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Scuola di Scienze della
Salute Umana!
Corso di Laurea in ! !
Biotecnologie!
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“Sintesi selettiva di nanoparticelle d’oro mediante
frazionamento di estratti di Cucurbita pepo L.”!
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“Selective synthesis of gold nanoparticles through
fractioned extracts from Cucurbita pepo L.”!
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Relatore: Prof.ssa Sandra Ristori! ! ……………………..!
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Correlatore: Prof.ssa Cristina Gonnelli! ……………………..!
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Candidato: Marco Lamarca! ! ! ……………………..!
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Anno Accademico 2013/2014

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“In Him we live and move!
and have our being”

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INDICE!
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• INTRODUZIONE! ! ! ! ! ! ! ! 5!
• Cosa sono le nanoparticelle! ! ! ! ! ! 6!
• Metodi di sintesi! ! ! ! ! ! ! ! 8!
• Caratterizzazione! ! ! ! ! ! ! ! 9!
• Biosintesi: Green Chemistry! ! ! ! ! ! 12!
• Sintesi da microrganismi! ! ! ! ! ! ! 12!
• Sintesi da estratti vegetali!! ! ! ! ! ! 13!
!
• DESCRIZIONE DEL LAVORO! ! ! ! ! ! 14!
• Preparazione e metodi! ! ! ! ! ! ! 15!
• Estrazione! ! ! ! ! ! ! ! ! 15!
• Frazionamento! ! ! ! ! ! ! ! 16!
• Sintesi di AuNPs! ! ! ! ! ! ! ! 17!
• Analisi visiva del colore! ! ! ! ! ! ! 18!
• Caratterizzazione! ! ! ! ! ! ! ! 20!
• Spettroscopia UV-Visibile! ! ! ! ! ! ! 20!
• Microscopio elettronico a trasmissione(TEM)! ! ! 21!
!
3
• RISULTATI! ! ! ! ! ! ! ! ! 22!
• Valutazione degli spettri di assorbimento! ! ! 22!
• Parti aeree! ! ! ! ! ! ! ! ! 22!
• Radici! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 24!
• Valutazione delle micrografie TEM! ! ! ! ! 27!
!
• CONCLUSIONI! ! ! ! ! ! ! ! 31!
!
• BIBLIOGRAFIA! ! ! ! ! ! ! ! 32!
!
4
Introduzione
INTRODUZIONE!
!
!
Le nanoparticelle sono presenti in svariati prodotti sul mercato in diverse
applicazioni: elettronica, cosmetica, tessili, apparecchiature mediche, trattamento
delle acque, biosensori, conservazione degli alimenti (Sealy, 2006). Per esempio
le nanoparticelle d’oro trovano applicazione nel campo dei sensori per diversi gas
(es. rilevamento di gas inquinanti), sfruttando le loro proprietà catalitiche e la
capacità di operare a temperatura ambiente (Thompson, 2007).!
Le nanoparticelle d’oro hanno anche molte applicazioni in campo biologico dove
possono essere coniugate a biomolecole specifiche come enzimi, DNA o anticorpi.
Il legame viene monitorato grazie al cambiamento di proprietà delle nanoparticelle
sfruttando le loro caratteristiche ottiche (Hou, 2007).!
Le nanoparticelle d’argento trovano applicazione in ambito medico perché
presentano attività antimicrobiche contro Staphylococcus aureus, Pseudomonas
aeruginosa e Escherichia coli (Rai et al., 2009), infatti sono usate nella
formulazione di creme per prevenire infezioni in seguito a bruciature e ferite aperte
(Becker, 1999). !
Oltre a questi due metalli, svariate applicazioni hanno anche le nanoparticelle di
ossido di zinco (ZnO), data lo loro compatibilità con la pelle umana e la capacità di
assorbire i raggi UV. Grazie a tali caratteristiche, queste nanoparticelle possono
trovarsi nelle creme detergenti e nelle creme solari (Deepti and Pradeep, 2009).!
Alla luce di questo è importante considerare la nanotossicità delle nanoparticelle,
che può dipendere da diversi fattori come la dose di esposizione, la composizione
chimica, la dimensione, la forma, le proprietà elettromagnetiche. In particolare, le
dimensioni sono uno dei fattori chiave che potrebbe portare ad una comprensione
migliore della nanotossicità perché potrebbero influire sulla capacità ad entrare nel
sistema circolatorio, nervoso e linfatico e dato che sono più piccole delle cellule
penetrare anche all’interno delle cellule, alterandone le normali funzioni (Buzea et
al., 2007).!
In alternativa ai metodi fisici o chimici che producono quantità di nanomateriale
difficile da smaltire, la nanobiotecnologia sta facendo molti passi dovuti
all’esigenza di produrre scarti sempre più eco-sostenibili. In particolare, la green
chemistry utilizza sistemi biologici come microrganismi, funghi e alghe per la
5
Introduzione
sintesi delle nanoparticelle metalliche, evitando la produzione di scarti tossici (Nair
& Pradeep, 2002; Lin et al., 2005; Lengke et al., 2006a, 2006b). Il successo della
green chemistry sta prendendo piede anche grazie alla sua considerevole
componente economica, perché elimina l’uso di solventi costosi che sono anche
difficilmente smaltibili rendendo queste tecniche notevolmente più economiche.!
In questo lavoro di tesi verrà discussa una metodologia di sintesi di nanoparticelle
d’oro da estratti acquosi di radici e parti aeree di Cucurbita pepo L.. Gli estratti
sono stati frazionati mediante cromatografia su gel per valutare la capacità delle
diverse frazioni a indurre la formazione di nanoparticelle con morfologia e
dimensioni specifiche.!
Dopo aver definito la procedura di sintesi delle nanoparticelle usando acido
tetracloroaurico (HAuCl4) come precursore per l’oro, abbiamo caratterizzato i
sistemi ottenuti attraverso l’analisi del picco di assorbimento plasmonico. Infine, la
microscopia elettronica in trasmissione (TEM) ha permesso di ricavare
informazioni dettagliate sulla struttura delle nanoparticelle.!
!
!
Cosa sono le nanoparticelle!
!
Le nanoparticelle (nanoparticles = NPs) sono aggregati atomici o molecolari con
una dimensione nell’ordine del nano, ovvero con dimensioni comprese da 1 nm a
100 nm (Ball, 2002; Roco, 2003).!
Un fattore di estrema importanza tecnologica che riguarda i nanomateriali è che le
loro proprietà spesso non corrispondono a quelle del materiale massivo (Figura 1)
(Nel et al. 2006). Tali differenze sono dovute al grande numero di atomi superficiali
che si riscontra al diminuire del volume di un aggregato. Le NPs sono quindi di
grande interesse scientifico, dato che rappresentano una categoria di materiali
intermedi tra quelli di dimensioni ordinarie (>0.01 mm) e le strutture atomiche o
molecolari.!
Un esempio di proprietà che si riscontra nei nanomateriali rispetto ai
corrispondenti materiali massivi è l’assorbimento della luce solare nei pannelli
fotovoltaici, in cui più piccole sono le nanoparticelle, maggiore sarà l’assorbimento
della luce. Inoltre, nelle nanoparticelle metalliche, le dimensioni fanno sì che gli
elettroni siano confinati, producendo effetti quantici. Per esempio, il confinamento
6
Introduzione
elettronico fa sì che una soluzione di nanoparticelle d’oro produce una colorazione
dal rosso cupo al nero (Figura 1).!
La formazioni di sospensioni stabili di NPs è dovuta all’interazione degli atomi
esterni con il solvente che può essere sufficientemente forte da superare la
differenza di densità, questa interazione è dovuta al moto browniano (proprietà
intrinseca delle nanoparticelle). Più piccole sono le particelle in soluzione tanto più
rapido sarà il loro moto browniano e tale moto contrasta proprio la forza di gravità,
rendendo stabili le soluzioni colloidali. Questa caratteristica viene proprio usata
per definire la natura colloidale o meno di una soluzione.!
Secondo l’EPA (Environmental Protection Agency) le nanoparticelle ingegnerizzate
possono essere suddivise in 4 categorie (USEPA, 2007):!
!
• Materiali a base di carbonio. Alcuni esempi possono essere i fullereni,
nanotubi a parete singola (SWCNT) o multipla (MWCNT);!
• Dendrimeri. Sono polimeri che possono essere costruiti con una dimensione
specifica grazie alle unità ramificanti. Essi potrebbero trovare un’applicazione
significativa nel drug delivery;!
• Materiali Compositi. Come dice la parola stessa sono combinazioni di
nanoparticelle con altre nanoparticelle o materiali massivi. Un esempio di
materiale composito è dato da nanoparticelle di titanio legate a DNA;!
7
Figura 1. Esempio di come le proprietà ottiche differiscono dalla
soluzione convenzionale a quella colloidale. L’effetto Tyndall di
diffusione della luce è dovuto alle dimensioni delle particelle d’oro in
sospensione.
Introduzione
• Materiali a base di metalli. In questa categoria sono inclusi i Quantum Dots,
nanoparticelle d’oro, argento, zinco, rame, alluminio, titanio e ossidi di metalli. I
quantum dots sono cristalli costituiti dalle centinaia alle migliaia di atomi aventi
un grado di impacchettamento molto alto, in base alla loro grandezza variano le
loro proprietà di fluorescenza.!
!
Metodi di sintesi!
!
I metodi di sintesi solitamente si basando su due principi base: il bottom-up e il
top-down.!
Il principio del bottom-up comporta l’uso di sostanze come per esempio ioni
metallici per costruire attraverso le varie tecniche le nanoparticelle, una delle
tecniche più diffuse di tipo bottom-up è il metodo di Turkevich (Turkevich et al.,
1951) che sfrutta l’idea della nucleazione delle nanoparticelle da ioni cloroaurici
usando il citrato di sodio sia come agente che riducente che stabilizzante della
sospensione (repulsione elettrostatica tra le nanoparticelle) come schematizzato
nella figura 2.!
Un’altra categoria di nanoparticelle che vengono costruite seguendo l’idea del
bottom-up è quella dei dendrimeri perché la loro formazione è dovuta proprio
all’interazione che tante molecole uguali interagiscono fra loro formando un
polimero di dimensioni controllate.!
Al contrario il metodo top-down comporta l’uso di materiali massivi, che vengono
sottoposti a frammentazione con tecniche chimiche o fisiche fino all’ordine di
grandezza del nano. Un difetto delle metodologie top-down è che spesso le
8
Figura 2. Stabilizzazione delle nanoparticelle d’oro da parte delle
molecole di citrato.
Introduzione
nanoparticelle formate presentano imperfezioni e le loro caratteristiche strutturali
sono più difficilmente controllabili.!
Un esempio di sintesi con approccio top-down è la fotolitografia (Jensen et al.,
2000) usato per produrre nanoparticelle d’argento da materiale massivo della
grandezza di mezzo millimetro.!
!
!
Caratterizzazione!
!
Uno dei momenti importanti nel processo di produzione di nanoparticelle è la loro
caratterizzazione.!
Con le seguenti tecniche e strumenti è quindi possibile capire la loro morfologia,
struttura, composizione chimica e la loro carica. Questo porta ulteriormente a
capire la loro stabilità, reattività ed i loro potenziali usi.!
!
• Morfologia e Dimensioni:!
• Microscopio elettronico (TEM, SEM, Transmission oppure Scanning Electron
Microscopy), necessita un ambiente di alto vuoto per un corretto
funzionamento ma fornisce immagini del campioni in tempo reale;!
• Microscopio a forza atomica (AFM, Atomic Force Microscopy), diversamente
dal microscopio elettronico, l’AFM non necessita un ambiente senza solvente e
atmosfera, quindi è un ottimo strumento per lo studio di macromolecole
biologiche o organismi viventi, ma l’area di scansione e limitata e la
registrazione delle immagini è più indiretta. (Zhong et al., 1993);!
• Diffusione dinamica della luce (DLS, Dynamic Light Scattering), tale strumento
fornisce informazioni sulla distribuzione delle dimensioni della particelle
presenti in soluzione e anche la loro solubilità quindi viene usato
9
Figura 3. Illustrazione schematica degli approcci Top-down e Bottom-up.
Nella figura la sigla MNPs sta ad indicare nanoparticelle metalliche (Metal
Nanoparticles)
Introduzione
principalmente per campioni liquidi in cui la distribuzione delle particelle
disperse è molto uniforme (Koppel, 1972);!
• Struttura:!
• Diffrazione a raggi X (XRD, powder X-ray Diffraction), viene usata nello studio
dei solidi cristallini, informazioni sulle componenti del cristallo, sulla struttura e
la dimensione;!
• Interferometria a doppia polarizzazione (DPI, Dual Polarization Interferometry),
è ampiamente usata per capire la struttura delle biomolecole e grazie a ciò
avere anche informazioni sulle interazioni molecolari. (Cross et al., 2003);!
• Risonanza magnetica nucleare (NMR, Nuclear Magnetic Resonance), viene
principalmente usata su campioni liquidi e fornisce una struttura molto accurata
delle molecole in esame, ha come svantaggio di essere esclusiva per le sole
particelle contenenti atomi NMR-attivi come, per esempio, l’107Ag o l’109Ag
(Landau and Lifshitz, 1965);!
• Carica:!
• Desorbimento/Ionizzazione laser assistito da matrice (MALDI, Matrix-Assisted
Laser Desorption), principalmente è condotta sotto vuoto ed il suo uso viene
spesso abbinato all’uso di analizzatori a tempo di volo. Questo è uno
strumento dispendioso perché la matrice presenta caratteristiche chimico-
fisiche particolari (Silverstein et al., 2006);!
• Spettrometria di massa a tempo di volo (TOF, Time-of-Flight Mass
Spectrometry), abbinato al MALDI il TOF è uno strumento che riesce a
distinguere ioni a carica e massa diversi;!
• Composizione Chimica:!
• Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS, X-ray Photoelectron
Spectroscopy), con questo strumento è possibile ottenere informazioni
riguardanti la composizione superficiale del materiale grazie alle informazioni
date dall’energia di legame. Uno dei vantaggi sta nel fatto che è una tecnica
non distruttiva;!
• Spettroscopia in trasformata di Fourier all’infrarosso (FTIR, Fourier Transform
Infrared Spectroscopy), questa spettroscopia fornire informazioni sulla natura
dei legami della sostanza assorbita sulle nanoparticelle grazie allo spettro
risultante (Atkins and De Paula, 2006);!
• Spettroscopia UV-Visibile, questa tecnica viene usata per sostanze in
soluzione e si basa spesso sul confronto dei degli spettri ottenuti con un
10
Introduzione
impronta caratteristica dei composti. L’uso di questo strumento si è dimostrato
fondamentale perché gli spettri d’assorbimento delle nanoparticelle metalliche
sono caratterizzate da notevoli picchi nella regione visibile a causa delle
eccitazioni elettroniche dei plasmoni superficiali. Nel caso delle nanoparticelle
d’oro, il picco plasmonico si registra a 500-550 nm (Amandola and Terreni,
1995; El-Sayed, 2001).!
!
La tecnologia che permette l’analisi per il monitoraggio (NTA, Nanoparticle
Tracking Analysis) delle nanoparticelle consente di il rilevamento diretto del moto
browniano, metodo che permette l’analisi delle singole nanoparticelle in soluzione
(Carr & Knowles, 2012). Tecnologia questa che è stata sviluppata solo
recentemente anche se la teoria sul moto browniano era nota sin dagli inizi del XX
grazie agli studi di Albert Einstein.!
!
!
11
Introduzione
BIOSINTESI: GREEN CHEMISTRY!
!
!
La nanobiotecnologia, come dice il nome stesso, si propone di abbinare tecnologie
biocompatibili alla nanotecnologia per produrre nanoparticelle con funzioni ed usi
specifici (Zigmust Sadowski, 2010).!
Nella sintesi di nanomateriali con metodi convenzionali, la natura degli scarti
dipende dal procedimento seguiti e, come accennato in precedenza, spesso i
sottoprodotti non sono eco-compatibili. Per ovviare a questo problema si possono
usare come riducenti/stabilizzanti polimeri naturali come gelatina, chitosano o
proteine (Vijayaraghavan et al., 2012). Tuttavia, tra i metodi di green chemistry che
appaiono più promettenti, ci sono quelli basati su estratti vegetali, che sono anche
adatti per produzione di nanoparticelle su larga scala (Iravani, 2011).!
!
!
Sintesi da microrganismi!
!
La biosintesi può essere effettuata usando sia batteri che funghi, sia esternamente
che internamente alle cellule (Ahmad et al., 2003).!
Una parte importante del lavoro in questo campo riguarda la sintesi di
nanoparticelle diverse per composizione, forma, grandezza e polidispersità. La
vastità dei microrganismi potrebbe porsi come possibile soluzione a tale
problematica.!
Un esempio caratteristico è rappresentato dai ben noti batteri magnetotattici (per
esempio: Magnetospirillum magnetotacticum) che sono in grado di sintetizzare
nanoparticelle magnetiche (Bazylinski and Frankel, 2004).!
Un altro esempio di batteri largamente usati nella green chemistry per la sintesi di
nanoparticelle (principalmente d’argento) sono i cianobatteri a causa del loro
metabolismo dell’azoto e quindi la bioriduzione del gli ioni di Ag+ associata alla
reazione di riduzione da nitrato ad ammonio (Lengke et al., 2007).!
I microrganismi fungini si presentano come buoni candidati per essere usati nella
biosintesi, purtroppo i meccanismi di sintesi non sono stati compresi
completamente.!
!
12
Introduzione
Sintesi da estratti vegetali!
!
Molte tra le piante più conosciute possono essere usate per la biosintesi di NPs.
Un esempio è rappresentato dall’uso di estratti di parti aeree provenienti dal
geranio (Pelargonium graveolens) in cui è stata osservata una rapida riduzione
degli ioni d’argento contenuti nel nitrato d’argento (AgNO3) una volta messi a
contatto con gli estratti (Shiv Shankar et al. 2003).!
Un esempio di sintesi di nanoparticelle d’oro da piante è proprio quella effettuata
da estratti di citronella (Cymbopogon flexuosus) con una buona resa di
nanoprismi, principalmente nanotriangoli (Shiv Shankar et al. 2004).!
Un altro esempio è quello che vede usare soluzioni acquose da estratti di foglie
del Tè nero (Camellia sinensis). Usando tali estratti è stato visto come essi sono
producono nanoparticelle sia d’oro che d’argento (Begum et al., 2009).!
!
!
13
Figura 4. Cianobatteri con nanoparticelle d’argento al loro interno analizzati al
TEM (Lengke et al. 2007).
Descrizione del lavoro
DESCRIZIONE DEL LAVORO!
!
!
Come accennato nell’introduzione, in questo lavoro di tesi è stata studiata al
capacità di indurre la formazione di nanoparticelle d’oro da parte di estratti
frazionati di Cucurbita pepo L.!
Tale pianta è stata scelta perché rappresenta una specie ampiamente coltivata la
cui biomassa non edibile non ha ancora trovato una via di recupero.!
La scelta di rivolgere l’attenzione alla sintesi delle nanoparticelle d’oro che ad oggi
sono le più studiate e quelle meglio caratterizzate, trova ragione non solo nella
loro superiore biocompatibilità, ma in particolare all’elevato potenziale redox
dell’oro stesso (+1.50 Volt).!
Le piante utilizzate sono state coltivate in soluzione idroponica chiamata soluzione
di Hoagland e successivamente trattate con soluzioni contenenti metalli in
concentrazione di 0.1 mM per 24 ore esatte. La crescita delle piante è stata
effettuata anche usando soluzioni idroponiche contenenti ioni metallici (Ag+, Cu2+,
Au3+ in concentrazione 10-4 M) per indurre condizioni di stress alle piante e
influenzare il potere riducente degli estratti.!
Successivamente si è proceduto a pesare separatamente radici e parti aeree e
quindi congelate in azoto liquido per far avvenire velocemente tale processo per
evitare la formazione di cristalli di ghiaccio per non alterare il tessuto originario.!
La sintesi selettiva è avvenuta usando le diverse frazioni provenienti dallo stesso
estratto per provare a definire le molecole responsabili della sintesi delle
nanoparticelle d’oro presenti nelle radici e nelle parti aeree.!
Le informazioni necessarie per impostare le condizioni di sintesi sono state
ricavate dal lavoro di tesi elaborato dalla dottoressa Federica Cacioppo laureata in
scienze biologiche nell’anno accademico 2012/2013 con le professoresse Cristina
Gonnelli e Sandra Ristori.!
!
14
Descrizione del lavoro
PREPARAZIONE E METODI!
!
!
Estrazione!
!
L’estrazione dei campioni ottenuti tramite coltivazione in soluzione idroponica è
avvenuta diluendo entrambi i campioni provenienti da foglie e radici 3:1 in base al
peso misurato.!
Dopo aver triturato i campioni, ognuno nell’opportuna quantità di acqua distillata,
in modo da ottenere una miscela omogenea priva di filamenti del tessuto vegetale,
gli estratti sono stati filtrati attraverso un tessuto filtrante con un piccolo imbuto
nelle rispettive provette.!
Successivamente le provette sono state riposte in congelatore per conservarle in
attesa del trattamento successivo, il frazionamento.!
!
!
!
!
!


