaturas altas, las reacciones son llevadas a cabo a temperaturas cercanas a
la del medio ambiente, por lo que su costo es bajo al no requerir de equipos
especiales. Además, este método permite la síntesis de una gran cantidad de
materiales nanoestructurados, es posible obtener nanopartículas con buena
cristalinidad, una gran área superficial, buen control del tamaño de la partícula y de
composición. El método tradicional de microemulsión se basa en los sistemas aguaen-aceite (w/o) y puede ser usado para sintetizar nanopartículas inorgánicas, de
óxidos metálicos, puntos cuánticos, nanoestructura tipo núcleo-coraza, etc.
Una
microemulsión
es
una
solución
coloidal
transparente,
isotrópica
y
termodinámicamente estable de dos líquidos inmiscibles, estabilizados por una
monocapa de surfactante con propiedades hidrofílicas-lipofílicas balanceadas [7]
Frecuentemente el agua es el componente polar, aunque pueden formularse
microemulsiones con líquidos polares no acuosos [8]. El agua puede eventualmente
contener sales disueltas. El otro líquido es de carácter apolar y es generalmente
llamado "aceite", frecuentemente se trata de hidrocarburos, aunque también pueden
ser ésteres y otros solventes no polares. Las microemulsiones se forman
espontáneamente, una vez que las condiciones de composición y temperatura son
adecuadas.
pág. 15
Debido al pequeño tamaño de las microemulsiones, éstas son transparentes o
translúcidas. En ocasiones pueden presentar estructuras análogas a fases
esmécticas deformadas [9].
La microemulsión se puede definir también como un sistema de dos líquidos
inmiscibles (por ejemplo, agua y aceite) y por lo menos un compuesto anfifílico que
se presenta como una solución líquida simple, ópticamente isotrópica, transparente
y termodinámicamente estable (Figura 3). [10]
Fig 3. Representación de una gota de microemulsión O/W (con cosurfactante).
La mezcla de fase oleosa, agua y surfactantes es capaz de formar una amplia
variedad de estructuras y fases. Además de las microemulsiones, exámenes
estructurales pueden revelar la existencia de emulsiones regulares, fases
hexagonales
cristalinas
anisotrópicas
o
cúbicas
y
estructuras
lamelares
dependiendo de la relación de los componentes y de la temperatura.
La mayoría de estas diferentes fases y estructuras son fácilmente reconocibles por
simple inspección visual de las composiciones debido a su apariencia física, por
pág. 16
ejemplo, las emulsiones no son transparentes y las fases se separan luego de un
tiempo, las estructuras hexagonales y las fases cúbicas son altamente viscosas; las
estructuras laminares y hexagonales pueden ser reveladas por inspección con luz
polarizada, manifestándose como birrefringencia debido a fases de cristal líquido
anisotrópico, y por lo tanto ser diferenciadas de las microemulsiones verdaderas.
En la práctica, la diferencia clave entre emulsiones y microemulsiones, es que las
primeras son fundamentalmente inestables desde el punto de vista termodinámico
y eventualmente sufrirán separación de fases. Además, existen diferencias en sus
métodos de preparación, debido a que las emulsiones requieren un gran aporte de
energía mientras que las microemulsiones no. El último punto tiene obvias
implicaciones cuando se considera el costo relativo de producción comercial de los
dos tipos de sistemas. [11]
Las microemulsiones pueden existir como una fase de aceite dispersa en agua
(microemulsión aceite-en-agua o O/W), o como una fase de agua dispersa en aceite
(microemulsión agua-en-aceite o W/O), dependiendo del balance hidrofílicolipofílico (HLB) del surfactante y de la relación de aceite - agua. A composiciones y
balance HLB intermedios, pueden existir estructuras bicontinuas con estructura tipo
esponja en las cuales ambas fases se presentan como canales continuos separados
entre sí por una monocapa de surfactante, ver Fig 4. Cuando las condiciones de
componentes, HLB y temperatura son adecuadas se forman microemulsiones con
una fase en forma de dominios discretos (O/W o W/O) con una estrecha distribución
de tamaños de gota, en el orden de 2-50nm.
pág. 17
Fig 4.Tipos de estructuras de las microemulsiones: a) aceite en agua (O/W), b) agua en aceite (W/O) y
c) bicontínuas
Cabe mencionar que las microemulsiones son sistemas dinámicos donde ocurren
colisiones entre las gotas constantemente debido al movimiento Browniano típico
de los sistemas coloidales. La capa de surfactante puede romperse debido a la
fuerza con que suceden estos choques, provocando la formación de dímeros
transitorios que permiten el intercambio del interior de las gotas. Este intercambio
del interior de las gotas ocurre en el orden de mili a microsegundos.
La estrategia para la síntesis por reacción en microemulsión W/O (método
convencional) fue reportada por primera vez en 1982 por Boutonnet y
colaboradores,
[12]
y consiste en la mezcla de dos microemulsiones, una que
contenga el precursor y otra con el agente precipitante en la fase interna acuosa. Al
mezclarlas, los reactivos entran en contacto por las colisiones y coalescencia de las
gotas; por tanto, la reacción sucede de manera confinada y el producto se obtiene
como nanopartículas. Así, las gotas en las microemulsiones pueden ser concebidas
como nanoreactores, donde sucede la reacción de manera confinada, por lo que los
tamaños de las nanopartículas pueden ser controladas en función del tamaño de la
gota, además que la morfología de la misma puede generar diferentes formas de
pág. 18
las nanopartículas y en ocasiones estructuras jerárquicas de partículas
autoensambladas.
Por otro lado existe un nuevo método desarrollado hace unos años por el grupo de
trabajo: la síntesis por microemulsión aceite-en-agua (O/W), el cual consiste en
disolver un precursor metalo-orgánico en gotas de aceite de orden nanométrico,
estabilizadas por un tensoactivo, y dispersas en una fase continua acuosa.[13] La
principal ventaja del método de reacción en microemulsión aceite-en-agua (O/W) es
el uso de agua como fase continua, lo que lo hace más amigable con el medio
ambiente y más barato en comparación con el método de microemulsión agua-enaceite puesto que usa menor cantidad de solventes orgánicos. Otra ventaja de este
novedoso método es el uso de una sola microemulsión ya que la mayoría de los
agentes precipitantes son solubles en agua, lo que hace posible que a la
microemulsión con el precursor se le añada el agente precipitante directamente o
en solución acuosa sin alterar la estabilidad o el tamaño de gota, en contraste con
el método convencional que por lo general requiere de una microemulsión para el
precursor y otra para el agente precipitante [14]
Fig 5.Síntesis de nanopartículas en microemulsiones de agua-en-aceite.
pág. 19
Fig 6.Síntesis de nanopartículas en microemulsiones de aceite-en-agua.
En cuanto a las aplicaciones específicas
para las nanopartículas metálicas
estudiadas en este trabajo, se puede mencionar que las de plata ya sea soportadas
en óxidos metálicos o cerámicos, o sin soporte, son materiales con propiedades
funcionales únicas, las cuales conducen a aplicaciones variadas en las áreas de
catálisis, fotocatálisis, fotónica de plasmones, dispersión Raman amplificada en
superficie (SERS) para biosensores, medicina y biología.[15] Estudios recientes han
mostrado que las nanopartículas de plata son altamente efectivas como agentes
antibacteriales.[16]
Por lo que se refiere a las nanopartículas (NP) de Óxido de Zinc (ZnO) son cada vez
más reconocidas por su utilidad en aplicaciones biológicas como la nanomedicina y
la seguridad alimentaria. Se están realizando experimentos asertivos contra las
bacterias Gram-negativas (Escherichia coli), así como bacterias Gram-positivas
(Staphylococcus aureus), y el efecto es más pronunciado con las Gram-positivas
que con las Gram-negativas. [17] Las NPs de ZnO también exhiben una capacidad
preferencial para suprimir el crecimiento de E.coli y S. aureus en la leche. El estudio
sugiere que la aplicación de NP de ZnO como agentes antibacterianos en los
sistemas de alimentación y la medicina puede ser eficaz en la inhibición de ciertos
patógenos.
pág. 20
2. ANTECEDENTES
2.1 Nanotecnología y nanomateriales.
La nanotecnología se refiere a la investigación y desarrollo de tecnología que lleva
a la manipulación controlada y el estudio de estructuras y dispositivos con al menos
una longitud en el rango de 1 a 100 nanómetros. Los objetos en esta escala, como
las nanopartículas, presentan propiedades y funciones nuevas que difieren de
aquellas observadas en una mayor escala. El tamaño pequeño, la solubilidad
mejorada y la multifuncionalidad de las nanopartículas abren nuevas líneas de
investigación para diferentes áreas. [18]
Debido al cambio de escala, los nanomateriales presentan nuevas funciones y
propiedades, tal como modificaciones en su luminiscencia, su conductividad o su
actividad catalítica. El aumento en la relación área-volumen de estas estructuras
puede convertir un compuesto inerte en escala micro en un compuesto
catalíticamente activo en escala nano. McNeil hace énfasis en que los dispositivos
y componentes que se encuentran en la nanoescala son del mismo tamaño que las
entidades biológicas, como proteínas (enzimas o receptores) y moléculas de ácidos
nucléicos, por lo que podrían interactuar con biomoléculas en formas en las que no
se modifiquen su comportamiento ni sus propiedades bioquímicas. [18]
2.2 Nanopartículas de ZnO
El óxido de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula ZnO, se encuentra en
la naturaleza en el mineral llamado zincita y ha llamado mucha atención debido a
su bajo costo y a que se puede obtener con técnicas sencillas [19]. El ZnO es un
semiconductor de banda prohibida ancha del grupo de semiconductores II-VI. El
dopaje nativo del semiconductor es de tipo n. Este semiconductor tiene varias
propiedades favorables, incluyendo una buena transparencia, alta movilidad de
pág. 21
electrones, amplia banda prohibida (alrededor de 3.37 eV), fuerte luminiscencia a
temperatura ambiente y conductividad eléctrica controlada. Cuando se dopa con
metales de transición exhibe el fenómeno ferromagnético a temperatura ambiente,
y por ello ha atraído mucho interés debido a sus potenciales aplicaciones en
espintrónica [20].
El ZnO es insoluble en agua y etanol, pero es soluble en ácidos minerales diluidos
y es un polvo fino, blanco o ligeramente amarillento. En alta pureza, se recomienda
para usos en las industrias farmacéuticas, de la alimentación y de la cosmética [21]
Muchos estudios han demostrado que algunas NPs hechas de óxidos de metales,
tales como las nanopartículas de ZnO, tienen una toxicidad selectiva para las
bacterias y sólo exhiben un efecto mínimo sobre las células humanas, por lo que se
recomiendan sus usos potenciales en las industrias agrícolas y de alimentos [22].
La actividad antimicrobiana de nanopartículas de óxido de zinc ha sido estudiados
frente a los alimentos relacionados con las bacteria Bacillus subtilis, Escherichia coli
y Pseudomonas fluorescens
[23]
. Las NPs de ZnO potencialmente podrían ser
utilizadas como un agente antibacteriano efectivo para proteger la seguridad
agrícola y alimentaria de patógenos transmitidos por los alimentos, especialmente
de E. coli O157: H7 [24].
Las NPs de ZnO poseen actividad antimicrobiana contra Listeria monocytogenes,
Salmonella enteritidis y E. coli O157: H7 en medios de cultivo [25].
También hay otros estudios que confirman la fuerte actividad antimicrobiana de las
nanopartículas de ZnO donde las nanopartículas podían lisar completamente la
typhimurium transmitida por las bacterias Salmonella y Staphylococcus aureus en
los alimentos [26]. En otro estudio, las nanopartículas de ZnO (12 nm) inhibieron el
crecimiento de E. Coli por desintegración de la membrana celular y el aumento de
la permeabilidad de la membrana [27].
Existen varios mecanismos que se han propuesto para explicar la actividad
antibacteriana de nanopartículas de ZnO. La generación de peróxido de hidrógeno
pág. 22
en la superficie de ZnO se considera como un medio eficaz para la inhibición de
crecimiento bacteriano [28].
Se supone que, con la disminución de tamaño de partícula, el número de partículas
de polvo de ZnO por unidad de volumen de suspensión espesa de polvo aumenta,
resultando en una mayor área superficial y el aumento de la generación de peróxido
de hidrógeno. Otro posible mecanismo para la actividad antibacteriana del ZnO es
la liberación de iones Zn+2 que pueden dañar la membrana celular e interactuar con
el contenido intracelular [29].
Las nanopartículas de ZnO se pueden preparar de diferentes maneras en solución
acuosa: métodos hidrotermales [30-31], coprecipitación y microemulsión son algunos
de los métodos que han sido reportados. Dependiendo de las condiciones
experimentales, estos métodos químicos de vía húmeda simples resultan en
nanopartículas de ZnO de todo tipo de morfologías desde la esférica a la forma de
varilla, elipsoidal, etc. [32,33,34]. Aparte del tamaño, otras cuestiones importantes son
la distribución del tamaño de partícula y el grado de aglomeración. Partículas
monodispersas se requieren en la mayoría de las aplicaciones, mientras que un
requisito previo para utilizar nanopartículas es que puedan ser desaglomeradas en
mayor medida y se mantengan estables en suspensión coloidal. En este trabajo se
usará el método de reacción en microemulsión.
En el 2011 Deepa Sarkar y colaboradores [35] sintetizaron nanopartículas de ZnO
por el método de microemulsiones agua-en-aceite (W/O), utilizando nitrato de zinc
como precursor, hexano como fase oleosa y Triton X-100 como surfactante (no
iónico). Encontraron que en función del tipo de agente precipitante (NaOH o NH4OH)
y la concentración de precursor se puede controlar la morfología y el tamaño de
partícula, el cual también fue influenciado por R (donde R=[moles de agua]/[moles
de surfactante]). El uso de una base débil favorece la monodispersidad y forma
esférica. La reacción con una base fuerte resulta en la formación de nanobarras a
baja concentración del precursor y Nps facetadas (polihédricas) a alta concentración
de precursor. Las Nps obtenidas tienen una estructura cristalina tipo wurtzita y
pág. 23
presentan un espectro de fotoluminiscencia donde se observaron tres bandas de
emisión, una entre 383-389 nm, otra en 426 nm y una más en 488 nm.
En el 2010 Caner Durcan y colaboradores [36], mediante el uso de microemulsiones
w/o con AOT como surfactante, glicerol como fase polar y heptano como fase no
polar realizó la síntesis de nanopartículas de ZnO a una temperatura entre 60-70°C,
usando como precursor acetato de zinc dihidratado y NaOH como agente
precipitante. Las muestras se sometieron a un recocido térmico final (300, 400 o
500°C), obteniendo NPs de 15 y 24 nm para una temperatura de 300 y 500°C,
respectivamente. Por lo que el efecto de la calcinación provoca un incremento en el
tamaño de partícula. Por otro lado, obtuvieron un tamaño de NP estrecho con
morfología esférica, la cual puede ser modificada según la cantidad de surfactante.
