Synthesis and characterisation by Asymmetrical Flow Field Flow Fractionation (AF4) of Silver Nanoparticles with organic coatings
Sintesi e caratterizzazione mediante Asymmetrical Flow Field Flow Fractionation (AF4) di Nanoparticelle di Argento con rivestimento organico;
Ester Cantoni.
Relatore: Ch.mo Prof. Yuri Antonio Diaz Fernandez; Correlatore: Dottssa Enrica Alasonati; Dottssa Lavinia Rita Doveri
Questa tesi ha avuto come scopo la sintesi di nanoparticelle di argento di dimensione variabile e la loro successiva funzionalizzazione con rivestimenti organici. Un’ulteriore obiettivo è stato la loro caratterizzazione in batch ed il monitoraggio della loro stabilità a medio-lungo termine, ed infine il frazionamento mediante Asymmerical Flow Field Flow Fractionation. Per raggiungere questi scopi, è stato fatto uso di tre procedure di sintesi tra cui una riduzione di AgNO3, una sintesi seed-growth ed una procedura di funzionalizzazione di AgNPs con proteine (albumina serica umana HSA, albumina serica bovina BSA) e vari molecole contenenti polietilenglicole-tiolati (SH-PEG750, SH-PEG5000-COOH, SH-PEG6000, SH-PEG10000, SH-PEG20000).
Le tecniche di caratterizzazione impiegate sono state la spettroscopia UV visibile (UV-Vis) per la determinazione delle proprietà ottiche delle particelle; la microscopia a transmissione elettronica (TEM) per la determinazione della dimensione e della morfologia delle particelle, il Dynamic Light Scattering per la determinazione del raggio idrodinamico, concentrazione, potenziale zeta e polidispersione delle particelle in soluzione, sia nude che funzionalizzate. La tecnica di Asymmetrical Flow Field Flow Fractionation è stata utilizzata per il frazionamento delle soluzioni colloidali di AgNPs funzionalizzate, e per la loro caratterizzazione online tramite i detector accoppiati (multi-angolo scattering della luce MALS, spettroscopia UV-Vis, e indice di refrazione differenziale dRI).
Dopo diversi tentativi, sono stati sviluppati metodi di sintesi affidabili che fornissero due set di particelle delle dimensioni nominali da 40 e 80 nm, come confermato dai parametri di dimensione determinati tramite DLS e TEM. La funzionalizzazione e la successiva caratterizzazione delle particelle rivestite da ogni coating hanno confermato l’avvenuta formazione di uno shell di materiale organico intorno al core d’argento metallico. Le misure di DLS, UV-Vis e TEM hanno inoltre stabilito che la funzionalizzazione non ha avuto particolare influenza sui parametri chiave che caratterizzano le AgNP, anche se le dimensioni delle particelle sono aumentate in misura variabile a seconda del cappante utilizzato. Il monitoraggio della stabilità ha inoltre attestato che tutte le particelle sono rimaste stabili fino 4 mesi dalla sintesi.
Lo sviluppo del metodo di frazionamento tramite AF4 ha portato ad un programma di eluizione efficace per frazionare le particelle di diverse dimensioni e con diverse ricoperture. I tempi di ritenzione e i dati ottenuti dai detector accoppiati all’AF4 si sono dimostrati in linea generale coerenti con la caratterizzazione delle particelle in batch.
Nonostante i risultati ottenuti in questa tesi, alcuni aspetti rimangono come domande aperte. Un esempio è il comportamento anomalo di un particolare set di particelle (AgNP40_BSA) durante il frazionamento all’AF4, o anche ulteriori test di stabilità per appurare se le piccole fluttuazione osservate nel tempo hanno significanza statistica. Tuttavia, grazie alla robustezza delle sintesi ed alla loro stabilità a lungo termine, le particelle di argento si sono dimostrate buoni candidati per lo sviluppo di metodi di frazionamento tramite AF4, aprendo la strada anche ad un loro possibile utilizzo come materiali di riferimento per test di calibrazione.
Synthesis and characterisation by Asymmetrical Flow Field Flow Fractionation (AF4) of Silver Nanoparticles with an organic coating;
Ester Cantoni.
Supervisor: Ch.mo Prof. Yuri Antonio Diaz Fernandez; Co-supervisors: Dottssa Enrica Alasonati; Dottssa Lavinia Rita Doveri
The aim of this thesis was the synthesis of silver nanoparticles of different sizes and their subsequent functionalisation with organic coatings. A second aim was the batch characterisation and monitoring of medium- to long-term stability of the particles, to be used in the development of fractionation protocols by means of Asymmerical Field Flow Fractionation. To achieve these aims, three synthesis procedures were used, including the AgNO3 direct reduction, the seed-growth synthesis of larger particles, and the functionalisation of AgNPs with human serum albumin (HSA), bovine serum albumin (BSA), and various polyethelenglycol-thiolated molecules (SH-PEG750, SH-PEG5000-COOH, SH-PEG6000, SH-PEG10000, SH-PEG20000).
The characterisation techniques employed were UV-Vis spectroscopy for the determination of the optical properties of the particles; transmission electron microscopy to determine size and morphology of the particles, Dynamic Light Scattering for the determination of size, concentration, zeta potential and polydispersity of pristine and functionalised particles in colloidal solution. Asymmetrical Field Flow Fractionation was used for the fractionation of colloidal solutions of functionalised AgNPs, and for their online characterisation using various detectors (multiangle light scattering MALS, UV-Vis, differential refractive index dRI).
After different attempts, two reliable synthesis methods were developed providing two sets of particles with specific nominal sizes 40 and 80 nm, respectively, as confirmed by the size parameters determined by DLS and TEM. Functionalisation and subsequent characterisation of the coated particles confirmed the formation of a shell of organic material. Measurements at DLS, UV-Vis and TEM also established that the functionalisation step had no significant influence on the key properties of the AgNPs, except for the particle size, which increased to different extents, depending on the coating used. Stability monitoring also showed that all particles were stable up to 4 months after synthesis.
The development of the fractionation method using AF4 led to the definition of a system configuration and elution programme effective in fractionating particles of different sizes and with different coatings. Retention times and data obtained from the AF4-coupled detectors proved to be consistent with the characterisation of the particles in batch measurements.
Despite the results obtained in this thesis, some aspects remained to be clarified. One example is the anomalous behaviour of a particular set of particles (AgNP40_BSA) during fractionation at the AF4, and additional stability tests needed to ensure that the small fluctuations observed over time were not statistically significant. However, due to the robustness of the syntheses and their long-term stability, these silver particles have proven to be good candidates for the development of fractionation methods via AF4, paving the way for their future use as reference materials for calibration tests.