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Synthesis and characterization of calcium sulfide nanoparticles
Rivera Vázquez, Daniel
Rivera Vázquez, Daniel
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Abstract
Calcium sulfide (CaS) nanoparticles are cadmium free fluorescent nanostructures with potential applications in nanomedicine and as a sensing material. We employed different methods for the synthesis of CaS nanoparticles, including (1) the reaction of calcium acetate (Ca(CH₃CO₂)₂) and sodium sulfide (Na₂S) in dimethyl sulfoxide (DMSO), (2) the reaction of Ca(CH₃CO₂)₂ and DMSO in a microwave and (3) dissolving bulk quantities of CaS in DMSO. UV-Vis spectroscopy was used to determine the optical properties of the CaS nanostructures. The absorption spectra of CaS prepared from these methods consists of a well-defined peak in the UV and a long wavelength tail that extends above 700 nm. Emission bands centered around 500 nm with a long wavelength tail that extends above 600 nm are observed upon excitation at 405 nm. Scanning tunneling microscopy (STM) was used for determining the average diameter of CaS nanostructures of (3.3 ± 0.7) nm. The direct and indirect band gaps are estimated to be (0.403 ± 0.003) eV and (4.135 ± 0.006) eV. Configuration interaction singles (CIS) calculations were used to determine the electronic transition spectra of small CaS clusters. Unique to CaS nanostructures is the absorption of light at wavelengths longer that in the bulk material instead of the blue shift associated with quantum confinement effects in semiconductors. Indeed, the strong absorption bands in the visible region of the spectra of the CaS nanostructures do not have a counterpart in the gas or solid phases, with implications in the field of sensing using semiconducting nanoparticles. Density functional theory (DFT) calculations on small CaS clusters are used to establish the vibrational properties of calcium sulfide nanoclusters. Naked CaS nanostructures are found to limit the survival rate and inhibit the growth rate of carcinoma cancer cell lines (ATCC CRL-2124). A single dose of a dispersion containing (3.3 ± 0.7) nm CaS nanoparticles (total calcium content of 3.8 x10⁻⁸ moles) results in a sharp decrease in the density of live cells and a sharp increase in the number of dead cells 96 hours following the dose. No changes are observed in adenocarcinoma control cell lines. CaS do not have any effect on the survival and growth rate of normal fibroblasts as compared to control cell cultures of normal fibroblasts, which suggests that CaS nanostructures are cancer specific. The small size of the nanostructures allows them to have access to the normal and newly developed blood vessels-due to angiogenesis and elimination by the human body. The results encourage further research to establish the mechanisms of action of CaS in cancer cell cultures and laboratory animals.
Las nanopartículas de sulfuro de calcio (CaS) son nanoestructuras fluorescentes con posibles aplicaciones en el campo de la nanomedicina y como biosensores. Hemos empleado distintos métodos para la síntesis de nanopartículas de CaS que incluyen: (1) la reacción de acetato de calcio (Ca(CH₃CO₂)₂) con sulfuro de sodio (Na₂S) en sulfóxido de dimetilo (DMSO), (2) la reacción de Ca(CH₃CO₂)₂ y DMSO en un microondas y (3) disolviendo cantidades macroscópicas de CaS en DMSO. Se utilizó espectroscopía UV-Vis para determinar las propiedades ópticas de las nanoestructuras de CaS. Los espectros de absorción de CaS preparado utilizando los métodos descritos anteriormente consisten de un pico bien definido en la región del UV y una “cola” que se extiende a largos de onda mayores de 700 nm. Se observaron bandas de emisión centradas cerca de los 500 nm con una “cola” que se extiende a largos de onda ayores de 600 nm al excitar en 405 nm. Se utilizó microscopía de rastreo por tunelaje (STM, por sus siglas en inglés) para determinar el diámetro promedio de las nanoestructuras de CaS. Se estimaron las brechas energéticas directas e indirectas en (0.403 ± 0.003) eV y (4.135 ± 0.006) eV, respectivamente. Se utilizaron cálculos utilizando interacción de configuración sencilla (CIS, por sus siglas en inglés) para determinar los espectros de transiciones electrónicas en pequeñas aglomeraciones. La absorción de luz a largos de ondas mayores a los del grueso del material, en lugar del desplazamiento hacia el azul asociado a efectos de confinamiento cuántico en semiconductores es único de las nanoestructuras de CaS. En efecto, las bandas de absorción en la región visible de los espectros de nanoestructuras de CaS no tienen contraparte en las fases gaseosas o sólidas. Se utilizaron, además, cálculos de teoría de funcional de densidad (DFT, por sus siglas en inglés) en pequeños agregados de CaS para establecer las propiedades vibracionales de los nanoagregados de sulfuro de calcio. Hemos encontrado que nanoestructuras de CaS limitan la supervivencia e inhibe la razón de crecimiento de líneas celulares cancerosas de adenocarcinoma (ATCC CRL-2124). Una sola dosis de una dispersión que contiene nanopartículas con un diámetro de (3.3 ± 0.7) nm (contenido total de calcio 3.8 x10⁻⁸ moles) resulta en una disminución pronunciada en la densidad de células vivas y un aumento agudo en el número de células muertas luego de 96 horas de la dosificación. No se observan cambios en las líneas celulares de adenocarcinoma control. CaS no tiene efectos en la supervivencia y razón de crecimiento de fibroblastos normales en comparación con líneas celulares de adenocarcinoma tipo control, lo cual sugiere que las nanoestructuras de CaS son específicas a cáncer. El diminuto tamaño de las nanoestructuras les permite acceso a vasos sanguíneos normales y recién formados debido a angiogénesis y eliminación por el cuerpo humano. Estos resultados son alentadores para seguir investigación con el fin de establecer los mecanismos de acción de CaS en cultivos de células cancerígenas y en animales de laboratorio.