2.3 Nanopartículas de Ag
Durante siglos, la gente ha utilizado la plata por sus cualidades antibacterianas. Por
ejemplo, los antiguos griegos cocinaban en ollas de plata y comían con cucharas de
plata. En general, la fabricación de objetos de plata o el recubrimiento de las mismas
en plata puede ser costosa. Sin embargo, los científicos han desarrollado métodos
para impregnar otros materiales con nanopartículas de plata para dar a una cosa
hecha de cualquier material una propiedad antimicrobiana.
Las nanopartículas de plata se han estudiado como un medio para la entrega de
antibiótico, y para sintetizar compuestos para su uso como filtros desinfectantes y
materiales de revestimiento. [37]
Varios mecanismos se han propuesto para explicar el efecto inhibidor de las
nanopartículas de plata en bacterias. Se asume que la alta afinidad de la plata hacia
el azufre y el fósforo es el elemento clave del efecto antimicrobiano [38].
Debido a la abundancia de azufre que contienen las proteínas en la membrana
celular de la bacteria, las nanopartículas de plata pueden reaccionar con los
pág. 24
aminoácidos que contienen azufre dentro o fuera de la membrana celular, que a su
vez afectan la viabilidad de la célula bacteriana [34]. También se sugirió que los iones
de plata (particularmente Ag+) liberados de las nanopartículas de plata pueden
interactuar con los restos de fósforo en el ADN, lo que resulta en la inactivación de
la replicación del ADN, o pueden reaccionar con las proteínas que contienen azufre,
lo que conduce a la inhibición de la función enzimática.
[39, 40]
En general se entiende
que las nanopartículas de Ag de típicamente menos de 20 nm de diámetro quedan
atadas al azufre que contienen las proteínas de las membranas celulares
bacterianas que conducen a una mayor permeabilidad de la membrana, provocando
la muerte de las bacterias [41].
El efecto dependiente de la dosis de nanopartículas de plata (en el rango de tamaño
de 10-15 nm) en los microorganismos Gram-negativos y Gram-positivos ha sido
estudiado [42]. Se ha reportado que a niveles micromolares los iones Ag+ desacoplan
el transporte de electrones en la fosforilación oxidativa de la respiración, inhibiendo
la cadena respiratoria de las enzimas, e interfiriendo con la permeabilidad de la
membrana a los protones y fosfato
[43,44]
. Además, concentraciones más altas de
iones Ag+ interactúan con los componentes citoplasmáticos y ácidos nucleicos [45,46].
El efecto de las nanopartículas de plata sobre la morfología celular de las bacterias
Escherichia coli y Staphylococcus aureus se ha estudiado mediante TEM, SEM, y
microanálisis de rayos X [27]. Se puso de manifiesto que el tratamiento con iones
plata resultó en cambios morfológicos similares en ambas bacterias Gram positivas
y Gram negativas. La actividad inhibidora de los iones de plata es mayor en el caso
de las bacterias Gram negativas. Esto podría ser debido al espesor de la capa de
peptidoglicano en la pared celular de las bacterias Gram-positivas, que puede evitar
en cierta medida, la acción de los iones de plata. La formación de gránulos densos
que contienen iones plata y iones de azufre en el citoplasma de la célula bacteriana
sugiere que el posible mecanismo de acción de las nanopartículas de plata puede
ser debido a la interacción de los iones de plata con los ácidos nucleicos y el
deterioro de la replicación del ADN que resulta en pérdida de la viabilidad celular y,
finalmente resulta en la muerte celular.
pág. 25
Las investigaciones dirigidas a la búsqueda de otras alternativas para el tratamiento
de las infecciones causadas por bacterias y virus resistentes se incrementan cada
día. Dentro de la gama de materiales cuya actividad bactericida se está
investigando, las nanopartículas de plata surgen como un prometedor agente
antibacteriano que podría ser utilizado para enfrentarnos a esta y otras bacterias
resistentes a los antibióticos.
En diversos estudios se han observado las
propiedades antimicrobianas de las nanopartículas de plata tanto en virus como en
bacterias. Se ha determinado que las nanopartículas de plata tienen efecto en
bacterias Gram negativas como Escherichia coli, Vibrio cholera, y Pseudomonas
aeruginosa
[49]
[47]
y, Gram positivas como Bacillus subtilis
y Enterococcus faecalis
[48],
Staphylococcus aureus
[50].
A pesar de todos los hallazgos no se ha podido establecer hasta el momento el
mecanismo de acción por el cual estos nanomateriales llevan a cabo su efecto
antibacteriano. Sin embargo los resultados obtenidos gracias al empleo de la
proteómica por Lok et al., los cuales mostraron un claro efecto de las nanopartículas
de plata sobre la expresión proteínas de la membrana interna de E. coli sugiriendo
que un posible sitio de acción de estos compuestos es la membrana celular [51]. Las
nanopartículas derivadas de este metal presentan nuevas funciones y propiedades,
tal como modificaciones en su luminiscencia, su conductividad o su actividad
catalítica. Sus novedosas aplicaciones incluyen gasas antimicrobianas para las
quemaduras [52], filtros para el agua [53], entre otros.
En el 2003 Yie Xie y colaboradores [54] sintetizaron NP de Ag mediante reacción en
ME W/O, utilizando una mezcla de surfactantes: SDS y bromuro de
cetiltrimetilamonio (CTAB). Usaron ácido ascórbico como agente reductor,
encontrando que según la concentración es posible obtener diferentes morfologías.
A mayor concentración de ácido ascórbico se favorece la reducción de AgNO3 y la
velocidad de reacción es más rápida que a bajas concentraciones, obteniendo un
sistema fuera del equilibrio que favorece la formación de dendritas. A menor
concentración obtuvieron nanocables (25 nm de diámetro y de largo en el rango de
μm) debido a que se detiene el crecimiento en el eje preferencial.
pág. 26
En el 2006 Xueliang Qiao y colaboradores [55] obtuvieron NP de Ag mediante el
método de ME W/O, el surfactante utilizado fue bis (2-etilhexil) sulfosuccinato de
sodio (AOT) y como fase oleosa el dodecano. Como precursor usaron AgNO3 e
hidrato de hidrazina como agente reductor. Obtuvieron Nps de Ag esféricas de 2 a
5 nm con buena estabilidad puesto que las moléculas de AOT sobre la superficie de
las Nps Ag proveen estabilidad electroestérica. Estudiaron el efecto de R (donde
R=[moles de agua]/[moles de surfactante]) y la concentración de precursor,
encontrando que el tamaño de partícula disminuye al incrementar la concentración
de AgNO3 hasta una cantidad óptima, después de ésta el tamaño de partícula
aumenta. A partir del TEM confirmaron la formación de agregados de Ag, lo cual
puede deberse a impurezas en el AOT o al poder reductor del mismo AOT. Un valor
bajo de R favorece la síntesis de Nps con una distribución de tamaños estrecha. Sin
embargo, al incrementar el valor de R el tamaño de partícula aumentó y la
distribución de tamaños se hizo menos estrecha. Corroborando que a tamaños
mayores de gota se obtienen partículas de mayor tamaño.
2.4 Nanomaterial híbrido ZnO/Ag
Por otro lado W. Lu et al
[56]
, han informado de la preparación de ZnO / Ag híbrido
mediante un método hidrotérmico y han estudiado la actividad antibacteriana contra
E. coli y S. aureus. Koga et al
[57]
, han sintetizado ZnO / Ag mediante intercambio
iónico entre las especies Ag y Zn y ZnO mediada por foto-reducción simultánea y
han probado la actividad antibacteriana para uso repetido contra la bacteria E. coli.
Li et al
[58]
, han fabricado películas de mezcla de quitosano / Ag / ZnO (CS / Ag /
ZnO) por transformación sol-casting y han reportado los estudios antibacteriales.
Otros han sintetizado nanoestructuras de ZnO / Ag por otras vías y se han estudiado
diferentes propiedades. Por ejemplo, Xiang et al [59], ha preparado nanoestructuras
de ZnO / Ag mediante un método fotoquímico y ha estudiado sus propiedades como
detector de gas. Zheng et al [60], ha sintetizado ZnO / Ag por un método hidrotérmico
para el estudio de la actividad fotocatalítica del material.
pág. 27
En el 2012 Jianzhong Chen y colaboradores
[61]
estudiaron el nanomaterial híbrido
ZnO/Ag, sintetizando primero el ZnO por química húmeda y posteriormente la Ag
por el método de fotoreducción. El ZnO presentó morfología de flores formada por
una especie de conos, mientras que la Ag fue esférica. Con el fin de apreciar la
distribución de Ag sobre el ZnO y si su morfología se veía afectada, los autores
hicieron un estudio por FE-SEM y TEM. Las partículas de ZnO presentaron un
tamaño en el orden de micras y la Ag varió desde 200 nm hasta valores por encima
de 1 micrómetro. Comparando el ZnO puro y el ZnO/Ag se observa que la
morfología no fue afectada de manera significativa, además que la Ag se encuentra
dispersa uniformemente. Mediante TEM es posible diferenciar un material del otro
al conocer las distancias interplanares las cuales pueden ser correlacionadas con
uno de los planos del material correspondiente.
En 2013 Zhenjiang Li y colaboradores
[62]
sintetizaron un nanomaterial híbrido
ZnO/Ag (7.5% mol Ag) por el método de precipitación en fase líquida. Encontraron
que no existe desplazamiento en el espectro XRD del ZnO debido a la incorporación
de Ag. Por otro lado, observaron mediante TEM que hay una interfase clara entre el
ZnO y Ag, mostrando buena adherencia de la Ag sobre la superficie del ZnO. Los
autores piensan que los núcleos individuales de ZnO y Ag pueden proveer sitios
favorables para el otro durante el proceso de síntesis. Además, investigaron la
estabilidad de dispersiones del nanomaterial híbrido en isopropanol, usando ácido
esteárico, polivinilpirrolidona K17 (PVP de peso molecular entre 7000-11000) y
polivinilpirrolidona K30 (PVP de peso molecular entre 44000-54000). Encontraron
que el PVP tanto K17 como K30 son mejores dispersantes que el ácido esteárico
en isopropanol (partículas cuasi-esféricas de 27.5 nm), puesto que el PVP puede
adherirse a la superficie del nanomaterial al formar un enlace con el carbonilo,
resultando así en una dispersión más estable por el efecto estérico. Sin embargo,
al aumentar el porcentaje de PVP de 10 a 30, la estabilidad disminuye, pues se cree
que llega a un punto de saturación y la molécula de PVP podría formar otro enlace
con otra partícula de tal modo que dé lugar a la coagulación.
pág. 28
En 2013 A. Stephen y colaboradores
[63]
estudiaron el sistema ZnO/Ag variando la
relación de Ag: 1, 3, 5, 10, 20, 30, 40 y 50. Estudiaron el efecto de la Ag en la
cristalinidad del ZnO; mediante DRX obtuvieron reflexiones que corresponden a una
estructura hexagonal wurtzita para el ZnO y cúbica para Ag. La intensidad de las
reflexiones de Ag fue en aumento a medida que la cantidad de la misma incrementó.
Se observó una desviación significativa en los parámetros de red del ZnO/Ag con
respecto a lo observado en el ZnO y Ag, sugiriendo un acoplamiento intragranular
entre el ZnO y la Ag, lo que provee un contacto más estrecho entre ambas fases.
Por otro lado, fue posible apreciar que aún en cantidades pequeñas de Ag hubo un
corrimiento a ángulos menores en las reflexiones del ZnO. Los autores no discuten
este hecho, aunque discuten acerca de la cercanía de las fases. Este corrimiento
en la reflexión podría indicar la entrada de Ag en la red del ZnO, tal como se ha
reportado anteriormente [64].
Se han estudiado las propiedades antibacteriales en E. Coli
[65]
, donde se ha
observado que las propiedades antibacteriales mejoran bajo luz UV debido a la
mejor eficiencia para generar especies reactivas en fotocatálisis
[65,66]
, efecto
observado para muestras con 5% en mol de Ag en adelante (hasta 10%). Este
mismo estudio se realizó en condiciones de oscuridad donde no se encontró una
mejora significativa en la propiedad antibacterial. Además que un área superficial
grande también puede mejorar el efecto antibacterial
[66]
inclusive con porcentajes
en mol pequeños (0.1%). De tal modo que la síntesis de ZnO/Ag puede mejorar
propiedades
como
las
eléctricas,
fotocatalíticas,
antibacteriales
y
de
fotoluminiscencia. Por otro lado, existen estudios que han reportado una
disminución de tamaño en el ZnO por la inclusión de Ag [66,67] y la morfología [68]. De
tal modo que la Ag puede modificar la morfología y tamaño de partícula, debido a
que esta es capaz de segregar sobre los límites de grano del ZnO limitando así el
crecimiento de los cristales. Para encontrar el porcentaje molar óptimo de Ag, es
necesario experimentar con diferentes cantidades pues se ha encontrado que las
propiedades finales están fuertemente ligadas a dicho porcentaje. Un porcentaje
pág. 29
molar optimo permitiría mejorar las propiedades antibacteriales, fluorescencia o
eléctricas del ZnO antes mencionadas, además en las propiedades fotocatalíticas
se han encontrado porcentajes óptimos de 3% [69] y 5% [70].
Uno de los métodos para estudiar las propiedades antibacteriales de las
nanopartículas de ZnO, y ZnO/Ag es el descrito en el artículo “Actividades
antibacteriales y fotocataliticas mejoradas de nanopartículas de ZnO y Ag-ZnO
sintetizadas por sol-gel” por C. Karunakaran, V. Rajeswari y P. Gomathisankar y
cuyos resultados se encuentran, en el diagrama de la Fig 7 que se anexa a
continuación [71].
Fig 7.Perfiles de tiempo de la desinfección de E. Coli por Ag –ZnO y ZnO
En la Figura 7. se muestran los perfiles de tiempo de la desinfección de E. coli por
Ag-ZnO y ZnO preparadas por sol-gel en suspensión acuosa en ausencia de
iluminación directa. También se muestra como referencia el perfil de tiempo de la
inactivación de E. coli por nanopartículas comerciales de ZnO (Sigma Aldrich) bajo
condiciones idénticas [71].
