Hybrid silica materials for detection of toxic species and clinical diagnosis

Abstract

The present PhD thesis entitled "Silica Hybrid Materials for detection of toxic species and clinical diagnosis" is focused on the design and synthesis of new hybrid materials, using different silica supports as inorganic scaffolds, with applications in recognition, sensing and diagnostic protocols.

The first chapter of the PhD thesis is devoted to the definition and classification of hybrid materials, relying on concepts of Nanotechnology, Supramolecular and Materials Chemistry. State of art of this field of knowledge is described using numerous examples of applications for molecular recognition, especially about gated materials. In the second chapter, the general and specific objectives of the PhD thesis are presented.

The third chapter shows the synthesis, characterization and sensing performances of hybrid silica nanoparticles for the chromogenic detection of formaldehyde. Commercially available silica nanoparticles are functionalized with thiol and polyamine moieties. These hybrid nanoparticles were used for the chromogenic recognition of formaldehyde using a blue squaraine indicator. In the absence of formaldehyde, suspensions of the functionalized nanoparticles are able to bleach the blue squaraine solutions due to a reaction between the grafted thiol moieties and the added dye. In the presence of formaldehyde, -SH moieties onto the surface reacts with this molecule with the subsequent inhibition of thiol-squaraine reaction. As a consequence suspension remains blue and formaldehyde is detected. These nanoparticles allows detection of formaldehyde in a selective and sensitive fashion in aqueous and in gas phase.

The fourth chapter deals with the preparation of acetylcholinesterase capped mesoporous silica nanoparticle that are used for the selective and sensitive sensing of diisopropylfluorophosphate (DFP), a nerve agent mimic. Mesoporous silica nanoparticles are prepared and the pores loaded with rhodamine B dye. Then, the external surface of the loaded nanoparticles is functionalized with a pyridostigmine derivative (a reversible inhibitor of acetylcholinesterase enzyme). Finally the pores are capped upon acetylcholinesterase addition (by coordination with the grafted inhibitor). In the absence of DFP nanoparticles are tightly closed whereas in the presence of nerve agent simulant pore opening and dye release is observed (due to preferential coordination of DFP with the enzyme active sites and detachment from the nanoparticles surface). In an extension of the previous results, nanoparticles functionalized with a neostigmine derivative are prepared and characterized and its controlled release features studied in the presence of several acetylcholinesterase inhibitors.

The selective recognition of Mycoplasma fermentans genomic DNA using capped mesoporous silica nanoparticles is presented in chapter fifth. Sensing nanodevices are based on mesoporous silica nanoparticles loaded with rhodamine B and with the external surface functionalized with isocyanatopropyl moieties. Then, a short DNA sequence was covalently attached to the surface of the nanoparticles through the formation of urea linkages. Finally, the pores were capped by adding a single stranded oligonucleotide which is a highly conserved sequence of the 16S ribosomal subunit of the mycoplasma species genome. Aqueous suspensions of the DNA-capped nanoparticles showed negligible dye release. However, only in the presence of Mycoplasma fermentans genomic DNA the pores are opened and a marked rhodamine B release is observed. Using these nanoparticles a limit of detection as low as 70 DNA copies uL-1 is achieved.

La presente tesis doctoral titulada "Silica Hybrid Materials for detection of toxic species and clinical diagnosis" está enfocada al diseño y síntesis de nuevos materiales hibridos usando diferentes soportes inorgánicos basados en sílice, con aplicaciones en protocolos de reconocimiento, sensado y diagnóstico.

El primer capítulo de la tesis está dedicado a la definición y clasificación de los materiales híbridos, basándose en conceptos de Nanotecnología, Química Supramolecular y Química de Materiales. El estado del arte de este campo de conocimiento se describe usando numerosas aplicaciones para reconocimiento molecular, especialmente sobre materiales de tipo puerta molecular. En el segundo capítulo se presentan los objetivos generales y específicos de la presente tesis.

El tercer capítulo presenta la síntesis, caracterización y capacidades sensoras de nanopartículas híbridas de sílice para la detección de formaldehído. Nanopartículas silíceas comerciales se funcionalizan con grupos tiol y poliamina. Estas nanopartículas híbridas han sido usadas para el reconocimiento cromogénico de formaldehído usando un indicador azul de escuaridina. En ausencia de formaldehído, suspensiones de nanopartículas son capaces de decolorar las disoluciones azules de escuaridina debido a una reacción entre los tioles insertados y el colorante añadido. En presencia de formaldehído, los grupos -SH de la superficie reaccionan con esta molécula con la consiguiente inhibición de la reacción tiol-escuaridina. Como consecuencia la suspensión permanece azul y el formaldehído es detectado. Estas nanopartículas permiten la detección de formaldehído de manera sensitiva y selectiva en disolución y fase gas.

El cuarto capítulo trata de la preparación de nanopartículas mesoporosas de sílice tapadas con acetilcolinesterasa que son usadas para el sensado selectivo y sensitivo de diisopropilfluorofosfato (DFP), un simulante de gas nervioso. Nanopartículas mesoporosas de sílice se preparan y sus poros se cargan con rodamina B. Entonces, la superficie externa de las nanopartículas cargadas se funcionalizan con un derivado de piridostigmina (un inhibidor reversible de la enzima acetilcolinesterasa). Finalmente los poros se tapan con la adición de acetilcolinesterasa (por coordinación con el inhibidor insertado). En ausencia de DFP, las nanopartículas permanecen cerradas mientras que en la presencia del simulante de agente nervioso los poros se abren y se observa la liberación del colorante (debido a la preferencia de coordinación de los sitios activos de la enzima con el DFP y el desanclaje de la superficie de las nanopartículas). En una extensión de los resultados comentados, se preparan nanopartículas funcionalizadas con un derivado de neostigmina para caracterizarlas y estudiar sus procesos de liberación controlada en presencia de distintos inhibidores de acetilcolinesterasa.

