Diseño de un sistema híbrido nanoparticula semiconductora-pireno y su aplicación como sensor

Resumen

Esta investigación se centró en el desarrollo de un sistema híbrido organico-inorganico, con múltiples señales emisivas a distintas longitudes de onda, y su evaluación como herramienta analítica selectiva y de cuantificación de nitrocompuestos aromáticos. El sistema híbrido consistió por una parte, en nanopartículas semiconductoras específicamente se utilizó nanocristales de tipo CdSe (core) y CdSe/ZnS (core shell). Estos nanohíbridos se eligieron por su potencial aplicación como sensores. El componente orgánico consistió en ligandos funcionales que presentan un fluoróforo específicamente de pireno (Py). Este fluoróforo fue elegido, por su buena fotoestabilidad y la sensibilidad de sus propiedades luminiscentes al entorno. El pireno tiene una emisión bien resuelta en la zona de 340-420 nm que corresponde al monómero. A concentraciones del orden mili-molar se observa la formación del excímero, cuyo máximo de emisión se encuentra a 470 nm. Con el propósito de garantizar una buena estabilidad y pasivación de las nanopartículas se utilizó un ligando con un grupo anclante de tipo tiol espeficicamente [11-mercaptoundecanoato de 4-(pirenil-1-il) butilo], el grupo tiol es muy afín a la superficie de los QD. El otro extremo de la cadena alquílica del ligando presenta la unidad de pireno. En el capítulo 3.1 de esta tesis, se presenta la funcionalización de la superficie de las nanopartículas del tipo core (CdSe) con pireno como ligando (QD@Py). Se demuestra que la elevada área superficial relativa (superficie/volumen) de la nanopartícula permite alojar eficazmente una gran cantidad de estos ligandos, y por lo tanto una alta concentración local del pireno. Los análisis por espectroscopia de absorción y resonancia magnética nuclear evidenciaron que el pireno se encontraba unido a la superficie de la nanopartícula, presentando las bandas de absorción correspondientes del pireno sobre 300-380 nm. Las imágenes de microscopia electrónica de transmisión de alta resolución corroboraron los tamaños y la homogeneidad de la muestra (nanopartículas de 2,4±0,4 nm). La funcionalización de este tipo de nanopartículas, con el tiol, produjo una fuerte desactivación de la emisión de la fluorescencia de la nanopartícula. Las medidas de la fluorescencia en estado estacionario y resueltas en el tiempo, demostraron formación de las dos especies emisivas del pireno (monómero y el excímero), que confirma una alta concentración local de pireno en la periferia de la nanopartícula. El tiempo de vida de fluorescencia para el monómero mostró una cinética de decaimiento radiativo biexponencial con tiempos de vida de 10 ns (62%) y 108 ns (38%), mientras que para la señal del excímero mostró una sola componente de 57 ns (100%). La capacidad del QD@Py como sensor fué analizada utilizando una variedad de compuestos nitroaromáticos como analitos: nitroanilinas [3-nitroanilina (3-NA) y 4-nitroanilina (4-NA)] y nitrobencenos [nitrobenceno (NB), 4-nitrotolueno (4-NT), 2,4-dinitrotolueno (2,4-DNT), 2,6-dinitrotolueno (2,6-DNT)]. Las intensidades de fluorescencia del monómero y el excímero de QD@Py se desactivan con concentraciones crecientes de todos los analitos y, con la excepción de la 4-NA, se ajustan a la ecuación de Stern-Volmer. La desactivación de la emisión del excímero no fue sensible a la desactivación del monómero, mostrando ser un canal independiente. Por otra parte la capacidad del sistema hibrido QD@Py para encapsular a los analitos dependiendo de su naturaleza, juega un papel clave en la sensibilidad de los calaes por el analito. En