A obtenção das partículas que constituem o caroço magnético no sistema magnético e luminescente foi realizada a partir de trabalhos anteriores do nosso grupo de pesquisa [106]. No presente estudo, um dos parâmetros da síntese foi modificado: a temperatura da dissolução dos precursores da reação [57]. A mudança da temperatura foi realizada apenas na mistura dos precursores da reação antes do processo solvotérmico, sem alterar a temperatura da reação na autoclave. Sabe-se que a reação solvotérmica ocorre sob pressão elevada e próxima da temperatura de ebulição do solvente [48] (no caso do etilenoglicol, em torno de 200 °C). O diferencial deste trabalho foi manter fixa a temperatura da reação na autoclave, mas alterar a temperatura da mistura dos reagentes (FeCl3, NaAc, EG e PEG) para
estudar o efeito do aquecimento dessa mistura na morfologia e/ou tamanho das partículas. Para todas as amostras, M25 a M140, as partículas apresentaram morfologia esférica (Figura 21).
Figura 21 – Imagens de SEM das partículas de magnetita com diferentes temperaturas de dissolução dos precursores da reação. Menor magnificação (coluna esquerda) e maior magnificação (coluna centro). Histogramas de distribuição de tamanho das partículas (coluna direita).
Observa-se que à medida que a temperatura da dissolução dos precursores da reação aumenta, o tamanho das partículas diminui. A variação do tamanho foi de 750 nm (para menor temperatura, 25 °C) para 100 nm (para maior temperatura, 140 °C). A distribuição de tamanho das partículas foi estimada por meio de contagens feitas nas imagens de SEM (Figura 21).
Na Tabela 2 é apresentado o tamanho médio das partículas em cada temperatura da mistura reacional. A principal diferença de tamanho das partículas ocorre quando a temperatura da dissolução dos precursores está acima de 80 °C. Em temperaturas menores, o tamanho das partículas está em torno de 600 a 750 nm (M25, M40, M60), enquanto que a partir de 80 °C é possível observar uma redução de aproximadamente 50% no tamanho das partículas em relação às amostras com dissolução dos precursores da reação à temperatura ambiente (de 750 para 350 nm). Quando a temperatura aumenta acima de 100 °C a média de tamanho varia 100 a 180 nm, uma diminuição significativa em relação ao tamanho daquelas obtidas à temperatura ambiente. Esses resultados mostram que o aquecimento da mistura dos reagentes antes do processo de autoclave tem forte influência no tamanho das partículas, visto que à medida que se aumenta essa temperatura, o tamanho das partículas diminui. Dessa forma, é possível controlar o tamanho de partículas de magnetita apenas alterando a temperatura da mistura dos precursores da reação.
Tabela 2 – Parâmetros das partículas de Fe3O4 sintetizadas utilizando-se diferentes
temperaturas de dissolução dos precursores da reação.
Amostra Temperatura de dissolução dos precursores (°C) Tamanho da partícula (nm)a Tamanho do cristalito (nm)b Mr (emu g-1) Hc (Oe) M25 25 750 77 7,2 51,8 M40 40 700 77 6,8 60,5 M60 60 600 78 6,3 67,5 M80 80 350 70 7,6 65,4 M100 100 150 28 5,5 33,2 M120 120 115 20 3,7 23,0 M140 140 100 13 1,9 9,5
a: medido por SEM; b: calculado por XRD, através da equação de Scherrer. Mr: magnetização
Pelas imagens de SEM em maior magnificação observa-se que as partículas possuem superfície rugosa, sugerindo que são formadas de pequenas esferas na escala nanométrica, chamados de nanogrãos. A estrutura de grãos pode ser observada com mais clareza nas imagens da Figura 22. Nestas imagens de SEM observa-se que as partículas obtidas são nanoestruturadas, ou seja, possuem tamanho em escala maior (submicrométrica), mas são compostas de nanopartículas menores. As partículas apresentam um gradiente de densidade de empacotamento de grãos, o qual diminui da superfície em direção ao centro da partícula, algumas exibindo seu interior oco (Figura 23). Nas imagens de TEM (Figura 24) é notório o interior oco da partícula, com a imagem mais clara no centro da submicroesfera, indicando a ausência ou pouca unidades de nanogrãos no seu interior. O termo partícula, a partir de agora, se refere à submicroesfera constituída do empacotamento dos nanogrãos.
