Materiales compuestos basados en films delgados mesoporosos y nanopartículas metálicas : síntesis, caracterización y diseño de sensores ópticos.

• Autores: Zalduendo, María Mercedes
• Año de publicación: 2020
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Angelomé, Paula Cecilia
• Materia: FILMS DELGADOS MESOPOROSOS; NANOPARTICULAS METALICAS; SENSORES; ESPECTROSCOPIA RAMAN AUMENTADA POR SUPERFICIE (SERS); MESOPOROUS THIN FILMS; METAL NANOPARTICLES; SENSORS; SURFACE ENHANCED RAMAN SPECTROSCOPY (SERS)
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Múltiples aplicaciones científicas y tecnológicas requieren, hoy en día, del uso de sensores confiables y altamente sensibles. En este sentido, los nanomateriales han demostrado gran potencial, debido a su gran área específica y sus propiedades físico-químicas diferenciales. En particular, en los últimos años se ha comenzado a desarrollar sensores basados en la combinación de films delgados mesoporosos y nanopartículas metálicas. Estos nanomateriales compuestos integran en un solo sistema la gran área específica, el tamaño altamente controlado de poros y la sencillez de manipulación de los films delgados mesoporosos, con las propiedades ópticas de las nanopartículas metálicas. Esta tesis propone ahondar en el desarrollo de sistemas compuestos formados por films delgados mesoporosos y nanopartículas metálicas que puedan ser utilizados en sensado por Espectroscopía Raman Aumentada por Superficie (SERS). Adicionalmente y a partir del conocimiento de las propiedades SERS en relación a las características de los sistemas, este trabajo busca extender la utilización de esta técnica espectroscópica para la obtención de información sobre las características fisicoquímicas y estructurales de los sistemas compuestos sintetizados. Para ello, en una primera parte se presentan sistemas compuestos sintetizados a partir de films delgados mesoporosos de TiO2 y nanopartículas de Au, combinados en diferentes arquitecturas, para el estudio del efecto de sus propiedades estructurales sobre el sensado por SERS. El análisis se dividió en dos ejes. Por un lado, se estudió el efecto del posicionamiento de las nanopartículas en el material y cómo esto determina las capacidades del sensado de diferentes sondas modelo. Por otro lado, se evaluó la influencia de las características del film delgado mesoporoso sobre la síntesis de nanopartículas y sus consecuencias en el sensado por SERS. Los resultados indican que las características del film (espesor, tamaño y orden de los poros) controlan la cantidad, morfología y distribución de las nanopartículas. Asimismo, se evidencia que las capacidades de sensado en términos de reproducibilidad punto a punto, sensibilidad y límites de detección pueden ser controladas a partir del diseño del nanomaterial compuesto. En la segunda parte, se presentan varias estrategias sintéticas alternativas para la construcción de sensores SERS. En particular, se evaluaron las características estructurales de sistemas formados por nanopartículas de Au y Ag de distintas morfologías combinados con films mesoporosos puros, híbridos y/o consolidados por rayos X de alta intensidad. Los resultados permitieron establecer parámetros sintéticos para aumentar la estabilidad y sensibilidad de los sensores. Finalmente, se presentan sistemas ópticamente sensibles a pH que permiten monitorear los cambios producidos por una reacción modelo. De esta manera, en base al conocimiento adquirido, fue posible sentar las bases para la construcción de sensores SERS que permiten estudiar procesos dinámicos en ambientes confinados.
Nowadays, multiple scientific and technological applications require the use of reliable and highly sensitive sensors. In this way, nanomaterials have shown great potential due to their large specific area and differential physicochemical properties. In particular, sensors based on the combination of mesoporous thin films and metal nanoparticles started to be developed in recent years. These composite nanomaterials integrate in a single system the large specific area, the highly controlled pore size and the simplicity of manipulation of the mesoporous thin films, with the optical properties of the metal nanoparticles. This thesis proposes to delve into the development of composite systems formed by mesoporous thin films and metal nanoparticles that can be used in sensing by Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Additionally, from the knowledge of structural - SERS activity relations, this work seeks to extend the use of this spectroscopic technique to obtain information about the physicochemical and structural characteristics of the composite systems. In the first part, TiO2 mesoporous thin films and Au nanoparticles composite systems were synthesized in different architectures, to study the effect of their structural properties on SERS sensing. The analysis was divided into two axes. On one hand, the effect of the nanoparticles ́ position in the material over the sensing capabilities was studied, using different probe molecules. On the other hand, the influence of the mesoporous thin film characteristics over the nanoparticles synthesis and the consequences on SERS sensing were evaluated. The results indicate that the characteristics of the film (thickness, size and order of the pores) define the quantity, morphology and distribution of the nanoparticles. Likewise, it is shown that sensing capabilities in terms of spot-to-spot reproducibility, sensitivity and detection limits can be controlled from the composite material design. In the second part, several alternative synthetic strategies for the construction of SERS sensors are presented. In particular, the structural characteristics of systems formed by Au and Ag nanoparticles of different morphologies combined with pure, hybrids and/or consolidated by high intensity X-rays mesoporous films were evaluated. The results allowed to establish the synthetic parameters to increase the stability and sensitivity of the sensors. Finally, optically sensitive pH systems that allow monitoring the changes produced by a model reaction are presented. In this way, based on the acquired knowledge, it was possible to pave the way towards the construction of SERS sensors that allow the study of dynamic processes in confined environments.
Fil: Zalduendo, María Mercedes. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.