Nanoestructuras plasmónicas como dispositivos para la detección ultrasensible o fotodegradación de moléculas de interés agroalimenticio

Abstract

Resumen: El presente trabajo de tesis abarca el diseño, fabricación y estudio de las propiedades ópticas de sistemas compuestos de nanopartículas metálicas puras o formando un hibrido con óxido de hierro magnético. Luego estos nanosistemas fueron empleados para la detección óptica o fotodegradación de analitos de interés agroalimenticio. En particular, los sistemas estudiados están compuestos por diversos tipos de nanoestructuras metálicas en dispersión coloidal: agregados de nanopartículas de metales nobles (Au, Ag) de forma aproximadamente esféricas, agregados de nanopartículas anisotrópicas (nanovarillas) y nanoestructuras hibridas, en este caso, conformadas por un núcleo de magnetita con nanopartículas de Au en su superficie (nanopartículas tipo núcleo-NPs satélites). Las nanoestructuras formadas fueron caracterizadas utilizando diversas técnicas espectroscópicas, así como también, técnicas de microscopía electrónica y de difracción de Rayos X. La respuesta óptica experimental de cada uno de los nanosistemas fabricados fue correlacionada e interpretada mediante simulaciones electrodinámicas utilizando teoría de Mie o DDA (del inglés, Discrete Dipole Approximation). A partir de la correlación entre experimentos y teoría, fue posible determinar en dispersión coloidal las distintas concentraciones y fracciones de cada una de las poblaciones de nanoestructuras presentes en los sistemas de estudio. Esta herramienta aporta nueva información que permite comprender la respuesta experimental obtenida para cada nanodispositivo, así como también definir sus futuras aplicaciones. Una característica de las nanopartículas metálicas es que pueden funcionalizarse con diversas moléculas. En particular, la conjugación de biomoléculas con nanopartículas permite generar materiales que combinan las propiedades ópticas plasmónicas con la capacidad de bioreconocimiento altamente específico de las biomoléculas. En esta tesis utilizando el par biomolecular biotina-estreptavidina se estudió un nanosensor que, mediante espectroscopia UV-Visible, permite la detección ultrasensible de gliadina, analito de gran relevancia en la Ciencia de los alimentos. A su vez, utilizando el par biomolecular anteriormente mencionado se presentó un enfoque plasmónico para estudiar, mediante espectroscopía UV-Vis, la cinética de unión de las interacciones proteína-ligando ancladas a la superficie de nanopartículas. Estudiar la cinética de unión de complejos proteínas/ligando-nanopartículas permite el desarrollo de bionanosensores de afinidad para el monitoreo y diagnóstico de enfermedades en la atención médica, la investigación y las aplicaciones industriales. A demás, la especificidad y alta afinidad de la interacción del par biotina-estreptavidina permitió la fabricación dímeros de nanopartículas de oro con una distancia interpartícula controlada. Los dímeros fueron utilizados, mediante espectroscopía vibracional Raman Incrementada por Superficie (SERS, del inglés, Surface Enhanced Raman Spectroscopy), como plataforma para la detección ultrasensible, directa e indirecta de anticuerpos biotinilados específicos para gliadina y ara h1 (proteína de interés para las personas alérgicas al maní). Otro aspecto de interés analizado es cómo correlacionar en forma rigurosa los factores de incrementos SERS experimentales en agregados de nanopartículas con los factores de incrementos calculados usando simulaciones electrodinámicas. Este es un tópico de gran relevancia ya que cuando se generan agregados de nanopartículas utilizando puentes moleculares, las moléculas que contribuyen en forma significativa a la señal SERS son aquellas que se encuentran en la región interpartícula donde el campo eléctrico que se genera es mucho mayor que en el resto de la nanoestructura. Determinar el número o concentración de moléculas situadas en estas regiones, requiere determinar el número o concentraciones de monómeros, dímeros, trímeros etc, formados luego del agregado de la molécula que induce la agregación. En esta tesis mostramos cómo mediante simulaciones de los espectros de extinción se puede obtener información sobre la concentración de cada tipo de nanoagregados formado y de esta manera estimar el número de moléculas que efectivamente contribuyen a la señal SERS. Esta nueva aproximación permite determinar el factor de incremento intrínseco de sustratos SERS el cual es un parámetro que define su calidad como nanosensor. Finalmente, se estudiaron algunos factores de naturaleza plasmónica que controlan y mejoran las propiedades fotocatalíticas de nanoestructuras hibridas de magnetita-oro en el proceso de degradación fotoinducida de azul de metileno, un antiséptico ampliamente utilizado en la acuicultura. Los resultados presentados en este trabajo de Tesis Doctoral contribuyen a la comprensión de las propiedades ópticas de nanoestructuras plasmónicas y a su aplicación para la detección o fotodegradación de moléculas de interés agroindustrial.

