Tesi Battistini Gionata

Tesi Battistini Gionata
Alma Mater Studiorum – Università di Bologna
DOTTORATO DI RICERCA
IN SCIENZE CHIMICHE
Ciclo XX
Settore/i scientifico disciplinari di afferenza: CHIM/03
SENSORI CHIMICI BASATI SU MOLECOLE E
NANOPARTICELLE
Presentata da:
Gionata Battistini
Coordinatore Dottorato
Relatore
Ch.mo Prof.
Vincenzo Balzani
Ch.mo Prof. Luca Prodi
Esame finale anno 2008
Indice
INDICE
Pagina
CAPITOLO 1 - Nanotecnologie e sensori chimici
4
1.1
Introduzione
1.2
Importanza dello sviluppo di una metodica per
rilevare analiti di interesse.
5
1.3
Cenni di fotochimica di base
6
1.4
La chimica dei sensori
10
1.5
Chimica
supramolecolare
e
progettazione
di
chemosensori
11
1.6
Schema di un chemosensore
14
1.7
Processi legati al funzionamento dei sensori
17
1.7.1
PeT,“Photoinduced Electron Transfer”
17
1.7.2
PET,“ Photoinduced Energy Transfer”
19
1.8
Uso di supporti solidi
20
1.9
Naso e lingua elettronici
20
1.10
Le nanotecnologie: le nanoparticelle
22
1.11
Scopo della tesi
24
1.12
Bibliografia
25
CAPITOLO 2 – Strumentazione e metodi
2.1
Spettri di assorbimento elettronico
30
2.2
Spettri di emissione ed eccitazione
31
2.3
Misure di tempi di vita di stati eccitati emittenti
33
2.4
Misure dei rendimenti quantici di emissione
34
2.5
Deposizione di film su vetro
35
2.6
Bibliografia
37
1
Indice
Pagina
CAPITOLO 3 - Sensori fluorescenti per analiti
gassosi
3.1
Cavitandi fluorescenti: l’idea
38
3.2
Misure in soluzione
41
3.3
Il sensore
45
3.4
Setup strumentale
47
3.5
Misure all’interfaccia solido-gas
48
3.6
Prospettive future
54
3.7
Bibliografia
55
CAPITOLO 4 – Nanoparticelle di oro
4.1
Introduzione
56
4.2
Sintesi delle nanoparticelle di oro
59
4.3
Interazione fra cromoforo e nanoparticella
61
4.4
Il pirene e le nanoparticelle di oro
63
4.5
Influenza della distanza e del legante su sistemi di
nanoparticelle di oro derivatizzate con unità
64
pireniche
4.6
Nanoparticelle di oro emittenti: luminescenza NIR
73
sensibilizzata da unità pireniche.
4.7
Esteri propargilici e Metallotropic Shift su superfici
di
4.8
oro:
una
strategia
per
la
sintesi
di
nanoparticelle stabilizzate con alchini fluorescenti
79
Bibliografia
84
2
Indice
Pagina
CAPITOLO 5 – Una nuova sonda fluorescente per
superfici di silicio nanofunzionalizzate
97
5.1
Introduzione
5.2
Self-Assembly di nanogabbie di coordinazione su
99
superfici Si(100)
5.3
La
nuova
sonda
fluorescente:
l’idea
e
la
progettazione
103
5.4
Risultati ottenuti e discussione
105
5.5
Bibliografia
110
CAPITOLO 6 – Conclusioni e pubblicazioni
112
3
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
4
CAPITOLO 1
SENSORI CHIMICI E NANOTECNOLOGIE
1.1 Introduzione.
"L’universo - scrive Galileo Galilei ne Il Saggiatore - é un libro scritto in lingua
matematica, e i caratteri sono triangoli, cerchi e altre figure geometriche".
Alle origini della scienza moderna c’è l'idea che la natura sia un libro, in cui sono
scritte le leggi che ne regolano l’ordine ed il funzionamento. Se la natura é un
libro, l’essere umano é il lettore, cui tocca voltare le pagine, e comprendere per
intero la trama. Leggere il libro della natura ha anche portato con sé il desiderio di
scriverne e riprodurne alcuni passi. Così alla scienza, che cerca le leggi della
natura, si é affiancata la tecnica. E oggi l’opera dell'uomo si é spinta fin nelle
pieghe dell’atomo e del codice genetico.
La ricerca sempre più approfondita nel “libro natura” ha permesso un passaggio
fondamentale, lo scienziato ed in particolar modo il chimico è passato dalla figura
di osservatore a quella di inventore, con concomitanti grandi progressi di scienza e
tecnologia, che hanno portato ad un notevole miglioramento della qualità della
vita per l’uomo. Parallelamente alle nuove tecnologie sono però sorte anche molte
nuove problematiche, non irrilevanti, come ad esempio l’aumento di patologie
anche gravi come conseguenza dell’inquinamento ambientale. Non si può non
menzionare il caso del Petrolchimico di Porto Marghera, in cui morirono 160 operai
e molti altri rimasero menomati a causa delle lavorazioni diretta di CVM (cloruro di
vinile monomero) e PVC (polivinilcloruro)1. Molti purtroppo sono gli esempi che si
possono fare, dal campo alimentare (utilizzo o esposizione ad agenti inquinanti
durante il ciclo di produzione), agricolo (utilizzo di insetticidi), ambientale (polveri
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
5
sottili, amianto) e in campo bellico (uranio impoverito e le più svariate sostanze
altamente tossiche)2-4.
Si può dire che la nostra società vive la contraddizione tra i vantaggi che lo
sviluppo le assicura e il degrado dell’ambiente derivante dallo sfruttamento delle
risorse, che non possono, attualmente, essere rinnovate con la stessa velocità con
la quale sono utilizzate.
Risulta quindi fondamentale l'adozione di tecnologie sempre più evolute che
possono, da un lato, facilitare azioni di monitoraggio continuo che consentano di
gestire le situazioni di emergenza e di attività ordinaria o, dall'altro, predisporre
servizi innovativi che, pur preservando le caratteristiche ambientali, consentano un
miglioramento nella qualità della vita quotidiana. Tra le varie aree di sviluppo
tecnologico si può sicuramente inserire quella rivolta allo sviluppo di “sensori” .
1.2. Importanza dello sviluppo di una metodica per rilevare analiti di
interesse.
Al giorno d’oggi il termine “sensore” è diventato di uso comune: non è infatti
indispensabile avere una formazione specifica per poter intendere, quantomeno in
maniera generale, il significato e l’importanza di sistemi contenenti sensori.
Attualmente infatti tali dispositivi sono presenti dappertutto con l’intento di
migliorare la qualità della nostra vita in ogni applicazione tecnologicamente
avanzata. Sono ad esempio un elemento essenziale per il controllo e la diagnostica
in settori come la casa, l'auto, la medicina, l'automazione industriale, le
telecomunicazioni, l'ambiente, l’agricoltura. I sensori trovano ormai ampia
applicazione nei più svariati campi, quali il monitoraggio ambientale, analisi
alimentare, nella diagnosi medica e, più recentemente, nella rilevazione di gas
tossici e di materiali esplosivi.
Tra i differenti analiti di interesse per i quali vengono progettati i sensori, una
speciale attenzione è sicuramente rivolta alla possibilità di determinare ioni
metallici. La determinazione di cationi è, infatti, di grande importanza per svariate
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
6
applicazioni. Ad esempio, sodio, potassio, magnesio, e calcio sono coinvolti in molti
processi biologici come la trasmissione di impulsi nervosi, contrazione muscolare e
regolazione dell’attività cellulare. In medicina è importante poter controllare i
livelli di Litio nei pazienti sottoposti a cure antidepressive o i livelli di Potassio nel
sangue di chi soffre di pressione alta solo per citare due esempi. Anche i metalli di
transizione sono di grande interesse in quanto generalmente tossici ma largamente
utilizzati in processi industriali, il cui rilascio nell’ambiente deve dunque essere
controllato scrupolosamente in quanto possono rappresentare un serio pericolo per
la salute dei sistemi viventi. I metalli pesanti infatti penetrano in maniera insidiosa
nel nostro organismo attraverso cibi, bevande e aria. Interferiscono con parecchi
processi vitali bloccando l’attività di numerosi complessi enzimatici, tanto che
attualmente si ritiene che la presenza di tali metalli giochi un ruolo fondamentale
su un elevato numero di patologie del metabolismo. Metalli come l’alluminio,
piombo e mercurio vengono definiti xenobiotici ed esercitano effetti tossici
sull’organismo, anche se di diversa entità, a qualsiasi livello di esposizione. Alcuni
metalli come ferro, rame e selenio in bassissime concentrazioni sono necessari allo
svolgersi delle normali funzioni metaboliche, ma risultano essere tossici a dosaggi
superiori. Anche da queste brevi considerazioni si comprende bene l’importanza
dello sviluppo di metodiche per il monitoraggio qualitativo e quantitativo di tali
sostanze sia in matrice biologica che ambientale.
1.3. Cenni di fotochimica di base
Prima di entrare nello specifico del lavoro di questa tesi, risulta utile riportare
alcuni brevi richiami dei principi della fluorescenza e di alcune proprietà chimico
fisiche ad essa legate, utili nella descrizione dei sistemi studiati in questo lavoro.
Alla base del fenomeno dell’emissione, c’è generalmente l’assorbimento di un
fotone (hν) di energia opportuna da parte di una molecola che si trova nel suo stato
elettronico fondamentale e che successivamente all’assorbimento si viene a
trovare in uno dei suoi stati eccitati:
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
7
Α∗
A + hν
Lo stato eccitato comporta generalmente una distribuzione elettronica differente
da quella dello stato fondamentale, e questo conferisce alla molecola nuove
proprietà chimico fisiche (diversa geometria, differenti proprietà redox, proprietà
magnetiche, etc.). La specie eccitata A* che si genera, va dunque considerata
come una nuova specie chimica con caratteristiche chimico fisiche proprie.
Gli stati elettronici eccitati sono specie a vita molto breve (vedi Schema1) con la
tendenza, più o meno marcata, a riportarsi allo stato elettronico fondamentale
cedendo l’eccesso di energia tramite differenti processi di disattivazione; a
seconda del tipo di molecola, del tipo di stato eccitato e delle condizioni
sperimentali, potrà prevalere l'uno o l'altro di questi processi, che possiamo
raggruppare in due differenti categorie:
PROCESSO DI DECADIMENTO RADIATIVO, processo che genera luminescenza:
l’energia in eccesso viene rilasciata liberando un fotone di energia hν’ (con hν’<
hν);
PROCESSO DI DECADIMENTO NON RADIATIVO, in questo caso l’energia può essere
rilasciata sotto forma di energia vibrazionale generando calore;
A + hν
Α∗
Α+Q
oppure si possono avere trasformazioni chimiche della specie eccitata in una nuova
e diversa specie:
A + hν
Α∗
Β
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
8
Diagrammi di Jablonski
Per meglio comprendere cosa accade ad una molecola dopo che ha assorbito un
fotone si schematizzano i vari stati elettronici in funzione dell’energia in quello
che viene chiamato diagramma di Jablonski, che riassume in modo dettagliato le
varie possibilità di eccitazione e disattivazione del sistema.
Schema 1. Diagramma di Jablonsky per una generica molecola organica
Nell’esempio di schema 1, con la linea più grossa sono rappresentati gli stati
elettronici eccitati; lo stato fondamentale S0, i primi due singoletti S1 e S2, e i primi
due tripletti T1 e T2. Le linee sottili invece rappresentano gli stati vibrazionalmente
eccitati che competono ai vari livelli elettronici.
In base alle regole di selezione per l’assorbimento, l’eccitazione con un fotone di
energia luminosa fa sì che la molecola si porti ad uno dei livelli vibrazionalmente
eccitati corrispondenti ad un livello elettronico normalmente della stessa
molteplicità dello stato fondamentale. Successivamente, si hanno processi veloci di
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
9
rilassamento vibrazionale attraverso i quali viene raggiunto il più basso livello
vibrazionale di quello stesso stato.
Se a questo punto la molecola si trova ad uno stato elettronico eccitato superiore
(S2, S3), attraverso un processo chiamato conversione interna si riporta
rapidamente allo stato di singoletto più basso, S1. In questa condizione la molecola
può tornare allo stato fondamentale per via non radiativa, o per via radiativa con
emissione di luce detta fluorescenza (processo radiativo tra stati della stessa
molteplicità).
Una terza possibilità è che la molecola passi (intersystem-crossing) allo stato di
tripletto più basso (T1). Anche in questo caso la molecola, per tornare allo stato
fondamentale, può seguire due differenti strade: la prima porta alla disattivazione
per via non radiativa, la seconda invece ha come effetto l’emissione di luce: in
questo caso si parla di fosforescenza (processo radiativo tra stati di diversa
molteplicità). In figura sono riportati anche i tempi tipicamente richiesti per i
processi qui elencati. Risulta evidente che il passaggio dagli stati S1 o T1 allo stato
fondamentale è più lento del decadimento da stati superiori a S1 e T1; proprio per
questo solo gli stati a più bassa energia di ciascuna molteplicità vivono abbastanza
a lungo per dar luogo a processi di luminescenza o a reazioni fotochimiche.