15
Figura 5. Estratto ottenuto da
una parte aerea
Figura 6.Tessuto filtrante rivolto
verso l’imbuto
Figura 7. Estratto ottenuto dopo
avvenuta filtrazione
Descrizione del lavoro
Frazionamento!
!
Il frazionamento dei campioni è stato effettuato con una colonna cromatografica in
Sephadex G-75 per dividere i campioni precedentemente estratti in base al loro
peso molecolare e per capire quali potrebbero essere le molecole più efficienti
nella sintesi delle nanoparticelle tra quelle presenti nelle cellule di Cucurbita pepo
L.. Tale colonna separa molecole con un range con peso molecolare fino a 80000
Da circa.!
La prima frazione ottenuta contiene composti ad alto peso molecolare, mentre
quelle ottenute per ultime saranno le frazioni a peso molecolare minore di circa
3000 Da.!
In questo lavoro di tesi sono stati frazionati gli estratti di controllo, ovvero quelli
provenienti da radici e parti aeree delle piante non trattate con alcun metallo.!
La corsa cromatografica è stata fatta effettuata in modo da ottenere 15 frazioni da
un estratto diluito 2:1 in acqua distillata di 1 ml per le foglie (che presentavano una
maggiore quantità di biomassa), non diluito invece per gli estratti provenienti da
radici. La frazione 1 quindi conterrà molecole di 80000 Da, mentre la frazione 15
molecole al di sotto di 3000 Da.!
Il volume vuoto che è stato ottenuto grazie alla standardizzazione con blu di
destrano (100000 Da) è risultato essere 6 ml ovvero il volume necessario affinché
il blu di destrano passi attraverso tutta la colonna.!
La quantità di ognuno dei campioni frazionati è stato di 1 ml ciascuno a parte le
prime 3 frazioni dove la quantità raccolta era di 0.5 ml per dividere meglio questo
range di pesi molecolari, che è risultato particolarmente interessante già dalle
prime prove.