Abstract: This Ph.D. thesis is aimed to the design, fabrication and study of the optical properties of systems composed of pure metallic nanoparticles or coupled to magnetic iron oxide to form hybrid nanostructures. Then, these nanosystems were applied for the optical detection or photodegradation of analytes of agronomic interest. In particular, the systems studied are composed of various types of colloidal dispersion metal nanostructures such as, aggregates of noble metal nanoparticles (Au, Ag) of approximately spherical shape, aggregates of anisotropic nanoparticles (nanorods) and hybrid nanostructures, in this case, shaped by a magnetite core with Au nanoparticles on its surface (core-satellite nanoparticles). The formed nanostructures were characterized using various spectroscopic techniques, as well as electron microscopy techniques, X-ray diffraction. The experimental optical response of each of the manufactured nanosystems was correlated and interpreted by electrodynamic simulations using Mie theory or DDA (Discrete Dipole Approximation). From the correlation between experiments and theory, it was possible to determine in colloidal dispersion the different concentrations and fractions of each of the populations of nanostructures present in the study systems. This tool provides new information that allows us to understand the experimental response obtained for each nanodevice, as well as to define its future applications. A characteristic of metallic nanoparticles is that they can be functionalized with various molecules. In particular, the conjugation of biomolecules with nanoparticles makes it possible to generate materials that combine plasmonic optical properties with the highly specific biorecognition capacity of biomolecules. In this thesis, using the biotin-straptavidin biomolecular pair, we have designed a nanosensor that, through UV-Visible spectroscopy, allows the ultrasensitive detection of highly relevant gliadin in food science. Using the aforementioned biomolecular pair, a plasmonic approach was presented to study, by UV-Vis spectroscopy, the binding kinetics of protein-ligand interactions after the formation of Ag nanoparticle dimers. To understand the protein-ligand binding kinetics anchored to nanoparticles allows the development of affinity bionanosensors for the monitoring and diagnosis of diseases in medical care, research and industrial applications. Furthermore, the specificity and high affinity of the interaction of the biotin-streptavidin pair, was used to manufacture dimers of gold with a controlled interparticle distance. Subsequently, the dimers were used by Surface Enhacement Raman Spectroscopy (SERS) as platform for the ultrasensitive, indirect and indirect detection of biotinylated antibodies specific for gliadin and ara h1 (protein of interest to peanut allergy diseace). Another aspect of interest analyzed is how to correlate the experimental SERS enhancement factors in nanoparticle aggregates with the enhancement factors calculated using electrodynamic simulations. This is a topic of great relevance since when nanoparticle aggregates are generated using molecular bridges, the molecules that contribute significantly to the SERS signal are those found in the interparticle region where the electric field that is generated is much greater than in the rest of the nanostructure. Determining the number or concentration of molecules located in this region require determining the number or concentrations of monomers, dimers, trimers, etc., formed after the addition of the molecule that induces aggregation. In this thesis we show how by means of extinction spectra simulations it is possible to obtain information on the concentration of each type of nanoaggregate formed and thus estimate the number of molecules that effectively contribute to the SERS signal. This new approach allows to determine the intrinsic increase factor of SERS substrates, which is a parameter that defines their quality as a nanosensor. Finally, some plasmonic factors that control and improve the photocatalytic properties of hybrid magnetite-gold nanostructures in the photoinduced degradation process of methylene blue, an antiseptic widely used in aquaculture, were studied. The results presented in this Doctoral Thesis work contribute to the understanding of the optical properties of plasmonic nanostructures and their application for the detection or photodegradation of molecules of agro-industrial interest.