UNIVERSIDAD VERACRUZANA QUÍMICO FARMACÉUTICO BIÓLOGO TESIS \"Preparación de Nanomateriales Orgánicos Fluorescentes\"

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

QUÍMICO FARMACÉUTICO BIÓLOGO

TESIS

“Preparación de Nanomateriales Orgánicos Fluorescentes”

PRESENTA Nadia Gamboa Valero

DIRECTOR INTERNO Dra. Marina Guevara Valencia

DIRECTOR EXTERNO Dr. Mario Alejandro Rodríguez Rivera

ORIZABA, VER.

DICIEMBRE, 2011

DEDICATORIAS La presente Tesis es un esfuerzo en el cual, directa o indirectamente, participaron varias personas leyendo, opinando, corrigiendo, teniéndome paciencia, dando ánimo, acompañando en los momentos de felicidad y en los momentos de crisis. A Dios por haberme permitido llegar a este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mi mami por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor incondicional. Siempre serás mi guía en esta vida y esta tesis es tuya al igual. Gracias por darme la vida. A mi familia especialmente a mi abuelita Bertina porque me han demostrado su cariño, su comprensión y han estado conmigo en cualquier momento. A ti amor, Chucho, por tu cariño, comprensión y constante estímulo, gracias por siempre apoyarme en mis sueños y ser esa persona que siempre cree en mí. Te amo con todo mi corazón, has sido el mejor amigo, compañero y novio que la vida me pudo haber dado, junto a ti me han pasado las cosas más increíbles y agradezco a la vida por ponerte en mi camino. A todos mis amigos de la universidad, Marco, Ana, Liz, Karem y Jaime, con quienes he compartido muchos momentos que siempre llevaré en mi corazón. Muchas gracias por ser parte de esta etapa tan importante, por los momentos que hemos pasado juntos y porque puedo decir que ahora son parte de mi familia, sin ustedes y sin su apoyo estos cuatro años y medio no hubieran sido los mismos. A mis amigas Itzel, Ivon, Karina, Ingrid y Claudia porque a pesar de que no nos vemos siempre, ustedes son como mis hermanas porque me han demostrado su amistad y amor incondicional, a pesar de todas las cosas que hemos pasado hemos sabido corresponder este cariño. Ustedes han enriquecido mi vida con su cariño y su alegría. Gracias por formar parte de mi vida. Gracias a cada uno de ustedes por recordarme que hay personas valiosas en el mundo y gracias por estar en el mío. Los amo porque cada una de ustedes han enriquecido mi vida con sus enseñanzas y sus consejos.

AGRADECIMIENTOS Esta tesis representa un parteaguas entre una etapa muy enriquecedora y el camino que el tiempo obliga. En toda la experiencia universitaria y la conclusión del trabajo de Tesis, ha habido personas que merecen las gracias porque sin su valiosa aportación no hubiera sido posible este trabajo y por haber plasmado su huella en mí camino. Para mi asesor Dr. Mario que me permitió estar en éste proyecto de tesis, así como todo su apoyo incondicional y depositar su confianza en mí. Admiro su calidad humana. Para la Dra. Marina, a usted le debo el vínculo que formamos con el Centro de Investigaciones en Óptica (CIO), porque sin su apoyo yo no podría haber realizado este trabajo, agradezco sus consejos y admiro su nobleza a la vez su firmeza que tuvo conmigo. Al Dr. Gabriel y a la M.C. Laura por ser tan amables, compartir todos sus conocimientos y experiencias además de su atenta lectura de este trabajo. A todas aquellas personas que de una u otra forma, colaboraron o participaron en la realización de esta investigación, hago extensivo mi más sincero agradecimiento. Agradezco a todos los profesores por su tiempo, por su apoyo así como por la sabiduría que me transmitieron en el desarrollo de mi formación académica. Agradezco a aquellos profesores que han dejado huella en mi vida, han compartido conmigo sus conocimientos y su amor por la carrera. Al CIO por permitirme realizar mi tesis dentro de sus instalaciones, porque gracias al Centro de Investigaciones este sueño nunca hubiera podido ser completado ni realizado. A la Universidad Veracruzana en especial a la Facultad de Ciencias Químicas por permitirme ser parte de una generación de triunfadores, porque gracias a la Facultad me esperan muchos más éxitos en mi vida.

“El hombre nunca sabe de lo que es capaz hasta que lo intenta”

¿ÍNDICE GENERAL

Página

Índice de Figuras

iii

Índice de Tablas

ix

Resumen

x

1.

INTRODUCCIÓN

1

2.

MARCO TEÓRICO

2

2.1 Molécula orgánica

2

2.1.1 Características estructurales de las moléculas orgánicas

2

2.2 Orbitales moleculares

4

2.3 Sistemas orgánicos π-conjugados

9

2.3.1 Interacción de la energía con los sistemas conjugados

11

2.3.2 Aplicaciones de los sistemas orgánicos π-conjugados

14

2.4 Materiales orgánicos nanoestructurados

21

2.5 Métodos de fabricación de nanomateriales

23

2.5.1 Método de la plantilla dura

24

2.5.2 Método de la plantilla blanda

25

2.5.3 Síntesis por aspersión de plasma

25

2.5.4 Método de ablación láser

26

2.5.5 Método de reprecipitación

26

2.5.6 Método de nanoesferas de sílice dopadas con moléculas orgánicas.

28

i

Página

3.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN

29

4.

HIPOTESIS Y OBJETIVOS

30

4.1 Hipótesis

30

4.2 Objetivo general

30

4.3 Objetivos específicos

30

METODOLOGÍA

31

5.1 Instrumentación

31

5.2 Reactivos

32

5.

5.3 Método de reprecipitación para la fabricación de nanopartículas orgánicas

35

5.4 Método de fabricación de nanoesferas de sílice dopadas con moléculas orgánicas

36

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

38

6.1 Obtención de nanopartículas orgánicas

38

6.2 Obtención de nanoesferas de sílice

56

7.

CONCLUSIONES

67

8.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

68

6.

ii

ÍNDICE DE FIGURAS Figura

Página

1.

Solapamiento de dos orbitales 1s de los átomos de hidrógeno

6

2.

Formación de un orbital molecular

7

3

Refuerzo e interferencia de dos orbitales 1s

7

4.

Energía relativa de los orbitales atómicos de H

8

5.

Distribución electrónica de los orbitales moleculares σ y π

9

6.

Diagrama del espectro electromagnético

11

7.

Los átomos absorben (a) o emiten fotones (b) con la energía

12

correspondiente al salto de un orbital a otro 8.

Niveles de energía electrónica

14

9.

Aplicaciones de moléculas orgánicas con sistemas π conjugados

15

10.

Dispositivo de una sola película

16

11.

Pantalla flexible fabricada a base de OLED´s

17

12.

Energía emitida por los fluorocromos con los que fueron marcados

18

las células, observada por microscopía de fluorescencia 13.

Diagrama mostrando la excitación de a) un fotón y b) multifotón

14.

La emisión de fluorescencia se produce en el punto donde el haz

19

está enfocado

20

15.

Esquema de un microscopio multifotón

21

16.

Esquema del método de la plantilla dura para la síntesis de diferentes nanoestructuras

17.

24

Método de la plantilla blanda para la síntesis de diferentes nanoestructuras

25

18.

Arreglo experimental del método de Ablación Laser

26

19.

Mecanismo del método de reprecipitación

28

iii

Figura

20.

Página

Esquema de la fabricación de nanoesferas de sílice dopadas con la molécula orgánica

28

21.

Estructura química de FG249

31

22.

Esquema de un arreglo de fotoluminiscencia

32

23.

Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una concentración de 0.1 mM en CTAB

24.

38

Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una solución de CTAB, dentro una fotografía de la suspensión filtrada

25.

39

Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG-249/THF, 1 mM; en 8 mL de CTAB, 0.8 mM

26.

Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una concentración de 1 mM en CTAB

27.

41

Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una concentración de 1 mM en CTAB

28.

40

42

Espectro de absorción que muestra la suspensión de FG249 en una concentración de 1 mM en TRITON X-100 junto con una fotografía de la suspensión

29.

43

Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG-249/THF, 1 mM, en 8 mL de CTAB, 0.8 mM

30.

44

Espectro de absorción que muestra todas las suspensiones en los diversos surfactantes, además de la suspensión sin surfactante simplemente con agua

45

iv

Figura

31.

Página

FG249 en suspensión a) CTAB, b) TRITON X-100, c) albúmina d) agua, y e) solución en THF

46

32.

Suspensiones de FG249, en CTAB y agua

46

33.

Espectro de absorción donde se muestra los espectros de emisión de todos los surfactantes y la solución en THF

34.

Espectro de absorción donde se muestra los diferentes surfactantes ocupados en la preparación de nanopartículas

35.

48

Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones en CTAB 0.08 mM transcurrido los días

37.

48

Espectro de absorción donde se compara el surfactante (TRITON X-100) con la solución en THF

36.

47

49

Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG-249/THF, 1 mM, en 8 mL de CTAB, 0.08 mM

38.

Espectro de absorción y fotografía de las suspensiones en TRITON X-100 0.08 mM

39.

50

51

Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG-249/THF, 1 mM, en 8 mL de TRITON X-100, 0.08 mM

40.

Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones en albúmina 0.08 mM

41.

51

52

Imagen tomada en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG-249/THF, 1 mM, en 8 mL de albúmina, 0.08 mM

42.

53

Espectro de emisión de las suspensiones FG249 en una concentración de 0.08 mM

54

v

Figura

Página

43.

Fotoluminiscencia

54

44.

Fotoluminiscencia de las suspensiones de la molécula FG249

55

45.

Espectros de absorción de la molécula FG249 en diversos disolventes

46.

Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones en condiciones normales FG249-SiO2

47.

56

57

Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada de FG249-SiO2, a) suspensión lavada a 8000 rpm , b) suspensión lavada a 13500 rpm

48.

Espectro de emisión y fotografía donde se muestra las suspensiones disminuyendo la cantidad de solución de FG249

49.

59

Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.44 g la cantidad de surfactante AOT

51.

59

Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada de FG249-SiO2

50.

58

61

Espectro de absorción normalizada donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.44 g la cantidad de surfactante AOT y se compara con la soluciones de FG249

52.

Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada de FG249-SiO2

53.

62

Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.66 g la cantidad de surfactante AOT

54.

62

63

Espectro de absorción normalizada donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.66 g la cantidad de surfactante AOT y se compara con las soluciones de FG249

64

vi

Figura 55.

Página Espectro de emisión de las suspensiones de nanoesferas obtenidas en condiciones normales

56.

65

Espectro de emisión de la suspensión obtenida con 0.44 g de surfactante

66

vii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla

Página

1.

Disolventes empleados en la fabricación de nanomateriales

35

2.

Surfactantes empleados en la fabricación de nanomateriales

36

3.

Reactivos empleados en la fabricación de nanoesferas

37

4.

Evaluación del efecto de la cantidad de material orgánico

62

5.

Condiciones para evaluar el efecto en el tamaño de las nanoesferas debido a la cantidad de surfactante usado

64

viii

RESUMEN Los compuestos π-conjugados son una nueva generación de materiales con características propias donde se busca una ventaja gracias a su bajo costo de síntesis y fácil proceso. Gracias a estas características propias se ha iniciado estudios de fotoluminiscencia de los materiales orgánicos dando mejores resultados aquellos que se encuentran en una escala nanométrica. El presente trabajo se enfoca en la fabricación de nanomateriales fluorescentes a partir de moléculas π conjugadas en este caso la molécla etiquetada como FG249 la cual deriva del fluoreno; para su posible aplicación como agentes de contraste en microscopía multifotón.

Se muestra el estudio realizado para la fabricación de nanopartículas suspendidas en medios acuosos usando la técnica de reprecipitación y de nanoesferas de sílice dopadas con FG249. El objetivo es conocer los detalles experimentales de estas técnicas y caracterizar las partículas obtenidas; la estimación de las dimensiones se realizó con la técnica de microscopía de fuerza atómica (AFM). Las técnicas espectroscópicas de absorción y emisión se aplicaron para estudiar las propiedades ópticas de las nanopartículas y nanoesferas y compararlas con las que exhibe la molécula FG249 en solución. De manera general, fue posible fabricar nanoparticulas y nanoesferas que conservaban las propiedades fotoluminiscentes de la molécula orgánica, además de en el caso de las nanoesferas se sabe que el recubrimiento de sílice además de proteger al cromóforo ayuda en la compatibilidad con los tejidos y células. Abriendo la oportunidad a estas especies para ser investigadas como materiales para la obtención de imágenes por la técnica de microscopia multifotón.

ix

1.