En ausencia de los óxidos la población de E. coli no se ve afectada durante el
período experimental que muestra la actividad bactericida de los óxidos.
pág. 30
La actividad antibacteriana del ZnO sintetizado por sol-gel es mayor que las
nanopartículas comerciales de ZnO (Sigma Aldrich). Además, el dopaje con Ag por
el método sol-gel aumenta la actividad bactericida del ZnO. Aquí también, la gran
área superficial del Ag-ZnO, puede contribuir a la mejora.
pág. 31
3. JUSTIFICACIÓN
Las investigaciones realizadas actualmente en el campo de las nanociencias y la
nanotecnología enfocadas al tratamiento de enfermedades infecciosas, exigen
urgentemente descubrir estrategias e identificar nuevos agentes antimicrobianos
derivados de sustancias naturales e inorgánicas para desarrollar fármacos o
agentes para el control de infecciones.
Las enfermedades infecciosas emergentes y el desarrollo de resistencia a los
fármacos en las bacterias a un ritmo alarmante, es motivo de grave preocupación.
A pesar del creciente conocimiento de la patogénesis microbiana y la aplicación de
las terapias modernas, la morbilidad y la mortalidad asociadas con las infecciones
microbianas aún sigue siendo alta. Por lo tanto, existe una demanda urgente de
descubrir nuevas estrategias e identificar nuevos agentes antimicrobianos
derivados de sustancias naturales e inorgánicas para desarrollar la siguiente
generación de fármacos o agentes que controlen infecciones producidas por estos
microorganismos.
El uso inadecuado de antibióticos es la razón principal para que los
microorganismos desarrollen métodos para aumentar su resistencia a los agentes
microbianos. Los científicos están desarrollando nuevos antibióticos para combatir
las infecciones. Las bacterias se reproducen rápidamente y el número de bacterias
resistentes aumenta exponencialmente. La nanotecnología está contribuyendo al
avance de la medicina y la ingeniería.
Las nanopartículas, debido a la disminución de sus dimensiones hasta un nivel
nanométrico, experimentan cambios en sus propiedades físico-químicas, ópticas,
eléctricas, térmicas, mecánicas, magnéticas y biológicas, y pueden ser moduladas
adecuadamente para aplicaciones deseadas. Por su naturaleza, los procesos
biológicos ocurren también a nanoescala por lo que las nanopartículas han
encontrado aplicaciones muy importantes en el campo de la medicina.
pág. 32
El óxido de zinc (ZnO) es un material que ha adquirido gran atención por sus
propiedades ya que es un material semiconductor con un ancho de banda directa
en bulto de 3.2eV y una alta energía de excitación de 60 meV
[72].
Algunos de los
métodos de síntesis utilizados para la obtención de nanoparticulas de ZnO son solgel
[73]
, crecimiento por deposición química en fase vapor (CVD)
microemulsión inversa
[75]
, vía electroquímica
[76]
e hidrotermal
[77]
[74]
, por
.
Debido al interés en el ZnO por sus aplicaciones se ha buscado el mejoramiento de
sus propiedades, una opción es la fabricación de nanomateriales híbridos de
ZnO/Ag, ya que la plata ha demostrado el mejoramiento de sus propiedades
antibacteriales [78]. Las características del ZnO/Ag dependen fuertemente tanto del
tamaño como de la morfología, así como de la distribución de sus componentes, por
lo que es muy importante el diseño de métodos de síntesis que permitan un buen
control sobre estas características. El uso de métodos suaves como son el método
de reacción en microemulsión y el método Tollens modificado, representa una
alternativa eficaz y sencilla para la obtención de nanomateriales con morfologías y
tamaños controlados.
pág. 33
4. HIPÓTESIS
La síntesis de un nanomaterial híbrido de ZnO/Ag por el método de reacción en
microemulsión aceite-en-agua combinado con el método de Tollens modificado,
permitirá un control sobre las características del material, modificando sus
propiedades antimicrobianas, las cuales pueden ser moduladas en función de su
morfología, tamaño y adición de plata, lo cual puede ser controlado mediante
parámetros como las condiciones de reacción.
pág. 34
5. OBJETIVO GENERAL
Estudiar las propiedades antimicrobianas de los nanomateriales de ZnO y ZnO/Ag
sintetizados por el método de reacción en microemulsión O/W en combinación con
el método Tollens modificado.
5.1.- Objetivos específicos
•
Sintetizar nanoestructuras de ZnO y nanoestructuras híbridas de ZnO/Ag.
Se busca sintetizar el ZnO con diversos tamaños y morfologías mediante
la variación de condiciones de síntesis (diferentes agentes precipitantes).
Esta metodología se combina con el método de Tollens modificado para
la síntesis de NPs de Ag con las cuales se decora la superficie de las
nanoestructuras de ZnO.
•
Caracterizar los nanomateriales obtenidos: morfología y tamaño por
SEM/TEM, composición por EDS/XPS, estructura cristalina por XRD.
•
Estudiar las propiedades antimicrobianas de los nanomateriales
obtenidos.
pág. 35
6. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.
En un primer paso, las nanopartículas de ZnO se sintetizaron en una reacción en
microemulsión aceite-en-agua (O/W), en la cual se disuelve el precursor
metalorgánico de Zn y se añade un agente precipitante (base) para formar las Nps
de ZnO. Las nanopartículas se aislaron y purificaron mediante ciclos de lavado y
centrifugación.
En un segundo paso, las NPs de Ag se sintetizan por un método de Tollens
modificado, el cual es un método acuoso que utiliza un polisacárido como agente
estabilizador y reductor, luego se añaden las NPs de ZnO previamente sintetizadas
por microemulsión O/W. Las NPs de Ag que se encuentran en la dispersión acuosa
tendrán ahora un material de soporte que será el ZnO, se agitará la dispersión y
luego se precipitarán las NPs de Ag sobre las de ZnO mediante adiciones de
cosolventes.
Cabe mencionar que ya se contaba con los protocolos de síntesis en microemulsión
O/W para obtener ZnO con distintas formas: nanoflores, nanomoras, nanogalletas
y nanomoños, entre otras. Asimismo, se contaba con protocolos para la obtención
de nanopartículas de plata por el método Tollens modificado; por lo que en esta
tesis se combinan estas dos metodologías en una estrategia para la obtención del
material híbrido.
6.1 Materiales.
Agua desionizada, surfactante Synperonic 91/6, precursor 2-etilhexanoato de Zinc,
hexano, peróxido de hidrogeno, hidróxido de sodio, hidróxido de amonio, hidróxido
de tetrametilamonio (TMAH), Nitrato de plata, Amoniaco, Isopropanol Goma de
mezquite, Caldo Muller Hilton, Cepa Echerichia coli ATCC, Caldo Soya Tripticasa.
pág. 36
Todos los materiales e instrumentos usados durante este proyecto fueron facilitados
por CIMAV, la facultad de medicina de la U.A. de N.L. y apoyo económico de
CONACYT para la realización del mismo.
6.2 Síntesis de nanopartículas de ZnO por microemulsión O/W.
Las nanopartículas de óxido de Zinc se sintetizaron utilizando una composición de
14% fase oleosa (precursor Zn y hexano), 21.5% de Surfactante (Synperonic 91/6)
y 64.5% H2O Desionizada. Los porcentajes que se manejan son % p/p.
En el presente trabajo la síntesis de NPs de ZnO se llevó a cabo de la siguiente
manera:
1. Se preparó HCl 0.8M para evitar la hidrólisis del precursor de Zn,
agregando 3 ml de ácido clorhídrico concentrado a 42 ml. de agua DI
2. Para el Precusor de Zn en Hexano (solución al 2% de zinc), se pesaron:
a. 11.6 g de Zinc-2-etilhexanoato y
b. 72.4 g de Hexano
3. Al preparar la microemulsión se agregaron:
a. 129 g de Surfactante (Synperonic 91/6)
b. 40 g de HCl 0.8 M
c. 347 g de Agua DI
d. Se le agregó el total de la solución de precursor en hexano
preparada en el punto 2. Fig. 8
pág. 37
Fig 8.Preparación de microemulsión (muestra de 10g).
4. Baño maría
a. Se preparó baño maría a 30°C
b. Se añadió a la microemulsión NaOH 10 wt% poco a poco hasta
lograr un pH de 12 (al inicio la microemulsión tenía un pH de 5.5,
logrando un pH final de 12, agregando 38.7 g de NaOH 10 wt%).
En otros experimentos se utiizó NaOH + H2O2; TMAH; o NH4OH,
como agente precipitante en lugar de NaOH.
5. Se dejó en baño maría a 30 ºC y con agitación durante 24 hrs.
6. Para desestabilizar la microemulsión se añadió isopropanol en relación
1:1 con respecto al volumen total de la microemulsión provocando la
precipitación del ZnO. Ver fig. 9
Fig 9.Síntesis de nanopartículas de ZnO
7. Se lleva a cabo el lavado y purificación de los materiales, por medio de
sedimentación centrífuga, realizando 4 lavados con H2O desionizada
pág. 38
utilizando de 4,500 a 8,000 rpm, todas durante 10 min de centrifugado a
temperatura de 30°C, posteriormente 4 lavados con isopropanol a 7,000
rpm y finalmente 2 lavados diluyendo en aproximadamente 60 ml de
cloroformo, 2 lavados con isopropanol y posteriormente lavados con agua
DI, hasta lograr un PH neutro, dejando secar las NPs dentro de los tubos
a temperatura ambiente.
Fig 10.Proceso de lavado con Isopropanol y cloroformo, mediante sedimentación centrífuga
8. Los materiales fueron secados a 70 ºC por varias horas y molidos en
mortero de ágata. En el caso de las nanopartículas de ZnO2, éstas fueron
calcinadas utilizando una rampa de 5 °C/min hasta una temperatura de
300°C la cual se mantuvo por 2 horas, con el fin de obtener NPs de ZnO.
9. Variando las condiciones de las reacciones según el agente precipitante
utilizado, se obtienen diferentes morfologías de las nanopartículas.
6.3 Síntesis de nanopartículas de Ag por el método de Tollens modificado
Las NPs de Ag se sintetizaron utilizando las siguientes concentraciones, pesando:
1.- 0.01 g de AgNO3 en 4.99 g de H2O DI
2.- 0.125 g de NaOH 2 wt% (para prepararlo se diluye 1g de NaOH 10 wt% en 4 g
de H2O DI).
pág. 39
3.- 4 gotas de NH4OH al 6 wt% (para prepararlo se diluye 1ml de NH4OH
concentrado en 4 ml de H2O DI).
4.- 0.011 g de goma de mezquite en 0.5 g de H2O DI.
5.- Se vierte al AgNO3 toda la sosa (Figura 11, formación de hidróxido de plata) y se
le agrega poco a poco las gotas de hidróxido de amonio al 6% (figuras 12 y 13,
formación de complejo diamin plata), de igual manera se le agrega toda la solución
de goma de mezquite, se deja calentar en baño maría a 80°C, durante 30 minutos
(sin agitación), se observa que al inicio la solución está totalmente cristalina, pero al
primer minuto cambia a una tonalidad amarilla, a los 5 min restantes ya estaba de
color café. Fig.14
Fig 11.Formación de Hidróxido de plata AgOH
Fig 12.Añadiendo NH4OH al AgOH
pág. 40
Fig 13.Formación de complejo diamin plata
Fig 14.Calentamiento a 80°C para formar Np Ag
6.4 Síntesis del nanomaterial híbrido ZnO/Ag
Método de impregnación. El nanomaterial híbrido fue sintetizado a partir de la
dispersión coloidal de Ag que resulta del método de Tollens modificado. Fig. 15
pág. 41
Fig 15.Dispersión coloidal de Ag
Una vez finalizada la reacción y con las Nps de Ag en el medio acuoso de reacción
a temperatura ambiente, se añadió el nanomaterial de ZnO (0.15 g) sintetizado
previamente en microemulsión O/W (secas, en polvo) directamente a la dispersión
coloidal acuosa de NPs de Ag, y se mantuvo la agitación por aproximadamente 10
min (hasta que se deshicieran los grumos de ZnO). Fig. 16
Fig 16.Dispersión coloidal acuosa de Nps de Ag y ZnO
Finalmente se agregaron 17.5 mL de isopropanol para desestabilizar la dispersión
coloidal acuosa de NPs de Ag y se agitó por unos minutos. Lo anterior con el fin de
depositar las NPs de Ag sobre las nanoestructuras de ZnO, las cuales funcionan
como soporte para formar el nanomaterial híbrido. Fig. 17
pág. 42
Fig 17.Adicción de Isopropanol para desestabilizar dispersión.
Posteriormente se recuperó el material mediante centrifugación y lavados. Para los
lavados se utilizó una mezcla de agua:isopropanol 1:1 (30 ml), para dar un total de
4 lavados. Finalmente, el material se dejó secar a temperatura ambiente. Fig.18
Fig 18.Recuperación de material mediante lavados con isopropanol
6.5 Caracterización de las nanopartículas
Los nanomateriales de ZnO y ZnO/Ag se caracterizaron por difracción de rayos X
(DRX), microscopía electrónica de barrido, espectrometría de dispersión de energía
de rayos X (SEM-EDX), microscopia electrónica de transmisión (TEM) y
espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). Mediante la difracción de rayos
X se determina el tipo de estructura cristalina de los nanomateriales de ZnO y
ZnO/Ag. El SEM nos brindará información de la morfología y topografía; la
microscopia por TEM nos aportará información sobre la morfología, si existe
aglomeración o autoensamblado de las NPs, el tamaño de partícula y la
cristalinidad. Finalmente se realizará XPS propocionando información cualitativa y
pág. 43
semicuantitativa de la muestra para obtener información de la composición en la
superficie de los nanomateriales.
6.5.1 Técnicas de caracterización
6.5.1.1 Difracción de rayos X (DRX)
La difracción de rayos X es uno de los fenómenos físicos que se producen al
interaccionar un haz de rayos X, de una determinada longitud de onda, con una
sustancia cristalina. La difracción de rayos X se basa en la dispersión coherente del
haz de rayos X por parte de la materia (se mantiene la longitud de onda de la
radiación) y en la interferencia constructiva de las ondas que están en fase y que se
dispersan en determinadas direcciones del espacio.
El fenómeno de la difracción puede describirse con la Ley de Bragg, que predice la
dirección en la que se da interferencia constructiva entre haces de rayos X
dispersados coherentemente por un cristal.
