Síntesis, estabilización y funcionalización de nanocristales de perovskita de haluros metálicos para su empleo como reveladores y marcadores en histoquímica, cultivos celulares y biosensado

Abstract

[ES] Los nanocristales de perovskita de haluros metálicos, cuya fórmula general es ABX3 (A = Cs+, CH3NH3+, CH(NH2)2+; B = Pb+2, Sn+2; y X = Cl-, Br-, I-) son una clase de nanomateriales semiconductores que han tenido un gran impacto en fotovoltaica y en la fabricación de dispositivos emisores de luz debido a sus excelentes propiedades optoelectrónicas, entre ellas, la capacidad para transportar cargas, generar electricidad y producir luz.

Aunque se trata de un área menos explorada, tienen potencial para convertirse en marcadores luminiscentes en aplicaciones biológicas por sus dimensiones nanométricas (4-15 nm) y por exhibir propiedades ópticas únicas, entre ellas: alto rendimiento cuántico de fluorescencia, espectro de emisión estrecho y posibilidad de modular su emisión en función de su tamaño y composición para obtener una amplia gama de colores en la región visible (410-700 nm), lo que los convierte en candidatos prometedores en multiplexado. Además, presentan absorción multifotónica en el cercano infrarrojo y emisión upconversion, siendo una ventaja en diagnóstico por imagen, ya que se emplea una radiación que es inocua para los tejidos, tiene mayor penetración, reduce la autofluorescencia celular y mejora la relación señal-ruido. A pesar de las excelentes propiedades ópticas de estos materiales, tienden a degradarse frente a la humedad, oxígeno, luz y alta temperatura, lo que supone una clara limitación para el desarrollo de sus aplicaciones en biosensado y diagnóstico por imagen.

Durante los últimos años, los avances en los métodos de encapsulación han permitido mejorar su estabilidad frente a agentes externos, generando estructuras core-shell o integrándose en matrices de una gran variedad de materiales, entre los que se incluyen óxidos inorgánicos, polímeros u otros semiconductores. Esta tesis se ha centrado en el desarrollo de diferentes nanopartículas de perovskita estables en medio acuoso para su utilización como marcadores luminiscentes en biosensado o bioimagen in vitro. En todas las metodologías propuestas se ha pretendido que las partículas resultantes cumplan con una serie de requisitos, principalmente: tamaño nanométrico (< 200 nm), elevado rendimiento cuántico de fluorescencia, estabilidad química y estructural en tampón salino o medios de cultivo, y fácil conjugación a biorreceptores específicos.

Esta tesis contribuye al avance en el desarrollo de nanomateriales luminiscentes basados en perovskitas de haluros metálicos, abordando el desafío que supone su estabilización en medio acuoso y demostrando su viabilidad en medios biológicos.

Se prevé que, en un futuro, sea posible su implantación en el desarrollo de plataformas analíticas de alto rendimiento que permitan la detección y/o cuantificación óptica de analitos de interés clínico, medioambiental o alimentario en el punto de atención, cumpliendo con los criterios de rapidez, fiabilidad, facilidad de manejo y bajo coste, superando en sensibilidad y capacidad de multiplexado a los sistemas actuales, la mayoría de ellos basados en nanopartículas de oro, colorantes orgánicos o sistemas quimioluminiscentes.

[CA] Els nanocristals de perovskita d'halurs metàl·lics, amb fórmula general ABX3 (A = Cs+, CH3NH3+, CH(NH2)2+; B = Pb+2, Sn+2; y X = Cl-, Br-, I-), són una classe de nanomaterials semiconductors que han tingut un gran impacte en fotovoltaica i en la fabricació de dispositius emissors de llum a causa de les seues excel·lents propietats optoelectròniques, entre elles, la capacitat per a transportar càrregues, generar electricitat i produir llum.

Encara que es tracta d'una àrea menys explorada, tenen potencial per a convertir-se en marcadors luminescents en aplicacions biològiques per les seues dimensions nanomètriques (4-15 nm) i per exhibir propietats òptiques úniques, entre elles: alt rendiment quàntic de fluorescència, espectre d'emissió estret i possibilitat de modular la seua emissió en funció de les seues dimensions i composición, de manera que es pot obtindre una àmplia gamma de colors a la regió visible (410-700 nm), la qual cosa els converteix en candidats prometedors en multiplexatge. A més, presenten absorció multifotònica en el pròxim infraroig i emissió upconversion, sent un avantatge en diagnòstic per imatge, ja que s'empra una radiació que és innòcua per als teixits, té major penetració, redueix l'autofluorescència cel·lular i millora la relació senyal-soroll. Malgrat les excel·lents propietats òptiques d'aquests materials, tendeixen a degradar-se enfront de la humitat, oxigen, llum i alta temperatura, la qual cosa suposa una clara limitació per al desenvolupament de les seues aplicacions en biosensat i diagnòstic per imatge.

