Hybrid Materials Based on Molecular Self-Assembled Monolayers for the Fabrication of Switches and Sensors

Abstract

L'electrònica molecular té com a objectiu utilitzar molècules individuals o un conjunt de molècules funcionals com a components actius en dispositius. Per avançar en aquest camp, existeix una clara necessitat d'immobilitzar les molècules en superfícies. Aquesta tesi es centra en la preparació de monocapes auto-assemblades (Self-Assembled Monolayers, SAMs) basades en molècules funcionals per al desenvolupament de superfícies interruptores intel·ligents i sensors electroquímics. S'han desenvolupat SAMs basades en molècules redox actives, les propietats de les quals es poden modular electroquímicament. En primer lloc, s'ha demostrat l'optimització de dues metodologies per preparar SAMs sobre or basades en radicals orgànics derivats d'urazol. Aquests radicals mostren una estabilitat limitada en solució, ja que tendeixen a dimeritzar i no és possible aïllar-los en estat sòlid. Generant in situ el radical o emprant el precursor, s'han pogut preparar SAMs radicalàries, exhibint activitat magnètica i redox. En segon lloc, s'han sintetitzat SAMs incorporant punts quàntics semiconductors (Quantum Dots, QDs) funcionalitzats amb ferrocè (Fc). La intensitat d'emissió (lectura òptica) dels QDs s'ha pogut modular canviant l'estat redox del Fc ancorat (escriptura elèctrica). Amb aquesta estratègia s'han aconseguit interruptors binaris i ternaris altament estables i reversibles. A més a més, s'han dissenyat SAMs per desenvolupar sensors altament sensibles utilitzant interaccions supramoleculars entre la superfície modificada i l'analit. Sota aquesta premissa, s'ha fabricat un sensor impedimètric amb l'objectiu de detectar selectivament contaminants d'hidrocarburs aromàtics policíclics (Policyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs) en aigua. S'ha demostrat que els PAHs ancorats en superfície poden interactuar selectivament amb una altra molècula PAH específica gràcies a interaccions π- entre molècules aromàtiques petites idèntiques. Finalment, s'ha desenvolupat un sensor de pH basat en un transistor d'efecte de camp orgànic modulat per un electròlit (Electrolyte-Gated Field-Effect Transistor, EGOFET), capaç de funcionar en un ampli rang de pH, de 1 a 10, amb alta sensibilitat. En aquest dispositiu, s'ha utlitzat un elèctrode de carboni magnètic capaç de capturar nanopartícules magnètiques funcionalitzades. La formació del complex host-guest entre les ß-ciclodextrines ancorades i l'imidazol s'ha emprat com a indicació indirecta del pH de la solució.

La electrónica molecular tiene como objetivo utilizar moléculas individuales o un conjunto de moléculas funcionales como componentes activos en dispositivos. Para avanzar en este campo, existe una clara necesidad de inmovilizar las moléculas en superficies. Esta tesis se centra en la preparación de monocapas auto-ensambladas (Self-Assembled Monolayers, SAMs) de moléculas funcionales para el desarrollo de superficies interruptoras inteligentes y sensores electroquímicos. Se han desarrollado SAMs conmutables moduladas electroquímicamente basadas en moléculas redox activas. En primer lugar, se han optimizado dos metodologías para preparar SAMs sobre oro basadas en radicales orgánicos derivados del urazol. Estos radicales muestran una estabilidad limitada en solución, ya que tienden a dimerizar y no es posible aislarlos en estado sólido. Generando in situ el radical o empleando el precursor se han obtenido SAMs radicalarias, exhibiendo actividad magnética y redox. En segundo lugar, se han preparado SAMs basadas en puntos cuánticos semiconductores (Quantum Dots, QDs) funcionalizados con ferroceno (Fc). La intensidad de emisión (lectura óptica) de los QDs se ha conseguido modular cambiando el estado redox del Fc anclado (escritura eléctrica). Se han logrado preparar interruptores binarios y ternarios altamente estables y reversibles. Además, se han empleado SAMs para desarrollar sensores altamente sensibles utilizando interacciones supramoleculares entre la superficie modificada y el analito. Bajo esta premisa, se ha preparado un sensor impedimétrico con el objetivo de detectar selectivamente contaminantes de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) en agua. Se ha demostrado que los PAHs anclados en superficie pueden interactuar selectivamente con otra molécula PAH específica, gracias a interacciones π entre moléculas aromáticas pequeñas idénticas. Por último, se ha desarrollado un sensor de pH basado en un transistor de efecto de campo orgánico controlado por un medio electrolítico (Electrolyte-Gated Ffield-Effect Transistor, EGOFET), capaz de funcionar en un amplio rango de pH, de 1 a 10, con alta sensibilidad. Para este dispositivo, se ha usado como electrodo puerta un electrodo de carbono magnético capaz de atrapar nanopartículas magnéticas funcionalizadas en su superficie. La formación del complejo host-guest entre ß-ciclodextrinas e imidazol se ha usado como indicación indirecta del pH de la solución.

Molecular electronics aims to employ individual or an ensemble of functional molecules as active components in devices. To progress in this field there is a clear need of immobilizing the target molecules on surfaces. This Thesis is focused on the preparation of functional molecular self-assembled monolayers (SAMs) for the development of smart switchable surfaces and electrochemical sensors. Electrochemically switchable SAMs based on redox active molecules have been developed. First, two methodologies have been demonstrated to prepare SAMs on gold based on an urazole organic radical. Urazole radicals show limited stability in solution since they tend to dimerize and are not possible to be isolated in solid state. By generating in situ the radical or by employing a SAM of a radical precursor, the radical SAMs were successfully achieved exhibiting magnetic and redox activity. Secondly, SAMs of semiconductor quantum dots (QDs) functionalized with ferrocene (Fc) have been prepared. The emission intensity (optical output) of the QDs was tuned by changing the redox state of the grafted Fc (electrical input). Highly stable and reversible binary and ternary switches were realised. Furthermore, SAMs have been employed to develop highly sensitive sensors based on the supramolecular interactions between the modified surface and the analyte. Based on this, an impedimetric sensor platform to selectively detect Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) pollutants in water has been prepared. It has been shown that surface-anchored PAHs can selectively interact with a specific PAH target thanks to the unique π-stacking interactions between identical small aromatic molecules. Finally, a pH sensor based on an electrolyte-gated organic field-effect transistor (EGOFET) able to operate in a wide pH range (i.e., from 1 to 10) with high sensitivity was fabricated. In this device a magnetic carbon electrode able to trap functionalised magnetic nanoparticles in its surface was used as gate contact. The pH dependent host-guest complex formation between grafted ß-cyclodextrins and imidazole was exploited as indirect indication of the solution pH.