Síntese, caracterização e avaliação toxicológica de nanopartículas de nitretos de ferro

Abstract

Resumo: Nanoestruturas de nitreto de ferro foram sintetizadas por ablação a laser pulsado de um alvo de ferro metálico imerso em nitrogênio líquido usando o modo fundamental, o segundo, o terceiro e o quarto harmônicos de um laser Nd:YAG. As análises morfológicas e estruturais baseadas em microscopia eletrônica de transmissão (MET) revelam a formação de nanoestruturas monofásicas de ?"-Fe16N2, ?-Fe2N e ?-Fe3N, e em alguns casos uma mistura delas. Demonstramos que essas fases podem ser obtidas variando a fluência do laser entre 0,7 a 1,6 J/cm2 com um comprimento de onda fixo em 1064 nm, ou mantendo a fluência fixa nos comprimentos de onda de 532 nm, 355 nm e 266 nm. Particularmente, o padrão de difração de elétrons em área selecionada revela a formação de nanoestruturas cristalinas de ?"-Fe16N2 produzidas com irradiações por 2 horas e meia nos comprimentos de onda do laser de 1064 nm, 532 nm e 355 nm. As nanopartículas produzidas e armazenadas em suspensão no álcool isopropílico mostraram-se estáveis por vários meses sem qualquer evidência de presença de óxidos de ferro. Isso demonstra uma eficácia específica para obtenção de uma fase de nitreto de ferro bastante complexa, como a ?"-Fe16N2. Notavelmente, as nanoestruturas de ?"-Fe16N2 apresentaram distribuições de tamanho das nanopartículas com caráter monodisperso com tamanho médio de 4 nm usando irradiação com laser no verde. As nanopartículas produzidas foram também caracterizadas pelas técnicas de absorbância na região do UV-Vis e de espectroscopia Raman, que são consistentes com as análises de MET, indicando a formação das fases de nitretos de ferro. Devido à alta magnetização de saturação e a forte anisotropia magnética relatadas para as nanoestruturas de ?"-Fe16N2, suspensões de nanopartículas de ?"-Fe16N2 em solução salina foram utilizadas para testes de biocompatibilidade voltados as aplicações biomédicas. O nematódeo Caenorhabditis elegans foi utilizado nos testes de toxicidade como um modelo animal alternativo. As nanopartículas de ?"-Fe16N2 não induziram toxicidade ao nematódeo, embora uma redução no comportamento reprodutivo tenha sido observada. A baixa toxicidade das nanopartículas de ?"-Fe16N2 indicam um alto potencial para o uso das mesmas como agentes carreadores de fármacos e no desenvolvimento de biossensores aplicáveis em tratamentos médicos e terapias alternativas. Palavras-chave: Nanopartículas. Nitretos de ferro. Irradiação à laser. Toxicidade.

Abstract: Iron nitride nanostructures were synthesized by pulsed laser ablation of the metallic iron target immersed in liquid nitrogen using the fundamental mode, second, third, and fourth harmonics of the Nd:YAG laser. The morphological and structural analysis based on transmission electron microscopy (TEM) reveals the formation of the monophasic nanostructures of the ?"-Fe16N2, ?-Fe2N, and ?-Fe3N nanostructures, and in some cases a mixture of them. We demonstrate that these phases can be obtained by varying the fluence between 0.7 to 1.6 J/cm2 with a fixed wavelength of 1064 nm or using a fixed fluence with different wavelengths such as 532 nm, 355 nm e 266 nm. Particularly, the selected area electron diffraction reveals the formation of the crystalline ?"-Fe16N2 nanostructures produced with irradiation for two hours and a half with laser wavelengths of 1064 nm, 532 nm, and 355 nm. The produced nanoparticles stored in isopropyl alcohol suspension have shown to be stable for several months without any evidence of iron oxides. This demonstrates a specific effectiveness for obtaining a very complex iron nitride phase, as ?"-Fe16N2. Noticeably, the ?"-Fe16N2 nanostructures presented size distributions of monodisperse nanoparticles with an average size of 4 nm using green laser irradiation. The nanoparticles produced were also characterized by UV-Vis absorbance and Raman spectroscopy techniques, which are consistent with TEM analysis, indicating the formation of iron nitride phases. Due to the high saturation magnetization and strong magnetic anisotropy reported for ?"- Fe16N2 nanostructures, suspensions of ?"-Fe16N2 nanoparticles in saline solution were used for biocompatibility testing for biomedical applications. The nematode Caenorhabditis elegans was used in toxicity tests as an alternative animal model. The ?"-Fe16N2 nanoparticles did not induce toxicity in the nematode, although a reduction in reproductive behavior was observed. The low toxicity of ?"-Fe16N2 nanoparticles indicates a high potential for their use as drug carriers and in the development of biosensors applied in medical treatments and alternative therapies. Keywords: Nanoparticles. Iron nitrides. Laser irradiation. Toxicity.