Studio dell’interazione di batteri purpurei non sulfurei fotosintetici con Cadmio e Tellurio per la sintesi di nanoparticelle o Quantum Dots

4 
 
CAPITOLO I 
INTRODUZIONE 
 
1.1 PREMESSA 
 
Oggi il termine nanoparticelle comprende tutti quei building blocks di scala nanometrica di varia 
morfologia che possono avere sia struttura regolare che irregolare. Le nanoparticelle che formano 
cristalli sono chiamate nanocristalli mentre le particelle con configurazione cristallina parziale sono 
chiamate nanoclusters. Le nanoparticelle sono considerate tali quando hanno un diametro inferiore 
ai 100 nm (Fig.1) e solitamente intorno ai 1-10 nm; per fare un confronto l’elica del DNA ha un 
diametro di circa 2 nm.  
 
 
 
 
Le nanoparticelle grazie alle loro dimensioni possiedono particolari proprietà e vengono utilizzate 
come semiconduttori, nella risonanza plasmonica di superficie, in materiali magnetici e 
nell’assorbimento della radiazione solare. Queste caratteristiche sono dovute perlopiù all’elevato 
rapporto superficie/volume delle nanoparticelle. Inoltre le particelle con dimensioni minori hanno 
una massa in cui il numero degli atomi, soprattutto quelli superficiali, conferisce loro doti uniche.
1
 
Un particolare tipo di nanoparticelle sono i Quantum dots (punti quantici) o nanocristalli 
semiconduttori che hanno dimensione tra i 2 e i 10 nm (Fig.2). I Quantum Dots hanno proprietà 
chimiche quando sono funzionalizzati
2
 e magnetiche quando contengono Ferro
3
 ma maggiormente 
                                                           
1
 “Materials Chemistry”; Bradley D. Fahlman; Springer, 2008 
2
 “A systematic examination of surface coatings on the optical and chemical properties of semiconductor Quantum Dots”; Andrew 
M. Smith, Hongwei Duan, Matthew N. Rhyner, Gang Ruan and Shuming Nie; Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, 8, 3895–3903 
3
 “Magnetic properties of parabolic quantum dots in the presence of the spin–orbit interaction”; Voskoboynikov et al.;  J. Appl. 
Phys., Vol. 94, No. 9, 1 November 2003 
Fig.1 - Nanoparticelle di varie forme e dimensioni. 
Fig.2 - Nanocristalli CdTe e la loro struttura cristallina (a).
5 
 
ottiche ed elettroniche infatti sono utilizzati con un approccio multidisciplinare nel campo 
scientifico fino a trovare impiego anche nella medicina, nella biologia e nell’elettronica.
4
 
Nanoparticelle e Quantum Dots sono sintetizzati attraverso varie tecnologie chimiche e fisiche 
come litografia (top-down), sintesi colloidale ed epitassia
5
 (bottom-up) che sono però altamente 
costose e usano componenti pericolosi. Recentemente si è scoperto che alcuni microorganismi che 
interagiscono normalmente con metalli producono queste nanoparticelle in maniera naturale e 
biologica.
6
 
Particolare attenzione è diretta verso nanoparticelle e Quantum Dots di Cadmio e Tellurio (CdTe) 
che oggi trovano molteplici utilizzi nel campo dell’elettronica, nei sistemi fotovoltaici, nell’ottica e 
anche in medicina, biosensori e sempre nuove applicazioni 
vengono scoperte.
7
 
Di conseguenza sono continuamente ricercati nuovi metodi di 
produzione e sintesi di nanoparticelle CdTe sempre meno 
costosi e più sicuri. La produzione microbiologica di 
nanoparticelle o Quantum Dots CdTe tramite ceppi di batteri 
purpurei fotosintetici quali Rhodobacter capsulatus e 
Rhodopseudomonas palustris è l’argomento che tratta questa 
tesi di laurea magistrale. 
 