Per una descrizione più completa della fotofisica di una molecola si può infine
definire la resa quantica di emissione (Φ), che esprime il numero di fotoni emessi
per ogni fotone assorbito.
Caratteristica fondamentale della fluorescenza, in grado di farle ricoprire un ruolo
di prim’ordine nella progettazione e sviluppo di chemosensori, è la sua elevata
sensibilità: infatti la differenza tra la lunghezza d’onda di assorbimento e di quella
di emissione (Stoke’s shift) permette di misurare il segnale luminoso prodotto dal
sensore in intervalli spettrali diversi da quelli della sorgente di eccitazione e quindi
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
10
in condizioni di bassa radiazione di fondo. Inoltre, poiché l’intero processo è ciclico
(a meno di effetti di photobleaching che portano alla modificazione della specie
allo stato eccitato), l’intensità della radiazione emessa è proporzionale a quella
incidente e, dato che una singola molecola può essere ripetutamente eccitata per
emettere un gran numero di fotoni rilevabili, è possibile aumentare l’intensità del
segnale, e quindi operare a basse concentrazioni, semplicemente incrementando la
potenza della sorgente di eccitazione.
1.4. La chimica dei sensori
Per chiarire che cosa si intende per sensore si può far riferimento alla sua
definizione IUPAC: “un sistema in grado di trasformare un’informazione chimica,
che va dalla concentrazione di un singolo componente specifico del campione in
analisi alla concentrazione di tutti i componenti l’intera matrice, in un segnale
analiticamente utile”5.
Lo sviluppo di sensori chimici sembra destinato a rivoluzionare le potenzialità nel
campo delle analisi chimiche. Precedentemente infatti, la caratterizzazione da un
punto di vista chimico di un sistema è stata fortemente condizionata da una serie
di fattori pratici, la maggior parte dei quali correlata a questioni di tempo e di
costo, e fattori che in molti casi, nel bilancio finale, possono rendere questo tipo di
analisi non utilizzabili6.
Metodologie classiche richiedono il prelievo il trasporto ed un eventuale
trattamento del campione e, in molti casi, strumentazioni costose utilizzabili solo
da personale altamente specializzato. La chimica dei sensori è concepita in modo
da evitare queste restrizioni e ricopre un largo campo di applicazione dove le
strategie convenzionali, anche quando flessibili, risultano inadeguate. Inoltre,
sensori chimici risultano di particolare interesse non solo perché economici e facili
da utilizzare ma anche perché, se propriamente progettati, possono permettere il
monitoraggio delle concentrazioni di una analita in tempo e talvolta in spazio
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
11
reale7-9. E’ evidente come lo studio e la progettazione di sensori chimici ad alta
efficienza richieda un approccio multidisciplinare, è infatti essenziale la
cooperazione di chimici, fisici, biologi ed ingegneri. Il ruolo del chimico consiste
nel progettare il sistema in funzione della matrice da analizzare, è cioè
responsabile sia dello studio e realizzazione sia di quella parte di sensore che va ad
interagire direttamente con l’analita di interesse, determinandone la selettività e
l’affinità, sia del processo di trasduzione del segnale, che influenza fortemente la
sensibilità del sistema stesso.
Tra i vari sensori chimici, quelli basati sulla fluorescenza presentano molti
vantaggi: le misure di fluorescenza risultano infatti, particolarmente sensibili (in
condizioni particolari è addirittura possibile monitorare la singola molecola),
relativamente di basso costo, versatili, offrono una risoluzione spaziale al di sotto
del micron ed una risoluzione temporale maggiore del millisecondo10-13. La
versatilità di questi sistemi scaturisce da due motivi. Da una parte ci sono numerosi
processi che possono essere sfruttati per modulare le proprietà fotofisiche del
luminoforo: trasferimento di protoni, elettroni od energia allo stato eccitato,
variazioni di densità elettronica o destabilizzazione di uno stato eccitato non
luminescente di tipo n-π*
11, 14-16
, formazione di eccimeri, ecc. D’altra parte si
possono ottimizzare una serie di parametri del segnale in uscita per rendere più
efficiente il sensore. Per esempio controllando la lunghezza d’onda di eccitazione e
di emissione e la finestra temporale di raccolta del segnale è possibile risolvere
problemi analitici anche piuttosto complessi. Spesso le variazioni di intensità di
luminescenza rappresentano l’indicazione più diretta dell’avvenuta interazione con
l’analita e, dunque, il segnale da misurare. Negli ultimi tempi, tuttavia, si tende a
prendere sempre più in considerazione la possibilità di basare il monitoraggio
anche su altri parametri come il tempo di vita dello stato eccitato o l’anisotropia di
fluorescenza, essendo questi meno influenzati dalle condizioni ambientali e
sperimentali9.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
12
1.5. Chimica supramolecolare e progettazione di chemosensori
Caratteristica comune ed indispensabile di tutti i sensori chimici è l’esistenza di un
efficace processo di interazione nei confronti dell’analita di interesse, che deve
essere legato in maniera selettiva, veloce, stabile e reversibile. Un approccio
seguito dai chimici per la progettazione di nuovi e sempre più efficienti sensori
chimici è basato sui principi della chimica supramolecolare7-9, 14, 17-19.
Per sistema supramolecolare intendiamo un insieme organizzato di unità
molecolari, dove ogni unità mantiene gran parte delle proprie proprietà intrinseche
e i vari componenti sono legati tra loro tramite legami ad idrogeno, forze di Van
der Waals, interazioni elettrostatiche e, seppur più raramente, legami covalenti.
La caratteristica interessante dei sistemi supramolecolari è che le interazioni che
esistono tra le varie subunità possono portare alla scomparsa di proprietà dei
singoli componenti ed alla comparsa di proprietà nuove caratteristiche della
supramolecola nel suo insieme20.
Questi nuovi sistemi hanno stimolato il chimico a procedere nella costruzione di
nuovi congegni, macchine e dispositivi a livello molecolare, che si ispirassero a
sistemi macroscopici in grado di compiere funzioni utili23.
Nella sua forma più semplice la chimica supramolecolare si occupa di sistemi in cui
si verifica una interazione non covalente o una forma di complessazione tra una
molecola (un ‘host’) che ‘lega’ una seconda molecola (un ‘guest’) per dare luogo
ad una supramolecola di tipo ‘host-guest’. Tali interazioni stanno anche alla base
delle funzioni altamente specifiche che hanno luogo nei sistemi biologici, quali
riconoscimento molecolare, trasporto, catalisi, etc.. Un obiettivo ambizioso è di
apprendere dai sistemi naturali e di applicarne i principi ai sistemi artificiali.
Quindi i punti di forza principali dell’approccio supramolecolare allo sviluppo di
sistemi complessi sono principalmente due:
•
quello di ottenere strutture in cui le proprietà e le funzioni generali non
siano la semplice somma di quelle appartenenti alle subunità di partenza;
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
•
13
la possibilità di utilizzare processi di auto-assemblamento ed autoorganizzazione per unire le subunità che compongono il sistema (Figura 1).
Componenti molecolari
Sistema supramolecolare
Proprietà semplici
Funzione complessa
Figura 1. Dalla chimica molecolare a quella supramolecolare: subunità che svolgono funzioni
semplici e supramolecola che svolge funzioni complesse
Nel corso degli anni, sono stati realizzati numerosi sistemi, anche particolarmente
complessi, dotati di proprietà legate a fenomeni di riconoscimento molecolare,
segnalazione, trasporto e trasformazione di specie chimiche.
La varietà dei sistemi realizzati è estremamente ampia ed il considerare
supramolecolari solamente le strutture in cui l’architettura generale è formata da
subunità legate da interazioni non covalenti è risultata molto velocemente una
definizione troppo restrittiva. Anche specie chimiche costituite da subunità legate
covalentemente possono essere considerate supermolecole, purché presentino
proprietà e funzioni che le sub unità di partenza non avevano. In alcuni casi, in cui
si
verificano
effetti
cooperativi
e
collettivi
(fotochimici,
elettrochimici,
coordinativi o di ripartizione), è possibile basare la definizione di sistema
supramolecolare sul grado di interazioni che sono presenti tra i componenti
piuttosto che sulla natura dei legami che li tengono assieme. A questo tipo di
sistemi polimolecolari è stato dato il nome di “molecular assemblies”24; sono
caratterizzati dalla spontanea associazione di un numero anche non definito di
componenti che si organizzano spontaneamente costituendo un sistema con una
struttura più o meno definita a livello nanoscopico o microscopico. Le proprietà
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
14
generali di queste entità sono complessivamente legate al tipo di componenti e di
organizzazione; si pensi ad esempio ai dendrimeri, agli aggregati di tensioattivi
(micelle, vescicole, membrane), ai monostrati, ai film multistrato ecc.
Architetture di questo tipo stanno dando un forte contributo allo sviluppo delle
nanoscienze ed alle nanotecnologie. La possibilità di intervenire e controllare la
composizione e struttura di questi molecular assemblies sta aprendo la strada allo
sviluppo di “Molecular Devices”, sistemi in grado di dare il trasferimento di
energia, di elettroni o ioni, proprietà che possono essere utilizzate per ottenere
funzioni utili come l’immagazzinamento di informazioni o la trasduzione di segnali.
1.6. Schema di un chemosensore
Come già detto, il campo articolato della Chimica Supramolecolare si va
diversificando in diversi settori di ricerca quali, ad esempio, la chimica dei
macrocicli
e
loro
applicazioni,
il
riconoscimento
molecolare,
la
catalisi
supramolecolare, la chimica di catenani, rotaxani, dendrimeri, etc.. Tra questi, un
campo di grande importanza è sicuramente quello dei sensori. Come detto
precedentemente
un
sensore
è
un
dispositivo
in
grado
di
trasformare
un’informazione chimica (come la concentrazione di uno o più analiti) in una
grandezza misurabile e analiticamente utile6. Sulla base di questa definizione e
adottando un approccio supramolecolare per la loro realizzazione, una strada
particolarmente fruttuosa si è rivelata quella di sviluppare la parte sensibile del
dispositivo (quella che deve interagire con l’analita) mediante l’utilizzo di sistemi
molecolari o supramolecolari composti da tre differenti componenti seguendo uno
schema del tipo riportato in Figura 2.
Analita
Spaziatore
Unità attiva
Spento
Recettore
Acceso
Figura 2. Rappresentazione schematica di un sensore
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
15
Una parte recettrice (responsabile dell’interazione selettiva con l’analita) ed
un’unità attiva (le cui proprietà variano in conseguenza allo stato del recettore)
sono legate e comunicano grazie ad uno spaziatore che controlla la geometria del
sistema e ne regola l’interazione elettronica.
La parte o componente segnalatrice, che possiamo chiamare unità attiva, deve
possedere una determinata proprietà rilevabile e quantificabile, come per esempio
la fluorescenza o un potenziale redox, che vari a seconda dei due stati del sistema,
cioè a seconda che il recettore sia libero o impegnato nell’interazione con
l’analita7,11.
Il sistema deve avere una serie di caratteristiche necessarie al suo funzionamento:
• il recettore deve possedere una selettività sufficientemente elevata per l’analita
in esame rispetto ad agenti copresenti e possibili interferenti;
• il processo di associazione deve essere veloce e reversibile;
• l’unità attiva deve “conoscere” lo stato del recettore;
• nel suo complesso il sistema deve possedere una buona stabilità chimica.
L’importanza della selettività in un meccanismo di riconoscimento si può
facilmente comprendere analizzando le basi delle reazioni ed interazioni nei
sistemi naturali, basti pensare alla selettività dimostrata dagli enzimi nei confronti
dei loro substrati e cofattori, dalle proteine di trasporto per le sostanze che devono
trasportare, dagli anticorpi verso i loro antigeni. La parte recettrice deve quindi
presentare una notevole selettività in quanto in una matrice complessa deve essere
in grado di riconoscere l’analita in esame minimizzando le interferenze. Negli
ultimi venti anni in questo campo della ricerca si sono ottenuti importanti sviluppi.
Un’altra caratteristica importante che i sensori devono possedere è la reversibilità.
Considerando che pregio dei sensori è quello di poter lavorare in situ, è facile
rendersi conto che se l’analita una volta riconosciuto si legasse irreversibilmente al
sensore questo non sarebbe più in grado di seguire variazioni di concentrazione nel
tempo.
I sensori inoltre possono essere impiegati per il monitoraggio di una determinata
specie per tempi molto lunghi, è chiaro quindi come anche la stabilità di tali
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
16
sistemi sia un parametro importante. Possiamo dire che la progettazione di sensori
luminescenti, tramite le tecniche attualmente acquisite, ha ottime potenzialità.
