Portfoolio de servicios Carracterizaación Físico-Quím mica
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Portfolio de SServicios nitcharacter: Caractterización Físico‐Química
Contenido Descripción general ..................................................................................................................... 3 TÉCNICCAS DE CARACTTERIZACIÓN FÍSSICO-QUÍMICA .................................................................................. 6 1.
Dispersión de luz dinámica (DLS) ............................................................................................. 6
2.
t (T EM) ........................................................................... 7 Microscopía ellectrónica de transmisión
3.
Microscopía ellectrónicade barrido b (SEM). .................................................................................. 7
4.
Potencial Zetaa. .................................................................................................................... 8
5.
Espectroscopíía de energía dispersiva (EDXX). .............................................................................. 9
6.
AAnálisis Elemental .............................................................................................................. 10
7.
Espectroscopíía de masas de plasma acoplaado (ICP-MS) .............................................................. 10
8.
Espectroscopíía de infrarrojoo por transform mada de Fourieer (FTIR) ................................................. 11
9.
Espectroscopíía fotoelectrónnica de Rayos X (XPS) ..................................................................... 12
10.
Resonancia Magnética Nuclear de Protóón (RMN-1H) ............................................................... 12
11.
Termogravimetría (TGA) .................................................................................................. 13
12.
Magnetómetro SQUID (Supperconducting Quantum Interference Devicce) .................................... 14
13.
Espectrofottometría de ulttravioleta-visiible (UV-Vis) .................... . ......................................... 15
14.
Espectrofottometría de fluuorescencia .................................................................................. 16
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Descripción general La ca aracterizació ón de micro / nanoestru cturas, prev via a su uso en múltiplees aplicacion nes se hace indispensab ble para con nocer y evalu uar sus prop piedades intrrínsecas. Essta caracteriz zación pectos físico os (tamaño o, distribució ón de tamaaño, carga neta, puede involucrar tanto asp imana ación, etc) como c químicos (densida ad de grupo os químicos s superficialees, estabilida ad en medio os acuososs, agregació ón, floculaciión, etc) y//o biológico os (toxicidadd, biodistribución, localización…) y debe ser llev vada a cabo con rigor cie entífico. De esta e maneraa, esta inform mación undamental para saber si una esttructura puede ser utiliz zada en el contexto de e una es fu deterrminada aplicación o es s necesario mejorar su proceso de síntesis y/oo funcionaliz zación química. Los p principales de esafíos a los s que se enfrrenta el uso de d este tipo de estructuraas (especialm mente en Na anomedicina a o Biotecnología) son la gran variabilidad en métodos de fabbricación, ma aterias prima as utilizadass, y el escalado necesa rio para pro oducir cantidades elevaddas. Para el caso concrreto de las nanopartículas (NPs), h hoy en día no existe, de modo esttándar, un control c sistem mático y rigu uroso de la variabilidad v e en la produc cción entre lo os distintos lotes sintetiz zados. Por e este motivo, en ocasione es, se hace muy difícil poder comparar resultaddos obtenido os por distin ntos grupos de investiga ación,
adem más de que también se e observa q ue los resultados
obten nidos por diferentes ind dustrias no sson totalmente satisfacttorios. Existte por lo tanto la necessidad real de d crear un n esquema de clasifica ación de NP Ps de maneera sistemática y consiistente, dond de se vean re eflejadas suss propiedade es físico-quím micas.
nanooimmunottech cuentaa
con un e equipo huma ano altamen nte cualificaddo y con amplia a
experriencia en la caracterizac ción físico-qu uímica de ma ateriales. Ad demás, para llevar a cabo o esta actividad, tiene a su dispos sición los e equipos más s punteros e instrumenntación altam mente Figura 1) Com mo ya se ha a comentado o, es de gran importanciia caracteriz zar las especcializada. (F propiedades del material antes de su utilización, ademá ás de pod er garantiz zar la repro oducibilidad en su prroducción.
nanoimmuunotech
puede llevaar a cabo una
caraccterización completa c de e estos ma ateriales a demanda d de el cliente, aatendiendo a las difere entes particularidades pro opias de cad da caso.
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Figura 1 1. Diferentes eq quipos empleaddos en la caractterización físico o‐química de maateriales.
