Nanomaterials and micromotorsnovel tools for the design and development of (bio)-detection and chemical processes

Resumen

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.