Dal momento che il chemosensore luminescente deve essere in grado di riconoscere
un determinato analita tramite interazioni specifiche, che portino alla formazione
di un complesso le cui proprietà di luminescenza risultino distinguibili da quelle del
legante libero, il sistema più semplice per la sua realizzazione è sicuramente
rappresentato dall’utilizzo di componenti fluorescenti che siano allo stesso tempo
recettori. Purtroppo questo non è banale da ottenere perché introdurre modifiche
per l’ottimizzazione del meccanismo di riconoscimento sullo stesso frammento
della molecola che da luminescenza generalmente ne influenza drasticamente ed
in maniera indesiderabile le proprietà elettroniche.
La necessità comunque di operare separatamente sul riconoscimento e sul segnale
suggerisce di confinare queste due diverse proprietà in due diversi frammenti della
stessa struttura. Per questo approccio di tipo supramolecolare risulta disponibile
una larghissima libreria di recettori, fotofisicamente inattivi, da poter integrare in
sistemi luminescenti supramolecolari7-9,10,11,14,17-19,26-37. Di seguito riporto quindi
solo alcuni esempi di classi di sensori che possiamo dividere a seconda del ruolo del
recettore rispetto al resto della molecola. Il recettore può essere, infatti come
detto, parte integrante del sistema del fluoroforo (sensori integrati), oppure può
essere un’unità indipendente e separata rispetto al fluoroforo (sensori coniugati).
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
17
1.7. Processi legati al funzionamento dei sensori
Una caratteristica comune ed indispensabile di tutti i chemosensori è l’esistenza di
un semplice ed efficace processo di coordinazione nei confronti dell’analita, che
deve essere legato in modo selettivo, veloce, stabile e reversibile.
La coordinazione dell’analita da parte del recettore induce quindi, attraverso
opportuni processi fotofisici, le variazioni dello spettro di emissione del sistema
che costituisce il segnale rilevabile. I processi fotofisici attivi possono essere
moltissimi. In questa sede verranno descritti solamente i più comuni, che
sono:14,34,38
− Il trasferimento elettronico fotoindotto (PET; Photoinduced Electron Transfer)
− Il trasferimento di energia promosso dalla luce (EET; Electonic Energy transfer )
1.7.1. PeT,“Photoinduced Electron Transfer”
Questo processo fotoindotto14,34,38-40 è alla base di un gran numero di chemosensori
per cationi ed anioni, il cui funzionamento prevede in genere un’interazione
elettronica a medio-lungo raggio tra recettore libero ed unità fluorescente nello
stato eccitato.
Nella configurazione più diffusa la coordinazione dell’analita è segnalata dal
ripristino della fluorescenza. Il sistema è costruito in modo che un gruppo
funzionale all’interno del sensore (elettron-donatore) possieda un orbitale
molecolare pieno con energia intermedia tra quella degli orbitali HOMO-LUMO del
fluoroforo (Figura 3).
Di conseguenza, in assenza dell’analita può verificarsi un trasferimento elettronico
fotoindotto dall’orbitale del gruppo donatore verso l’HOMO del fluoroforo, seguito
successivamente da un secondo trasferimento elettronico dal LUMO del fluoroforo
verso l’orbitale donatore. In questo modo il decadimento dello stato eccitato del
fluoroforo avviene attraverso un cammino non radiativo e l’emissione dell’unità
fotoattiva risulta spenta.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
18
Figura 3. Schema di un sensore per ioni metallici in cui la fluorescenza è mediata attraverso PeT
Nella maggior parte dei sensori PeT i residui che agiscono da donatori e quindi
spegnitori verso l’unità fluorescente sono gruppi amminici aromatici od alifatici
inseriti nel recettore.
Il processo PeT viene interrotto dalla coordinazione dell’analita che induce un
aumento del potenziale di ossidazione del recettore: l’energia dell’HOMO del
complesso analita-recettore si abbassa e questo sfavorisce il trasferimento
elettronico verso il fluoroforo.
In
seguito
all’interruzione
del
trasferimento
elettronico,
l’emissione
di
fluorescenza del sensore aumenta generando il segnale. Esistono però anche altri
metodi per interrompere il processo PeT, quali cambiamenti conformazionali
prodotti dalla coordinazione del substrato, legami ad idrogeno e variazioni di
polarità del microambiente in prossimità del recettore.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
19
1.7.2. PET,“ Photoinduced Energy Transfer”
Anche
questo
tipo di
meccanismo39-40 causa
solitamente lo
spegnimento
dell’emissione del gruppo fluorescente e richiede l’interazione con una specie
chimica che possiede orbitali molecolari vuoti o semivuoti con energia che si
colloca all’interno dell’intervallo HOMO-LUMO del fluoroforo (Figura 4).
Verificate alcune condizioni41, è sufficiente che il quencher venga a trovarsi in
prossimità dell’unità fluorescente, ad esempio a causa della complessazione
dell’unità recettrice, perché questo processo avvenga, portando allo stato
fondamentale il fluoroforo, spegnendone la luminescenza. La disponibilità di livelli
energetici intermedi permette la transizione contemporanea di due elettroni tra
fluorescente eccitato e quencher e la riformazione dello stato fondamentale del
fluoroforo attraverso decadimento non radiativo.
Figura 4. Schema di un sensore in cui la fluorescenza è spenta attraverso PET (Photoinduced Energy
Transfer)
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
20
1.8. Uso di supporti solidi
Una volta sviluppato un sistema con tutte le caratteristiche finora individuate
diventa necessario renderlo effettivamente utilizzabile come sensore. Attualmente
l’impiego di sensori in soluzione risulta notevolmente limitato, ad esempio in
campo biochimico ed in particolare in biologia cellulare, sensori liberi in soluzione
vengono adoperati per determinare la mappatura della concentrazione di un
determinato analita in tempo reale42. Per molte altre applicazioni sia in campo
medico che ambientale, l’utilizzo di chemosensori è possibile, tuttavia, solo dopo
immobilizzazione del sensore su materiale inerte. In questo modo si possono
ottenere numerosi vantaggi. Innanzitutto, a patto che il legame recettore-analita
sia reversibile, è possibile utilizzare la stessa superficie per effettuare più
misurazioni, questo permette di abbattere notevolmente i tempi e gli sprechi di
materiale per ciascuna misura, abbattendone perciò direttamente anche i costi.
Un sistema su supporto solido ha inoltre il grande vantaggio di poter essere
conservato e trasportato molto agilmente e permette anche il facile inserimento in
kit sempre più semplici da utilizzare e che non richiedano perciò personale
altamente specializzato per effettuare le analisi.
1.9. Naso e lingua elettronici
Come detto precedentemente gran parte dello sviluppo delle tecnologie
sensoristiche deve il merito alla natura, dai processi che ci circondano, infatti,
l’uomo ha tratto ispirazione per la progettazione e costruzione di nuovi sensori;
come per la progettazione dei cosiddetti “nasi elettronici” e “lingue elettroniche”.
Ad esempio, nei primi, si mima la struttura del sistema olfattivo dei mammiferi:
recettori, nervi e sistema celebrale. Allo stesso modo il naso elettronico può essere
suddiviso in tre differenti componenti: il sistema di rilevazione del gas, il sistema
di
elaborazione
dei
segnali
provenienti
dai
sensori
ed
il
sistema
di
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
21
identificazione/riconoscimento degli odori43. Anche la lingua elettronica riproduce i
processi che regolano l'apparato del gusto nel copro umano ed è in grado di
discriminare tra sistemi multicomponente in soluzione.
A differenza dei sensori descritti precedentemente, il sistema di rivelazione di
queste specie è costituito da una matrice di differenti chemosensori caratterizzati
da una scarsa selettività rispetto alle sostanze di interesse, ma sensibili verso una
vasta gamma di specie. Ogni sensore deve essere quindi in grado di interagire con
molti composti chimici presenti nell’ambiente ma rispondere a ciascuno di essi con
una sensibilità diversa conferendo alla matrice la capacità di “sentire” le diverse
caratteristiche dell’atmosfera circostante in modo che la combinazione delle
risposte fornisca un’immagine “olfattiva” la più completa possibile. Attualmente la
maggior parte dei nasi elettronici si basa sulla rilevazione tramite micro bilance al
quarzo. L’apparato sensibile è costituito da una matrice di un numero definito di
micro bilance al quarzo ciascuna delle quali è ricoperta da un’opportuna sostanza
chimica (il chemosensore), la trasduzione si basa su una variazione della frequenza
di oscillazione; infatti ogni qual volta che una specie chimica presente
nell’ambiente si lega reversibilmente con il sensore, determinando una variazione
della frequenza del quarzo, tale variazione correttamente interpretata permette di
avere informazioni relative alle specie chimiche che compongono il gas in analisi.
Attualmente, i nasi elettronici trovano impiego specialmente nel settore
alimentare44 . In questo ambito sono documentate applicazioni per la verifica della
freschezza di alimenti dell’industria ittica (pesce, molluschi, etc…)45, la
valutazione della stagionatura dei formaggi, il controllo dell’idoneità degli
imballaggi. Di grande interesse è sicuramente uno sviluppo che riguarda l’utilizzo di
questi sistemi per la valutazione della qualità di liquori, birra e vino46. Mercati
emergenti risultano, invece, quello per il monitoraggio ambientale e la medicina,
esistono infatti nasi elettronici in grado di rilevare specie chimiche prodotte da
batteri, come il cianobatterio per quanto riguarda applicazioni ambientali o
l’Escherichia coli in campo medico47,48. E’ evidente l’importanza della possibilità di
utilizzare sensori immobilizzati in matrici solide per la realizzazione di strumenti di
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
22
misura portatili ed economici, che permettano di effettuare misure in situ in tempo
reale altrimenti impossibili con i normali strumenti di laboratorio.
1.10 Le nanotecnologie: le nanoparticelle
Il campo delle nanotecnologie si riferisce alla ricerca e allo sviluppo di sistemi con
dimensioni nell’ordine del nanometro, tipicamente nel range fra 1 e 100 nm.
Sistemi di questo tipo sono caratterizzati da nuove ed interessanti proprietà che
sono conseguenza delle loro ridotte dimensioni, ed è proprio per questo che negli
ultimi anni sono stati fatti grossi investimenti per finanziare la ricerca sulle
nanotecnologie.49,50,51
E’ quindi indubbio che le nanotecnologie avranno un forte e importante impatto in
molti settori della vita umana nel prossimo futuro, e molte pubblicazioni sono a
testimoniare l’importanza di un approccio rigoroso e scientifico utile per sviluppare
in maniera efficace questo campo di ricerca.
Una delle più importanti caratteristiche della nanotecnologia, che la rende unica, è
la sua intrinseca interdisciplinarità: al suo sviluppo infatti contribuiscono tanto la
chimica quanto la fisica, la biologia e la medicina, l’ingegneria e la scienza dei
materiali. In questo contesto in continuo aggiornamento, un crescente interesse è
rivolto alle nanoparticelle: ovvero agli aggregati (metallici e non) con dimensioni
controllabili dell’ordine del nanometro. Esistono vari tipi di nanoparticelle, si va da
quelle costituite da atomi metallici a quelle costituite da semiconduttori, ma
anche da quelle polimeriche a quelle miste: in generale per tutti questi aggregati
ci si può ricondurre ai cosiddetti “Quantum Dots”, che per comodità vengono
descritti come piccole sfere con un raggio dell’ordine del nanometro, ma in realtà
hanno forme che possono essere molto diverse.
Le applicazioni delle nanotecnologie, in questo momento, sono ancora molto
limitate, ma per le nanoparticelle esistono già parecchi utilizzi industriali nei più
disparati campi: nell’elettronica e optoelettronica; nel campo biomedico,
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
23
farmaceutico e cosmetico; nel campo della catalisi e nell’area dei materiali. Si
possono ricordare inoltre molti prodotti in cui sono presenti sistemi di
nanoparticelle, come ad esempio i lucidatori chimico-meccanici, nastri magnetici
registrabili, gli schermi solari, alcuni prodotti del settore automotive, e anche
supporti catalitici, marcatori biologici e fibre ottiche.
Uno dei più importanti fattori che ha reso lo studio e l’utilizzo delle nanoparticelle
un settore in grande sviluppo è quello relativo al loro utilizzo nel campo
dell’imaging per la diagnostica clinica e per il cosiddetto “drug delivery”, il rilascio
controllato di farmaci.
