Nanomaterials and micromotors: novel tools for the design and development of (bio)-detection and chemical processes
- Autores: Diana Vilela
- Directores de la Tesis: Alberto Escarpa Miguel (dir. tes.), María Cristina González Martín (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2014
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Pingarrón Carrazón (presid.), Mercedes Torre Roldán (secret.), Andrew J. DeMello (voc.), Mercedes Gallego Fernández (voc.), Manuel Chicharro (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO
- Resumen
- español
El importante desarrollo de la nanotecnología en la última década ha permitido el descubrimiento, síntesis y aplicaciones de nuevos materiales a nivel de la micro y nanoescala, abriendo nuevas oportunidades en el desarrollo de la investigación tanto en la Química, en general, como en la Química Analítica, en particular.
En esta Tesis Doctoral, diferentes nanomateriales, tales como nanopartículas de oro (AuNPs) y nanotubos de carbono de pared sencilla (SWCNTs) así como nuevas microestructuras basadas en el movimiento autónomo, –micromotores–, han sido empleados como nuevas herramientas químico-analíticas, tanto para el desarrollo y mejora de nuevos procesos de (bio)-detección como para el desarrollo y mejora de procesos químicos, aprovechando las propiedades y características inherentes que nos ofrecen estos nanomateriales y microestructuras, generalmente relacionadas con su elevada área superficial.
En primer lugar, como resulta bien conocido, las AuNPs exhiben una fuerte resonancia del plasmón superficial localizado (LSPR), lo que hace de las mismas, herramientas ideales para ser utilizadas en el desarrollo de métodos de análisis colorimétricos, sencillos y económicos, debido a las ventajas propias que presenta una detección visual.
En segundo lugar, los SWCNTs mejoran el sensado electroquímico debido a que permiten aumentar las corrientes voltamperométricas y las velocidades de transferencia electrónica, el ensuciamiento de la superficie de los electrodos es insignificante y exhiben electrocatálisis hacia la oxidación/reducción de una amplia variedad de moléculas.
En tercer lugar, los micro y nanomotores son máquinas moleculares en la micro y nano escala, cuya característica reveladora es la capacidad de convertir la energía en movimiento autónomo el cual puede ser estratégicamente empleado para llevar a cabo diferentes etapas del proceso analítico, tales como preconcentración o detección multiplexada. Otra característica importante de los micromotores es que su superficie puede ser adecuadamente funcionalizada con diferentes tipos de biomoléculas (p.e. enzimas o anticuerpos) lo que amplía notablemente las aplicaciones de estas microestructuras.
Por otra parte, los sistemas microfluídicos y las tecnologías de lab-on-a-chip (LOC) ofrecen excelentes oportunidades para mejorar el comportamiento analítico no sólo porque permiten reducir drásticamente los tiempos de análisis, el consumo de muestra y de reactivos y la generación de residuos, sino porque además permiten la posibilidad de desarrollar estrategias para ensayos de point-of-care debido a su portabilidad. Además, en los sistemas microfluídicos, la detección electroquímica es una herramienta muy valiosa debido a su inherente miniaturización, elevada sensibilidad y su compatibilidad con las micro y nanotecnologías. Debido a que los volúmenes de muestra introducidos en los sistemas microfluídicos-LOC son extremadamente pequeños, la sensibilidad es frecuentemente baja convirtiéndose en uno de los inconvenientes más importantes de estos sistemas. Sin embargo, la sensibilidad puede ser mejorada mediante la explotación de las características superficiales de los nanomateriales, por lo que la incorporación de los mismos en la detección electroquímica en sistemas microfluidicos-LOC resulta muy pertinente. Además, por su parte, el empleo de micromotores confinados en sistemas microfluidicos-LOC ofrece oportunidades extraordinarias, tales como el desarrollo de LOC de nueva generación que permitan trabajar en ausencia de flujos pudiéndose llevar a cabo los procesos químico-analíticos a través el movimiento autónomo del micromotor y, evitando así, la instrumentación requerida (p.e. bombas o fuentes de alto voltaje).
Por todo ello, el empleo estratégico y creativo de nanomateriales y micromotores como nuevas herramientas para el diseño, desarrollo y aplicaciones de procesos químico-analíticos, ha constituido la principal motivación de esta Tesis Doctoral.