Durant els últims anys, els avanços en els mètodes d'encapsulació han permés millorar la seua estabilitat enfront d'agents externs, generant estructures core-shell o integrant-se en matrius d'una gran varietat de materials, entre els quals s'inclouen òxids inorgànics, polímers o altres semiconductors. Aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament de diferents nanopartícules de perovskita estables al mig aquós per a la seua utilització com a marcadors luminescents en biosensat o bioimatge in vitro. En totes les metodologies proposades s'ha pretés que les partícules resultants complisquen amb una sèrie de requisits, principalment: grandària nanomètric (< 200 nm), elevat rendiment quàntic de fluorescència, estabilitat química i estructural en tampó salí o medis de cultiu, i fàcil conjugació a biorreceptors específics.

Aquesta tesi contribueix a l'avanç en el desenvolupament de nanomaterials luminescents basats en perovskitas d'halurs metàl·lics, abordant el desafiament que suposa la seua estabilització al mig aquós i demostrant la seua viabilitat en mitjans biològics.

Es preveu que, en un futur, siga possible la seua implantació en el desenvolupament de plataformes analítiques d'alt rendiment que permeten la detecció i/o quantificació òptica d'anàlits d'interés clínic, mediambiental o alimentari en el punt d'atenció, complint amb els criteris de rapidesa, fiabilitat, facilitat de maneig i baix cost, superant en sensibilitat i capacitat de multiplexatge als sistemes actuals, la majoria d'ells basats en nanopartícules d'or, colorants orgànics o sistemes quimioluminescents.

[EN] Metal halide perovskite nanocrystals, with the general formula ABX3 (A = Cs+, CH3NH3+, CH(NH2)2+; B = Pb+2, Sn+2; y X = Cl-, Br-, I-), constitute a new class of semiconductor nanomaterials with a significant impact on photovoltaic industry and fabrication of light-emitting devices due to their excellent optoelectronic properties, including the ability to transport charges, generate electricity and produce light.

While it has not been deeply explored yet, they have the potential to become luminescent labels in biological applications, given their nanometric size (4-15 nm) and unique optical properties, such as high photoluminescence quantum yield, narrow emission spectra, and the possibility to tune their emission based on size and composition. This enables a wide color gamut in the visible region (410-700 nm), making them promising candidates in multiplexing.

Moreover, perovskite nanocrystals exhibit strong multi-photon absorption properties in the near-infrared region and upconversion emission, which are an advantage for bioimaging applications since near-infrared radiation is less hazardous to living organisms, has deeper tissue penetration, reduces cellular autofluorescence and enhances signal-to-noise ratio. Despite the exceptional optical properties of perovskite nanocrystals, their potential in biosensing and bioimaging applications is hindered by their poor stability against moisture, oxygen, light and heat.

To overcome these issues, in the last years, several strategies have been developed to improve their stability through the encapsulation of perovskite nanocrystals in a wide variety of protective materials, such as inorganic oxides, polymers, or semiconductors, in the form of core-shell nanoparticles or embedded in a matrix. This thesis focuses on the synthesis and stabilization of perovskite nanocrystals in aqueous environments with the aim of using them as luminescent labels in biosensing or in vitro bioimaging. Different methodologies have been employed to yield particles that meet specific requirements: nanometric size (< 200 nm), high photoluminescence quantum yield, robust chemical and structural stability in saline buffers or culture media, and facile conjugation with bioreceptors.

This thesis contributes to the development of luminescent nanomaterials based on metal halide perovskite nanocrystals, facing the challenge of stabilizing them in aqueous media and testing their viability in biologic media.

We envision that, in the near future, it will be possible to incorporate perovskite nanoparticles in the development of high-throughput analytical platforms for the optical detection and/or quantification of clinically, environmentally or food-related analytes at the point of care, meeting the criteria of speed, reliability, ease of use, and low cost, surpassing current systems in sensitivity and multiplexing, most of them based on gold nanoparticles, organic dyes or chemiluminescent systems.