Os resultados de SEM e TEM mostram que quanto menor o diâmetro da partícula, menor o tamanho do grão. Esses grãos, de tamanho nanométrico, se agregam durante o processo solvotérmico para formar as partículas mais estáveis e de tamanho maior. Esse tipo de estrutura já foi anteriormente observado nos trabalhos de Liu et al. [107] e Xiong et al. [54] usando síntese solvotérmica de magnetita com etilenoglicol e acetato de sódio. Nas imagens HRTEM da Figura 25 observam-se as distâncias interplanares (d = 0,253 nm) e (d = 0,296 nm) correspondentes aos planos (311) e (200) da magnetita, respectivamente. É possível notar também, os planos cristalinos de mais de uma das nanopartículas que se agregam para formar a submicroesfera.
O mecanismo de formação das submicroesferas nanoestruturadas de magnetita pelo método solvotérmico é apresentado na literatura como um processo que ocorre basicamente em duas etapas [52-54]. Primeiro, os nanocristais nucleiam em uma solução supersaturada e, posteriormente, se agregam em partículas maiores a fim de minimizar a energia de superfície. O aquecimento da mistura dos precursores da reação, que leva a formação complexo de acetato de ferro(III), induz a formação dos primeiros núcleos, antes do processo de autoclave. Como efeito do aquecimento, núcleos menores se estabilizam, durante o processo de autoclave, em partículas de tamanhos menores. Assim, quando a temperatura da mistura dos precursores da reação aumenta, o tamanho do grão diminui e, consequentemente, o tamanho das partículas também diminui.
Figura 22 – Imagens SEM das partículas M25 (A) e M140 (B).
A
Figura 23 – Imagens SEM das partículas M60 (A) evidenciando a estrutura oca das partículas no destaque (B)
A
Figura 24 – Imagens TEM da amostra M25 em diferentes magnificações, evidenciando a estrutura de agregados dos nanogrãos que formam as partículas
Os gráficos apresentados na Figura 26 mostram as tendências observadas na Tabela 2 para as partículas de magnetita sintetizadas.
Figura 26 – Relação entre temperatura de dissolução dos precursores e tamanho das partículas com tamanho de cristalito, coercividade e magnetização remanente.
c) a)
A relação entre tamanho e temperatura tem uma curva decrescente, revelando a tendência de diminuição do tamanho à medida que a temperatura da dissolução dos precursores aumenta. O tamanho do cristalito diminui, bem como o tamanho das partículas, com o aumento da temperatura. Para o cristalito, a principal diferença de tamanho é observada a partir da temperatura de 100 °C. Até 80 °C o tamanho de cristalito está entre 70 e 77 nm. Entretanto, quando a temperatura atinge 100 °C o tamanho de cristalito fica abaixo de 30 nm, chegando próximo de 10 nm quando a temperatura é 140 °C. Percebe-se nas Figura 26b e Figura 26c a tendência de diminuição da magnetização remanente e da coercividade quando a temperatura aumenta. A magnetização remanente e a coercividade tendem a zero quando o material está no regime superparamagnético [108]. Assim, à medida que as partículas diminuem de tamanho, estas vão se aproximando de um comportamento superparamagnético.
As propriedades das partículas em relação à temperatura de dissolução dos precursores, de maneira geral, não apresentam grande variação até a temperatura de 60 °C, entretanto quando a temperatura está acima de 100 °C são observadas maiores diferenças em relação à síntese padrão (temperatura ambiente).