1.2 I QUANTUM DOTS 
 
I Quantum Dots fanno parte di quei nanomateriali 
semiconduttori per i quali, mentre le dimensioni sono 
gradualmente ridotte, le loro proprietà cambiano radicalmente 
sino a essere influenzate dalla teoria dei quanti. 
Oggigiorno i Quantum Dots sono composti da più elementi 
come ad esempio due metalli, metalloidi o elementi di 
transizione o combinazioni tra questi in modo da alterarne le 
proprietà. Alcune particelle possono anche essere complessate 
con polimeri o composti organici per creare dei bioconiugati. 
In biologia e medicina sono molto utilizzate le caratteristiche 
ottiche dei Quantum Dots in quanto i vantaggi di questi 
coloranti inorganici semiconduttori sono molteplici:   
1) La continua e precisa regolazione della lunghezza d’onda d’emissione (λ em.) attraverso le 
dimensioni delle nanoparticelle (Fig.3).  
2) Spettro d’emissione molto “sottile” mentre lo spettro d’eccitazione (λ ecc.) è molto generico. 
3) La possibilità di funzionare per più cicli di eccitazione e fluorescenza per analisi a lungo 
termine. 
                                                           
4
 “Nanomaterials and nanoparticles: Sources and toxicity”; Cristina Buzea, Ivan I. Pacheco, Kevin Robbie; Biointerphases, Vol. 2, 
No. 4, December 2007 
5
 “Quantum dots”; L. Jacak, P. Hawrylak, A. Wójs; Springer, 1998 
6
 “Biological synthesis of metal nanoparticles”; M. Gericke, A. Pinches; Hydrometallurgy 83 (2006) 132–140 
7
 “Applications of CdTe. A Review”; F. V. Wald; Rev. Phys. Appl. (Paris), 12 2 (1977) 277-290 
Fig.3 - Blue o Red-shift al variare delle 
dimensioni dei Quantum Dots.
6 
 
4) Estrema resistenza e stabilità a cambiamenti di pH (Blue o Red-Shift
8
) e al photobleaching. 
 
Queste proprietà sono dovute all’effetto chiamato Quantum Confinement.
9
 
Altri utilizzi in medicina e biologia sono in saggi di immunofluorescenza, QD-FISH, 
biodistribuzione, farmacocinetica, sonde con o senza targeting, citossicità e biocompatibilità
10
, studi 
sul coniugato in condizioni in vivo, studi sulla tossicità e degradazione e accumulo dei QD e/o dei 
componenti in vivo, labeling cellulare
11
 
12
, sensori e biosensori.
13
 
 
1.3 SINTESI DI NANOPARTICELLE E QUANTUM DOTS 
 
Di seguito viene presentata una veloce panoramica sulle tecnologie colloidali e organo-metalliche 
per le sintesi più idonee all’ambito biotecnologico. 
Una tecnica riconducibile alla “Green Chemistry”  è  la sintesi  idrotermica in fase acquosa a 180
°
C 
usando tioli come stabilizzatori. La grandezza delle particelle cresce nel tempo ed esse posseggono 
una particolare biotollerabilità.
14
  
Un’alternativa alla sintesi idrotermica, più veloce, semplice ed economica è la sintesi in fase 
acquosa con irraggiamento di microonde come fonte di energia. Con questa tecnica è possibile 
predeterminare il colore della luminescenza (λ), quindi le dimensioni delle particelle, al variare 
della temperatura mentre l’intensità cambia secondo i tempi di irradiamento. La stabilità delle 
particelle nel tempo, oltre i 10 mesi, è assicurata dalla coniugazione con composti organici.
15
 
16
 
Sono state documentate anche interessanti interazioni tra proteine modificate e Quantum Dots 
(CdSe) ZnS e CdTe con la formazione di tri- e tetrapodi che risultano strutture particolarmente 
adatte per la ricezione di radiazione luminosa.
17
 
Metodi meno adatti per il settore biologico sono: sintesi elettrochimiche
18
, per idrolisi e 
condensazione
19
,  reazioni chimiche.
20
 
