Instrumentação para SAXS e caracterização estrutural de nanopartículas de prata produzidas por síntese biogênica

Abstract

Resumo : Este trabalho tem como objetivos: (i) projetar e construir um arranjo experimental que permitirá estudos através da técnica de espalhamento de raios X a baixo ângulo (conhecida como SAXS do inglês small-angle x-ray scattering) e (ii) a análise de curvas de intensidade de SAXS de nanopartículas de prata produzidas por síntese biogênica. Foram projetados os suportes que permitirão a adaptação de uma fonte de raios X e um detetor sensível à posição de área a uma bancada com mesa de granito onde a instrumentação será instalada. Também foram projetados: um sistema de colimação do feixe de raios X primário, um suporte para porta-amostras e câmaras de vácuo que serão dispostas entre a amostra e o detetor. Para o sistema de colimação foram projetados um par de obturadores de tântalo com abertura circulares espaçadas por cerca de 50 cm que irão definir o diâmetro da seção reta do feixe. Parafusos micrométricos serão utilizados para a centralização das aberturas do colimador no centro do feixe. O suporte do porta amostras foi projetado de modo a permitir a adaptação de diferentes tipos de porta-amostras indo desde sistemas para estudo de líquido até fornos de tratamento térmico para estudos in situ. As câmaras de vácuo entre a amostra e o detetor serão formadas por diversos módulos tubulares que poderão ser colocados em série em diferentes disposições, permitindo variar a distância amostra-detetor de 30 em 30 cm desde uma distância mínima de 30 cm até cerca de 170 cm. Isso permitirá a medição da intensidade espalhada de amostras contendo nanopartículas com diferentes valores de tamanho. Essas câmara terão janelas de Kapton® para permitir a passagem dos raios X. Sua utilização é necessária para minimizar o espalhamento dos raios X pelo ar. Na segunda etapa do trabalho foi realizada a análise de curvas de SAXS produzidas por nanopartículas de prata obtidas por síntese biogênica. Foram estudadas quatro diferentes amostras onde as nanopartículas foram produzidas pelo fungo Trichoderma harzianum em solução contendo nitrato de prata exposto e não exposto ao fungo fitopatogênico sclerotinia sclerotiorum. Parte das amostras foi submetida a remoção da capa externa orgânica que recobria as nanopartículas. Os resultados indicaram uma diminuição significativa na fração em volume e no número de nanopartículas de prata capeadas quando as amostras foram expostas ao fungo patogênico. Verificou-se ainda que o processo utilizado na remoção da capa orgânica resultou na remoção de uma fração significativa das nanopartículas menores.

Abstract: This work aims to: (i) design and build an experimental arrangement that will allow us to investigate the low-resolution structure of nanoparticles using the small- angle X-ray scattering technique (SAXS) and (ii) the analysis of SAXS intensity curves of silver nanoparticles produced by a biogenic synthesis method. Mechanic holders were designed to allow the adaptation of an X-ray source and a 2D position-sensitive detector to a vibration-free stable granite bench on which the instrumentation will be installed. We also designed a system for X-ray beam collimation, sample-holder stages, and vacuum chambers that will be placed between the sample and the detector. For the collimation system, a pair of tantalum plates with circular openings spaced apart about 50 cm were designed. This device will be used to define the cross-section diameter of the X-ray beam. Micrometric screws will be used to center the collimator openings in the center of the beam. The sample-holder stage was designed to allow the adaptation of different types of sample holders, ranging from systems for studying liquids to heat treatment furnaces for in situ studies. The vacuum chambers that will be placed between the sample and the detector will be formed by several tubular modules that can be placed in series in different arrangements, allowing us to vary the sample-to-detector distance by discrete amounts of 30 cm from a minimum distance of 30 cm to about 170 cm. This will allow us to measure the scattered intensity of samples containing nanoparticles with different size values ranging from a few to hundreds of nanometers. These chambers will have Kapton® windows to allow the passage of X-rays. Their use is necessary to minimize the scattering of X-rays by the air. In the second stage of the work, the analysis of SAXS curves produced by silver nanoparticles obtained by biogenic synthesis was performed. Four different samples were studied. The nanoparticles were produced by the fungus Trichoderma harzianum in aqueous solutions containing silver nitrate as a precursor for the silver nanoparticles. Some of the samples were exposed to the phytopathogenic fungus Sclerotinia sclerotiorum responsible for the white mold. After preparation, a fraction of the samples was submitted to physico-chemical processes to remove the organic outer layer covering the nanoparticles. The results indicated a significant decrease in the volume fraction and number of silver nanoparticles in the samples exposed to the pathogenic fungus. It was also verified that the process used to remove the organic layer resulted in the removal of a significant fraction of the smaller nanoparticles