Nanopartículas de óxido de hierro:materiales compuestos de nanotubos de carbono de paredes múltiples para separación de biomoléculas cromatográficas o por lotes

Resultados y discusión

Los nanotubos de carbono de paredes múltiples son bastante hidrófobos y, por lo tanto, tienden a no interactuar fuertemente con las nanopartículas de óxido de hierro polar. Para hacer que los CNT sean más polares y permitir interacciones con óxidos de hierro, la superficie se trató con ácido nítrico y sulfúrico. Este tratamiento genera defectos superficiales e incluso grupos superficiales cargados, que actúan como coprecipitación de nanopartículas de semillas y como sitios de unión para nanopartículas de óxido de hierro. Se probaron y analizaron varios métodos y agentes para la generación de sitios defectuosos con espectroscopía Raman (archivo adicional 1:Fig. S1). La espectroscopia Raman produce las proporciones de la banda de defecto ( D ) a la banda de grafito ( G ) [41, 42, 50, 51]. La razón de la integral de G a D La banda depende de la longitud de onda láser utilizada [52]. Sin embargo, el aumento de esta relación suele ser un buen indicador de la oxidación de la superficie de los nanotubos y, por tanto, para identificar el mejor método para la modificación de la superficie de los NTC [52,53,54,55]. Si bien nuestros resultados indican una proporción muy alta para D : G después del tratamiento con ácido nítrico de la suspensión de nanotubos, la mezcla de ácido nítrico y sulfúrico conduce a un ligero aumento de esta relación (Archivo adicional 1:Tabla S1). Para los experimentos posteriores solo se utilizaron CNT tratados con la mezcla de ácido nítrico y sulfúrico, que representa el método más reproducible que conduce a nanotubos que pueden empaquetarse en columnas cromatográficas de acuerdo con nuestros experimentos y literatura [54]. Estos nanotubos se denominan CNT carboxilados (cCNT).

Las nanopartículas de óxido de hierro sintetizadas por coprecipitación en presencia de cCNT producen SPION con un tamaño promedio ligeramente mayor que las partículas sintetizadas de manera similar sin cCNT (Fig. 1c). Sin embargo, la distribución del tamaño es más amplia en el rango de 5 a 20 nm y las partículas sintetizadas con cCNT se unen a los nanotubos. El material compuesto sintetizado posee principalmente las propiedades de las nanopartículas de óxido de hierro y está decorado de forma homogénea. La decoración de cCNT con nanopartículas de óxido de hierro, que están presentes como manchas oscuras, puede observarse con microscopía electrónica de transmisión y está de acuerdo con la literatura [32, 36,37,38]. Nuestros resultados indican una carga homogénea de SPION en cCNT ya que no se pueden observar agregados más grandes de nanopartículas en las imágenes (Fig. 1b).

Imágenes TEM de cCNT ( a ) y cCNT-SPIONs ( b ). Distribución de tamaño a partir de cuatro imágenes y un recuento mínimo de 30 partículas por imagen para cada material c