21
 
                                                           
8
 “Indication of intracellular physiological pH changes by L-cysteine-coated CdTe quantum dots with an acute alteration in emission 
color”; Gui, M. et al.; Biosens. Bioelectron. 2011 
9
 “Quantum confinement in CdSe nanocrystallites”; K. E. Andersen et Al.; Journal of Non-Crystalline Solids 299-302 (2002) 1105-
1110 
10
 “Biocompatibility of hydrophilic silica-coated CdTe quantum dots and magnetic nanoparticles”; Ruan et al.; Nanoscale Research 
Letters 2011 6:299 
11
 “Quantum dots and nanocomposites”; Herman Sander Mansur; WIREs Nanomedicine and Nanobiotechnology, Volume 2, 
March/April 2010 
12
 “Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels”; Marcel Bruchez Jr. et al.; Science 281, 2013 1998 
13
 “Synchronous determination of mercury (II) and copper (II) based on quantum dots-multilayer film”; Q. Ma et al.; Analytica 
Chimica Acta 701 (2011) 60– 65 
14
 “Hydrothermal synthesis for high-quality CdTe nanocrystals”; Hao Zhang, Liping Wang, Huanming Xiong, Lianghai Hu, Bai 
Yang and Wei Li; Adv. Mater.  2003, 15, No. 20 
15
 “Microwave-Assisted Aqueous Synthesis of Highly Luminescent Carboxymethyl Chitosan-Coated CdTe/CdS Quantum Dots as 
Fluorescent Probe for Live Cell Imaging.”; He Z., Zhu H., Zhou P.; J. Fluoresc. 2011 
16
 “Microwave-assisted synthesis of water-dispersed CdTe/CdSe core/shell type II quantum dots”; Sai and Kong; Nanoscale 
Research Letters 2011 6:399 
17
 “Quantum Dot Molecules Assembled with Genetically Engineered Proteins”; Shi-You Ding, Marcus Jones, Melvin P. Tucker, 
Jovan M. Nedeljkovic, Joseph Wall, Martha N. Simon, Garry Rumbles and Michael E. Himmel; Nano Lett., Vol. 3, No. 11, 2003 
18
 “Electrochemical Synthesis of CdSe Quantum-Dot Arrays on a Graphene Basal Plane Using Mesoporous Silica Thin-Film 
Templates”; Yong-Tae Kim, Jung Hee Han, Byung Hee Hong and Young-Uk Kwon; Adv. Mater. 2010, 22, 515–518 
19
 “Magnetic Quantum Dots: Synthesis, Spectroscopy, and Magnetism of Co
2+
- and Ni
2+
-Doped ZnO Nanocrystals”; Schwartz et al.; 
J. Am. Chem. Soc. 9 Vol. 125, No. 43, 2003
7 
 
Processi più economici, sicuri, non tossici e “environmentally friendly” vanno di pari passo con 
espedienti di produzione biologica e in particolare sintesi tramite l’utilizzo di microorganismi. 
E’ ormai noto che moltissimi organismi interagiscono con materiali inorganici intra- o 
extracellularmente: batteri magnetotattici producono nanoparticelle di magnetite.
22
, diatomee 
sintetizzano materiali silicei
23
 e organismi multicellulari producono composti organici-inorganici 
molto duri come gusci, ossa e spicole. 
Per quanto riguarda i batteri moltissimi sono gli esempi: particelle di Au e Ag prodotte da ceppi di 
Bacillus subtilis,  Shewanella algae, Pseudomonas stutzeri, Rhodobacter capsulatus
24
. Sono creati 
depositi di semiconduttori come CdS, ZnS, e PbS grazie a Clostridium thermoaceticum, Klebsiella 
aerogenes, E.coli, Klebsiella pneumoniae
25
, ecc. 
Lieviti come Candida glabrata, P. jadinii (Fig.4), la specie Torulopsis e Schizosaccharomyces 
pombe cristallizzano nanoparticelle di Au, Cd
2+
, PbS, CdS intracellularmente. 
Alcuni funghi della specie Verticillium precipitano Oro e Argento al loro interno mentre  Fusarium 
oxysporum crea particelle extracellulari.
26
 
Nel campo della produzione batterica di queste nanoparticelle si cerca di raggiungere i requisiti di 
produzione ottimali andando a interagire opportunamente con le condizioni di crescita, 
selezionando i ceppi produttori migliori, variando concentrazioni, volumi e pH e tenendo conto di 
tutti quegli opportuni semplici ma assai efficaci accorgimenti con cui si ha a che fare nel campo 
della microbiologia.
27
 
 
                                                                                                                                                                                                 
