Detección de especies químicas mediante nanosondas luminiscentes basadas en carbon dots y quantum dotsdesarrollo de sistemas miniaturizados

Resumo

Esta tesis doctoral se centra en el desarrollo de nuevos métodos ópticos miniaturizados basados en el uso de nanopartículas luminiscentes, para la detección de distintas especies químicas de interés. En primer lugar, se ha llevado a cabo la implementación de nanopartículas semiconductoras, también conocidas como quantum dots (QDs), en un proceso de microextracción en gota en espacio de cabeza para estudiar la aplicabilidad del sistema para la detección de especies volátiles. Esta implementación se consigue a través del uso de una microgota orgánica como fase extractante, la cual contiene los QDs. Con el fin de evaluar el potencial del sistema propuesto, se estudió el efecto producido por 14 especies volátiles distintas sobre la fluorescencia de los QDs. Entre las especies estudiadas fueron el metilmercurio y Se(IV) las especies que provocaron un mayor efecto quenching o pérdida de la fluorescencia de los QDs, por lo que se llevó a cabo el estudio de aquellas variables que afectan tanto a las propiedades ópticas de los QDs como al proceso de microextracción. Además, con el fin de conocer el mecanismo de reconocimiento involucrado en la detección de Se(IV) fueron realizados distintos estudios mediante fluorescencia molecular, absorción molecular UV-Vis, fluorescencia de rayos X de reflexión total, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y microscopía de fuerzas atómicas (AFM). Además de estos sistemas fluorescentes, los QDs fueron implementados en un novedoso sistema quimioluminiscente en el cual los QDs fueron inmovilizados en el vial en el que se llevará a cabo la reacción quimioluminiscente con peróxido de hidrógeno. El potencial de este sistema fue evaluado estudiando el efecto de 17 especies químicas distintas sobre la reacción quimioluminiscente del sistema QDs-peróxido de hidrógeno. Dado que el sistema propuesto presenta un gran potencial para la detección de Cu(II), Se(IV) y Sb(III), se llevó a cabo un proceso de microextracción líquido-líquido-líquido lo que permitió la detección ultrasensible de Sb. Este método permite realizar la especiación de Sb(III) y Sb(V) en diversos tipos de aguas naturales. El mecanismo involucrado en la inhibición de la reacción quimioluminiscente por la presencia de Sb fue investigado mediante AFM, espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, absorción molecular UV-Vis y fluorescencia. Otro tipo de nanomaterial fluorescente empleado en el desarrollo de la presente tesis doctoral son los carbon dots (CDs). El primero de los sistemas desarrollados haciendo uso de estas nanopartículas en un sistema integrado en el que la síntesis de los CDs se consigue por vía sonoquímica y a su vez se realiza el reconocimiento de metilmercurio. Una vez establecidas las condiciones óptimas de trabajo se realizaron distintos estudios para comprender el mecanismo de quenching por el cual el sistema propuesto presenta una elevada sensibilidad y selectividad hacia metilmercurio. Para ello se realizaron distintos estudios mediante fluorescencia, espectrometría de absorción atómica y espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR). Este método permite la detección de metilmercurio en aguas naturales y pescados tras una simple extracción por ultrasonidos a partir de la muestra sólida, filtración y clean-up del extracto a través de cartuchos C18. Por otra parte, un sistema integrado basado en la síntesis fotoquímica de CDs y la detección de peróxido de hidrógeno y antioxidantes fue desarrollado. Este método de síntesis es propuesto por primera vez y presenta las ventajas de ser un método rápido, seguro, se puede realizar a temperatura ambiente y no necesita realizar tratamientos de purificación de CDs posteriores a la síntesis. El mecanismo por el cual la presencia de peróxido de hidrógeno durante la síntesis produce un aumento de la fluorescencia de los CDs se estudió mediante FT-IR y TEM. Este sistema ha sido aplicado a la detección de peróxido de hidrógeno en líquido de limpieza para lentes de contacto. Cabe mencionar que se llevó a cabo la combinación de sistemas analíticos miniaturizados con instrumentación portátil basada en fluoroespectrometría, lo que permite el análisis en campo de diversas especies.