Generación y caracterización de nanoestructuras electroactivas: aplicación de sensores y biosensores

Abstract

En el trabajo de tesis realizado se han abordado dos objetivos principales. El primero ha sido la modificación de superficies electródicas con nanomateriales a partir de diferentes estrategias. Las superficies modificadas resultantes se han caracterizado mediante diversas técnicas y se ha estudiado su comportamiento electroquímico así como su aplicación en el ámbito del electroanálisis y del almacenamiento energético. El segundo objetivo ha comprendido el estudio de nanomateriales de carbono modificados con moléculas electroactivas. Se han estudiado sus propiedades electroquímicas y su potencial aplicación en el desarrollo de sensores y biosensores. Para alcanzar el primer objetivo se ha desarrollado una metodología para llevar a cabo la electrosíntesis del polímero yodo diplatino tetraquis (ditioacetato) [Pt(II)Pt(III)(MeCS2)4I]n a partir del complejo tipo Paddle-Wheel diyodo diplatino tetraquis (ditioacetato) [Pt(III)Pt(III)(MeCS2)4I2] (monómero oxidado). Para ello en primer lugar se realizó un estudio minucioso del comportamiento electroquímico del monómero oxidado. Estos estudios concluyeron que el proceso a -0.20 V es consecuencia de la reducción de uno de los centros metálicos de platino, el cual se reduce tomando un electrón, de modo que se genera una especie inestable del tipo [Pt(III)Pt(III)(MeCS2)4I2]- capaz de dismutarse. De esta forma, dos unidades de esta especie generan una unidad de monómero oxidado de partida [Pt(III)Pt(III)(MeCS2)4I2], una unidad de monómero reducido [Pt(II)Pt(II)(MeCS2)4] y dos aniones yoduro. Los yoduros producidos en la reducción se oxidan a +0.27 V. Al aplicar barridos cíclicos de potencial sucesivos se producen las proporciones adecuadas de yodo molecular, que reaccionan con el monómero reducido generado nanoesferas del polímero [Pt(II)Pt(III)(MeCS2)4I]n. Estas nanoesferas porosas de 500 nm de diámetro cubren de manera homogénea la superficie electródica y están formadas por cadenas lineales del polímero que se enrollan entré sí formando una especie de madejas de morfología esférica. Se ha estudiado el comportamiento electroquímico de complejos de níquel, en particular complejos tipo Paddle-Wheel diníquel tetrakis (monotioacetato) [Ni2(MeCOS)4]. Estos se oxidan generando sobre la superficie del electrodo el complejo tipo Paddle-Wheel diníquel tetrakis (diacetato) [Ni2(MeCO2)4]. Hasta la fecha su síntesis no ha sido descrita por ningún método químico o electroquímico. Se ha propuesto un mecanismo para este proceso electroquímico según el cual cada átomo de azufre del precursor se oxida perdiendo un electrón y forman puentes disulfuros entre sí, dando lugar a la especie H2S2. Las posiciones de los azufres que se liberan son ocupadas por átomos de oxígeno de las moléculas de agua que se encuentran hidratando el disolvente, dando lugar al complejo de níquel [Ni2(MeCO2)4] de tipo Paddle-Wheel. Este complejo se electrodeposita sobre el electrodo formando microestructuras, que cuando se someten a un tratamiento electroquímico de ciclado de potencial en medio básico (NaOH 0.1 M) se transforman en nanopartículas de hidróxido de níquel. Se han caracterizado estas nanoestructuras morfológicamente y se ha estudiado su comportamiento electroquímico en medio básico. Los electrodos modificados con estas nanoestructuras se han aplicado a la electrooxidación catalítica de azúcares (glucosa, fructosa, maltosa, lactosa y sacarosa) así como de alcoholes (metanol, etanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, ciclopentanol y ciclohexanol), y se han desarrollado sensores con buenos límites de detección y cuantificación para ambos tipos de analitos. Este mismo proceso de electrosíntesis del complejo de níquel [Ni2(MeCO2)4] se ha aplicado a electrodos previamente modificados con una suspensión de nanotubos de carbonos carboxilados de pared múltiple (MWCNT-COOH) y Nafion. Los electrodos modificados resultantes han sido empleados como sensores electroquímicos en la determinación de insulina en muestras reales de plasma humano y de preparados farmacéuticos. También se ha desarrollado una metodología para la modificación de electrodos serigrafiados con el complejo [Ni2(MeCO2)4], a partir de una disolución del mismo previamente electrosintetizado sobre un electrodo de oro de gran superficie. Finalmente el complejo [Ni2(MeCO2)4] se transformó en nanopartículas de Ni(OH)2. Igualmente