Nanoparticelle inorganiche nelle scienze della vita

Z-POTENZIALE

Il potenziale zeta (pζ) è un parametro fondamentale in colloidi e sospensioni, ed è

strettamente legato alla stabilità delle dispersioni. Per comprendere il potenziale zeta,

bisogna prima considerare il contesto delle particelle cariche disperse in un liquido.

Struttura dello Strato Elettrico Doppio

Quando una particella carica è immersa in un liquido, attira intorno a sé degli ioni di carica

opposta, formando così uno strato di carica che si dispone intorno alla superficie della

particella. Questo fenomeno genera uno strato elettrico doppio composto da due regioni

principali:

1. Strato di Stern (strato stazionario): Questa è la zona più vicina alla superficie della

particella, dove gli ioni sono fortemente attratti e aderenti alla superficie stessa.

2. Strato di Gouy-Chapman (strato di uso): Questa è la zona esterna in cui gli ioni sono

meno legati e la loro distribuzione è più di usa e dinamica.

Definizione del Potenziale Zeta

Il potenziale zeta è il potenziale elettrico misurato al piano di taglio (slipping plane), che si

trova nella regione esterna dello strato di uso, non molto lontano dalla superficie della

particella. Questo potenziale non è quello della superficie stessa della particella, ma è quello

che si osserva ad una certa distanza dalla particella, dove il moto delle particelle sotto

l'influenza di un campo elettrico inizia a essere significativo.

Importanza del Potenziale Zeta

Il potenziale zeta è un indicatore critico della stabilità di una dispersione colloidale. Un alto

valore di potenziale zeta (positivo o negativo) indica che le particelle si respingeranno a

vicenda, mantenendosi disperse e prevenendo l'aggregazione. Un basso potenziale zeta

suggerisce invece una maggiore probabilità di aggregazione, poiché le forze repulsive non

sono su icientemente forti per impedire che le particelle si avvicinino e si aggreghino.

Misurazione del Potenziale Zeta

Il potenziale zeta viene misurato monitorando la velocità di migrazione delle particelle in un

campo elettrico, un fenomeno noto come mobilità elettroforetica. Quando viene applicato

un campo elettrico, le particelle cariche si muovono verso l'elettrodo con carica opposta. La

velocità con cui si spostano è proporzionale al loro potenziale zeta. Utilizzando tecniche

come la Laser Doppler Velocimetry (LDV), è possibile determinare con precisione questa

velocità e, quindi, calcolare il potenziale zeta.

Applicazioni del Potenziale Zeta

Il potenziale zeta è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni, come nella produzione di

vernici, nei processi di purificazione dell'acqua, nella stabilizzazione di farmaci e nei prodotti

cosmetici, per garantire che le dispersioni rimangano stabili nel tempo.

Le nanoparticelle d'oro sono particelle estremamente piccole, con dimensioni che vanno dai

1 ai 100 nanometri, e presentano proprietà ottiche, elettroniche e chimiche uniche, che le

rendono utili in una vasta gamma di applicazioni scientifiche e tecnologiche.

Nanoparticelle di oro

Storia e Scoperta

Michael Faraday fu uno dei primi a investigare l'interazione tra luce e materia. Nel 1857,

Faraday osservò che la riduzione del cloruro d'oro produceva una soluzione di colore rosso

rubino, un fenomeno che descrisse come la dispersione della luce da parte delle particelle.

Questo e etto era dovuto alla presenza di nanoparticelle d'oro in sospensione, che

causavano il colore rosso della soluzione.

Gustav Mie nel 1908 fornì una spiegazione teorica di questo fenomeno, descrivendo come la

luce viene assorbita e di usa dalle particelle colloidali sferiche, come quelle di oro. Le

equazioni di Mie permettono di calcolare la distribuzione della luce di usa e assorbita da

queste particelle in funzione delle loro dimensioni e delle proprietà del materiale.

Risonanza di Plasmoni Superficiali Localizzati (LSPR)

Quando le nanoparticelle d'oro sono illuminate da luce di una lunghezza d'onda paragonabile

o inferiore alla dimensione della particella, si verifica un fenomeno noto come risonanza di

plasmoni superficiali localizzati (LSPR). Questo fenomeno ottico è causato dall'oscillazione

collettiva degli elettroni di conduzione sulla superficie della nanoparticella, in risposta alla

luce incidente.

Risonanza di plasmoni superficiali (SPR): È l'oscillazione collettiva degli elettroni

 sulla superficie della nanoparticella quando vengono eccitati dalla luce. Questa

risonanza è responsabile della forte dispersione e assorbimento della luce, che può

essere fino a 40 volte superiore rispetto a particelle di dimensioni identiche che non

presentano plasmoni.

Colorazione del oro colloidale: Il colore caratteristico delle nanoparticelle d'oro

 colloidali (rosso rubino) è dovuto all'LSPR. Quando le nanoparticelle d'oro sono

irradiate con luce, la risonanza dei plasmoni superficiali localizzati porta a un

assorbimento selettivo della luce e alla dispersione di specifiche lunghezze d'onda,

creando così il colore rosso che osserviamo.

Applicazioni delle Nanoparticelle d'Oro

Le proprietà uniche delle nanoparticelle d'oro, inclusa l'LSPR, le rendono estremamente utili

in molti campi, tra cui:

Medicina: per la diagnosi e la terapia, come nel caso della terapia fototermica per il

 trattamento dei tumori.

Sensori: per rilevare biomolecole attraverso cambiamenti nelle proprietà ottiche delle

 nanoparticelle.

