Resumen de Contribuciones al desarrollo de los carbon (quantum) dots como sensores fluorescentes
RESUMEN DE LA TESIS DOCTORAL DE D./Dª Angelina Cayuela Marín 1. Introducción o motivación de la tesis La Nanotecnología ha revolucionado el mundo científico en los últimos años y su incorporación a la Química Analítica ha permitido el desarrollo y la mejora de sistemas/técnicas para la determinación, separación y caracterización de analitos a concentraciones mucho más bajas.
Especial interés han tenido los sensores basados en el empleo de nanopartículas fluorescentes; siendo los puntos cuánticos semiconductores los más utilizados hasta que su posible toxicidad por presentar elementos pesados empezó a preocupar a la comunidad científica. Por ello, fue necesario el desarrollo de nuevas alternativas. En este contexto nacen en 2004 los puntos (cuánticos) de carbono [1], los cuáles en poco tiempo se han convertido una buena alternativa de los puntos cuánticos semiconductores por presentar una elevada solubilidad en agua, fluorescencia, baja toxicidad y elevada biocompatibilidad.
Los puntos (cuánticos) de carbono son nanoestructuras esféricas de tamaño nanométrico, generalmente entorno a 3 nanómetros de diámetro, que presentan propiedades fluorescentes características dependiendo de la estructura del núcleo [2]. Se pueden sintetizar siguiendo dos metodologías distintas, conocidas como “bottom-up” y “top-down”. La primera se basa en el autoensamblado de moléculas más pequeñas para dar lugar a estructuras de mayor tamaño como son los nanopuntos de carbono (CNDs), mientras que la metodología “top-down” consiste en la obtención de puntos cuánticos de carbono (CQDs) a partir de sistemas de mayor tamaño, como son los nanotubos de carbono. Los CQDs pueden modificarse superficialmente a través de etapas adicionales, tales como la pasivación o funcionalización de su superficie. La etapa de pasivación permite la activación de la fluorescencia mientras que la etapa de funcionalización se emplea para conferirles reactividad química específica. Pocas aplicaciones han sido desarrolladas hasta el momento para los puntos (cuánticos) de carbono siendo muy usados como nano-herramientas fluorescentes para la determinación de una gran variedad de analitos diana [3].
La Nanotecnología ha mejorado considerablemente nuestras vidas, pero si bien es cierto que el extenso uso de los nanomateriales en multitud de productos comerciales está alertando a la comunidad científica por su posible liberación al medio ambiente, lo que puede dar lugar a futuros problemas medioambientales y de salud pública [4]. Por este motivo, es necesario el desarrollo de nuevos métodos analíticos para la determinación de nanopartículas en diversas matrices.
El principal objetivo de la investigación llevada a cabo durante la tesis doctoral ha sido la síntesis y caracterización de diferentes puntos (cuánticos) de carbono así como el desarrollo de métodos analíticos para la determinación de una gran variedad de analitos (moléculas orgánicas, nanopartículas e iones) en diferentes medios.
2. Contenido de la investigación Durante el desarrollo experimental de la presente tesis doctoral, los puntos (cuánticos) de carbono han sido obtenidos a partir de las dos metodologías de síntesis. En el caso de “bottom-up” se utilizó etilenglicol, glicerina, celulosa microcristalina y un polímero orgánico como precursores para la obtención de CNDs; mientras que nanotubos de carbono y fullereno fueron usados como precursores de CQDs siguiendo la metodología “top-down”. Los CQDs obtenidos a partir de nanotubos de carbono de pared múltiple fueron pasivados con acetona para incrementar su fluorescencia y posteriormente funcionalizados con aminas y ciclodextrinas para incrementar su reactividad frente a otros nanopartículas.
Todos los puntos (cuánticos) de carbono obtenidos son fluorescentes y fueron caracterizados por diversas técnicas tanto espectroscópicas (ultravioleta-visible, infrarrojo) como microscópicas (microscopias electrónica de barrido y transmisión).
Una vez caracterizados, se procedió a la formación de geles fluorescentes basados en puntos (cuánticos) de carbono empleando una molécula derivada de urea como gelador [5]. Se observó como la intensidad de la fluorescencia del gel era muy superior a la de los puntos (cuánticos) de carbono en disolución. Además, se comprobó como la presencia de los puntos (cuánticos) de carbono fue crucial para la formación de los geles en agua a diferencia del gelador mismo que únicamente formaba geles en medios orgánicos.
Se desarrollaron nuevas metodologías analíticas basadas en el empleo de puntos (cuánticos) de carbono como herramienta analítica, enmarcada en dos facetas distintas de la Nanociencia y Nanotecnología Analíticas [6]. En primer lugar, se usaron estas nanoestructuras como sensor fluorescente en diferentes medios (orgánico, acuoso y gel) para la determinación de moléculas orgánicas e iones [7-9]. En segundo lugar, también fueron usados para la determinación de otras nanopartículas, faceta conocida como la Tercera Vía de la Nanociencia y Nanotecnología Analíticas [10], que consiste en el uso simultáneo de los nanomateriales como el analito y como la herramienta analítica. Por ello, se ha propuesto el uso de puntos (cuánticos) de carbono como herramienta para la determinación directa de nanopartículas de carbono [11-12] y metálicas [13-14].
3. Conclusión Los objetivos iniciales de la presente tesis doctoral se han llevado a cabo satisfactoriamente. Además se ha profundizado en el conocimiento de los nanomateriales; en cuanto a su síntesis y caracterización así como en sus propiedades fluorescentes. Para ello, se ha culminado el aprendizaje de diferentes equipos y técnicas instrumentales. Destacar la preparación de nuevos geles fluorescentes basados en la combinación de puntos (cuánticos) de carbono y derivados de urea como gelador, no descrita hasta la fecha.
En la etapa experimental, se han propuesto diferentes procedimientos analíticos para la detección de una amplia variedad de analitos; todos ellos teniendo en común el uso de los puntos (cuánticos) de carbono como nano-herramienta fluorescente. Estos métodos han sido a su vez aplicados a una gran variedad de muestras de naturaleza compleja, tanto ambientales como productos comerciales.