se modificaron electrodos serigrafiados que contenían nanotubos de carbono. Estos electrodos (Ni(OH)2/SWCNT) se han empleado para la determinación de aminoácidos intermediarios del ciclo de la urea, y de urea, acoplándolos a un sistema de FIA y HPLC. El sistema se ha aplicado a la determinación de estos aminoácidos en muestras reales de orina y suero humano. Los electrodos modificados con nanopartículas de Ni(OH)2 desarrollados se han utilizado como base para la obtención de electrodos modificados con nanoestructuras de NiHCF. Estos electrodos se han aplicado al desarrollo de supercapacitadores o capacitadores electroquímicos. Aunque no han tenido un comportamiento perfecto para el desarrollo de supercapacitadores, sí que se han sentado las bases de la modificación de electrodos con nanopartículas del complejo NiHCF, cuando la mayoría de métodos descritos da lugar a la formación de películas y no de nanoestructuras. El segundo objetivo de la tesis ha tratado la modificación de electrodos con distintas formas de grafeno (grafeno oxidado (GO), grafeno oxidado electroquímicamente reducido (GO_ER) y grafeno pristino) y su posterior modificación mediante adsorción de tetratiofulvaleno con sistema π-extendido (exTTF) y sus derivados con fracciones de pireno (exTTF-1-Pi y exTTF-3-Pi). Se ha podido comprobar como los procesos de adsorción se producen de manera diferente, y por tanto se ajustan a modelos de adsorción distintos, en función de las características del nanomaterial de grafeno empleado. La ausencia de defectos y de grupos funcionales con oxígeno favorece la adsorción de las fracciones de pireno, debido a las interacciones del tipo π-π entre la banda de conducción del material y el sistema aromático del pireno. Sin embargo, la presencia de defectos hace que la adsorción sea energéticamente heterogénea, lo que se traduce en un mayor número de impedimentos para el recubrimiento con estas moléculas. Se han observado también diferencias importantes en cuanto a la estabilidad del derivado adsorbido en función del número de fracciones de pireno, obteniéndose recubrimientos mucho más estables cuando el derivado lleva tres fracciones de pireno frente a los que tienen una o ninguna. Sin embargo, el menor tamaño de la moléculas de exTTF-1-Pi comparado con el del exTTF-3-Pi no se traduce en un mayor recubrimiento de la superficie electródica con la especie electroactiva, lo que indica que la molécula no solamente se adsorbe por la fracción de pireno, sino que la fracción electroactiva del exTTF también interviene en la adsorción. Los electrodos modificados con los derivados de exTTF (exTTF-1-Pi/GO_ER/GC) se han empleado para la preparación de un biosensor de peróxido de hidrógeno basado en la enzima peroxidasa de rábano (HRP). Este presenta buenos límites de detección, cuantificación e intervalo lineal, además de detectar la reducción de peróxido de hidrógeno a potenciales tan bajos como 0.0 V. Finalmente se ha estudiado el comportamiento electroquímico de nanotubos de carbono funcionalizados con rotaxanos (MINTs) y se ha comparado este con el de suspensiones de nanotubos mezclados con las dos configuraciones posibles del macrociclo que forma los MINTs, la configuración abierta y la cerrada, las cuales no reaccionan cerrando el macrociclo en torno al nanotubo de carbono, pero pueden adsorberse sobre la superficie del nanomaterial. Se ha comprobado que los distintos tipos de unión no afectan al potencial formal del proceso redox propio de las fracciones de exTTF que forman el macrociclo. Se ha estudiado también el comportamiento de estas configuraciones inmovilizadas sobre electrodos de carbón vítreo, observándose diferencias en las constantes de trasferencia de carga, así como en la separación de los potenciales de pico ΔEox/red en función del tipo de interacción del nanomaterial con el macrociclo, según su configuración. Por último se han determinado los coeficientes de difusión de cada una de las configuraciones del macrociclo, con y sin nanotubos, así como de una suspensión de los MINTs, obteniéndose diferencias significativas dependiendo de si estos se encuentran totalmente unidos al nanotubo (caso de los MINTs) o parcialmente adsorbidos sobre su superficie (mezclas de los nanotubos con el macrociclo cerrado y abierto). Este resultado permite afirmar que la electroquímica puede ser una herramienta muy útil para la caracterización de nanoestructuras químicamente modificadas, y para diferenciar el tipo de modificación.

