Detección de compuestos orgánicos volátiles y gases tóxicos mediante sensores ópticos basados en películas microestructuradas de porfirinas

Resumo

En esta tesis se estudia la preparación de películas de porfirinas y su aplicación como material sensor para la detección óptica de compuestos orgánicos volátiles (COVs) y gases tóxicos. El resumen de esta memoria se ha organizado según los capítulos en los que se estructura esta tesis. En el Capítulo 1, constituido por la Introducción general, se ha profundizado en aspectos que pueden ser relevantes y que en los capítulos correspondientes a los resultados obtenidos se han tratado de una forma más superficial. De esta forma, la Introducción general queda dividida en cuatro bloques principales. En el primero de ellos se hace una exposición de la importancia de los gases tóxicos y COVs, tanto desde el punto de vista de sus riesgos ambientales como de las tecnologías basadas en la detección de los últimos. En el segundo bloque se explica el interés de la detección de gases y se exponen los principales métodos existentes para ello, con principal atención a los sistemas electrónicos de olfato y a los sistemas ópticos basados en colorantes. En tercer lugar se describen las propiedades químicas y ópticas de las porfirinas y las aplicaciones tecnológicas que se basan en ellas. Por último, se describen los principales métodos de deposición de porfirinas sobre soportes sólidos y las principales técnicas de caracterización de películas delgadas. El Capítulo 2, o Experimental, describe con profundidad el montaje y los aspectos técnicos de los diferentes métodos utilizados a lo largo de esta memoria, complementando la información de este tipo presente en los posteriores capítulos. El resto de los capítulos que forman esta memoria contienen los resultados obtenidos durante el desarrollo experimental de la tesis y se resumen a continuación: Capítulo 3. Se han preparado películas mixtas de Langmuir-Blodgett a partir de la porfirina EHO y el calixareno C8A a una proporción molar de 3:2 para controlar la agregación de EHO, y se ha discutido la importancia de la ausencia de agregación a raíz de nuevos resultados experimentales. También se han estudiado las diferentes respuestas a NO2 de las películas mixtas de EHO:C8A con respecto a su espesor. Por último, se han analizado las propiedades de la superficie de las películas mixtas mediante microscopia de fuerza atómica (AFM) y se han relacionado con sus cinéticas de exposición al gas tóxico. Capítulo 4. Se ha utilizado una porfirina carboxílica no metálica y 11 de sus derivados metálicos para la detección óptica de COVs. Para esto, se ha usado películas microcolumnares de TiO2 como matriz contenedora de las porfirinas, y el enlace químico entre las porfirinas y el TiO2 se ha confirmado mediante espectroscopia FT-IR. Además, se ha investigado la influencia del anclaje en la agregación y orientación de las porfirinas. Por último, se han analizado las respuestas ópticas del conjunto de porfirinas frente a un total de 12 COVs individuales, y la magnitud de los cambios espectrales se ha representado en forma de patrones de reconocimiento en color que permiten la distinción de cada analito. Capítulo 5. Se han preparado películas mixtas de porfirina y TiO2 columnar microestructurado utilizando dos tipos de carboxifenilporfirinas metálicas, una con los grupos carboxílicos en posición meta y otra con estos en posición para, y se han comparado sus propiedades sensoras con respecto al tipo de anclaje y el estado de agregación. Para esto, el enlace químico entre las porfirinas y el TiO2 se ha confirmado mediante espectroscopia FT-IR. También se ha investigado la influencia de este anclaje en la orientación y en el estado de agregación de las porfirinas. Se han analizado las respuestas ópticas de los dos tipos de porfirinas frente a seis COVs, individualmente, para comprobar si la diferente posición de los sustituyentes periféricos juega un papel importante en las propiedades sensoras de gases de estas moléculas. Capítulo 6. Se ha evaluado el efecto del anclaje y su influencia en la detección de NO2 usando tres tipos de carboxifenilporfirinas no metálicas con columnas microestructuradas de TiO2 como matriz. La agregación y estabilidad de las películas mixtas con respecto a las diferentes geometrías de anclaje se han estudiado por espectroscopia UV-vis y FT-IR. Por último, se han investigado las capacidades sensoras de NO2 mediante el análisis de las respuestas de las películas mixtas frente a diferentes concentraciones del gas tóxico. Capítulo 7. Se ha utilizado una porfirina tripodal para la detección de aminas, y se ha comparado esta con la porfirina individual que la forma para analizar la influencia de la estructura ramificada en la agregación molecular y sus propiedades sensoras. Se han utilizado cinco aminas, tres de ellas lineales (unidimensionales) de creciente longitud, una plana (bidimensional) y una ramificada (tridimensional), para comprobar si la geometría de la porfirina tripodal facilita la detección selectiva de aminas con respecto a su forma y tamaño.