Las mediciones de magnetización a temperatura ambiente indican un material compuesto superparamagnético con una magnetización de saturación de 67 emu g ⁻¹ y sin remanencia magnética (<1 emu g ⁻¹ ). La magnetización de saturación es solo ligeramente más baja que las nanopartículas de óxido de hierro desnudo puro y la forma de la curva de histéresis es similar (Fig. 2) [45, 56, 57]. Por tanto, la capa superficial y la composición del núcleo de los compuestos SPIONs y cCNT-SPIONs son similares [57]. El análisis cristalográfico del material compuesto muestra una estructura de espinela correspondiente a magnetita o maghemita, mientras que no se puede observar ninguna estructura cristalina de CNT (Fig. 2b) [37, 57]. La señal a 11,8 ° que se produce en CNT y cCNT puede indexarse ​​como el reflejo ⟨0 0 2⟩ de la estructura hexagonal del grafito [17]. La decoración de cCNT con nanopartículas de óxido de hierro conduce a la aparición de reflejos:⟨1 1 1⟩ a 5,4 ° ⟨2 2 0⟩ a 13,7 °, ⟨3 1 1⟩ a 16,1 °, ⟨4 0 0⟩ a 19,4 ° , ⟨4 2 2⟩ a 23,8 °, ⟨5 1 1⟩ a 25,3 ° y ⟨4 4 0⟩ a 25,6 ° [29, 41]. Estas reflexiones son consistentes con los datos XRD estándar para la fase cúbica Fe ₃ O ₄ (JCPDS nº 89-4319) con una estructura cúbica centrada en las caras y nuestras propias SPION de referencia [17, 32]. Los reflejos del material compuesto muestran un FWHM más grande que resulta en un diámetro de Scherrer más pequeño del material cristalino. Este comportamiento puede explicarse con la distribución de tamaño de partícula más grande del material compuesto como se observa con TEM, y las semillas de nucleación adicionales en la superficie de cCNTs [46]. Un mayor número de semillas de nucleación generalmente conduce a cristalitos primarios más pequeños [36, 46]. Tanto la magnetización como los patrones de difracción concuerdan con otros métodos de decoración, como la modificación electrostática mediante polietilenimina o ácido poliacrilato [18, 22]. La intensidad de la reflexión correspondiente al grafito es similar en el material puro y en el material compuesto y no se pueden observar cambios significativos. Sin embargo, la intensidad de los reflejos correspondientes a las estructuras de óxido de hierro demuestra una señal mucho más intensa.

Curva de histéresis magnética obtenida con un SQUID de -50.000 a 50.000 Oe a 300 K ( a ) y patrones de XRD en polvo de cCNT-SPION, cCNT, CNT y SPION obtenidos con una fuente de MoKα ( b )

Por tanto, el material compuesto combina las propiedades de los nanotubos de carbono y las nanopartículas magnéticas. La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, que es un método muy sensible a la superficie, muestra la unión del óxido de hierro a las cCNT (archivo adicional 1:Fig. S2). Aquí, magnetita y / o maghemita están presentes ya que la F 2 p ^3/2 La banda de las cCNT-SPIONs muestra un máximo a 711 eV y la Fe 2 p ^1/2 muestra un máximo a 724 eV [37, 57]. La forma de los satélites de vibración también indica la presencia de magnetita en lugar de hematita [57, 58]. Los O 1 s región indica C – O y COO ^- enlaces para cCNT y cCNT-SPION, mientras que el material compuesto muestra otra banda a 529,5 eV que corresponde a la presencia de enlaces Fe-O [37, 41]. Los enlaces entre el carbono y el oxígeno en la región de O 1s están de acuerdo con las observaciones de los C 1 s región, que también indica especies de carbono oxidadas de manera diferente (Fig. 3). Aquí, no solo los grupos carboxi (289 eV) sino otros enlaces C – O (286–287.5 eV) así como sp ² Se puede observar carbono hibridado (284,5 eV) correspondiente al carbono de la estructura principal de los NTC [41, 51].

Espectros XP en el rango de C 1 s de cCNT ( a ) y cCNT-SPIONs ( b ). Los espectros están equipados con una combinación de funciones gaussianas y lorentzianas con el programa Origin

La decoración de cCNT con SPIONS también se puede observar con espectroscopia ATR-IR. En la figura 4, la banda a 550 cm ⁻¹ correspondiente a un T _1u La vibración de los cristales de magnetita es más prominente para el material compuesto [17, 58]. En los CNT carboxilizados, el director de operaciones ^- Se pueden observar vibraciones de estiramiento simétricas y asimétricas correspondientes al grupo carboxi a 1325, 1400 (s) y 1624 cm ⁻¹ (as), respectivamente [17, 36, 50, 59]. Además, el O – H estira las vibraciones alrededor de 3250 cm ⁻¹ indican la presencia de grupos carboxi en los cCNT [17, 29, 32, 50]. La disminución de la intensidad de los picos correspondientes a las vibraciones C – O para cCNT-SPIONs combinada con la banda prominente correspondiente a las vibraciones Fe – O es un buen indicador de un recubrimiento homogéneo. Las nanopartículas de óxido de hierro son las que mejor absorben la radiación infrarroja y, por lo tanto, los resultados no son cuantitativos, sino solo un indicador de un aumento de óxido de hierro en la superficie combinado con la desaparición de las bandas correspondientes a las vibraciones C – O.

