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Aplicação de método estatístico no estudo da influência do peróxido de hidrogênio e do borohidreto de sódio na síntese de nanoparticulas de prata (AGNPS)

Application of statistical method in the study of the influence of hydrogen peroxide and sodium borohydride on silver nanoparticle synthesis (AGNPS)

RESUMO

Nanomateriais vem atraindo bastante atenção nos últimos anos em virtude das suas propriedades que permitem aplicações em diversas áreas como: química, física, medicina, fármacos e engenharias. No universo dos nanomaterias, as nanopartículas de prata (AgNPs) tem despertado o interesse de vários pesquisadores devido ao seu potencial bactericida. Estudos recentes correlacionaram a eficácia da atividade antimicrobiana com a razão superfície-volume, morfologia, polidispersividade, tamanho de partícula e estabilidade das AgNPs. Este trabalho teve como objetivo compreender a influência do borohidreto de sódio (NaBH4) e do peróxido de hidrogênio (H2O2) nas propriedades das AgNPs. A síntese das AgNPs foi realizada através da redução química de íons de prata com NaBH4, na presença de H2O2 e Citrato de Sódio (SCT). Para determinar a influência causada pelo H2O2 e NaBH4, foram empregados diferentes variações de concentrações e volumes e ao resultado foi aplicado o Teste de Fisher para determinar a significância entre essas variáveis. As amostras foram caracterizadas por Espalhamento Dinâmico de Luz (DLS) e Potencial Zeta. Como resultado, o Teste de Fisher em conjunto com os valores obtidos de tamanho de partícula, estabilidade e polidispersividade determinaram variáveis estatisticamente iguais, ou seja, as variáveis que não influenciam estatisticamente na formação das partículas, bem como, a influência causada pela variação do H2O2 e do NaBH4 nas propriedades das AgNPs. Por fim, a variação da concentração de NaBH4 e volume de H2O2 causam efeitos sob o diâmetro, estabilidade e polidispersividade de AgNPs os quais foram estudados e aqui estão descritos.

Palavras-chave
Nanociência; nanopartículas de prata; Teste de Fisher

ABSTRACT

Nanomaterials has attracted a lot of attention in recent years due to its properties that allow applications in several areas such as chemistry, physics, medicine, pharmaceuticals, and engineering. In the nanomaterial universe, silver nanoparticles (AgNPs) have awakened the interest of several researchers because of their bactericidal potential. Recent studies have correlated the efficacy of antimicrobial activity with the surfacevolume ratio, morphology, polydispersity, particle size and AgNPs stability. This work aimed to understand the influence of sodium borohydride (NaBH4) and hydrogen peroxide (H2O2) on the AgNPs properties. The synthesis of AgNPs was performed by chemical reduction of silver ions with sodium borohydride in the presence of hydrogen peroxide and sodium citrate. To determine the influence caused by H2O2 and NaBH4, different concentrations and volume variations were used and a Fisher’s exact test was applied to determine the significance between variables. The samples were characterized by Dynamic Light Scattering (DLS) and Zeta Potential. Results determined that the Fisher’s exact test along with the obtained results of variables of particle size, stability and polydispersity are statistically the same, that is, the variables do not influence statistically the formation of the particles, as well as the influence caused by H2O2 and NaBH4 variation on the AgNPs properties. In summary, variation of NaBH4 concentration and H2O2 volume causes effects under the diameter, stability and polydispersity of AgNPs which have been studied and described herein.

Keywords
Nanoscience; silver nanoparticles; Fisher’s exact test

1. INTRODUÇÃO

A nanotecnologia tem ganhado crescente interesse nos últimos anos devido ao aumento das possibilidades de aplicações nas áreas de construção civil [11 GAUVIN, F., ROBERT, M., "Durability study of vinylester/silicate nanocomposites for civil engineering applications", Polymer Degradation and Stability. v. 121, pp. 359-68, 2015., 22 PAYAKANITI, P., PINITSOONTHORN, S., THONGBAI, P., AMORNKITBAMRUNG, V., CHINDAPRASIRT, P., "Effects of carbon fiber on mechanical and electrical properties of fly ash geopolymer composite", Materials Today: Proceedings. v. 5, n. 6, pp. 14017-25, 2018.], indústria de alimentos [33 HE, X., HWANG, H.-M., "Nanotechnology in food science: functionality, applicability, and safety assessment", journal of food and drug analysis. v. 24, n. 4, pp. 671-81, 2016.], dispositivos eletroeletrônicos [44 RAMIREZ-LEE, M. A., AGUIRRE-BAÑUELOS, P., MARTINEZ-CUEVAS, P. P., ESPINOSA-TANGUMA, R., CHI-AHUMADA, E., MARTINEZ-CASTAÑON, G. A., GONZALEZ, C., "Evaluation of cardiovascular responses to silver nanoparticles (AgNPs) in spontaneously hypertensive rats", Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. v. 14, n. 2, pp. 385-95, 2018.] e na medicina, principalmente associada aos biomateriais [55 HASSANZADEH, P., ATYABI, F., DINARVAND, R., "Application of modelling and nanotechnology-based approaches: The emergence of breakthroughs in theranostics of central nervous system disorders", Life sciences. v. 182, pp. 93-103, 2017.