el capítulo 3-2 se realizó un estudio sistemático sobre las diferentes interacciones fotofísicas entre el pireno, 1-metilpireno y nitroanilias (2-, 3-, y 4-NA), metilnitroanilinas (4-metil-3-nitroanilina, 4-M-3-NA y 2-metil-4-nitroanilina, 2-M-4-NA) y una dinitroanilina (4-metil-3,5-dinitroanilina, 4-M-3,5-DNA) en los disolventes tolueno y 1,4-dioxano. Los gráficos de la dependencia de la emisión del pireno con la concentración del analito demostraron que las nitroalinas son fuertes desactivadores de la emisión de fluorescencia del pireno y 1-metilpireno. Se encontró que las desactivaciones de la fluorescencia del pireno por la 2-, y 4-NA, presentan desviación de la linealidad. La dependencia de la fluorescencia del pireno con la concentración de analito se ajusta al modelo “esfera de acción”, que tiene en consideración la formación de un complejo pireno--analito. Además, se halló variaciones en las bandas de emisión del pireno al incrementar las cantidades de 4-NA y 2-M-4NA, demostrando un cambio en el entorno local del fluoróforo. Se demuestra la formación de un complejo en estado fundamental Py--4-NA y Py--2-NA. En la mezcla pireno--3-NA se apreció la formación de un exciplejo 1Py--NA emisivo. Los espectros de absorción resueltos en el tiempo demuestran que la concentración de triplete (3Py) formado no se ve afectado por la presencia de las NAs. Teniendo en cuenta la eficiencia de estos analitos como desactivadores del estado excitado singlete (1Py), estos datos indican la formación de exciplejos (1Py—NA) que se desactivan dando lugar a la formación del 3Py. En el capítulo 3-3, se presenta la funcionalización de nanopartículas comerciales de tipo core-shell CS CdSe/ZnS, con un diámetro 8.8±1.6 nm y emisión en 640 nm con el ligando [11-mercaptoundecanoato de 4-(pirenil-1-il) butilo]. Los espectros de emisión de CS@Py evidenciaron la emisión del monómero (370-390 nm), y excímero (480 nm) del pireno, así como del CS a 640 nm. Los estudios de fluorescencia resueltos en el tiempo mostraron que las cinéticas de decaimiento de la fluorescencia del pireno son similares al sistema QD@Py, con valores de tiempo de vida para el monómero de 15,9 ns (64,0%) y 87,4 ns (35,9%), y de 53,3 ns (100%) para el excímero. La emisión de la nanopartícula presento un tiempo promedio de 38,4 ns. En este capítulo, se presenta la desactivación de la fluorescencia de los tres canales emisivos del (CS@Py) por los nitrocompuestos: [nitrobenceno (NB), 2-nitrotolueno (2-NT), 3-nitrotolueno (3-NT), 4-nitrotolueno (4-NT), 2,4-dinitrotolueno (2,4-DNT), 2,6-dinitrotolueno (2,6-DNT), 2,4,6-trinitrotolueno (TNT). Se observa dependencia lineal de la intensidad de fluorescencia de los canales en función de las concentraciones de todos los nitrocompuestos. Para todos los nitrocompuestos, las constantes de desactivación Ksv y Kd de las especies emisivas del pireno son similares, lo que evidenció desactivación predominantemente dinámica. Sin embargo, en la nanopartícula el mecanismo es predominantemente estático. La eficiencia en la desactivación de la fluorescencia depende del nitrocompuesto analizado, siendo mejor para el 2,6-DNT y TNT. Los valores del límite de detección (LOD), y del límite de cuantificación (LOQ), se encuentran por debajo de 0,13 ppm y 0,42 ppm respectivamente. Esto demuestra la alta sensibilidad del sistema hacia los analitos e indica que pueden detectarse a nivel de trazas. Finalmente, se realizó la cuantificación del TNT en mezclas binarias y ternarias, de nitrocompuestos específicamente, TNT:NB, TNT:3-NT, y TNT:NB:3-NT. En todos los casos se obtienen buenos resultados de cuantificación para el TNT, teniendo en cuenta la