Design and fabrication of nanostructured plasmonic materials as biosensors for sers detection

Abstract

El objetivo principal de esta tesis doctoral es el diseño y fabricación de materiales plasmónicos nanoestructurados para su aplicación como sensores basados en espectroscopia SERS. Fundamentalmente hemos utilizado los diferentes sensores en aplicaciones biológicas, tales como detección de biomarcadores celulares, detección indirecta de glucosa y detección de metabolitos celulares reguladores del proceso de comunicación bacteriana de quorum sensing. Buscamos explorar las diferentes metodologías de la técnica de espectroscopía SERS que se basan en la detección directa del analito de interés, o indirectamente a través del uso de nanopartículas etiquetadas con moléculas activas en Raman que producen señales SERS muy intensas y tienen la capacidad de reconocer de manera específica el analito. Estos trabajos se llevaron a cabo en el Grupo de Química Coloidal de la Universidad de Vigo, el cual posee amplia experiencia en la síntesis de nanopartículas metálicas para aplicaciones de catálisis, detección y diagnóstico. La tesis está estructurada, con excepción del Capítulo 1, en capítulos organizados en introducción, sección experimental, resultados y discusión, conclusiones y referencias. Además, cada uno de estos capítulos cuenta con un apéndice, localizado al final de la tesis. El Capítulo 1 recoge una introducción general sobre partículas plasmónicas, redes organometálicas (MOFs), sílice mesoporosa y principios básicos de dispersión Raman y espectroscopía SERS. El Capítulo 2 describe la encapsulación individual de nanopartículas cilíndricas de estructura núcleo-corteza de oro y plata (Au@Ag) en MOFs mediante el uso de un surfactante. La flexibilidad de la red y su efecto de tamizado molecular fueron evaluados por SERS a través del estudio de difusión de diferentes moléculas con tamaños distintos. El Capítulo 3 describe la codificación de las partículas Au@Ag@MOF con moléculas activas en Raman, y su bioconjugación con proteínas y anticuerpos. Estas nanopartículas fueron empleadas para la detección de determinados receptores celulares, lo que nos permitió diferenciar entre células tumorales A431 y células no tumorales 3T3 2.2. El Capítulo 4 trata de la preparación de nanoestructuras con actividad mimética de enzimas. Se trata de nanopartículas plasmónicas de Au@Ag inmersas de manera individual dentro de capsulas de sílice mesoporosa. Demostramos que la superficie de las partículas puede actuar como nanoreactor para llevar a cabo reacciones en fase de liquida, las cuáles pudieron monitorizarse en tiempo real mediante SERS. El Capítulo 5 describe la detección SERS in situ y no invasiva de metabolitos excretados al medio extracelular por poblaciones bacterianas de Escherichia coli y Pseudomonas aeruginosa crecidas en forma de co-cultivo sobre un sustrato plasmónico híbrido de oro-agar. Este estudio tiene como objetivo investigar las interacciones químicas que intervienen en la modulación de comunidades microbianas con relevancia en salud humana. Los metabolitos estudiados (indol y piocianina) son conocidos como moléculas de señalización en procesos de quorum sensing. La estrategia SERS permitió la detección y visualización de indol producido por bacterias E. coli, y demostrar su efecto inhibitorio sobre la producción de piocianina por parte de P. aeruginosa.