INTRODUCCIÓN

Los compuestos orgánicos π conjugados son los componentes de una nueva generación de materiales en los cuales se combinan las propiedades eléctricas y ópticas de un semiconductor con las propiedades mecánicas de un material orgánico, estos sistemas presentan ventajas como bajo costo de síntesis y un fácil procesamiento para su aplicación. Entre las propiedades que presentan las moléculas orgánicas π-conjugadas esta la fotoluminiscencia, o emisión de luz en respuesta a una excitación por una fuente de luz; esta característica resulta de utilidad para aplicaciones como por ejemplo los biomarcadores que son utilizados en áreas como la biología molecular y en el diagnóstico médico. Estas aplicaciones han provocado que se preparen un gran número de moléculas π conjugadas con propiedades de fluorescencia en especial cuando estas propiedades se observan en estado sólido, por lo que con el fin de aprovechar e intensificar esta respuesta se ha investigado la fabricación de materiales en escala nanométrica a partir de este tipo de moléculas orgánicas usando algunos métodos descritos por la nanotecnología.

La importancia de los nanomateriales reside en el cambio que presentan en ciertas propiedades que son sensibles al tamaño, tales como la fotoluminiscencia, dispersión de la luz, magnéticas entre otras, que en algunos casos particulares se ha demostrado que se ve incrementada para el mismo material cuando se pasa de un tamaño micro a una escala nano.

1

2.

2.1

MARCO TEÓRICO

Molécula orgánica

A lo largo de los años, los primeros científicos observaron algunas diferencias cualitativas entre las moléculas orgánicas y las inorgánicas. Encontraron que todos los compuestos orgánicos contenían carbono, hidrógeno y muy pocos elementos más, como oxígeno, azufre y el nitrógeno. En cambio los compuestos inorgánicos estaban formados por una gran variedad de elementos, este tipo de compuestos por lo general eran sólidos cristalinos, bastante estables cuando se les calentaba, mientras que muchos de los orgánicos resultaban difíciles de cristalizar y se alteraban o destruían fácilmente por efecto de la temperatura (Santiago et al., 1997).

La diferencia más significativa entre los compuestos orgánicos y los inorgánicos es que el número de especies que contienen carbono, es decir, del tipo orgánico, es mucho más grande que el número de moléculas inorgánicas; esto se debe a que las substancias orgánicas presentan diferentes maneras en las cuales se pueden acomodar los átomos y el tipo de enlaces que están presentes lo cual hace que cambien las propiedades que presenta.

Actualmente se conocen cerca de diez millones de compuestos formados por átomos de carbono y este número aumenta aproximadamente en medio millón cada año, esto hace que esta área de la química sea un campo muy especializado. Gran parte de la química orgánica se dedica a establecer los productos de las reacciones donde se involucran sistemas orgánicos, el posible mecanismo y actualmente su posible utilización para la fabricación de dispositivos con propiedades ópticas, eléctricas y electrónicas.

2.1.1 Características estructurales de las moléculas orgánicas La química orgánica se ocupa de la elucidación y el estudio detallado de las estructuras moleculares y la forma en que estas cambian de acuerdo al curso de las reacciones químicas, es por eso que las moléculas orgánicas presentan ciertas características relativas a su composición, desde su estado físico, color, solubilidad y abundancia.

2

En cuanto a la estabilidad de estas substancias frente al calor y la luz, se sabe que se caracterizan por su facilidad de combustión transformándose en dióxido de carbono y agua; por otro lado algunas de ellas son completamente estables a la luz y al calor, pero otras más experimentan descomposición o transformación química en especial cuando son sometidas a luz de alta energía como el ultravioleta (Morrison et al., 1998).

Las innumerables posibilidades para las disposiciones espaciales de los átomos de carbono son la causa del gran número y la gran variedad de moléculas orgánicas y por lo tanto la gran capacidad de diseño de posibles bloques para la construcción de materiales orgánicos (Petrucci et al., 2003).

Otra de sus características importantes de estas especies es la naturaleza de sus enlaces, aunque existen muchas moléculas orgánicas con enlaces iónicos, la inmensa mayoría son covalentes; lo que se traduce en que poseen propiedades que comparten con un inmenso número de ellas: muchos son gaseosos, líquidos o sólidos con puntos de fusión relativamente bajos; algunos son semiconductores y son solubles en disolventes no polares.

El enlace covalente es el resultado de la compartición de electrones entre elementos con valores de electronegatividad muy cercanos y una vez que los electrones son compartidos ya no pertenecen en exclusiva a ninguno de los dos átomos, se encuentran localizados en el espacio internuclear de dichos átomos. Algo que resulta interesante es que se pueden compartir dos o tres pares de electrones entre dos átomos lo cual provoca la existencia del enlace doble o triple, respectivamente.

Energéticamente se tiene que la compartición de electrones entre dos o más átomos disminuye la energía y por consiguiente el sistema resultante es más estable que los átomos por separado. Es por eso que el enlace covalente explica tres aspectos fundamentales: las proporciones en que los átomos entran a formar parte de la molécula, la geometría de la molécula y la energía de la misma [1].

El enlace covalente desempeña un papel fundamental en la determinación del comportamiento físico y químico de las moléculas orgánicas. Por ejemplo, el carbono tiene cuatro electrones de

3

valencia, puede formar cuatro enlaces, cuando estos enlaces son enlaces sencillos, el átomo de carbono tienen una geometría tetraédrica, mientras cuando hay un doble enlace, la disposición de átomos enlazados al carbono es trigonal plana, con dos dobles enlaces o con un triple enlace, la disposición de los grupos alrededor del átomo de carbono es lineal.

La disposición de los enlaces en torno a los átomos individuales es importante para determinar la geometría molecular global. A su vez, la forma global de las moléculas orgánicas también es importante para determinar cómo habrán de reaccionar con otras moléculas y con qué rapidez (Brown et al., 2004).

Como se demostró existe un gran interés por el enlace dentro de la química orgánica, por dicha razón existen teorías que ayudan a explicar ciertas propiedades mostradas por las moléculas, las más importante es la teoría de orbitales moleculares donde el concepto de orbitales como un nivel de energía es el fundamento en el que se basa esta teoría.

2.2

Orbitales moleculares

La teoría del orbital molecular fue desarrollada por Muliken y Hund en 1928. El postulado principal de esta teoría es que los electrones de las moléculas se encuentran en orbitales asociados con varios núcleos. En su forma más simple, los orbitales moleculares (enlaces) se consideran como la suma de orbitales atómicos (Gray, 2003).

Antes de poder hablar de orbitales moleculares es necesario conocer un poco acerca de los orbitales atómicos para poder comprender ampliamente este apartado. Los orbitales atómicos definen el estado de energía específico de un electrón y la región específica que ocupa alrededor de un átomo. De este modo, cada electrón se encuentra en un estado de energía determinado, que se denomina orbital (Solomons, 2000).

Es necesario saber que un orbital es una región del espacio donde la probabilidad de encontrar a un electrón es alta y tanto su energía como su forma está determinada por una función de onda, la cual se resuelve solo para los valores permitidos de la energía del electrón.

4

Además de la energía que tiene cada orbital, un parámetro de gran importancia es su forma, los orbitales etiquetados como s y p son los más importantes en la formación de moléculas orgánicas.

Existen niveles de energía que se representan con números enteros, dentro de estos se encuentran los orbitales con sus formas variadas. Los electrones dentro del nivel 1 se encuentran restringidos a orbitales de la forma s, estos tienen la menor energía porque son los más cercanos al núcleo. Los electrones en el nivel 2 son los que le siguen en energía y en este nivel existen orbitales del tipo s y p (Solomons, 2000).

Inicialmente, cada electrón se encuentra localizado en un determinado orbital de su átomo correspondiente. El enlace se genera por el solapamiento de los dos orbitales atómicos que se superponen sus respectivas zonas de mayor probabilidad de encontrar a sus respectivos electrones. El enlace se forma al compartir los dos electrones una misma región del espacio en la que existe una gran probabilidad de encontrarlos juntos, y que está bajo la atracción de los dos núcleos simultáneamente. Naturalmente, para que el par de electrones comparta una misma región del espacio deben tener spines antiparalelos, de acuerdo al principio de exclusión de Pauli en donde nos dice que cada orbital puede colocarse un máximo de dos electrones, pero sólo cuando los spines de los electrones están apareados.

Una vez generado el enlace, los electrones pierden la identidad inicial que les otorgaba el hecho de pertenecer a uno sólo de los dos átomos enlazados, y se encuentran, ahora, sometidos a la interacción simultánea de ambos núcleos por eso se dice que se pueden formar orbitales moleculares por simple suma o resta de los orbitales atómicos adecuados.

La mayor utilidad de los orbitales atómicos es como modelos para comprender cómo se combinan para la formación de enlaces que unen los átomos que componen las moléculas. Cuando los elementos se unen para formar moléculas, sus orbitales atómicos se combinan a través del espacio para formar orbitales moleculares, siendo este proceso la clave para la formación de enlaces. Un orbital molecular es una región de elevada densidad electrónica que envuelve a dos o más núcleos (Casabo, 2004).

5

La teoría del orbital molecular (OM) describe la formación del enlace covalente, por medio de la combinación matemática de orbitales atómicos (funciones de onda), sobre diferentes átomos para formar orbitales moleculares. Así como un orbital atómico, describe una región en el espacio que rodea un átomo donde es probable que se encuentre un electrón, un orbital molecular describe una región del espacio donde es más factible que se encuentren los electrones en una molécula (McMurry, 2008).

Esto se puede ilustrar claramente con la formación de la molécula de hidrógeno (Figura 1), la cual es la más sencilla, muchas de las características existente en el enlace covalente en la molécula del hidrógeno se puede aplicar a las de otros enlaces covalentes más complejos. Resulta que aunque el grado hasta el cual se solapan los orbitales atómicos en la formación de un orbital molecular es un criterio de estabilidad (energía de disociación) de un enlace.

Figura 1. Solapamiento de dos orbitales 1s de los átomos de hidrógeno

Es decir, tomando en cuenta el ejemplo de dos átomos de hidrógeno aislados, cada uno con un electrón en un orbital 1s. Al comenzar la formación del enlace entre estos dos átomos, el electrón de cada uno de ellos es atraído por el núcleo del otro al mismo tiempo que su propio núcleo ejerce atracción sobre él. Cuando los núcleos se encuentran en una distancia cercana uno de otro, los orbitales atómicos se superponen y así originan un orbital molecular de enlace. El orbital molecular formado está constituido por los dos núcleos de hidrógeno y que contiene dos electrones apareados (Figura 2), este orbital molecular origina lo que se conoce como un enlace covalente, dando la molécula de H2.

6

Superposición

Orbitales atómicos 1s, cada uno de ellos con un e-

H

H

1s

1s

H

H

Orbital molecular con dos ede spin opuesto

O

H

H

Figura 2. Formación de un orbital molecular

En esta teoría los electrones son considerados como ondas, por lo tanto un orbital atómico puede superponerse con el orbital atómico de otro átomo solo si ambos orbitales están en fase, el resultado es su refuerzo mutuo y la formación de lo que se conoce con el nombre de orbital molecular de enlace, el cual tiene una alta densidad electrónica en medio de los núcleos enlazados (Figura 3). La interacción entre dos orbitales atómicos fuera de fase conduce, por el contrario, a su interferencia, creándose un nodo entre ambos núcleos: se ha formado un orbital molecular de antienlace, donde es muy baja la probabilidad de poder encontrar un electrón en la zona internuclear (Fessenden et al., 1995). baja densidad de einterferencia

+ ˙

˙

˙

˙

Orbital σ* (antienlazante)

fuera de fase Energía potencial, E

alta densidad de e-

˙

+ ˙ en fase

Figura 3. Refuerzo e interferencia de dos orbitales 1s

refuerzo

˙

˙

Orbital σ (enlazante)

Desde el punto de vista energético, la formación de orbitales moleculares son la suma de orbitales atómicos para generar nuevos niveles de energía donde colocar los electrones. En el caso sencillo de la molécula de hidrógeno, los orbitales atómicos interactúan para formar un orbital molecular 7

de mayor estabilidad (menor contenido de energía) que los orbitales atómicos originales, llamado orbital de enlace, y otro orbital molecular de menor estabilidad (mayor contenido de energía), llamado orbital de antienlace. En esta molécula el enlace es del tipo sigma (σ) o enlace sencillo cuya principal característica es un traslapamiento direccional de los orbitales (Figura 4).