Espectros ATR-IR de cCNT-SPIONs y cCNTs

El potencial zeta del material compuesto es solo ligeramente superior al potencial zeta de las SPION desnudas, aunque el tratamiento ácido debería dar como resultado un material con una carga muy negativa. No pudimos realizar mediciones de potencial zeta de los NTC que tienden a agregarse en ambientes acuosos. El punto isoeléctrico del material compuesto todavía se encuentra en el rango neutro con pH 7,5 en comparación con pH 6,5 para las nanopartículas desnudas (Fig. 5a) [57]. Este comportamiento sugiere un buen recubrimiento o decoración de los cCNT con nanopartículas de óxido de hierro y apoya las otras caracterizaciones analíticas del compuesto. La aparición de hierro en los espectros XP, la aparición de vibraciones Fe-O en el espectro IR, la magnetización de alta saturación y la aparición de materiales de mayor densidad en TEM apuntan a una unión exitosa de nanopartículas de óxido de hierro a cCNT. Además, el comportamiento del potencial zeta es anfifílico y similar para ambos materiales con pH creciente y decreciente, lo que también indica que los óxidos de hierro son las especies superficiales más prominentes. Observamos un comportamiento muy similar para los experimentos de humectación con el método de elevación capilar (archivo adicional 1:Fig. S3). Aquí, la energía libre de la superficie, así como la parte polar y dispersiva, obtenida por múltiples experimentos con diferentes disolventes, son similares para las nanopartículas de óxido de hierro desnudas y compuestas. La capilaridad de los materiales se determina con etilenglicol para nanotubos de carbono desnudos como se describe en la literatura [60, 61]. Para todos los demás materiales, el hexano como fluido con una tensión superficial muy baja (18,4 mJ m ⁻² ) fue elegido para determinar la capilaridad. Las nanopartículas de óxido de hierro desnudo poseen una energía libre superficial total de 55,9 mJ m ⁻² , mientras que el material compuesto tiene una energía superficial de 47,1 mJ m ⁻² (Figura 5b). El material compuesto tiene una participación polar ligeramente superior. Sin embargo, los CNT sin tratar y el cCNT se comportan de forma completamente diferente. Los CNT no tratados muestran una alta energía libre superficial dispersiva, mientras que los cCNT son altamente polares según el método de Owens Wendt Rabel y Kälble [48]. A partir de este método, se pueden comparar las partes polares y dispersivas de los líquidos humectantes y el ángulo de contacto resultante derivado de los experimentos de elevación capilar (archivo adicional 1:Fig. S4). La energía libre de superficie de los NTC obtenidos con este método es ligeramente superior a los resultados obtenidos por Dresel y Teipel, que también realizaron experimentos de elevación capilar con NTC de Baytube [60]. Los resultados de la tensiometría obtenidos con el método de elevación capilar son un indicador interesante para describir las diferencias como la polaridad y la humectación con agua de las superficies de los nanomateriales. Sin embargo, especialmente con superficies nanoestructuradas y capilares nanoestructurados, este método puede ser propenso a errores. Aquí, todos los materiales muestran una gran superficie específica (archivo adicional 1:Figura S5). Las nanopartículas de óxido de hierro desnudo tienen una superficie específica de 110 m ² g ⁻¹ , los cCNT poseen una superficie específica de 228 m ² g ⁻¹ y el material compuesto muestra una superficie específica de 131 m ² g ⁻¹ . Esta superficie específica se encuentra en un rango similar, especialmente cuando se considera la superficie volumétrica ya que las densidades de cCNT (1,46 g cm ⁻¹ ), cCNT-SPIONs (2,38 g cm ⁻¹ ) y SPION (3,8 g cm ⁻¹ ) varían significativamente. La densidad de los NTC concuerda bien con la variación de la densidad de los nanotubos de carbono [53].