Anche la catalisi ha tratto giovamento dall’introduzione delle nanoparticelle,
grazie al fatto che esse garantiscono, per via delle loro ridotte dimensioni, una
grande superficie di contatto a fronte di un piccolo volume occupato. A
testimonianza dell’importanza delle nanoparticelle in questo campo, esistono
molte pubblicazioni.52
L’incredibile versatilità e la possibilità di poter controllare le proprietà delle
nanoparticelle ha quindi spinto notevolmente a portare avanti studi su questi
sistemi. Già molti anni fa era stato teorizzato53 che le proprietà del materiale bulk
potessero subire grossi cambiamenti se si fossero presi in considerazione piccoli
aggregati costituiti da pochi atomi. Le proprietà di questi piccoli clusters,
caratterizzati da dimensioni nel range fra 1 e 100 nm, non dipendono
esclusivamente dal materiale che li costituisce, ma sono fortemente legate alla
forma, alla dimensione e all’ambiente che ne circonda le superficie. Oltretutto è
possibile utilizzare diversi “capping agents” per derivatizzarne la superficie, e la
vastità di specie chimiche che possono essere utilizzate a tal scopo rende perciò
possibile il controllo di proprietà come la solubilità, oltre che l’introduzione di
determinate funzionalità (come ad esempio recettori, siti reattivi, funzioni elettro
e foto attive, catene di DNA).
In questo contesto estremamente vasto, nel capitolo 4 verrà focalizzata
l’attenzione sulla sintesi e caratterizzazione di nanoparticelle di oro che hanno
mostrato proprietà di luminescenza.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
24
1.11. Scopo della tesi
Da quanto detto fino ad ora risulta evidente come il “mondo” della sensoristica e
delle nanotecnologie sia estremamente vasto, in continua evoluzione e di
fondamentale importanza per lo sviluppo di nuove metodiche che permettano di
progettare sistemi innovativi finalizzati ad un miglioramento nella qualità della vita
quotidiana, preservando però allo stesso tempo l’ambiente che ci circonda. Con
questo lavoro di tesi si è cercato di dare un contributo a questo settore
caratterizzando e sviluppando diversi sistemi che presentano promettenti proprietà
per l’utilizzo nella realizzazione di sensori luminescenti. Le specie studiate, pur
molto diverse tra loro, posseggono tutte buone caratteristiche di luminescenza ed
interessanti capacità di riconoscimento più o meno selettivo di specie in soluzione
o allo stato gassoso.
Si è partiti da una caratterizzazione in soluzione per poi ottimizzare il sistema e
passare in alcuni casi, al fissaggio su supporti solidi in vista di future applicazioni
pratiche.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
25
1.12 Bibliografia
1. http://www.legambientedoc.it/industria/index.html
2. http://www.nanodiagnostics.it
3. Unkasevic, Miroslava; Vukmirovic, Zorka; Tosic, Ivana; Lazic, Lazar.
Environmental Science and Pollution Research International 2003, 10(2), 8997.
4. Ashford M W; Gottstein U. Medicine, conflict, and survival 2000, 16(3), 26780.
5. D. R. Thévenot, K. Toth, R. A. Durst, G. S. Wilson, Biosens. Bioelectron.
2001, 16, 121-131.
6. U. E. Spichiger-Keller, Chemical sensors and Biosensors for Medical and
Biological Application Wiley-VCH, Berlin, 1997.
7. Fluorescent Chemosensors for Ion and Molecole Recognition, (Ed. A. W.
Czarnik) American Chemical Society, Washington DC, 1992
8. M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni in: Handbook of Photochemistry and
Photochemistry and Photobiology, Ed. M. S. A. Abdel-Mottaleb and H. S.
Nalwa American Institute of Physic, 2003, 3, 271-317.
9. J.
R.
Lakowicz,
Principles
of
Fluorescence
Spectroscopy
Kluwer
Academic/Plenum Publishers, New York, 1999.
10. Fluorescent Chemosensors of Ion and Molecule Recognition, Ed. J.-P.
Desvergne and A.W. Czarnik, NATO-ASI Series, KluwerAcademic Publishers,
Dordrecht, 1996.
11. A. P. de Silva, H. Q. N.Gunaratne, T. Gunnlaugsson, A. J.M. Huxley, C. P.
McCoy, J. T. Rademacher, T. E. Rice; Chem. Rev.,1997, 97, 1515-1566.
12. A. P. de Silva, G. D. McClean,T. S. Moody and S. M. Weir, in Handbook of
Photochemistry and Photobiology, Ed. H. S. Nalwa, American Institute of
Physics,Stevenson Ranch, CA, USA, 2003, 3, 217.
13. L. Prodi, M. Montalti, N. Zaccheroni, J. S. Bradshaw, R. M.Izatt and P. B.
Savage, Tetrahedron Lett., 2001, 42, 2941.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
26
14. L. Prodi, F. Bolletta, M. Montalti, N. Zaccheroni, Coord. Chem. Rev., 2000,
205, 59-83.
15. R. Y. Tsien, Biochemistry, 1980, 19, 2396.
16. M. Sauer, Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 1790-1793.
17. R. Pinalli, F. F. Nachtigall, F. Ugozzoli, E. Dal canale, Angew. Chem. Int. Ed.
1999, 38, 2377-2379.
18. K. D. Schierbaum, T. Weiss, E. U. Thoden van Velzen, J. F. J. Engbersen, D.
N. Reinhoudt, W. Göpel, Science 1994, 265, 1413-1415.
19. F. C. J. M. Van Veggel in: Comprehensive Supramolecular Chemistry, Ed. J.
L. Atwood, J. E. D. Davies, D. D. MacNicol, F. Vögtle, D. N. Reinhoudt
(Pergamon, Oxford, 1996), vol. 10, 171-185.
20. V.
Balzani,
F.
Scandola,
SupramolecularPhotochemistry;
Horward:Chichester,U.K.,1991.
21. C. O’Driscoll, Chem. Brit.,2000, 36(9), 34-37.
22. (a)D.S. Goodsell, Our Molecular Nature: The body's Motors, Machines, and
Messages, Copernicus, New York, 1996. (b) Molecular Motors (Ed.: M.
Schliwa) Wiley-VCH, Weinheim, 2003.
23. V. Balzani, A. Credi, F. Scandola Chemistry and life, science and
Technology, 1996, 78, 1221.
24. Lehn, J.-M. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1988, 27, 89-112.
25. Molecular Luminescence Spectroscopy, Ed. S. G. Schulman John Wiley &
Sons, Inc., London, 1985.
26. R. Krämer, , Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1998, 37, 772-773.
27. R. A. Bissel, A. P. de Silva, H. Q. N. Gunaratne, P. L. M. Lynch, G. E. M.
Maguire, K. R. A. S. Sandanayake, Chem. Soc. Rev., 1992, 21, 187-195.
28. A. P. de Silva, G. D. Mc Clean, S. Pagliari, Chem. Commun. 2003, 2010-2011.
29. O. S. Wolfbeis, in: Biomedical Optical Instrumentation and Laser-Assisted
Biotechnology, Ed. A. M. Verga Scheggi, Kluwer Acad. Publ., Dordrecht
1996.
30. L. Fabbrizzi, A. Poggi, Chem. Soc. Rev. 1995, 24, 197-202.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
27
31. L. Fabbrizzi, M. Licchelli, P. Pallavicini, D. Sacchi, A. Taglietti, A review,
Analyst 1996, 121, 1763-1768.
32. R. Bergonzoni, L. Fabbrizzi, M. Licchielli, C. Mangano, Coord. Chem. Rev.
1998, 170, 31-46.
33. B. Valeur, E. Bardez, Chemistry in Britain, 1995, 31, 216-220.
34. B. Valeur, I. Leray, Coord. Chem. Rev. 2000, 205, 3-40.
35. E. Rimura, T. Koike, Chem. Soc. Rev. 1998, 27, 179-184.
36. A. B. Descalzo, R. Martinez-Manez, R. Radeglia, K. Rurack, J. Soto, J. Am. Chem.
Soc.; 2003, 125, 3418-3419.
37. K. Rurack, U. Resch-Genger,; Chem. Soc. Rev.; 2002, 31, 116-127.
38. de Silva, A. P.; Fox D. B.; Huxley A. J. M.; Moody T. S. Coord. Chem. Rev. 2000, 41,
205.
39. (a) Martinez-Manez, R.; Sancedon, Chem. Rev. 2003, 103, 4419, (b) Bell T.
W.; Hext, N. M. Chem. Soc. Rev., 2004, 33 (9), 589 – 598.
40. Fabbrizzi, L.; Licchelli, M.; Ramaioli, G.; Taglietti, A. Coord. Chem. Rev.
2000, 85, 205.
41. (a) Foster, T. Discuss. Faraday Soc., 1959, 27,7, (b) Dexter, D.L. J.Chem.
Phys., 1953, 21, 836
42. R. Y. Tsien, Ann. Rev. Neurosci., 1989, 12, 227-253.
43. (a) Gardner J. W., Bartlett P. N. : Electronic Nose- principles and
application. Oxford University 1990; (b) Gardner J. W., Bartlett P. N. Sensor
and Actuators B, 1994, 18, 120-127.
44. Bartlet P. N., Elliot J. M., Gardner J. W.: Electronic nose and their
application in the food industry. Food Technology, 1997, 51(12), 44-48.
45. Schweizer-Berberich M., Vaihinger S., Gopel W.: Sensor and Actuators B,
1994, 18-19, 282-290.
46. C. Di Natale, R. Paolesse, M. Burgio, E. Martinelli, G. Panazza, A. D’amico,
Analytica Chimica Acta 2004, 513, 49-56.
47. Gardner J. W., Craven M., Dow C., Hines E. L.: Meas. Sci. Technology, 1998,
9, 120-127.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
28
48. Mc Entegrant C. M.,Penrose W. R., Strathmann S. Stetter J. R.: Sensors and
Actuators B: 2000, 70 (1-3), 170-176.
49. Nanotechnology: A Realistic Market Evaluation. Business Communication Co.
Inc., Norwalk, 2004
50. Nanotechnology Market Opportunities, Market Forecasts, and Market
Strategies, 2004-2009. Winter Green Research, Lexington, 2004
51. a) Storrs Hall J, Nanofuture: what's next for nanotechnology. Prometheus
Books, New York, 2005; b) Schulte J Nanotechnology: global strategies,
industry trends and applications.Wiley 2005; c) Theodore L, Kunz RG
Nanotechnology:
environmental
implications
and
solutions.
Wiley-
Interscience, 2005; d) Yao N, Wang ZL Handbook of microscopy for
Nanotechnology.
Springer,
2005;
e)
Mansoori
GA
Principles
of
Nanotechnology: molecular-based study of condensed matter in small
systems. World Scientific Publishing Co 2005; f) Malsch NH Biomedical
Nanotechnology. CRC Press, London 2005; g) SR Waite Quantum Investing:
Quantum Physics, Nanotechnology, and the Future of the Stock Market.
Texere Publishing Ltd. 2004; h) Lakhtakia A Handbook of Nanotechnology:
nanometer structure theory, modeling, and simulation. Wiley 2004; i) Wolf
EL Nanophysics and Nanotechnology: an introduction to modern concepts in
nanoscience. Wiley 2004
52. a) Tsunoyama H, Sakurai H, Negishi Y, Tsukuda T Size-specific catalytic
activity of polymer-stabilized gold nanoclusters for aerobic alcohol
oxidation in water. J. Am. Chem. Soc. 127: 9374-9375 2005; b) Kisailus D,
Najarian M, Weaver JC, Morse DE Functionalized gold nanoparticles mimic
catalytic activity of a polysiloxane-synthesizing enzyme. Adv. Mater. 17:
1234-1239 2005; c) Esparza R, Ascencio JA, Rosas G, Sànchez Ramìrez JF,
Pal U, Perez R Structure, stability and catalytic activity of chemically
synthesized
Pt,
Au,
and
Au-Pt
nanoparticles.
J.
Nanoscience
and
Nanotechnology 5: 641-647 2005; d) Pasquato L, Pengo P, Scrimin P
Functional gold nanoparticles for recognition and catalysis. J. Mat. Chem.
Capitolo 1 – Nanotecnologie e sensori chimici
29
14: 3481-3487 2004; e) Campbell CT Physics: the active site in nanoparticle
gold catalysis. Science 306: 234-235 2004; f) Meyer R, Lemire C,
Shaikhutdinov KSh, Freund HJ Surface chemistry of catalysis by gold. Gold
Bulletin 37: 72-124 2004; g) Haruta M Gold as a novel catalyst in the 21st
century: Preparation, working mechanism and applications. Gold Bulletin
37: 27-36 2004; h) Haruta M Catalysis by gold nanoparticles. In: Nalwa HS
(eds) Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. (vol 1) American
Scientific Publishers, Stevenson Ranch, California, pp 655-664 2004; i)
Vayenas CG, Wieckowski A, Savinova ER Catalysis and electrocatalysis at
nanoparticle surfaces. Marcel Dekker Inc 2003
53. a) Giaever I, Zeller HR Superconductivity of small tin particles measured by
tunneling. Phys. Rev. Lett. 20: 1504-1507 1968; b) Kubo R, Electronic
properties of metallic fine particles I. J. Phys. Soc. Japan 17: 975-986 1962;
c) Kubo R Electronic properties of metallic fine particles. Physics Letters 1:
49-50 1962; d) Fröhlich H The specific heat of small metallic particles at
low temperatures. Physica 4: 406-412 1937.