O perfil cristalográfico da magnetita (Fe3O4) é muito semelhante ao da
maghemita (γ-Fe2O3), uma vez que ambas possuem a mesma estrutura de espinélio
inverso e parâmetros de redes quase idênticos. Sabe-se que a oxidação da magnetita à maghemita pela ação do ar pode ocorrer mesmo à temperatura ambiente [25]. Tal fenômeno é mais pronunciado quando a área superficial é maior. Nas partículas cuja temperatura de mistura da dissolução foi mais elevada, ou seja, tamanhos menores, é possível que haja oxidação da magnetita na superfície levando à formação de uma fina camada de maghemita nas partículas. Nessas amostras de menor tamanho muito provavelmente há mistura de fases entre magnetita e maghemita.
Os difratogramas de raios X das amostras obtidas com variação de temperatura da dissolução dos precursores são apresentados na Figura 27. Para todas as amostras (M25 a M140) os picos de difração foram indexados como óxido de ferro na fase magnetita (Fe3O4 JCPDS 19-0626). Contudo, como mencionado
difração muito similar ao Fe3O4. Sendo assim, a XRD não é uma técnica muito
utilizada como ferramenta para distingui-las, nas condições de análises realizadas. Entretanto, de acordo com Kim et al. [109] é possível identificar misturas entre a magnetita e a maghemita pelo pico de difração (511) que apresenta uma diferença na posição do máximo do pico. Quando o pico apresenta o máximo em ângulos mais baixos 56,8° ( θ) a fase é predominantemente magnetita e quando apresenta o máximo em ângulos mais elevados 57, ° ( θ) a fase predominante é maghemita. No destaque da Figura 28 é possível observar a diferença do máximo de intensidade entre os picos, reforçando a hipótese de que em temperaturas mais elevadas de mistura dos precursores ocorre oxidação da magnetita à maghemita.
Embora os resultados indiquem uma possível camada de maghemita na superfície das partículas, é importante destacar que as propriedades magnéticas do material são mantidas, pois tanto nanopartículas de Fe3O4 quanto γ-Fe2O3 são
superparamagnéticas à temperatura ambiente.
Figura 27 – Difratogramas de raios X das amostras M25 a M140 e padrão da magnetita (Fe3O4) e maghemita (γ-Fe2O3).
Figura 28 – Detalhe do pico de difração (511) das amostras M25, M100, M120, M140.
Pelos difratogramas das amostras (Figura 27) observa-se que os picos alargam quando a temperatura de dissolução dos precursores aumenta, indicando a formação de partículas menores, confirmando o resultado obtido por SEM. Os tamanhos de cristalito foram calculados pela equação de Scherrer, a partir do pico de difração (311), e estão apresentados na Tabela 2. As partículas nas quais a dissolução dos precursores foi aquecida em temperatura mais elevada mostraram menor tamanho de cristalito. Observa-se o alargamento intrínseco dos picos de difração, pelo efeito de tamanho, consequência da equação de Scherrer.
Pela comparação com as imagens de SEM é possível concluir que os nanogrãos são da mesma dimensão dos cristalitos calculados pelos dados de XRD. Partículas com 100 nm (13 nm cristalito e 12 nm de grão) foram obtidas com temperatura da mistura de dissolução dos precursores de 140 ° C, enquanto que à temperatura ambiente partículas de 750 nm foram obtidas com cristalito de 77 nm (grão de 75 nm). Ou seja, quando a temperatura aumenta, diminui o tamanho do cristalito (grão), diminuindo também o tamanho das partículas. Este fato que está
relacionado com o efeito da temperatura sobre a nucleação das partículas, de tal forma que, dependendo da temperatura de dissolução dos precursores, quando a mistura vai para autoclave, os núcleos crescem de modo diferente, determinando o tamanho do nanogrão e, portanto, da submicroesfera. Estes resultados corroboram com os dados nas imagens de SEM e sustentam a importância da temperatura da dissolução dos precursores (antes da autoclave) sobre o tamanho das partículas.