16
Descrizione del lavoro
!
Sintesi di AuNPs!
!
La sintesi delle AuNPs è stata effettuata miscelando 1.5 ml di estratto con 0.5 ml
di acido tetracloroaurico 1.47 10-3 M.!
Nel bianco invece è stata aggiunta la quantità di 1 ml della stessa soluzione di
acido tetracloroaurico diluito 1:20 con di H2O distillata milliQ. In ogni provetta è
stata inserita un’ancoretta magnetica per velocizzare la reazione e rendere
omogenea la dispersione di nanoparticelle.!
Le condizioni della sintesi sono state impostate facendo procedere la reazione di
sintesi per 3 ore a 60°C in provette di vetro dato che le provette di plastica ne
abbassano notevolmente la resa perché la maggior parte delle nanoparticelle
rimane adesa alla parete della provetta. !
Con questa procedura sono state sintetizzate nanoparticelle d’oro usando frazioni
dello stesso peso molecolare sia delle parti aeree che delle radici, in particolare
sono state utilizzate le frazioni 1, 3, 7, 11, 15 di entrambi i tessuti, che chiameremo
rispettivamente per non confondere 1f, 3f, 7f, 11f, 15f e 1r, 3r, 7r, 11r, 15r. La
frazioni con le lettere “f” saranno riferite a quelle provenienti da parti aeree, invece
quelle con la “r” le provenienti da radici.!
17
Figura 9 (sinistra).!
La frazione 3f.!
!
Figura 10 (destra).!
La frazione 15f.
Figura 11 (sinistra).!
La frazione 1r.!
!
Figura 12 (destra).!
La frazione 15r.
Descrizione del lavoro
Nelle immagini sono rappresentate quelle frazioni che durante la sintesi,
precisamente dopo un’ora dall’inizio della sintesi presentavano colorazioni
differenti rispetto gli altri campioni. In particolare le frazioni 3f e 1r presentavano la
formazione di aggregati marroncini/arancioni. Le frazioni 15 invece presentavano
un comportamento simile tra loro, assumendo una colorazione grigia, la 15f più
scura della 15r. Il colore grigio/nero è tipico delle nanoparticelle d’oro, perciò ne
indicava la loro presenza.!
!
Analisi visiva del colore!
!
A fine sintesi tutti i campioni sono stati trasferiti in cuvette di plastica pronte per
essere sottoposte all’analisi con lo spettrofotometro UV-Visibile e la loro
colorazione risultava decisamente meno evidente dato che sulle pareti delle
ancorette magnetiche erano rimaste adese le nanoparticelle come si può notare
dalla figura 14. Nella figura 13 invece si può notare che i campioni 3f e 15f
mostrano una colorazione percepibile.!
Dopo 5 giorni dalla sintesi, i campioni mostravano una colorazione evidente e
caratteristica per ogni frazione, in particolare le frazioni da parti aeree mostravano
una colorazione più evidente rispetto ai campioni da radici, la frazione 15f invece
sembra aver perso parte del colore (figura 15).!
Delle frazioni da radici invece la 1r, 3r e 15r hanno assunto una colorazione
caratteristica (figura 16).!
Com’è possibile notare dalle figure, i colori sviluppati sono i tipici delle soluzioni
colloidali di nanoparticelle d’oro.!
18
Figura 13 (sinistra). I campioni sintetizzati da frazioni da parti aeree trasferiti nelle
cuvette.!
!
Figura 14 (destra). Le ancorette magnetiche utilizzate per la sintesi.
Descrizione del lavoro
Dopo una settimana dalla sintesi, secondo un’analisi visiva del colore, le frazioni
da parti aeree non mostrano una variazione percettibile, ciò potrebbe indicare una
certa stabilizzazione delle nanoparticelle. Anche le frazioni da radici mostrano un
comportamento simile mostrando una colorazione leggermente maggiore rispetto
a 2 giorni prima: la frazione 11r sembra essersi colorata leggermente di rosso/
arancione; il colore delle frazioni 1r, 3r e 15r risulta essere leggermente più
evidente.!
Dopo due settimane dalla sintesi, i campioni sono stati analizzati ulteriormente e la
loro colorazione non sembrava essere cambiata sostanzialmente, anche le
frazioni incolore non avevano mostrato cambiamento. Il campioni 11r sembra aver
assunto una colorazione leggermente più percettibile e sono visibili aggregati sul
fondo della cuvetta.

19
Figura 15 (sinistra). Le frazioni provenienti da parti aeree dopo 5 giorni.!
!
Figura 16 (destra). Le frazioni provenienti da radici dopo 5 giorni.
Figura 17 (sinistra). Le frazioni da parti aeree dopo una settimana.!
!
Figura 18 (destra). Le frazioni da radici dopo una settimana.
Figura 19 (sinistra). Le frazioni da parti aeree dopo 2 settimane.!
!
Figura 20 (destra). Le frazioni da radici dopo 2 settimane.
Descrizione del lavoro
CARATTERIZZAZIONE!
!
!
Dopo la sintesi, i campioni sono stati analizzati con la spettrofotometria UV-Visibile
ad intervalli di tempo regolari. La caratterizzazione morfologica è stata effettuata
usando il microscopio elettronico a trasmissione (TEM, Transmission Electron
Microscope).!
!
Spettroscopia UV-Visibile!
!
Questo strumento permette di ottenere spettri con picchi caratteristici basati sulle
transizioni elettroniche. Per le AuNPs l’effetto di confinamento dei plasmoni di
superficie è riscontrabile nella regione del visibile (400-800 nm) con possibilità di
picchi anche a lunghezze d’onda maggiori. Tale effetto è chiamato di superficie
perché sono gli elettroni localizzati sulla superficie a dare oscillazioni coerenti e
quindi a far registrare allo spettrofotometro un picco di assorbanza. Come
mostrato in figura 21 (Eustis and El-Sayed, 2006). In generale, l’effetto plasmonico
dipende molto dalle dimensioni delle nanoparticelle e dalla loro forma. Per
esempio i nanorods hanno un assorbimento plasmonico a circa 850 nm.!
Nel nostro caso gli spettri sono stati registrati nel range 400-900 nm con una
durata di scansione di 60 nm/min in cuvette di plastica e agitando i campioni prima
della registrazione, perché potevano presentare la formazione di aggregati visibili
ad occhio nudo e quindi indurli a rimanere in sospensione nel tempo in cui erano
sottoposti alla spettroscopia. Sono stati registrati gli spettri di tutte le frazioni, e
anche dei bianchi relativi. !
20
Figura 21. Schema di interazione luce/nanoparticelle metalliche.
Descrizione del lavoro
!
!
Microscopio elettronico a trasmissione (TEM)!
!
L’analisi TEM è stata effettuata presso il centro di microscopia elettronica (CEME)
del CNR di Sesto Fiorentino e ha consentito di procedere ad una caratterizzazione
morfologica delle nanoparticelle presenti nei campioni.!
Prima di essere analizzati i campioni sono stati sonicati per indurre la
frantumazione degli aggregati parzialmente sedimentati sul fondo delle cuvette.!
Successivamente i campioni sono stati trasferiti ognuno sul proprio retino in
piccole quantità e, per eliminare la componente acquosa, è stata usata carta
assorbente. Infine i retini son stati lasciati ad asciugare.!
Questa preparazione è avvenuta un giorno prima dell’analisi TEM.

21
Risultati
!
RISULTATI!
!
!
Combinando le tecniche di caratterizzazione impiegate e valutando il
cambiamento di colore dei campioni si è potuto evidenziare la maturazione delle
nanoparticelle nel tempo e quindi l’acquisizione del colore rosso o viola scuro,
caratteristico di sospensioni di nanoparticelle d’oro in acqua.!
!
VALUTAZIONE DEGLI SPETTRI DI ASSORBIMENTO!
!
!
Le analisi effettuate con lo spettrofotometro UV-Visibile hanno confermato la
formazione di nanoparticelle d’oro, grazie alla presenza di un picco plasmonico
negli spettri risultanti.!
Gli spettri sono stati registrati dopo 1 ora, dopo 5 giorni, dopo una settimana e
dopo 2 settimane dalla fine della sintesi, sia per le nanoparticelle prodotte da parti
aeree che per quelle prodotte da radici.!
Come illustra la legenda di ogni grafico, la linea nera indica l’acido tetracloroaurico
diluito in acqua senza nessun estratto, ovvero il controllo.!
Ogni spettro d’assorbimento è stato modificato dopo la registrazione sottraendo i
valori del controllo a quello di ogni frazione.!
!
Parti aeree!
!
Dopo un’ora dalla sintesi, sono stati registrati gli spettri d’assorbimento di tutti i
campioni e l’analisi ha mostrato che le AuNPs si formano anzitutto negli estratti a
peso molecolare più basso registrando un picco a circa 550 nm (Grafico 1).!
Dopo 5 giorni dalla sintesi campioni si stabilizzano, dando ciascuno uno spettro
caratteristico; per esempio la frazione 11 sviluppa una colorazione rossa-
arancione e un un picco d’assorbimento a circa 600 nm (Grafico 2). Il grafico della
frazione 15f è mutato perché non mostra più un picco di intensità apprezzabile,
22
Risultati
perché le nanoparticelle si sono separate dalla soluzione sotto forma di precipitato
sul fondo della cuvetta.!
Dopo una e due settimane dalla sintesi gli spettri d’assorbimento mostrano
variazioni ma non significative. Le frazioni 1f, 7f e 11f sembrano evolversi
mostrando una leggera variazione dello spettro ma essenzialmente queste frazioni
rimangono stabili (Grafici 3,4).!
!
!
!
!
23
Assorbanza
0
0,035
0,07
0,105
0,14
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
frazione	
  15
Grafico 1. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo un’ora dalla sintesi.
Assorbanza
0
0,035
0,07
0,105
0,14
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
frazione	
  15
Grafico 2. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo 5 giorni dalla sintesi.
Risultati
Radici!
!
Il processo di analisi per i campioni provenienti da estratti di radici è stato lo stesso
di quello per campioni di parti aeree.!
Dopo un’ora dalla sintesi gli spettri d’assorbimento hanno confermato la presenza
delle nanoparticelle che danno picco plasmonico a circa 550 nm, in particolare
nella frazione 1r (Grafico 5).!
!
!
24
Assorbanza
0
0,035
0,07
0,105
0,14
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
frazione	
  15
Assorbanza
0
0,035
0,07
0,105
0,14
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
frazione	
  15
Grafico 3. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo una settimana dalla sintesi.
Grafico 4. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo due settimane dalla sintesi.
Risultati
Dopo 5 giorni dalla sintesi, in accordo all’analisi visiva, gli spettri dei campioni
sono cambiati ed alcuni mostrano un’evoluzione del picco plasmonico, in
particolare le frazioni 1r e 3r (Grafico 6).!
Successivamente gli spettri registrati non hanno mostrato una evoluzione
significativa, piuttosto una involuzione perché i picchi si sono abbassati, facendo
pensare che al contrario delle nanoparticelle da parti aeree, quelle da radici siano
meno stabili e tendano a sedimentare, motivo per cui si è ritenuto opportuno
sonicare i campioni prima dell’analisi TEM (Grafici 7,8).!
!
!
25
Assorbanza
0
0,035
0,07
0,105
0,14
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
Frazione	
  15
Grafico 5. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo un’ora dalla sintesi.
Assorbanza
0
0,035
0,07
0,105
0,14
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
frazione	
  15
Grafico 6. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo 5 giorni dalla sintesi.
Risultati


26
Assorbanza
0
0,035
0,07
0,105
0,14
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
frazione	
  15
Grafico 7. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo una settimana dalla sintesi.
Assorbanza
0
0,04
0,08
0,12
0,16
Lunghezza	
  d’onda	
  (nm)
400 500 600 700 800 900
	
