Detection and characterization of silver and titania nanomaterials in biological and environmental matrices

Abstract

A nanotecnolgia tem tido um impacto significativo em muitas áreas devido às peculiares propriedades dos nanomateriais (NM). O crescent uso de NM em diversos sectores da indústria veio aumentar a preocupação, a nível científico e legislativo, em desenvolver produtos mais benéficos mas com menor impacto ecológico. Uma das maiores limitações de ambos os sectores, científico e legislativo, é a capacidade de detectar e caracterizar NM. Diversas técnicas têm vindo a ser desenvolvidas durante as últimas décadas, mas a maioria apresenta limitações na capacidade de análise de NM em matrizes complexas. Geralmente é necessário combinar várias técnicas analíticas para obter dados satisfatórios. Neste estudo focamonos em algumas dessas limitações. Com o uso de técnicas complementares foi possível desenvolver um método de detecção e caracterização de nanopartículas (NP) em matrizes complexas mais robusto e compreensivo. O foco foi dado ao desenvolvimento de métodos alternativos de detecção e caracterização de partículas de titânio em produtos comerciais, e de prata em ambiente marinho e organismos marinhos. Foi proposta a combinação de análises por AF4/UVVis/ MALS/DLS, após extracção por CO2 supercrítico, para detecção de NP de titânio em cremes solares. Este método poderá ser adaptado à caracterização de NP de titânio em águas recriacionais. A detecção de NP de prata em águas marinhas baseou-se na combinação das técnicas de AF4/UV-Vis/DLS, que poderão ser usadas, por exemplo, na avaliação do potencial tóxico de águas residuais em zonas costeiras. Propôs-se a determinação da concentração de NP por análise de ICP-MS no entanto recomendou-se o uso de TEM para identicação da sua forma. A caracterização de NP de prata mostrou-se limitada devido à instabilidade destes materiais em presença de elevada carga iónica e matéria orgânica dissolvida. Além disso, para estudos de internalização, propôs-se o uso do método desenvolvido para detecção e localização de NP de prata em células. O método, baseado em análise por TEM-EDX, foi optimizado para análise 3D de células intactas. Espera-se que este método se torne útil na avaliação dos mecanismos de acção de NP, visto permitir identificar interacções entre NP e elementos cellulares.

Nanotechnology is having a significant impact in many application fields due to the peculiar properties of nanomaterials. The rapid uptake of nanotechnology innovation to products onto the market has stimulated scientific and regulatory activities aimed at maximizing the products benefits, while minimizing their potential adverse ecological impact. One of the key problems of both scientific and regulatory development is the detection and proper characterization of nanomaterials. Several techniques have been developed during the last decades, but most of them have shortcomings, especially when analysing nanomaterials in complex matrices. The combination of several techniques is usually required to obtain enough data to characterize a nanomaterial. In this work we addressed some of the limitations of existing methods. By using complementary techniques it was possible to develop more complete and robust methods for detection and characterization of silver and titanium dioxide nanoparticles in complex matrices. In particular, this research focused on the development of alternative approaches for detecting and characterizing titania nanoparticles in consumer products and silver nanoparticles in sea water and marine organisms. A combination of AF4/UVVis/ MALS/DLS analysis, after spCO2 extraction, was proposed for titania nanoparticle detection in sunscreen lotions but this method could be also adapted to characterize titania nanoparticles in recreational waters. Detection of silver nanoparticles in sea water was based on the combination of AF4/UV-Vis/DLS techniques, which could be used, for instance, to determine the toxic potential of waste water discharges in coastal areas. Determination of nanoparticles concentration was proposed by ICP-MS while TEM was recommended for shape determination. The characterization of silver nanoparticles was shown limited due to the instability of the material in the presence of high ionic strength and dissolved organic matter. Furthermore, detection and localization of silver nanoparticles in cells was developed as proxy for uptake studies. A method based on TEM-EDX analysis was optimized for whole cell imaging in 3D. This method showed the ability to identify nanoparticle interactions with cell elements and therefore is expected to become a useful tool in the mechanism of action research field.