This work has focused on two main objectives. The first one has been the modification of a variety of electrode surfaces with nanomaterials, using different strategies. The resulting modified electrodes have been characterized and applied to electroanalysis and energy storage. The second objective has been the study of carbon nanomaterials modified with electroactive molecules. It has been studied the electrochemical properties of these modified nanomaterials, and their applications in biosensor development. To reach the first objective, it has been developed a method for the electropolymerization of iodine di-platinum tetraquis (dithioacetate) [Pt(II)Pt(III)(MeCS2)4I]n from the oxidized monomer Paddle-Wheel complex named di-iodine di-platinum tetraquis (dithioacetate) [Pt(III)Pt(III)(MeCS2)4I2]. The electrochemical behavior of oxidized monomer reveals a redox process at -0.20 V ascribed to the reduction of one of the platinum centers. During this process a non-stable specie is generated [Pt(III)Pt(III)(MeCS2)4I2]-, and two of these entities suffer a disproportionation process producing both, the oxidized monomer [Pt(III)Pt(III)(MeCS2)4I2] and the reduced monomer [Pt(II)Pt(II)(MeCS2)4], and two iodide anions. The iodide anions produced in the reduction process, which are coordinated to the reduced monomer, are oxidized at +0.27 V during the oxidation process, when cyclic potential scans are applied, the iodine generated from the oxidation of iodides reacts with the reduced monomer to generate nanospheres of polymer [Pt(II)Pt(III)(MeCS2)4I]n. This nanospheres are formed by coiled polymer fibers. It has been also studied the electrochemical behavior of a similar Paddle-Wheel complex named di-nickel tetraquis (monothioacetate) [Ni2(MeCOS)4]. An irreversible oxidation process is detected in the direct anodic scan at +1.10 V. During this process four electrons are exchanged and a new Paddle-Wheel complex, di-nickel tetrakis (diacetate) [Ni2(MeCO2)4], is generated on the electrode surface as microstructures. As far as we know no chemical or electrochemical methods have been reported for the synthesis of this new complex. An electrochemical mechanism for this process has been proposed. It consists in one electron loss by each sulfur atom and the generation a of disulfide bond between them, giving H2S2, while each sulfur vacant is occupied by oxygen atoms from water molecules present in the organic solvent. Different electrodes materials have been modified with the [Ni2(MeCO2)4] microstructures. These microstructures are transformed into Ni(OH)2 nanoparticles when the modified electrodes are immersed in NaOH 0.1 M and cyclic voltammetry scans are applied. Ni(OH)2 nanoparticles modified electrodes have been employed as catalyst in the electro-oxidation of sugars (glucose, fructose, maltose, lactose and sucrose) and also alcohols (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, cyclopentanol and cyclohexanol). Based on these results we have developed electrochemical sensors for determination of sugars with good detection and quantification limits. The same Ni(OH)2 nanoparticles electrodeposition method has been applied to carbon nanotubes Nafion modified electrodes, which have been employed as insulin electrochemical sensors. Real human plasma and pharmaceuticals preparation for diabetes patients containing insulin have been analyzed. The satisfactory results obtained evidence the insulin sensor applicability. A different methodology has been also developed to modify screen printed electrodes with a solution of the complex [Ni2(MeCO2)4], previously obtained from a massive electrosynthesis on a gold coil electrode of large surface area. Finally the complex was transformed into Ni(OH)2 nanoparticles. Screen printed electrodes containing single wall carbon nanotubes have been also modified with Ni(OH)2 nanoparticles. These electrodes have been coupled to a flow injection system (FIA) or a high pressure liquid chromatography system (HPLC) and employed in the determination of different amino acids (arginine, ornithine and citrulline) and urea in human serum and urine. Ni(OH)2 nanoparticles modified