  HAuCl4	
  dil	
  1:20	
  in	
  	
  acqua
	
  frazione	
  1
	
  frazione	
  3
	
  frazione	
  7
	
  frazione	
  11
frazione	
  15
Grafico 8. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo 2 settimane dalla sintesi.
Risultati
VALUTAZIONE DELLE MICROGRAFIE TEM!
!
!
La caratterizzazione morfologica effettuata con il microscopio elettronico ha
mostrato come la sintesi selettiva sia risultata efficace per ottenere nanoparticelle
morfologicamente diverse. Inoltre, con le micrografie TEM è stato possibile
individuare differenze e similitudini delle nanoparticelle prodotte da frazioni a peso
molecolare comparabile ma provenienti da tessuti diversi della pianta.!
Le figure 22 e 23 mostrano un confronto tra AuNPs ottenute dalle frazioni 1 di parti
aeree e di radici. Globalmente, si osservano differenze sia nelle dimensioni che
nella forma delle nanoparticelle. In particolare, la frazione 1f produce
nanoparticelle piccole non numerosi poligoni. Tra questi i triangoli sono i più
presenti. La frazione 1r produce nanoparticelle decisamente più grandi e
principalmente globulari. Si osservano tuttavia alcuni triangoli e bastoncini.!
27
Figura 23. Frazione 1r.!
Bar scale: 200 nm.
Figura 22. Frazione 1f.!
Bar scale: 200 nm.
Risultati
Confrontando le frazioni a peso molecolare più basso, provenienti dai diversi
tessuti si nota ancora lo stesso tipo di differenza tra estratti di parti aeree e di
radici.!
La frazione 3f produce principalmente nanoparticelle poligonali più grandi. La
frazione 3r produce principalmente nanoparticelle globulari, ma sono presenti
anche poligoni.!
Le frazioni 7 mostrano una diversa produzione di nanoparticelle. Nella frazione 7f
è possibile vedere l’aggregazione di tante piccole nanoparticelle adese su quelle
più grandi (figura 26). La frazione 7r produce invece soprattutto nanoparticelle
globulari. A sinistra nella figura 27 è possibile vedere un piccolo aggregato.!
Le frazioni 11 producono principalmente nanoparticelle poligonali; sono diverse
anche nella quantità di nanoparticelle prodotte come le foto delle cuvette potevano
far intuire. La frazione 11r ha assunto una leggera colorazione dopo 1 settimana
28
Figura 24 (sinistra). Frazione 3f. Bar scale: 200 nm.!
!
Figura 25 (destra). Frazione 3r. Bar scale: 200 nm.
Figura 26 (sinistra). Frazione 7f. Bar scale: 200 nm.!
!
Figura 27 (destra). Frazione 7r. Bar scale: 200 nm.
Risultati
diversamente dalla 11f, che ha mostrato una cinetica leggermente più rapida (5
giorni).!
Nell’immagine 28 è rappresentata la frazione 11f in cui sono presenti piccoli
aggregati chiamati “lamponi”. Nella frazione 11r ci sono principalmente grandi
poligoni.!
Infine le frazioni 15 hanno una comportamento originale per la produzione di
nanorods, in particolare quando vengono usati gli estratti di foglie (15f).!
La frazione 15r mostra la presenza di nanoparticelle globulari di dimensioni
omogenee, sono presenti pochi nanopoligoni e pochi nanorods.!
!
!
29
Figura 28 (sinistra). Frazione 11f. Bar scale: 100 nm.!
!
Figura 29 (destra). Frazione 11r. Bar scale: 200 nm.
Figura 30. Frazione 15f. Bar
scale: 100 nm.
Risultati
Da tali analisi risulta che gli estratti da foglie producono nanoparticelle di
dimensioni mediamente più piccole rispetto agli estratti da radici. L’ipotesi più
probabile per spiegare questo fenomeno è che la reazione di riduzione di Au(III)
ad Au(0) è più veloce quando si usano estratti di parte aerea.!
Le frazioni 15 potrebbero interessare in particolare per la presenza di nanorods,
che sono impiegati come agenti di contrasto nell’imaging medica (Tong et al.
2009).

30
Figura 31. Frazione 15r. Bar
scale: 100 nm.
Conclusioni
CONCLUSIONI!
!
!
In questo lavoro di tesi è stata utilizzata la pianta Cucurbita pepo L. come sistema
vegetale per la produzione di nanoparticelle d’oro (AuNPs), che viste le loro
caratteristiche chimico-fisiche, si stanno rivelando sistemi molto utili nel campo
della tecnologia, come parti funzionali di una grande quantità di prodotti
largamente utilizzati e presenti nei più svariati settori. I procedimenti utilizzati in
questa tesi appartengono all’area denominata Green Chemistry, che si pone
l’obiettivo di utilizzare dei sistemi biocompatibili e condizioni ad impatto ambientale
zero per ridurre l’utilizzo e la dispersione di sostanze tossiche, spesso impiegate
nella sintesi di nanoparticelle metalliche. Infatti, i metodi chimici comunemente
utilizzati per ottenere le nanoparticelle prevedono l’impiego di agenti riducenti e
stabilizzanti che spesso risultano tossici.!
La sintesi di AuNPs è stata effettuata usando estratti acquosi della pianta e
frazionati, ovvero divisi in base al peso molecolare grazie ad una corsa su colonna
cromatografica. Le frazioni usate provenivano sia dalle parti aeree che dalle radici
della pianta per confrontare, durante la loro caratterizzazione delle nanoparticelle,
quale dei tessuti è quello più efficiente in questo processo. La riduzione dell’oro
(da precursore HAuCl4) è stata effettuata a 60°C per 3 ore. Durante il processo di
sintesi è stato possibile notare la colorazione tipica delle sospensioni colloidali
d’oro in alcuni dei campioni da entrambi i tessuti utilizzati.!
Le analisi successive con strumenti come lo spettrofotometro UV-Visibile e il
microscopio elettronico a trasmissione (TEM) hanno dimostrato la presenza e la
varietà di forme delle nanoparticelle prodotte.!
Le analisi successive, condotte con spettrofotometria UV-Visibile e microscopio
TEM hanno confermato la presenza di numerose AuNPs, mostrando una certa
varietà di forme e dimensioni. In particolare, la spettrofotometria UV-Visibile ha
permesso di valutare la stabilità nel tempo delle nanoparticelle e avvalorato
l’analisi visiva. !
L’analisi TEM ha evidenziato una diversa morfologia (nanosfere, nanorods,
poligoni) per AuNPs provenienti dalla sintesi selettiva con frazioni diverse dallo
stesso organo di pianta, oppure da frazioni con peso molecolare comparabile
estratti da foglie o radici.

31
Bibliografia
BIBLIOGRAFIA!
!
!
Absar Ahmad, Priyabrata Mukherjee, Satyajyoti Senapati, Deendayal Mandal,
M.Islam Khan, Rajiv Kumar, Murali Sastry, 2003 - Extracellular biosynthesis of
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B: Biointerfaces, 28, 313-318.!
!
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1995, ISBN 978-88-08-09507-7!
!
P. Atkins, J. De Paula, Physical Chemistry, 8ª ed., Oxford University Press, 2006.
ISBN 978-0-19-870072-2.!
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Ball P., 2002 - Natural strategies for the molecular engineer. Nanotechnology, 13,
15-28.!
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Bazylinski A.B., Frankel B.R., 2004 - Magnetosome formation in Prokaryotes.
Nature Reviews - Microbiology, 2, 213-230.!
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Based Drugs, 6, 297-300.!
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of Au and Ag nanoparticles using aqueous solutions of Black Tea leaf extracts.
Colloids Surf. B. Biointerfaces, 71, 113-118.!
!
Cristina Buzea, Ivan. I. Pacheco Blandino and Kevin Robbie, 2007 -
Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity. Biointerphases. 2, 4,
MR17-MR172.!
!
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2012 has been awarded to NanoSight, Nanotechnology Now, May 1, 2012.!
!
32
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Crystal Growth, 311, 15, 3889-3897.!
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Time and Nanometer Space of Different Shapes. Accounts of Chemical Research,
vol. 34, no. 4.!
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precious than pretty gold: Noble metal surface plasmon resonance and its
enhancement of the radiative and nonradiative properties of nanocrystals of
different shapes. Chemical Society Reviews. 35, 209-217!
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Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 59, 1, 1-10.!
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Chem., 13, 2638-2650.!
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Duyne, 2000 - Nanosphere Lithography: Tunable Localized Surface Plasmon
Resonance Spectra of Silver Nanoparticles. J. Phys. Chem B., 104, 10549-10556!
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D.E. Koppel, 1972 - Analysis of Macromolecular Polydispersity in Intensity
Correlation Spectroscopy: The Method of Cumulants. The Journal of Chemical
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L. D. Landau and E. M. Lifshitz - 1965. Quantum Mechanics, 2nd ed. Pergamon
Press, Oxford, p. 452!
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synthesized by Elamentous cyanobacteria from gold(I)-thiosulfate and gold(III)-
chloride complexes. Langmuir, 22, 2780-2787.!
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Lengke M.F., Ravel B., Fleet M.E., Wanger, G. Gordon R.A. & Southam G., 2006b
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chloride complex. Enviromental Science Technology, 40, 6304-6309.!
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by filamentous cyanobacteria from a silver(I) nitrate complex. Langmuir, 23,
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Nanoparticle Research, 5, 181-189.!
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biosynthesis of silver nanoparticles. Biotechnology Progress, 19, 1627-1631.!
!
Shiv Shankar S., Rai A., Ankamwar B., Singh A.,Ahmad A. and Sastry M., 2004 -
Biological synthesis of triangular gold nanoprisms. Nature Materials, 3, 482-488.!
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34
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giugno 2006.ISBN 88-408-1344-6.!
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4, 40-43.!
!
Tong L., Wei Q., Wei A., Cheng JX., 2009 - Gold nanorods as contrast agents for
biological imaging: optical properties, surface conjugation and photothermal
effects. Photochem Photobiol., 85(1), 21-32.!
!
John Turkevich, Peter Cooper Stevenson  and James Hillier - Discuss. Faraday
Soc., 1951,11, 55-75; A study of the nucleation and growth processes in the
synthesis of colloidal gold; DOI: 10.1039/DF9511100055.!
!
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B-07/001 | February 2007, www.epa.gov/osa.!
!
Vijayaraghavan K., Nanili Kamala S.P., Prakash Udaya N., Madhankumar D., 2012
- One step green synthesis of silver nano/microparticles using extracts of
Trachyspermum ammi and Papaver somniferum: introduction. Colloids and
Surfaces B: Biointerfaces 94, 114-117.!
!
Zigmust Sadowski, 2010 - Biosyntesis and Application of Silver and Gold
Nanoparticles, Silver Nanoparticles, David Pozo Perez (Ed.), ISBN:
978-953-307-028-5, InTech, Avalaible from: http://www.intechopen.com/books/
silver-nanoparticles/biosyntesis-and-application-of-silver-and-gold-nanoparticles.!
!
Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V.B. Elings,1993 - Fractured polymer/silica fiber
surface studied by tapping mode atomic force microscopy. Surface Science 290,
L688-L692.!
!
35
Bibliografia
Figura 1. http://cephy-net.blogspot.it/2010/03/1.html!
!
Figura 2. http://yuchinhuang.wordpress.com!
!
Figura 3. http://www.intechopen.com/books/ion-exchange-technologies/
bifunctional-polymer-metal-nanocomposite-ion-exchange-materials!
!
Figura 21. http://nanocomposix.eu/pages/plasmonics-and-nanophotonics!
!
36
Ringraziamenti
Vorrei ringraziare Cristo Gesù per il suo eccelso gesto d’amore nei miei confronti.!
Ringrazio la mia futura moglie Sabina per il suo continuo supporto, la sua
presenza ed i suoi incoraggiamenti nell’esperienza dell’università.!
Ringrazio ancora le Professoresse Sandra Ristori e Cristina Gonnelli per come mi
hanno seguito, corretto e istruito per tutto il tempo che abbiamo lavorato insieme.!
Un ulteriore ringraziamento va alle dottoresse Cristiano Giordano e Laura
Capozzoli del CeME (Centro di Microscopie Elettroniche) e la Professoressa
Elisabetta Meacci e la dottoressa Alessia Frati del Dipartimento di Scienze
Biomediche Sperimentali e Cliniche "Mario Serio”, per la collaborazione e aiuto
nello svolgimento di questo lavoro.!
Vorrei anche ringraziare il GBU (Gruppi Biblici Universitari), in particolare Andrew
Lubbock per la sua costante presenza e disponibilità.!
Infine ringrazio i miei genitori per il loro supporto e sostegno economico rendendo
l’ambizione della laurea possibile.
37