analogía estructural con los otros nitrocompuestos. Esta investigación se centró en el desarrollo de un sistema híbrido organico-inorganico, con múltiples señales emisivas a distintas longitudes de onda, y su evaluación como herramienta analítica selectiva y de cuantificación de nitrocompuestos aromáticos. El sistema híbrido consistió por una parte, en nanopartículas semiconductoras específicamente se utilizó nanocristales de tipo CdSe (core) y CdSe/ZnS (core shell). Estos nanohíbridos se eligieron por su potencial aplicación como sensores. El componente orgánico consistió en ligandos funcionales que presentan un fluoróforo específicamente de pireno (Py). Este fluoróforo fue elegido, por su buena fotoestabilidad y la sensibilidad de sus propiedades luminiscentes al entorno. El pireno tiene una emisión bien resuelta en la zona de 340-420 nm que corresponde al monómero. A concentraciones del orden mili-molar se observa la formación del excímero, cuyo máximo de emisión se encuentra a 470 nm. Con el propósito de garantizar una buena estabilidad y pasivación de las nanopartículas se utilizó un ligando con un grupo anclante de tipo tiol espeficicamente [11-mercaptoundecanoato de 4-(pirenil-1-il) butilo], el grupo tiol es muy afín a la superficie de los QD. El otro extremo de la cadena alquílica del ligando presenta la unidad de pireno. En el capítulo 3.1 de esta tesis, se presenta la funcionalización de la superficie de las nanopartículas del tipo core (CdSe) con pireno como ligando (QD@Py). Se demuestra que la elevada área superficial relativa (superficie/volumen) de la nanopartícula permite alojar eficazmente una gran cantidad de estos ligandos, y por lo tanto una alta concentración local del pireno. Los análisis por espectroscopia de absorción y resonancia magnética nuclear evidenciaron que el pireno se encontraba unido a la superficie de la nanopartícula, presentando las bandas de absorción correspondientes del pireno sobre 300-380 nm. Las imágenes de microscopia electrónica de transmisión de alta resolución corroboraron los tamaños y la homogeneidad de la muestra (nanopartículas de 2,4±0,4 nm). La funcionalización de este tipo de nanopartículas, con el tiol, produjo una fuerte desactivación de la emisión de la fluorescencia de la nanopartícula. Las medidas de la fluorescencia en estado estacionario y resueltas en el tiempo, demostraron formación de las dos especies emisivas del pireno (monómero y el excímero), que confirma una alta concentración local de pireno en la periferia de la nanopartícula. El tiempo de vida de fluorescencia para el monómero mostró una cinética de decaimiento radiativo biexponencial con tiempos de vida de 10 ns (62%) y 108 ns (38%), mientras que para la señal del excímero mostró una sola componente de 57 ns (100%). La capacidad del QD@Py como sensor fué analizada utilizando una variedad de compuestos nitroaromáticos como analitos: nitroanilinas [3-nitroanilina (3-NA) y 4-nitroanilina (4-NA)] y nitrobencenos [nitrobenceno (NB), 4-nitrotolueno (4-NT), 2,4-dinitrotolueno (2,4-DNT), 2,6-dinitrotolueno (2,6-DNT)]. Las intensidades de fluorescencia del monómero y el excímero de QD@Py se desactivan con concentraciones crecientes de todos los analitos y, con la excepción de la 4-NA, se ajustan a la ecuación de Stern-Volmer. La desactivación de la emisión del excímero no fue sensible a la desactivación del monómero, mostrando ser un canal independiente. Por otra parte la capacidad del sistema hibrido QD@Py para encapsular a los analitos dependiendo de su naturaleza, juega un papel clave en la sensibilidad de los calaes por el analito. En el capítulo 3-2 se realizó un estudio sistemático