Orbital de anti-enlace de H2

σ* Energía potencial, E

1s

1s σ

Orbitales atómicos de ambos H Orbital de enlace de H2

σ* Energía potencial, E

1s

↑↓

σ

1s dos e- en el orbital de energía mínima

Figura 4. Energía relativa de los orbitales atómicos de H

De forma particular el contenido de energía de la molécula de H2 en el orbital de enlace (σ) es menor a la energía de los dos átomos de hidrógeno separados, pero la energía del orbital de antienlace (σ*) es aún superior a las dos anteriores. Un orbital molecular sigma (σ) es aquel orbital molecular simétrico, es decir, cuando se enlazan dos átomos de hidrógeno posee simetría sobre el eje del enlace que une los núcleos.

Cada orbital puede contener hasta dos electrones, por lo cual los dos electrones que da origen al enlace σ de la molécula de hidrógeno residen en el orbital enlazante en el estado normal (no excitado).

8

Los orbitales moleculares asociados con los enlaces sencillos en las moléculas orgánicas se designan como orbitales sigma (σ) y los orbitales que los llenan son del tipo σ. El doble enlace en una molécula orgánica contiene dos tipos de orbitales moleculares: un orbital sigma (σ) y un orbital molecular pi (π) asociado con el otro par (Figura 5). Los orbitales π se forman por el solapamiento paralelo de orbitales p atómicos, el cual genera un orbital molecular π de enlace y otro de antienlace (Raymond, 2002; Skoog et al., 2008).

Figura 5. Distribución electrónica de los orbitales moleculares σ y π

En efecto, el solapamiento o interacción entre dos orbitales atómicos p puede tener lugar lateralmente para dar lugar a dos orbitales moleculares del tipo π, uno enlazante, de menor energía que los orbitales atómicos de partida, y otro antienlazante, de mayor energía y con un nodo. Esto es, los dos orbitales atómicos p puede orientarse de tal manera que sus lóbulos del mismo signo queden al mismo lado de su plano nodal reforzándose o en lados opuestos. Este tipo de orbitales moleculares forman los dobles enlaces.

2.3

Sistemas orgánicos π-conjugados

Dentro de las moléculas orgánicas los átomos de carbono tienen la capacidad de formar enlaces carbono-carbono sencillos, dobles y triples, también pueden unirse entre sí formando cadenas o anillos. Un tipo interesante de moléculas orgánica son aquellas que se le conocen como πconjugadas, estas tienen de forma general una estructura donde enlaces sencillos y dobles se alternan. Este tipo de moléculas se caracterizan por ser fácilmente polarizables, por lo que sus

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electrones se mueven a lo largo de la cadena conjugada. Esta propiedad de los electrones π de participar en varios enlaces (deslocalización) incrementa la entropía del sistema (Díaz, 2002). Ejemplos de moléculas conjugadas son los polienos lineales, las moléculas aromáticas y las heteromoléculas. En área de los materiales, las moléculas orgánicas π-conjugadas son las que se han empleado para aplicaciones tecnológicas, debido a una serie de propiedades básicas como su color (absorción en la región del visible) y su lumiscencia (emisión). Todas las moléculas conjugadas con más de tres enlaces por lo general son coloridas y de forma general se les conoce como cromoforos (Wang et al., 1993). La mayoría de las moléculas orgánicas con sistemas π conjugados presentan luminiscencia, estas pueden ser moléculas de bajo peso molecular como los monómeros o bien macromoléculas lineales constituidas de eslabones de monómeros llamados polímeros. La electroluminiscencia en las moléculas orgánicas se observa cuando la molécula emite luz bajo el efecto de un potencial eléctrico, la termoluminiscencia es provocada por el calentamiento y la fotoluminiscencia es la emisión de luz promovida por la absorción de fotones. Las moléculas orgánicas que poseen sistemas π conjugados tienen la capacidad de absorber energía como la radiación electromagnética en el rango de la luz visible o del ultravioleta, lo que promueve a los electrones de un estado basal a un estado electrónico excitado, pasando los electrones de un nivel de energía baja a uno de más alta, lo cual por lo general es del orbital ocupado de más alta energía al desocupado de más baja energía. Esta excitación provoca que la molécula adquiera energía, la cual después busca regresar a su estado fundamental y esto se logra liberando energía en forma de luz (fluorescencia) o calor (Rodenberger, 1992).

Las características principales de los fluorocromos es que deben de tener un espectro de absorción y emisión bien definidos; existe una diferencia entre los picos de absorción y emisión de un fluorocromo. De forma general la absorción de una molécula es a una longitud de onda menor que la emisión de esta misma. En el caso de la fosforescencia una vez que el material es iluminado, la emisión puede persistir durante un tiempo determinado apreciable tras retirar la

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iluminación, mientras que la emisión de fluorescencia, cesa inmediatamente después de que la excitación se apaga (Singh, 2001).

2.3.1 Interacción de la energía con los sistemas conjugados La luz forma parte de un rango muy amplio, denominado el espectro electromagnético (Figura 6), este se ha dividido en diferentes regiones y se utilizan dos parámetros comunes: frecuencia y longitud de onda. Casi todas las partes del espectro electromagnético, desde la región de los rayos X hasta la de las microondas y las ondas de radio se utilizan para dilucidar las estructuras de los átomos y las moléculas (McMurry, 2008).

Figura 6. Diagrama del espectro electromagnético

Cada tipo de radiación electromagnética, por ejemplo, las ondas de radio, ultravioleta, infrarrojo, visible, etc., tienen tanto las propiedades de una onda como de una partícula. La radiación electromagnética puede ser descrita como una onda que ocurre simultáneamente en campos eléctricos y magnéticos y también puede ser descrito como si consistiera en partículas llamadas cuantos o fotones. La longitud de onda (λ) o la frecuencia (v) son usadas para describir una onda. La distancia entre consecutivas crestas es la longitud de onda de la radiación electromagnética la cual se expresan en metros (m), milímetros (1 mm = 10-3 m), micrómetros (1 µm = 10-6 m) o nanómetros (1 nm = 10-9 m).

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Además de su longitud de onda, la radiación también puede ser caracterizada por su frecuencia (v), la cual es definida como el número completo de ciclos por segundo también llamado Hertz. Por lo tanto, cuanto mayor sea la frecuencia de la radiación, mayor será su energía (Rayos-X son mas energéticos que los rayos de la luz visible). La radiación de longitud de onda larga tiene menor energía a comparación de la longitud de onda baja la cual contiene mayor energía (Kalsi, 2004).

Los átomos, moléculas y materias interaccionan con la radiación electromagnética (o fotones) y dependiendo de la frecuencia pueden ocurrir diferentes procesos en los cuales los núcleos, los electrones o los átomos absorben los fotones y ocurre una transición cuantizada desde los estados fundamentales comúnmente hacia estados excitados; a cada uno de estos estados corresponde un determinado nivel de energía, y la diferencia entre ellos está relacionada con la energía de los fotones absorbidos. Igualmente pueden ocurrir los procesos de emisión de fotones desde los estados excitados a los estados fundamentales. Estos procesos tanto de absorción como de emisión son utilizados en las diferentes espectroscopias, que proveen mucha información sobre el comportamiento de la materia (Figura 7).

Las distintas técnicas espectrométricas que se utilizan para estudiar a las moléculas orgánicas vienen dadas por el tipo de energía que es utilizada para promover algún tipo de excitación [2].

Figura 7. Los átomos absorben (a) o emiten fotones (b) con la energía correspondiente al salto de un orbital a otro

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2.3.1.1 Espectrofotometría ultravioleta y visible La difracción de rayos X, la espectroscopia en el infrarrojo (IR) y la resonancia magnética nuclear (RMN) son técnicas para la determinación de estructuras, aplicables a todas las moléculas orgánicas. Además de estos tres métodos generalmente útiles, hay un cuarto: la espectroscopia en el ultravioleta (UV), que sólo es aplicable a los sistemas conjugados.

La región ultravioleta del espectro electromagnético se extiende del extremo de la longitud de onda baja en la región visible 400 hasta los 800 nm, pero el intervalo angosto de 200 a 600 nm es la porción de mayor interés para los químicos. Las absorciones en esta espectroscopia suelen medirse en nanómetros (nm).

Las principales características de una banda de absorción son su posición e intensidad, en cuanto a su posición de la absorción corresponde a la longitud de onda de la radiación cuya energía es igual a la necesaria para la transición electrónica. La intensidad depende de dos factores: la interacción que existe entre la energía de radiación y el sistema electrónico para pasar del estado fundamental al estado excitado, así como la polaridad del estado excitado (Silverstein et al., 2000).

Las características de absorción de las moléculas orgánicas dependen de las transiciones electrónicas que pueden ocurrir y lo cual está relacionado directamente con la cantidad de energía necesaria para que esto ocurra. Como antes se mencionó se necesita cierta energía para promover o excitar un electrón de un orbital de baja energía a un orbital de mayor energía. En la Figura 8 se muestra los distintos tipos de excitación electrónica que puede ocurrir en las moléculas orgánicas, como regla general un electrón favorecido energéticamente ocupará un orbital molecular alto (HOMO) que pasará a un orbital molecular desocupado de baja energía (LUMO), la especie resultante se denomina un estado excitado.

Al conjunto de átomos de una molécula que contienen electrones capaces de absorber energía y excitarse para luego emitir este tipo de energía en forma de luz visible se les conoce como cromóforos. Cuando una molécula absorbe longitudes de onda de luz visible y transmite otras la

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molécula presenta color, es por eso que el cromóforo pertenece al rango del espectro visible (Silverstein, 2000).

Figura 8. Niveles de energía electrónica

2.3.2 Aplicaciones de los sistemas orgánicos π-conjugados Las moléculas orgánicas con sistemas π-conjugados constituyen una nueva generación de componentes para la fabricación de materiales funcionales con numerosas aplicaciones ligadas a las propiedades que presentan (Figura 9). Una de las grandes ventajas que ofrece este tipo de materiales es la posibilidad de modular dichas propiedades mediante el diseño molecular, es decir, la introducción de sustituyentes con la finalidad de favorecer ciertas características como sus propiedades químicas, ópticas, eléctricas, magnéticas, mecánicas o iónicas.

Existe una relación entre la síntesis química, los nuevos materiales orgánicos eléctrica, magnética y/u ópticamente activos que de ella resultan las enormes posibilidades tecnológicas que de ellos derivan. Propiedades como la conductividad eléctrica, y la posibilidad de ser dopados reversiblemente hacen de los materiales orgánicos componentes electrónicos útiles para el desarrollo de baterías, sensores, dispositivos electrónicos (diodos, transistores) o células fotovoltaicas entre muchas de las aplicaciones que se le pueden dar a este tipo de materiales. (Pearce et al., 2003).

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Figura 9. Aplicaciones de moléculas orgánicas con sistemas π conjugados

A continuación se presentan una serie de ejemplos de aplicaciones tecnológicas de los materiales orgánicos π-conjugados, que han adquirido gran relevancia en los últimos años y que se han seguido investigando actualmente.

2.3.2.1 Dispositivo electroluminiscente El interés principal sobre la construcción de estos dispositivos es debido a la alta flexibilidad mecánica de los materiales orgánicos lo que posibilita la deposición de capas sobre sustratos flexibles, a los fenómenos de electroluminiscencia en diversas longitudes de onda y la alta conductividad, exhibida por polímeros y moléculas orgánicas (Cuéllar et al., 2009).