El método de difracción de rayos X de polvo cristalino es el único método analítico
capaz de suministrar información cualitativa y cuantitativa sobre los compuestos
cristalinos presentes en un sólido, basándose en el hecho de que cada sustancia
cristalina presenta un patrón de difracción único. Así, puede compararse un
diagrama de una muestra desconocida y el de una muestra patrón, y determinar su
identidad y composición química [79]. Fig. 19
pág. 44
Fig 19.Difractómetro Empyrean, PANalyrical
6.5.1.2 Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Espectroscopía de
energía dispersiva (EDX)
La microscopía electrónica de barrido es una técnica que sirve para analizar la
morfología de materiales sólidos de todo tipo. Este equipo utiliza un haz de
electrones en lugar de un haz de luz para dar lugar a una imagen tridimensional
ampliada de la superficie del objeto a analizar; además de que permite la
observación y caracterización superficial de sólidos orgánicos e inorgánicos. La
espectroscopía de energía dispersiva proporciona información acerca de la
composición química de las partículas ya que cuando la muestra es irradiada con
un haz de electrones se generan rayos X que pueden ser detectados.
pág. 45
El espectro de EDX se obtiene tras recoger los fotones emitidos por la muestra
durante un determinado periodo y permite identificar y cuantificar los diferentes
elementos presentes en el material. Esta técnica se emplea acoplada a
microscopios electrónicos de transmisión o de barrido. [80] Fig. 20
Fig 20. Microscopio Electrónico de Barrido de Emisión de Campo Modelo Nova Nano SEM 200 Marca
FEI y detector de EDX
6.5.1.3 Microscopía Electrónica de Transmisión de Alta Resolución
Esta técnica es una manera de obtener imágenes mediante el microscopio
electrónico de transmisión (TEM) que permite la formación de imágenes de la
estructura cristalográfica de una muestra en una escala atómica. Debido a su alta
resolución es una valiosa herramienta ampliamente utilizada para el estudio de
nanoestructuras de materiales cristalinos como los semiconductores y los metales.
[81]
pág. 46
Es una herramienta importante para la caracterización de materiales
nanoestructurados, de los cuales se puede obtener no solo información morfológica,
sino también cristalográfica y de composición química a escala nanométrica. Utiliza
un haz de electrones para visualizar un objeto. La imagen se obtiene de los
electrones que atraviesan la muestra. [82] Fig. 21
Fig 21.Microscopio electrónico de ultra alta resolución JEOL JEM2200Fs+STEM Cs corrector
6.5.1.4 Espectroscopia fotoelectronica de rayos X (XPS)
También es conocida como espectroscopia electrónica para el análisis químico
(ESCA). Al igual que la espectroscopia Auger son técnicas de superficie muy
sensibles que proporcionan información cuantitativa sobre el estado químico de
todos los elementos, excepto para hidrógeno y helio.
pág. 47
Está basada en el efecto fotoeléctrico, de modo que el origen de la técnica XPS se
debe fundamentalmente a:
•
Descubrimiento del efecto fotoeléctrico: Hertz, 1887
•
Interpretación cuántica del efecto fotoeléctrico: Einstein, 1905
•
Experimentación: Siegbahn, 1967
Para conocer la técnica XPS se ha de comprender el efecto fotoeléctrico y de
fotoemisión, el efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un metal
cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética. Proporcionan
información sobre la energía de cada nivel y, por tanto, sobre la naturaleza del
átomo emisor. Fig.22
Fig 22.(a) Un fotón transfiere su energía a un electrón, el cual es emitido. (b) El exceso de energía en el
átomo se compensa con la ocupación del hueco de baja energía por un electrón de un nivel energético
superior. (c) Otra forma para liberar el exceso de energía del átomico resulta en la emisión de un
electrón de barrena o emitiendo un fotón de rayos X
Esta técnica es un método de caracterización de superficies, ampliamente utilizado.
Suministra gran información cualitativa y semicuantitativa de la muestra. Se obtiene
información de: enlaces químicos y de elementos, permitiendo distinguir los estados
de oxidación de los mismos. Fig. 23
pág. 48
Fig 23.Diagrama esquemático de un espectrómetro XPS.
En un análisis de XPS se realiza un barrido amplio del espectro, cubriendo un rango
de unos 1000 eV, y posteriormente se analiza con más detalle rangos más
pequeños, de unos 20 eV. Se trata de una técnica superficial en la cual se analiza
un máximo de 10 nm. Es decir, tiene poca penetración. Solo los electrones emitidos
en la superficie pueden alcanzar el detector. Por tanto, se analizan de 3 a 4 capas
de átomos. [83]
En la Fig.24 se muestra una imagen del equipo utilizado.
pág. 49
Fig 24.Equipo utilizado XPS thermo scientific ESCALAB 250 XI
6.5.2 Evaluación de la actividad antimicrobiana en preparados de
nanopartículas de Óxido de Zinc y Plata.
Inhibición bacteriana en tubos por el método de macrodiluciones
A. Preparación de medio agar Mueller Hinton (A-MH)
Se disuelve la cantidad de acuerdo con el volumen que se va a preparar siguiendo
las instrucciones del fabricante. Se esteriliza en autoclave, se deja enfriar (que lo
tolere la mano) y se vacía en placas de 15 cm. Con un grosor aproximado de 0.5
cm (unos 25 ml). Se deja enfriar, se guardan con la tapa hacia abajo a 4˚C. Se
somete una placa a prueba de esterilidad incubando a 35˚C toda la noche.
Observando que no desarrolle colonias.
B. Preparación de caldo (Mueller Hinton)
pág. 50
Se disuelve la cantidad de acuerdo al volumen que se va a preparar siguiendo las
instrucciones del fabricante. Se esteriliza en autoclave, se deja enfriar y se
almacena a 4˚C.
Fig 25.Preparación de caldo Mueller Hinton
C. Preparación de la suspensión bacteriana de Escherichia coli
Notas: Todo el proceso se lleva a cabo con guantes y en ambiente estéril con
mechero encendido, y material estéril. El asa bacteriológica debe ser esterilizada en
la flama y enfriada antes de usarse. El asa en L se sumerge en etanol y se somete
a la flama, esperando que el etanol se consuma y se deja enfriar. Se puede checar
si están frías tocando la parte interna de las tapas de las placas.
Para la revisión de densidad óptica también debe trabajarse a esterilidad.
1. Utilizando un asa bacteriológica, se estría una placa de agar Mueller-Hinton
a partir de una cepa de E.Coli ATCC en tres campos y se incuba a 36˚C toda
la noche. Fig.26 y 27
pág. 51
Fig 26.Estriado de la placa a partir de una cepa de Escherichia Coli ATCC
Fig 27. Preparación del cultivo de E. Coli en la placa de Agar Mueller Hinton.
D. Preparación de suspensión de nanopartículas
1. Preparar una suspensión de 10 mg/ml pesando 20 mg de nanopartículas en
2 ml de agua estéril resuspendiendo en baño de ultrasonido 5 minutos.
2. Nota: cada vez que se vaya a tomar un volumen de esa preparación,
resuspender en el baño mínimo 1 minuto e inmediatamente pipetear.
E. Preparación de la suspensión bacteriana
1. Se prepara una suspensión de bacterias tomando 3-5 colonias de bacterias
E. coli con el asa bacteriológica y resuspendiendo en 5 ml de caldo Soya
Tripticasa. Se evalúa la densidad óptica a 600 nm en un espectrofotómetro
usando el medio sin inocular como blanco, y se ajusta la suspensión para
pág. 52
ajustar el inóculo de manera tal, que luego de colocado, cada tubo contenga
aproximadamente 5 x 105 UFC/ml, teniendo en cuenta que:
DO600nm=0.1 (Tubo 0.5 del nefelómetro de McFarland) equivale a 1X108
Unidades formadoras de colonia por ml (UFC/ml).
(3 ml)*(1X105)/(1X108) = 0.015 ml = 15 µl a cada tubo
Nota se pueden manejar volúmenes mayores, diluyendo la suspensión de
bacterias.
Ej: 1:10 tomar 150 µl (Figura 28).
Fig 28.Preparación de la suspensión bacteriana
F. Preparación de los tubos de trabajo
1. Preparar por cada ronda de experimento, 10 tubos estériles con 3 ml de caldo
Mueller Hinton o Soya tripticasa.
2. Agregarles a los tubos del 1 al 8, la cantidad especificada de suspensión de
nanopartículas (ver figura 29).
3. A los tubos del 1 al 7, y al 9, agregarle la cantidad calculada en el punto
anterior de la suspensión de bacterias E. coli.
4. El tubo 8 solo contendrá el caldo con las nanopartículas (sin bacterias) para
estimar la interferencia de las partículas al leer la A600nm y restarla en caso de
ser necesario.
5. El tubo 10 sólo contendrá caldo (sin NP ni bacterias) como control de manejo
de esterilidad, no debe haber crecimiento.
pág. 53
6. Los tubos 9 y 10 son para comparar si el crecimiento normal de las bacterias
se ve afectado por la presencia de la goma de mezquite.
7. Para calcular desviación estándar y precisión es necesario realizar triplicados
de cada tipo de nanopartículas (30 tubos por experimento). Fig.30 y 31
Fig 29.Procedimiento para la preparación de los tubos de trabajo
Fig 30.Preparacion de los tubos de trabajo
pág. 54
Se incuba en baño de agua a 35˚C con agitación a 200 rpm toda la noche. Fig.
31.
Fig 31.Incubación en baño de agua.
G. Lectura de resultados
1. Se lee la DO600nm de cada tubo usando el caldo como blanco.
2. Se realiza una gráfica de DO600nm contra la concentración de las
nanopartículas incluyendo el tubo sin nanopartículas como punto cero. Si es
necesario se resta la interferencia de las nanopartículas (tubo 8 y teniendo
en cuenta el volumen que se agregó).
Si la lectura se pasa de 1, diluir el tubo por ejemplo 1:10 con caldo. A la
lectura se le hará la corrección de la dilución multiplicando por el factor de
dilución. Fig. 32
Fig 32.Lectura de resultados.
pág. 55
7. RESULTADOS
7.1 Síntesis de Nanopartículas de ZnO por el método de reacción en
microemulsión O/W
La síntesis de NPs de ZnO es posible puesto que al agregar una base se incrementa
la concentración de los iones hidroxilo (OH-) en el medio, estos difunden y favorecen
la formación de núcleos que posteriormente crecen y se auto-ensamblan para
formar nanoestructuras de ZnO. En la Fig. 33 se muestran micrografías de SEM con
el uso de NaOH como agente precipitante. La reacción se llevó a cabo a pH 12.
Fig 33.Micrografías SEM con el uso de NaOH como agente precipitante
para la obtención de nanoflores de ZnO
La Figura 33 (a) y (b) muestra nanoestructuras autoensambladas de ZnO, donde la
reacción se llevó a cabo ajustando el pH a 12 obteniendo estructuras en forma de
nanoflores que están constituidas por nanopartículas individuales de un tamaño de
alrededor de 10 nm.
Se realizó una variante en el agente precipitante agregando H2O2 después de una
hora de iniciada la reacción y se obtuvieron nanoestructuras parecidas a nanomoras
de ZnO2 como se muestra en la Figura 34 (a) y (b). Las NPs de ZnO, las cuales
pág. 56
regularmente presentan una estructura cristalina hexagonal (como se verá más
adelante en los resultados de XRD) y por tanto tienden a presentar un crecimiento
preferencial en el eje-c, como lo muestra el crecimiento anisotrópico de las
nanoflores (Figura 33). Mientras que con la presencia de H2O2 se obtiene ZnO2, el
cual presenta una estructura cristalina cúbica, con lo cual se pierde la tendencia al
crecimiento anisotrópico, y por tanto el ZnO2 crece en nanopartículas de forma
globular con un tamaño de 5 a 10 nm y estas se autoensamblan en forma de moras
(80-100 nm). Las nanomoras de ZnO2 fueron calcinadas a 300°C por 2 horas para
obtener nanoestructuras de ZnO. Después de la calcinación la morfología de tipo
nanomoras se mantuvo y el tamaño de partícula (10-15 nm) no se ve afectado de
manera importante como se muestra en las figuras 34 (a) y (b).
Fig 34.Micrografías SEM con el uso de NaOH más H2O2 como agente precipitante seguido de
calcinación a 300 ºC para la obtención de nanomoras de ZnO.
De acuerdo a protocolos preexistentes, se procedió a cambiar el agente precipitante
por hidróxido de tetrametilamonio (TMAH) e hidróxido de amonio (NH4OH). Como
el TMAH es una base menos fuerte que la utilizada anteriormente (NaOH), se buscó
optimizar el HCl 0.8M. Una vez optimizada la formulación se buscó el pH indicado
para llevar a cabo una reacción con TMAH y otra con NH4OH. Para ello, se
realizaron dos experimentos, donde se fue agregando el agente precipitante
observando el cambio en el aspecto de la reacción. Para el caso del NH4OH, la
muestra se mostraba opaca o turbia, con forme se fue variando el pH inicialmente
pág. 57
se fue opacando más, tornándose a un máximo alrededor de 8.8 pH, posteriormente
fue haciéndose transparente hasta quedar cristalino a un pH aproximado de 12.
En el caso del comportamiento del otro agente precipitante, TMAH, la reacción se
comportó de manera diferente, una vez iniciada la turbidez ésta aumentó y se
mantuvo turbia a pH 12. La turbidez observada es de un color blanco indicando la
formación de NPs de ZnO, mientras que cuando la ME se vuelve transparente (en
el caso de NH4OH), indica que las partículas se vuelven solubles en este sistema lo
que es posible debido al comportamiento anfótero del ZnO. Es importante
mencionar que para obtener ME transparentes con la cantidad de HCl ajustada, se
requirió de un baño de agua para mantener la temperatura de la microemulsión a
30°C. En base a los estudios de pH, para el uso de NH4OH como agente precipitante
se realizó la síntesis a pH 8.
Se obtuvieron como resultado Nps de ZnO auto-ensambladas en forma de
"nanogalletas". La Figura 35 (a) muestra micrografías de SEM de las nanogalletas
de ZnO, donde Nps de ZnO individuales se auto-ensamblan hasta formar una
estructura entre 100 y 400 nm aproximadamente. En la fig b se muestran pequeñas
nanopartículas individuales de ZnO que forman parte del ensamblaje final de la
nanogalleta las cuales tienen un tamaño entre 7.3 y 8.5 nm
Fig 35.Micrografías SEM con el uso de NH4OH como agente precipitante para la obtención de
nanogalletas de ZnO.
pág. 58
Finalmente las nanopartículas de ZnO con TMAH
como agente precipitante
(reacción llevada a cabo a pH 12) fueron caracterizadas por SEM y se muestran en
la fig. 36 (a) y (b), se puede apreciar que la morfología es muy similar, se observan
como trozos de láminas o discos autoensamblados los cuales adquieren una forma
parecida a la de moños, por lo que se le asignó este nombre, se cree que las
nanopartículas primero se ensamblan en una morfología tipo nanogalletas, las
cuales a su vez se apilan unas con otras hasta formar esta estructura de
nanomoños, el tamaño de la estructura final varía desde los 150 hasta por encima
de los 600 nm de largo y de ancho de los 100 hasta los 200 nm.