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  • 2. ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! “In Him we live and move! and have our being”
 2
  • 3. INDICE! ! ! • INTRODUZIONE! ! ! ! ! ! ! ! 5! • Cosa sono le nanoparticelle! ! ! ! ! ! 6! • Metodi di sintesi! ! ! ! ! ! ! ! 8! • Caratterizzazione! ! ! ! ! ! ! ! 9! • Biosintesi: Green Chemistry! ! ! ! ! ! 12! • Sintesi da microrganismi! ! ! ! ! ! ! 12! • Sintesi da estratti vegetali!! ! ! ! ! ! 13! ! • DESCRIZIONE DEL LAVORO! ! ! ! ! ! 14! • Preparazione e metodi! ! ! ! ! ! ! 15! • Estrazione! ! ! ! ! ! ! ! ! 15! • Frazionamento! ! ! ! ! ! ! ! 16! • Sintesi di AuNPs! ! ! ! ! ! ! ! 17! • Analisi visiva del colore! ! ! ! ! ! ! 18! • Caratterizzazione! ! ! ! ! ! ! ! 20! • Spettroscopia UV-Visibile! ! ! ! ! ! ! 20! • Microscopio elettronico a trasmissione(TEM)! ! ! 21! ! 3
  • 4. • RISULTATI! ! ! ! ! ! ! ! ! 22! • Valutazione degli spettri di assorbimento! ! ! 22! • Parti aeree! ! ! ! ! ! ! ! ! 22! • Radici! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 24! • Valutazione delle micrografie TEM! ! ! ! ! 27! ! • CONCLUSIONI! ! ! ! ! ! ! ! 31! ! • BIBLIOGRAFIA! ! ! ! ! ! ! ! 32! ! 4
  • 5. Introduzione INTRODUZIONE! ! ! Le nanoparticelle sono presenti in svariati prodotti sul mercato in diverse applicazioni: elettronica, cosmetica, tessili, apparecchiature mediche, trattamento delle acque, biosensori, conservazione degli alimenti (Sealy, 2006). Per esempio le nanoparticelle d’oro trovano applicazione nel campo dei sensori per diversi gas (es. rilevamento di gas inquinanti), sfruttando le loro proprietà catalitiche e la capacità di operare a temperatura ambiente (Thompson, 2007).! Le nanoparticelle d’oro hanno anche molte applicazioni in campo biologico dove possono essere coniugate a biomolecole specifiche come enzimi, DNA o anticorpi. Il legame viene monitorato grazie al cambiamento di proprietà delle nanoparticelle sfruttando le loro caratteristiche ottiche (Hou, 2007).! Le nanoparticelle d’argento trovano applicazione in ambito medico perché presentano attività antimicrobiche contro Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa e Escherichia coli (Rai et al., 2009), infatti sono usate nella formulazione di creme per prevenire infezioni in seguito a bruciature e ferite aperte (Becker, 1999). ! Oltre a questi due metalli, svariate applicazioni hanno anche le nanoparticelle di ossido di zinco (ZnO), data lo loro compatibilità con la pelle umana e la capacità di assorbire i raggi UV. Grazie a tali caratteristiche, queste nanoparticelle possono trovarsi nelle creme detergenti e nelle creme solari (Deepti and Pradeep, 2009).! Alla luce di questo è importante considerare la nanotossicità delle nanoparticelle, che può dipendere da diversi fattori come la dose di esposizione, la composizione chimica, la dimensione, la forma, le proprietà elettromagnetiche. In particolare, le dimensioni sono uno dei fattori chiave che potrebbe portare ad una comprensione migliore della nanotossicità perché potrebbero influire sulla capacità ad entrare nel sistema circolatorio, nervoso e linfatico e dato che sono più piccole delle cellule penetrare anche all’interno delle cellule, alterandone le normali funzioni (Buzea et al., 2007).! In alternativa ai metodi fisici o chimici che producono quantità di nanomateriale difficile da smaltire, la nanobiotecnologia sta facendo molti passi dovuti all’esigenza di produrre scarti sempre più eco-sostenibili. In particolare, la green chemistry utilizza sistemi biologici come microrganismi, funghi e alghe per la 5
  • 6. Introduzione sintesi delle nanoparticelle metalliche, evitando la produzione di scarti tossici (Nair & Pradeep, 2002; Lin et al., 2005; Lengke et al., 2006a, 2006b). Il successo della green chemistry sta prendendo piede anche grazie alla sua considerevole componente economica, perché elimina l’uso di solventi costosi che sono anche difficilmente smaltibili rendendo queste tecniche notevolmente più economiche.! In questo lavoro di tesi verrà discussa una metodologia di sintesi di nanoparticelle d’oro da estratti acquosi di radici e parti aeree di Cucurbita pepo L.. Gli estratti sono stati frazionati mediante cromatografia su gel per valutare la capacità delle diverse frazioni a indurre la formazione di nanoparticelle con morfologia e dimensioni specifiche.! Dopo aver definito la procedura di sintesi delle nanoparticelle usando acido tetracloroaurico (HAuCl4) come precursore per l’oro, abbiamo caratterizzato i sistemi ottenuti attraverso l’analisi del picco di assorbimento plasmonico. Infine, la microscopia elettronica in trasmissione (TEM) ha permesso di ricavare informazioni dettagliate sulla struttura delle nanoparticelle.! ! ! Cosa sono le nanoparticelle! ! Le nanoparticelle (nanoparticles = NPs) sono aggregati atomici o molecolari con una dimensione nell’ordine del nano, ovvero con dimensioni comprese da 1 nm a 100 nm (Ball, 2002; Roco, 2003).! Un fattore di estrema importanza tecnologica che riguarda i nanomateriali è che le loro proprietà spesso non corrispondono a quelle del materiale massivo (Figura 1) (Nel et al. 2006). Tali differenze sono dovute al grande numero di atomi superficiali che si riscontra al diminuire del volume di un aggregato. Le NPs sono quindi di grande interesse scientifico, dato che rappresentano una categoria di materiali intermedi tra quelli di dimensioni ordinarie (>0.01 mm) e le strutture atomiche o molecolari.! Un esempio di proprietà che si riscontra nei nanomateriali rispetto ai corrispondenti materiali massivi è l’assorbimento della luce solare nei pannelli fotovoltaici, in cui più piccole sono le nanoparticelle, maggiore sarà l’assorbimento della luce. Inoltre, nelle nanoparticelle metalliche, le dimensioni fanno sì che gli elettroni siano confinati, producendo effetti quantici. Per esempio, il confinamento 6
  • 7. Introduzione elettronico fa sì che una soluzione di nanoparticelle d’oro produce una colorazione dal rosso cupo al nero (Figura 1).! La formazioni di sospensioni stabili di NPs è dovuta all’interazione degli atomi esterni con il solvente che può essere sufficientemente forte da superare la differenza di densità, questa interazione è dovuta al moto browniano (proprietà intrinseca delle nanoparticelle). Più piccole sono le particelle in soluzione tanto più rapido sarà il loro moto browniano e tale moto contrasta proprio la forza di gravità, rendendo stabili le soluzioni colloidali. Questa caratteristica viene proprio usata per definire la natura colloidale o meno di una soluzione.! Secondo l’EPA (Environmental Protection Agency) le nanoparticelle ingegnerizzate possono essere suddivise in 4 categorie (USEPA, 2007):! ! • Materiali a base di carbonio. Alcuni esempi possono essere i fullereni, nanotubi a parete singola (SWCNT) o multipla (MWCNT);! • Dendrimeri. Sono polimeri che possono essere costruiti con una dimensione specifica grazie alle unità ramificanti. Essi potrebbero trovare un’applicazione significativa nel drug delivery;! • Materiali Compositi. Come dice la parola stessa sono combinazioni di nanoparticelle con altre nanoparticelle o materiali massivi. Un esempio di materiale composito è dato da nanoparticelle di titanio legate a DNA;! 7 Figura 1. Esempio di come le proprietà ottiche differiscono dalla soluzione convenzionale a quella colloidale. L’effetto Tyndall di diffusione della luce è dovuto alle dimensioni delle particelle d’oro in sospensione.
  • 8. Introduzione • Materiali a base di metalli. In questa categoria sono inclusi i Quantum Dots, nanoparticelle d’oro, argento, zinco, rame, alluminio, titanio e ossidi di metalli. I quantum dots sono cristalli costituiti dalle centinaia alle migliaia di atomi aventi un grado di impacchettamento molto alto, in base alla loro grandezza variano le loro proprietà di fluorescenza.! ! Metodi di sintesi! ! I metodi di sintesi solitamente si basando su due principi base: il bottom-up e il top-down.! Il principio del bottom-up comporta l’uso di sostanze come per esempio ioni metallici per costruire attraverso le varie tecniche le nanoparticelle, una delle tecniche più diffuse di tipo bottom-up è il metodo di Turkevich (Turkevich et al., 1951) che sfrutta l’idea della nucleazione delle nanoparticelle da ioni cloroaurici usando il citrato di sodio sia come agente che riducente che stabilizzante della sospensione (repulsione elettrostatica tra le nanoparticelle) come schematizzato nella figura 2.! Un’altra categoria di nanoparticelle che vengono costruite seguendo l’idea del bottom-up è quella dei dendrimeri perché la loro formazione è dovuta proprio all’interazione che tante molecole uguali interagiscono fra loro formando un polimero di dimensioni controllate.! Al contrario il metodo top-down comporta l’uso di materiali massivi, che vengono sottoposti a frammentazione con tecniche chimiche o fisiche fino all’ordine di grandezza del nano. Un difetto delle metodologie top-down è che spesso le 8 Figura 2. Stabilizzazione delle nanoparticelle d’oro da parte delle molecole di citrato.
  • 9. Introduzione nanoparticelle formate presentano imperfezioni e le loro caratteristiche strutturali sono più difficilmente controllabili.! Un esempio di sintesi con approccio top-down è la fotolitografia (Jensen et al., 2000) usato per produrre nanoparticelle d’argento da materiale massivo della grandezza di mezzo millimetro.! ! ! Caratterizzazione! ! Uno dei momenti importanti nel processo di produzione di nanoparticelle è la loro caratterizzazione.! Con le seguenti tecniche e strumenti è quindi possibile capire la loro morfologia, struttura, composizione chimica e la loro carica. Questo porta ulteriormente a capire la loro stabilità, reattività ed i loro potenziali usi.! ! • Morfologia e Dimensioni:! • Microscopio elettronico (TEM, SEM, Transmission oppure Scanning Electron Microscopy), necessita un ambiente di alto vuoto per un corretto funzionamento ma fornisce immagini del campioni in tempo reale;! • Microscopio a forza atomica (AFM, Atomic Force Microscopy), diversamente dal microscopio elettronico, l’AFM non necessita un ambiente senza solvente e atmosfera, quindi è un ottimo strumento per lo studio di macromolecole biologiche o organismi viventi, ma l’area di scansione e limitata e la registrazione delle immagini è più indiretta. (Zhong et al., 1993);! • Diffusione dinamica della luce (DLS, Dynamic Light Scattering), tale strumento fornisce informazioni sulla distribuzione delle dimensioni della particelle presenti in soluzione e anche la loro solubilità quindi viene usato 9 Figura 3. Illustrazione schematica degli approcci Top-down e Bottom-up. Nella figura la sigla MNPs sta ad indicare nanoparticelle metalliche (Metal Nanoparticles)