electrodes have been also used as template for obtaining electrodes modified with nickel hexacyanoferrate (NiHCF) nanoparticles. The interest of these modified electrodes is based on its application to the development of supercapacitors or electrochemical capacitors. With this porpoise their electrochemical behavior in aqueous alkaline cations solutions has been studied. The electrochemical behavior of these modified electrodes in organic solvent was also studied. In spite of modified electrodes do not present an ideal behavior to be used as supercapacitors, the modification method employed has stablished the first step to the modification of electrode surfaces with nanoparticles of the NiHCF complex, instead of films as is usual in most of the methods of NiHCF complex synthesis using metallic nickel as precursor. The second objective of this thesis (chapter VI), has been focused in the study of the electrode modification with different types of graphene (graphene oxide (GO), graphene oxide electrochemical reduced (GO_ER) and pristine graphene) and the subsequent adsorption of π-extended tetrathiofulvallene derivatized molecules, with one or three pyrene moieties (exTTF-1-Py and exTTF-3-Py). The adsorption process for each type of graphene occurs in a different way, and fits to a different adsorption model. In the case of GO_ER, the absence of defects and oxygen functional groups in its nanostructure, favored the π-π interactions between the pyrene aromatic electrons system and the conduction band of nanomaterials. In the case of GO and pristine graphene, the mayor number of defects and also oxygen functional groups in the nanomaterials lead to an adsorption process energetically heterogeneous, which results in a mayor disability for the surface recovery with the electroactive molecules. It has also observed important differences in the stability of the resulting modified electrodes depending on the pyrene moieties present in the molecule. The molecule with three pyrene moieties is more stable than the molecule with one pyrene moiety. It is also worth to mention that in the case of the small molecule (the one with one pyrene moiety, exTTF-1-Py), not higher surface coverages are obtained as one would expect. This fact suggests that adsorption not only occurs through the pyrene moiety, but also through the exTTF fraction. These modified electrodes have been employed to develop a hydrogen peroxide biosensor, using Horse Radish Peroxidase as enzyme. This biosensor presents good detection and quantification limits and also good linear range. Even more, the hydrogen peroxide can be detected at a low potential as 0.0 V. Finally, the electrochemical behavior of single wall carbon nanotubes modified in different ways with a macrocycle has been studied. In particular, the simple combination of carbon nanotubes with macrocycle molecules (linear and closed) and mechanically interlocked carbon nanotubes (MINTs). The last are entities with a chemical structure similar to rotaxanes (mechanically interlocked molecules), in which the linear molecule moiety has been substituted by a carbon nanotube surrounded by a macrocycle. In order to identify the different type of interaction, the electrochemical behavior of carbon nanotubes suspensions mixed with either linear macrocycle or closed macrocycle, and also MINTs suspension were studied. The formal potential of the redox pair, ascribed to the exTTF moieties present in the macrocycle, remains almost constant for the different configurations. So no charge transfer occurs when MINTs is formed. However, a higher heterogeneous electron transfer constant was observed for MINTs compared to the other configurations when suspensions of the three configurations were drop-casted on the electrode surface. The diffusion coefficient of each configuration was determined and compared with those obtained in the absence of carbon nanotubes. MINTs show the lowest value. These data confirm that in MINTs the interaction with carbon nanotubes is not only adsorption, and the applicability of electrochemical techniques as an instrument tool for modified nanotubes characterization.