La estructura básica de un Dispositivo Electroluminiscente, OLED (diodo orgánico emisor de luz), consiste en una o más capas orgánicas semiconductoras situadas entre dos electrodos. Estos materiales orgánicos pueden ser polímeros o moléculas de pequeño tamaño. Por otro lado, el electrodo negativo, cátodo, está constituido por un metal o aleación de metales, mientras que el ánodo o electrodo positivo es un conductor ópticamente transparente, de forma que la luz generada por el dispositivo pueda detectarse a través de su superficie (Figura 10).

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Figura 10. Dispositivo de una sola película

Para que el fenómeno anterior pueda producirse, es necesario que el material orgánico que forma esa película sea fluorescente o fosforescente. Otra condición indispensable, es que las energías entre su HOMO y LUMO de esta molécula respecto a los niveles de energía de ambos electrodos sean cercanas, ya que en caso negativo, estos electrodos no serían capaces de introducir o quitar electrones a la película [3]. Los dispositivos orgánicos electroluminiscentes son una alternativa para la fabricación de las pantallas de cristal líquido, debido a sus propiedades y métodos de procesamiento, permiten la fabricación de pantallas de dimensiones grandes y flexibles (Figura 11). Las ventajas de los OLED para aplicaciones de visualización son: colores más brillantes y mayor contraste, menor costo, mayor ángulo de visión, menor consumo de energía y flexibilidad mecánica (aplicación excepcional como pantallas flexibles que pueden ser enrolladas) (Vázquez et al., 2008).

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Figura 11. Pantalla flexible fabricada a base de OLED´s

2.3.2.2 Marcadores para microscopía multifotón Las propiedades fluorescentes de las moléculas orgánicas las hacen atractivas para aplicaciones en el área biológica, ya que pueden ser utilizadas en la técnica de microscopia de fluorescencia como agentes de contraste; este microscopio se basa en el uso de una sustancia fluorescente, molécula orgánica que sea estimulada por un haz de luz produciendo la emisión de parte de la energía absorbida lo que provoca que el objeto estudiado emita luz y por medio de algunos filtros con esta radiación emitida se forme una imagen. El desarrollo de estos agentes de contraste resultan de gran importancia para que las técnicas modernas resulten capaces de leer los estados fundamentales de la células y una mejor visión de sus procesos, por eso la fluorescencia de las moléculas orgánicas es aplicada para la fabricación de biomarcadores, ofreciendo la posibilidad de detectar selectivamente distintas moléculas dentro de las células o tejidos [4]. Los biomarcadores fluorescentes son un gran recurso para examinar proteínas, enzimas, material genético, entre muchos otros; por ejemplo, las células se pueden teñir con fluorocromos específicos para después examinarlos por microscopía de fluorescencia para localizar una proteína de interés y nos pueden proporcionar información clave para conocer la función proteica. También pueden ser observadas simultáneamente varias estructuras de células o tejidos tiñendo la muestra con dos o más biomarcadores fluorescentes, donde cada fluorocromo marca una determinada estructura.

La fluorescencia de un fluorocromo dado que depende de la eficiencia con la cual absorba y emita fotones, y de su habilidad para sufrir repetidos ciclos de excitación-emisión, resulta de gran

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importancia determinar su fotoestabilidad (Martínez et al., 2006). Es importante que la emisión de fluorescencia del fluorocromo no dependa de factores ambientales tales como iones y pH. Un fluorocromo ideal debería ser químicamente estable, que se asocie específicamente con la estructura de interés para ser observada, provea de una señal fuerte y sea resistente al fotoblanqueamiento. El fotoblanqueamiento es la alteración irreversible de la fluorescencia de un fluorocromo dado por un haz de láser o bien por la intervención de radicales libres que lo inhabilitan, el proceso contrario al fotoblanqueamiento es la fotoactivación (Maestú et al., 2008).

El microscopio de fluorescencia es un microscopio óptico que permite observar la fluorescencia emitida por algunos materiales, ha sido adaptado para el uso de fluorocromos como biomarcadores especialmente de células y tejidos (Figura 12).

Figura 12. Energía emitida por los fluorocromos con los que fueron marcados las células, observada por microscopía de fluorescencia

Una desventaja de los fluorocromos utilizados como biomarcadores, es que se excitan con longitudes de onda en la región UV las cuales son altamente energéticas, lo que provoca la destrucción de las células, además de que este tipo de luz es fuertemente absorbida por el tejido lo cual limita el acceso a capas más profundas. (He et al., 2008).

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Actualmente existe un gran interés por una nueva técnica de microscopia la cual se basa en la fluorescencia del material para la producción de imágenes, esta microscopia se denomina microscopía multifotón y consiste en la absorción por parte del fluorocromo de dos o más fotones de menor energía para producir fluorescencia. Para que se produzca éste fenómeno, el tiempo entre los dos fotones debe ser del orden de 10 attosegundos (10-19), que es la vida media del electrón en los estados altos en energía provocados por la absorción de cada fotón individual (Figura 13). Por lo tanto, si dos o más fotones llegan en ese lapso corto de tiempo, su energía se sumará y el fluorocromo podrá ser excitado eficientemente para que posteriormente produzca fluorescencia. La fluorescencia por excitación multifotón no se da de forma natural ya que es necesario fuentes pulsantes de luz de alta intensidad como la producida por un láser [4].

Figura 13. Diagrama mostrando la excitación de a) un fotón y b) multifotón

El que se lleve a cabo el proceso de fluorescencia promovido por la absorción de un fotón altamente energético simplemente se requiere un fluorocromo que pase del estado fundamental a un estado excitado. Este proceso requiere fotones en el rango espectral UV o azul/verde. Sin embargo, el mismo proceso de excitación puede ser generado por la absorción simultánea de dos fotones menos energéticos pero con suficiente intensidad como la producida por un láser (So, 2002).

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La principal ventaja que presenta la microscopia multifotón es que la excitación se encierra en el punto de enfoque del haz donde se concentra el mayor número de fotones, (Figura 14) lo que implica una mayor sensibilidad al recolectar mayor número de fotones y esto produce imágenes de mayor definición (Williams et al., 2001).

Figura 14. La emisión de fluorescencia se produce en el punto donde el haz está enfocado

El microscopio multifotón por necesidad tiene como fuente de excitación un láser que al enfocarse en un plano, concentra una gran cantidad de fotones de poca energía (infrarrojo) en pulsos extremadamente cortos (femtosegundos) y una gran intensidad (80 Hz); la fuente de radiación puede sintonizarse seleccionando una longitud de onda entre aproximadamente 700 y 950 nm, lo que corresponde a longitudes de onda de excitación en procesos de absorción de un fotón entre 350 y 475 nm (Figura 15).

Este equipo tiene un gran impacto en áreas como la fisiología, la neurobiología, la embriología y la ingeniería de tejidos. Clínicamente, la microscopía puede encontrar una aplicación en la biopsia óptica no invasiva, técnica para lo cual se requiere alta velocidad de imágenes de alta calidad, en biología celular las aplicaciones más prometedoras son las que se basan para producir reacciones localizadas químicamente.

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Figura 15. Esquema de un microscopio multifotón

Esta técnica microscópica ha provocado que se estudien moléculas orgánicas conjugadas que sean altamente fluorescentes y con propiedades de absorción multifotón para que sean empleadas como agentes de contraste, de manera más prometedora cuando estas moléculas orgánicas se encuentran en forma de materiales nanométricos. El gran inconveniente de este tipo de moléculas es su insolubilidad en disolventes biocompatibles, por lo que se han realizado investigación con el fin de desarrollar procesos de fabricación que permitan la estabilización de este tipo de materiales en un medio biocompatible para su estudio, como el agua, con la finalidad de aplicarlos en microscopia multifoton para muestras vivas.

2.4 Materiales orgánicos nanoestructurados La nanociencia y la nanotecnología se presentan como un área nueva de investigación en el estudio de los materiales. El descubrimiento de la nanotecnología usando materiales orgánicos ha sido de gran importancia porque radica en que el mundo nanométrico de estos materiales puede adquirir o realzar propiedades diferentes a las que tienen a escala macroscópica.

La nanociencia es el estudio de los fenómenos y la manipulación de materiales a escala nanométrica y la nanotecnología es el diseño, caracterización y aplicación de las estructuras,

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dispositivos y sistemas complejos mediante el control de la forma, tamaño y las propiedades de la materia a escala de nanómetros. Se han descubierto fascinantes fenómenos y aplicaciones de los nanosistemas, las cuales nos ayudan a diseñar novedosos materiales para componentes en electrónica, avances fundamentales con aplicaciones en la física, la química, la biología molecular, la medicina, el medio ambiente, las industrias químicas, las farmacéuticas, etc. (Mendoza et al., 2007).

Avances en la síntesis química y en los métodos para la investigación y manipulación de las moléculas individualmente y pequeños conjuntos de moléculas ha producido mayores avances en el campo de los nanomateriales orgánicos, y de gran importancia resulta el acomodo de los átomos y/o partículas, desde la escala atómica o molecular hasta la escala macroscópica. Los nuevos conocimientos sobre propiedades ópticas y electrónicas de las moléculas obtenidas por diversos métodos de fabricación han estimulado a los químicos para concebir y realizar nuevos diseños moleculares y supramoleculares, además de que los métodos han tratado de explotar las propiedades de estos materiales orgánicos en dispositivos optoelectrónicos y modelos para los nuevos dispositivos a nanoescala.

Los nanomateriales son materiales funcionales que se componen de objetos con al menos una dimensión inferior a 100 nm y hablar de objetos de esa índole sólo puede referir a átomos y moléculas. Estos objetos pueden ser tanto las nanopartículas (ensambles pequeños de moléculas) o incluso moléculas individuales (Grimsdale et al., 2005). En los últimos años, el número de estudios de nanomateriales orgánicos se ha incrementado, pero la mayoría de estos estudios se centran en monómeros y polímeros (Hong et al., 2001).

Cuando el tamaño de un material es reducido hasta micrómetro o bien nanómetros, se espera que sus propiedades físicas y químicas cambien, el tamaño crítico frecuentemente determina la calidad de las propiedades que son sensibles a la estructura. Los componentes orgánicos en contraste con los metales o compuestos inorgánicos tienen ventajas como bajo costo de procesamiento y flexibilidad de manejo. Un ejemplo son las propiedades mecánicas como la resistencia y dureza, típicas en microestructuras que son más efectivas en precipitados o suspensiones de dimensiones de nanoescala.

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Por ejemplo se ha descubierto que los polímeros orgánicos conjugados presentan propiedades de conductividad, gracias a esto reciben gran atención. Los polímeros conjugados se han propagado ampliamente para aplicaciones relacionadas con su conductividad, foto o electroluminiscencia, la generación de carga de luz inducida tal como los dispositivos emisores de luz o muestras fotovoltaicas, sensores químicos de complejidad variable que afecte su estructura o función. Otra característica que podemos encontrar en este tipo de nanomateriales es la fotoluminiscencia, que es muy notable en las nanopartículas (Percher et al., 2001).

Las nanopartículas fluorescentes han recibido considerable atención en el ámbito de la biología y en aplicaciones de detección, dichas partículas son interesantes debido a su pequeño tamaño, en especial porque sus propiedades fluorescentes se pueden ajustar mediante la variación de su tamaño y composición. Además, las nanopartículas fabricadas a partir de moléculas orgánicas pueden ser modificadas en su superficie, permitiendo su afinidad de unión para adaptarse a diferentes ambientes (Kaeser et al., 2010).

Un ejemplo de aplicaciones son los biomateriales usados en la reparación de tejidos, hidrogeles inteligentes, aplicables en la ingeniería de tejidos, implantes médicos para diagnósticos y terapia, para la dosificación de medicamentos in-vivo (Horkay, 2008). Otra aplicación es la terapia fotodinámica, la cual se basa es una emisión de baja potencia, es decir una luz emitida por el sistema activo fotorreceptor, lo cual provoca una cascada de respuestas biológicas que transforman estructuras celulares o las elimina. En el campo de las aplicaciones tecnológicas tenemos la operación de dispositivos en los que se pueden ocupar dichos nanomateriales como por ejemplo en el caso de la eficiencia de los diodos emisores de luz orgánicos, o los procesos de separación de cargas en celdas fotovoltaicas (Skotheim et al., 2007).

