Devido a suas propriedades nanopartículas magnéticas de óxido de ferro (iron oxide
magnetic nanoparticles – SPION) foram eleitas como núcleo magnético para a síntese de
SMMps. O método de co-precipitação tem sido amplamente empregado na síntese de SPION (MASSART, 1981), geralmente este método tem como objetivo sintetizar magnetita, devido as suas propriedades magnéticas superiores, no entanto geralmente maghemita também é formada no processo como contaminante. Para a formação de magnetita é ideal uma relação molar de Fe2+/Fe3+ = 0.5, porém em ambientes ricos em oxigênio o íon Fe2+ é rapidamente convertido a Fe3+ diminuindo a relação molar Fe2+/Fe3+ o que favorece a formação de maghemita, além de outros óxidos de ferro não magnéticos (BOZHINOVA, 2004). Em processos de síntese de SPION em escala de bancada geralmente é borbulhado nitrogênio na solução para evitar a oxidação de Fe2+ a Fe3+. Com o objetivo de obter magnetita de uma forma barata e de fácil escalonamento duas modificações foram realizadas no método comumente empregado. Primeiramente, uma relação molar de Fe2+/Fe3+ = 0.57 foi utilizada, nesta condição o oxigênio presente no meio reacional oxida parcialmente Fe2+ a Fe3+ gerando uma relação Fe2+/Fe3+ próxima de 0.5, estratégias similares foram empregadas em estudos anteriores (KHALAFALLA e REIMERS, 1980). A segunda estratégia empregada foi ferver previamente a água utilizada na preparação das soluções de sais de ferro com o objetivo de retirar o excesso de oxigênio dissolvido na solução.
Para a síntese de SPIONs foram empregados os sais FeCl3.6H2O (que libera o íon Fe3+) e FeCl2.4H2O (que libera o íon Fe2+), estes sais de ferro foram selecionados porque são os mais amplamente empregados para a obtenção de SPIONs por co-precipitação homogênea. Eram preparados 1000 mL de solução de FeCl3.6H2O 350 mM e 1000 mL de solução de FeCl2.4H2O 200mM em água destilada previamente fervida por 20 minutos. As soluções de FeCl3.6H2O 350mM e FeCl2.4H2O 200 mM foram mescladas em reator encamisado com agitação mecânica especialmente construído para realização do experimento. Após a mistura das soluções a concentração final de FeCl3.6H2O era alterada para 175 mM e a concentração final de FeCl2.4H2O era alterada para 100 mM, gerando a relação molar de Fe2+/Fe3+ = 0.57. A solução de sais de ferro era aquecida a 60 ºC em seguida foram rapidamente adicionados 250 mL de NH4OH 28% atingindo pH final de aproximadamente 10.5, a adição da base
ocasionava, imediatamente, alteração na coloração da solução que passava de vermelho alaranjado para preto indicando formação de nanopartículas magnéticas (HARRIS, 2002). Outras bases como NaOH, KOH e LiOH também podem ser empregadas neste processo porém a utilização de NH4OH gera nanopartículas magnéticas com propriedades magnéticas superiores. A reação foi conduzida a 60 ºC com uma agitação de 1000 RPM por uma hora. As nanopartículas foram então separadas através da aplicação de um campo magnético externo, lavadas por repetidas vezes com água destilada (previamente aquecida) para retirada do NH4OH residual e apropriadamente armazenadas até sua utilização. Cada batelada rendia aproximadamente 40 gramas (massa seca) de nanopartículas magnéticas.
