Development of optical sensors based on thin films of fluorescent organic materials for the detection of toxic gases

Resumen

En esta memoria se estudia la preparación de películas de materiales orgánicos fluorescentes y su aplicación como material sensor para la detección óptica de gases tóxicos. En el capítulo 1, o Introducción general, se ha profundizado en aspectos relevantes que se han tratado de forma más superficial posteriormente. Esta Introducción general se compone de cuatro bloques principales. En el primero se hace una exposición de las fuentes e impactos de los gases tóxicos, en la que se pone en evidencia el interés de su detección. En el segundo se exponen los principales métodos de detección de gases que existen, prestando especial atención a los sistemas ópticos basados en espectroscopía de fluorescencia. En el tercer bloque se profundiza en los principios de la espectroscopía de fluorescencia, principal técnica de caracterización utilizada en esta tesis. Por último, se exponen los principales materiales orgánicos fluorescentes utilizados para la creación de las películas. En el capítulo 2, o Experimental, se especifican los materiales utilizados y se describen con profundidad el montaje y los aspectos técnicos de los diferentes métodos empleados. Esta información se complementa en las secciones correspondientes de cada uno de los capítulos posteriores. Los siguientes capítulos contienen los resultados obtenidos durante la presente tesis y se resumen a continuación: Capítulo 3. Se han utilizado películas delgadas microcolumnares de TiO2 y SiO2 como matrices contenedoras de una rosamina carboxílica zwiteriónica. Mediante espectroscopía FT-IR se ha confirmado que la única posibilidad de anclaje de la rosamina al SiO2 es mediante interacción electrostática, mientras que el anclaje al TiO2 es posible tanto a través de un enlace covalente como electrostático. Se ha estudiado el grado de agregación de la rosamina en las películas y se ha relacionado con la intensidad de fluorescencia y las capacidades sensoras de éstas frente a su exposición a NO2. Capítulo 4. Se han utilizado películas nanocristalinas de TiO2 preparadas por screen printing como soportes de dos rosaminas con distinta estructura molecular. Mediante espectroscopía UV-vis se ha confirmado el diferente tipo de agregación que presenta cada rosamina en estas películas debido a la diferente posibilidad de anclaje de éstas al TiO2. Se ha analizado la disminución de fluorescencia (quenching) que se produce cuando las películas de rosaminas son expuestas a NO2. La velocidad de la respuesta sensora resultó ser dependiente de la concentración de analito y de la estructura molecular de la rosamina utilizada. Además, se demostró que el tiempo de respuesta puede ser comparable al obtenido con películas microcolumnares de SiO2, con la ventaja de un sistema de fabricación más simple. Capítulo 5. Se han utilizado tres porfirinas para la detección de vapores de explosivos, comparando las capacidades sensoras de una porfirina tripodal con dos porfirinas individuales que podrían considerarse como unidades elementales de la primera. De esta forma, se ha estudiado la influencia de la geometría fija de la porfirina tripodal en la agregación molecular y en sus propiedades sensoras. Se ha analizado el quenching producido por la exposición de las películas de porfirinas a vapores de tres explosivos: DNT, DNB y TNT. Capítulo 6. Se han preparado películas mixtas del polímero conjugado PFO y el indicador de pH Verde de Bromocresol (BG). Estas películas mixtas explotan la transferencia de energía de resonancia de Förster del primero al segundo, y los cambios de absorbancia del BG inducidos por su interacción con vapores ácidos, como base para el desarrollo de sensores ópticos para la detección de estos gases. De esta forma, tras optimizar la cantidad relativa de BG y PFO en las películas mixtas, se ha analizado el quenching producido a partir de la exposición de películas mixtas BG/PFO al 1% (fracción másica) a vapores de HCl. Capítulo 7. Se ha utilizado el polímero conjugado MEH-PPV para la detección óptica de vapores de ácido fórmico. Se ha estudiado el efecto del grosor sobre la intensidad de fluorescencia y la capacidad sensora de las películas. Posteriormente se ha analizado el quenching producido durante la exposición de las películas a concentraciones moderadas de ácido fórmico, mediante la realización de medidas en estado estacionario y de tiempo de vida. Por último, se han analizado las disminuciones de emisión espontánea amplificada producidas por la exposición de las películas a concentraciones de ácido fórmico en el rango de las ppbs.