Fig 36.Micrografías SEM con el uso de TMAH como agente precipitante para la obtención de
nanomoños de ZnO.
En las caracterizaciones por SEM, se observa que según el agente precipitante
utilizado es la morfología final de las Nps sintetizadas, así como el tamaño de
partícula. De tal manera que es posible sintetizar ZnO en forma de nanoflores,
nanomoras, nanomoños y nanogalletas variando las condiciones de reacción
(variación de agente precipitante).
pág. 59
7.1.1 Formación de las diferentes morfologías del ZnO
De acuerdo con investigaciones anteriores se ha comprobado que las
morfologías del ZnO pueden modificarse por diferentes técnicas, una de ellas puede
ser por irradiación de microondas en estructuras básicas como nanorods,
nanovelas, nanoagujas, nanodiscos, nanonueces, microestrellas, entre otras,
sintetizados a una temperatura baja (90°C) con baja potencia de calentamiento
asisitido por microondas (aproximadamente 50W) y un posterior período de
maduración;
[84]
por otra parte, existe un estudio sistemático de la variación
morfológica de la nanoestructura de ZnO variando el pH de la reacción. [85]
Los iones OH- difunden desde la fase continua hasta la interfase entre la fase
continua y las gotas de aceite (con precursor de zinc), por lo que se cree que iones
Zn2+ reaccionan en la interfase con los iones OH-. Esta reacción produce unidades
de ZnO que dan lugar a la nucleación y el posterior crecimiento, el cual puede estar
influenciado por maduración de Otswald.
[86]
Como se ha observado en las
micrografías la base utilizada es un factor importante en la morfología del ZnO.
De acuerdo a las investigaciones comentadas anteriormente por irradiación
de microondas y variación del pH del precursor de 6 a 12 utilizando en este último
acetato de Zinc o alguna sal inorgánica de Zinc y una base se forma ZnO a partir de
intermediarios de crecimiento en forma de Zn(OH)42-. En nuestro caso en que
utilizamos 2-etilhexanoato como precursor de Zinc y sucede por medio de las
siguientes reacciones:
𝐶" 𝐻$% 𝑂' ' 𝑍𝑛 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 → 𝑍𝑛 𝑂𝐻
𝑍𝑛 𝑂𝐻
𝑍𝑛 𝑂𝐻
'
+ 2𝑂𝐻0 → 𝑍𝑛 𝑂𝐻
1
'0
1
'
'0
→ 𝑍𝑛𝑂 + 𝐻' 𝑂 + 2𝑂𝐻0
+ 2 𝐶" 𝐻$% 𝑂' 𝑁𝑎
(1)
(2)
(3)
En la ecuación (1) el catión de zinc reacciona con los iones hidroxilos para
formar un intermediario de reacción 𝑍𝑛 𝑂𝐻 ' , el cual a su vez reacciona con más
pág. 60
iones hidroxilos como se muestra en la ecuación (2), obteniendo así el Zn(OH)42como intermediario de crecimiento. Por último, en la ecuación (3) se obtiene el ZnO.
Para el caso de las nanoflores de ZnO, la presencia de una base fuerte
(NaOH) y un pH de 12, el crecimiento preferencial en el eje-c es favorecido, puesto
que los iones OH- son atraídos al plano (002) donde se encuentra con iones Zn2+,
es importante mencionar que el ZnO es un cristal polar donde el zinc y el oxígeno
se encuentran sobre el eje-c; en la dirección 001 (parte superior) se encuentra el
zinc mientras que el oxígeno en la dirección 001 , [86] tal como se ejemplifica en la
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.37.
Dirección eje-c
Fig 37.Dirección de crecimiento-c en una estructura hexagonal.
Por otro lado, en el auto-ensamblaje en forma de flores existe una interfase
entre un núcleo y los pétalos. Dicho núcleo presenta planos que funcionan como
sitios activos para el crecimiento de los pétalos. Por lo que se piensa que en la etapa
de nucleación se forma una menor cantidad de núcleos que en el resto de los
experimentos, de tal modo que el resto del precursor en el medio forma ZnO en los
sitios activos en donde germinan los cristales, favoreciendo así la formación de
pétalos. Posteriormente, en la etapa de crecimiento la alta concentración de OHfavorece el crecimiento en la dirección 001 , dando como resultado un crecimiento
anisotrópico.
Con respecto a las nanomoras de ZnO, a pesar de usar una base fuerte como
lo es NaOH, no se observó el crecimiento preferencial en el eje-c. En este caso,
gracias a la adición de H2O2, la presencia de los iones HOO- da lugar a la síntesis
de ZnO2 cúbico, favoreciendo un crecimiento isotrópico, puesto que los planos de
pág. 61
este sistema cúbico tienen energías de superficie similares en sus planos (en
comparación con la estructura hexagonal del ZnO). Al no existir un crecimiento
preferencial en alguna dirección se obtuvieron Nps globulares de ZnO2 las cuales
se auto-ensamblaron en forma de moras. Se piensa que existe una reacción similar
a la ecuación (3), la cual se presenta a continuación:
𝑍𝑛 𝑂𝐻
1
'0
+ 𝑂𝑂𝐻0 → 𝑍𝑛𝑂' + 𝐻' 𝑂 + 3𝑂𝐻0
(4)
Mediante un paso extra de calcinación se obtuvieron Nps de ZnO, las cuales
no tuvieron cambios significativos en tamaño y forma.
Por otro lado, el NH4OH es una base débil que además es usada en una
concentración menor que el NaOH y a un pH menor. De tal modo que la
concentración de iones OH- es menor que en el caso de las nanoflores, por lo que
el crecimiento sobre el eje preferencial-c disminuye. Provocando que el crecimiento
favorezca la formación de NPs globulares que se auto-ensamblan en forma de
galletas. Sin embargo, a pesar de la morfología globular de las Nps individuales,
puede existir un crecimiento preferencial dando como resultado estructuras autoensambladas en forma de nanogalletas, las cuales son planas. A su vez, esto
permite un menor tamaño de cristal en comparación con las nanoflores. Además,
en el caso del uso de NH4OH; si bien pueden suceder las reacciones mostradas en
las ecuaciones (2) y (3), adicionalmente se proponen las siguientes reacciones:
𝐶" 𝐻$% 𝑂' ' 𝑍𝑛 + 2𝑁𝐻1 𝑂𝐻 → 𝑍𝑛 𝑂𝐻
'
+ 2 𝐶" 𝐻$% 𝑂' 𝑁𝐻1
(5)
En la ecuación (5) se forma el intermediario Zn(OH)2, mismo que reacciona
según la ecuación (2) y (3).
𝑁𝐻1 5 𝑂𝐻0 ↔ 𝑁𝐻7 + 𝐻' 𝑂
𝑍𝑛'5 + 4𝑁𝐻7 → 𝑍𝑛 𝑁𝐻7
𝑍𝑛 𝑁𝐻7
1
'5
(6)
1
'5
+ 2𝑂𝐻0 → 𝑍𝑛𝑂 + 4𝑁𝐻7 + 𝐻' 𝑂
(7)
(8)
El complejo de zinc con el amoniaco mostrado en la ecuación (8) es otro
intermediario de crecimiento probable para la formación de las nanogalletas de ZnO,
pág. 62
mismo que ha sido reportado en otras investigaciones como intermediario de
crecimiento para ZnO sintetizado mediante NH4OH como agente precipitante [87, 88].
De hecho, el intermediario de crecimiento Zn(OH)42- se forma en presencia de una
base fuerte. [89] Por lo que se piensa que es el intermediario de crecimiento principal
al usar NaOH como agente precipitante.
Finalmente, los nanomoños de ZnO fueron sintetizados con TMAH una base
intermedia entre el NaOH y el NH4OH. Para la formación del ZnO con este agente
precipitante se proponen las siguientes ecuaciones:
𝐶" 𝐻$% 𝑂' ' 𝑍𝑛 + 2𝑁 𝐶𝐻7 1 𝑂𝐻 → 𝑍𝑛 𝑂𝐻
'
+ 2 𝐶" 𝐻$% 𝑂' 𝑁 𝐶𝐻7
1
(9)
Una vez que se formó el intermediario Zn(OH)2 este reacciona tal como se
indica en las ecuaciones (2) y (3), para formar ZnO, además existen otras
reacciones relacionadas:
𝑁 𝐶𝐻7
1
5
𝑂𝐻0 → 𝑁 𝐶𝐻7
𝑍𝑛'5 + 4𝑁 𝐶𝐻7
𝑍𝑛 𝑁 𝐶𝐻7
1
7
'5
7
+ 𝐶𝐻7 𝑂𝐻
→ 𝑍𝑛 𝑁 𝐶𝐻7
1
(10)
'5
+ 2𝑂𝐻0 → 𝑍𝑛𝑂 + 𝑁 𝐶𝐻7
(11)
7
+ 𝐶𝐻7 𝑂𝐻
(12)
Por lo que, tal como en el caso del uso de TMAH existe otro intermediario de
crecimiento que se encuentra interactuando en el sistema, el cual se piensa es el
que influye principalmente en la síntesis del ZnO cuando se usó TMAH como agente
precipitante. Como se ha discutido durante el análisis por SEM y TEM, hay indicios
que muestran una primera etapa de auto-ensamblaje formando unidades que en
una segunda etapa de auto-ensamblaje se agregan para formar los nanomoños. En
la primera etapa se obtuvieron Nps globulares, mostrando que no existe una
diferencia significativa en el crecimiento de los cristales hacia alguna dirección
determinada, debido tanto a la concentración de OH- como al ser una base débil en
comparación con el NaOH. La segunda etapa sucede cuando el auto-ensamblaje
de la primera etapa llega a un equilibrio, quedando expuesto el plano (002) a una
subsecuente agregación. De tal que las Nps auto-ensambladas en la primera etapa
pág. 63
funcionan como una especie de blocks que a su vez se auto-ensamblan en una
segunda etapa.
Los mecanismos de crecimiento propuestos se encuentran resumidos en la
Fig 38.
Fig 38.Esquema propuesto de la formación de diferentes morfologías auto-ensambladas de ZnO.
7.2 Síntesis de Nanopartículas de Ag por el método Tollens.
Se sintetizaron nanopartículas de plata, mediante la tecnica de Tollens modificado,
empleando goma de mesquite purificada (Prosopis velutina). La goma de Mesquite
actúa como estabilizador estérico y agente reductor en soluciones acuosas de
nitrato de plata como una mejora del método tradicional. La presencia de goma de
mesquite promueve la formación de nanopartículas de plata estables. Utilizando
pág. 64
este método, las nanopartículas de plata se pueden preparar fácilmente y se pueden
emplear en muchas aplicaciones, ya que este método de síntesis rápido y fácil
permite el control del tamaño de partícula y una buena estabilidad coloidal a través
del tiempo y un buen potencial de ampliación, ya que se pueden usar
concentraciones muy altas de precursores (AgNO3), hasta 50 a 1000 veces más
concentrado de las concentraciones utilzadas habitualmente en la literatura. [90]
El método para sintetizar nanopartículas de plata utilizando goma del árbol de
mezquite, incluye un proceso de purificación de la goma, cuya primera etapa del
método consiste en obtener una goma de mezquite purificada a partir de perlas de
goma de mezquite, la segunda etapa del método consiste en obtener las
nanopartículas de los metales empleando la goma de mezquite como un agente
reductor y estabilizante, mediante el método Tollens, logrando obtener NPs de
tamaños entre 10 nm y 30 nm con una forma definida (globular). Este método simple
no requiere ningún equipo especial u otro agente estabilizante o reductor excepto
una solución de goma de mezquite purificada, y produce dispersiones coloidales
acuosas de nanopartículas de plata con una estabilidad que excede 3 meses. Una
distribución estrecha de tamaños, baja tendencia a la agregación y un rendimiento
de al menos el 95%. Los tiempos de reacción se encuentran entre 15 minutos y 60
minutos para obtener nanopartículas de plata en concentraciones que varían de 0.1
g a 5 g de Ag por 100 g de mezcla de reacción. El método sintético propuesto
presenta un alto potencial de ampliación, ya que su capacidad de producción es
bastante alta y la metodología es simple.
Algunas investigaciones químicas han determinado que esta goma es una mezcla
de polisacáridos y glicoproteínas que son reticuladas formando proteínas
arabinogalactano. Este tipo de proteínas dan algunas propiedades fisicoquímicas
(como una alta solubilidad en agua) a la goma para formar estructuras globulares
compactas; estas estructuras en solución acuosa proporcionan la capacidad de
reducir la tensión superficial y actuar como un estabilizador estérico [91,92]
pág. 65
En el caso particular de la síntesis descrita se obtienen nanopartículas de plata de
tamaños que van desde 2 nm a 30 nm con forma definida (esférica) existiendo
aglomerados de mayor tamaño, sin necesidad de equipos especiales ni de otros
agregados a la goma de mezquite para la estabilidad del producto la cual supera los
6 meses.
La espectroscopia UV-visible es una de las técnicas más utilizadas para la
caracterización estructural de las nanopartículas de plata. La figura 39 muestra el
espectro de absorción de las NPs de plata sintetizadas en esta investigación. Para
realizar la medición se hizo una dilución con agua de 1:100. El espectro de
absorción mostró una banda de absorción de plasmón de superficie, con un máximo
en 412 nm, indicando la presencia de nanopartículas de plata esféricas o
cuasiesféricas.
Fig 39.Espectro de absorción UV-Vis de las NPs de Ag sintetizadas por el método de Tollens
modificado, utilizando una solución de AgNO3 0.11 M.
Se realizó la caracterización por dispersión dinámica de luz para conocer el diámetro
hidrodinámico y la distribucion de tamaños. La Figura 40 muestra que existe una sola
población de nanopartículas de Ag con un promedio de diámetro hidrodinámico de 38
pág. 66
nm, y un índice de polidispersidad de 0.3; este tamaño corresponde al tamaño de las
partículas, más la capa de goma de mezquite que las estabiliza, y el solvente (agua)
adsorbida en esta capa de goma. Por lo que el tamaño de las partículas de plata debe
ser más pequeño que 38 nm.
Fig 40. Espectro de absorción UV-Vis de las NPs de Ag sintetizadas por el método de Tollens
modificado, utilizando una solución de AgNO3 0.11 M.
Las propiedades particulares de las dispersiones de nanopartículas de plata
sintetizadas por este método de Tollens modificado son adquiridas por la presencia de
la goma de mezquite. La falta de sedimentos y crecimiento de agregados indican que
existe una posible estabilidad estérica otorgada por la goma de mezquite al anclarse o
ligarse a las partículas de plata; las posibles configuraciones de estabilización
conferidas por la goma se muestran en la figura 41.