El va alor añadido o que
nanoimmunoteech ofrece a sus clientees, no consisste únicamennte en
la rea alización de las medidas s, sino sobre e todo, en la interpreta ación de loss resultados s y el asesoramiento para p mejora ar la síntesiss y propieda ades de las partículas, een función de d las condiiciones de uso u que pla antee el clie ente. De igu ual manera,
nanoimm munotech puede p
aseso orar al clien nte tanto en el tipo de técnicas más adecuadas para el estudio de algún parám metro concre eto como en el diseño de e un ensayo en cascada para una caaracterización n más comp pleta. (Figura a 2, ejemplo o de ensayo o en cascad da utilizado para p la caraacterización físicoquímiica)
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•p pH •F Fuerza ió ónica
De ensidad de cargas c superficialles
•Adsorrción y •Desorrción biomo lécula •Potenccial Zeta
Estab bilidad
• TEM • SEM • TGA • SQUID D • DLS Caracteerización físico- química
Figura 2: Ejemplo de ensayo en casccada utilizado p para la caracterización físico‐quuímica.
o–química, llos parámetros a medirr, así como las técnicas s más Para la caracteriización físico habitu uales usadass están recogidas en la ssiguiente tab bla: CARAC CTERIZACIÓ ÓN DE:
TÉCNICA
T Tamaño y distribución d de tamaño.
- DLS - TEM - SEM
A Análisis mo orfológico de partícula.
- TEM - SEM
D Determinació ón de carga a superficiall.
Potencial P Zetta
Composició ón química/e estructural.
- EDX -An nálisis elemenntal - ICP-MS - FTIR - XPS - RMN-1H - TGA
Propied dades intrín nsecas.
- SQUID - Uv-vis - Fluorímetroo
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TÉCNICAS DEE CARACTTERIZACIÓÓN FÍSICOO-QUÍMICA 1. DDispersiónn de luz dinámica (DDLS) Media ante esta téccnica se pue ede determin nar tanto el diámetro d hid drodinámico de un materrial en suspe ensión como o la distribuc ción de tama años por med dio de medid das del moviimiento brow wniano de lass partículas. Cuan ndo se tiene en partículas s en solució ón, éstas se e desplazan n de manerra aleatoria como conse ecuencia de los choques s con el med dio en el que e están inme ersas (movim miento brown niano). Al ha acer incidir un n haz de luz z sobre estass partículas es e dispersad do y su intennsidad varía con el tiemp po debido all movimiento o browniano . Utilizando varios algorritmos matem máticos se puede p relaciionar esta variación v en n la intensid dad con el tamaño t hidrrodinámico dde las partíículas. Parám metros como o la temperratura y la vviscosidad del d disolvente e, entre otroos, influyen en el tamaño y éste, a su vez, dep pende tanto de la forma de la partícu ula como dee las interacc ciones as moléculass del medio en e el que se encuentra. con la El equipo de DLS S está formad do por un lásser monocro omático que utiliza una fuuente de luz a una a. Esta luz, u una vez que interacciona con las parttículas es dis sipada longittud de onda determinada en to odas las dire ecciones, rec cogiéndose ú e tiene un ánngulo de 90º. Las únicamente aquella que variacciones en la a intensidad de la luz sson transform madas a pu ulsos eléctriccos y éstos a los valore es de diámetro hidrodiná ámico. Los d datos proporccionados apa arecen en té érminos de in ntensidad de e luz dispersaada en funció ón del tamaño (intensida ad) aunque es e posible de eterminar el diámetro hid drodinámico en distribuciión de men o de número. (Figurra 3, gráfica de resultado os de tamaño y distribucción de tama año de volum partícculas analiza ado por DLS))
Figura 3: Tamaño y distribucción de tamaño de e partículas analizado por DLS
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2. M Microscopíía electrónnica de traansmisiónn (TEM) Esta técnica perrmite determ minar el tam maño, la dis stribución de e tamaño y la forma de d las partícculas (Figura a 4 fotografía as fotografíass obtenidas por microsco opia electrónnica. Imágen nes de transmisión TEM)). e de e transmisión n se basa en n la irradiació ón de una m uestra con un u haz La microscopía electrónica de electrones accelerados. Estos E electro ones son ge enerados en el cañón ddel microsco opio a ntes electrom magnéticas (condensadoras) y se aceleran po or una través de un sisstema de len difere encia de pottencial en co ondiciones d de vacío parra evitar la in nteracción ccon el aire. El E haz cread do, se dirige hacia la mue estra a travé s de otro sis stema de lenttes electrom agnéticas ob bjetivo y trass la interacció ón, el haz qu ue contiene l os electrone es que atravie esan la mueestra (transmitidos) es au umentado y proyectado por las lente es proyectora as. Finalmen nte, se obtieene la una im magen sobre e una pantalla fluorescen nte, una pelíccula fotográfica o una cám mara CCD. Utiliza ando esta té écnica, se pueden obtene er resoluciones de hasta 1.9 Å.