Materiali: per creare superfici con proprietà ottiche avanzate.



Risonanza di Plasmoni Superficiali Localizzati (LSPR)

LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) è un fenomeno ottico che si verifica quando

le nanoparticelle metalliche, come quelle di oro o argento, interagiscono con la luce. In

questo contesto, i plasmoni sono oscillazioni collettive degli elettroni liberi sulla superficie

della nanoparticella. Quando la luce incidente ha una lunghezza d'onda comparabile alla

dimensione della nanoparticella, si crea una risonanza, conosciuta come risonanza di

plasmoni superficiali (SPR), e in questo caso specifico localizzata (LSPR) perché confinata

alla superficie della nanoparticella.

SPR: Risonanza di Plasmoni Superficiali

Per comprendere meglio l'LSPR, è utile prima capire cosa sia l'SPR (Surface Plasmon

Resonance):

SPR: si riferisce all'oscillazione collettiva degli elettroni di conduzione sulla superficie

 di un materiale metallico, indotta dalla luce incidente. In genere, questo fenomeno è

osservato su superfici piane e infinite, come nel caso dei biosensori SPR usati per

rilevare interazioni molecolari.

LSPR: è una versione confinata dell'SPR, dove la risonanza si verifica a livello delle

 nanoparticelle, portando a proprietà ottiche uniche come la forte assorbimento e

dispersione della luce a specifiche lunghezze d'onda.

Banda Plasmonica

La banda plasmonica è un intervallo di lunghezze d'onda della luce dove avviene la

risonanza plasmonica. La posizione e la forma di questa banda dipendono dalla dimensione,

forma e composizione del materiale delle nanoparticelle.

Dimensione e forma: La dimensione e la forma delle nanoparticelle influenzano

 fortemente la posizione della banda plasmonica. Per esempio, nanoparticelle sferiche

d'oro possono avere una banda plasmonica centrata attorno ai 520 nm, che

corrisponde al colore rosso della soluzione colloidale.

Composizione: Nanoparticelle fatte di diversi metalli (oro, argento, rame)

 mostreranno bande plasmoniche in diverse regioni dello spettro visibile e ultravioletto.

Shape-dependent SPR

Il concetto di Shape-dependent SPR si riferisce al fatto che la risonanza plasmonica

superficiale non dipende solo dalla dimensione delle nanoparticelle, ma anche dalla loro

forma. Di erenti forme geometriche (sfere, ellissoidi, prismi, ecc.) presentano diverse

modalità di oscillazione degli elettroni, che a loro volta influenzano la lunghezza d'onda alla

quale si verifica la risonanza plasmonica.

Nanoparticelle sferiche: Hanno una singola banda plasmonica.

 Nanoparticelle non sferiche (es. bastoncini o prismi): Possono mostrare più bande

 plasmoniche corrispondenti a diverse modalità di oscillazione degli elettroni

(longitudinale e trasversale), influenzando così la loro risposta ottica.

Importanza dell'LSPR e della Banda Plasmonica

L'LSPR è fondamentale per molte applicazioni, come la sensibilizzazione plasmonica

(utilizzata nei biosensori), fototermia (per trattamenti medici come la distruzione selettiva di

cellule tumorali), e in varie tecniche di imaging ottico. La banda plasmonica e la sua

dipendenza dalla forma e dimensione delle nanoparticelle sono sfruttate per sviluppare

materiali con proprietà ottiche su misura.

SINTESI

1. Rilevamento Colorimetrico del DNA con Nanoparticelle d’Oro (AuNPs)

Questo approccio sfrutta nanoparticelle d’oro funzionalizzate con filamenti di DNA.

 Quando viene introdotta una sequenza di DNA complementare, le particelle si

aggregano, causando un cambiamento nelle proprietà ottiche della soluzione (ad

esempio, un cambio di colore da rosso a blu).

Assorbanza Ottica: Il processo di aggregazione può essere quantificato tramite

 spettroscopia UV-Vis, dove i cambiamenti nell'assorbanza a lunghezze d'onda

specifiche (es. 260 nm) indicano l'ibridazione del DNA e i cambiamenti di temperatura,

come illustrato nella curva di melting.

Nanoparticelle d’Oro: Le AuNPs sono ampiamente utilizzate nei biosensori grazie alle

 loro proprietà ottiche uniche, tra cui la risonanza plasmonica di superficie (SPR), che è

altamente sensibile ai cambiamenti nell'indice di rifrazione locale causati dal legame

del DNA o dall'aggregazione.

2. Spettroscopia Raman Amplificata Superficialmente (SERS) e Nanoparticelle d’Oro

Meccanismo del SERS: Il SERS sfrutta nanoparticelle d’oro o d’argento (es. nanosfere,

 nanostelle) per amplificare il segnale Raman delle molecole. L'e etto Raman si basa

sulla di usione anelastica della luce da parte delle molecole vibranti, ma nel SERS, le

nanoparticelle d’oro vicine aumentano significativamente il segnale grazie al

meccanismo elettromagnetico (risonanza plasmonica di superficie localizzata, LSPR).

Amplificazione Elettromagnetica: Quando la luce interagisce con le nanostrutture

 metalliche, eccita i plasmoni di superficie, che potenziano sia il campo incidente sia

quello di uso. Questo porta a un segnale Raman molto più forte dalle molecole

adsorbite sulla superficie delle nanoparticelle.

Sensibilità del SERS: Le nanostelle d’oro e altre forme con punte appuntite sono

 particolarmente e icaci n