  • 10. Introduzione principalmente per campioni liquidi in cui la distribuzione delle particelle disperse è molto uniforme (Koppel, 1972);! • Struttura:! • Diffrazione a raggi X (XRD, powder X-ray Diffraction), viene usata nello studio dei solidi cristallini, informazioni sulle componenti del cristallo, sulla struttura e la dimensione;! • Interferometria a doppia polarizzazione (DPI, Dual Polarization Interferometry), è ampiamente usata per capire la struttura delle biomolecole e grazie a ciò avere anche informazioni sulle interazioni molecolari. (Cross et al., 2003);! • Risonanza magnetica nucleare (NMR, Nuclear Magnetic Resonance), viene principalmente usata su campioni liquidi e fornisce una struttura molto accurata delle molecole in esame, ha come svantaggio di essere esclusiva per le sole particelle contenenti atomi NMR-attivi come, per esempio, l’107Ag o l’109Ag (Landau and Lifshitz, 1965);! • Carica:! • Desorbimento/Ionizzazione laser assistito da matrice (MALDI, Matrix-Assisted Laser Desorption), principalmente è condotta sotto vuoto ed il suo uso viene spesso abbinato all’uso di analizzatori a tempo di volo. Questo è uno strumento dispendioso perché la matrice presenta caratteristiche chimico- fisiche particolari (Silverstein et al., 2006);! • Spettrometria di massa a tempo di volo (TOF, Time-of-Flight Mass Spectrometry), abbinato al MALDI il TOF è uno strumento che riesce a distinguere ioni a carica e massa diversi;! • Composizione Chimica:! • Spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy), con questo strumento è possibile ottenere informazioni riguardanti la composizione superficiale del materiale grazie alle informazioni date dall’energia di legame. Uno dei vantaggi sta nel fatto che è una tecnica non distruttiva;! • Spettroscopia in trasformata di Fourier all’infrarosso (FTIR, Fourier Transform Infrared Spectroscopy), questa spettroscopia fornire informazioni sulla natura dei legami della sostanza assorbita sulle nanoparticelle grazie allo spettro risultante (Atkins and De Paula, 2006);! • Spettroscopia UV-Visibile, questa tecnica viene usata per sostanze in soluzione e si basa spesso sul confronto dei degli spettri ottenuti con un 10
  • 11. Introduzione impronta caratteristica dei composti. L’uso di questo strumento si è dimostrato fondamentale perché gli spettri d’assorbimento delle nanoparticelle metalliche sono caratterizzate da notevoli picchi nella regione visibile a causa delle eccitazioni elettroniche dei plasmoni superficiali. Nel caso delle nanoparticelle d’oro, il picco plasmonico si registra a 500-550 nm (Amandola and Terreni, 1995; El-Sayed, 2001).! ! La tecnologia che permette l’analisi per il monitoraggio (NTA, Nanoparticle Tracking Analysis) delle nanoparticelle consente di il rilevamento diretto del moto browniano, metodo che permette l’analisi delle singole nanoparticelle in soluzione (Carr & Knowles, 2012). Tecnologia questa che è stata sviluppata solo recentemente anche se la teoria sul moto browniano era nota sin dagli inizi del XX grazie agli studi di Albert Einstein.! ! ! 11
  • 12. Introduzione BIOSINTESI: GREEN CHEMISTRY! ! ! La nanobiotecnologia, come dice il nome stesso, si propone di abbinare tecnologie biocompatibili alla nanotecnologia per produrre nanoparticelle con funzioni ed usi specifici (Zigmust Sadowski, 2010).! Nella sintesi di nanomateriali con metodi convenzionali, la natura degli scarti dipende dal procedimento seguiti e, come accennato in precedenza, spesso i sottoprodotti non sono eco-compatibili. Per ovviare a questo problema si possono usare come riducenti/stabilizzanti polimeri naturali come gelatina, chitosano o proteine (Vijayaraghavan et al., 2012). Tuttavia, tra i metodi di green chemistry che appaiono più promettenti, ci sono quelli basati su estratti vegetali, che sono anche adatti per produzione di nanoparticelle su larga scala (Iravani, 2011).! ! ! Sintesi da microrganismi! ! La biosintesi può essere effettuata usando sia batteri che funghi, sia esternamente che internamente alle cellule (Ahmad et al., 2003).! Una parte importante del lavoro in questo campo riguarda la sintesi di nanoparticelle diverse per composizione, forma, grandezza e polidispersità. La vastità dei microrganismi potrebbe porsi come possibile soluzione a tale problematica.! Un esempio caratteristico è rappresentato dai ben noti batteri magnetotattici (per esempio: Magnetospirillum magnetotacticum) che sono in grado di sintetizzare nanoparticelle magnetiche (Bazylinski and Frankel, 2004).! Un altro esempio di batteri largamente usati nella green chemistry per la sintesi di nanoparticelle (principalmente d’argento) sono i cianobatteri a causa del loro metabolismo dell’azoto e quindi la bioriduzione del gli ioni di Ag+ associata alla reazione di riduzione da nitrato ad ammonio (Lengke et al., 2007).! I microrganismi fungini si presentano come buoni candidati per essere usati nella biosintesi, purtroppo i meccanismi di sintesi non sono stati compresi completamente.! ! 12
  • 13. Introduzione Sintesi da estratti vegetali! ! Molte tra le piante più conosciute possono essere usate per la biosintesi di NPs. Un esempio è rappresentato dall’uso di estratti di parti aeree provenienti dal geranio (Pelargonium graveolens) in cui è stata osservata una rapida riduzione degli ioni d’argento contenuti nel nitrato d’argento (AgNO3) una volta messi a contatto con gli estratti (Shiv Shankar et al. 2003).! Un esempio di sintesi di nanoparticelle d’oro da piante è proprio quella effettuata da estratti di citronella (Cymbopogon flexuosus) con una buona resa di nanoprismi, principalmente nanotriangoli (Shiv Shankar et al. 2004).! Un altro esempio è quello che vede usare soluzioni acquose da estratti di foglie del Tè nero (Camellia sinensis). Usando tali estratti è stato visto come essi sono producono nanoparticelle sia d’oro che d’argento (Begum et al., 2009).! ! ! 13 Figura 4. Cianobatteri con nanoparticelle d’argento al loro interno analizzati al TEM (Lengke et al. 2007).
  • 14. Descrizione del lavoro DESCRIZIONE DEL LAVORO! ! ! Come accennato nell’introduzione, in questo lavoro di tesi è stata studiata al capacità di indurre la formazione di nanoparticelle d’oro da parte di estratti frazionati di Cucurbita pepo L.! Tale pianta è stata scelta perché rappresenta una specie ampiamente coltivata la cui biomassa non edibile non ha ancora trovato una via di recupero.! La scelta di rivolgere l’attenzione alla sintesi delle nanoparticelle d’oro che ad oggi sono le più studiate e quelle meglio caratterizzate, trova ragione non solo nella loro superiore biocompatibilità, ma in particolare all’elevato potenziale redox dell’oro stesso (+1.50 Volt).! Le piante utilizzate sono state coltivate in soluzione idroponica chiamata soluzione di Hoagland e successivamente trattate con soluzioni contenenti metalli in concentrazione di 0.1 mM per 24 ore esatte. La crescita delle piante è stata effettuata anche usando soluzioni idroponiche contenenti ioni metallici (Ag+, Cu2+, Au3+ in concentrazione 10-4 M) per indurre condizioni di stress alle piante e influenzare il potere riducente degli estratti.! Successivamente si è proceduto a pesare separatamente radici e parti aeree e quindi congelate in azoto liquido per far avvenire velocemente tale processo per evitare la formazione di cristalli di ghiaccio per non alterare il tessuto originario.! La sintesi selettiva è avvenuta usando le diverse frazioni provenienti dallo stesso estratto per provare a definire le molecole responsabili della sintesi delle nanoparticelle d’oro presenti nelle radici e nelle parti aeree.! Le informazioni necessarie per impostare le condizioni di sintesi sono state ricavate dal lavoro di tesi elaborato dalla dottoressa Federica Cacioppo laureata in scienze biologiche nell’anno accademico 2012/2013 con le professoresse Cristina Gonnelli e Sandra Ristori.! ! 14
  • 15. Descrizione del lavoro PREPARAZIONE E METODI! ! ! Estrazione! ! L’estrazione dei campioni ottenuti tramite coltivazione in soluzione idroponica è avvenuta diluendo entrambi i campioni provenienti da foglie e radici 3:1 in base al peso misurato.! Dopo aver triturato i campioni, ognuno nell’opportuna quantità di acqua distillata, in modo da ottenere una miscela omogenea priva di filamenti del tessuto vegetale, gli estratti sono stati filtrati attraverso un tessuto filtrante con un piccolo imbuto nelle rispettive provette.! Successivamente le provette sono state riposte in congelatore per conservarle in attesa del trattamento successivo, il frazionamento.! ! ! ! ! ! 
 15 Figura 5. Estratto ottenuto da una parte aerea Figura 6.Tessuto filtrante rivolto verso l’imbuto Figura 7. Estratto ottenuto dopo avvenuta filtrazione
  • 16. Descrizione del lavoro Frazionamento! ! Il frazionamento dei campioni è stato effettuato con una colonna cromatografica in Sephadex G-75 per dividere i campioni precedentemente estratti in base al loro peso molecolare e per capire quali potrebbero essere le molecole più efficienti nella sintesi delle nanoparticelle tra quelle presenti nelle cellule di Cucurbita pepo L.. Tale colonna separa molecole con un range con peso molecolare fino a 80000 Da circa.! La prima frazione ottenuta contiene composti ad alto peso molecolare, mentre quelle ottenute per ultime saranno le frazioni a peso molecolare minore di circa 3000 Da.! In questo lavoro di tesi sono stati frazionati gli estratti di controllo, ovvero quelli provenienti da radici e parti aeree delle piante non trattate con alcun metallo.! La corsa cromatografica è stata fatta effettuata in modo da ottenere 15 frazioni da un estratto diluito 2:1 in acqua distillata di 1 ml per le foglie (che presentavano una maggiore quantità di biomassa), non diluito invece per gli estratti provenienti da radici. La frazione 1 quindi conterrà molecole di 80000 Da, mentre la frazione 15 molecole al di sotto di 3000 Da.! Il volume vuoto che è stato ottenuto grazie alla standardizzazione con blu di destrano (100000 Da) è risultato essere 6 ml ovvero il volume necessario affinché il blu di destrano passi attraverso tutta la colonna.! La quantità di ognuno dei campioni frazionati è stato di 1 ml ciascuno a parte le prime 3 frazioni dove la quantità raccolta era di 0.5 ml per dividere meglio questo range di pesi molecolari, che è risultato particolarmente interessante già dalle prime prove.
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  • 17. Descrizione del lavoro ! Sintesi di AuNPs! ! La sintesi delle AuNPs è stata effettuata miscelando 1.5 ml di estratto con 0.5 ml di acido tetracloroaurico 1.47 10-3 M.! Nel bianco invece è stata aggiunta la quantità di 1 ml della stessa soluzione di acido tetracloroaurico diluito 1:20 con di H2O distillata milliQ. In ogni provetta è stata inserita un’ancoretta magnetica per velocizzare la reazione e rendere omogenea la dispersione di nanoparticelle.! Le condizioni della sintesi sono state impostate facendo procedere la reazione di sintesi per 3 ore a 60°C in provette di vetro dato che le provette di plastica ne abbassano notevolmente la resa perché la maggior parte delle nanoparticelle rimane adesa alla parete della provetta. ! Con questa procedura sono state sintetizzate nanoparticelle d’oro usando frazioni dello stesso peso molecolare sia delle parti aeree che delle radici, in particolare sono state utilizzate le frazioni 1, 3, 7, 11, 15 di entrambi i tessuti, che chiameremo rispettivamente per non confondere 1f, 3f, 7f, 11f, 15f e 1r, 3r, 7r, 11r, 15r. La frazioni con le lettere “f” saranno riferite a quelle provenienti da parti aeree, invece quelle con la “r” le provenienti da radici.! 17 Figura 9 (sinistra).! La frazione 3f.! ! Figura 10 (destra).! La frazione 15f. Figura 11 (sinistra).! La frazione 1r.! ! Figura 12 (destra).! La frazione 15r.