As nanopartículas magnéticas produzidas nesta etapa do trabalho foram caracterizadas empregando DRX, FT-IR e S.QU.I.D. Os dados de DRX mostram padrões de difração e intensidades relativas que condizem com a estrutura cristalina da magnetita e maghemita (Figura 2.2a). Podem ser observados picos relacionados à estrutura da magnetita e maghemita em 2θ = 30.1º, 35.5º, 43.1º, 57.0º, 62.6º (CHIANG e SUNG, 2006). A estrutura exata do cristal não pode ser determinada a partir destes dados bem como a presença de maghemita como contaminante. Existe uma pequena diferença teórica entre as posições dos picos no difratograma para magnetita e maghemita que é obscurecida por picos largos como os observados neste estudo (CHASTELLAIN, PETRI E HOFMANN, 2004). Com base nas condições reacionais utilizadas, acreditamos que no decorrer da reação foi formado majoritariamente magnetita e uma pequena quantidade de maghemita como contaminante. Outro indício da presença majoritária de magnetita em nossa amostra foi a intensa coloração negra observada, nanopartículas de maghemita possuem coloração avermelhada enquanto nanopartículas de magnetita possuem coloração negra. As análises de DRX foram empregadas para calcular o tamanho médio de partícula através da equação de Debye– Scherrer empregando o pico situado em 2Ө = 35.5º. O tamanho de partícula obtido foi de 10.9 nm (+/- 0.2 nm), este tamanho está em concordância com o esperado para SPIONs obtidos por co-precipitação (BOZHINOVA, 2004).
A Figura 2.3a mostra o espectro de FT-IR obtido para as nanopartículas magnéticas produzidas durante este trabalho. No espectrograma podem ser observadas três fortes bandas localizadas a 447, 590, e 630 cm-1 correspondente as vibrações de estiramento dos átomos de ferro (υFe-O) localizados no sítio tetraédrico do cristal de magnetita (GUPTA e GUPTA, 2005; MA et al., 2007; MAITY e AGRAWAL, 2007). Na região correspondente aos comprimentos de onda localizados a 1450 e 1630 cm-1 podem ser observadas duas pequenas bandas correspondentes a vibração de moléculas de água fortemente unidas a superfície do
material (δO-H) (JUNG, 1995; MAITY e AGRAWAL, 2007). Na região entre 3100 e 3600 cm-1 é possível verificar uma banda larga centralizada em 3420 cm-1 que também corresponde à vibração de moléculas de água unidas a superfície do material (δO-H) (CHENG et al., 2005; MA et al., 2007). Estas bandas referentes a presença de água são esperadas uma vez que as nanopartículas, tanto de magnetita quando de maghemita, possuem uma camada de hidratação que recobre toda sua superfície formando uma camada magneticamente morta de FeOH (CHENG et al., 2005; JUNG, 1995).
Figura 2.2 – Análises de DRX para as amostras de SPION e SMMPs. a) SPION; b) SMMp-1; c) SMMp-2; d) SMMp-3; e) SMMp-4; f) SMMp-5; g) SMMp-6; h) SMMp-7. (----) Picos referentes à magnetita e maghemita (2θ = 30.1º, 35.5º, 43.1º, 57.0º, 63.0º).
As propriedades magnéticas de SPION foram avaliadas empregando S.QU.I.D. Na Figura 2.4 é possível visualizar a curva de magnetização-desmagnetização à temperatura ambiente (300 k) da amostra em função do campo magnético aplicado (M x H). Neste experimento um campo magnético externo (medido em Oe) é aplicado sobre a amostra induzindo sua magnetização que é medida pelo S.QU.I.D. Através desta técnica é possível medir a magnetização de saturação do material (dada em unidades eletromagnéticas – emu.g-1 de material) e também determinar o comportamento magnético apresentado pelo material. A magnetização de saturação obtida para a amostra foi de 70.34 emu.g-1. O valor obtido é um excelente resultado uma vez que a magnetização de saturação usualmente obtida para óxidos de ferro em escala nanométrica é cerca de 62 emu.g-1 (ANDERSON et al., 2007). Desta forma é possível concluir que a adaptação realizada no processo convencional de co-
precipitação homogênea buscando a redução de custos permitiu a obtenção de partículas magnéticas com excelente susceptibilidade magnética, qualidade crucial para aplicação deste material em bioprocessos. Através da curva de magnetização do material (Figura 2.4) é possível verificar que a amostra não apresenta histerese, coercividade (Hc) e nem remanescência magnética (Mr), ou seja, a amostra apresenta típico comportamento superparamagnético. A propriedade de superparamagnetismo é de extrema importância para aplicação de materiais magnéticos em bioprocessos já que materiais magnéticos permanentemente magnetizados podem ocasionar problemas operacionais como formação de clusters e adesão em determinadas partes metálicas de certos equipamentos industriais.