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Nanoparticulas de prata (AgNPs) possuem propriedades físicas, químicas e biológicas únicas, dentre elas estão: propriedades ópticas, catalíticas, antimicrobianas, fungicidas e bactericidas [1313 PAOSEN, S., SAISING, J., WIRA SEPTAMA, A., PIYAWAN VORAVUTHIKUNCHAI, S., "Green synthesis of silver nanoparticles using plants from Myrtaceae family and characterization of their antibacterial activity", Materials Letters. v. 209, pp. 201-6, 2017., 1818 HE, H., TAO, G., WANG, Y., CAI, R., GUO, P., CHEN, L., ZUO, H., ZHAO, P., XIA, Q., "In situ green synthesis and characterization of sericin-silver nanoparticle composite with effective antibacterial activity and good biocompatibility", Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. v. 80, pp. 509-16, Nov 1 2017., 1919 LIU, G., HAIQI, G., LI, K., XIANG, J., LAN, T., ZHANG, Z., "Fabrication of silver nanoparticle sponge leather with durable antibacterial property", Journal of Colloid and Interface Science. v. 514, pp. 338-48, 2018.]. Estudos apontam que a ação antimicrobiana das AgNPs acontece diretamente na estrutura do DNA dos microorganismos, os mesmos são menos propensos a desenvolver resistência ao tratamento quando submetidos ao contato com as nanoparticulas (NPs), requerendo diversas mutações para suportar este tipo de tratamento [2020 PAL, S., TAK, Y. K., SONG, J. M., "Does the antibacterial activity of silver nanoparticles depend on the shape of the nanoparticle? A study of the gram-negative bacterium Escherichia coli", Applied and environmental microbiology. v. 73, n. 6, pp. 1712-20, 2007.].

Trabalhos relatam que existe uma correlação entre a eficiência bactericida das AgNPs com sua estrutura cristalográfica, superfície-volume, tamanho de partícula, presença de estabilizantes e morfologia [2121 BAKER, C., PRADHAN, A., PAKSTIS, L., POCHAN, D. J., SHAH, S. I., "Synthesis and antibacterial properties of silver nanoparticles", Journal of nanoscience and nanotechnology. v. 5, n. 2, pp. 244-9, 2005.

22 HAYNES, C. L., VAN DUYNE, R. P., "Plasmon-sampled surface-enhanced Raman excitation spectroscopy", The Journal of Physical Chemistry B. v. 107, n. 30, pp. 7426-33, 2003.

23 JIN, R., CAO, Y., MIRKIN, C. A., KELLY, K., SCHATZ, G. C., ZHENG, J., "Photoinduced conversion of silver nanospheres to nanoprisms", science. v. 294, n. 5548, pp. 1901-3, 2001.

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O entendimento da influência dos reagentes a partir do uso de ferramentas estatísticas na síntese, no tamanho, morfologia e estabilidade de AgNPs se apresenta como potencial inovação para estudos que visam a aplicação desse tipo de NPs. Dessa forma, este trabalho teve como objetivo compreender a influência do borohidreto de sódio (NaBH4) e do peróxido de hidrogênio (H2O2) nas propriedades das AgNPs.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 Materiais

Nitrato de prata (AgNO3), Citrato de Sódio Tribásico Dihidratado (Na3C6H5O7.2H2O) e Peróxido de Hidrogênio 35% (H2O2) foram adquiridos da Neon (São Paulo, Brasil). Borohidreto de Sódio (NaBH4) foi adquirido na Sigma-Aldrich (Missouri, Estados Unidos). As soluções aquosas foram preparadas com água ultrapura, obtida a partir de um Sistema Master System MS2000 GEHAKA (São Paulo, Brasil).