F Figura 4. Fotografías obtenidas por microscopía elec ctrónica. Imágenes s de barrido (SEM M).
3. M Microscopíía electrónnica de baarrido (SEM M). Al igu ual que el TE EM, esta téc cnica permite e determinarr el tamaño, la distribucióón de tamañ ño y la forma a de las partículas (Figurra 5 Imágene es obtenidas por microsc copia electrónnica. Imágen nes de barrid do SEM)). Esta técnica conssiste en el es scaneo punto o a punto de e una muestrra que es irraadiada con un u haz electrones de d alta en nergía. La información n tanto top pográfica coomo morfológica, de e confo ormacional y cristalográfica es obten ida a través del análisis de los electtrones deflec ctados tras la a interacción n con la mue estra. Estos m microscopios s constan de una fuente de electrone es que los a acelera desd de 0.5 a 30eV y se pu uede realizar medidas en e vacío coomo en atmó ósfera húme eda. Depend diendo de las s condicioness de medida, se pueden obtener resooluciones de e entre 10 y 0 0.8 nm.
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En la a microscopía a electrónica a de barrido, los electrones interaccio onan con la m muestra, pen netran hasta a una determ minada profu undidad e io nizan los nú úcleos atómicos. Como cconsecuencia, los electrrones de loss enlaces qu uímicos son liberados y recogidos en e un detecctor. Así apa arecen píxele es brillantes en la pantalla de observvación de tal manera que e la intensidaad de cada uno u de ellos es directam mente proporcional a la ccantidad de electrones arrancados a dde la muestrra. De esta manera la im magen se ob btiene como un mapa de e distribución de intensiddades de la señal emitid da por cada área escane eada del matterial. Por o otro lado el empleo e de la a técnica ED DX (Energy-d dispersive X--ray spectrosscopy) acopllada a estoss microscopio os proporciona informaci ón sobre la composición c del materiall.
Fig gura 5: Fotografía as obtenidas por m microscopía electrrónica. Imágenes de transmisión TE EM).
4. PPotencial Zeta. Z A parrtir de la dete erminación de d la movilida n de la ad electroforrética, se puede obtenerr información carga a superficial que presenttan las partícculas. Para ello, se realizan medidass de velocidad de migra ación de lass partículas cuando se e aplica una a diferencia de potenciial entre los s dos electrrodos de la célula en la que están ccontenidas. De nuevo, la a muestra ess irradiada por p un haz d de luz mono ocromático y se analiza an las variac ciones en la dispersión de esta luz z a un ángulo de 17 º que son directamente d e proporcion nales a la velocidad dde las partíículas. uación de He enry, se pue ede calcular el potenciall (ξ) a partir de la Finalm mente, apliccando la ecu movillidad electrofforética. (Fig gura 6, Gráficca obtenida en e la medició ón de la cargga superficia al para unas partículas fu uncionalizada as con grupo os carboxillo
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F Figura 6:. Grafica obtenida en la me edición de la cargaa superficial para unas partículas fu uncionalizadas coon grupos carboxilo.
5. EEspectrosccopia de energía disspersiva (EEDX). Propo orciona inforrmación a ce erca de la co omposición química q de la as partículas ya que cuan ndo la muesstra es irradia ada con un haz h de electrrones se gen neran rayos X que puedeen ser detecttados. El esspectro de EDX E se obtie ene tras reccoger los foto ones emitido os por la muuestra duran nte un deterrminado perriodo (minuto os) y permiite identifica ar y cuantific car los difeerentes elem mentos prese entes en el material. Es sta técnica sse emplea acoplada a a microscopioos electrónicos de transmisión o de e barrido y a microscop pio de rayos s X. (Figura 7, gráfica dde resultado os con e energía dis spersiva EDX X). especctroscopia de
Figura 7:Gra afica de resultadoss de espectroscop pía de energía dis spersiva EDX.
