Presentació sobre l'experiment amb nanosensors colorimètrics d'or utilitzada en el curs de formació de professorat entorn a nanotecnologies.

1. Dossier de formació en nanotecnologies
per als professors
Mòdul experimental
Un dossier de formació integral per als professors
Experiment C
Judith Linacero, Plataforma de Nanotecnologia, PCB
Luisa Filipponi, iNANO, Universitat d’Aarhus
Aquest document ha estat creat en el context del projecte NANOYOU (WP4, tasca 4.1). Tota la informació es proporciona tal com apareix aquí, i no es
dóna cap garantia que la informació sigui adequada per a cap propòsit concret. L’usuari de la informació en fa ús sota la seva pròpia responsabilitat. El
document reflecteix únicament les opinions dels seus autors, i la Comissió Europea no es fa responsable de la utilització que es pugui fer de la
informació que conté.

2. Abans d’utilitzar aquesta presentació
Aquesta presentació en PowerPoint forma part del mòdul experimental del dossier de
formació en nanotecnologies per als professors elaborat per NANOYOU. AQUEST PAQUET
DE L’EXPERIMENT C INCLOU EL MATERIAL SEGÜENT:
Per al professor:
EXPERIMENT C - DOCUMENT PER AL PROFESSOR
VÍDEO 2 - GOLD COLLOID DE NANOYOU
Per als estudiants:*
EXPERIMENT C - LECTURES INTRODUCTÒRIES PER ALS ESTUDIANTS
EXPERIMENT C - QUADERN DE TREBALL DE LABORATORI DE L’ESTUDIANT
NIVELL DE L’EXPERIMENT: Avançat
* Aquests documents estan a disposició dels grups d’edat d’11-13 i 14-18 anys en diverses llengües.
ELS DOCUMENTS ES PODEN TROBAR A WWW.NANOYOU.EU.
Aquests documents de NANOYOU es distribueixen amb una llicència de Creative Commons – Attribution-
NonCommercial-ShareAlike, llevat que s’indiqui altrament. Cal tenir en compte que algunes de les imatges
que conté aquest PowerPoint estan protegides amb drets d’autor, i que per tant per reutilitzar-les fora
d’aquest document cal el permís del titular dels drets originals. Per a més detalls vegeu la diapositiva 19.
AVÍS D’EXEMPCIÓ DE RESPONSABILITAT: En els experiments que es descriuen en el dossier de formació següent es fan servir productes químics que cal utilitzar seguint les
especificacions de seguretat del fabricant i la normativa de seguretat específica de l’escola. La protecció personal s’ha d’utilitzar seguint les indicacions corresponents. Com
amb tots els productes químics, cal prendre precaucions. Els sòlids no s’han d’inhalar, i cal evitar-ne el contacte amb la pell, els ulls o la roba. Cal rentar-se bé les mans després
de manipular-los, i s’han de llençar seguint les indicacions corresponents. Tots els experiments s’han de realitzar en presència d’un educador format per ensenyar ciència. Tots
els experiments es duran a terme sota la pròpia responsabilitat de cadascú. La Universitat d’Aarhus (iNANO) i el consorci NANOYOU en el seu conjunt no es fan responsables
dels danys o les pèrdues que puguin produir-se com a conseqüència de la realització dels experiments descrits.

3. Nanosensor colorimètric d’or
EXPERIMENT C
NIVELL D’EDAT: 11-13 i 14-18 ANYS

4. Experiment C – Nanosensor colorimètric d’or
Aplicacions de les nanotecnologies: Medicina
Les propietats de l’or a escala nanomètrica són diferents de les de
l’or a escala macroscòpica.
PROPIETATS OPTIQUES
Figura 1. Or macroscòpic i nanoscòpic. Crèdits de la imatge: vegeu la diapositiva 19
- Dúctil. - Nanopartícules d’or a l’aigua poden
- Mal·leable. formar un col·loide.
- Color groc metàl·lic. - El color depèn de la grandària (zona on
- Estable i no tòxic. els seus electrons es poden moure
- Bon conductor. lliurement) .
- Resistent a la corrosió.