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
30
CAPITOLO 2
STRUMENTAZIONE E METODI
Tutti i reagenti utilizzati sono stati acquistati dalla Sigma Aldrich e utilizzati senza
ulteriore purificazione. I solventi utilizzati per le misure fotofisiche sono MerkUvasol per spettroscopia. I composti studiati sono stati caratterizzati dal punto di
vista fotochimica e fotofisico mediante la strumentazione e le tecniche descritte
nei paragrafi seguenti.
2.1 Spettri di assorbimento elettronico
Gli spettri di assorbimento elettronico sono stati registrati mediante lo
spettrofotometro a doppio raggio UV/VIS Perkin Elmer λ-40 il cui principio di
funzionamento è illustrato in Figura 1.
sp
S
M
sp
rif
ch
C
sp
R
CPU
Figura 1. Schema a blocchi dello spettrofotometro UV-vis Perkin Elmer λ-40.
S = sorgente (una lampada a tungsteno opera tra 900 e 320 nm, una ad idrogeno tra 320 e 190 nm);
M = monocromatore (reticolo di diffrazione);C = campione; rif = riferimento; R = rivelatore (tubo
fotomoltiplicatore); ch = chopper; sp = specchi; CPU = computer (l’intensità del segnale viene
misurata dal fotomoltiplicatore e registrata sull’asse y, la scansione alle varie lunghezze d’onda
viene fatta dal monocromatore e registrata sull’asse x).
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
31
Mediante queste misure è possibile identificare le transizioni elettroniche che
portano la molecola dallo stato fondamentale a vari stati eccitati; inoltre, è
possibile risalire all’intensità della transizione calcolando il coefficiente di
estinzione molare ε [M-1 cm-1] secondo la relazione:
A= εbc
dove A è l’assorbanza (misurata dallo strumento), b è lo spessore della soluzione
attraversata dal raggio analizzante (di solito 1cm) e c è la concentrazione del
campione in esame.
2.2 Spettri di emissione ed eccitazione
Gli spettri di emissione sono stati registrati mediante uno spettrofluorimetro Perkin
Elmer LS50 del quale viene riportato lo schema ottico in Figura 2.
S
slit
C
ch
slit
R1
R2
CPU
Figura 2: Schema a blocchi di uno spettrofluorimetro Perkin Elmer LS50.
S = sorgente (lampada allo Xe con impulsi di 2 µs e frequenza di 50 Hz); Mecc = monocromatore di
eccitazione; Mem= monocromatore di emissione; R1 = fotomoltiplicatore di riferimento (per
correggere lo spettro di emissione della lampada); R2 = fotomoltiplicatore (per la rilevazione del
segnale di emissione dell’analita); C = campione; ch = chopper; slit = fenditure.
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
32
Con questo strumento è possibile evidenziare le transizioni di tipo radiativo (che
avvengono cioè con emissione di un fotone) di una molecola che passa da uno stato
eccitato (solitamente quello a più bassa energia) allo stato fondamentale. Inoltre,
regolando il ritardo con cui viene fatta la misura rispetto all’impulso della
lampada, è possibile separare la fluorescenza dalla fosforescenza.
Contrariamente a quanto avviene per gli spettri di emissione in cui si fissa la
lunghezza d’onda di eccitazione e si effettua la scansione del monocromatore di
emissione, per effettuare uno spettro di eccitazione, il monocromatore di
emissione è posto a lunghezza d’onda fissa (di solito la lunghezza d’onda del
massimo di emissione), mentre quello di eccitazione effettua la scansione che
viene registrata sull’asse x. Di seguito vengono riportati gli schemi ottici dei due
metodi di indagine a confronto (Figura 3).
R2
C
R2
C
y-drive
slit
y-drive
slit
x-drive
ch
R1
ch
R1
slit
slit
x-drive
S
Figura 3(a): Spettro di emissione
S
Figura 3(b): Spettro di eccitazione
Inoltre, per ottenere uno spettro corretto, si deve utilizzare una concentrazione di
analita tale che la sua assorbanza A sia minore di 0.1 in tutto l’intervallo di
lunghezze d’onda utilizzato per lo spettro di eccitazione. In questo modo la
risposta dello strumento in intensità di emissione Iem è lineare con il valore di A e lo
spettro che si ottiene, nel caso in cui tutti gli stati eccitati a più alta energia si
riportino allo stato eccitato emittente con efficienza unitaria, risulta proporzionale
allo spettro di assorbimento.
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
33
2.3 Misure di tempi di vita di stati eccitati emittenti
Per le misure dei tempi di vita, date le caratteristiche del fluoroforo in esame, è
stato utilizzato lo strumento detto “fotone singolo” (single photon counter) il cui
range di misura si estende su tempi di vita da 0.5 ns a 1 ms.
Lo schema dello strumento è rappresentato in Figura 4.
S
>
M1
>
C
>
>
contatore
Dstart
M2
>
TAC
>
>
Dstop
MCA
CPU
Figura 4: Schema a blocchi del fotone singolo.
S= sorgente, M1 = monocromatore di eccitazione, M2 = monocromatore di emissione, C = campione,
Dstar t= fotomoltiplicatore di start Dstop = fotomoltiplicatore di stop,TAC = convertitore tempoampiezza, MCA = analizzatore multicanale, CPU = computer.
Una lampada a gas, contenente H2, D2, o N2 con P = 0,5 atm genera impulsi di luce
con circa 2 ns di ampiezza e ad una frequenza di 40 KHz. La lunghezza d’onda di
eccitazione può essere selezionata con monocromatori o filtri ottici. Misurando il
ritardo con cui i fotoni arrivano al rivelatore (fotomoltiplicatore) rispetto ai
corrispondenti impulsi di eccitazione ed accumulando questi segnali in vari canali a
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
34
seconda dei loro ritardi si può costruire la curva di decadimento dell’emissione e
risalire così al tempo di vita cercato. Il ritardo di ogni segnale rispetto al flash di
eccitazione viene stimato in base al valore di una tensione che cresce linearmente
col tempo. L’errore associato al tempo di vita è di circa ±10%.
2.4 Misure dei rendimenti quantici di emissione
Una grandezza molto usata in fotofisica è il rendimento quantico di emissione Fe,
che può essere definito come il rapporto tra il numero di fotoni emessi e il numero
di fotoni assorbiti:
[n° fotoni emessi]
Φe
=
[n° fotoni assorbiti]
I rendimenti quantici di emissione Fe sono stati determinati confrontando
l’intensità di emissione delle specie in esame con quella di opportuni standard di
riferimento a rendimento quantico noto, operando nelle stesse condizioni
sperimentali su di uno spettrofluorimetro Perkin Elmer LS50.
Sono stati registrati gli spettri di emissione del campione e dello standard usando
una lunghezza d’onda di eccitazione alla quale le soluzioni sono isoassorbenti. La
relazione che permette di calcolare il rendimento quantico di luminescenza è:
φx= rendimento quantico di emissione della specie X;
φst= rendimento quantico di emissione dello standard;
Ax= area della banda di emissione della specie X;
Ast= area della banda di emissione dello standard;
nx= indice di rifrazione del solvente in cui è disciolta la specie X;
nst= indice di rifrazione del solvente in cui è disciolto lo standard.
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
35
Per avere la stessa risposta del fototubo, è necessario che la zona spettrale di
emissione del composto di riferimento sia la stessa di quella del campione.
2. 5. Deposizione di film su vetro
La deposizione su vetrino di film è stata fatta usando lo SpinCoater Model P6700.
Lo Spin Coater è uno strumento relativamente semplice, costituito da un piccolo
supporto rotante forato al centro; attraverso questo foro viene fatto il vuoto in
modo da tenere il substrato da ricoprire aderente al supporto stesso. L’operazione
di spincoating consiste nel depositare in maniera uniforme sul substrato inerte
un’aliquota di soluzione e, grazie alla forza centrifuga dovuta alla rotazione del
supporto, si ottiene una ricopertura uniforme della superficie. Lo strumento
permette di controllare sia la velocità che la durata della rotazione nell’intervallo
fra 500-8000 giri/min e 0/60 sec.
Questo metodo permette quindi di ottenere film con spessori da circa 100 nm fino
a 10 micron. La schematizzazione del processo è riportata in Figura 5.
1. Deposizione della soluzione contenente il
composto di interesse
2. Avvio della rotazione del substrato che
induce la distribuzione della soluzione.
3.
Il substrato gira a velocità costante e lo
spessore del film è controllato dalle forze
viscose.
4. Il substrato gira a velocità costante e lo spessore
del film è controllato all’evaporazione del solvente.
Figura 5. Schema di procedura per l’utilizzo dello spin-coater
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
36
Il trattamento matematico del sistema impone il bilanciamento tra le forze viscose
e la forza centrifuga. In più è necessario tenere conto che, a causa
dell'evaporazione del solvente, la viscosità varia nel tempo. La formula finale è:
Dove:
hf = spessore del film
c0 = concentrazione di solido nella soluzione
e = velocità di evaporazione =
ρ = densità del solvente
ω = velocità angolare del substrato
η = viscosità del solvente
Capitolo 2 – Strumentazione e metodi
37
2. 6 Bibliografia
1. Ramachandra Rao, C. N.; Kulkarni, G. U.; Thomas, P. J.; Edwards, P. P. Chem.
Soc. Rev., 2000, 29 (1), 27 – 35.
2. Grunes, J.; Zhu, J.; Somorjai, G. A. Chem. Commun. 2003, 18, 2257.
3.Lakowicz,
J.
R.
Principles
of
Fluorescence
Academic/Plenum Publishers: New York, 1999
Spectroscopy;
Kluwer
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
38
CAPITOLO 3
SENSORI FLUORESCENTI PER ANALITI GASSOSI
3.1 Cavitandi fluorescenti: l’idea
In questo capitolo, verranno descritte
descritt la sintesi e il principio di funzionamento di
una nuova classe di recettori molecolari basati su proprietà luminescenti, ovvero di
una coppia di cavitandi fosfonati (composti 1 e 2 di figura 3.1
1) che rispondono
all’interazione con un determinato analita variando le loro caratteristiche
fotofisiche, mentre risultano totalmente insensibili nei confronti di interazioni
interazion di
natura aspecifica.
1
2
Figura 3.1. Cavitandi fluorescenti: isomero IN, a sinistra,, ed isomero OUT, a destra.
I cavitandi fosfonati sono stati sintetizzati con il proposito di trovarne un utilizzo
nel campo della determinazione di alcoli a catena corta all’interfaccia solido-gas.
solido
Alla base della scelta dei cavitandi fosfonati c’è la forte propensione al legame ad
idrogeno fra la funzione
one alcolica e il gruppo P=O, e il fatto che l’instaurarsi di
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
39
questo tipo di interazione possa riflettersi sulle proprietà luminescenti del
fluoroforo a cui il gruppo P=O è connesso, fornendo il segnale utile per segnalare
l’avvenuta interazione.
Per meglio spiegare questo concetto, basta prendere in considerazione la fotofisica
del fluorescente legato alla cavità (unità rossa di figura 3.1): un doppio anello
aromatico (naftalene) direttamente legato al gruppo P=O da una parte e ad
un’ammina sostituita dall’altra.
Conseguentemente all’eccitazione del naftalene con un fotone di adeguata
energia, un elettrone del doppietto dell’azoto viene trasferito al sistema
aromatico. Il carattere elettron-attrattore esercitato dal gruppo P=O fa sì che
questo elettrone sia più probabilmente localizzato vicino al nucleo del fosforo,
dando luogo così ad uno stato eccitato, cosiddetto a trasferimento di carica, che
decade con tempo di vita τ che è tipicamente nell’ordine dei nanosecondi, ed è
decisamente influenzato da due fattori fondamentali:
1. La polarità del solvente: più polare è il solvente più lo stato eccitato a
trasferimento di carica risulta essere stabilizzato per solvatazione. Come
risultato di questo potrebbe aversi un allungamento del tempo di vita e una
emissione di energia a lunghezze d’onda maggiori (energia minore);
2. La perturbazione del gruppo P=O direttamente legato al doppio anello
aromatico: se, ad esempio, esso si trova impegnato in un legame ad
idrogeno,
il
suo
carattere
elettron-attrattore
aumenterà
e
come
conseguenza di questo si avranno variazioni nella disattivazione dello stato
eccitato, sia dal punto di vista cinetico che termodinamico.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
RO
O
P
40
3
OR
N
H
Figura 3.2. Di ethyl 6-(phenylamino)naphtalen-2-phosphonate (composto 3)
Con queste premesse, risulta chiaro come un’eventuale interazione della specie 3
di figura 3.2. con un alcol, per mezzo della formazione di un legame ad idrogeno
fra il gruppo P=O e una funzione alcolica, possa essere ben caratterizzabile dal
punto di vista fotofisico.
Si è scelto di collegare direttamente questo fluorescente ad una cavità
resorcinarenica come quella dei composti 1 e 2 per riuscire ad avere un controllo
sulla struttura dell’alcol che va ad interagire con il gruppo P=O (esistono in
letteratura evidenze che attribuiscono a cavità di questo tipo una spiccata affinità
e quindi selettività nei confronti delle catene alchiliche a basso numero di carboni,
come quella dell’etanolo).