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6. AAnálisis Elemental El an nálisis elem mental se ba asa en la o oxidación co ompleta e instantánea del materia al por comb bustión con oxígeno o puro o a 1000ºC. Los producttos de esta combustión c sson separad dos de forma a específica y derivados a un detecto or de conductividad térmica. Por lo o tanto, esta técnica perm mite obtenerr la composic ción total de carbono, nitrrógeno, hidró ógeno y azu ufre en matteriales orgá ánicos e ino rgánicos que pueden encontrarse e en solución o en estad do sólido. (F Figura 8, grá áfica de resu ultados de análisis a elem mental de cuuatro muestrras de distin ntos producto os analizados s)
MUESTRAS
%C
%N
%H
%S
%O
A
72.01
0.87
6.78
0.94
19.4
B
60.21
2.28
7.84
3.54
26.13 3
C
77.58
1.12
6.44
1.41
13.45 5
D
95.88
1.49
0.72
0.77
1.14
Figura 8. Gráfica de resulta ados de análisis ellemental de cuatro o muestras de dis stintos productos aanalizados.
m de pplasma acooplado (ICP-MS) 7. EEspectrosccopia de masas Media ante esta téccnica se puede determina ar y cuantific car la mayoríía de los elem mentos de la a tabla periódica presentte en los ma ateriales con una gran se ensibilidad (d del orden deel ng/L). (Fig gura 9, equip po de especctroscopia de e masas de plasma aco oplado ICP-M MS). Para e llo, la muestra se introd duce en un plasma de argón y, co omo consec cuencia de la temperatuura alcanzad da, se produ uce la atomización o rup ptura de los enlaces quíímicos y la io onización dee cada uno de d los eleme entos que, seguidamente, son ana alizados en un espectrofotómetro dee masas pa ara su identiificación y cu uantificación.
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Figura 9: Eq quipo de espectrosscopia de masas de plasma acopla ado (ICP-MS)
8. EEspectrosccopia de innfrarrojo ppor transfformada de d Fourierr (FTIR) Perm mite la cara acterización de los p principales grupos fun ncionales ppresentes en un micro o/nanomateriial por medio de la med dida de luz absorbida a cu uando se irrradia una mu uestra con lu uz infrarroja. (Figura 10, espectrofotó ómetro de inffrarrojo) En essta técnica se s hace incid dir un haz de e luz infrarrojjo sobre la muestra, m de ttal forma que si la frecuencia de exccitación de un u enlace qu ue forma parrte de la molécula a anallizar, coincid de con na de las freccuencias que e componen n el haz, se produce p absorción de ennergía. La longitud algun de on nda a la cual se produce esta absorcción es carac cterística de cada c tipo de enlace cova alente, permitiendo así la a caracteriza ación.
Figura 10. E Espectrofotómetro de infrarrojo.
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9. EEspectrosccopia foto electróniica de Rayyos X (XPS) Perm mite evaluar el estado químico q y la a composiciión de los átomos supperficiales de e una estructura, a través de la irrad diación de la a muestra co on rayos X y la medida dde la cinética a y del ero de electro ones que so on arrancado os del materia al, con una profundidad p máxima de 5 – 10 núme nm (e entre 4-20 ca apas atómica as). (Figura 1 11, equipo de e XPS)
Figuura 11. Equipo de XPS.
10. Resonancia Magnnética Nucclear de Prrotón (RMN-1H) Esta técnica va a permitir obtener o inforrmación de la estructurra orgánica de un mate erial y diar núcleos atómicos co on un númerro impar de protones, y/o /o neutrones entre consiiste en estud los qu ue se encue entran los áto omos de 1H. Este tipo de e núcleos son magnéticaamente activo os, de tal m manera que cuando so on sometidoss a un cam mpo magné ético, adsorbben energía a que, poste eriormente y cuando este campo de esaparece, emiten. Esta emisión es registrada y varía consiiderablemente según el entorno quím mico que ten nga el átomo o de 1H por lo que pued de ser utiliza ada para obttener información estrucctural. (Figura 12, equipo o característtico de reson nancia magn nética nuclea ar de protón).
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Figura 12: Equipo característicco de Resonancia a Magnética Nucle ear de Protón.
