Tuning the properties of quantum nanocrystals and magnetic nanoparticles using spherical ligands: carboranes and metallacarboranes

Abstract

El primer capítulo trata de los puntos cuánticos acuosos (QDs) recubiertos con meta-carboranil fosfinado, lo que nos da una nueva arquitectura de QDs denominada como QDs de dosel central. Esta es la primera vez que los ligandos esféricos se utilizan experimentalmente para tapar los QD. Debido a esta arquitectura, obtuvimos una nueva propiedad de luminiscencia en estos QDs, llamada conmutación por fluorescencia cinética (KFS), la cual nunca antes se había reportado. Es un nuevo fenómeno en el que la luminiscencia se desvanece con el tiempo, pero al aplicar energía cinética recupera toda la intensidad de la emisión. Estos QDs de dosel central pueden atrapar aniones y actuar como condensadores, son comparados con otros QDs y caracterizados. Este capítulo trata de la síntesis de los QDs en el agua utilizando una nueva configuración desarrollada por nosotros. Produce QDs con un alto PL, QY y una vida útil más larga de emisión en el medio acuático. La configuración utilizada es diferente al método basado en el reflujo utilizado para sintetizar los QDs en agua a 100oC. Aquí utilizamos un baño de arena aislado con corcho, con tubos de presión de vidrio. Los QDs se generan en estos tubos de presión a 150oC bajo presión autogénica producida por los tubos. Han sido comparados con los tradicionales QDs a base de agua y caracterizados. Estos QDs combinan la ventaja de la alta calidad y los diferentes colores de luminiscencia de los QDs sintetizados organometálicos y la producción fácil y barata de una síntesis a base de agua. El siguiente capítulo trata de los nanocristales cuánticos (QNCs) que se sintetizan en el agua por primera vez. Hemos demostrado una ruta sintética fácil y un diseño de configuración que utiliza varillas cuánticas (Qrods) y anillos cuánticos (QRs) que pueden sintetizarse fácilmente en un medio acuático. Esta es la primera vez que se sintetiza y estudia experimentalmente. Estas QNCs pueden ser fácilmente almacenadas en forma de polvo, permaneciendo suspendidas en varios solventes por más de 18 meses, sin degradación en sus propiedades de estabilidad coloidal o luminiscencia. Además, pueden utilizarse para formar nanocompuestos utilizando polímeros. Estas películas poliméricas que contienen los QNCs mostraron una luminiscencia que duró más de un año y que también podría mostrar electroluminiscencia, haciéndolas viables para aplicaciones de QLED en el futuro. El cuarto capítulo trata de trata de las nanopartículas magnéticas (MNP) recubiertas con metacarboranil fosfinado. Estos dan lugar a nuevos nanohíbridos que pueden utilizarse para la aplicación biológica de la terapia de captura de neutrones de boro (BNCT). Estos nanohíbridos han sido sintetizados, caracterizados y utilizados en aplicaciones biológicas. Sus propiedades magnéticas y estabilidad han sido estudiadas después de la esterilización en autoclave, así como su estabilidad coloidal en diferentes medios de cultivo biológicos. Luego se ha estudiado y cuantificado su absorción celular. La captación de los MNPs por las células tumorales ha sido visualizada y también estudiada in vivo para aplicaciones de la BNCT. Finalmente, el último capítulo trata de la síntesis de MNPs y el recubrimiento con cáscara de sílice inorgánica. Estos MNPs recubiertos son funcionalzied más lejos con los grupos amino y carboxílicos para que sean unidos con los anticuerpos para los usos del biosensing. Los MWCNT también se utilizan en conjugación con estos MNPs para generar nanocompuestos magnéticos (MNCs). Tanto los MNPs como los MNCs se utilizan para generar por primera vez un complejo no ligado con H[COSAN]. H[COSAN] siendo una especie redox puede ser utilizada para manipular los niveles de HOMO-LUMO, permitiendo así que estos MNPs y MNCs sean materiales de capa de detección efectivos.

The research presented in this thesis has been summarized as a compendium of articles published and to be published in the future. There are five chapters dealing with the results and discussions. The results and discussions are preceded by a general introduction and objectives. The summary of each chaper of the results is given below.

The 1st chapter deals with aqueous quantum dots (QDs) capped with meta-carboranyl phosphinate which gives us a brand new architecture of QDs named as core-canopy QDs. This is the first time spherical ligands have been experimentally used to cap QDs. Due to this architecture, we obtained a new luminescence property in these QDs, called the kinetic fluorescence switching (KFS) which has never been reported before. It is a new phenomenon in which the luminescence fades with time but upon application of kinetic energy regains the full intensity of emission. These core-canopy QDs can trap anions and act like capacitors, they are compared with other QDs and characterized. The next chapter deals with synthesis of QDs in water using a new set up developed by us. It produces QDs with high PL, QY and longer lifetime of emission in water medium. The set up used is different to the reflux based method used to synthesize QDs in water at 100oC. Here we used a cork insulated sand bath, with ace pressure tubes of glass. The QDs are generated in these pressure tubes at 150oC under autogeneous pressure produced by the tubes. They have been compared to the traditional water based QDs and charaterized. These QDs combine the advanatge of high QY and different luminescence colours of organometallic synthesized QDs and the easy and cheap production of a water based synthesis. The next chapter deals with quantum nanocrystals (QNCs) being synthesized in water for the first time. We have demonstrated an easy synthetic route and setup design using which quantum rods (Qrods) and quantum rings (QRs) can be easily synthesized in a water medium. This is the first time that this has been experimentally synthesized and studied. These QNCs could be easily stored in powdered form, remain suspended in various solvents for more than 18 months, without degradation in their colloidal stability or luminescence properties. Moreover, they can be used to form nancomposites using polymers. These polymeric films containing the QNCs showed luminescence which lasted over a year and could also show electroluminescence, hence making them viable for QLED applications in the future. The 4th chapter of the results and discussions deals with magnetic nanoparticles (MNPs) coated with meta-carboranyl phosphinate. These give rise to new nano-hybrids which can be used for biological application of boron neutron capture therapy (BNCT). These nanohybrids have been synthesized, characterized and used in biological applications. Their magnetic properties and stability has been studied after autoclave sterilization, further their colloidal stability in different biological culture mediums has also been studied. Then their cellular uptake has been studied and quantified. The uptake of the MNPs by the glioblastoma tumor cells has been visualized and also studied in vivo for BNCT applications. Finally, the last chapter deals with the synthesis of MNPs and coating with inorganic silica shell. These coated MNPs are further functionalzied with amino and carboxylic groups for them to be attached with antibodies for biosensing applications. MWCNTs are also used in conjugation with these MNPs to generate magnetic nanocomposites (MNCs). Both the MNPs and MNCs are used to generate for the first time a non-bonded complex with H[COSAN]. H[COSAN] being a redox specie can be used to manipulate the HOMO-LUMO levels, thus enabling these MNPs and MNCs as effective sensing layer materials.