2.5 Métodos de fabricación de nanomateriales. Se pueden utilizar varios métodos para fabricar nanomateriales, ejemplos de estos métodos son por plantilla dura, por plantilla blanda, síntesis por aspersión de plasma, ablación láser, por reprecipitación y nanoesferas de sílice dopadas, entre muchos otros.

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2.5.1 Método de la Plantilla Dura Por este método de síntesis se han preparado nanofibras o nanotubos y nanocables de materiales orgánicos conductores (Sheng et al., 2008). Se requiere una plantilla de membrana generalmente para guiar el crecimiento de los nanomateriales dentro de los poros o canales de la membrana, dando lugar a nanoestructuras donde se tiene un control de la morfología y el diámetro, dominado por los poros o canales (Figura 16). Las ventajas que presenta este método es que se trata de una herramienta general para preparar nanoestructuras de metal, semiconductores y polímeros conductores que pueden ser sintetizados químicamente controlando el diámetro de las nanoestructuras. Por otro lado, las desventajas del método es que al utilizar una plantilla requiere un post-procesamiento para eliminarla, de forma que complica el proceso de preparación ya que al retirar la plantilla a menudo puede ocurrir que se destruya o se modifiquen las nanoestructuras formadas y la cantidad de las nanoestructuras producidas; este método es limitado por el tamaño de la membrana de la plantilla así que esta situación limita la producción a gran escala (Xia et al., 2001).

Figura 16. Esquema del método de la plantilla dura para la síntesis de diferentes nanoestructuras

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2.5.2 Método de la plantilla blanda El método de plantilla blanda también es conocido como el método de auto-ensamblaje, es económico y eficaz para la fabricación de nanomateriales orgánicos. Se basa en el control selectivo de interacciones no-covalentes, tales como enlaces de hidrógeno, fuerzas de Van der Waals e interacciones π-π que provocan el apilamiento de moléculas. Utiliza surfactantes, el cual ayuda a estabilizar la molécula en un medio en el que esta no es compatible. En este método el tamaño de equilibrio y la forma de los agregados son controlados por el volumen y la longitud de la cola del surfactante que produce el núcleo hidrofóbico (Figura 17). La capacidad de autoensamblaje de los surfactantes o también conocidos como tensioactivos produce una gran cantidad de micelas de surfactante que actúan como una suave plantilla para la fabricación de nanomateriales (Xia et al., 2001).

Figura 17. Método de la plantilla blanda para la síntesis de diferentes nanoestructuras

2.5.3 Síntesis por aspersión de plasma Este método de aspersión de plasma se ha utilizado para sintetizar varios polvos nanocristalinos, de forma general, utiliza un aspersor de plasma para inyectar un líquido atomizado que contiene

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las especies químicas dentro de un chorro de plasma. Se forman nanoaglomerados del material como resultado de una rápida solidificación y son colectados en forma de polvos después de pasar por un precipitador electroestático. Los polvos tienen formas de microagregados irregulares, el rango de tamaños que se pueden obtener son de 1 a 50 nm (Horkay, 2008).

2.5.4 Método de ablación láser Es una técnica para preparar nanopartículas orgánicas de tamaño controlado una vez establecidas las condiciones químicas y los parámetros ópticos, como la longitud de onda e intensidad del láser, disolvente, concentración y temperatura.

La longitud de onda de láser a la que se irradiará la muestra depende de la absorción que presenta la molécula en solución, se procura que la longitud de onda con la que se trabaja esté lo más cercana a la banda de absorción de la molécula. Cuando microscristales orgánicos son suspendidos en agua y expuestos a pulsos láser intensos se induce su fragmentación. Las partículas fabricadas son atrapadas por el agua y se estabilizan como nanocoloides por acción de un surfactante (Figura 18). El método de dispersión de compuestos insolubles como nanoagregados usando la ablación láser tiene aplicación en la liberación de fármacos insolubles o parcialmente solubles como los medicamentos o compuestos usados en las terapias quimo- y foto-dinámicas (Asahi et al., 2008).

Figura 18. Arreglo experimental del método de Ablación Laser

2.5.5 Método de reprecipitación Este método es de los más utilizados para la fabricación de nanoparticulas debido a su bajo costo y que no es necesario equipo sofisticado. Consiste principalmente en la fabricación de

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suspensiones acuosas a partir de una solución de la molécula. Consta de 4 elementos primordiales: La molécula orgánica a estudiar la cual es insoluble en agua. Un disolvente orgánico miscible con agua. El agua millipore por su ultrapureza. El surfactante.

En forma general el método consiste en que una pequeña cantidad de solución de la molécula se inyecta en una solución acuosa de surfactante, se debe realizar rápidamente y con agitación vigorosa con el fin de obtener una suspensión coloidal, esto se lleva a cabo por lo general dentro de un baño ultrasónico. El disolvente orgánico empleado se evapora por medio de vacío, esto se lleva a cabo porque como el disolvente rodea a la molécula al evaporarlo provoca que se acelere el proceso de formación de las nanopartículas.

El tamaño de la partícula se manipula al controlar diversos aspectos como la concentración de la solución de la molécula, la concentración del surfactante, la cantidad de solución que se inyecta y el tiempo de reposo de las suspensiones antes de filtrarla (Figura 19). Debido a que los materiales utilizados son muy hidrofóbicos, se forman pequeños agregados estables en medios acuosos ayudados por el surfactante que provoca que no precipiten. La molécula orgánica disuelta en un disolvente orgánico (THF) es inyectada en la solución de surfactante, al irse evaporando el disolvente orgánico las micelas de surfactante van rodeando la nanopartícula para estabilizarla. (Kaeser et al., 2010).

La desventaja que presenta este método de fabricación de nanopartículas es que al final se obtienen sistemas orgánicos rodeados del surfactante el cual por lo general es toxico para las células, situación que ha provocado el empleo de otros recubrimientos que sean biocompatibles.

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Figura 19. Mecanismo del método de reprecipitación

2.5.6 Método de nanoesferas de sílice dopadas con moléculas orgánicas Este método se basa en la fabricación de suspensiones acuosas partiendo de soluciones de la molécula orgánica las cuales por su insolubilidad en agua forman nanopartículas del tamaño de las micelas (molde) formadas por los surfactantes usados en esta técnica (Pecher et al., 2001).

Piao et al, (2008), señala que una vez formada la partícula dentro del molde se adicionan reactivos de silicio los cuales servirán para fabricar el recubrimiento de la molécula orgánica, este recubrimiento de sílice es hidrofóbico que tiene la característica de ser transparente a la luz visible y al infrarrojo además de no interferir en la transferencia de electrones de las transiciones electrónicas que provocan la absorción y por tanto la emisión de las moléculas orgánicas, es decir se formará una pared de sílice que rodeará la molécula ver (Figura 20).

Figura 20. Esquema de la fabricación de nanoesferas de sílice dopadas con la molécula orgánica

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3.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Y JUSTIFICACIÓN

Actualmente existe un gran interés por el desarrollo de materiales orgánicos fluorescentes que sean biocompatibles para emplearse como agentes de contraste en la microscopia multifotón. Los trabajos se han desarrollado en buscar la vía por la cual nuevas moléculas altamente fluorescentes puedan ser colocadas en células o tejidos para que funcionen como agentes de contraste, se sabe la limitante que tienen las moléculas orgánicas para poder disolverse en agua y por otro lado el daño que ocasiona a la célula el contacto como disolventes orgánicos. Para resolver este problema se han fabricado nanopartículas, para estas se aprovecha la incompatibilidad de las moléculas con el agua para generar suspensiones acuosas de material con ayuda de surfactantes que estabilicen las partículas. Además se han fabricado nanoesferas recubiertas con sílice siendo más compatibles en tejidos y células así mismo de que se protegen y el sílice no interfiere en cuanto a la intensidad de la fluorescencia.

Estudio de nuevos materiales orgánicos a escala nanométrica con potenciales aplicaciones biomédicas. Se ha trabajado en estudios interdisciplinarios de diseño, síntesis, preparación y caracterización de materiales con propiedades ópticas no lineales y fotoluminiscencia como son las nanopartículas y nanoesferas.

Recientemente se ha observado que algunos de las propiedades de los sistemas orgánicos conjugados, pueden ser modificadas si se estructuran a escala nanométrica. Usando la incompatibilidad de las moléculas orgánicas en el agua se pueden generar nanopartículas, entonces si se utiliza una substancia altamente fluorescente produciríamos partículas que pudieran conservar esta propiedad. El surfactante utilizado para estabilizar estas partículas afectara dicha propiedad de la molécula y que pasará si se encapsula dentro de una esfera de sílice este material.

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4. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS 4.1 Hipótesis

Las sustancias altamente fluorescentes conservan sus características si sus partículas se estabilizan y encapsulan en sílice.

4.2 Objetivo General

Evaluar el efecto en la preparación de suspensiones acuosas de nanomateriales orgánicos fluorescentes a partir de la molécula FG249 usando métodos de molde suave (reprecipitación) y de plantilla dura (nanoesferas de sílice).

4.3 Objetivos Específicos

Preparar nanopartículas de la molécula orgánica FG249 por el método de reprecipitación. Evaluar el efecto de los surfactantes CTAB, TRITON X-100 y albúmina en la estabilización de las nanoparticulas de FG249. Estudiar el efecto de la cantidad de FG249 inyectada en el tamaño de las partículas obtenidas por el método de reprecipitación. Producir nanoesferas de sílice dopadas con la molécula FG249. Caracterizar las suspensiones de nanopartículas y nanoesferas preparadas por espectroscopia de absorción UV y emisión de un fotón. Estimar el tamaño y morfología de las nanopartículas y nanoesferas fabricadas utilizando el Microscopio de Fuerza Atómica (AFM).

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METODOLOGÍA

La molécula orgánica derivada de fluoreno etiquetada como FG249 (Figura 21) es un monómero que contiene en su estructura un sistema π-conjugado, conformado por 2 unidades de fluoreno unidos por un anillo central de benzo[1,2,5]tiodiazol, su nombre químico es el 4,7-bis-(9,9dimetil-9H-fluoren-2-il)-benzo[1,2,5]tiodiazol y tiene un peso molecular de 520 gmol-1. Esta molécula fue preparada en el Laboratorio del Dr. Mikhail G. Zolotukhin del Instituto de Materiales de la Universidad Autónoma de México (UNAM).

Figura 21. Estructura química de FG249

5.1 Instrumentación El desarrollo experimental se realizó en los Laboratorios de Materiales y Espectroscopia del Grupo de las Propiedades Ópticas de la Materia (GPOM) del Centro de Investigaciones en Óptica (CIO). Para las mediciones de los espectros de absorción se usó un espectrofotómetro LAMDA 900 UV/Vis/NIR de Perkin Elmer, en el intervalo de 250 a 800 nm. Para la adquisición de los espectros se ocuparon celdas de cuarzo de 0.2 cm. Para las mediciones de los espectros de emisión se uso un arreglo de fotoluminiscencia montado dentro del laboratorio de espectroscopia. De forma general, dicho arreglo óptico consta de un haz de luz emitido por una fuente de excitación que se hace incidir sobre la muestra, la recolección de la luz emitida en respuesta a la excitación y del instrumento donde se detectará la señal recibida (Figura 22).

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Figura 22. Esquema de un arreglo de fotoluminiscencia

Durante la fabricación de nanopartículas y nanoesferas de sílice se empleo un baño ultrasónico 8892 Cole-Parmer, el cual trabaja a una frecuencia de 42 kHz por periodo de tiempo controlados.

Para la preparación de las nanoesferas se utilizó una parrilla eléctrica a temperatura ambiente y agitación constante Thermolyne Type 1000 Sitr Plate. Y además se utilizó una centrifuga marca SIGMA Laborzentrifugen 1-14.

