Desarrollo de nanopartículas a partir de polímeros y moléculas con estructura donador-aceptor: estudio de su fluorescencia originada por la absorción de uno y dos fotones

RESUMEN Los compuestos orgánicos que presentan un proceso eficiente de absorción de dos fotones (TPA) tienen diversas aplicaciones, ejemplo de ello es la Microscopia de Absorción de dos Fotones (TPM) por lo que han atraído recientemente gran interés por la comunidad científica. Esto ha generado una demanda para desarrollar nuevos colorantes con altos valores de sección transversal de TPA, los requerimientos necesarios para poder sintetizar este tipo de compuestos son estructuras π-conjugadas, con grupos donadores y aceptores de electrones así como puentes π-polarizables, altos valores de eficiencia cuántica de fluorescencia y una buena compatibilidad con medios biológicos, sin embargo la toxicidad de los disolventes en los cuales son solubles los compuestos orgánicos limita su uso en TPM, por lo que se han buscado métodos para introducir éste tipo de compuestos en medios acuosos. Para evitar estas limitaciones, la nanociencia ha proporcionado recientemente métodos para introducir moléculas orgánicas en medios biológicos como el agua. Por ejemplo, siguiendo estos métodos, se pueden sintetizar suspensiones acuosas de nanopartículas orgánicas1, esferas de látex cargadas con colorante2 y nanopartículas de sílice dopadas con colorante3. Entre estos métodos, éste último es particularmente atractivo debido a que la encapsulación con sílice hace que presenten diversas ventajas como excelente biocompatibilidad, no son toxicas, ópticamente transparentes, altamente hidrofílicas y el revestimiento de sílice protege al fluoróforo del ambiente químico externo. Basados en las características necesarias para desarrollar fluoróforos con un proceso eficiente de absorción de dos fotones, se realizó la síntesis química vía arilación directa de dos familias de compuestos con estructura donador-aceptor derivados del mismo donador, fluoreno el cual presenta excelente propiedades como son alta eficiencia cuántica de fluorescencia, alta fotoestabilidad y propiedades ópticas no lineales, así como un excelente transporte de huecos, los grupos aceptores utilizados fueron benzotiadiazol (BT) el cual tiene un intervalo de energía angosto, deficiente de electrones y en combinación con el fluoreno da fluoróforos verdes altamente fluorescentes4 el otro grupo aceptor utilizado es la IV tienopirrolodiona (TPD) la cual es una molécula simétrica, compacta y los compuestos derivados de ella dan una estructura coplanar y rígida.5 Se realizó también la caracterización fisicoquímica de los compuestos sintetizados de las dos familias mediante Resonancia Magnética Nuclear (RMN) de una y dos dimensiones, Cromatografía de Permeación en Gel (GPC), Análisis Termogravimétrico (TGA), Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), Infrarrojo Transformada de Fourier (FT-IR), Ultravioleta-visible (UV-vis) de absorción y Emisión. A partir de los compuestos sintetizados se fabricaron NPs de sílice mediante un proceso de microemulsión y se caracterizaron mediante espectroscopía Ultravioleta-visible (UV-vis) de absorción y emisión, fluorescencia de rayos X (XRF), Microscopía Electrónica de Barrido de Emisión de Campo (FESEM), finalmente se analizaron mediante el microscopio de fluorescencia para determinar de esta manera si en algún trabajo futuro las nanopartículas podrían ser usadas como biomarcadores. En la familia del BT se sintetizaron compuestos con diferentes pesos moleculares desde 768 g/mol para el caso de M1 que es la unidad monomérica, tres oligómeros (O1aH, O1aT, O1b) y dos polímeros (P1bT y P1cT), P1cT es el de mayor tamaño con un peso molecular medio numérico Mn = 6086 +/- 1.4 g/mol, los cuales presentan alta estabilidad térmica por arriba de 378 °C, altos valores de eficiencia cuántica de fluorescencia (QY), 92% en solución de THF para el caso de M1. La sección transversal de absorción de dos fotones se midió mediante el método de Fluorescencia Excitada por dos Fotones (TPEF) que dio un valor máximo de 18 GM a 730 nm para O1b y 2421 GM para O1aT a 760 nm en solución de THF y 55 GM para NPS O1b. Las NPs fabricadas de sílice dopadas con los compuestos derivados de BT tienen diámetros por debajo de 60 nm. Se realizó el análisis de O1b y NPS O1b a través de la técnica XRF con la finalidad de determinar la composición química de las diferentes muestras y así comparar los resultados obtenidos de las nanopartículas con la solución de O1b, los elementos presentes que se obtuvieron fueron Si (debido al recubrimiento con sílice), S y Br, elementos presentes en el dímero O1b, con lo que se puede corroborar la presencia del mismo en las nanopartículas, apoyando así los resultados obtenidos en los espectros de absorción y emisión en donde se observan las mismas bandas de absorción y V emisión con igual forma en los espectros de las nanopartículas NPS O1b comparado con los espectros de la solución O1b. Al analizarse las NPs en el microscopio confocal y multifotónico, las NPS O1aH y NPS O1b tuvieron fluorescencia excitada por la absorción de uno y dos fotones. En la familia de la TPD se sintetizaron tres polímeros (P2aH, P2aT y P2bT) con pesos moleculares de Mn = 1404 +/- 0.5, 3015 +/- 0.8 y 2871 +/- 3.7 g/mol, respectivamente. P2aH presentó la eficiencia cuántica de fluorescencia más alta de la familia 66 % en solución de THF. Se obtuvo un diámetro promedio de las nanopartículas menor a 70 nm. Al analizar las nanopartículas en los microscopios de fluorescencia solo se obtuvo emisión en el microscopio confocal con NPS P2aH.