5. Experiment C – Nanosensor colorimètric d’or
Aplicació de les nanotecnologies: Medicina
S’hi generen plasmons de superfície que oscil·len
endavant i enrere de manera sincronitzada en un
espai reduït: ressonància localitzada dels
plasmons de superfície (localized surface
plasmon resonance, LSPR).
→ Quan la freqüència d’aquesta oscil·lació és la
mateixa que la freqüència de la llum que l’ha
generat (és a dir, la llum incident), aleshores es
diu que el plasmó està en ressonància amb la
llum incident.
→ Els col·loides de metall tenen una forta
absorció del visible a causa de l’oscil·lació
coherent de la ressonància dels plasmons.
→ Les nanopartícules de metall adquireixen
colors diferents (vermell, verd, taronja, etc.).
Figura 2. (superior) Efecte LSPR (2). (inferior) El color
L’energia de l’LSPR depèn de la constant del metall depèn de la grandària de les
nanopartícules. Crèdits de la imatge: vegeu la
dielèctrica del material i de l’entorn i de la forma diapositiva 19
i de la grandària de la nanopartícula.

6. Experiment A - Protocol
Material:
Taula professors: Taula comú:
Per taula Solució HAuCl4
1 Erlenmeyer 50 ml Solució Na3C6H5O7+2H2O
1 Hotplate stirrer 1 Recipient amb solució NaCl
1 Barra magnètica 1 Brick de llet
1 Termòmetre 1 Recipient amb solución de sucre
1 Pipeta de 2ml Aigua destilada
1 Pipum
1 Laser
2 Gots de plàstic
1 Gradeta
5 Tubs d’assaig
1 Ou
1 Contenidor de plàstic per posar-hi l’ou
5 Pipetes pasteur
Guants per no cremar-se!
LA SEGURETAT ES MOLT IMPORTANT EN QUALSEVOL TIPUS
D'EXPERIMENT!!

7. Experiment C – Protocol de la síntesi
→ Prepareu solucions estàndard (tetracloroaurat d’hidrogen (HAuCl4) i una solució de
citrat trisòdic (Na3C6H5O7) en aigua). Color groc clar.
→ Escalfeu el tetracloroaurat d’hidrogen fins a la seva temperatura d’ebullició.
→ Afegiu-hi ràpidament el citrat.
→La solució s’aclareix immediatament. La reacció continua fins que es forma el col·loide
de color roig robí.
→ El temps de reacció des de l’addició del citrat és d’uns 10 minuts.
Abans de la reacció Fi de la reacció

8. Experiment C – Nanosensor colorimètric d’or
Aplicacions de les nanotecnologies: Medicina
→ En la reacció, el citrat actua com a agent reductor feble (redueix AuCl4- a Au) i com a
estabilitzador. Una capa d’anions del citrat adsorbeix cada nanopartícula i impedeix
que s’agreguin: la repulsió electrostàtica dels anions manté les nanopartícules separades.
→ Col·loide d’or amb nanopartícules de 0-20 nm de grandària.
→ En aquest estat, el col·loide és de color roig robí.

9. Experiment C - Detalls de la síntesi
→ Al cap d’aproximadament un minut s’hi observen alguns canvis de color:
gris clar > gris blavós > morat > morat fosc > roig robí
→ Estudis molt recents han demostrat que a mesura que es va produint la reacció es
van formant algunes nanoestructures intermèdies, entre les quals hi ha nanocables
d’or (solució morat fosc).
→ Els nanocables es descomponen en nanopartícules.
Figura 5 (esquerra) Mecanisme de creixement de les partícules d’or nanoesfèriques. (Dreta) Imatges
TEM del color fosc intermedi que mostren una extensa xarxa de nanocables d’or. Crèdits de la imatge:
vegeu la diapositiva 19

10. Experiment C – Nanosensor colorimètric d’or
Aplicacions de les nanotecnologies: Medicina
SENSOR: Dispositiu capaç de reconèixer una o més espècies químiques.
BIOSENSOR: Dispositiu capaç de detectar una biomolècula específica. (Anticossos, DNA...).
En un biosensor col·loïdal d’or, la detecció es produeix quan hi ha un canvi d’agregació
entre les nanopartícules que conformen el col·loide.
Canvi de color del col·loide
Biosensor colorimètric d’or.
Figura 4. Sensor col·loïdal d’or. Crèdits de la
imatge: vegeu la diapositiva 19.