sobre las diferentes interacciones fotofísicas entre el pireno, 1-metilpireno y nitroanilias (2-, 3-, y 4-NA), metilnitroanilinas (4-metil-3-nitroanilina, 4-M-3-NA y 2-metil-4-nitroanilina, 2-M-4-NA) y una dinitroanilina (4-metil-3,5-dinitroanilina, 4-M-3,5-DNA) en los disolventes tolueno y 1,4-dioxano. Los gráficos de la dependencia de la emisión del pireno con la concentración del analito demostraron que las nitroalinas son fuertes desactivadores de la emisión de fluorescencia del pireno y 1-metilpireno. Se encontró que las desactivaciones de la fluorescencia del pireno por la 2-, y 4-NA, presentan desviación de la linealidad. La dependencia de la fluorescencia del pireno con la concentración de analito se ajusta al modelo “esfera de acción”, que tiene en consideración la formación de un complejo pireno--analito. Además, se halló variaciones en las bandas de emisión del pireno al incrementar las cantidades de 4-NA y 2-M-4NA, demostrando un cambio en el entorno local del fluoróforo. Se demuestra la formación de un complejo en estado fundamental Py--4-NA y Py--2-NA. En la mezcla pireno--3-NA se apreció la formación de un exciplejo 1Py--NA emisivo. Los espectros de absorción resueltos en el tiempo demuestran que la concentración de triplete (3Py) formado no se ve afectado por la presencia de las NAs. Teniendo en cuenta la eficiencia de estos analitos como desactivadores del estado excitado singlete (1Py), estos datos indican la formación de exciplejos (1Py—NA) que se desactivan dando lugar a la formación del 3Py. En el capítulo 3-3, se presenta la funcionalización de nanopartículas comerciales de tipo core-shell CS CdSe/ZnS, con un diámetro 8.8±1.6 nm y emisión en 640 nm con el ligando [11-mercaptoundecanoato de 4-(pirenil-1-il) butilo]. Los espectros de emisión de CS@Py evidenciaron la emisión del monómero (370-390 nm), y excímero (480 nm) del pireno, así como del CS a 640 nm. Los estudios de fluorescencia resueltos en el tiempo mostraron que las cinéticas de decaimiento de la fluorescencia del pireno son similares al sistema QD@Py, con valores de tiempo de vida para el monómero de 15,9 ns (64,0%) y 87,4 ns (35,9%), y de 53,3 ns (100%) para el excímero. La emisión de la nanopartícula presento un tiempo promedio de 38,4 ns. En este capítulo, se presenta la desactivación de la fluorescencia de los tres canales emisivos del (CS@Py) por los nitrocompuestos: [nitrobenceno (NB), 2-nitrotolueno (2-NT), 3-nitrotolueno (3-NT), 4-nitrotolueno (4-NT), 2,4-dinitrotolueno (2,4-DNT), 2,6-dinitrotolueno (2,6-DNT), 2,4,6-trinitrotolueno (TNT). Se observa dependencia lineal de la intensidad de fluorescencia de los canales en función de las concentraciones de todos los nitrocompuestos. Para todos los nitrocompuestos, las constantes de desactivación Ksv y Kd de las especies emisivas del pireno son similares, lo que evidenció desactivación predominantemente dinámica. Sin embargo, en la nanopartícula el mecanismo es predominantemente estático. La eficiencia en la desactivación de la fluorescencia depende del nitrocompuesto analizado, siendo mejor para el 2,6-DNT y TNT. Los valores del límite de detección (LOD), y del límite de cuantificación (LOQ), se encuentran por debajo de 0,13 ppm y 0,42 ppm respectivamente. Esto demuestra la alta sensibilidad del sistema hacia los analitos e indica que pueden detectarse a nivel de trazas. Finalmente, se realizó la cuantificación del TNT en mezclas binarias y ternarias, de nitrocompuestos específicamente, TNT:NB, TNT:3-NT, y TNT:NB:3-NT. En todos los casos se obtienen buenos resultados de cuantificación para el TNT, teniendo en cuenta la analogía estructural con los otros nitrocompuestos.