  • 18. Descrizione del lavoro Nelle immagini sono rappresentate quelle frazioni che durante la sintesi, precisamente dopo un’ora dall’inizio della sintesi presentavano colorazioni differenti rispetto gli altri campioni. In particolare le frazioni 3f e 1r presentavano la formazione di aggregati marroncini/arancioni. Le frazioni 15 invece presentavano un comportamento simile tra loro, assumendo una colorazione grigia, la 15f più scura della 15r. Il colore grigio/nero è tipico delle nanoparticelle d’oro, perciò ne indicava la loro presenza.! ! Analisi visiva del colore! ! A fine sintesi tutti i campioni sono stati trasferiti in cuvette di plastica pronte per essere sottoposte all’analisi con lo spettrofotometro UV-Visibile e la loro colorazione risultava decisamente meno evidente dato che sulle pareti delle ancorette magnetiche erano rimaste adese le nanoparticelle come si può notare dalla figura 14. Nella figura 13 invece si può notare che i campioni 3f e 15f mostrano una colorazione percepibile.! Dopo 5 giorni dalla sintesi, i campioni mostravano una colorazione evidente e caratteristica per ogni frazione, in particolare le frazioni da parti aeree mostravano una colorazione più evidente rispetto ai campioni da radici, la frazione 15f invece sembra aver perso parte del colore (figura 15).! Delle frazioni da radici invece la 1r, 3r e 15r hanno assunto una colorazione caratteristica (figura 16).! Com’è possibile notare dalle figure, i colori sviluppati sono i tipici delle soluzioni colloidali di nanoparticelle d’oro.! 18 Figura 13 (sinistra). I campioni sintetizzati da frazioni da parti aeree trasferiti nelle cuvette.! ! Figura 14 (destra). Le ancorette magnetiche utilizzate per la sintesi.
  • 19. Descrizione del lavoro Dopo una settimana dalla sintesi, secondo un’analisi visiva del colore, le frazioni da parti aeree non mostrano una variazione percettibile, ciò potrebbe indicare una certa stabilizzazione delle nanoparticelle. Anche le frazioni da radici mostrano un comportamento simile mostrando una colorazione leggermente maggiore rispetto a 2 giorni prima: la frazione 11r sembra essersi colorata leggermente di rosso/ arancione; il colore delle frazioni 1r, 3r e 15r risulta essere leggermente più evidente.! Dopo due settimane dalla sintesi, i campioni sono stati analizzati ulteriormente e la loro colorazione non sembrava essere cambiata sostanzialmente, anche le frazioni incolore non avevano mostrato cambiamento. Il campioni 11r sembra aver assunto una colorazione leggermente più percettibile e sono visibili aggregati sul fondo della cuvetta.
 19 Figura 15 (sinistra). Le frazioni provenienti da parti aeree dopo 5 giorni.! ! Figura 16 (destra). Le frazioni provenienti da radici dopo 5 giorni. Figura 17 (sinistra). Le frazioni da parti aeree dopo una settimana.! ! Figura 18 (destra). Le frazioni da radici dopo una settimana. Figura 19 (sinistra). Le frazioni da parti aeree dopo 2 settimane.! ! Figura 20 (destra). Le frazioni da radici dopo 2 settimane.
  • 20. Descrizione del lavoro CARATTERIZZAZIONE! ! ! Dopo la sintesi, i campioni sono stati analizzati con la spettrofotometria UV-Visibile ad intervalli di tempo regolari. La caratterizzazione morfologica è stata effettuata usando il microscopio elettronico a trasmissione (TEM, Transmission Electron Microscope).! ! Spettroscopia UV-Visibile! ! Questo strumento permette di ottenere spettri con picchi caratteristici basati sulle transizioni elettroniche. Per le AuNPs l’effetto di confinamento dei plasmoni di superficie è riscontrabile nella regione del visibile (400-800 nm) con possibilità di picchi anche a lunghezze d’onda maggiori. Tale effetto è chiamato di superficie perché sono gli elettroni localizzati sulla superficie a dare oscillazioni coerenti e quindi a far registrare allo spettrofotometro un picco di assorbanza. Come mostrato in figura 21 (Eustis and El-Sayed, 2006). In generale, l’effetto plasmonico dipende molto dalle dimensioni delle nanoparticelle e dalla loro forma. Per esempio i nanorods hanno un assorbimento plasmonico a circa 850 nm.! Nel nostro caso gli spettri sono stati registrati nel range 400-900 nm con una durata di scansione di 60 nm/min in cuvette di plastica e agitando i campioni prima della registrazione, perché potevano presentare la formazione di aggregati visibili ad occhio nudo e quindi indurli a rimanere in sospensione nel tempo in cui erano sottoposti alla spettroscopia. Sono stati registrati gli spettri di tutte le frazioni, e anche dei bianchi relativi. ! 20 Figura 21. Schema di interazione luce/nanoparticelle metalliche.
  • 21. Descrizione del lavoro ! ! Microscopio elettronico a trasmissione (TEM)! ! L’analisi TEM è stata effettuata presso il centro di microscopia elettronica (CEME) del CNR di Sesto Fiorentino e ha consentito di procedere ad una caratterizzazione morfologica delle nanoparticelle presenti nei campioni.! Prima di essere analizzati i campioni sono stati sonicati per indurre la frantumazione degli aggregati parzialmente sedimentati sul fondo delle cuvette.! Successivamente i campioni sono stati trasferiti ognuno sul proprio retino in piccole quantità e, per eliminare la componente acquosa, è stata usata carta assorbente. Infine i retini son stati lasciati ad asciugare.! Questa preparazione è avvenuta un giorno prima dell’analisi TEM.
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  • 22. Risultati ! RISULTATI! ! ! Combinando le tecniche di caratterizzazione impiegate e valutando il cambiamento di colore dei campioni si è potuto evidenziare la maturazione delle nanoparticelle nel tempo e quindi l’acquisizione del colore rosso o viola scuro, caratteristico di sospensioni di nanoparticelle d’oro in acqua.! ! VALUTAZIONE DEGLI SPETTRI DI ASSORBIMENTO! ! ! Le analisi effettuate con lo spettrofotometro UV-Visibile hanno confermato la formazione di nanoparticelle d’oro, grazie alla presenza di un picco plasmonico negli spettri risultanti.! Gli spettri sono stati registrati dopo 1 ora, dopo 5 giorni, dopo una settimana e dopo 2 settimane dalla fine della sintesi, sia per le nanoparticelle prodotte da parti aeree che per quelle prodotte da radici.! Come illustra la legenda di ogni grafico, la linea nera indica l’acido tetracloroaurico diluito in acqua senza nessun estratto, ovvero il controllo.! Ogni spettro d’assorbimento è stato modificato dopo la registrazione sottraendo i valori del controllo a quello di ogni frazione.! ! Parti aeree! ! Dopo un’ora dalla sintesi, sono stati registrati gli spettri d’assorbimento di tutti i campioni e l’analisi ha mostrato che le AuNPs si formano anzitutto negli estratti a peso molecolare più basso registrando un picco a circa 550 nm (Grafico 1).! Dopo 5 giorni dalla sintesi campioni si stabilizzano, dando ciascuno uno spettro caratteristico; per esempio la frazione 11 sviluppa una colorazione rossa- arancione e un un picco d’assorbimento a circa 600 nm (Grafico 2). Il grafico della frazione 15f è mutato perché non mostra più un picco di intensità apprezzabile, 22
  • 23. Risultati perché le nanoparticelle si sono separate dalla soluzione sotto forma di precipitato sul fondo della cuvetta.! Dopo una e due settimane dalla sintesi gli spettri d’assorbimento mostrano variazioni ma non significative. Le frazioni 1f, 7f e 11f sembrano evolversi mostrando una leggera variazione dello spettro ma essenzialmente queste frazioni rimangono stabili (Grafici 3,4).! ! ! ! ! 23 Assorbanza 0 0,035 0,07 0,105 0,14 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 frazione  15 Grafico 1. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo un’ora dalla sintesi. Assorbanza 0 0,035 0,07 0,105 0,14 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 frazione  15 Grafico 2. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo 5 giorni dalla sintesi.
  • 24. Risultati Radici! ! Il processo di analisi per i campioni provenienti da estratti di radici è stato lo stesso di quello per campioni di parti aeree.! Dopo un’ora dalla sintesi gli spettri d’assorbimento hanno confermato la presenza delle nanoparticelle che danno picco plasmonico a circa 550 nm, in particolare nella frazione 1r (Grafico 5).! ! ! 24 Assorbanza 0 0,035 0,07 0,105 0,14 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 frazione  15 Assorbanza 0 0,035 0,07 0,105 0,14 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 frazione  15 Grafico 3. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo una settimana dalla sintesi. Grafico 4. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo due settimane dalla sintesi.
  • 25. Risultati Dopo 5 giorni dalla sintesi, in accordo all’analisi visiva, gli spettri dei campioni sono cambiati ed alcuni mostrano un’evoluzione del picco plasmonico, in particolare le frazioni 1r e 3r (Grafico 6).! Successivamente gli spettri registrati non hanno mostrato una evoluzione significativa, piuttosto una involuzione perché i picchi si sono abbassati, facendo pensare che al contrario delle nanoparticelle da parti aeree, quelle da radici siano meno stabili e tendano a sedimentare, motivo per cui si è ritenuto opportuno sonicare i campioni prima dell’analisi TEM (Grafici 7,8).! ! ! 25 Assorbanza 0 0,035 0,07 0,105 0,14 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 Frazione  15 Grafico 5. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo un’ora dalla sintesi. Assorbanza 0 0,035 0,07 0,105 0,14 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 frazione  15 Grafico 6. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo 5 giorni dalla sintesi.
  • 26. Risultati 
 26 Assorbanza 0 0,035 0,07 0,105 0,14 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 frazione  15 Grafico 7. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo una settimana dalla sintesi. Assorbanza 0 0,04 0,08 0,12 0,16 Lunghezza  d’onda  (nm) 400 500 600 700 800 900  HAuCl4  dil  1:20  in    acqua  frazione  1  frazione  3  frazione  7  frazione  11 frazione  15 Grafico 8. Registrazione degli spettri d’assorbimento dopo 2 settimane dalla sintesi.
  • 27. Risultati VALUTAZIONE DELLE MICROGRAFIE TEM! ! ! La caratterizzazione morfologica effettuata con il microscopio elettronico ha mostrato come la sintesi selettiva sia risultata efficace per ottenere nanoparticelle morfologicamente diverse. Inoltre, con le micrografie TEM è stato possibile individuare differenze e similitudini delle nanoparticelle prodotte da frazioni a peso molecolare comparabile ma provenienti da tessuti diversi della pianta.! Le figure 22 e 23 mostrano un confronto tra AuNPs ottenute dalle frazioni 1 di parti aeree e di radici. Globalmente, si osservano differenze sia nelle dimensioni che nella forma delle nanoparticelle. In particolare, la frazione 1f produce nanoparticelle piccole non numerosi poligoni. Tra questi i triangoli sono i più presenti. La frazione 1r produce nanoparticelle decisamente più grandi e principalmente globulari. Si osservano tuttavia alcuni triangoli e bastoncini.! 27 Figura 23. Frazione 1r.! Bar scale: 200 nm. Figura 22. Frazione 1f.! Bar scale: 200 nm.