Una vez preparadas las nanopartículas y las nanoesferas de sílice se elaboraron películas sobre sustratos de vidrio a partir de las suspensiones para poder estimar su tamaño y morfología usando el microscopio de fuerza atómica (AFM). Estas películas se prepararon dejando secar una gota de la suspensión sobre el sustrato de vidrio el cual se encontraba dentro de una caja Petri que contenía sílica gel, las partículas depositadas en forma de película se analizaron detalladamente a nivel nanométrico empleando el AFM Nanosurf easyScan 2, el tamaño de la región escaneada fue dependiendo de las suspensiones ocupadas.

Así mismo, para realizar una estimación rápida de los tamaños de las nanopartículas y las nanoesferas fabricadas fueron empleadas membranas de filtración de 0.5 y 0.25 micras.

5.2 Reactivos Los disolventes empleados son Tetrahidrofurano (THF) y N-metil-2-pirrolidona (NMP), Tabla 1; los surfactantes CTAB, TRITON X-100, albúmina y dioctilsulfosuccinato sódico (AOT), Tabla 2; además del Co-surfactante 1-butanol; y los reactivos Trietoxivinilsilano (VTES) y (3aminopropil)trietoxisilano (APTES), Tabla 3; fueron obtenidos del distribuidor Sigma Aldrich Chemicals y usados sin algún tratamiento de purificación previo.

32

En la preparación de nanopartículas se utiliza el agua millipore, esto se debe a que es una sustancia ultrapura (tipo I) que ha pasado por varias etapas de purificación, en cada etapa se elimina una gama de contaminantes, tiene una cantidad de microorganismos menor a 1 cfu/mL (unidad de colonias formadoras/mililitro), las partículas presentes miden menos de 0.22 µm y el nivel de carbono orgánico total es inferior a 10 ppb.

Para la fabricación de las nanoesferas se ocupa el agua desionizada o desmineralizada la cual se le han quitado los cationes que contiene comúnmente, como sodio, calcio, hierro, cobre y otros, y aniones como el carbonato, fluoruro, cloruro, etc. mediante un proceso de intercambio iónico.

Tabla 1. Disolventes empleados en la fabricación de nanomateriales

Preparación de

Disolvente

Formula

PM

Condensada

Nanopartículas

Tetrahidrofurano

C4H8O

Punto de ebullición

72.11

66°C

gmol-1

(THF)

Características

Disolvente dipolar aprótico protofílico, es por eso la compatibilidad con el agua

Nanoesferas

N-metil-2pirrolidona (NMP)

C5H9NO

99.1 gmol-1

202°C

Disolvente atrópico y de baja volatibilidad

33

Tabla 2. Surfactantes empleados en la fabricación de nanomateriales

Preparación de

Surfactante

Formula

PM

Características

Condensada

Nanopartículas

Bromuro de

C19H42NBr

cetiltrimetilamonio

364.5

Surfactante catiónico el cual

-1

forma micelas, la molécula

gmol

(CTAB)

puede realizar interacciones hidrofílicas e hidrofóbicas agrupándose dentro de una solución acuosa.

Nanoparticulas

Polyetoxilato de

C14H22O(C2H

647

Surfactante no iónico que

octifenol (TRITON

4O)n

gmol-1

tiene un grupo hidrofílico

X-100)

(oxido de polietileno) y un grupo

hidrofóbico

(1,1,3,3

(4-

tetrametilbutil)

fenil).

Nanoparticulas

Albúmina Sérica

66.382

Bovina

Da

Proteína constituida por 607 aminoácidos

de

forma

alargada.

Nanoesferas

Dioctilsufosuccinato sódico (AOT)

C20H37NaO7S

444.56

Conocido como sodio 1,4-

gmol-1

bis

(2-etilhexoxi)

-1,4-

dioxobutano-2-sulfonato. Apariencia

blanquecina,

similar a la cera sólida.

34

Un reactivo utilizado como un co-surfactante en la fabricación de las nanoesferas de sílice es el 1-butanol, conocido también como alcohol n-butílico, de fórmula C4H10O y de peso molecular 74.121 gmol-1. Es un líquido incoloro con un punto de ebullición de 118°C, su solubilidad en agua es de una porción de 79 g por litro, es decir, presenta una buena solubilidad en agua y su principal función es ayudar a disolver el AOT en el agua.

Tabla 3. Reactivos empleados en la fabricación de nanoesferas

Reactivo

Formula

PM

Punto de

Condensada

Trietoxivinilsilano (VTES)

C8H18O3Si

Características

ebullición

190.31

123°C

gmol

-1

Empleado como bloque de construcción

para

preparación

de

la las

nanoesferas de sílice.

3-aminopropiltrietoxisilano (APTES)

C9H23NO3Si

221 gmol-1

223°C

Comúnmente

usado

para

promover la adhesión de los sustratos

de

sílica

y

materiales orgánicos.

5.3 Método de reprecipitación para la fabricación de nanopartículas orgánicas La fabricación de suspensiones acuosas de nanopartículas se realizó empleando el método de reprecipitación, esta técnica se basa en la insolubilidad de la molécula orgánica FG249 en un medio acuoso, además de la compatibilidad del disolvente orgánico THF usado con dicho medio y la incorporación de un surfactante para ayudar en la estabilización de las nuevas especies.

35

En este método se emplearon soluciones con diferentes concentraciones 0.1 mM y 1 mM de la molécula FG249 en THF, principalmente se trabajó en una concentración de 1 mM, con el fin de estudiar el efecto de la concentración de la molécula en el tamaño de las partículas preparadas.

De forma general el método se llevó a cabo inyectando cantidades pequeñas de la solución de FG249 dentro de un medio acuoso conteniendo diferentes surfactantes (CTAB, TRITÓN X-100 ó Albúmina), la finalidad de emplear algunos de estos surfactantes fue evaluar el efecto en el tamaño de las partículas obtenidas y además encontrar una suspensión que pueda ser biocompatible, para su posible aplicación como agentes de contraste en microscopia de fluorescencia.

Se utilizaron soluciones acuosas de los surfactantes: CTAB, TRITON X-100 o Albúmina, en agua millipore manejando 2 concentraciones, 0.8 y 0.08 mM. En cuanto al volumen de las soluciones en THF de la molécula FG249 inyectadas en las soluciones de surfactantes se utilizaron cantidades de 1 y 0.5 mL.

En la preparación de las nanopartículas se colocó dentro de un baño ultrasónico un vial conteniendo un volumen de 4 u 8 mL de solución acuosa de surfactante, manteniendo en agitación aproximadamente 30 minutos, durante ese tiempo se inyectó un volumen determinado (1 o 0.5 mL) de la solución de FG249 en THF de forma rápida. La suspensión se mantuvo en agitación hasta transcurrir los 30 minutos.

Finalizado el tiempo se retiró la suspensión del baño ultrasónico y se adquirió el espectro de absorción UV. Después se evaporó el THF usando una bomba de vacío, una vez evaporado el disolvente se tomó nuevamente el espectro de absorción UV. Algunas de las suspensiones preparadas se filtraron con membranas de 450 nm y 200 nm para estimar el tamaño de las partículas obtenidas basándose en los espectros de absorción UV.

5.4 Método de fabricación de nanoesferas de sílice dopadas con moléculas orgánicas Este método se basa en la síntesis de micelas para la fabricación de nanoesferas de sílice dopadas con material orgánica, los nanomateriales orgánicas se sintetizan en el núcleo no polar de las

36

micelas formadas por AOT/1-butanol preparadas en agua desionizada y se recubren con una pared de silice. La N-Metil-2-pirrolidona (NMP) se utiliza como disolvente hidrófilo que tiene miscibilidad en agua, de esta manera induce la compatibilidad de la molécula FG249 en el medio acuoso.

Se preparó una solución conteniendo 0.22 g de surfactante AOT, 300 µL del co-surfactante 1butanol y 100 µL de NMP en 10 mL de agua desionizada, esta solución se mantiene en agitación magnética durante todo el proceso. Después de unos minutos la solución formó una microemulsión de aceite en agua. Al sistema de microemulsión se adicionaron 200 µL de una solución de la molécula FG249 (10 mM) pasada media hora se adicionó 100 µL de VTES. Después de una hora, la reacción de polimerización se inició por la adición de 20 µL de APTES. Para asegurar la completa fabricación de las nanoesferas de sílice dopadas con FG249, la mezcla se agitó a temperatura ambiente durante 20 h

Empleando algunas modificaciones de esta técnica, se realizan una serie de experimentos para estudiar el efecto de varios factores tales como cantidad de material orgánico empleado y el efecto en el tamaño de las nanoesferas debido a la cantidad de surfactante usado, explicándose en la sección de resultados.

Obtenidas las suspensiones se procede a lavar las nanoesferas obtenidas para eliminar los disolventes orgánicos y los residuos de molécula. Se tomó 1 mL de cada suspensión y se colocó en microtubos, se centrifugó a 8000 rpm durante 10 min; se retira el sobrenadante y se deposita en otro microtubo para volver a centrifugar con una velocidad de 13500 rpm durante 20 min.; el precipitado obtenido a la velocidad menor se le adicionó 1 mL de agua desionizada para volver a dispersar, a los microtubos a los que se les centrifugo a 13500 rpm se retiró el sobrenadante el cual es el residuo y el precipitado se dispersa nuevamente con 1 mL de agua desionizada. Se obtuvieron los espectros de absorción UV a los sólidos obtenidos después de centrifugar a 8000 y 13500 rpm, además de las suspensiones originales.

Los resultados obtenidos fueron analizados con técnicas como la espectroscopia de absorción y emisión, así como la microscopía de fuerza atómica.

37

6

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

6.1 Obtención de nanopartículas orgánicas El espectro de la solución en THF (0.5 mL de FG249 a 0.1 mM + 7.5 mL de THF) muestra una absorción máxima en 414 nm, mientras que los correspondientes a las suspensiones tienen sus máximos en 404 y 405 nm, observándose un desplazamiento hacia el azul de 9 nm con respecto a la solución lo cual se tomó como el primer indicio de la obtención de las partículas (Figura 23).

414 nm

405 nm

Figura 23. Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una concentración de 0.1 mM en CTAB

Con la finalidad de estudiar el efecto de la concentración de molécula orgánica inyectada en la cantidad de partículas obtenidas se utilizó una solución de FG249 con una concentración de 1 mM, para este experimento se procedió a filtrar la suspensión con una membrana de un poro de 200 nm.

38

En la gráfica (Figura 24) se muestran los espectros de absorción para las suspensiones y la solución en THF. La solución fue preparada emulando la inyección en el disolvente orgánico (0.5 mL de FG249 1 mM en 7.5 mL de THF) dando una concentración de 6.5 x 10-5 M. La banda de absorción para la solución se encuentra en 415 nm, mientras que las correspondientes a las suspensiones están en 404 nm mostrando un desplazamiento hacia el azul de 11 nm, mismo comportamiento observado en el experimento anterior. Esta suspensión se filtró usando una membrana con un poro de 200 nm y se adquirió el espectro de absorción, el cual muestras que no hay disminución en la absorbancia y la posición de la banda respecto a las suspensiones sin filtrar. Este resultado indica que la mayor cantidad de partículas fabricadas con estas condiciones presentan un tamaño menor a 200 nm. Dentro de la Figura 24 también se muestra una fotografía de la suspensión preparada después de la filtración, mostrando el color amarillo típico de la molécula FG249.

415 nm

404 nm

Figura 24. Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una solución de CTAB, dentro una fotografía de la suspensión filtrada

39

De las suspensiones analizadas en la Figura 24 se tomó una gota y se depositó en un sustrato de vidrio para fabricar una película con el material de la suspensión, evaporando el agua dentro de una caja Petri conteniendo sílica gel; con un microscopio de fuerza atómica se analizó el tamaño y forma de las partículas que forman las películas. En la Figura 25a, se observa una partícula de gran tamaño pero al hacer la medición es de entre 5 a 10 nm, mientras que en Figura 25b se obtuvo con una escala menor y se pueden observar nanopartículas con una forma triangular y aún más pequeñas en forma de círculos.

a.

b.