Fig 41. Ilustración de los modos posibles de ligado de la goma de mezquite a la superficie de la
nanopartícula de plata.
pág. 67
Además se midió el potencial zeta de las partículas, resultando en un valor de -26 mV,
lo que concuerda con la buena estabilidad de la dispersión. Lo que lleva a la conclusión
de que las NPs de plata presentan una estabilización electroestérica; por una parte
tiene la capa de goma de mezquite que la estabiliza, y por otra parte, el pH alcalino de
la síntesis provee de iones OH- que confieren carga negativa a las partículas. Esto les
confiere una excelente estabilidad coloidal que previene su aglomeración y
sedimentación en muestras acuosas.
7.3 Síntesis del nanomaterial híbrido ZnO/Ag por el método de
impregnación.
La síntesis del nanomaterial híbrido ZnO/Ag se realizó a partir de la mezcla del polvo
de las nanopartículas de ZnO previamente preparadas en sus diferentes
morfologías y las dispersiones estables de nanopartículas de Ag obtenidas por el
método de Tollens modificado descrita en el punto anterior.
En la Fig. 42 se muestran las micrografías de SEM del nanomaterial híbrido ZnO
(nanoflores) con 3% molar de Ag donde se aprecia en la fig (a) una estructura
aparentemente homogénea. Esta primera síntesis se realizó usando las nanoflores
de ZnO como material base, y se puede observar que las morfologías preexistentes
de ZnO no son apreciables, es decir la estructura se pierde al combinar con las NPs
de Ag.
Fig 42.Micrografías de SEM del material híbrido ZnO/Ag nanoflores (3% Ag). Las flechas rojas indican
la localización de algunas de las Nps de Ag.
pág. 68
En la fig 42 (b) se puede apreciar el tamaño de la nanopartícula híbrida la cual varía
desde 7.1 nm a 10.9 nm y en la (c) se observan diversas nanopartículas de plata
depositadas sobre el ZnO, que se aprecian como puntos más brillantes al utilizar la
modalidad de electrones retrodispersados (algunas de ellas son indicadas mediante
las flechas rojas). También se realizó la caracterización del nanomaterial híbrido
mediante la técnica de EDX, a continuación, se muestran dichos resultados en la fig
43. El análisis de EDX demuestra la presencia de Ag en el material híbrido.
Fig 43.Análisis de EDX para el material híbrido ZnO nanoflores con 3% Ag
Dentro de las recomendaciones de protocolos previos se hizo énfasis en la
importancia de hacer una eficiente agitación durante el proceso de impregnación,
debido a que en caso de no realizarse ésta apropiadamente se correría el riesgo de
obtener un polvo no homogéneo y se podrían apreciar colores diferentes en el
material a nivel macroscópico, indicativo de que la mezcla no fue homogénea. Otra
observación sería el volumen utilizado para la combinación de los materiales, ya
pág. 69
que en caso de que el volumen sea considerablemente mayor o menor para el ZnO
se podría obtener un material residual heterogéneo, por esta razón se buscó que la
formulación de las dispersiones de plata derivadas del método de Tollens
modificado correspondiera apropiadamente al volumen requerido para la cantidad
de polvo a usar de ZnO a impregnar.
Para conocer la morfología de otro de los nanomateriales híbridos sintetizados, se
caracterizaron mediante SEM y EDX, primeramente, se muestran resultados de
SEM. En la Figura 44 se observa el nanomaterial híbrido sintetizado usando los
nanomoños de ZnO como material soporte y Ag al 3%. La morfología de nanomoños
característica del ZnO se piede al realizar la impregación con Ag.
Fig 44.Micrografías SEM ZnO nanomoños al 3% Ag
pág. 70
En las figuras se puede apreciar la presencia de Nps de Ag (algunas de ellas son
indicadas por las flechas rojas) bien dispersas sobre el soporte de ZnO, sin
embargo, el ZnO pierde su morfología de nanomoños.
Los resultados de la caracterización del EDX de los nanomoños al 3% Ag se
muestran a continuación en la fig. 45. En estas figuras se puede corroborar la
presencia de Ag en el material híbrido.
Fig 45.EDX ZnO nanomoños al 3% Ag.
Posteriormente se analizó mediante SEM
el ZnO/Ag con la morfología de
nanogalletas, en la fig 46 (a) se puede apreciar nanopartículas desde los 9 nm
hasta los 16.5 nm, en las fig (b), (c) y (d) se observan a detalle como el
autoensamblaje aparentemente pierde su morfología base en forma de
nanogalletas, se deduce que a pesar de que la concentración de plata es poca, la
incorporación de esta mediante el método de impregnación puede afectar la
pág. 71
morfología original del ZnO, las flechas rojas indican la presencia de las
nanopartículas de Ag bien dispersas sobre el soporte de ZnO.
Fig 46.Micrografías SEM ZnO nanogalletas al 3% Ag
Fig 47.EDX ZnO nanogalletas al 3% Ag.
pág. 72
En la Figura 47 se muestran los resultados por la técnica de EDX de ZnO
nanogalletas al 3% Ag. En estas figuras se puede apreciar la presencia de Ag en el
material híbrido.
Por último en la Figura 48 se muestran el nanomaterial híbrido ZnO/Ag el cual como
se aprecia, mantiene la morfología de las nanomoras del ZnO original. Se podría
decir que las nanomoras no sufren una influencia significativa en la nanoestructura
del nanomaterial híbrido con respecto a la morfología original. Asimismo, se aprecia
una buena dispersión de las Nps de Ag sobre el soporte de nanomoras de ZnO.
Fig 48.Micrografías SEM ZnO nanomoras al 3% Ag
Los resultados de EDX de las morfologías híbridas de nanomoras se muestran a
continuación en la Fig 49. En estas figuras se puede apreciar la presencia de Ag en
el material híbrido.
pág. 73
Fig 49.EDX ZnO nanomoras al 3% molar de Ag
Tomando en cuenta los resultados obtenidos para los materiales híbridos con las
distintas morfologías, se deduce que el paso de calcinación a 300 ºC que se realizó
para las nanomoras les confiere a éstas mayor estabilidad, conservándose dicha
morfología en el material híbrido. La calcinación, además de ser indispensable para
transformar el ZnO2 en ZnO, provocó una cierta sinterización del material
confiriéndole una mayor estabilidad mecánica, conservando la morfología. En
cambio, los otros materiales de nanoflores, nanogalletas y nanomoños, no fueron
calcinados, por tanto los aglomerados de dichas morfologías tenían una
consistencia más suave, y se deduce que el proceso de impregación, que implica la
presencia de goma de mezquite, agitación y centrifugación, provoca la ruptura de
las morfologías. No obstante, se obtuvieron materiales híbridos con las Nps de Ag
bien dispersas sobre los distintos soportes de ZnO.
pág. 74
7.4 Microscopia Electrónica de Transmisión (TEM).
Con el fin de corroborar la buena dispersión de las nanopartículas de Ag sobre el
soporte de ZnO, se llevó a cabo el análisis de microscopía electrónica de
transmisión en modalidad de barrido (STEM), para muestras seleccionadas.
Desafortunadamente, la presencia de residuos orgánicos (probablemente la goma
de mezquite), impidió obtener una resolución óptima. Aún así fue posible corroborar
la presencia de las pequeñas nanopartículas de plata bien dispersas sobre el ZnO
(Figura 50 para el ZnO/Ag nanomoras y Figura 51 para el ZnO/Ag nanogalletas).
Las nanopartículas de plata se aprecian como pequeños puntos oscuros y el ZnO
como un soporte aglomerado, de un color menos intenso. Esto es debido a que la
plata tiene una densidad electrónica más alta que el ZnO. Esto también se corrobora
en la modalidad de campo claro (Figura 51(c)) para las nanogalletas, en donde las
nanopartículas de plata se aprecian como puntos brillantes. Asimismo, fue posible
confirmar que tanto el ZnO como la plata presentan cristalinidad, al observar los
planos cristalinos en las imágenes de alta resolución (Figura 50 (b) y Figura 51(d)),
tanto en las partículas oscuras (Ag) como las menos oscuras (ZnO).
Fig 50.Micrografías de STEM para la muestra de ZnO/Ag (nanomoras, 3% Ag).
pág. 75
Fig 51.Micrografías de STEM para la muestra de ZnO/Ag (nanogalletas, 3% Ag).
7.5 Difracción de rayos X (DRX).
Con la idea de ver la comparativa del comportamiento de los nanomateriales ZnO y
ZnO/Ag se realizó la caracterización de las diferentes morfologías mediante
difracción de rayos X.
En la Figura 52 se observa los espectros de DRX comparativo de ZnO de las
diferentes
morfologías
obtenidas
nanoflores,
nanomoras
nanogalletas
y
nanomoños. El ZnO presenta señales consistentes con una estructura cristalina
hexagonal tipo wurtzita (carta cristalográfica JCPDS No. 80-0075). Los tamaños de
cristal (para el ZnO) se muestran en la figura 52, éstos fueron estimados utilizando
la ecuación de Scherrer, en base a la señal más intensa de los difractogramas.
pág. 76
Fig 52.Espectro de DRX de los nanomateriales ZnO, (nanoflores , nanomoras, nanogalletas y
nanomoños)
En la fig 53 se puede observar el espectro DRX del material híbrido compuesto por
plata metálica y óxido de Zinc mostrando los picos típicos de dichos nanomateriales,
con sus respectivas morfologías donde el ZnO se establece como el material de
soporte de la plata a un 3% molar. Nuevamente, el ZnO presenta la estructura
cristalina hexagonal tipo wurtzita (carta cristalográfica JCPDS No. 80-0075), y los
tamaños de cristal (para el ZnO) se muestran en la figura 50. Debido al bajo
contenido de plata en estos materiales, solamente fue posible detectar una señal en
38.2º de 2theta, la cual es consistente con el hkl 111 para la plata con una estructura
cristalina cúbica (carta cristalográfica JCPDS No. 13-0311). No fue posible estimar
el tamaño de cristal de las nanopartículas de plata debido a que dicha señal y una
de las señales de ZnO se superponen, pero la señal es ancha lo que indica un
tamaño de cristalita pequeño, en el orden de pocos nanómetros. Por tanto, se puede
afirmar la presencia de nanopartículas de plata con estructura cristalina cúbica en
los soportes de ZnO.
pág. 77
Fig 53. Espectro de DRX de los nanomateriales híbridos ZnO/Ag
(nanoflores , nanomoras, nanogalletas y nanomoños)
7.6 Espectroscopia fotoelectrónica de rayos X (XPS)
La composición química superficial de los nanomateriales simples (ZnO) e híbridos
(ZnO-Ag) se estudió a través de la técnica de espectroscopia fotoelectrónica de
rayos X (XPS). Para ello se empleó un equipo Thermo Scientific Escalab 250 Xi,
-10
que fue operado con una presión de trabajo de 10
mbar, y bajo condiciones de
voltaje y poder de 14 kV y 350 W, respectivamente. Se empleó una fuente de
excitación AlKα (1486.68 eV) como generadora de fotoelectrones. La deconvolución
de los espectros obtenidos se realizó con el software Thermo Avantage software V
5.41; las energías de enlace se referenciaron respecto a la señal del carbono (1s)
en 284.8 eV. La composición química superficial y química de estados del ZnO y
ZnO/Ag fueron investigados a través del XPS, en los espectros obtenidos se pudo
observar que el material contiene Zn, O, Ag y C, sin otros elementos de impureza.
El carbono se muestra en la Fig. 54 (C 1s = 284.8 eV) y fue asignado al carbono
residual de la muestra y los hidrocarburos de los instrumentos.
pág. 78
Fig 54.Espectros XPS de C 1s de las diferentes muestras de ZnO (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c)
nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-en-agua
(O/W)
Fig 55.Espectros XPS de C 1s de las diferentes muestras de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b) nanoflores;
(c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-enagua (O/W)
En la Fig. 55 se aprecian los espectros de C 1s de la muestra ZnO variando en un
rango de 281.13 hasta 285.33 y ZnO/Ag de 284.11 hasta 287.23 de la energía de
enlace en (eV) de las dos muestras que se aprecian en la tabla 1.
pág. 79
Binding energy
Binding energy
(eV)
(eV)
ZnO
C1s
281.83
Nanogalletas
285.29
281.13
Nanomoras
285.09
281.30
Nanomoños
285.12
Nanoflores
285.33
ZnO/Ag
Nanogalletas
Nanomoras
Nanomoños
Nanoflores
C1s
284.20
286.69
284.11
287.23
284.15
286.73
284.29
Tabla 1.Análisis XPS del binding energy para C 1s de las diferentes nanopartículas de ZnO y ZnO/Ag
(a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de
reacción en microemulsión O/W, y el método de Tollens modificado
La alta resolución del equipo XPS de Zn 2p, O 1s y Ag 3d indica que las energías
de enlace de estos electrones son ligeramente diferentes entre las morfologías de
ZnO con respecto a las ZnO/Ag, esto sugiere que existe una fuerte interacción entre
el Ag y el ZnO. En la Fig. 56 se muestran los espectros de las morfologías del ZnO
para la señal de Zn 2p
3/2
con picos específicos de 1018.5 ± 0.5 eV y Zn 2p
½
de
1041.3 ± 0.5 eV que indica el estado de oxidación (+2) para el Zn.
Así mismo en la tabla 2 se muestran los resultados de dichas gráficas.
Fig 56.Espectros XPS de Zn 2p 3/2 y Zn 2p 1/2 de las morfologías de ZnO (a) nanogalletas; (b) nanoflores;
(c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-enagua (O/W)
pág. 80
En la Fig. 57 se muestran los espectros del ZnO/Ag correspondientes al Zn 2p3/2
con picos específicos que van desde de 1018.41 a 1022.47 eV y en Zn 2p½ desde
1039.21 a 1045.57 eV.
Fig 57. Espectros XPS de Zn 2p 3/2 y Zn 2p 1/2 de las morfologías de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b)
nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en
microemulsión aceite-en-agua (O/W)
Tabla 2.Análisis XPS del binding energy de las morfologías de nanopartículas de ZnO y ZnO/Ag (a)
nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción
pág. 81
en microemulsión aceite-en-agua (O/W), y el método de Tollens modificado para la plata para Zn 2p 3/2
y 2p 1/2
En la Fig. 58 se muestran los espectros XPS de O 1s de nanopartículas de ZnO, las
señales varían entre 526.19 – 527.12 ± 0.93 eV y fueron asignadas al oxígeno de la
red cristalina presente en el ZnO, mientras que el pico entre 527.65 - 528.58 ± 0.93
eV pueden ser asignados a grupos hidroxilos superficiales.