Os espectros de absorção na região do infravermelho das amostras de magnetita (Figura 29) foram realizados no intuito de corroborar com os resultados de difração raios X sobre a fase magnetita, além de observar as bandas provenientes do PEG ou EG na superfície das partículas. Observa-se nos espectros que todas as amostras apresentam a banda característica do estiramento Fe–O em 583 cm-1
atribuída à magnetita. As outras bandas nos espectros são atribuídas às vibrações –OH sugerindo pequena quantidade de PEG, EG ou H2O nas amostras. A banda
observada em 1380 cm-1 é atribuída ao estiramento simétrico de CO2 do ambiente
durante a medida.
Figura 29 – Espectros FTIR das amostras de magnetita (M25 a M140) sintetizadas em diferentes temperaturas de dissolução dos precursores da reação.
Na Figura 30 são apresentadas as curvas de histerese das partículas obtidas. A magnetização de saturação (Ms) das amostras M100, M120 e M140 tem
valores inferiores em relação às partículas M25, M40, M60 e M80. Alguns fatores podem influenciar no valor da magnetização de saturação de um material. Um desses fatores é quando o material encontra-se na escala nanométrica. A influência do tamanho, devido à elevada área superficial, provoca a desordem de spin na superfície das partículas, modificando as propriedades magnéticas. Dessa forma, as nanopartículas tendem a apresentar, por exemplo, magnetização de saturação menor que no sólido estendido. A mudança de fase de magnetita para maghemita também pode levar à diminuição da magnetização de saturação de Fe3O4, visto que
na maghemita as contribuições do momento magnético (μB) são provenientes
apenas de parte (2/3) dos íons Fe3+ nos sítios octaédricos.
Figura 30 – Curva de histerese das amostras de magnetita (M25 a M140) sintetizadas em diferentes temperaturas de dissolução dos precursores da reação.
Pelos dados das curvas de magnetização versus o campo aplicado é possível extrair a magnetização de saturação, Na Figura 31 observa-se a tendência de diminuição da magnetização de saturação à medida que o tamanho das
partículas diminui. Nas amostras, M25, M40, M60 e M80 os valores de Ms são
maiores que o valor na magnetização de saturação da maghemita (~80 emu g-1) [18] e magnetita (~92 emu g-1) [12] no sólido estendido. Apenas para as amostras M100, M120 e M140 os valores de Ms foram inferiores ao valor da maghemita. Como já
mencionado, na escala nanométrica esse valor de Ms tende a diminuir devido aos
efeitos de superfície, logo para o primeiro conjunto de amostras (M25 a M100) pela magnetização de saturação entende-se que a fase predominante é a magnetita, enquanto que para amostras M120 e M140 é possível que a fase maghemita também esteja presente. Esses resultados corroboram com aqueles observados por XRD.
Figura 31 – Relação entre temperatura de dissolução dos precursores e tamanho das partículas com a magnetização de saturação.
A magnetização remanente (Mr) e a coercividade (Hc) das amostras
também diminuíram com o aumento da temperatura (valores apresentados na Tabela 2). Sabe-se que partículas superparamagnéticas não exibem Mr e Hc, o que é
muito interessante em aplicações biomédicas e em catálise, pois uma vez magnetizada a amostra, após a remoção do campo magnético não se observa nenhuma magnetização residual, facilitando a redispersão das partículas no meio.
Outra vantagem é a facilidade de separação ou remoção das partículas com auxílio de ímã.