  • 28. Risultati Confrontando le frazioni a peso molecolare più basso, provenienti dai diversi tessuti si nota ancora lo stesso tipo di differenza tra estratti di parti aeree e di radici.! La frazione 3f produce principalmente nanoparticelle poligonali più grandi. La frazione 3r produce principalmente nanoparticelle globulari, ma sono presenti anche poligoni.! Le frazioni 7 mostrano una diversa produzione di nanoparticelle. Nella frazione 7f è possibile vedere l’aggregazione di tante piccole nanoparticelle adese su quelle più grandi (figura 26). La frazione 7r produce invece soprattutto nanoparticelle globulari. A sinistra nella figura 27 è possibile vedere un piccolo aggregato.! Le frazioni 11 producono principalmente nanoparticelle poligonali; sono diverse anche nella quantità di nanoparticelle prodotte come le foto delle cuvette potevano far intuire. La frazione 11r ha assunto una leggera colorazione dopo 1 settimana 28 Figura 24 (sinistra). Frazione 3f. Bar scale: 200 nm.! ! Figura 25 (destra). Frazione 3r. Bar scale: 200 nm. Figura 26 (sinistra). Frazione 7f. Bar scale: 200 nm.! ! Figura 27 (destra). Frazione 7r. Bar scale: 200 nm.
  • 29. Risultati diversamente dalla 11f, che ha mostrato una cinetica leggermente più rapida (5 giorni).! Nell’immagine 28 è rappresentata la frazione 11f in cui sono presenti piccoli aggregati chiamati “lamponi”. Nella frazione 11r ci sono principalmente grandi poligoni.! Infine le frazioni 15 hanno una comportamento originale per la produzione di nanorods, in particolare quando vengono usati gli estratti di foglie (15f).! La frazione 15r mostra la presenza di nanoparticelle globulari di dimensioni omogenee, sono presenti pochi nanopoligoni e pochi nanorods.! ! ! 29 Figura 28 (sinistra). Frazione 11f. Bar scale: 100 nm.! ! Figura 29 (destra). Frazione 11r. Bar scale: 200 nm. Figura 30. Frazione 15f. Bar scale: 100 nm.
  • 30. Risultati Da tali analisi risulta che gli estratti da foglie producono nanoparticelle di dimensioni mediamente più piccole rispetto agli estratti da radici. L’ipotesi più probabile per spiegare questo fenomeno è che la reazione di riduzione di Au(III) ad Au(0) è più veloce quando si usano estratti di parte aerea.! Le frazioni 15 potrebbero interessare in particolare per la presenza di nanorods, che sono impiegati come agenti di contrasto nell’imaging medica (Tong et al. 2009).
 30 Figura 31. Frazione 15r. Bar scale: 100 nm.
  • 31. Conclusioni CONCLUSIONI! ! ! In questo lavoro di tesi è stata utilizzata la pianta Cucurbita pepo L. come sistema vegetale per la produzione di nanoparticelle d’oro (AuNPs), che viste le loro caratteristiche chimico-fisiche, si stanno rivelando sistemi molto utili nel campo della tecnologia, come parti funzionali di una grande quantità di prodotti largamente utilizzati e presenti nei più svariati settori. I procedimenti utilizzati in questa tesi appartengono all’area denominata Green Chemistry, che si pone l’obiettivo di utilizzare dei sistemi biocompatibili e condizioni ad impatto ambientale zero per ridurre l’utilizzo e la dispersione di sostanze tossiche, spesso impiegate nella sintesi di nanoparticelle metalliche. Infatti, i metodi chimici comunemente utilizzati per ottenere le nanoparticelle prevedono l’impiego di agenti riducenti e stabilizzanti che spesso risultano tossici.! La sintesi di AuNPs è stata effettuata usando estratti acquosi della pianta e frazionati, ovvero divisi in base al peso molecolare grazie ad una corsa su colonna cromatografica. Le frazioni usate provenivano sia dalle parti aeree che dalle radici della pianta per confrontare, durante la loro caratterizzazione delle nanoparticelle, quale dei tessuti è quello più efficiente in questo processo. La riduzione dell’oro (da precursore HAuCl4) è stata effettuata a 60°C per 3 ore. Durante il processo di sintesi è stato possibile notare la colorazione tipica delle sospensioni colloidali d’oro in alcuni dei campioni da entrambi i tessuti utilizzati.! Le analisi successive con strumenti come lo spettrofotometro UV-Visibile e il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) hanno dimostrato la presenza e la varietà di forme delle nanoparticelle prodotte.! Le analisi successive, condotte con spettrofotometria UV-Visibile e microscopio TEM hanno confermato la presenza di numerose AuNPs, mostrando una certa varietà di forme e dimensioni. In particolare, la spettrofotometria UV-Visibile ha permesso di valutare la stabilità nel tempo delle nanoparticelle e avvalorato l’analisi visiva. ! L’analisi TEM ha evidenziato una diversa morfologia (nanosfere, nanorods, poligoni) per AuNPs provenienti dalla sintesi selettiva con frazioni diverse dallo stesso organo di pianta, oppure da frazioni con peso molecolare comparabile estratti da foglie o radici.
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  • 32. Bibliografia BIBLIOGRAFIA! ! ! Absar Ahmad, Priyabrata Mukherjee, Satyajyoti Senapati, Deendayal Mandal, M.Islam Khan, Rajiv Kumar, Murali Sastry, 2003 - Extracellular biosynthesis of silver nanoparticles using the fungus Fusarium oxysporum. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 28, 313-318.! ! G. Amandola, V. Terreni, "Analisi chimica strumentale e tecnica", Masson Scuola, 1995, ISBN 978-88-08-09507-7! ! P. Atkins, J. De Paula, Physical Chemistry, 8ª ed., Oxford University Press, 2006. ISBN 978-0-19-870072-2.! ! Ball P., 2002 - Natural strategies for the molecular engineer. Nanotechnology, 13, 15-28.! ! Bazylinski A.B., Frankel B.R., 2004 - Magnetosome formation in Prokaryotes. Nature Reviews - Microbiology, 2, 213-230.! ! Robert O. Becker, 1999 - Silver ions in the treatment of local infections. Metal- Based Drugs, 6, 297-300.! ! Begum NA, Mondal S, Basu S, Laskar RA, Mandal D., 2009 - Biogenic synthesis of Au and Ag nanoparticles using aqueous solutions of Black Tea leaf extracts. Colloids Surf. B. Biointerfaces, 71, 113-118.! ! Cristina Buzea, Ivan. I. Pacheco Blandino and Kevin Robbie, 2007 - Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity. Biointerphases. 2, 4, MR17-MR172.! ! Carr & Knowles, 2012 - A Queen's Award for Enterprise for International Trade 2012 has been awarded to NanoSight, Nanotechnology Now, May 1, 2012.! ! 32
  • 33. Bibliografia Cross G.H., Reeves A.A., Brand S., Popplewell J.F., Peel L.L., Swann M.J., Freeman N.J., 2003 - A new quantitative optical biosensor for protein characterisation. Biosensors and Bioelectronics. 19, 383-390.! ! Deepti Krishnan, T. Pradeep, 2009 - Precursor-controlled synthesis of hierarchical ZnO nanostructures, using oligoaniline-coated Au nano particle seeds. Journal of Crystal Growth, 311, 15, 3889-3897.! ! Mostafa A. El-Sayed, 2001 - Some Interesting Properties of Metals Confined in Time and Nanometer Space of Different Shapes. Accounts of Chemical Research, vol. 34, no. 4.! ! Susie Eustis and Mostafa A. El-Sayed, 2006 - Why gold nanoparticles are more precious than pretty gold: Noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative and nonradiative properties of nanocrystals of different shapes. Chemical Society Reviews. 35, 209-217! ! Q. Huo, 2007 - A perspective on bioconjugated nanoparticles and quantum dots. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 59, 1, 1-10.! ! Iravani S., 2011 - Green synthesis of metal nanoparticles using plants. Green Chem., 13, 2638-2650.! ! Traci R. Jensen, Michelle Duval Malinsky, Christy L. Haynes, and Richard P. Van Duyne, 2000 - Nanosphere Lithography: Tunable Localized Surface Plasmon Resonance Spectra of Silver Nanoparticles. J. Phys. Chem B., 104, 10549-10556! ! D.E. Koppel, 1972 - Analysis of Macromolecular Polydispersity in Intensity Correlation Spectroscopy: The Method of Cumulants. The Journal of Chemical Physics, 57, 4814.! ! L. D. Landau and E. M. Lifshitz - 1965. Quantum Mechanics, 2nd ed. Pergamon Press, Oxford, p. 452! ! 33
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  • 35. Bibliografia Robert M. Silverstein, Francis X. Webster, David J. Kiemle, Identificazione spettrometrica di composti organici, 2ª  ed., Milano, Casa Editrice Ambrosiana, giugno 2006.ISBN 88-408-1344-6.! ! Sealy C., 2006 - Nanotechnology on your plate. NanoToday, 1(2): 20.! ! David T. Thompson, 2007 - Using gold nanoparticles for catalysis. NanoToday, 2, 4, 40-43.! ! Tong L., Wei Q., Wei A., Cheng JX., 2009 - Gold nanorods as contrast agents for biological imaging: optical properties, surface conjugation and photothermal effects. Photochem Photobiol., 85(1), 21-32.! ! John Turkevich, Peter Cooper Stevenson  and James Hillier - Discuss. Faraday Soc., 1951,11, 55-75; A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold; DOI: 10.1039/DF9511100055.! ! USEPA, 2007 - Nanotechnology white paper; Document Number EPA 100/ B-07/001 | February 2007, www.epa.gov/osa.! ! Vijayaraghavan K., Nanili Kamala S.P., Prakash Udaya N., Madhankumar D., 2012 - One step green synthesis of silver nano/microparticles using extracts of Trachyspermum ammi and Papaver somniferum: introduction. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 94, 114-117.! ! Zigmust Sadowski, 2010 - Biosyntesis and Application of Silver and Gold Nanoparticles, Silver Nanoparticles, David Pozo Perez (Ed.), ISBN: 978-953-307-028-5, InTech, Avalaible from: http://www.intechopen.com/books/ silver-nanoparticles/biosyntesis-and-application-of-silver-and-gold-nanoparticles.! ! Q. Zhong, D. Innis, K. Kjoller, V.B. Elings,1993 - Fractured polymer/silica fiber surface studied by tapping mode atomic force microscopy. Surface Science 290, L688-L692.! ! 35
  • 36. Bibliografia Figura 1. http://cephy-net.blogspot.it/2010/03/1.html! ! Figura 2. http://yuchinhuang.wordpress.com! ! Figura 3. http://www.intechopen.com/books/ion-exchange-technologies/ bifunctional-polymer-metal-nanocomposite-ion-exchange-materials! ! Figura 21. http://nanocomposix.eu/pages/plasmonics-and-nanophotonics! ! 36
  • 37. Ringraziamenti Vorrei ringraziare Cristo Gesù per il suo eccelso gesto d’amore nei miei confronti.! Ringrazio la mia futura moglie Sabina per il suo continuo supporto, la sua presenza ed i suoi incoraggiamenti nell’esperienza dell’università.! Ringrazio ancora le Professoresse Sandra Ristori e Cristina Gonnelli per come mi hanno seguito, corretto e istruito per tutto il tempo che abbiamo lavorato insieme.! Un ulteriore ringraziamento va alle dottoresse Cristiano Giordano e Laura Capozzoli del CeME (Centro di Microscopie Elettroniche) e la Professoressa Elisabetta Meacci e la dottoressa Alessia Frati del Dipartimento di Scienze Biomediche Sperimentali e Cliniche "Mario Serio”, per la collaborazione e aiuto nello svolgimento di questo lavoro.! Vorrei anche ringraziare il GBU (Gruppi Biblici Universitari), in particolare Andrew Lubbock per la sua costante presenza e disponibilità.! Infine ringrazio i miei genitori per il loro supporto e sostegno economico rendendo l’ambizione della laurea possibile. 37