Fig 58.Espectros XPS de 1s O de las morfologías de ZnO (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c)
nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-en-agua
(O/W)
En la Fig. 59 se muestran los espectros Xps correspondientes al O 1s para las
nanopartículas de ZnO/Ag.
A diferencia del ZnO en las morfologías de
nanogalletas, nanomoras y nanomoños, que presentan 3 picos de O 1s, en las
nanoflores solo se presentaron 2 picos. En la literatura para nanorods de ZnO se
reportaron 3 señales siendo la primera asignada al oxígeno de la red cristalina del
ZnO y de acuerdo a lo reportado,[93] las señales adyacentes pueden atribuirse al
enlace Zn-OH. Estos datos aparecen en la tabla 3.
pág. 82
Fig 59.Espectros XPS de 1s O de las morfologías de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c)
nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión aceite-enagua (O/W)
pág. 83
Tabla 3.Análisis XPS del binding energy de las morfologías de nanopartículas de ZnO y ZnO/Ag (a)
nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción
en microemulsión aceite-en-agua (O/W) y el método de Tollens modificado para la plata para O 1 s.
En la Fig. 60 se muestran los espectros correspondientes a Ag 3d5/2 y Ag 3d3/2 de
las nanopartículas de plata en los materiales compuestos Ag-ZnO mostrando picos
alrededor de 365 eV del Ag 3d 5/2 y 371 eV del Ag 3d 3/2 con unos 6 eV de diferencia
entre los dos picos que es evidencia de la reducción de los iones de Ag para producir
plata metálica.
[94]
Los picos adicionales alrededor de 367.5 eV y 373.5 eV se
pueden atribiur a AgO/Ag2O debido a la formación de una delgada capa de óxido
sobre las nanopartículas de Ag, aunque predominantemente existen como Ag0. La
formación de capas delgadas de óxidos de plata es inevitable en condiciones
ambientales. Se ha reportado que éstas especies favorecen la liberación de iones
Ag1+, lo que mejora el desempeño biocida de las partículas.
[95]
En la tabla 4 se muestra el análisis de los espectros anteriores.
Fig 60.Espectros XPS de Ag 3d 5/2 y Ag 3d 1/2 de las morfologías de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b)
nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por el método de reacción en microemulsión
aceite-en-agua (O/W)
pág. 84
Binding energy (eV)
ZnO-Ag
Nanogalletas
Nanomoras
Nanomoños
Nanoflores
Ag
3d5/2
3d3/2
365.09
371.03
367.43
373.45
364.88
370.91
-
-
365.1
371.02
367.4
373.49
364.82
370.88
-
-
Tabla 4.Análisis XPS del binding energy correspondientes al Ag 3d 5/2 y Ag 3d 1/2 para los distintos
materiales de ZnO/Ag (a) nanogalletas; (b) nanoflores; (c) nanomoras y (d) nanomoños sintetizadas por
el método de reacción en microemulsión aceite-en-agua (O/W), y el método de Tollens modificado.
7.7 Actividad antimicrobiana.
7.7.1 Método de macrodiluciones en tubos de ensayo
El método de macrodiluciones se realizó para todas las morfologías en una relación
de 1:1 con goma de mezquite con la finalidad de ayudar a la dispersión. Los
resultados se evaluaron mediante el cálculo de inhibición de crecimiento E.Coli en
caldo de soya tripticasa contenido en diferentes concentraciones de nanopartículas
y esta se evaluó por DO (densidad óptica) a 600nm, comprando con el crecimento
bacteriano de los tubos que no contenían nanopartículas. Los resultados de las
nanopartículas de ZnO muestran que el porcentaje de inhibición va en aumento
conforme aumenta la concentración de nanomaterial, pues el tubo con mayor
pág. 85
concentración de nanomaterial redujo el crecimiento entre un 50 y un 80%
dependiendo de la morfología de las nanopartículas en comparación con el tubo
control (bacterias sin nanopartículas). En las concentraciones de 0.03 y 0.015 mg/ml
la inhibición fue menor del 10%. En las siguientes figuras se muestra la gráfica con
el porcentaje de inhibición que se presentó en función de la concentración de
nanopartículas.
La Figura 61 A muestra el crecimiento bacteriano medido a
A600nm, mientras que la Figura 61 B representa el % de inhibición del crecimiento
bacteriano calculado de la siguiente manera:
((XA600nm de E. Coli sin NP-XA600nm E. coli una concentración de NP)/ XA600nm de E. Coli sin NP)*100
(A)
(B)
Fig. 61. Gráficas de crecimiento e inhibición bacterianas en presencia de las nanopartículas de ZnO,
representando en A, el crecimiento bacteriano como la Absorbancia a 600 nm vs. Concentración de
NPs mg/ml, y en B, la inhibición del crecimiento para cada concentración y tipo de Nanopartícula de
ZnO, expresado cómo %.
pág. 86
Para las partículas conteniendo Plata, se observa que la inibición de crecimiento es
mayor que las de ZnO, ya que las concentraciones mayores presentan una
inhibición del crecimiento entre 90 y 100%, como se observa en las Figuras 62 A y
62 B. También se representan las nanopartículas por separado comparando
crecimiento (Figura 63) e inhibición (Figura 64) de partículas con la misma
morfología con y sin Plata.
(A)
(B)
Fig 62. Gráficas de crecimiento e inhibición bacterianas en presencia de las nanopartículas de
ZnO/Ag, representando en A, el crecimiento bacteriano como la Absorbancia a 600 nm vs.
Concentración de NPs mg/ml, y en B, la inhibición del crecimiento para cada concentración y tipo de
Nanopartícula de Plata, expresado como %.
pág. 87
(A)
(B)
(C)
(D)
Fig 63. Gráficas de comparaciòn de crecimiento bacteriano para cada preparación de Nps.A: Flores,
B:Moños, C: Moras, G: Galletas.Eje X Concentración de nanopartículas en mg/ml, Eje Y lectura de
absorbancia a 600nm.
El uso de goma de mezquite para una mejor dispersión fue importante ya que
además de disminuir el tiempo necesario para lograr una buena dispersión, ayuda
a minimizar la sedimentación, sin que se vean afectas las nanopartículas, con una
goma de origen natural.
pág. 88
Ag nanofloresZnO nanoflores
Ag nanoflores
A
0.5
0.25
125
0.075
0.03
0.015
mg/ml
ZnO nanoflores
Ag nanoflores
B
0.5
0.25
125
0.075
0.03
0.015
mg/ml
ZnO nanoflores
Ag nanoflores
C
0.5
0.25
125
mg/ml
0.075
0.03
0.015
ZnO nanoflores
Ag nanoflores
D
0.5
0.25
125
0.075
0.03
0.015
mg/ml
Fig 64. Gráficas de comparaciòn de % de Inhibición de crecimiento bacteriano para cada preparación
de Nps.A: Flores, B:Moños, C: Moras, D: Galletas.Eje X Concentración de nanopartículas en mg/ml, Eje
Y % de Inhibición, Eje X, las diferentes concentraciones de NPs.
pág. 89
Es probable que, al aumentar el porcentaje de Ag, las propiedades antimicrobianas
también aumenten, pues como anteriormente se había mencionado se tiene
referencia de investigaciones donde se sintetizaron nanomateriales híbridos de
ZnO/Ag por otros métodos de preparación, donde la Ag ayuda a incrementar esta
actividad la cual también se ve reflejada en esta investigación.
pág. 90
CONCLUSIONES
Se sintetizaron y caracterizaron exitosamente 4 diferentes morfologías de
ZnO: nanoflores, nanomoras, nanogalletas y nanomoños por el método de reacción
en microemulsión. La morfología dependió del agente precipitante utilizado en la
síntesis, ya que dependiendo de ello se generaron distintos intermediarios y por
tanto distinto tipo de crecimiento preferencial y distinto autoensamblaje de las
nanopartículas de ZnO.
Asimismo, fue posible sintetizar nanopartículas de plata con una estrecha
distribución de tamaños, potencial zeta medio (-26 mV) y una buena estabilidad
coloidal en medio acuoso, esto por el método de Tollens modificado. El control en
el tamaño fue posible gracias a la goma de mezquite que actuó como un agente
reductor y estabilizante a la vez. El potencial zeta negativo (carga negativa de las
nanopartículas) se atribuye al pH alcalino utilizado en la síntesis.
En base a estas metodologías, fue posible también sintetizar materiales
híbridos de ZnO/Ag con un 3% Ag (% atómico con respecto al ZnO), obteniendo
sistemas de ZnO decorado con NPs de Ag con una buena dispersión de la Ag sobre
el ZnO. No obstante, debido a la presencia de goma de mezquite así como a la
agitación y la centrifugación utilizados durante la síntesis del material mixto, las
distintas morfologías se perdieron, resultando en materiales sin morfología definida.
Excepto en el caso del ZnO/Ag tipo nanomoras; esto se atribuye a que éste fue el
único material que fue calcinado (para poder transformar el ZnO2 a ZnO), lo que
provocó una sinterización de las nanopartículas de ZnO, y por tanto una mejor
adhesión entre las mismas y una mayor estabilidad a la morfología y mejores
propiedades mecánicas.
En cuanto a la actividad antimicrobiana vs la bacteria E. Coli, para el caso
del ZnO se observó una mejor actividad con las nanoflores, seguido de las
nanomoras. Resultando en un máximo de actividad antimicrobiana de 80% para las
nanoflores, mientras que las nanogalletas fueron las menos activas con un 50% de
pág. 91
inhibición del crecimiento de E. Coli. Por tanto, se puede afirmar que para el caso
de ZnO la morfología si tuvo una gran influencia en la actividad antimicrobiana; esto
podría atribuirse a las distintas facetas cristalinas expuestas y la distinta superficie
específica dependiendo de la morfología. No obstante, en los materiales
compuestos ZnO/Ag con un 3% de Ag, no se vió una gran influencia de la
morfología, ya que a 0.5 mg/ml de material se observó una inhibición del crecimiento
de E. Coli entre 90-100%, siendo ligeramente más activos los nanomoños y
nanogalletas, y los menos activos las nanomoras. Esto pudiera deberse a la posible
presencia de AgO y Ag2O como lo sugieren lo resultados de XPS para estas dos
muestras, ya que se ha demostrado que dichas especies facilitan la liberación de
iones Ag+ lo que aumenta el poder biocida de los materiales con Ag.
pág. 92
BIBLIOGRAFIA
1. Berra, I., Irusta, L., Fernández, M. J. y De Miguel, Y. R(2009). Comparison of
synthetic procedures for the preparation of sol-gel derived henoxy-silica
hybrid materials. J.Of Sol-Gel Sci.Tech., Vol. 49, Num 1, 19-28
2. http://materiales-delfuturo.blogspot.mx/2011_11_01_archive.html
3. Zarzycki, J. (1997). Past and present of sol-gel science and t echnology. J.
Sol-Gel Sci Technol, Vol. 8, Num. 1-3, 17- 22
4. Guía de estudio para examen de ingreso de Ingeniería en nanotecnología
5. Hiroshima, K., Asaoka, T., Noritake, T., Ohya, Y. y Morimoto, Y. (2002). PEFC
cathode alloy catalyst prepared by a novel process using a chelating agent.
FCDIC Fuel Cell Symposium Proceedings, Vol 9, 29-34.
6. González, J., Pérez, J. F., Ruiz, F. y Martínez., J. R. (2000). Vidrios SiO2
nanocompuestos preparados por sol-gel: revisión, Superficies y Vacío, Vol.
11, 1-16
7. I. Danielsson, B. Lindman, The definition of microemulsion. Colloids and
Surfaces, 1981, 3, p. 391-392.
8. I. Pico y A. Lattes, J. Cooloid Interface Sci., 102, 285 (1984)-S. Friberg, "NonAqueous Microemulsions", CRC Press (1986).
9. D. Langevin, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 139, 259 (1986).
10. Sanchez-Dominguez, M., C. Aubery, and C. Solans, New Trends on the
Synthesis of Inorganic Nanoparticles Using Microemulsions as confined
Reaction Media, Smart Nanoparticles Technology2012.
11. Tsoncheva, T., Areva, S., Dimitrov, M., Paneva, D., Mitov. I., Linden, M. y
Minchev, C. (2006). MCM-41 silica modified with copper and iron oxides as
catalysts for methanol decomposition. Journal of Molecular Catalysis A:
Chemical, 246, 118-127.
12. Boutonnet, M; Kizling, J; Stenius, P; Maire, G. The preparation of
monodisperse colloidal metal particles from microemulsiones. Colloids and
Surfaces, 1982, 5(3), 209-225.)
pág. 93
13. Sanchez-Dominguez M, Boutonnet M., Solans C., J. Nanoparticle Res., 2009,
11, 1823.
14. Pemartin K., Aubery C., Sanchez-Dominguez M., C. Solans, Jorn. Com. Esp.
Deterg., 2011, 41, 114.
15. Sanchez-Dominguez M., Liotta L. F., Carlo G. Di., Pantaleo G., Venezia A.M.,
Solans C., Boutonnet M., Catal. Today, 2010, 158, 35-43
16. Siegel R.W., Hu E., Rocco M.C., Nanostructure Science and Technology: A
worldwide study. Kluwer Academic Publishers, 1999, Chapter 2.
17. Gaertner G.F., Lydtin H., Nanostructured Mater. 1994, 4, 559.
18. McNeil, 2005).
McNeil, S. E. 2005. Nanotechnology for the biologist.
J.Leukoc.Biol. 78:585-594.
19. KOUDELKA, L.; HORÁK, J.; JARIABKA, P. Morphology of polycrystalline
ZnO and its physical properties. Journal Materials Science, v.29, n.6, p.14971500, 2004.
20. PRELLIER, W.; FOUCHET, A.; MERCEY, B. Oxide-diluted magnetic
semiconductors: A review of the experimental status. Journal of Physics
Condensed Matter, v.15, R1583, 2003.
21. RAMALHO, M.A.F. Avaliação da proporção de ácido cítrico/metal no
tamanho da partícula de ZnO preparados pelo método de Pechini. In:
Congresso Brasileiro de Ciência e Engenharia de Materiais, 2004.
22. Zhang LL, Jiang YH, Ding YL, Povey M, York D. Investigation into the antibacterial behaviour
of suspensions of ZnO nanoparticles (zno nanofluids). J.Nanopart. Res. 2007;9:479–489)
23. Zhang LL, Jiang YH, Ding YL, Povey M, York D. Investigation into the antibacterial behaviour
of suspensions of ZnO nanoparticles (zno nanofluids). J.Nanopart. Res. 2007;9:479–489).
24. Jiang W, Mashayekhi H, Xing B. Bacterial toxicity comparison between nano- and microscaled oxide particles. Environ. Pollut. 2009;157:1619–1625)
25. Jiang W, Mashayekhi H, Xing B. Bacterial toxicity comparison between nano- and microscaled oxide particles. Environ. Pollut. 2009;157:1619–1625.