Partículas magnéticas de 750 nm (M25) apresentaram valores de Hc e Mr
(Tabela 2) menores do que o relatado por Fan et al. [47] em partículas nanoestruturadas com 130 nm de tamanho de partícula e cristalito de 19 nm. Embora as partículas obtidas neste trabalho sejam maiores, apresentaram menor magnetização remanente e coercividade, o que significa maior tendência ao comportamento superparamagnético. Nas partículas de menor tamanho, 100 nm, os valores de Hc e Mr foram de 9,5 Oe e 1,9 emu g-1, respectivamente. Assim, como foi
visto na Tabela 2 e como discutido nos gráficos das tendências das propriedades em relação à temperatura de dissolução dos precursores, os valores de Hc e Mr tendem
a zero à medida que as partículas se tornam menores.
As propriedades magnéticas das partículas de Fe3O4, com tamanho
acima do diâmetro crítico de superparamagnético (cerca de 60 nm) [110,111], podem ser explicadas em função do tamanho dos nanogrãos que se agregam para formar a partícula (100 a 700 nm). Portanto, a resposta superparamagnética, baixa coercividade e a magnetização remanente nessas partículas são atribuídas aos nanogrãos.
O comportamento magnético das partículas sintetizadas frente a um campo magnético é mostrado na Figura 32. As amostras são M25 e M140 dispersas em etanol. Aplicando-se um campo magnético, as partículas são atraídas e, ao remover o campo, as partículas redispersam no solvente.
Figura 32 – Comportamento magnético da magnetita (a) M25 e (b) M140.
Visando sua aplicação para a construção da plataforma magnética e luminescente para aplicação biomédica, foram realizados testes de citotoxicidade
para as amostras M60 e M140, com o intuito de avaliar o efeito do tamanho sobre a atividade citotóxica. Os resultados são apresentados para células sadias e também cancerígenas.
Os testes foram realizados para quatro linhagens celulares (Figura 33) e cada linhagem celular foi comparada com seu controle. O material é considerado citotóxico quando mata acima de 25% das células viáveis. Somente a amostra M60 foi citotóxica, e apenas para as linhagens A549 e PANC-1, células de câncer pulmonar humano e câncer pancreático humano, respectivamente.
Figura 33 – Porcentagens de células viáveis (a) NIH/3T3, (b) A549, (c) NG97, (d) PANC1, com ensaios colorimétricos MTT. A lise celular foi estimada pela incorporação de MTT. Todos os experimentos foram realizados em triplicata.
a)
c) d)
A citotoxicidade dessas partículas nessas células foi apenas na concentração 500 μg mL-1
, considerada muito elevadas para uma aplicação biológica. Tais resultados são promissores, pois nenhuma das partículas, independentemente do tamanho, em concentrações aceitáveis, foi citotóxica para células sadias. Isso indica que esses materiais podem ser utilizados em ensaios biológicos sem oferecer riscos às células saudáveis.
4.2 Degradação da Rodamina B pela reação foto-Fenton
As partículas de Fe3O4 obtidas em diferentes tamanhos têm
características interessantes para aplicações em catálise e em sistemas biológicos, devido à sua fácil dispersão em meio aquoso, baixa citotoxicidade e propriedades superparamagnéticas. Nesse contexto, realizou-se o ensaio da atividade catalítica das partículas de magnetita frente à reação de degradação da Rodamina B (RhB) (Figura 34) pela reação foto-Fenton, para investigar se o efeito do tamanho das submicroesferas e, consequentemente, o tamanho do cristalito, influenciam na performance catalítica da magnetita. Foram utilizados três tamanhos de partículas: 100 nm (M140), 350 nm (M80) e 750 nm (M25).
Figura 34 – Estrutura da molécula de Rodamina B
A degradação de Rodamina B foi acompanhada por espectroscopia UV- Vis (Figura 35). Uma banda de absorção da RhB é observada na região de 550 nm. À medida que a reação progride, a intensidade da banda diminui, indicando a degradação da molécula. A degradação completa do corante RhB pelas partículas de 750 nm acontece em torno de 135 min (Figura 35).