Figura 25. Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG249/THF, 1 mM; en 8 mL de CTAB, 0.8 mM

Para continuar el estudio de la cantidad de molécula inyectada en la fabricación de las nanoparticulas se realizó el siguiente experimento por duplicado, colocamos en un vial 8 mL de CTAB 0.8 mM donde fueron inyectados 1 mL de una solución en THF de FG249 con concentración de 1 mM. El procedimiento para adquirir los espectros fue de forma similar a los anteriores casos y las curvas de absorción son mostradas en la Figura 26. En este caso se observa un aumento de la absorbancia para la banda de la suspensión evaporada debido a que se reduce el volumen de la suspensión en 1 mL, la posición de las bandas para las suspensiones muestra el típico desplazamiento hacia el azul de aproximadamente 10 nm con respecto a la solución. Una de las suspensiones preparadas se filtro con una membrana de 200 nm el mismo día de fabricación, observando una pérdida significativa de color, la cual se corroboro al adquirir el

40

espectro de absorción, lo cual indica que la gran mayoría de partículas obtenidas son mayores a 200 nm y fueron retenidas en la membrana (Figura 26).

416 nm 406 nm

Figura 26. Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una concentración de 1 mM en CTAB

La otra suspensión preparada bajo las mismas condiciones se dejó en reposo por 24 horas con la finalidad de evaluar el proceso de maduración. Después de dicho tiempo, la suspensión se filtró por una membrana de 200 nm, y los espectros de absorción son mostrados en la Figura 27. Los resultados indican que al filtrar la suspensión que reposo 24 horas la mayor cantidad de partículas tienen un tamaño menor a 200 nm, lo cual revela que el proceso de maduración ayuda a la estabilización de las partículas fabricadas.

41

406 nm 416 nm

Figura 27. Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una concentración de 1 mM en CTAB

Para estudiar el efecto del surfactante se realizó la fabricación de las suspensiones de nanopartículas en soluciones acuosas de TRITON X-100 a una concentración de 0.8 mM, inyectando 0.5 mL de la molécula en una concentración de 1 mM. Los espectros de absorción de las suspensiones y la solución fueron adquiridos y son mostrados en la Figura 28. La banda de absorción de las suspensiones inyectada y filtrada está en 409 nm y tiene un desplazamiento hipsocrómico de 8 nm con respecto a la solución en THF, dicho comportamiento es muy parecido al observado en las suspensiones preparadas usando CTAB como surfactante. La suspensión se filtro por una membrana de 200 nm y se observó una disminución en la absorbancia, estimando que más del 70% de las partículas preparadas tiene un tamaño menor al poro de la membrana usada, con respecto al posición de la banda de absorción esta varía en alrededor de 3 nm con respecto a las suspensiones.

Cabe destacar que al siguiente día se notó un cambió de coloración de amarillo a verde de la suspensión en TRITON X-100, así que se adquirió nuevamente el espectro de absorción,

42

observando que la absorbancia se incrementó considerablemente (Figura 28) lo cual esta relacionado con la estabilización y con el tiempo de maduración de las suspensiones.

415 nm 409 nm

Figura 28. Espectro de absorción que muestra la solución y las suspensiones de FG249 en una concentración de 1 mM en TRITON X-100 junto con una fotografía de la suspensión

La Figura 29 muestra dos imágenes tomadas en el AFM, de las películas preparadas a partir de la suspensión de nanopartículas fabricadas con el surfactante TRITON X-100 (0.8 mM). La Figura 29 a se adquirió escaneando 6 μm2 de la película donde se encontraron partículas que no tienen una forma uniforme y su altura se encuentra entre 2 y 4 nm. La Figura 29b es un escaneo de una superficie menor (3 μm2) donde se comprobó la pequeña altura que poseen las partículas fabricadas al encontrar partículas de entre 5 y 6 nm

43

a.

b.

Figura 29. Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG249/THF, 1 mM, en 8 mL de CTAB, 0.8 mM

Otro surfactante que se utilizó en el desarrollo de este trabajo es la albúmina. Para el uso de este surfactante hay que considerar la temperatura de operación ya que no debe sobrepasar los 30° C, esto se debe a que si la temperatura sube la albumina se desnaturaliza, ya que se trata de una proteína.

Una prueba interesante es analizar el efecto real del surfactante en la preparación y estabilización de nanopartículas fabricadas entonces se procede a preparar nanopartículas sin surfactante, se colocó 8 mL de agua millipore y se inyectó 0.5 mL de una solución de FG-249. Esta suspensión se observa como una suspensión homogénea, parecida a la suspensión en CTAB, pero al pasar el tiempo se observa que la suspensión en agua se modifica por completo, ya que las partículas se precipitan y se pueden ver a simple vista que son de mayor tamaño, esto se debe principalmente a que la molécula no es soluble en agua y sin surfactante no hay modificación de la tensión superficial del agua y esta hace una barrera entre las partículas provocando que se aglomeren y no puedan formar partículas de mayor tamaño.

En la Figura 30 se hace una comparación de las suspensiones con todos los surfactantes y la suspensión en agua. Notando primero que la albúmina no alcanza el mismo pico de absorbancia que las suspensiones en CTAB y TRITON X-100 ya que la concentración del surfactante es mucho menor. En el espectro de la suspensión en agua se observa que la banda de absorción no

44

parte de 0, esto se debe a que las partículas son de mayor tamaño y llevan a cabo el fenómeno de esparcimiento, es decir, un cambio en la dirección de la luz en múltiples ángulos durante su propagación a través de un medio, así cuando pasa un haz de luz dentro de la suspensión en agua las partículas por ser de mayor tamaño difractan la luz a diferentes ángulos y el equipo no lo distinga de una absorción real.

Las bandas de absorción de los diferentes surfactantes no varían tanto, el CTAB tiene una banda en 405 nm, el TRITON X-100 en 409 nm, la albúmina en 415 nm y el agua en 417 nm, observando de manera general que la molécula se comporta diferente de acuerdo a cada surfactante.

409 nm

405 nm

417 nm 415 nm

Figura 30. Espectro de absorción que muestra todas las suspensiones en los diversos surfactantes, además de la suspensión sin surfactante simplemente con agua

En la Figura 31 se muestra las suspensiones de FG249 con surfactante y sin surfactante a simple vista.

45

a)

b)

c)

d)

e)

Figura 31. FG249 en suspensión a) CTAB, b) TRITON X-100, c) albúmina, d) agua y e) solución en THF

En la Figura 32 se compara las suspensiones de FG249 con surfactante (CTAB) y sin surfactante, a simple vista e irradiadas por una lámpara UV; la diferencia más notoria se encuentra en las suspensiones irradiadas por la lámpara UV ya que en la suspensión sin surfactante podemos notar la formación de partículas de mayor tamaño.

Figura 32. Suspensiones de FG249, del lado izq. con el surfactante CTAB y en la parte derecha con agua

Los espectros de emisión de todas las suspensiones fueron obtenidos (Figura 33), observando que la albúmina presenta una banda de emisión a la misma longitud de onda que la correspondiente a

46

la solución en THF, además que el pico de emisión es menor debido a la concentración del surfactante (0.08 mM).

Figura 33. Espectro de absorción donde se muestra los espectros de emisión de todos los surfactantes y la solución en THF

Se tomaron los espectros de absorción de las soluciones acuosas de los surfactantes para compararlos con los correspondientes a las suspensiones de las nanopartículas y eliminar cualquier efecto que tenga el surfactante. Los espectros de absorción son mostrados en la Figura 34 donde se observa que los picos que se observan en las suspensiones no son debidos a la de los surfactantes, es decir que los surfactantes no alteraron los resultados que se muestran en los demás espectros.

Se hizo también una comparación con la solución en THF y el surfactante TRITON X-100, notando que los picos son muy distintos y confirmando que los picos obtenidos en las suspensiones corresponden a la molécula FG249. (Figura 35).

47

Figura 34. Espectro de absorción donde se muestra los diferentes surfactantes ocupados en la preparación de nanopartículas

Figura 35. Espectro de absorción donde se compara el surfactante (TRITON X-100) con la solución en THF

48

Ahora para poder comparar los resultados obtenidos en todos los surfactantes, soluciones de CTAB y TRITON X-100 se prepararon a una concentración de 0.08 mM, concentración que se maneja en la albúmina. Se inyecta en las soluciones de los 3 surfactantes 0.5 mL de la solución de THF de FG-249 con una concentración de 1 mM.

En la Figura 36 se muestran los espectros de la suspensión preparada en CTAB, cuando se preparó, después de evaporar el disolventes (THF), un día y 3 días después, en donde se observa que no existe ningún cambio en la posición de la banda de absorción (410 nm) pero si en la intensidad del pico de absorbancia; esto se debe a que el THF se evaporó por completo, así mismo se comparó con la solución en THF la cual presenta una banda de absorción de 417 nm.

417 nm 410 nm

Figura 36. Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones en CTAB 0.08 mM transcurrido los días

Las siguientes imágenes (Figura 37) fueron tomadas en el AFM y las muestras fueron preparadas a partir de la suspensión de FG249 en CTAB 0.08 mM, el tamaño de las partículas varían y de

49

manera general tienen morfología de triángulo, los cuales tienen una altura entre 7 a 8 nm aproximadamente.

Figura 37. Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG249/THF, 1 mM, en 8 mL de CTAB, 0.08 mM

En la Figura 38 se observa las suspensiones en TRITON X-100, al igual que el CTAB se tomó los espectros de absorción el mismo día en que se inyectó, a las 24 horas y después de 3 días. Observando que la curva del tercer día muestra un pico de mayor intensidad a las correspondientes a días anteriores debido probablemente a la estabilización de las nanopartículas, así como la completa evaporación del disolvente, las suspensiones poseen una banda de absorción en 411 nm, que se desplaza hacia el azul en comparación al pico de la solución

De esta suspensión también se prepararon películas y se analizaron usando el AFM (Figura 39) las imágenes muestran que en este surfactante se formaron 2 tipos de partículas: una de forma no definida y otra en forma de triángulos. Un análisis de las imágenes se midieron y las partículas varían de 4 hasta 7 nm.

50

417 nm 411 nm

Figura 38. Espectro de absorción y fotografía de las suspensiones en TRITON X-100 0.08 mM

Figura 39. Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG249/THF, 1 mM, en 8 mL de TRITON X-100, 0.08 mM

Para la preparación de las suspensiones utilizando albúmina (Figura 40) no se muestra un cambio considerable, esto es debido a que estas suspensiones de albúmina se mantienen a temperatura baja y esto provoca que el THF sea difícil de evaporar. Los picos de absorción se encuentran en 51

423 nm, mientras que la solución en THF tiene una banda de absorción de 417, se puede comprar con los demás surfactantes que los anteriores se van hacia longitudes de onda baja mientras que el surfactante albúmina se va hacia longitudes de onda alta comparándolo con la solución de la molécula. Este resultado puede indicar que en este surfactante la molécula está rodeada por la proteína además de que presenta ciertos contactos intermoleculares los cuales provocan que cambien sus energías necesarias para llevar a cabo la transición electrónica.

423 nm 417 nm

Figura 40. Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones en Albúmina 0.08 mM

Al igual que en todas las anteriores suspensiones se prepararon películas y se tomaron imágenes usando el AFM (Figura 41) observando que para las suspensiones preparadas con albúmina como surfactante, las partículas lucen de formas irregulares y de diferentes tamaños. Haciendo una aproximación la mayoría de estas partículas se encuentran entre una altura de 24 nm.

52

Figura 41. Imagen tomada en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada con 0.5 mL de FG249/THF, 1 mM, en 8 mL de albúmina, 0.08 mM

Para completar la caracterización óptica de las suspensiones fueron adquiridos sus espectros de emisión en todos los surfactantes usados, estos espectros fueron adquiridos usando como fuente de excitación una lámpara de UV. Estos espectros ser muestran en la Figura 42, de manera general se observa que la propiedad de luminiscencia de la molécula FG249 que presenta en solución se conserva cuando se encuentra en suspensión de nanopartículas. Para el caso de la suspensión preparada en albúmina la emisión es menos que para el caso de los otros 2 surfactantes, y en particular emite en la misma longitud de onda que la solución en THF. (Figura 42). Comparando con el anterior espectro de emisión, la suspensión en CTAB varió su emisión, ya que en la anterior gráfica llegaba a 10000 y en esta ocasión solamente llegó a 9000, aunque se observó la misma banda de emisión (518 nm); en el caso de la suspensión de TRITON X-100 su emisión fue la misma en la anterior gráfica y en esta alcanza su máximo en 9151, al igual que su banda de absorción la cual no se observó ningún cambio (507 nm). En la albúmina hubo un cambio muy significativo porque en la anterior gráfica el espectro de emisión llegaba a un pico de 5000 mientras que ahora alcanzó la banda de emisión en 6900, esto se debió a que la preparación de la solución albúmina anteriormente no hubo tanto control en cuanto a la temperatura, aunque hablando de la banda de emisión tienen la misma en 529 nm.