El reconocimiento selectivo de ADN genómico de Mycoplasma fermentans usando nanopartículas mesoporosas de sílice se presenta en el quinto capítulo. Nanodispositivos sensores basados en nanopartículas de sílice mesoporosa cargadas con rodamina B y con la superficie externa funcionalizada con grupos isocianatopropilo. Entonces, una secuencia corta de ADN se ancla covalentemente a la superficie de las nanopartículas a través de la formación de enlaces urea. Finalmente, los poros se tapan añadiendo un oligonucleótido de cadena simple el cuál está formado por una secuencia altamente conservada de la subunidad ribosomal 16S del genoma de esta especie concreta de micoplasma. Suspensiones acuosas de nanopartículas tapadas con oligonucleótido presentan una liberación insignificante de colorante. Sin embargo, sólo en presencia de ADN genómico de Mycoplasma fermentans los poros se abren y se observa una marcada liberación de rodamina B. Usando estas nanopartículas se llegó a un límite de detección tan bajo como 70 c

La present tesi doctoral titulada "Silica Hybrid Materials for detection of toxic species and clinical diagnosis" està enfocada al disseny i síntesi de nous materials híbrids utilitzant diferents suports inorgànics basat en sílice, amb aplicacions en protocols de reconeixement, sensat i diagnòstic.

El primer capítol de la tesi està dedicat a la definició i classificació dels materials híbrids , basant-se en conceptes de Nanotecnologia, Química Supramolecular i Química dels Materials. L'estat del art d'aquest camp de coneixement es descriu utilitzant nombroses exemples de aplicacions per a reconeixement molecular, especialment sobre materials de tipus porta molecular. En el segon capítol es presenten els objectius generals i específics de la present tesi.

El tercer capítol presenta la síntesi, caracterització i capacitats sensores de nanopartícules híbrides de sílice per a la detecció de formaldehid. Nanopartícules silícies comercials es funcionalitzen amb grups tiol i poliamina. Estes nanopartícules híbrides han sigut utilitzades per al reconeixement cromogènic de formaldehid utilitzant un indicador blau de escuaridina. En absència de formaldehid, suspensions de nanopartícules son capaces de decolorar les dissolucions blaves de escuaridina degut a una reacció entre els tiols inserits i el colorant afegit. En presència de formaldehid els grups -SH de la superfície reaccionen amb esta molècula amb la conseqüent inhibició de la reacció tiol-escuaridina. Com a conseqüència la suspensió roman blava i el formaldehid es detecta. Estes nanopartícules permeten la detecció de formaldehid de forma sensitiva i selectiva en dissolució i en fase gas.

El quart capítol de la tesi tracta de la preparació de nanopartícules mesoporoses de sílice tapades amv acetilcolinesterasa que són utilitzades per al sensat selectiu i sensitiu de diisopropilfluorofosfat (DFP), un simulant de gas nerviós. Nanopartícules mesoporoses de sílice es preparen i els seus porus es carreguen amb rodamina B. Llavors, la superfície externa de les nanopartícules carregades es funcionalitzen amb un derivat de piridostigmina (un inhibidor reversible de l'enzim acetilcolinesteras). Finalment els porus es tapen amb la addició de acetilcolinesterasa (per coordinació del inhibidor inserit). En absència de DFO, les nanopartícules romanen tancades mentre que en la presència del simulant d'agent nerviós els porus s'obrin i s'observa l'alliberament del colorant (degut a la preferència de coordinació dels centres actius de l'enzim amb el DFP i el desancoratge de la superfície de les nanopartícules). En una extensió dels resultats comentats, es preparen nanopartícules funcionalitzades amb un derivat de neostigmina per a caracteritzar-les i estudiar els seus processos d'alliberació controlada en presència de diferents inhibidors d'acetilcolinesterasa.

El reconeixement selectiu d'ADN genòmic de Mycoplasma fermentans utilitzant nanopartícules mesoporoses de sílice es presenta en el quint capítol. Nanodispositius sensors basats en nanopartícules mesoporoses de sílice carregades amb rodamina B i amb la superfície externa funcionalitzada amb grups propilisocianat. Llavors, una seqüència curta d'ADN s'ancora covalentment a través de la formació d'enllaços urea. Finalment, els porus es tapen afegint un oligonucleòtid de cadena simple, el qual està composat per una seqüència altament conservada de la subunitat ribosomal 16S del genoma d'aquesta espècie concreta de micoplasma. Suspensions aquoses de nanopartícules tapades amb oligonucleòtids presenten una alliberació negligible de colorant. No obstant, solament en presència d'ADN genòmic de Mycoplasma fermentans els porus s'obrin i s'observa una marcada lliberació de rodamina B. Utilitzant estes nanopartícules es va aplegar a un límit de detecció tan baix com 70 còpies d'ADN per uL.