2.2 Métodos

Na síntese de AgNPs foi utilizada uma modificação do método de redução química, descrito por ZHANG, LI [2828 ZHANG, Q., LI, N., GOEBL, J., LU, Z., YIN, Y., "A systematic study of the synthesis of silver nanoplates: is citrate a "magic" reagent?", J Am Chem Soc. v. 133, n. 46, pp. 18931-9, Nov 23 2011.]. Este método possibilita a obtenção de nanoprismas de prata de forma simples e rápida. Em um becker com 30 mL de água ultrapura foram adicionados 30 μL de uma solução de AgNO3 (0,1 mmol.L-1), 1,5 mL de Citrato de Sódio (SCT)(90 mmol.L-1), H2O2 (35% P.A.) e 200 μL de NaBH4. Em seguida, a solução foi mantida sob agitação vigorosa por ~3 minutos à temperatura ambiente. Verificou-se uma mudança da coloração da solução que passou de translúcida para amarela e, subsequentemente, azul.

Um total de 12 amostras foram sintetizadas variando concentrações e volumes de H2O2 e NaBH4 de acordo com a Tabela 1:

Tabela 1
Variações de concentração e volume de H2O2 e NaBH4 utilizados na síntese.

2.3 Caracterização das AgNPs

O DLS foi usado para determinação do tamanho e dispersão das AgNPs. As análises foram realizadas em um Instrumento ZetaPals da Brookhaven. As medidas foram conduzidas a temperatura de 25 °C com um ângulo de espalhamento fixado em 90°.

A técnica de Potencial Zeta foi empregada para avaliar a estabilidade das AgNPs diante das diferentes condições de síntese. O software Action Stat foi utilizado na aplicação do Teste de Fisher.

3. RESULTADOS E DISCUSSÃO

O NaBH4 possui função redutora e função secundária como agente de encapsulamento, podendo estabilizar AgNPs de acordo com o tempo de crescimento prolongado diante de altas concentrações. O H2O2, já é bem conhecido em seu uso como agente oxidante [2929 MULVIHILL, M. J., LING, X. Y., HENZIE, J., YANG, P., "Anisotropic etching of silver nanoparticles for plasmonic structures capable of single-particle SERS", Journal of the American Chemical Society. v. 132, n. 1, pp. 268-74, 2009.], promovendo a formação de estruturas anisotrópicas. ZHANG, LI [2828 ZHANG, Q., LI, N., GOEBL, J., LU, Z., YIN, Y., "A systematic study of the synthesis of silver nanoplates: is citrate a "magic" reagent?", J Am Chem Soc. v. 133, n. 46, pp. 18931-9, Nov 23 2011.] em seus estudos relataram que, inicialmente, com a adição de NaBH4, os íons de prata são parcialmente reduzidos para formar AgNPs, que são temporariamente estabilizadas. Simultaneamente, o crescimento de NPs é inibido devido ao H2O2. Como resultado do equilíbrio dinâmico entre a redução e a oxidação, a prata permanece na forma de nanopartículas de cor amarela clara. Com o consumo do NaBH4 durante a reação, a proteção dos íons borohidreto é enfraquecida, permitindo a produção de núcleos de prata.

A Figura 1 ilustra a evolução do diâmetro de NPs de acordo com a variação do H2O2 e NaBH4. Uma linha de tendência foi utilizada para melhor visualização dos resultados.

Figura
a) Comportamento do diâmetro hidrodinâmico das AgNPs em função da variação de NaBH4 e H2O2. b) Linha de tendência do diâmetro hidrodinâmico em função do H2O2. c) Linha de tendência do diâmetro hidrodinâmico em função do NaBH4.

De acordo com os resultados ilustrados na Figura 1 b), observa-se que o aumento de H2O2 até o volume de 120 μL proporcionou um aumento do diâmetro das NPs, possivelmente devido a sua ação no crescimento das NPs como também diminuiu o efeito retardante de crescimento gerado pelo NaBH4 devido a não existência de um equilíbrio dinâmico entre a redução dos íons de Ag e a dissolução oxidativa da prata metálica [2828 ZHANG, Q., LI, N., GOEBL, J., LU, Z., YIN, Y., "A systematic study of the synthesis of silver nanoplates: is citrate a "magic" reagent?", J Am Chem Soc. v. 133, n. 46, pp. 18931-9, Nov 23 2011.].

