Síntesis y caracterización de nanomateriales híbridos de carbono con propiedades de reconocimiento molecular : nuevas plataformas electroanalíticas para la detección de marcadores de relevancia clínica, forense y ambiental

Abstract

El principal desafío de la Química Analítica en la actualidad se centra en el diseño y preparación de nuevas plataformas sensoras altamente sensibles, reproducibles, robustas, miniaturizables, portables y capaces de cuantificar de forma rápida, selectiva y simultánea diversos analitos en escenarios antes impensados. En ese sentido, este trabajo de Tesis se centra en el desarrollo pionero de sistemas electro-analíticos basados en el diseño racional de diferentes soportes electródicos nanosestructurados que permitan la cuantificación sensible y selectiva de analitos de relevancia clínica, forense y medioambiental facilitando la toma de decisiones inmediata con la información obtenida. Para ello, se estudió la síntesis criteriosa de diversos tipos de nanomateriales híbridos a partir de nanoestructuras de carbono y polímeros. Los nuevos materiales se inmovilizaron sobre sustratos de carbono vítreo (GCE) con el objetivo de construir plataformas analíticas para el desarrollo de sensores electroquímicos tendientes a la cuantificación de analitos de relevancia en áreas de candente actualidad, como lo son las enfermedades neurodegenerativas, la determinación forense de residuos de disparo de armas de fuego y la detección de herbicidas polémicos y ampliamente utilizados con implicancias nos solo en la salud sino que también a nivel medioambiental. El CAPÍTULO 1 presenta una introducción general acerca de las propiedades y medotologías de síntesis de novedosos nanomateriales híbridos tendientes al diseño de sensores electroquímicos. Se describen las diferentes estrategias y metodologías empleadas para la incorporación de los nanomateriales sobre sustratos conductores que permitirán la posterior detección altamente sensible y selectiva de los analitos de interés. El CAPÍTULO 2 discute los fundamentos y las técnicas más representativas empleadas para el desarrollo del presente trabajo de Tesis y las metodologías utilizadas para la obtención de los resultados. En el CAPÍTULO 3 se presenta la síntesis, mediante funcionalización no covalente, y caracterización de un híbrido 1D compuesto por nanotubos de carbono (CNT) con un bio-polímero como polietilenimina (PEI). Se discuten las propiedades electroquímicas del nanometrial resultante, luego de su inmovilización sobre GCE, y la caracterización tanto espectroscópica como microscópica de CNT-PEI las cuales permiten comprender sus propiedades y alcances. Se propone el empleo del sensor GCE/CNT-PEI para la cuantificación de manera sencilla, con bajos límitesde detección y en presencia de muestras de cerebro de animales de laboratorio, con diversas patologías neurodegenerativas, con resultados sumamente promisorios para dilucidar los cambios en la recaptación de dopamina (DA) en sistema nervioso central (SNC). Cabe destacar que el trabajo interdisciplinario en esta área de investigación es lo que posibilitó la utilización de GCE/CNT-PEI para estudios clínicos y farmacológicos que permitieron validar estudios tendientes a ser utilizados como herramienta para el tratamiento de diversos transtornos del SNC. El CAPÍTULO 4 presenta el desarrollo de un nuevo nanomaterial híbrido 2D resultante de la reducción de óxido de grafeno (RGrO) in situ, mediante la formación de polímeros melánicos a partir monómeros como L-Dolpa (Poly-L-Dopa) por ultrasonido. Se analiza el efecto de las condiciones de síntesis sobre la respuesta electroquímica de la plataforma y se presenta la caracterización espectroscópica y microscópica del material resultante. En el CAPÍTULO 5 se propone el uso de RGrO-Poly-L-Dopa para la construcción de una plataforma sensora para la detección de peróxido de hidrógeno en muestras de interés fármaco-bromatológico. Por otra parte, se discute la optimización de los parámetros experimentales (tiempo de preconcentración, potencial de reducción, tiempo de reducción y composición del medio reductor) para la aplicación del sensor en la cuantificación simultánea y sin interferencia de plomo y antimonio en el orden de ppb. Se exponen los resultados obtenidos para la cuantificación novedosa y de bajo costo de estos metales en muestras forenses. Se propone una forma sensilla de obtención y procesado de muestras de residuos de disparo de diferentes armas de fuego, con distintos cartuchos y variando la distancia de deflagración, todas ellas obtenidas en polígono forense por peritos criminalistas. Es de suma importancia destacar que estos resultados permiten incursionar, por primera vez, en un campo muy poco explorado y de gran actualidad, como lo es la balística-forense. El CAPÍTULO 6 plantea la síntesis mediante metodologías electroquímicas, top down y botton up, de dos materiales de naturaleza carbonácea: grafeno electroquímicamente expandido (GEQE) y Carbon Quantum Dots (CQDots). Se estudian de manera crítica las condiciones de síntesis óptimas para la obtención de ambos nanomateriales y se correlacionan con las respuestas electroquímicas observadas. Se describe la obtención de un novedoso nanomaterial híbrido, formado a partir de estas nanoestructuras 2D y 0D sintetizadas, que combina las propiedades electroquímicas renovadas y superiores de los nanomateriales individuales. En el CAPÍTULO 7 se presenta el empleo del nanohíbrido, inmovilizado sobre GCE, para el desarrollo de un sensor tendiente a la detección indirecta de glifosato (Gly) con un amplio intervalo lineal, lo que posibilita el empleo del mismo para la cuantificación del analito de interés en muestras de origen muy diverso, tales como muestras de agua, así como también en muestras de formulaciones de productos fitosanitarios, dando como resultado un sensor apto para el control de calidad medioambiental o industrial de respuesta rápida y de bajo costo. Finalmente, el CAPÍTULO 8 expone las conclusiones generales del presente trabajo de Tesis Doctoral. Palabras clave: sensor electroquímico, nanohíbrido, nanomateriales de carbono, nanotubos de carbono, óxido de grafeno, grafeno electroquímicamente expandido, Carbon Quantum Dots, monómero, polímero, dopamina, plomo, antimonio, glifosato, enfermedades neurodegenerativas, balística forense, control medioambiental.