L’obiettivo è quindi quello di ottenere due cavitandi fosfonati:
•
POin (composto 1): l’ossigeno del gruppo P=O punta verso l’interno della
cavità;
•
POout (composto 2): l’ossigeno del gruppo P=O punta verso l’esterno della
cavità.
Nell’isomero IN si hanno le condizioni ottimali affinchè l’interazione con la
funzione alcolica avvenga, mentre nel caso dell’isomero OUT l’effetto sinergico
delle due forze alla base della complessazione (formazione del legame ad idrogeno
e interazione π-alifatica fra l’interno della cavità e la catena corta dell’alcol) non
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
41
sussiste. Schematicamente si possono rappresentare le parti di cui il sensore è
composto come in figura 3.3:
Unità fluorescente PCT
Gruppo accettore
Gruppo donatore
Cavità
Figura 3.3 Schematizzazione del sensore fluorescente PCT basato su un cavitando fosfonato
L’approccio adottato è stato quindi quello di sintetizzare separatamente le diverse
parti che lo compongono per poi unirle. Come risulta dalla schematizzazione di
figura 3.3, le parti fondamentali che costituiscono il sensore sono due:
•
La cavità
•
L’unità fluorescente
3.2 Misure in soluzione
Per valutare la capacità di riconoscere gli alcoli a catena corta dei cavitandi così
sintetizzati, sono state eseguite titolazioni fluorimetriche con etanolo (figura 3.4).
Per stabilire quanto l’affinità della cavità resorcinarenica verso le catene alchiliche
influisca sulla formazione dell’addotto alcool-cavitando sono state condotte
titolazioni analoghe anche sul composto di figura 3.2, in cui la formazione del
legame ad idrogeno fra il gruppo P=O e la funzione alcolica è l’unica interazione
possibile. Tutte le titolazioni sono state eseguite in due differenti solventi a diversa
polarità, l’acetonitrile e il cloroformio, per comprendere meglio l’effetto della
solvatazione.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
16000
0% EtOH
48% EtOH
42
0% EtOH
48% EtOH
1.0
12000
0.8
10000
I/u.a.
ε/L*mol
-1
*cm-1
14000
8000
0.6
0.4
6000
4000
0.2
2000
250
300
350
400
450
350
λ/nm
400
450
500
550
λ/nm
Figura 3.4. Spettri di assorbimento (a sinistra) ed emissione (a destra) dell’isomero POin in CHCl3.
Il profilo nero è nel solo solvente di riferimento, mentre in rosso si ha un 50% di EtOH.
Le variazioni osservate negli spettri di assorbimento ad inizio titolazione (0% di
EtOH) e a fine titolazione (ca. 50% di EtOH) possono essere attribuite, in tutti e tre
i casi (POin, POout e composto modello) a variazioni nella solvatazione dello stato
fondamentale. Ovviamente per il solvente iniziale meno polare (il cloroformio),
sono state osservate variazioni più significative in corrispondenza dell’aumento di
polarità del mezzo a causa dell’aggiunta di EtOH.
Lo spettro di emissione, come aspettato, subisce uno spostamento del massimo
verso lunghezze d’onda maggiori (energie minori) come conseguenza della migliore
solvatazione dello stato eccitato a trasferimento di carica, oltre che della
formazione del legame ad idrogeno fra l’unità P=O e la funzione alcolica.
Ovviamente in soluzione, data l’elevata concentrazione di EtOH, l’effetto relativo
alla solvatazione risulterà essere predominante, mentre quando verrà discusso il
comportamento di questo sistema all’interfaccia solido-gas maggiore importanza
rivestirà la formazione del legame ad idrogeno.
Sono state effettuate anche misure di tempo di vita e rendimento quantico per i
tre composti, riassunte nella figura 3.5.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
43
Figura 3.5. Tempi
empi di vita e rendimenti quantici del composto modello e dei due cavitandi.
Esaminando innanzitutto i valori dei rendimenti quantici delle tre specie, si può
notare come il composto modello e il cavitando IN abbiano lo stesso valore di φ,
che è doppio rispetto a quello del cavitando OUT.
Alla luce di questo, si possono normalizzare per i rendimenti quantici iniziali gli
andamenti delle intensità di emissione registrate a 490 nm durante le tre
titolazioni con EtOH in CHCl3. Nel grafico di figura 3.6.. vengono rappresentate le
tre curve così ottenute.
5
Figura
3.
3.6.
Andamento
dell’intensità di emissione del
4
composto
modello
e
dei
cavitandi IN e OUT in funzione
3
I/u.a.
della % di EtOH nel solvente.
2
1
I490 POout
I490 POin
I490 Modello
0
0
10
20
30
% EtOH in CHCl3
40
50
60
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
44
La prima cosa che si nota è che la pendenza con le quale gli isomeri IN e OUT
raggiungono il plateau a cui compete il valore massimo di Iem è la stessa, diversa
però da quella che caratterizza il modello. Questo induce a pensare che in
soluzione la differente orientazione del gruppo P=O non sia rilevante ai fini
dell’interazione con l’alcol, rendendo perciò la presenza della cavità ininfluente.
Questo è ragionevole se si considera che la concentrazione di EtOH risulta essere
molto maggiore rispetto a quella di cavitando (ca.10-4M).
Per il composto modello invece, la pendenza è lievemente più bassa, ma il valore
di Iem raggiunto al plateau risulta essere maggiore. La pendenza è un indice della
costante di associazione, mentre l’intensità di emissione raggiunta da un’idea di
quanto lo stato eccitato emittente differisca dallo stato fondamentale. In altre
parole, si può dire che il composto modello sia in grado di associarsi all’etanolo in
maniera meno efficiente rispetto ai cavitandi, ma il suo stato eccitato risulta
essere più differente da quello fondamentale.
A conferma di quanto detto sopra, si può notare come l’aumentata polarità del
solvente comporti, per tutte e tre le specie, un generale allungamento del tempo
di vita dello stato eccitato.
Osservando i singoli valori di τ, si può notare come, mentre per il composto
modello si passa da un decadimento monoesponenziale di 2 ns ad uno di 6, nel
caso dei due cavitandi si passa da un tempo di vita di circa 3 ns ad un decadimento
multiesponenziale, che è stato ragionevolmente fittato con due tempi di vita, uno
assimilabile con quello del composto modello in cloroformio, mentre l’altro risulta
del tutto confrontabile con i 6 ns rilevati nel caso del solvente misto. Se si
prendono in considerazione ora i rapporti fra le concentrazioni degli stati eccitati a
tempo di vita corto e a tempo di vita lungo per i due cavitandi (ricavati dalle
equazioni di fitting dei decadimenti) è possibile osservare come nel caso del
cavitando IN sia predominante la specie che decade dopo 6 ns (rapporto 1: 8),
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
45
mentre nel caso del cavitando OUT i due decadimenti abbiano sostanzialmente lo
stesso peso (rapporto 1: 1,25).
Riferendosi quindi al composto modello, ed immaginando che il suo stato eccitato
sia solvatato al “100%” si può, con le approssimazioni del caso, definire lo stato
eccitato di IN come solvatato all’88%, mentre quello del cavitando OUT come
solvatato al 55%, osservazione che si trova in accordo con la differente struttura
delle due specie.
3.3 Il sensore.
Per poter utilizzare i cavitandi come sensori all’interfaccia solido-gas, è necessario
che essi vengano deposti su una superficie inerte.
Il supporto sul quale si effettua la deposizione deve possedere caratteristiche tali
da essere trasparente per il range di lunghezze d’onda di interesse, che per il caso
dei cavitandi corrisponde al visibile. Per questo il materiale che più soddisfa queste
condizioni risulta essere il vetro.
Utilizzando la tecnica di spincoating, sono stati così creati film sottili dei cavitandi
e del composto modello in matrice polimerica (figura 3.7).
Film sottile di sensore deposto
Substrato di vetro
Figura 3.7. Rappresentazione dello strato sottile deposto su supporto inerte.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
46
Una matrice piuttosto comune utilizzata per la creazione di film trasparenti è il
Polvinil Cloruro (PVC). La Tg di 80°C del PVC suggerisce l’utilizzo di un
plastificatore per ridurla, al fine di
poter creare fare film trasparenti e nello
stesso tempo “permeabili” agli analiti. E’ molto diffuso, sia in campo medico che
biologico, l’utilizzo di diottil-sebacato (figura 3.8) come plastificatore perché
possiede le necessarie caratteristiche di trasparenza richieste per questo tipo di
matrice.
O
O
O
O
Figura 3.8. Di-ottil sebacato.
La strategia sintetica che ha portato alla creazione dei film sottili è perciò quella
riportata nello schema 3.12.
Soluzione A:
Soluzione B:
120 mg di PVC
0.66 mg POin
260 µL di Sebacate
1 mL di THF
3 mL di THF
Agitazione (circa 1,5h) fino a solubilità completa del PVC
Soluzione C:
1:1 (500µL A + 500µL B)
Spincoating: 100 µL
Figura 3.9. Strategia sintetica per i film di cavitando in matrice polimerica.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
47
Il vetrino che si ottiene, oltre ad essere permeabile al gas e agli analiti, risulta così
rivestito nella sua superficie con un materiale incolore, flessibile e adeso in
maniera uniforme ed omogenea al supporto. La molecola attiva (i cavitandi IN e
OUT e il composto modello) sono stati aggiunti in modo tale da avere una
concentrazione nell’ordine di 0.1-0.2% in m/m, limite massimo oltre il quale il
segnale di fluorescenza causa la saturazione del detector dello spettrofluorimetro.
3.4 Setup strumentale
Per testare il sensore, risulta necessario mettere in contatto lo strato sottile con gli
analiti e nello stesso tempo eccitare il fluoroforo e registrare il suo spettro di
emissione.
E’ stata così concepita una cella a flusso ad hoc montata su una piattaforma tale da
essere facilmente montata sullo spettrofluorimetro a disposizione, il Perkin Elmer
LS55 (figura 3.10).
Entrata/uscita
analita
Film sottile
Finestra
trasparente
Figura 3.10. Cella a flusso: fotografia (a sinistra) e rappresentazione grafica (a destra)
Il substrato viene così posto nella finestra della cella (la tenuta del sistema è
garantita da opportune guarnizioni), che a sua volta è posta nella geometria
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
48
ottimale per lo spettrofluorimetro, con un angolo di inclinazione di 40° rispetto
alla luce incidente(figura 3.11).
Spettrofluorimetro
Detector
Figura 3.11. Rappresentazione del
setup strumentale.
Flussimetro
Sorgente luminosa
3.5 Misure all’interfaccia solido-gas.
Le prime misure sono state effettuate utilizzando un’alta concentrazione di EtOH
diluito con azoto (circa 10000 ppm). Lo scopo dei primi esperimenti era di testare
quelle che sono le caratteristiche fondamentali di un sensore: la sensibilità e la
riproducibilità. Sono così state condotte, in matrice polimerica, prove analoghe
per i due cavitandi e il composto modello.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
Spettri di emissione normalizzati di POout in matrice polimerica
sotto flusso di N2 e N2+ EtOH (10000 ppm)
Spettri di emissione normalizzati di POin in matrice polimerica
sotto flusso di N2 e N2+ EtOH (10000 ppm)
N2
0.8
0.8
0.6
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
360
380
400
420
440
460
480
500
520
N2
1.0
N2 + EtOH (10000 ppm)
I/u.a.
I/u.a.
1.0
49
540
N2 + EtOH
360
380
400
λ/nm
420
440
460
480
500
520
540
λ/nm
Figura 3.12. Spettri di emissione del cavitando IN (a sinistra) e OUT (a destra) sotto flusso di N2
(linea nera) e N2 + EtOH (10000 ppm).
Dalla figura 3.12 risulta netta la differenza con quanto osservato in soluzione.
Anche in questo caso si ha un red-shift del massimo di emissione, ma di entità
minore. Questo è dovuto al fatto che in soluzione gran parte di questo effetto è
attribuibile al contributo offerto dalla solvatazione del sistema con etanolo. Allo
stato solido questo contributo viene completamente a mancare e l’unico fenomeno
in grado di far sì che si abbiano le modificazioni dello stato eccitato che portano
allo spostamento dell’emissione è la formazione del legame ad idrogeno fra il
gruppo P=O e la funzione alcolica dell’etanolo.
Il confronto delle due coppie di spettri di emissione di figura 3.12 fornisce pertanto
una prova del fatto che la differente orientazione del gruppo P=O conferisce alle
specie POin e POout una diversa sensibilità nei confronti dell’analita di interesse.
