Síntesis y caracterización de quantum dots dopados con manganeso y evaluación de su potencial como marcadores fosforescentes para (bio)análisis

Abstract

En las últimas décadas se han producido importantes avances en la Nanociencia y la Nanotecnología que se han traducido en una gran variedad de desarrollos y aplicaciones basadas en los nuevos y numerosos nanomateriales que se han ido descubriendo. Entre los nuevos nanomateriales citados cabe destacar de manera especial los Quantum Dots (QDs), un tipo de nanopartículas semiconductoras de forma esférica que debido a su reducido tamaño, presentan unas excepcionales propiedades optoelectrónicas, razón por lo que resultan de gran interés en diversos campos de análisis. Cabe destacar que una de las propiedades más importantes (y explotadas) de estos QDs es el hecho de que sus propiedades luminiscentes se pueden modular simplemente variando su composición y tamaño. Recientemente se ha propuesto una importante alternativa para modificar las propiedades físico-químicas de los quantum dots, que consiste en el dopaje del semiconductor con átomos de otro elemento, generalmente, elementos de transición. De este modo, los quantum dots dopados (d-dots) tienen propiedades luminiscentes, magnéticas o eléctricas que pueden modularse escogiendo el tipo de dopante adecuado. En este contexto, la presente Tesis Doctoral se centró en la síntesis, caracterización y evaluación del potencial analítico de quantum dots de ZnS dopados con manganeso (d-dots de Mn:ZnS). En primer lugar se procedió a la optimización del proceso de síntesis en medio acuoso de los d-dots (Mn:ZnS) recubiertos de L-cisteína (un ligando que favorece la solubilidad y biocompatibilidad de los QDs). Se seleccionó la concentración de manganeso adecuada para obtener las nanopartículas (NPs) con las mejores propiedades luminiscentes y se realizó la caracterización exhaustiva de los d-dots por diferentes técnicas analíticas complementarias (para conocer su morfología, estructura cristalina, composición y propiedades luminiscentes). La información obtenida permitió estimar la concentración de nanopartículas, expresada como número de nanopartículas, de una muestra que contiene QDs de ZnS dopados con Mn, por primera vez. Por otro lado, es conocido que la superficie de los quantum dots es muy sensible a ligeros cambios en su entorno y esto puede modificar fuertemente su luminiscencia. En este sentido se evaluó el potencial de los QDs de Mn:ZnS como indicadores directos para el desarrollo de una metodología luminiscente de análisis de acetona basada en medidas de desactivación de su emisión fosforescente, tanto en muestras de aguas naturales como en muestras de orina. Además se investigó su empleo para el desarrollo de una fase sensora. Para ello, los d-dots de Mn:ZnS obtenidos fueron inmovilizados en un soporte sólido para su empleo como indicadores luminiscentes. Para este fin, se seleccionó una matriz inorgánica "sol-gel" que resultó preservar las propiedades luminiscentes de las NPs una vez atrapadas en la matriz polimérica y evitar su lixiviado. El material sol-gel obtenido (conteniendo los d-dots atrapados en su estructura) se evaluó para su empleo como fase sensora para la detección de acetona en muestras de aguas naturales. Existe una creciente preocupación por el creciente empleo de NPs artificiales en múltiples aplicaciones y por los riesgos derivados de su posible toxicidad. Los d-dots sintetizados en este trabajo presentan una composición libre de metales pesados. Además, sus propiedades luminiscentes resultan muy adecuadas para su empleo en biomedicina. Por ello, en la última etapa de esta Tesis Doctoral, se evaluó la toxicidad de los Mn:ZnS QDs mediante cultivos celulares in vitro, como paso previa al desarrollo de aplicaciones en esta área. Para este fin, se estudió la entrada de los QDs en la célula y los efectos citotóxicos que provocados cuando las células son expuestas a diferentes tiempos de incubación y dosis de nanopartícula.