ZHANG, LI [2828 ZHANG, Q., LI, N., GOEBL, J., LU, Z., YIN, Y., "A systematic study of the synthesis of silver nanoplates: is citrate a "magic" reagent?", J Am Chem Soc. v. 133, n. 46, pp. 18931-9, Nov 23 2011.] relataram em seus estudos que o aumento da concentração de NaBH4 proporcionou uma redução da espessura das AgNPs. Nos resultados apresentados nesse trabalho o aumento da concentração de NaBH4 pouco contribuiu com a alteração do diâmetro das AgNPs visto que, o aumento da concentração de NaBH4 conduziu a uma produção mais lenta de AgNPs, reduzindo o tempo de inicialização de formação dos núcleos de NPs, no entanto, após passado seu efeito o crescimento do diâmetro das AgNPs foi pouco afetado.

A correlação entre a variação do diâmetro de partículas e da polidispersividade é ilustrado na Figura 2. Nota-se que existe uma tendência no comportamento do diâmetro versus polidispersividade diante da variação do NaBH4 e H2O2.

Figura 2
Polidispersividade versus Diâmetro. a) H2O2 e b) NaBH4.

Pesquisas relatam a forma de crescimento de AgNPs semeadas e nucleadas, obtendo nanoparticulas com espessuras de 4nm para AgNPs ainda em fase de crescimento (sementes) e de até 10nm para AgNPs já nucleadas, contudo não correlacionaram a influência dos reagentes com a polidispersividade das AgNPs [2626 ZHANG, Q., HU, Y., GUO, S., GOEBL, J., YIN, Y., "Seeded growth of uniform Ag nanoplates with high aspect ratio and widely tunable surface plasmon bands", Nano letters. v. 10, n. 12, pp. 5037-42, 2010., 2828 ZHANG, Q., LI, N., GOEBL, J., LU, Z., YIN, Y., "A systematic study of the synthesis of silver nanoplates: is citrate a "magic" reagent?", J Am Chem Soc. v. 133, n. 46, pp. 18931-9, Nov 23 2011., 3030 GOEBL, J., ZHANG, Q., HE, L., YIN, Y., "Monitoring the shape evolution of silver nanoplates: a marker study", Angewandte Chemie International Edition. v. 51, n. 2, pp. 552-5, 2012.

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Analogamente aos efeitos causados no diâmetro de partícula, o aumento de H2O2 e NaBH4 causou aumento na distribuição dos tamanhos, favorecendo a formação de uma solução polidispersa, fora da idealidade >0,300 [3333 MAHL, D., DIENDORF, J., MEYER-ZAIKA, W., EPPLE, M., "Possibilities and limitations of different analytical methods for the size determination of a bimodal dispersion of metallic nanoparticles", Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. v. 377, n. 1-3, pp. 386-92, 2011.] (fator considerado negativo para NPs, visto que a obtenção de NPs monodispersas permite a correlação direta das propriedades das NPs do sistema obtido com as propriedades das NPs individuais) [3434 SUGIMOTO, T., "Preparation of monodispersed colloidal particles", Advances in Colloid and Interface Science. v. 28, pp. 65-108, 1987.

35 MARTINEZ-CASTANON, G., NINO-MARTINEZ, N., MARTINEZ-GUTIERREZ, F., MARTINEZ-MENDOZA, J., RUIZ, F., "Synthesis and antibacterial activity of silver nanoparticles with different sizes", Journal of Nanoparticle Research. v. 10, n. 8, pp. 1343-8, 2008.
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Figura 3
Comportamento da polidispersividade diante das variações de: a) H2O2 e b) NaBH4.

O potencial zeta é uma técnica que permite avaliar a estabilidade de dispersões coloidais através da medição do seu potencial eletro cinético[3737 EL BADAWY, A. M., SILVA, R. G., MORRIS, B., SCHECKEL, K. G., SUIDAN, M. T., TOLAYMAT, T. M., "Surface charge-dependent toxicity of silver nanoparticles", Environmental science & technology. v. 45, n. 1, pp. 283-7, 2010.]. A Figura 3 ilustra o comportamento da estabilidade das NPs em função do H2O2 e NaBH4.