20
 “Synthesis of CdSe quantum dots: Effect of surfactant on the photoluminescence property”; Norhayati Abu Bakar, Akrajas Ali 
Umar, Tengku Hasnan Tengku Aziz, Siti Hajar Abdullah, Muhamad Mat Salleh, Muhammad Yahaya, Burhanuddin Yeop Majlis; 
ICSE 2008 Proc. 2008 
21
 “Single-Step Synthesis of Quantum Dots with Chemical Composition Gradients”; Bae et al.; Chem. Mater. 2008, 20, 531–539 
22
 “Anaerobic production of magnetite by a dissimilatory iron-reducing microorganism”; Lovley D. R., Stolz J. F., Nord G. L., 
Philips E. J. P.; Nature (1987) 330:252–254 
23
 “Polycationic peptides from diatom biosilica that direct silica nanosphere formation” ; Kroger N., Deutzmann R., Sumper M.; 
Science (1999) 286:1129–1132 
24
 “Biological synthesis of gold nanowires using extract of Rhodopseudomonas capsulata”; He et al.; Biotechnology Progress (2008) 
24: 476-480  
25
 “Cadmium-specific formation of metal sulfide 'Q-particles' by Klebsiella pneumonia”; J. D. Holmes and Others; Microbiology 
(1997), 143, 2521-2530 
26
 “The use of microorganisms for the formation of metal nanoparticles and their application”; Deendayal Mandal, Mark E. 
Bolander, Debabrata Mukhopadhyay, Gobinda Sarkar, Priyabrata Mukherjee; Appl Microbiol Biotechnol (2006) 69: 485–492 
27
 “Biological synthesis of metal nanoparticles by microbes”; K. B. Narayanan, N. Sakthivel; Advances in Colloid and Interface 
Science 156 (2010) 1–13
8 
 
 
 
 
 
1.4 TELLURIO E CADMIO 
 
Il Tellurio (Z=52; Fig.5) è un elemento piuttosto raro appartenente alla serie dei semimetalli o 
metalloidi che è presente in miniere sulfuree in composti contenenti anche Rame, Oro, Argento e 
Nickel.  
I composti del tellurio trovano utilizzi nell’industria chimica, nelle lampade a vapori di Tellurio-
Mercurio, nelle ceramiche, nelle celle solari fotovoltaiche, nella produzione della ghisa mentre 
leghe contenenti Tellurio sono usate in dispositivi elettronici e semiconduttori.
28
   
Gli ossidi del tellurio sono anioni come il Tellurito TeO
3
2-
 (N. di ossidazione 4+), il Tellurato 
TeO
4
2-
 o TeO
6
6−
 (N. di ossidazione 6+; abbreviato To in questa tesi) o sotto forma di biossido TeO
2 
(N. di ossidazione 4+). 
L’ossianione Tellurito risulta la forma più abbondante in natura ma anche la forma più tossica del 
Tellurio. 
                                                                              
 
                                                           
28
 “Industrial Utilization of Selenium and Tellurium”; G. R. Waitkins, A. E. Bearse and R. Shutt; Industrial and Engineering  
Chemistry, Vol. 34, No. 8, 899-910 
Fig.4 - Immagini TEM di sezioni di P. jadinii dopo aver reagito con 
AuCl
4-
. 
Fig.5 - Tellurio elementare. Fig .6 - Cadmio elementare.
9 
 
Il Cadmio (Z=48; Fig.6) è un elemento appartenente ai metalli di transizione anch’esso raro ed è 
ottenuto come sottoprodotto della lavorazione mineraria di Zinco, Piombo e Rame. Il Cd
+2 
risulta 
essere particolarmente tossico per reni, polmoni e provoca malattie delle ossa. 
Il Cadmio è utilizzato in molti settori dell’industria: batterie NiCd, pigmenti e coperture grazie a 
electroplating e successiva passivazione, stabilizzatore per PVC, applicazioni elettroniche, 
semiconduttori e celle solari fotovoltaiche, nella fissione nucleare, e nella chimica da laboratorio.
29
 
Entrambi gli elementi, Tellurio e Cadmio, non hanno alcun ruolo biologico rilevante. 
 
1.5 CDTE, NANOPARTICELLE E LORO APPLICAZIONI 
 
Nanoparticelle e Quantum Dots CdTe oggi trovano numerose applicazioni singolarmente come 
materiali 0D o in dispositivi sintetizzati bottom-up 1D o 2D come nanotubi e nanomuri.
30
 
31
 
Nanoparticelle CdTe servono anche in campo biomedico per facilitare il drug delivery se coniugate 
con farmaci anti-tumorali
32
 o biosensori per determinate patologie se coniugati ad anticorpi 
specifici.
33
 