Figura 35 – Espectros UV-Vis de degradação de RhB (1,0x10-5
mol L-1) usando (a) M25, (b) M80 e (c) M140 como catalisador.
a)
b)
A literatura relata que magnetita com tamanho de partícula não nanoestruturada em torno de 800 nm não apresenta atividade catalítica frente à reação foto-Fenton [52], mesmo apresentando tamanho semelhante às partículas aqui reportadas. Isso pode ser explicado, devido à organização das partículas em nanogrãos que se agregam para formar uma nanoestrutura. São esses grãos, com tamanho médio de 77 nm que, de fato, atuam na eficiência catalítica.
Para os testes realizados com as partículas de magnetita com tamanho médio de 350 nm (M80), observou-se comportamento semelhante à degradação pela amostra de 750 nm (M25). A degradação total da RhB também ocorre em aproximadamente 135 min (Figura 35b). Tal observação para as partículas de tamanho menor pode, em primeiro momento, parecer contraditório, uma vez que, ao diminuir o tamanho das partículas, é esperado um aumento na área superficial e consequentemente o aumento na eficiência catalítica. No entanto, o que se observa, como citado anteriormente, é efeito dos nanogrãos que formam a partícula. Como visto, o nanogrão que forma a partícula de 750 nm tem em média 77 nm e aqueles que se agregam para formar a partícula de 350 nm possuem nanogrão em média de 70 nm. Percebe-se que a diferença de tamanho não é tão pronunciada, portanto o efeito na atividade catalítica é semelhante.
Em contrapartida, quando se realizou a reação foto-Fenton de degradação da RhB com as partículas de tamanho médio 100 nm a degradação foi mais rápida. Em apenas 30 min de reação todo o corante já havia sido degradado, (Figura 35c). Isso pode ser explicado devido à redução do tamanho dessas partículas que é mais acentuado. Nas submicroesferas de 100 nm, os nanogrãos que as formam estão em torno de 13 nm, que é mais de cinco vezes menor que os nanogrãos que formam as partículas de 750 e 350 nm. Assim, percebe-se que o nanogrão tem papel decisivo na atividade catalítica, sendo responsável pela eficiência das partículas na catálise da degradação de RhB pela reação foto-Fenton. Na Figura 36 são apresentados os gráficos da cinética de degradação da RhB para as partículas de magnetita M25, M80 e M140 e os gráficos de degradação das reações controle. Com o tempo de reação de 60 min, observa-se que na ausência das partículas de Fe3O4, a degradação de RhB é muito baixa (inferior a
5%) como mostra a curva a da Figura 36, o que pode ser atribuído ao baixo potencial de oxidação do H2O2, em comparação com os radicais hidroxila (•OH) [9],
ausência da degradação da RhB evidencia a importância do uso de magnetita na degradação por foto-Fenton. Quando a reação foi realizada com M140 sob luz visível, mas sem o H2O2 (Figura 36b), observou-se cerca de 10% de descoloração
da RhB, devido à adsorção de RhB no catalisador Fe3O4. Portanto, a descoloração
da solução de RhB deve-se à degradação pela reação foto-Fenton e não à adsorção do corante na partícula.
Figura 36 – Degradação de RhB em diferentes condições: (a) RhB/H2O2/Vis; (b)
RhB/M140/Vis; (c) RhB/M25/H2O2/Vis; (d) RhB/M80/H2O2/Vis; (e) RhB/M140/H2O2 (f)
RhB/M140/H2O2/Vis.
As curvas c, d e f na Figura 36 mostram que os ensaios catalíticos com a amostra M140 apresentaram maior inclinação da curva de degradação. Ao comparar o tempo de 30 min para as três amostras, por exemplo, observa-se que a razão C/C0
foi de 0,03; 0,45 e 0,51 para as partículas de 100, 350 e 750 nm, respectivamente. Neste tempo, a degradação usando a amostra M140 está praticamente completa e para M25 e M80 está aproximadamente na metade. Da mesma forma, avaliando o gráfico segundo o tempo decorrido, verifica-se que 50% da degradação de RhB