Limitatamente alle sole misure in soluzione, non era possibile fare un’affermazione
del genere, in quanto per entrambi i cavitandi si osservava lo stesso red-shift. Il
fatto di aver eliminato “l’interferenza” dovuta alla solvatazione, che copriva il
segnale dovuto puramente all’interazione fra analita e cavità, fa sì che ora la
formazione
del
legame
riconoscimento dell’analita.
ad
idrogeno
giochi
un
ruolo
fondamentale
nel
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
50
Volendo fare un paragone, si può immaginare il cavitando come un cestino, in cui
la parte del coperchio è interpretata dall’unità fluorescente. Quando il coperchio è
aperto (POin), la cavità risulta accessibile all’etanolo e viene fornito un segnale che
ne evidenzia la presenza, mentre a coperchio chiuso (POout), la cavità non è più
accessibile e non viene fornita alcuna risposta.
E’ molto importante ricordate che nella chimica dei sensori è fondamentale che
esista una molecola di riferimento strutturalmente simile al sensore ma insensibile
all’analita. Per meglio comprendere e quantificare il processo di riconoscimento è
perciò opportuno riportare le misure ad uno “zero”. In questo caso, la differente
orientazione del gruppo P=O (responsabile della formazione del legame ad
idrogeno) rispetto alla cavità, fa sì che il cavitando POout ben rappresenti il
suddetto “zero”.
Per mettere in evidenza questo concetto, in figura 3.13 viene mostrato
l’andamento in funzione del tempo dell’intensità di emissione a 460 nm che deriva
dall’eccitazione a 333 nm di due film sottili di POin e POout , registrata con la
funzione “time-drive”
dello spettrofluorimetro.
Andamento dell'emissione
a 460nm di PO e PO
in
out
sotto flusso di N 2 + EtOH
450
10000 ppm
EtOH
10000 ppm
EtOH
PO in
PO out
400
350
I460/u.a.
300
250
200
150
100
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
t/s
Figura 3.13. Intensità di emissione a 460 nm per la specie POin (in nero) e quella POout (in rosso).
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
51
Dal confronto dell’andamento dei due segnali, si può notare come, in
corrispondenza dell’incremento con 10000 ppm di etanolo del flusso di gas inerte,
il cavitando POin fornisca una risposta, in termini di ∆Iem, circa dieci volte superiore
rispetto alla specie POout.
E’ però importante sottolineare che l’utilizzo di flussi di gas saturo, sebbene
“diluito” con gas inerte, porta con se molte fonti di errore. Per cercare di
minimizzare l’errore associato a queste misurazioni sarebbe opportuno servirsi di
bombole con concentrazione certificata di analita e sistemi di controllo dei flussi di
gas più fini. Sfortunatamente, in commercio sono reperibili per gli analiti di
interesse (ovvero gli alcoli con differente catena alchilica) solamente bombole con
un range di concentrazione fra i 100 e i 500 ppm. A tali valori di concentrazione,
con l’apparato sperimentale a disposizione, il rapporto segnale/rumore non risulta
essere dei migliori. Il motivo di ciò è da andare a ricercare nel software di gestione
dello spettrofluorimetro su cui sono state condotte le prove, che non permette di
scalare l’intensità di emissione per valori al di sopra di 1000 u.a.
Nonostante queste limitazioni, è stato comunque possibile stilare una “scala di
preferenza” del sensore nei confronti dei diversi analiti. Sono infatti state condotte
prove utilizzando bombole di metanolo, etanolo e propanolo rispettivamente a 516,
500 e 501 ppm. Volendo abbassare ulteriormente la sensibilità, sono state eseguite
anche prove su analiti con concentrazione nell’ordine delle 100 ppm. La risposta
del sensore a questi differenti analiti è, per entrambi i set di misure,
metanolo>etanolo>propanolo. Negli istogrammi di figura 3.14, che derivano da un
trattamento statistico relativo a prove su più strati sottili, vengono mostrati i
risultati ottenuti.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
8
∆I POin
52
3
MeOH
6.0
7
∆I POin
EtOH
4.4
6
MeOH
1.7
2
5
EtOH
1.1
4
3
PrOH
0.9
BuOH
0.6
1
2
PentOH
0.2
1
PrOH
0
0
1
2
3
4
0
0
1
2
3
4
5
Figura 3.14. risposta del sensore a flussi di analita a concentrazione certificata di 500 ppm (a
sinistra) e 100 ppm (a destra).
Prove analoghe sono state effettuate anche su film sottili del cavitando OUT e del
composto modello e, per entrambi, la risposta del sensore è assimilabile al rumore
di fondo. Questo risultato, ovviamente, si discosta molto da quanto ottenuto in
soluzione, ed è un’ulteriore conferma del fatto che la presenza della cavità,
all’interfaccia solido-gas, sia fondamentale.
Per meglio comprendere l’importanza di questi risultati, è possibile fare un
confronto con un lavoro del 19999, del gruppo di ricerca del professor Dalcanale
dell’Università di Parma. In questo lavoro, per molecole molto simili a quelle
presentate in questo capitolo viene prospettato un ruolo da sensore chimico per la
determinazione di alcoli. Il segnale analiticamente utile che viene preso in
considerazione è però relativo alle variazioni di frequenza di vibrazione del piatto
di una microbilancia al quarzo, sul quale è stato depositato uno strato sottile della
molecola di figura 3.15. Conseguentemente all’inclusione di analita nel film, si
hanno delle variazioni nella frequenza di vibrazione, che rappresentano la risposta
analitica.
La risposta a flussi di analita dell’ordine dei 3000 ppm (figura 3.15) risulta essere
opposta rispetto a quella ricavata per il sensore fluorescente POin. Questo è dovuto
al fatto che, nella tecnica QCM, l’aumento di risposta del sensore è fortemente
influenzato da interazioni di natura aspecifica, che non implicano necessariamente
la formazione del legame ad idrogeno (e la conseguente interazione π-alifatica con
6
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
53
la superficie interna della cavità) fra analita e recettore. Al contrario, uno dei
vantaggi dell’utilizzo della fluorescenza per questo tipo di sistemi sta proprio
nell’assenza di interazioni aspecifiche che portano a variazioni dello stato eccitato
del luminoforo.
Ovviamente, più l’analita è pesante, più la sua inclusione ha un peso maggiore.
Normalizzando
la
risposta
del
sensore
rispetto
a
quella
del
PECH
(polyepichlorohydrin), specie che non è in grado di interagire come il cavitando con
gli alcoli, il risultato che esprime l’affinità del sensore rispetto agli alcoli è in
accordo con quanto ricavato nelle misure di fluorescenza (figura 3.16).
Figura 3.15 Istogramma delle risposte QCM del cavitando (a sinistra, barra rossa) e PECH
(barra azzurra) a flussi di alcoli a 3000 ppm.
Figura 3.16. Risposte QCM del sensore normalizzate rispetto alla risposta del PECH.
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
54
Determinazioni cristallografiche hanno mostrato che la selettività per sistemi come
il POin (che dipende dall’effetto sinergico di due forze: il legame ad idrogeno del
gruppo P=O e l’interazione p-alifatica) è massima per gli alcoli con catene da C1 a
C4, e cala drasticamente dal C5 in poi.
3.6 Prospettive future.
Per aumentare ancora di più la sensibilità e ottenere una risposta solo per MeOH ed
EtOH, è in programma la sintesi di un nuovo cavitando in cui l’accessibilità alla
cavità è ancora più controllata, grazie alla sostituzione dei tre ponti metilenici
della molecola POin, con 3 ponti P=S (figura 3.17). Studi di modellistica molecolare
hanno mostrato come la cavità in questo caso diventi accessibile solo a funzioni
alcoliche legate a catene alchiliche di non più di 2 atomi di carbonio. Per catene
superiori non si riesce ad avere la sinergia fra la forza del legame ad idrogeno e
l’interazione π-alifatica, che è alla base del riconoscimento dell’analita.
O
O
P
S
O
O
P
S
O
3PS 1PO FL
Isomero IN
O
S
P
O
O
P
S
S
O
NH
3PS 1PO FL
Isomero OUT
O
O
O
O
P
O
P
O
S
P
O
N
H
Figura 3.17. I due isomeri con i tre ponti P=S.
O
P
O
Capitolo 3 – Sensori fluorescenti per analiti gassosi
55
3.7 Bibliografia
1. L. Prodi; New J. Chem. 2005, 29, 20-31; J.R. Lakowicz Principles of
Fluorescence Spectroscopy 1999, Kluwer, NY.
2. L. Fabbrizzi; Coord. Chem. Rev. 2000, 205, 1-2.
3. L. Fabbrizzi; A. Poggi, Chem. Soc. Rev. 1995, 24, 197.
4. O.S. Wolfbeis; Fiber Optic Chemical Sensors and Biosensors, volumi I-II, CRC
press, Boca Raton, FL, 1991.
5. B. Valeur, I. Leary; Coord. Chem. Rev. 2000, 205, 3-40.
6. H-G. Lohr, F. Vogtle; Acc. Chem. Res. 1985, 18, 65.
7. B.C. Gibb, R.G. Chapman, J.C. Sherman; J. Org. Chem. 1996, 61, 15051509.
8. P. Delangle, J.-C. Mulatier, B. Tinant, J.-P. Dutasta Eur. J. Org. Chem.
2001, 3695-3704.
9. R. Pinalli, F.F. Nachtugall, F. Ugozzoli, E. Dalcanale Angew. Chem. Int. Ed.
1999, 38, 2377-2380.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
56
CAPITOLO 4
NANOPARTICELLE DI ORO
4.1 Introduzione
Fra le varie tipologie di nanoparticelle, quelle di oro sono, per molte ragioni,
quelle su cui si è incentrato il maggior numero di studi. Innanzitutto occorre
premettere che la loro sintesi è molto semplice, visto che con molti reagenti
disponibili in commercio è possibile portare a termine la reazione di riduzione dell’
Au(III) ad Au0; oltre a questo, l’oro è il metallo le cui soluzioni colloidali sono più
stabili e presentano proprietà (elettroniche, magnetiche ed ottiche) molto
peculiari, riconducibili alla loro dimensione e dovute al cosiddetto “quantum size
effect”, che verrà trattato più avanti nel corso di questo capitolo.
Sin dall’antichità, si ricorreva alle proprietà cromatiche delle nanoparticelle di oro
per decorare vetri e ceramiche, in modo da conferire agli oggetti particolari effetti
di iridescenza che li rendevano pregiati. Le soluzioni colloidali di oro sono
comunque ben conosciute ed utilizzate da molti secoli anche nei trattamenti
medici per molti tipi di patologie (stati di instabilità mentale, artriti, circolazione
sanguigna, tubercolosi, ecc.)1 e in test medici2. A dispetto di questo utilizzo che
risale a molto indietro nel tempo, i primi tentativi scientifici di fornire una
spiegazione delle particolari proprietà chimiche collegate all’oro colloidale
risalgono al 1718 quando Hans Heinrich Helcher pubblicò un trattato completo su
questo tema3, e nel 1857, dopo oltre un secolo, quando Faraday descrisse la sintesi
delle nanoparticelle di oro per mezzo della riduzione di un sale in soluzione
acquosa, e cercò di spiegarne le relative proprietà ottiche4.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
57
Negli ultimi decenni, sono stati proposti molti metodi (sia chimici che fisici) per la
preparazione di soluzioni colloidali di oro e di argento, fino a che, nel 1994, i
professori M. Brust e D.J. Schiffrin5, scoprirono una strategia sintetica che, per
l’estrema facilità, efficienza e controllabilità che la accompagna, permise grossi
passi avanti in questo campo. Questo netto e deciso miglioramento nella ricerca
rese possibile la pubblicazione di molti libri6, reviews7 e un ingente numero di
articoli scientifici (più di 100000 negli ultimi 3 anni).
Il motivo di un così crescente interesse scientifico può essere attribuito alle
particolari proprietà di questi materiali, che sono indotte dal cosiddetto “quantum
size effect”.
Normalmente, le proprietà dei metalli e dei semiconduttori vengono descritte
facendo riferimento agli elettroni che si trovano ad occupare differenti bande di
energia, mentre per i singoli atomi vengono studiati livelli discreti di energia in cui
gli elettroni si trovano. Quando però si hanno aggregati di pochi atomi che vanno a
costituire piccoli clusters con dimensioni nel range dei nanometri, dal punto di
vista elettronico la situazione risulta essere intermedia fra l’atomo e il metallo
bulk.
Le
proprietà
(elettroniche,
ottiche,
elettrochimiche,
magnetiche
e
catalitiche) delle nanoparticelle differiscono così da quelle dei materiali bulk, a
causa della diversa distribuzione di energia che compete agli elettroni di valenza.
Vi è quindi una forte dipendenza delle proprietà elettroniche dalle dimensioni:
questa relazione può essere spiegata solamente se si fa riferimento alle regole
della quanto-meccanica. Si parla quindi di “quantum size effect” e i colloidi
metallici vengono chiamati “quantum dots”.