53

Figura 42. Espectro de emisión de las suspensiones FG249 en una concentración de 0.08 mM

En la Figura 43 se observa una foto tomada de las suspensiones en los diferentes surfactantes, en agua y la solución en THF bajo la radiación de una lámpara UV. Haciendo notar el color que toma la suspensión de la molécula en los diferentes surfactantes.

a)

b)

c)

d)

e)

Figura 43. Fotoluminiscencia. a) CTAB, b) TRITON X-100, c) albúmina, d) agua y e) solución en THF, irradiadas bajo una lámpara UV

54

En la Figura 44 se muestra las suspensiones de la molécula FG249 en los surfactantes estudiados en este trabajo cuando son irradiadas bajo una lámpara de UV, en una concentración de 0.08 mM, se nota a simple vista los colores que toma la molécula de acuerdo al surfactante empleado.

a)

b)

c)

Figura 44. Fotoluminiscencia de las suspensiones de la molécula FG249, a) CTAB, b) TRITON X-100 y c) albúmina en una concentración de 0.08 mM

Para completar la caracterización óptica de la molécula FG249 en la Figura 45 se muestra los espectros de absorción de las soluciones en diferentes disolventes para la molécula FG249, ocupando disolventes de diversa polaridad que van desde uno de polaridad alta como el Acetonitrilo, de polaridad intermedia tenemos al THF y de polaridad baja al Tolueno, esto con la finalidad de saber el comportamiento de las bandas de absorción y emisión de la molécula en diversas polaridades. De manera particular el Acetonittrilo muestra la banda de absorción en 406 nm desplazada hacia el azul (hipsocromismo) en comparación con los otros dos disolventes ocupados (THF y Tolueno) que muestran una banda de absorción en 417 nm. (Figura 45)

55

417 nm 406 nm

Figura 45. Espectros de absorción de la molécula FG249 en diversos disolventes

Los surfactantes ocupados en la fabricación de nanopartículas por medio de reprecipitación muestran buenos resultados con el inconveniente de que al buscar nanomateriales que puedan utilizarse en el área de biomedicina para aplicaciones en la terapia fotodinámica, biosensores o bien como medio de contraste en microscopía fluorescente; los surfactantes en este caso son tóxicos para las células excepto la albúmina pero es difícil trabajar con ella sino se encuentra en refrigeración, es por eso que se busca otro método en donde no exista cierta toxicidad como en el caso de la fabricación de nanoesferas de sílice dopadas con moléculas orgánicas.

6.2

Obtención de nanoesferas de sílice

Para cada suspensión de nanoesferas preparadas se llevan a cabo dos lavados a 8000 rpm y 13500 rpm tomando los espectros de cada una de estas dos suspensiones, de la original y de una solución en pirrolidona a una concentración de 0.1 mM. Los espectros de absorción de estas suspensiones preparadas en condiciones denominadas normales se puede observar en la Figura 46, de estos resultados podemos concluir que en las suspensiones original y la obtenida a 8000 rpm existen esferas de gran tamaño, esto al observar esparcimiento en los espectros de absorción

56

comparado con el de la solución que presenta una banda de absorción de 418 nm. Lo que se pretende con los lavados de las suspensiones es ir separando las esferas de gran tamaño, colectado las más pequeñas cuando se centrifuga a mayor numero de revoluciones. Para realizar una completa comparación también se muestra el espectro de la solución en THF con concentración de 5.6 x 10

-4

M en el que se observa una banda de absorción en 415 nm, la cual

muestra un corrimiento hacia longitudes menores en comparación con el de la solución en pirrolidona.

418 nm

415 nm

Figura 46. Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones en condiciones normales FG249SiO2

Se prepararon películas delgadas sobre vidrio de los lavados de las suspensiones de las nanoesferas y se llevo a cabo el análisis de la morfología usando el AFM, se observó que en la suspensión la cual se lavo a 8000 rpm se obtuvieron nanoesferas de un tamaño aproximado de 83 nm de altura (Figura 47a), mientras que la suspensión que se obtuvo con el material centrifugado a 13500 rpm muestra partículas de un tamaño de 40 nm de altura, en esta imagen se observa que las nanoesferas se fueron uniendo formando aglomerados (Figura 47b).

57

a.

b.

Figura 47. Imágenes tomadas en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada de FG249-SiO2, a) suspensión lavada a 8000 rpm, b) suspensión lavada a 13500 rpm

A continuación se muestra mediante tablas los factores que se modificaron para evaluarlos en la fabricación de las nanoesferas de sílice dopadas con el material orgánicos. En la Tabla 4 se evalúa la cantidad de molécula orgánica, desde luego se mantendrán constantes el resto de componentes de la síntesis.

Tabla 4. Evaluación del efecto de la cantidad de material orgánico

Molécula

Cantidad de AOT

Cantidad de solución del

Cantidad de VTES

colorante (10 mM) FG249

0.2 g

100 µL

100 µL

En el espectro de absorción, Figura 48, se observa que al disminuir la cantidad de solución de material a utilizar las nanoesferas obtenidas son de mayor tamaño comparado con las condiciones iniciales, los espectros de las suspensiones no muestra un pico de absorción debido al fenómeno de esparcimiento ocasionado por las partículas presentes en la suspensión. Se realizó el análisis de la morfología y el tamaño por el AFM sobre películas de las suspensiones en el cual solo se obtuvo una imagen aceptable de la suspensión del lavado de 13500 rpm (Figura 49) ya que de la suspensión de 8000 rpm solo se encontró una gran aglomeración de las esferas obtenidas.

58

418 nm 415 nm

Figura 48. Espectro de emisión y fotografía donde se muestra las suspensiones disminuyendo la cantidad de solución de FG249

Figura 49. Imagen tomada en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada de FG249-SiO2, disminuyendo la cantidad de solución inyectada de FG249; suspensión la cual fue lavada a 13500 rpm

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En la Tabla 5 se resumen las condiciones donde ese evalúa el efecto de la cantidad de surfactante en el tamaño de las nanoesferas fabricadas, en este experimento se usaran cantidades de 0.4 y 0.6 g de AOT.

Tabla 5. Condiciones para evaluar el efecto en el tamaño de las nanoesferas debido a la cantidad de surfactante usado

Molécula

Cantidad de AOT

Cantidad de solución del

Cantidad de VTES

colorante (10 mM) FG249

0.4 g

200 µL

100 µL

0.6 g

Analizando el espectro de absorción de la suspensión preparada cuando se emplearon 0.44 gr. de AOT, se observó que se obtienen nanoesferas de menor tamaño, Figura 50, en los espectros de absorción se observan bandas de absorción de las suspensiones en 411 nm, en la Figura 51 se normalizaron las suspensiones junto con las soluciones para poder compararlas respecto a la solución en pirrolidona y THF, observando que la suspensión original y la suspensión del lavado de 8000 rpm se encuentran en la misma banda de absorción que las soluciones mientras que la suspensión del lavado de 13500 rpm se recorrió hacia el rojo, longitudes de onda mayores.

La imagen que se muestra de AFM (Figura 52) es de la suspensión del lavado de 8000 rpm, ya que fue difícil encontrar una buena imagen del lavado de 13500 rpm. La imagen muestra nanoesferas con una altura de 20 nm.

60

411 nm

Figura 50. Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.44 g la cantidad de surfactante AOT

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Figura 51. Espectro de absorción normalizada donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.44 gr. la cantidad de surfactante AOT y se compara con la soluciones de FG249

Figura 52. Imagen tomada en el AFM de una muestra preparada con una suspensión fabricada de FG249-SiO2, aumentando la cantidad de surfactante; suspensión la cual fue lavada a 8000 rpm

Posteriormente se realizó los experimento de fabricación de las suspensiones cuando se modificó la cantidad de AOT a 0.66 g observando en las gráficas de absorbancia que la suspensión que se

62

obtuvo a 8000 rpm muestra una banda de absorción intensa lo que podría indicar que la mayor cantidad de esferas fabricadas son colectadas con esta velocidad de centrifugación. El espectro de absorción de la suspensión a 13500 rpm no presenta el pico de absorción que presenta la otra suspensión lavada (Figura 53), la suspensión original presenta una banda de absorción de 411 nm mientras que la suspensión lavada a 8000 rpm presenta una banda de absorción de 415 nm. En la Figura 54 se muestran los espectros de absorción normalizados de las suspensiones y alguna soluciones, de forma general se observo que las bandas de absorción de las suspensiones se desplazan hacia longitudes de onda menores a comparación de la solución en pirrolidona (418 nm), mientras que la solución en THF se encuentra en la misma longitud de onda que la suspensión que fue lavada a 8000 rpm.

415 nm

411 nm

Figura 53. Espectro de absorción y fotografía donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.66 g la cantidad de surfactante AOT

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415 nm 411 nm

418 nm

Figura 54. Espectro de absorción normalizada donde se muestra las suspensiones aumentando a 0.66 g la cantidad de surfactante AOT y se compara con las soluciones de FG249

Se realizó el análisis de la morfología por AFM de unas películas de las suspensiones depositadas sobre sustratos de vidrio, en estas imágenes no se pudo observar ninguna partícula debido a la gran cantidad de surfactante que existía en las suspensiones, ya que el surfactante forma una capa sobre el sustrato de vidrio.

Se tomaron los espectros de emisión de las suspensiones obtenidas con las condiciones normales y se compararon con la suspensión obtenida cuando se agregó 0.44 g de AOT. En la Figura 55 se muestran los espectros de emisión donde se observa que la solución en pirrolidona y la suspensión original presentan los picos de emisión más intensos aunque la banda de emisión de la solución se encuentra en 554 nm, mientras que la suspensión tiene una banda de 511 nm que mostro un corrimiento hacia longitudes de onda bajas a comparación de la solución. Por otro lado la suspensión obtenida a 8000 rpm tiene picos de emisión muy bajos

64

511 nm

554 nm

514 nm

536 nm

Figura 55. Espectro de emisión de las suspensiones de nanoesferas obtenidas en condiciones normales

En la Figura 56 se muestra el espectro de emisión de las suspensiones obtenidas con 0.44 g de surfactante. La suspensión que se obtienen a 8000 rpm tiene una banda de emisión de 510 nm la cual muestra un desplazamiento hacia el azul con respecto a la solución de la molécula en THF y pirrolidona, estos resultados indican que las propiedades luminiscentes son conservadas en la suspensión de nanopartículas y en la de nanoesferas de sílice.

65

554 nm

512 nm

510 nm 536 nm

Figura 56. Espectro de emisión de la suspensión obtenida con 0.44 g de surfactante

66

7

CONCLUSIONES

Con el desarrollo de este trabajo de tesis se llegaron a las siguientes conclusiones: Empleando el método de reprecipitación se fabricaron nanopartículas de la molécula FG249 en diferentes surfactantes tales como CTAB, TRITON X-100 y albúmina. Se comprobó el uso del surfactante para la estabilización de las nanopartículas, al observar la poca estabilidad de las partículas en el agua. Se comprobó que a mayor cantidad de solución de la molécula que se inyecta, debe de haber un tiempo de añejamiento para que las nanopartículas se formen y se estabilicen. Se fabricaron nanoesferas de sílice dopadas con FG249 de diversos tamaños que van de 20 a 50 nm. La concentración de surfactante AOT usado en la fabricación de nanoesferas es el factor determinante del tamaño. Los mejores resultados se obtuvieron al agregar 0.44 g de AOT. Los espectros de emisión de las nanopartículas y las nanoesferas mostraron que las propiedades luminiscentes son conservadas en estas nuevas especies y las hacen lucir como posibles agentes de contraste para microscopia multifotón.

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