Las nanopartículas de sulfuro de calcio (CaS) son nanoestructuras fluorescentes con posibles aplicaciones en el campo de la nanomedicina y como biosensores. Hemos empleado distintos métodos para la síntesis de nanopartículas de CaS que incluyen: (1) la reacción de acetato de calcio (Ca(CH₃CO₂)₂) con sulfuro de sodio (Na₂S) en sulfóxido de dimetilo (DMSO), (2) la reacción de Ca(CH₃CO₂)₂ y DMSO en un microondas y (3) disolviendo cantidades macroscópicas de CaS en DMSO. Se utilizó espectroscopía UV-Vis para determinar las propiedades ópticas de las nanoestructuras de CaS. Los espectros de absorción de CaS preparado utilizando los métodos descritos anteriormente consisten de un pico bien definido en la región del UV y una “cola” que se extiende a largos de onda mayores de 700 nm. Se observaron bandas de emisión centradas cerca de los 500 nm con una “cola” que se extiende a largos de onda ayores de 600 nm al excitar en 405 nm. Se utilizó microscopía de rastreo por tunelaje (STM, por sus siglas en inglés) para determinar el diámetro promedio de las nanoestructuras de CaS. Se estimaron las brechas energéticas directas e indirectas en (0.403 ± 0.003) eV y (4.135 ± 0.006) eV, respectivamente. Se utilizaron cálculos utilizando interacción de configuración sencilla (CIS, por sus siglas en inglés) para determinar los espectros de transiciones electrónicas en pequeñas aglomeraciones. La absorción de luz a largos de ondas mayores a los del grueso del material, en lugar del desplazamiento hacia el azul asociado a efectos de confinamiento cuántico en semiconductores es único de las nanoestructuras de CaS. En efecto, las bandas de absorción en la región visible de los espectros de nanoestructuras de CaS no tienen contraparte en las fases gaseosas o sólidas. Se utilizaron, además, cálculos de teoría de funcional de densidad (DFT, por sus siglas en inglés) en pequeños agregados de CaS para establecer las propiedades vibracionales de los nanoagregados de sulfuro de calcio. Hemos encontrado que nanoestructuras de CaS limitan la supervivencia e inhibe la razón de crecimiento de líneas celulares cancerosas de adenocarcinoma (ATCC CRL-2124). Una sola dosis de una dispersión que contiene nanopartículas con un diámetro de (3.3 ± 0.7) nm (contenido total de calcio 3.8 x10⁻⁸ moles) resulta en una disminución pronunciada en la densidad de células vivas y un aumento agudo en el número de células muertas luego de 96 horas de la dosificación. No se observan cambios en las líneas celulares de adenocarcinoma control. CaS no tiene efectos en la supervivencia y razón de crecimiento de fibroblastos normales en comparación con líneas celulares de adenocarcinoma tipo control, lo cual sugiere que las nanoestructuras de CaS son específicas a cáncer. El diminuto tamaño de las nanoestructuras les permite acceso a vasos sanguíneos normales y recién formados debido a angiogénesis y eliminación por el cuerpo humano. Estos resultados son alentadores para seguir investigación con el fin de establecer los mecanismos de acción de CaS en cultivos de células cancerígenas y en animales de laboratorio.
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Date
2014