11. Termoggravimetríía (TGA) El an nálisis termog gravimétrico (TGA) conssiste en la cu uantificación de la masa de la muestra en funció ón de la tem mperatura bajjo una atmóssfera de aire e, O2, N2, H2 o Ar. El equuipo está forrmado por u una balanza analítica de e extrema se ensibilidad, un u horno, en n el que calieenta la muestra a una velocidad determinada y un sistem ma de gas que proporc ciona la atm mósfera des seada. mite evaluar la pureza y determinar la proporció ón de la cantidad de m materia orgán nica e Perm inorgánica. (Figu ura 13, resu ultados obte enidos tras el análisis termogravim imétrico de cinco muesstras diferenttes).
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Figu ura 13. Resultados s obtenidos tras e l análisis termogra avimétrico de cinc co muestras difereentes.
12. Magnettómetro SQUID (SSupercondducting Quantum Q Interferrence DDevice) Con esta técnica a se estudiar en profu ndidad las propiedades s magnéticaas. Estos eq quipos nto de la ma agnetización (M) como de e la susceptiibilidad magnética permiten la deterrminación tan e las micro/n nanopartícula as magnética as en un amp plio rango de e temperaturras (1.9 K - 400 4 K) (χ) de y cam mpos magnéticos (de 5T a –5T) con a alta sensibilid dad (10-7 a 10-9 emu con opción RSO O). El sisstema SQUID D está forma ado por un co onjunto de anillos detectores enlazaddos con un sensor s SQUID por medio de una se erie de cone xiones supe erconductoras (uniones JJosephson). Entre las un niones se localizan un trransformado or para la red ducción del ruido r y una bbobina de en ntrada de se eñal para que e la corriente e procedente e de los anillos detectore es se acople inductivame ente al senso or SQUID. A continuació ón, una bob bina registra la señal de radiofrecuenncia de salid da del senso or SQUID y la transmite a un amplifiicador donde e esta señal es transform mada. Los valores de vo oltaje obtenid dos son prop porcionales a la intensidad de corriente circulantte en la bobiina de entra ada del SQUID. (Figura 14, 1 magnetó ómetro SQUIID) El análisis matemáticco de estos datos permite obtener el e valor de la magnetizacción (M), que se define co omo la sumaa de los mom mentos magn néticos de ca ada átomo por p unidad de e volumen, y de la susce eptibilidad (χχ) que es el grado de magnetización n de un mate erial en respu uesta a un ca ampo magné ético. Además, las curvas de magnettización perrmiten deterrminar la m magnetizació ón de saturración, la magnetización remanente y la coercitividad magnétiica, (HC).
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Figura 114. Magnetómetro o SQUID.
13. Espectrrofotomettría de ultravioleta--visible (UUV-Vis) Perm mite determin nar las prop piedades óp pticas de un n material como c puedee ser el pla asmón superrficial en pa artículas mettálicas. (Figu ura 15, equiipo de espectrofotometrí ría de ultraviioletavisiblle (UV-VIS) Es un na técnica que se basa en la determ minación de la cantidad de d radiaciónn electromagnética (para a longitudes de onda entre 190 -800 nm) que puede absorbe er o transmittir una mues stra en funció ón del tipo y la cantidad de d muestra. Cuan ndo un haz de luz en la re egión UV- viss incide sobrre una mues stra, se produuce una abso orción parcia al de esta ra adiación haciendo que lo os átomos pa asen de un estado e basa l a uno excittado y produ uciéndose un incremento de energíía que es ca aracterístico de cada suustancia. Po or otro lado, esta técnica a, permite cu uantificar la ccantidad de muestra presente a travvés de la ecu uación ambert-Beer.. de La
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Figu ura 15: Espectrofootometría de ultrav violeta visible (UV-VIS)
14. Espectrrofotomettría de fluorescencia Es un na técnica em mpleada parra detectar la a capacidad de emitir fluo orescencia qque tienen alg gunas partícculas (Qdots, fluoróforos,, etc.). En essta técnica, se s hace incid dir un haz de e luz sobre la a muestra de tal forma quue se produc ce una absorrción de ene ergía haciend do que pase de encontra arse en un es stado basal a uno excitad do. La fluore escencia se produce cua ando retorna a su estado o inicial, emitiendo la eneergía absorbiida en forma a de fotones.. (Figura 16, espectrofotó ómetro de flu uorescencia))) Es u una técnica con un se ensibilidad e entre 1 y 3 veces sup perior a la obtenida con c la especctrofotometríía de UV- vis s.
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Figura 16.. Esppectrofotómetro de fluorescencia.
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