Síntesis y caracterización de materiales funcionalizados con fines bioanalíticos y medioambientales

Abstract

El número de aplicaciones bioanalíticas y tecnológicas que emplean nanopartículas sintéticas ha experimentado un incremento exponencial durante los últimos años. En este contexto, el desarrollo de la Nanociencia y la Nanotecnología Analíticas en las últimas décadas ha impulsado un esfuerzo investigador orientado hacia la búsqueda de nuevos nanomateriales con novedosas propiedades que permitan llevar a cabo el diseño de distintas aplicaciones con prestaciones superiores a las existentes actualmente: desde su uso como marcadores en técnicas de imagen molecular o en bioensayos y sensores químicos hasta en el diseño de plataformas orientadas hacia la liberación controlada de fármacos. Sin embargo, a la hora de alcanzar con éxito el desarrollo de aplicaciones tanto bioanalíticas como medioambientales empleando nanopartículas, es necesario controlar la calidad de dicho nanomaterial funcionalizado, para lo cual es indispensable llevar a cabo una apropiada caracterización físico-química del mismo, controlando tanto los procesos de estabilización en medios acuosos y la modificación de su superficie como su posterior bioconjugación con biomoléculas apropiadas. En este contexto, a lo largo de la presente Tesis Doctoral se ha abordado tanto la síntesis y la funcionalización de nuevos nanomateriales con potencial aplicabilidad en bioanálisis y química medioambiental, así como el desarrollo de nuevas metodologías analíticas que permitan llevar a cabo una adecuada caracterización de los distintos tipos de nanopartículas y materiales funcionalizados desarrollados. Con este objetivo general, la Tesis Doctoral se ha estructurado en cuatro capítulos: En el Capítulo 1, se ha desarrollado una metodología analítica, basada en el acoplamiento en línea de la técnica de separación de fraccionamiento en flujo con campo de flujo asimétrico a detectores moleculares (ultravioleta-visible y fluorescencia) y elementales (espectrometría de masas con fuente de plasma de acoplamiento inductivo), con el fin de evaluar la eficacia de distintos procedimientos de funcionalización de Quantum Dots para conseguir su estabilización en medio acuoso. La estrategia analítica desarrollada se aplicó posteriormente para caracterizar el proceso de bioconjugación de estas nanopartículas semiconductoras con anticuerpos. La metodología analítica desarrollada permitió llevar a cabo la determinación de la densidad superficial de ligandos tras la funcionalización de los Quantum Dots, así como la determinación de la relación molar nanopartícula:biomolécula en el producto de bioconjugación Quantum Dot:anticuerpo. En el Capítulo 2, se ha profundizado en la caracterización de la funcionalización superficial de los nanomateriales empleando una estrategia analítica basada en medidas fotoluminiscentes sin necesidad de recurrir a una etapa previa de separación. En este caso, se llevó a cabo la funcionalización de partículas magnéticas con distintas moléculas recurriendo a una estrategia de bioconjugación basada en la unión estreptavidina-biotina. Particularmente, se llevó a cabo la bioconjugación de partículas magnéticas funcionalizadas con estreptavidina con una amplia gama de moléculas biotiniladas (moléculas biotiniladas desde 0.2 kDa hasta 150 kDa). Para llevar a cabo la determinación de la densidad superficial de ligandos de estas partículas magnéticas funcionalizadas se recurrió al desarrollo de un test quimioluminiscente. En el Capítulo 3, se ha llevado a cabo la síntesis y la caracterización de unas nuevas nanopartículas metálicas con gran interés medioambiental, nanopartículas de seleniuro de mercurio, que podrían ser empleadas como patrones para estudiar la formación in vivo de este tipo de nanoestructuras en tejidos de animales. Tras su síntesis y su estabilización en medio acuoso, estas nanopartículas han sido caracterizadas empleando diferentes técnicas analíticas complementarias. Por otro lado, se ha evaluado la citotoxicidad de las nanopartículas de seleniuro de mercurio, tras exponerlas a distintas líneas celulares humanas, y se comparó con la citotoxicidad inducida por otros compuestos de mercurio ampliamente estudiados (tanto compuestos de mercurio inorgánico, Hg2+; como orgánico, metilmercurio). Además, gracias a la fluorescencia que presentan estas nanopartículas artificiales, fue posible evaluar su internalización y su localización dentro de las células. En el Capítulo 4, se ha tratado en profundidad la síntesis, caracterización y posterior aplicación bioanalítica y biomédica de una nueva generación de fluoróforos nanoestructurados con base de carbono (Carbon Quantum Dots co-dopados con N, Gd e Yb). En este sentido, se han sintetizado, dopado y caracterizado dichas nanoestructuras multimodales de carbono para su posterior empleo en distintos análisis tanto in vitro como in vivo mediante técnicas de imagen (como la imagen por resonancia magnética y la tomografía computarizada).