Síntesis y solubilización de Quantum Dotssu aplicación al desarrollo de sensores químicos fotoluminiscentes

Resumen

Los Quantum Dots (QDs) son nanopartículas semiconductoras coloidales que poseen todas sus dimensiones en la escala nanométrica. Estos nanocristales semiconductores presentan una forma aproximadamente esférica (diámetros 1 a 12 nm), están formados por elementos de los grupos II-VI, III-V o IV-VI y poseen entre cientos y miles de átomos rodeados de una capa exterior de moléculas de ligandos. Sus reducidas dimensiones hacen que este tipo de nanomaterial presente unas propiedades optoelectrónicas especiales, de gran interés en el desarrollo de nuevos optosensores químicos y sistemas luminiscentes de análisis. Para obtener este tipo de nanopartículas con una calidad adecuada habitualmente se recurre a la síntesis coloidal a elevadas temperaturas, la cual permite un mejor control sobre el tamaño final de las nanopartículas sintetizadas. Sin embargo, este tipo de procedimientos proporcionan QDs dispersos en medio orgánico (hidrófobos), por lo que un paso previo al empleo de los QDs en cualquier aplicación bioanalítica precisa hacer solubles estas nanopartículas en medio acuoso. En este contexto, la presente Tesis Doctoral se centró en la síntesis, modificación superficial e inmovilización, caracterización y evaluación de las propiedades de los Quantum Dots de CdSe y CdSe/ZnS para su aplicación como indicadores luminiscentes en el desarrollo de sensores ópticos. En primer lugar se procedió a la síntesis de QDs de CdSe y CdSe/ZnS para posteriormente evaluar comparativamente dos métodos de modificación superficial (intercambio de ligando y encapsulación dentro de un polímero anfifílico). Se estudiaron comparativamente estas dos vías de solubilización empleando distintas muestras de QDs solubilizadas en medio acuosos, y registrándose los datos relativos a la estabilidad de la señal fotoluminiscente en distintos medios y a diferentes pHs. Adicionalmente se empleó la técnica de AFFF (Asymetrical Flow Field Flow Fractionation) como herramienta complementaria para la caracterización del tamaño hidrodinámico de los quantum dots ya modificados para ser solubles en medio acuoso. Por otro lado, diversos investigadores han observado un incremento progresivo en la intensidad de emisión luminiscente procedente de los QDs cuando estos están sometidos a un proceso de irradiación continua. A este fenómeno se lo conoce habitualmente como fotoactivación. Por tanto, para profundizar en la caracterización de los QDs se diseño un ensayo para evaluar la influencia del proceso de fotoactivación sobre QDs dispersos en distintos medios y con distintas modificaciones superficiales. De este modo se llevaron a cabo distintos ensayos para tratar de elucidar el principal mecanismo implicado en el proceso. Posteriormente, la Tesis Doctoral se orientó hacia la búsqueda de un soporte sólido para la inmovilización de los QDs como indicadores luminiscente en el desarrollo de nuevas fases sensoras. La principal dificultad de esta tarea radica en la necesidad de mantener las propiedades optoelectrónicas de las nanopartículas durante el proceso de inmovilización. Se seleccionó como potencial plataforma para este tipo de desarrollos los soportes inorgánicos tipo ¿sol-gel¿ .En este contexto, las nanopartículas semiconductoras se incorporaron a la matriz durante el proceso de síntesis y polimerización de los sol-geles. Se evaluó la viabilidad de los distintos soportes sólidos sintetizados variando distintos parámetros, y seleccionando finalmente el material sol-gel que no modifica sustancialmente las propiedades luminiscentes de las nanopartículas tras el proceso de inmovilización. Una vez seleccionado el soporte adecuado se procedió a su empleo como plataforma para el desarrollo de fases sensoras basadas en el fenómeno de transferencia de energía o bien de interacción directa con el analito. El empleo de la transferencia de energía en el desarrollo de nuevos métodos luminiscentes se utiliza con el objeto de ampliar el campo de aplicación de los sensores ópticos para el análisis de especies no fotoluminiscentes. En una primera etapa se seleccionó un indicador sensible al pH como aceptor (los QDs actúan como donadores) co-inmovilizado en el interior de la matriz con las nanopartículas para el desarrollo de un sensor basado en un mecanismo de fluorescencia con transferencia de energía. En una aplicación posterior el material sol-gel dopado únicamente con QDs se empleó como fase sensora luminiscente para el desarrollo de un sensor de vapores orgánicos utilizando herramientas quimiométricas para el control de datos. Finalmente se profundizó en el empleo de los QDs como donadores en un proceso de fluorescencia con transferencia de energía (FRET). Se evaluó la posibilidad de integrar un aceptor en las proximidades de la superficie del QD con objeto de favorecer el proceso de transferencia de energía. Se persiguió desarrollar una estrategia general para la incorporación de cualquier aceptor dentro de la estructura del polímero anfifílico durante el proceso de recubrimiento/encapsulación de los QDs (donador) para su solubilización en medio acuoso. En este caso se optó por evaluar como especies ¿modelo¿ dos aceptores distintos: uno de ellos presentaba variaciones en su espectro de absorbancia en presencia de concentraciones de calcio crecientes en el medio, mientras que el segundo aceptor evaluado modificaba su emisión de fluorescencia por la presencia de calcio.