La Tesis Doctoral presentada tiene dos objetivos claramente diferenciados:
El primer objetivo ha sido la síntesis y caracterización de nanomateriales 0-D (AuNPs) y 1- D (SWCNTs) para ser utilizados en dos aplicaciones analíticas perfectamente diferenciadas. En la primera de ellas, las AuNPs fueron estudiadas en profundidad como nuevas herramientas para la evaluación de la capacidad antioxidante en muestras de alimentos. En la segunda, los SWCNTs, fueron exhaustivamente estudiados tanto como transductores de alta pureza como transductores exclusivos para el sensado electroquímico en sistemas microfluídicos-LOC.
El segundo objetivo ha sido el diseño, la síntesis, la caracterización y el desarrollo de motores y micromotores para su aplicación en procesos químicos-analíticos: en el campo medioambiental, para mejorar la eficiencia en procesos químicos relacionados con la descontaminación de aguas y el tratamiento de aguas industriales y, en el campo del biosensado, para llevar a cabo la inmunodetección multiplexada de proteínas tóxicas.
- English
Over the last decade nanotechnology has been developed substantially allowing the discovery, synthesis and applications of new materials at the micro and nanoscale which has opened new opportunities for the development of creative research in both chemistry and analytical chemistry.
In this Doctoral Thesis, different nanomaterials, such as gold nanoparticles (AuNPs) and single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) as well as micromotors, have been employed as new tools for the development of (bio)-detection and chemical processes taking into account their unique properties and characteristics.
Firstly, AuNPs exhibit a strong localized surface plasmon resonance (LSPR) which makes them an ideal tool for their use in fast and inexpensive colorimetric methods. Secondly, SWCNTs specifically enhance the electrochemical sensing because they permit to increase voltammetric currents and heterogeneous electron-transfer rates, the surface fouling of nanomaterial-based electrodes is insignificant and there is an apparent electrocatalysis towards the oxidation/reduction of a wide variety of compounds. Thus, this specific nanomaterial features allow to expect an improved analytical performance in terms of sensitivity, reproducibility and even selectivity.
Thirdly, micro and nanomotors are devices in the micro and nano scales capable of converting energy into movement and forces. The energy source is closely related to the microstructure shape, actually both shape and propulsion systems are connected. A remarkable feature of these micromotors is their autonomous movement which can improve different steps of the analytical process, such as sample enrichment or (multiplexed)-detection. Another important characteristic of these micromotors is their tunable surface through different functionalization which can be used in many applications involving different kind of biomolecules, such as, enzymes or antibodies.
Thus, the overall nanomaterial and micromotors features allow to expect an improved performance in the developments of (bio)-detection and chemical processes. On the other hand, microfluidic systems and lab-on-a-chip (LOC) technologies offer excellent opportunities to improve the analytical performance by reducing of the analysis time, decreasing extremely the consumption of sample and reagents with negligible waste generation, integrating multiplexing analysis, and especially portability to provide the possibility of development of point-of-care testing approach. In addition, in microfluidic-LOC systems, electrochemistry is a valuable detection mode that provides high sensitivity, allows miniaturization, and it is highly compatible with micro and nanotechnologies. Nevertheless, because of the extremely low sample volumes introduced into microfluidic-LOC systems, their sensitivity is often low and presents a drawback; however the sensitivity can be enhanced and the problem overcome by exploiting the surface characteristics of nanomaterials. As consequence, the microfluidic-LOC systems coupling to nanomaterials used as detectors become very pertinent. Also, the employment of micromotors in confined microfluidic-LOC systems offers extraordinary promises such as the development of future free-fluidic pumping LOCs and avoids their derived instrumentation (i.e. pumps or high voltage suppliers) supporting the new (bio)-sensing in the micromotor autonomous guided movement. Therefore, the creative use of nanomaterials and their related assembling structures as well as micromotors as innovative tools for sensing, biosensing and improvement of efficiency and performance of chemical and analytical processes have constituted the main motivation of this Doctoral Thesis.
Accordingly, this Doctoral Thesis has two well-defined objectives:
The first objective has been the synthesis and characterization of well-established nanomateriales in both 0-D (AuNPs) and 1-D (SWCNTs) for two well-separated and defined analytical applications. In the first one, AuNPs have been extensively studied as novel tools for the assessment of antioxidant activity in food samples. In order to exploit the expected advantages of the SWCNTs, in the second one, these carbon nanomaterials were exhaustively characterized and studied taking into account the influence of their purity as well as their behavior as exclusive transducers for electrochemical sensing in microfluidics-LOC systems.
The second objective has been the design, synthesis, characterization and development of motors and micromotors for enhancing chemical and sensing processes: in the environmental field, to improve the efficiency in the removal of contaminants from polluted waters and treating industrial wastes and in the biosensing field, to develop a simple and rapid biodetection of protein toxins by using a multiplexed immunoassay.
- español