Come già detto in precedenza le nanoparticelle dotate di luminescenza hanno una λ di emissione 
che dipende dalle loro dimensioni ma in generale la nanoparticelle CdTe hanno una lunghezza 
d’onda di emissione compresa tra i 450 e 670 nm ovvero gran parte dello spettro visibile.
34
 
Un settore abbastanza rilevante dei composti CdTe semiconduttori è quello dei pannelli fotovoltaici 
a strato sottile (Fig.7). I pannelli a CdTe sono un settore tuttora in espansione in Italia per via della 
bassissima quantità di materiale utilizzato, costi convenienti (abbassamento futuro dei costi fino a  
                                                           
29
 “Cadmium and Cadmium Alloys”; Morrow H.; Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 2010, 1-36 
30
 “Biological Assembly of Nanocircuit Prototypes from Protein-Modified CdTe Nanowires”; Ying Wang, Zhiyong Tang, Susheng 
Tan and Nicholas A. Kotov; Nano Lett., Vol. 5, No. 2, 2005 
31
 “One-step synthesis of CdTe branched nanowires and nanorod arrays”; J. Hou et al.; Applied Surface Science 257 (2011) 7684–
7688 
32
 “CdTe quantum dots with daunorubicin induce apoptosis of multidrug-resistant human hepatoma HepG2/ADM cells: in vitro and 
in vivo evaluation”; Zhang et al.; Nanoscale Research Letters 2011 6:418 
33
 “Determination of trace gastrin and diagnosis of human diseases using CdTe quantum dots labelled gastrin antibodies as 
phosphorescence sensors”; Jiaming Liu, Xiaomei Huang, Shaoqin Lin, Wenlian Cai, Changqing Lin, LiHong Zhang, Xuan Lin and 
Zhiming Li; Analyst, 2011, 136, 3789 
34
 “Super-Efficient Exciton Funneling in Layer-by-Layer semiconductor Nanocrystal structures”; T. A. Klar et al.; Adv. Mater. 
2005, 17, No.6, March 22 
Fig.7 - Celle solari CdTe. La loro sottigliezza le rende mondo flessibili.
10 
 
 
$75/m
2
 o $0.5/W), una buona efficienza (9% in media; energia elettrica prodotta in rapporto 
all’energia luminosa ricevuta), impatti ambientali quasi nulli sia durante l’impiego che nella 
produzione e un’eccellente sicurezza.
35
 
L’unico dubbio sul brillante futuro sviluppo di questa tecnologia è la disponibilità nella crosta 
terrestre del Tellurio, non molto abbondante, legata quantitativamente allo spessore del film dei 
pannelli fotovoltaici e quindi alla loro resa energetica: in poche parole data la bassa resa energetica 
di questi pannelli fotovoltaici il Tellurio presente sulla terra non basterebbe per una significativa 
resa energetica utile.
36
 
Ma moltissime sono le proprietà e quindi gli utilizzi che vengono continuamente ritrovati mentre in 
questa tesi ne sono elencati solo alcuni.  
 
1.6 MICRORGANISMI: TASSONOMIA, LORO CARATTERISTICHE E METABOLISMO 
 
I batteri utilizzati in questo lavoro sono Rhodobacter capsulatus e Rhodopseudomonas palustris. 
Entrambi sono organismi procarioti facenti parte del grande gruppo dei Bacteria, phylum 
Protobacteria (Fig.8); batteri Gram negativi che esibiscono una notevole varietà metabolica e sono 
tra i più investigati e utilizzati per applicazioni mediche, industriali e per l’agricoltura. 
Una buona parte di questi batteri sono fototrofi anossigenici cioè ottengono energia dal 
metabolismo fotosintetico ma non generano ossigeno al contrario delle piante. In questo caso usano 
come donatore di elettroni non H
2
O ma altre molecole dal potenziale redox più basso.  
                                                           
35
 “Telloruro di Cadmio: Eldorado del fotovoltaico o insidia ambientale?”; Giovanni Palmisano, Vincenzo Augugliaro, Rosaria 
Ciriminna, Vittorio Loddo, Mario Pagliaro, Polo fotovoltaico della Sicilia; Ilsoleatrecentosessantagradi - n°7 - luglio/agosto 2009 
36
 “The Impact of Tellurium Supply on Cadmium Telluride Photovoltaics”; Ken Zweibel; Science Vol. 328, 7 May, 2010 
Fig.8 - Albero filogenetico del gruppo Bacteria.