11. Experiment C - Sensor químic
El col·loide d’or es pot utilitzar com a sensor: si se n’elimina la capa d’anions, les
nanopartícules comencen a acostar-se i a aglomerar-se; això provoca un canvi de color, i
aquest efecte es pot utilitzar per detectar una substància química.
→ Si s’hi afegeix un electròlit fort, com ara el NaCl, els ions salins protegeixen les
càrregues negatives de les partícules, i les partícules tendeixen llavors a acostar-se i a
agregar-se. Això produeix un canvi en l’espectre òptic i l’aparició d’un pic d’entre 650 i
750 nm, aproximadament, que fa que la solució esdevingui de color blau fosc.

12. Experiment C - Sensor químic
→ EXPERIMENT: afegiu gotes d’una solució de NaCl al col·loide d’or.
→ Si s’hi afegeix una alta concentració de sal, les nanopartícules
s’agreguen fins al punt que precipiten, i la solució s’aclareix.

13. Experiment C – Sensor químic
→ Si s’hi afegeix un estabilitzador d’alt pes molecular, com ara una proteïna o
polietilenglicol, s’adsorbeix a la superfície de les nanopartícules amb l’efecte d’inhibir-
ne l’agregació, fins i tot amb una elevada concentració de sal.
→ Experiment:
egg egg 10
contro
white white drops
l
+ 10 NaCl
drops
NaCl

14. Experiment C – Sensor químic
→ Si s’hi afegeix un electròlit feble o un no-electròlit (com per exemple sucre), la
repulsió electrostàtica entre l’or i els ions del citrat no es veu afectada i la solució
continua sent de color vermell. S’hi pot observar un petit canvi de color (per exemple, de
roig robí a rosaci) que és conseqüència d’una aglomeració molt petita que es produeix
en afegir-hi la proteïna.
→ Prova al laboratori: afegiu deu gotetes de solució de sucre al col·loide d’or.

15. Experiment C – Nanosensor colorimètric d’or
Aplicació de les nanotecnologies: Medicina
Per què serveixen els nanosensors colorimètrics amb
nanopartícules d’or?
→ Cambi de color: nomes depèn de la agregació.
→ Cribratge genètic: per cercar una seqüència de gens
específica en una mostra que pot ser indicativa d’una
malaltia concreta.
Avantatges respecte a altres mètodes:
→ No exigeixen cap marcador; canvi òptic intrínsec.
→ Funcionen amb moltes combinacions de biomolècules
amb mecanisme de ―pany i clau‖.
→ Tenen un límit de detecció baix.

16. Crèdits de les imatges
Figura 1: El color depèn de la grandària de l’or. (Crèdits de la imatge: L. Filipponi, iNANO, Universitat d’Aarhus, Creative
Commons – Attribution-NonComercial-ShareAlike 3.0).
Figura 2: (superior) Formació de plasmons en metall a escala macroscòpica (a dalt) i en nanopartícules (a baix). (Crèdits
de la imatge: D. Sutherland, iNANO, Universitat d’Aarhus, Creative Commons – Attribution-NonCommercial-ShareAlike
3.0).
Figura 2: (inferior) Micrografies electròniques de transmissió i espectrografia UV—Vis de col·loides de nanopartícules
d’or amb geometries diverses: esferes (a dalt), decaedres (al centre) i cables (a baix). (Crèdit de la imatge: reimpresa de
Borja Sepúlveda et al., "LSPR-based Nanobiosensors", Nano Today (2009), 4 (3), 244-251, amb permís d’Elsevier).
Figura 3: Representació esquemàtica de la preparació i resposta d’un biosensor LSPR basat en els canvis en l’índex de
refracció. (Crèdits de la imatge: reimpresa de Borja Sepúlveda et al., ―LSPR-based Nanobiosensors‖, Nano Today (2009),
4 (3), 244-251, amb permís d’Elsevier).
Figura 4: Nanosensor plasmònic col·loïdal. (Crèdits de la imatge: reimpresa amb el permís de Jin et al., Journal of
American Chemical Society (2003), 125 (6), 1643- . Copyright 2003 American Chemical Society).
Figura 5: (esquerra) Mecanisme de creixement de partícules d’or nanoesfèriques sintetitzades per reducció d’AuCl4-
amb citrat de sodi en solució aquosa. (Dreta) Imatges TEM del color fosc intermedi que mostren una àmplia xarxa de
nanocables d’or que han estat aïllats de la solució de color morat fosc. (Crèdits de la imatge: reimpresa amb permís de
Pong et al., J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6281-7. Copyright 2003 American Chemical Society).