Potencial zeta de SPION y cCNT-SPION de pH 4 a 10 ( a ) y energía libre superficial obtenida de experimentos de elevación capilar con el método OWRK ( b )

Con el fin de hacer uso del material compuesto para procesos de extracción en fase sólida y cromatografía, se ha comparado la capacidad de unión estática y dinámica de los aminoácidos. Uno de los principales objetivos de este estudio fue verificar si el material compuesto se puede utilizar en un sistema de cromatografía, donde las nanopartículas de óxido de hierro pueden actuar como fase estacionaria. Las nanopartículas desnudas no se pueden utilizar como fase estacionaria en una columna de cromatografía por sí solas debido a la gran caída de presión y las posibles pérdidas a través del filtro. Por tanto, el comportamiento de unión de los aminoácidos a las nanopartículas desnudas solo puede compararse con las isotermas de adsorción en equilibrio. En la Fig. 6a, se puede observar un comportamiento similar de la isoterma de adsorción de l-lisina en cCNT-SPIONs y SPIONs. La constante de unión de equilibrio ( K _D ) está en un rango similar (0,17 g L ⁻¹ para cCNT-SPIONs y 0,72 g L ⁻¹ para SPION) y la gran diferencia en la capacidad máxima de unión (0,91 g g ⁻¹ para cCNT-SPIONs y 0.15 g g ⁻¹ para SPIONs). Las diferencias de afinidad y capacidad de unión pueden explicarse por las fuertes interacciones electrostáticas entre la lisina y los materiales cargados negativamente, como los cCNT, en comparación con las interacciones con los óxidos de hierro anfifílicos [62]. Sin embargo, las nanopartículas de óxido de hierro también suelen tener carga negativa, ya que se complejan con iones fosfato en el tampón PBS [63]. Se eligió la l-lisina ya que este aminoácido es mucho más fácil de detectar con el método TNBSA en comparación con otros aminoácidos [49]. La carga máxima se encuentra en un rango similar al de la literatura para adsorbentes catiónicos como el azul de metileno o la anilina sobre nanotubos de carbono decorados con óxido de hierro [17, 51]. Para la capacidad de unión dinámica, que se obtuvo a partir de experimentos de cromatografía líquida inversa, se pueden observar grandes diferencias entre las cCNT y las cCNT-SPION. Mientras que los aminoácidos como la l-lisina cargada positivamente muestran una DBC más alta en las cCNT, el l-glutamato con carga negativa muestra una DBC significativamente más alta en las cCNT-SPION. Este comportamiento está de acuerdo con la literatura, donde el l-glutamato demuestra una alta afinidad por las nanopartículas de óxido de hierro [59, 64]. La alta afinidad de la l-lisina por los cCNT se puede explicar por interacciones electrostáticas entre el aminoácido cargado positivamente y los nanotubos funcionalizados con carboxi cargados negativamente. La glicina muestra una mayor capacidad de unión dinámica a las cCNT-SPION que a las cCNT, lo que podría explicarse por el carácter más anfifílico de las superficies de óxido de hierro. La alta capacidad de unión dinámica de la l-cisteína al material compuesto está de acuerdo con la bibliografía y la formación de cistina debido a la interacción de la l-cisteína con los iones de hierro [59]. La l-histidina muestra una alta capacidad de unión dinámica a todos los materiales ya que son posibles interacciones electrostáticas, coordinativas e hidrófobas. Mientras que la columna empaquetada con cCNT-SPIONs muestra un valor de HETP más alto en comparación con CNTs y cCNTs, la asimetría de cCNT-SPIONs es similar a cCNTs y con alrededor de 0,7 en un rango que permite el análisis de curvas de ruptura (Archivo adicional 1:Fig. S6 y Tabla S2). La porosidad de todos los sistemas se encuentra en un rango similar entre 0,78 y 0,94 y concuerda bien con otras fases estacionarias utilizadas para experimentos de cromatografía inversa [65].

Capacidades de unión estática de l-lisina con cCNT, cCNT-SPION y SPION a pH 7,8 con tampón fosfato 100 mM ( a ). Capacidades de unión dinámica al 10% del avance de cCNT-SPIONs, CNTs y cCNTs obtenidas de experimentos de cromatografía inversa con diferentes aminoácidos a pH 6 ( b )