ABSTRACT Organic compounds that have an efficient absorption process of two photons (TPA) have many applications, for example, the Two Photons Absorption Microscopy (TPM), which has recently attracted great interest in the scientific community. This has generated a demand to develop new dyes with high TPA cross-section values, the necessary requirements to be able to synthesize this type of compounds are π-conjugated structures, with donor and acceptor electron groups as well as π-polarizable bridges, high values of quantum yield of fluorescence and a good compatibility with aqueous biological systems, however the toxicity of the solvents in which the organic compounds are soluble limits its use in TPM, so methods have been sought to introduce this type of compounds in aqueous media . To avoid these limitations, nanoscience has recently provided methods to introduce organic molecules into biological media such as water. For example, following these methods, aqueous suspensions of organic nanoparticles1, dye-loadded latex spheres2 and dye-doped silica nanoparticles3 can be synthesized. Among these methods, the latter is particularly attractive because the encapsulation with silica makes them have a lot of advantages such as excellent biocompatibility, they are not toxic, optically transparent, highly hydrophilic and the silica coating protects the fluorophore from the external chemical environment. Based on the characteristics necessary to develop fluorophores with an efficient absorption process of two photons, chemical synthesis was carried out via direct arilation of two families of compounds with donor-acceptor structure derived from the same donor, fluorene which presents excellent properties such as high fluorescence quantum efficiency, high photostability and non-linear optical properties, as well as an excellent transport of holes, the acceptor groups used were benzothiadiazole (BT) which has a narrow energy gap, deficient in electrons and in combination with fluorene gives green fluophores highly fluorescent, the other group acceptor used is thienopyrrolodione (TPD) which is a symmetric, compact molecule and the derivative compounds give a coplanar and rigid structure, as well as the physicochemical characterization of the synthesized compounds of the two families VII by means of one- and two-dimensional Nuclear Magnetic Resonance (NMR), Gel Permeation Chromatography (GPC), Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry ( DSC) and Fourier Transform Infrared (FT-IR), Ultraviolet-visible (UV-vis), Emission (PL), cyclic voltammetry (CV). Silica nanoparticles were manufactured from the synthesized compounds by means of a microemulsion process and were characterized by means of ultraviolet-visible, emission, scanning electron microscopy of field emission (FESEM), finally they were analyzed by means of the fluorescence microscope to determine this so if in some future work the nanoparticles could be used as biomarkers. In the BT family compounds with different molecular weights from 768 g / mol were synthesized for the case of M1 which is the monomeric unit, three oligomers (O1aH, O1aT, O1b) and two polymers (P1bT and P1cT), P1cT is that of larger size with a number-average molecular weight Mn = 6086 +/- 1.4 g / mol, which have high thermal stability above 378 °C, 92% in solution of THF for the case of M1, which is desirable for the type of application sought for these compounds. The cross section of absorption of two photons (TPA) was measured by the method of Two Photon Excited Fluorescence (TPEF) that gave a maximum value of 18 GM at 730 nm for O1b and 2421 GM for O1aT at 760 nm in THF solution and 55 GM for NPS O1b. The nanoparticles made of silica doped with the compounds derived from BT have diameters below 60 nm. The analysis of O1b and NPS O1b was carried out through the XRF technique in order to determine the chemical composition of the different samples and thus compare the results obtained from the nanoparticles with the solution of the O1b, the present elements that were obtained were Si (due to the coating with silica), S and Br, elements present in the dimer O1b, which can corroborate the presence of the O1b in the nanoparticles, thus supporting the results obtained in the absorption and emission spectra where they are observed the same absorption and emission bands with the same shape in the spectra of the NPS O1b nanoparticles compared with the spectra of the parent O1b solution.