26. Liu Y,
He L, Mustapha A, Li H, Hu ZQ, Lin M. Antibacterial activities of zinc oxide
nanoparticles against Escherichia coli O157:H7. J.Appl.Microbiol. 2009;107:1193–1201
27. Jin T, Sun D, Su Y, Zhang H, Sue HJ. Antimicrobial efficacy of zinc oxide quantum dots against
pág. 94
Listeria monocytogenes, Salmonella enteritidis and Escherichia coli O157:H7. J. Food Sci.
2009;74:46–52.
28. Yamamoto O. Influence of particle size on the antibacterial activity of zinc oxide. Int. J. Inorg.
Mater. 2001;3:643–646.
29. 24.
Brayner R, Ferrari-Iliou R, Brivois N, Djediat S, Benedetti MF, Fievet F. Toxicological
impact studies based on Escherichia coli bacteria in ultrafine ZnO nanoparticles colloidal
medium. Nano Lett. 2006;6:866–870.
30. Chen D., Jiao X., and Cheng G., Solid Sate Commun. 113, 363–366 (2000).
31. Music S., Dragcevic D, Maljkovic M., and Popovic S., Mat. Chem. Phys. 77,
521–530 (2002).
32. Pencheva,D. Bryaskova, D.R. Kantardjiev, T. Probl. Infect. Parasit. Dis. 38
(2010) 28–36.
33. Xu H.Y., Wang H., Zhang Y.C., He W.L., Zhu M.K., Wang B., and Yan H.,
Ceram. Internat. 30, 93–97 (2004).
34. Wang L. and Muhammed M, Mater J. Chem. 9, 2871–2878 (1999).
35. Sarkar, D., et al., Formation of zinc oxide nanoparticles of different shapes in
water-in-oil microemulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and
Engineering Aspects, 2011. 381(1–3): p. 123-129.
36. Yıldırım, Ö.A. and C. Durucan, Synthesis of zinc oxide nanoparticles
elaborated by microemulsion method. Journal of Alloys and Compounds,
2010. 506(2): p. 944-949.
37. Kulyk, B., et al., Optical properties of ZnO/PMMA nanocomposite films.
Journal of Alloys and Compounds, 2010. 502(1): p. 24-27.
38. Russell AD, Hugo WB. Antimicrobial activity and action of silver. Prog. Med.
Chem. 1994;31:351-370.
39. Banerjee M, Mallick S, Paul A, Chattopadhyay A, Ghosh SS. Heightened
Reactive Oxygen Species Generation in the Antimicrobial Activity of a Three
Component Iodinated Chitosan-Silver Nanoparticle Composite. Langmuir.
2010; 26: 5901–5908.
pág. 95
40. Lok CN, Ho CM, Chen R, He QY, Yu WY, Sun H, Tam PK, Chiu JF, Che CM.
Proteomic analysis of the mode of antibacterial action of silver nanoparticles.
J Proteome Res. 2006;5:916–924.
41. Otani M, Tabata J, Ueki T, Sano K, Inouye S. Heat-shock induced proteins
from Myxococcus xanthus. J. Bacteriol 2001;183: 6282-6287.
42. Chou K.S., Chen C.C., Microporous Mesoporous Mater. 98 (2007) 208–213.
43. Kitagawa M, Matsumura Y, Tsuchido T. Small heat shock proteins, IbpA and
IbpB, are involved in resistances to heat and superoxide stresses in
Escherichia coli. FEMS Microbiol. Lett. 2000; 184:165-171
44. Panacek A, Kvitek L, Prucek R, Kolar M, Vecerova R, Pizurova N, Sharma V
K, Nevecna T and Zboril R. Silver colloid nanoparticles: synthesis,
characterization,
and
their
antibacterial
activity.
J
Phys
Chem.
2006;110:16248-16253
45. Bryaskova R., Pencheva D., Nikolov S., Kantardjiev T., Chem J.. Biol. 4
(2011) 185–191.
46. CLSI M2–A9, Vol. 26 No. 1 “Performance Standards for Antimicrobial Disk
Susceptibility Tests”; Approved Standard-Ninth Edition, January 2006.
47. Morones et al., 2005; Sondi and
Morones, J. R., Elechiguerra, J. L.,
Camacho, A., Holt, K., Kouri, J. B., Tapia, J., and Yacaman, M. J. 2005. The
bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology 16:2346-2353.
48. Yoon et al., 2008,
Yoon, K. Y., Byeon, J. H., Park, J. H., Hi, J. H., Bae, G.
N., and Hwang, J. 2008. Antimicrobial Characteristics of Silver Aerosol
Nanoparticles
against
Bacillus
subtilis
Bioaerosols.
Environmental
Engineering Science 25:289-294.
49. Shrivastava et al., 2007
Shrivastava, S., Bera, T., Roy, A., Singh, G.,
Ramachandrarao, P., and Dash, D. 2007. Characterization of enhanced
antibacterial effects of novel silver nanoparticles. Nanotechnology 18:1-9
50. Panacek et al., 2006.
Panacek, A., Kvitek, L., Prucek, R., Kolar, M.,
Vecerova, R., Pizurova, N., Sharma, V. K., Nevecna, T., and Zboril, R. 2006.
Silver colloid nanoparticles: synthesis, characterization, and their antibacterial
activity. J.Phys.Chem.B 110:16248- 16253.
pág. 96
51. Lok et al., 2006). Lok, C. N., Ho, C. M., Chen, R., He, Q. Y., Yu, W. Y., Sun,
H., Tam, P. K., Chiu, J. F., and Che, C. M. 2006. Proteomic analysis of the
mode of antibacterial action of silver nanoparticles. J.Proteome.Res. 5:916924.
52. Tredget et al., 1998, Lok, C. N., Ho, C. M., Chen, R., He, Q. Y., Yu, W. Y.,
Sun, H., Tam, P. K., Chiu, J. F., and Che, C. M. 2006. Proteomic analysis of
the mode of antibacterial action of silver nanoparticles. J.Proteome.Res.
5:916-924.
53. Jain and Pradeep, 2005a,
Jain, P. and Pradeep, T. 2005b. Potential of
silver nanoparticle-coated polyurethane foam as an antibacterial water filter.
Biotechnol.Bioeng. 90:59-63.
54. Zheng, X., et al., Controlling synthesis of silver nanowires and dendrites in
mixed surfactant solutions. Journal of Colloid and Interface Science, 2003.
268(2): p. 357-361.
55. Zhang, W., X. Qiao, and J. Chen, Synthesis of nanosilver colloidal particles
in water/oil microemulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and
Engineering Aspects, 2007. 299(1–3): p. 22-28.
56. Georgekutty, R., M.K. Seery, and S.C. Pillai, A Highly Efficient Ag-ZnO
Photocatalyst: Synthesis, Properties, and Mechanism. The Journal of
Physical Chemistry C, 2008. 112(35): p. 13563-13570.
57. Kuo, S.-T., et al., Effect of Ag on the microstructure and electrical properties
of ZnO. Journal of the European Ceramic Society, 2007. 27(16): p. 45214527.
58. Shim, J.H., et al., Memory mechanisms of nonvolatile organic bistable devices
based on colloidal CuInS2/ZnS core–shell quantum dot – Poly(Nvinylcarbazole) nanocomposites. Organic Electronics, 2011. 12(9): p. 15661570.
59. Giuseppe Nenna, S.M., Valentina Bizzarro, Marilena Re, Emanuela Pesce,
Particle size dependence of resonant-tunneling effect induced by CdS
nanoparticles in a poly(N-vinylcarbazole) polymer matrix. J. Appl. Phys.,
2012. 112(4): p. 044508-7.
pág. 97
60. Sun, X.W., et al., A ZnO Nanorod Inorganic/Organic Heterostructure LightEmitting Diode Emitting at 342 nm. Nano Letters, 2008. 8(4): p. 1219-1223.
61. Han, Z., et al., Ag/ZnO flower heterostructures as a visible-light driven
photocatalyst via surface plasmon resonance. Applied Catalysis B:
Environmental, 2012. 126(0): p. 298-305.
62. Meng, A., et al., Synthesis, characterization, and dispersion behavior of
ZnO/Ag nanocomposites. Advanced Powder Technology, 2013. 24(1): p.
224-228.
63. Saravanan, R., et al., ZnO/Ag nanocomposite: An efficient catalyst for
degradation studies of textile effluents under visible light. Materials Science
and Engineering: C, 2013. 33(4): p. 2235-2244.
64. Wahl, U., et al., Lattice sites of implanted Cu and Ag in ZnO. Superlattices
and Microstructures, 2006. 39(1–4): p. 229-237.
65. Thongsuriwong, K., P. Amornpitoksuk, and S. Suwanboon, Photocatalytic
and antibacterial activities of Ag-doped ZnO thin films prepared by a sol–gel
dip-coating method. Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2012. 62(3):
p. 304-312.
66. Karunakaran, C., V. Rajeswari, and P. Gomathisankar, Enhanced
photocatalytic and antibacterial activities of sol–gel synthesized ZnO and AgZnO. Materials Science in Semiconductor Processing, 2011. 14(2): p. 133138.
67. Sharma, N., et al., Antibacterial study of silver doped zinc oxide nanoparticles
against Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis. Drug Invention Today,
2013. 5(1): p. 50-54.
68. Zhang, Y. and J. Mu, One-pot synthesis, photoluminescence, and
photocatalysis of Ag/ZnO composites. Journal of Colloid and Interface
Science, 2007. 309(2): p. 478-484.
69. Georgekutty, R., M.K. Seery, and S.C. Pillai, A Highly Efficient Ag-ZnO
Photocatalyst: Synthesis, Properties, and Mechanism. The Journal of
Physical Chemistry C, 2008. 112(35): p. 13563-13570.
pág. 98
70. Yang, Z., et al., Facile synthesis of Ag/ZnO heterostructures assisted by UV
irradiation: Highly photocatalytic property and enhanced photostability.
Materials Research Bulletin, 2011. 46(10): p. 1625-1631.
71. Karunakaran C. et al. / Materials Science in Semiconductor Processing 14 (2011) 133–138).
72. Inoguchi, M., et al., Monodispersed and Well-Crystallized Zinc Oxide
Nanoparticles Fabricated by Microemulsion Method. Journal of the American
Ceramic Society, 2008. 91(12): p. 3850-3855.
73. Ng, Z.-N., K.-Y. Chan, and T. Tohsophon, Effects of annealing temperature
on ZnO and AZO films prepared by sol–gel technique. Applied Surface
Science, 2012. 258(24): p. 9604-9609.
74. Wu, J.J. and S.C. Liu, Low-Temperature Growth of Well-Aligned ZnO
Nanorods by Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials, 2002. 14(3):
p. 215-218.
75. Sarkar, D., et al., Formation of zinc oxide nanoparticles of different shapes in
water-in-oil microemulsion. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and
Engineering Aspects, 2011. 381(1–3): p. 123-129.
76. Hames, Y., et al., Electrochemically grown ZnO nanorods for hybrid solar cell
applications. Solar Energy, 2010. 84(3): p. 426-431.
77. Choi, K., T. Kang, and S.-G. Oh, Preparation of disk shaped ZnO particles
using surfactant and their PL properties. Materials Letters, 2012. 75(0): p.
240-243.
78. Karunakaran, C., V. Rajeswari, and P. Gomathisankar, Optical, electrical,
photocatalytic, and bactericidal properties of microwave synthesized
nanocrystalline Ag–ZnO and ZnO. Solid State Sciences, 2011. 13(5): p. 923928.
79. Skoog, D.A., West, D.M. Analisis Instrumental. Madrid : Mc Graw Hill (2001).
80. http://www.nitbiosafe.com/es/composicion-quimica-estructural/edx.html
81. Rock, P. A. ‘Chemical Thermodynamics’ MacMillan, 1969, London.
82. J. C. H. Spence, Experimental high-resolution electron microscopy,
Monographs on the physics and chemistry of materials, Oxford University
Press, 1988.
pág. 99
Siegbahn, K.; Edvarson, K. I. Al (1956). "β-Ray spectroscopy
83. in the precision range of 1 : 1e6”. Nuclear
84. Cho, S., S.-H. Jung, and K.-H. Lee, Morphology-Controlled Growth of ZnO
Nanostructures Using Microwave Irradiation: from Basic to Complex
Structures. The Journal of Physical Chemistry C, 2008. 112(33): p. 1276912776.
85. Wahab, R., et al., The role of pH variation on the growth of zinc oxide
nanostructures. Applied Surface Science, 2009. 255(9): p. 4891-4896
86. Ahsanulhaq, Q., et al., Structural properties and growth mechanism of flowerlike ZnO structures obtained by simple solution method. Materials Research
Bulletin, 2008. 43(12): p. 3483-3489
87. Zhang, J., et al., Control of ZnO Morphology via a Simple Solution Route.
Chemistry of Materials, 2002. 14(10): p. 4172-4177.
88. Wei, A., et al., Growth mechanism of tubular ZnO formed in aqueous solution.
Nanotechnology, 2006. 17(6): p. 1740
89. Ashfold, M.N.R., et al., The kinetics of the hydrothermal growth of ZnO
nanostructures. Thin Solid Films, 2007. 515(24): p. 8679-8683
90. Maira Berenice Moreno-Trejo and Margarita Sánchez-Domínguez
Materials 2016, 9(10), 817; doi:10.3390/ma9100817
91. Y.L. López-Franco, R.E. Córdova-Moreno, F.M. Goycoolea, M.A. Valdez, J.
Juárez-Onofre, J. Lizardi-Mendoza, Classification and physicochemical
characterization of mesquite gum (Prosopis spp.), Food Hydrocoll. 26 (2012)
159–166. doi:10.1016/j.foodhyd.2011.05.006.
92. F.M. Goycoolea, A.M. Calderon de la Barca, J.R. Balderrama, J.R.
Valenzuela, G. Hernandez, Gums and Stabilisers for the Food Industry 9,
Elsevier, 1998. doi:10.1533/9781845698362.4.305.
93. J. Lee, J. Chung, S. Lim, Improvement of optical properties of postannealed ZnO nanorods, Physica E 42 (2010) 2143–2146.
94. Agnihotri, S. Mukherji and S. Mukherji, Nanoscale, 2013, 5, 7328.
pág. 100
95. Agnihotri, S., Bajaj, G., Mukherji, S., & Mukherji, S. (2015). Arginine-assisted
immobilization of silver nanoparticles on ZnO nanorods: an enhanced and
reusable antibacterial substrate without human cell cytotoxicity. Nanoscale,
7(16), 7415-7429.
pág. 101