Synthesis and characterization of new hybrid materials based on metal nanoparticles for sers detection

Resumen

La investigación descrita en esta tesis doctoral se centra en el diseño y fabricación de distintas nanoestructuras plasmónicas híbridas para su aplicación como sensores basados en la espectroscopía SERS en diferentes escenarios: detección directa de hidrocarburos policíclicos aromáticos mediante la combinación de NPs de oro con macrociclos (coloides o plataformas nanoestructuradas), el análisis de la comunicación mediante quorum sensing entre colonias bacterianas y la identificación indirecta de dos líneas celulares mediante la detección de receptores celulares de membrana. Por tanto, el principal objetivo de esta tesis es explorar el gran potencial de la técnica de espectroscopía SERS en un amplio rango de escenarios. Estas investigaciones se realizaron en el Grupo de Química Coloidal de la Universidade de Vigo, el cual tiene una larga tradición en la síntesis de NPs metálicas con composición, tamaño y forma controladas, y que en estos últimos años se ha centrado en la investigación de las posibles aplicaciones de estas nanoestructuras plasmónicas en diversos campos como catálisis, detección o diagnóstico. Para ello la tesis se ha organizado en seis capítulos. El Capítulo 1 recoge una introducción general acerca de las NPs esféricas de oro, las espectroscopías de dispersión Raman y SERS, macrociclos y quorum sensing. El objetivo de este capítulo es proporcionar los conocimientos básicos al lector necesarios para entender el trabajo presentado en los subsecuentes capítulos. En el Capítulo 2 se hace una revisión bibliográfica de los trabajos donde se combinan NPs metálicas y las diferentes familias de macrociclos (ciclodextrinas, cucurbiturilos, calixarenos y pilararenos). Se ha centrado la revisión en publicaciones relevantes sobre síntesis de NPs metálicas con macrociclos, actuando estos ya sea como agentes estabilizantes y/o agentes reductores, y la fmodificación post-sintética de las NPs metálicas con macrociclos. Además también se muestran las diferentes estrategias de la química supramolecular para el ensamblaje controlado de NPs metálicas y la formación de estructuras poliméricas. Este capítulo finaliza mostrando las diferentes aplicaciones de estos materiales híbridos en diversos campos de investigación. Los Capítulos 3 y 4 están dedicados a la fabricación de sustratos SERS híbridos basados en la combinación de un macrociclo (pilar[5]areno) con NPs esféricas de oro con el fin de combinar las capacidades host-guest del macrociclo y las propiedades ópticas de las NPs. Más concretamente, el Capítulo 3 describe la síntesis de NPs de oro cuasi-esféricas estabilizadas con pilar[5]areno en un rango amplio de tamaños mediante una metodología de crecimiento sucesivo de semillas. Aquí se analizan los efectos sinérgicos de la combinación de la química supramolecular y las NPs metálicas mediante la detección SERS en agua de ácido 2 naftoico y un hidrocarburo aromático policíclico, pireno. Un sustrato plasmónico alternativo para la fabricación de un sensor basado en SERS usando los componentes mencionados anteriormente (NPs de oro esféricas y pilar[5]areno) se describe en el Capítulo 4. La plataforma se fabrica mediante un proceso de ensamblaje capa por capa, mediado por química supramolecular, donde se alterna la deposición de NPs de oro y moléculas de pilar[5]areno sobre vidrio. La respuesta SERS de estos sistemas es analizada, tanto teórica como experimentalmente, en función del número de ciclos de deposición y de la línea láser de excitación. Además, se analiza sus capacidades sensores mediante la detección individual y múltiple de tres diferentes hidrocarburos aromáticos policíclicos (pireno, nitropireno y antraceno), en tanto en fase líquida como en fase gas. El Capítulo 5 se dedica al análisis mediante SERS de la comunicación bacteriana (quorum sensing). La detección simultánea de dos moléculas relacionadas con QS, piocianina y violaceina, producidas por dos colonias bacterianas (Pseudomonas aeruginosa y Chromobacterium violaceum, respectivamente), se lleva a cabo en sustratos plasmónicos basados en agar. Adicionalmente la combinación de SERS con la expresión genética nos permite elucidar las interacciones químicas que ocurren entre estas dos especies bacterianas. El capítulo 6 trata sobre del diseño de NPs codificadas para SERS (o SERS tags) que consisten en octaedros de oro, como núcleo, recubiertos de una capa protectora de poli(N-isopropilacrilamida) (pNIPAM), codificadas con diferentes moléculas activas en Raman y bioconjugadas con diferentes anticuerpos. Además se presenta el uso de estas partículas codificas para la detección múltiple basada en SERS de tres receptores celulares de membrana asociados a células tumorales, lo que nos permite discriminar entre dos tipos celulares, la línea celular tumoral A431 y la no tumoral 3T3 2.2.