As nanopartículas são materiais versáteis utilizados em diversas áreas da indústria, investigação e medicina. A sua concentração é um fator crítico, uma vez que influencia o desempenho e tem também adquirido importância do ponto de vista regulamentar, particularmente no setor biomédico. Neste estudo são apresentadas medições rastreáveis e fiáveis da concentração numérica de nanopartículas de ouro utilizando um instrumento laboratorial de SAXS.

1. Introdução

As nanopartículas tornaram-se fundamentais no desenvolvimento de materiais e tecnologias avançadas, principalmente devido às propriedades únicas resultantes das suas reduzidas dimensões. A sua utilização em diferentes sistemas pode proporcionar melhorias significativas nas propriedades mecânicas, óticas ou de condutividade.

A crescente utilização de nanopartículas reforçou também a necessidade de uma caracterização e quantificação precisas, nomeadamente na determinação do tamanho, forma e concentração das partículas em dispersões de nanopartículas.

Existem vários métodos para determinar a concentração numérica de nanopartículas, incluindo a dispersão dinâmica da luz (DLS) e a análise de rastreamento de partículas (PTA). No entanto, apenas a dispersão de raios X a baixo ângulo (SAXS) e a espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado de partícula única (sp-ICP-MS) permitem uma rastreabilidade direta da concentração numérica relativamente a uma unidade do SI.

A SAXS é uma técnica bem estabelecida e não destrutiva para determinar com precisão o tamanho e a distribuição do tamanho das partículas. Desenvolvimentos recentes permitiram determinar de forma rastreável a concentração numérica de nanopartículas em dispersões, utilizando medições SAXS em fontes de sincrotrão e em instrumentos laboratoriais. Estes avanços contribuíram para o desenvolvimento da norma ISO 23484:2023 relativa a esta metodologia.

Neste estudo é apresentada a determinação precisa da concentração de nanopartículas de ouro utilizando um instrumento SAXS laboratorial. Graças ao seu design otimizado e aos raios X de elevada intensidade, foram obtidos resultados fiáveis e rastreáveis, mesmo para dispersões de partículas altamente diluídas.

2. Detalhes experimentais e resultados

Para as experiências SAXS foi utilizado o novo sistema Anton Paar SAXSpoint 700, equipado com:

• Fonte de raios X microfocus Primux 100 Cu Kα (λ = 0,154 nm);
• Célula de fluxo SiN de baixo ruído;
• Detetor EIGER2 R 1M HPC, da Dectris.

Os dados de dispersão foram recolhidos em geometria de transmissão, num intervalo de q entre 0,09 nm⁻¹ e 4,5 nm⁻¹.

Foi analisada uma dispersão de nanopartículas coloidais de ouro, obtida da LGC Standards, com:

• Diâmetro modal: 32,7 nm
• Concentração numérica certificada: 1,47 × 10¹¹ partículas/g

A amostra foi analisada na sua concentração original e em várias diluições, entre 1:1 e 1:1000. Para a correção do background foi utilizada água Milli-Q®.

Graças à espessura conhecida da célula de SiN e à medição automática da transmissão durante a experiência, os dados brutos foram normalizados diretamente e convertidos para unidades de intensidade absoluta através da função automática de tratamento de dados do software SAXSanalysis.

A utilização de intensidades numa escala absoluta é essencial para a análise quantitativa da concentração numérica das partículas.

Os dados foram analisados de acordo com a ISO 23484:2023, utilizando a função de cálculo automático do SAXSanalysis. Foi aplicado um modelo sem distribuição pré-definida de esferas, considerando o contraste da densidade de comprimento de dispersão do ouro em água.

A partir desta análise foram determinadas:

• A distribuição do tamanho das partículas em número;
• A concentração numérica das partículas em função do tamanho;
• A concentração total das partículas.

Um dos resultados mais relevantes é que, graças à elevada intensidade dos raios X, ao design otimizado e à sensibilidade do SAXSpoint 700, foi possível obter um sinal suficiente para análise mesmo na dispersão com a maior diluição, 1:1000.

Resultados

As nanopartículas de ouro analisadas apresentaram um diâmetro médio de 31 nm, em excelente concordância com o valor certificado.

A concentração numérica média determinada por SAXS, considerando tanto a dispersão original como as diluições, foi de:

1,57 × 10¹¹ partículas/g

Este resultado apresenta uma excelente concordância com o valor certificado da referência LGC:

1,47 × 10¹¹ ± 0,28 × 10¹¹ partículas/g.

A Figura 3, apresentada na página 2, mostra a relação entre a concentração das dispersões e o fator de diluição. A relação linear demonstra que as concentrações determinadas por SAXS são consistentes com as concentrações esperadas a partir da diluição gravimétrica.

3. Conclusão

A utilização de SAXS para determinar a concentração numérica de nanopartículas em dispersão apresenta vantagens significativas relativamente aos métodos tradicionais.

É uma técnica:

• Não destrutiva;
• Precisa;
• Rastreável;
• Capaz de realizar medições in situ.

A SAXS é particularmente relevante em áreas onde é essencial um controlo rigoroso da concentração de nanopartículas, como aplicações biomédicas e ciência dos materiais.

A utilização desta técnica permite aos investigadores compreender e controlar melhor o comportamento das nanopartículas, contribuindo para melhorar o desempenho das suas aplicações.