Nanoestructuración de moléculas fotoactivas sobre superficies para la fabricación de sensores de acidez de amplio rango

Abstract

La fabricación de nanoestructuras funcionales moleculares en superficies que puedan actuar como quimio- y biosensores, sistemas de almacenamiento de información o cualquier otro dispositivo tecnológico se ha convertido en un reto de gran interés para científicos y tecnólogos de todo el mundo. El reto es obvio, combinar conocimientos de química, ciencia de superficies, propiedades físicas y técnicas de nanoestructuración para conseguir unos sistemas con tamaños, eficacias y tiempo de respuesta optimizados. Dicho reto es el que se ha querido abordar en esta Tesis Doctoral para contribuir a avanzar en dicho campo junto con las aportaciones de otros muchos grupos. El primer paso fue la elección de los sistemas moleculares adecuados. De las posibles propiedades de trabajo y que pueden exhibir los materiales moleculares, en nuestro grupo de trabajo se ha centrado la atención en las propiedades ópticas, concretamente las de fluorescencia. No obstante no era suficiente estructurar un material molecular ópticamente activo, sino que además éste deberá responder ante un estímulo externo. En otras palabras, el objetivo se centraba en sistemas moleculares que cambian entre dos o más estados con diferentes propiedades de emisión. Esta es una de las condiciones necesarias si se quiere que los dispositivos basados en estos sistemas se conviertan algún día en una realidad. Los estímulos externos que se pueden utilizar para inducir la interconversion de propiedades son diversos, como reconocimiento selectivo de proteínas, analitos o variaciones de pH. En concreto, en esta Tesis Doctoral el interés se ha centrado en el desarrollo de quimiosensores de pH. El uso de estos sistemas de trabajo ha supuesto una plataforma excelente para el desarrollo de nuevas nanoestructuras funcionales así como explorar los límites existentes hoy en día para las técnicas de nanoestructuración. En efecto, en el caso de las nanoestructuras donde la variedad radicaba en los sistemas moleculares, se han utilizado técnicas y metodologías de fabricación bien establecidas. Sin embargo, en otros casos se han abordado auténticos retos como es la fabricación de librerías combinatoriales de tres sistemas moleculares activos diferentes. Esto ha conducido al uso de una técnica litográfica como el "dip pen" hasta las fronteras de los trabajos desarrollados hasta la fecha. De esta manera, esta Tesis Doctoral también supone una contribución muy importante en cuanto a lo que técnicas de fabricación se refiere. Aunque el reto era considerable, la consecución de los objetivos ha supuesto una importante contribución en la frontera del conocimiento en campos como las técnicas de estructuración, comportamiento de materiales en superficies o la fotónica dada la importante involucración de las propiedades de fluorescencia y como varían estas en superficies. Finalmente, no hay que olvidar la importante contribución en el campo de los bio- quimiosensores, dado que todo el conocimiento adquirido puede ser aplicable y de interés no solo para sensores fluorescentes de pH, sino para toda la familia de materiales moleculares.

Fabrication of functional molecular arrays on surfaces that can act as chemo- and biosensors, information storage systems or any other technological device has become an issue of great interest to scientists and technologists worldwide. The main challenge is to combine knowledge of chemistry, surface science, physical properties and nanostructuration techniques to achieve systems with sizes, efficiencies and optimized response times. This challenge is what we have tried to address in this Thesis to contribute to the progress of this field together with many other groups. <br/>The first step was to choose the appropriate molecular systems. Of the many properties a molecular material may exhibit, our working group has focused attention on the optical properties, namely fluorescence. But it was not enough to structure an optically active molecular material, it must also respond to external stimuli. In other words, the objective was focused on molecular systems that switch between two or more states with different emission properties. This is one of the necessary conditions for these devices, based on molecular systems, to become a reality someday. External stimuli that can be used to induce interconversion properties are diverse, among then selective recognition of proteins and/or analytes or pH variations. Specifically, in this Thesis, the interest has focused in the development of pH chemosensors. <br/>The use of these systems has been an excellent platform for developing new functional nanostructures. They have also allowed us to explore the limits of nanostructuration techniques today. In the case of nanostructures where the variety lay in the molecular systems, well established manufacturing techniques and methodologies have been used. However, in other cases, our group has dealt with real challenges such as the production of combinatorial libraries of three different molecular systems. This has led to the use of a lithographic technique as dip pen nanolithography (DPN) to the borders of the work carried out to date. Thus, this thesis also makes a major contribution in terms of manufacturing techniques are concerned. Although the challenge was considerable, the achievement of the objectives has made an important contribution to the development in such areas as structuration techniques, behavior of materials on surfaces or photonics, given the significant involvement of the fluorescent properties and how they vary on surfaces. Finally, do not forget the important contribution in the field of bio- and chemosensors, since all the knowledge gained may be applicable and of interest not only to fluorescent pH sensors, but for the entire family of molecular materials.