Para todas as variações de concentração do NaBH4 e volume do H2O2 os resultados demonstram que a superfície das partículas estão carregadas negativamente. Valores de potencial zeta abaixo de <-0,30mV é sinal de NPs estáveis devido a repulsão causada entre as NPs, impedindo sua aglomeração[3838 DOANE, T. L., CHUANG, C.-H., HILL, R. J., BURDA, C., "Nanoparticle ζ -Potentials", Accounts of Chemical Research. v. 45, n. 3, pp. 317-26, 2012/03/20 2012.]. O aumento do volume de H2O2 favoreceu a estabilidade das partículas, demonstrando um aumento progressivo, fator este já esperado diante da atuação do H2O2 na remoção das partículas menos instáveis. O aumento das concentrações de NaBH4, analogamente ao H2O2 proporcionou uma melhoria na estabilidade das NPs. Isso se explica através de um possível efeito estabilizador sinérgico entre íons de citrato e íons de borohidreto, onde uma concentração maior de íons de borohidreto aumenta a ligação preferencial do citrato à faceta (111), levando à formação de nanopartículas mais estáveis [2828 ZHANG, Q., LI, N., GOEBL, J., LU, Z., YIN, Y., "A systematic study of the synthesis of silver nanoplates: is citrate a "magic" reagent?", J Am Chem Soc. v. 133, n. 46, pp. 18931-9, Nov 23 2011.].

O método de Fisher é utilizado para comparar todos os pares de médias controlando a taxa de erro ao nível de significância α para cada comparação. Uma vez que o nível de significância entre as médias é menor que 5% rejeitamos a hipótese de igualdade. Valores localizados acima do nível de significância (5%) são considerados estatisticamente iguais, ou seja, estatisticamente o efeito causado pelas variáveis comparadas nas propriedades físico-químicas é similar, não influenciando na formação de NPs. Por outro lado, valores abaixo do nível de significância são considerados estatisticamente diferentes (contribuem na formação de NPs). Em nosso estudo, o Teste de Fisher foi empregado para avaliar se existem diferenças significativas entre as médias obtidas para o diâmetro, polidispersividade e estabilidade.

A Figura 4 ilustra o intervalo de confiança do Teste de Fisher em função da comparação das médias dos valores de diâmetro, polidispervisidade e potencial zeta.

Figura 4
Intervalo de confiança do Teste de Fisher relativo a diferença das médias de diâmetro, polidispersividade e potencial zeta para: a) volume de H2O2 e b) concentração de NaBH4 em função dos valores da estatística do Teste de Fisher.

Observando os valores na Figura 4 a): diâmetro -todas as combinações Hn-Hn com exceção das interações H1-H5, H2-H5 e H3-H5 (valores médios de diâmetro significativamente diferentes) estão acima do intervalo de confiança, contribuindo no crescimento das NPs (baixa influência no diâmetro de partícula); com relação ao potencial zeta e polidispersividade, todas as médias comparadas com a variação H6 (150μL) e H1 (30 μL), respectivamente, demonstraram-se estatisticamente diferentes (p<5%) demonstrando a grande influência do H2O2 nestas propriedades.

Na Figura 4 b): diâmetro -valores do teste Fisher em comparação das médias H2-H3 e H3-H4 demonstraram-se estatisticamente diferentes, contrário ao observado na avaliação dos resultados químicos onde a variação da concentração de NaBH4 pouco contribui para o aumento e/ou variação do diâmetro de NPs; potencial zeta -variações na concentração de NaBH4 na faixa de 50 – 100mmol.L-1 são estatisticamente iguais (p>5%); Polidispersividade – diferenças significativas quando comparadas as variáveis grandes variações de concentração (H4, H5 e H6 versus H1, H2 e H3).

4. CONCLUSÕES

Os resultados demonstraram que o aumento do volume de H2O2 até o volume de 120 μL proporcionou o aumento do diâmetro das NPs, removendo partículas instáveis durante o processo de crescimento. O comportamento da polidispersividade foi similar ao observado no diâmetro quando estudadas as variações de H2O2 e NaBH4. Adicionalmente, maiores concentrações de NaBH4 e volumes de H2O2 proporcionaram aumento na estabilidade das NPs. No Teste de Fisher todas as concentrações de NaBH4 não influenciaram estatisticamente os valores de polidispersividade. Por outro lado, a estabilidade das AgNPs foi estatisticamente diferente para volumes mais altos de H2O2, confirmando a forte influência do H2O2 na estabilidade de NPs. Os resultados deste trabalho possibilitaram a compreensão do efeito causado pela variação da concentração de NaBH4 e volume de H2O2 sob o diâmetro, estabilidade e polidispersividade de AgNPs por meio do uso de técnicas de caracterização e ferramentas estatísticas.

AGRADECIMENTOS

A Coordenação de Melhoria do Ensino Superior Pessoal (CAPES), ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), ao Laboratório de Avaliação e Desenvolvimento de Biomateriais do Nordeste (CERTBIO) e a Universidade Federal de Campina Grande (UFCG).

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Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    16 Set 2019
  • Data do Fascículo
    2019

Histórico

  • Recebido
    17 Jul 2018
  • Aceito
    11 Fev 2019
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