L’evidenza maggiore del “quantum size effect”, e delle nuove proprietà che
insorgono come sua conseguenza, è data dal colore caratteristico delle
nanoparticelle metalliche. Esso trae origine dalla cosiddetta “plasmon resonance
band”, una banda di assorbimento tipica per i colloidi metallici che deriva
dall’oscillazione collettiva degli elettroni sulla superficie delle nanoparticelle. Nel
caso dei cluster di oro essa mostra un massimo nella regione spettrale fra i 500 e
600 nm, conferendo un colore che varia fra il rosso rubino e il blu/marrone e che
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
58
dipende dalla dimensione, dalla forma e dalla polarità dell’ambiente. La “plasmon
resonance band” è interpretabile attraverso la teoria Mie8, ed è stata studiata da
molti autori.
Per nanoparticelle particolarmente piccole e in determinate condizioni di polarità
dell’ambiente, il gap energetico associato alla “Plasmon resonance band” può dar
luogo ad una vera e propria luminescenza.
Dal punto di vista elettrochimico, esperimenti di CV e DPV condotti su dispersioni
omogenee di nanoparticelle di oro e argento stabilizzate alla superficie da unità
alcantioliche hanno fornito risultati molto interessanti in quanto è stato possibile
individuare per questi sistemi 15 differenti stati redox accessibili9,10, il che significa
che è possibile osservare singole transizioni elettroniche, permettendo la
descrizione del sistema attraverso il cosiddetto effetto di Coulomb-blockade, che
afferma che si possono avere queste transizioni se l’energia associata (Ec= e2/2C) è
maggiore dell’energia termica (ET=kbT, dove kb è la costante di Boltzmann)11.
Queste osservazioni sono state effettuate utilizzando la tecnica STM, in cui viene
monitorato l’electron tunnelling fra l’estremità della punta e le nanoparticelle12.
Tutte le proprietà delle nanoparticelle finora descritte, sono state osservate e ben
comprese negli studi del Prof. G. Schmid, in particolare l’indagine è stata condotta
su clusters di oro composti da 55 atomi, Au55, stabilizzati alla superficie con dei
leganti a base di fosfine13.
Nonostante la ricerca in questo campo, che risulta essere molto vasto, stia facendo
enormi passi avanti, non si è ancora indagato in maniera approfondita sulle
proprietà fotofisiche e fotochimiche che insorgono quando la superficie delle
nanoparticelle viene funzionalizzata con unità cromoforiche. Questi sistemi,
costituiti da un core metallico e da un “guscio” organico, potrebbero risultare
molto interessanti nell’ottica del design di apparati fotoattivi, con possibili
applicazioni in molti campi (sensoristica, rilascio controllato di farmaci, catalisi
ecc.). La ragione di questo apparentemente minore interesse è da ricercare nel
fatto che, in generale, le nanoparticelle metalliche hanno la caratteristica di
spegnere gli stati eccitati dei fluorofori attraverso processi di trasferimento di
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
59
energia o di elettrone. In questo capitolo, verranno invece mostrati casi in cui
questo non è l’unico processo osservabile.
4.2 Sintesi delle nanoparticelle di oro.
Nella parte introduttiva di questo capitolo, è stato detto che esistono molte
strategie, sia fisiche che chimiche, percorribili per la sintesi di nanoparticelle
metalliche7. Ciò che verrà di seguito illustrato riguarda essenzialmente le
metodiche in cui le nanoparticelle vengono sintetizzate per mezzo della
stabilizzazione della loro superficie con unità cromoforiche.
E’ ben risaputo che le specie chimiche che posseggono determinate funzionalità
(fra queste si ricordano tioli, tioeteri e tioesteri, disolfuri, isocianati e anche
fosfine, ammine e carbossilati) mostrano tendenza a formare legami stabili con le
superfici di oro. Questa affinità è presente, benché minore, nei confronti della
superficie di nanoparticelle di oro, e porta ad una maggiore stabilità dei colloidi, in
quanto la passivazione della superficie ne previene l’aggregazione. Ovviamente gli
agenti stabilizzanti sopra elencati non posseggono tutti la stessa affinità per l’oro,
quindi è utile sottolineare che le nanoparticelle più stabili sono quelle la cui
superficie viene derivatizzata con tioli alchilici, e fra questi la maggiore
stabilizzazione viene offerta da quelli le cui catene alifatiche sono comprese fra C6
e C18.
Come è già stato detto in precedenza, il primo metodo chimico per la sintesi di oro
colloidale è quello riportato da Faraday, mentre attualmente la riduzione del sale
d’oro necessaria per ottenere le nanoparticelle viene condotta in modi diversi. Fra
tutti si ricorda il metodo di Turkevich del 195117, che ha come risultato netto la
formazione di nanoparticelle di oro stabilizzate con citrato, con un diametro di
circa 20 nm e con una superficie carica negativamente che le rende solubili in
acqua. Il legame oro-citrato però, non risulta particolarmente forte, quindi le
particelle che si ottengono con il metodo Turkevich sono caratterizzate da una
bassa stabilità, che porta a un loro collasso nell’arco di poco tempo.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
60
Una sintesi che porta a risultati decisamente migliori in termini di stabilità è quella
proposta dai Professori M. Brust e D. J. Schiffrin nel 19945 e che rappresenta, come
già accennato precedentemente, la strategia sintetica più affidabile e più
utilizzata.
Essa prevede la riduzione dell’oro a partire da un complesso di AuIII solubile in
acqua (AuCl4-, reperibile in commercio sotto forma di acido tetracloro aurico
HAuCl4). Lo ione complesso viene successivamente trasferito in una fase organica
(tipicamente toluene) mediante un tensioattivo (il tetraottil ammonio bromuro).
Nella fase organica è presente nelle giuste proporzioni l’agente stabilizzate (un
tiolo alifatico). La riduzione di AuIII ad Au0 (e contemporaneamente la
stabilizzazione della superficie delle nanoparticelle con il tiolo) avviene
all’interfaccia fra la fase acquosa e quella organica per mezzo dell’aggiunta di
NaBH4. Nella figura 4.1 è riportato lo schema che descrive questa procedura di
sintesi.
+ TOAB
Toluene
Agitazione
2 ore
Separazione
+ NaBH4(aq)
+CH3(CH2)n SH
Agitazione
(2 ore)
Figura 4.1. Sintesi di nanoparticelle di Au stabilizzate da un tiolo alifatico
Adottando questa procedura estremamente semplice, si ottiene una dispersione di
nanoparticelle di oro (con una distribuzione del diametro medio che dipende dalle
condizioni sperimentali16) dotate di una buona stabilità, tanto che è possibile
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
61
considerarle come un comune prodotto chimico (è possibile evaporare il solvente,
conservarle e successivamente risolubilizzarle). Con la medesima strategia è
possibile variare l’agente stabilizzante (introducendo funzionalità differenti dal
tiolo come l’etere, il tioestere, l’ammina e l’isocianato), per ottenere
nanoparticelle diversamente funzionalizzate.
Una ulteriore variante consiste invece nella preparazione preliminare di
nanoparticelle “nude”, ovvero con una superficie debolmente stabilizzata da forze
di natura elettrostatica (il tetraottil ammonio bromuro già presente nell’ambiente
di sintesi possiede le caratteristiche giuste) e la successiva passivazione con leganti
più forti18 (figura 4.2)
+ TOAB
Toluene
Agitazione
2 ore
Separazione
Agitazione
NaBH4 in H2O
2 ore
Separazione
fase organica
Figura 4.2. Sintesi di nanoparticelle di Au debolmente stabilizzate da forze elettrostatiche.
4.3 Interazione fra cromoforo e nanoparticella
Il primo passo da fare è quello di dimostrare che la superficie di oro e la molecola
stabilizzante siano effettivamente legate. Esistono molte vie per dimostrarlo, una
di queste prende in considerazione i tracciati NMR della specie che si suppone
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
62
interagisca con il cluster metallico. L’eventuale formazione di un legame con la
superficie di oro ha infatti come conseguenza la modificazione della distribuzione
elettronica nelle molecole adsorbite, e questo è evidenziato da picchi NMR più
larghi e differenti chimical shift18 (nel caso di leganti con la funzione tiolica si ha
anche la scomparsa del segnale SH, come previsto dalla formazione del legame
R-CH2-S-Au19).
In questo capitolo si farà invece riferimento a lavori in cui l’evidenza dell’effettiva
formazione del legame fra oro e agente passivante è data da esperimenti con
tecniche spettroscopiche nel range dell’UV-Visibile (assorbimento ed emissione di
luce). Siccome la localizzazione della “plasmon resonance band” (PRB) è dovuta
agli elettroni che si trovano sulla superficie della nanoparticella, è evidente che la
formazione di legami chimici con altre specie ne perturbi le proprietà (si ricorda
però che la PRB dipende anche dal tipo di materiale, dalle dimensioni e dalla forma
del core metallico, oltre che dal solvente in cui la dispersione è solubilizzata)20.
Risulta perciò chiaro che lo spostamento della PRB (rispetto alla sua originale
posizione per nanoparticelle debolmente stabilizzate per via elettrostatica) è tanto
più significativo quanto più è forte l’interazione con l’agente stabilizzante: per
questo è stato possibile stabilire anche con la spettrofotometria che i leganti a
base di tiolo sono quelli in grado di legarsi con maggiore efficienza alla superficie,
in quanto per essi è stato osservato il massimo shift della PRB.
Quando l’agente stabilizzante possiede proprietà luminescenti, è possibile,
utilizzando tecniche spettrofluorimetriche, ricavare informazioni molto interessanti
riguardo l’interazione con la superficie metallica. Per la specie chimica legata
diventano così accessibili nuove vie di disattivazione dello stato eccitato, come ad
esempio l’energy o l’electron transfer, e diventano possibili fenomeni che portano
a variazioni nelle velocità dei processi di decadimento (radiativo e non radiativo)48.
Il primo esempio di funzionalizzazione covalente della superficie di nanoparticelle
con unità cromoforiche fu pubblicato nel 199721, ma i primi studi dal punto di vista
spettroscopico per sistemi di questo genere risalgono ai lavori del Professor
Murray22,
che
facendo
reagire
la
5-aminoacetamido-fluoresceina
riuscì
a
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
63
derivatizzare la superficie di nanoparticelle di oro ricoperta da uno strato
protettivo di tiopronina, ottenendo delle particelle con un numero medio di
fluorofori ancorati alla superficie di circa 3.7 unità.
Per questo sistema, lo studio spettroscopico servì a rivelare che la luminescenza
della fluoresceina era stata notevolmente spenta dall’interazione con il cluster
metallico, pur mantenendo la banda di emissione le stesse caratteristiche di
energia e forma rispetto al legante libero. Il dubbio che lo spegnimento della
fluoresceina fosse dovuto ad effetti di self-quenching (possibili per cromofori di
quel genere, caratterizzati da bassi Stoke-shift) fu risolto attraverso un
esperimento di confronto che permise di stabilire che alle concentrazioni alle quali
era stata effettuata la sintesi non sussistevano tali fenomeni. Questa fu quindi la
prima evidenza spettroscopica dell’effetto di spegnimento della luminescenza
esercitato dalla superficie metallica delle nanoparticelle su un cromoforo
covalentemente legato attraverso un’unità tiolo. Dopo questo studio, seguirono
molti altri lavori in cui l’indagine su tale effetto fu portata avanti, utilizzando
diverse specie come cromoforo, ovvero il dansile, lo stilbene, le porfirine, i
fullereni, il pirene e le cianine.
4.4 Il pirene e le nanoparticelle di oro.
Il pirene è senza ombra di dubbio la specie che ha attratto su di se il maggiore
interesse da questo punto di vista, in quanto fra le sue proprietà esiste la
possibilità di formare eccimeri dotati di una banda di luminescenza notevolmente
diversa dal monomero, che può essere osservata solamente quando due unità si
trovano in stretto contatto. Questa condizione può verificarsi, ad esempio, quando
molecole di pirene opportunamente derivatizzate sono legate alla superficie delle
nanoparticelle. E’ stato dimostrato che il più importante percorso di disattivazione
della luminescenza in questi casi è dovuto all’electron transfer fra pirene eccitato
e oro23. La manifestazione evidente di questo proviene dagli studi che, negli ultimi
anni, i professori P.V. Kamat e K.G. Thomas hanno portato avanti sull’interazione
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
64
fra il pirene e le nanoparticelle di oro utilizzando diversi leganti. Ciò che è emerso
da studi sull’assorbimento del transiente, conseguentemente all’eccitazione
pulsata con una sorgente laser, è che si ha inizialmente la formazione del pirene
radical-catione a causa del trasferimento di un elettrone fra la specie eccitata e il
core di oro della nanoparticella a cui il pirene è legato. Il successivo processo di
back-electron transfer fa sì che il sistema torni allo stato fondamentale: è
importante ricordare che la separazione di carica può durare per tempi nell’ordine
dei microsecondi.
4.5
Influenza
della
distanza
e
del
legante
su
sistemi
di
nanoparticelle di oro derivatizzate con unità pireniche.
Durante questo periodo di dottorato ha avuto un ruolo molto importante lo studio
di sistemi di nanoparticelle derivatizzate alla superficie da unità di pirene
differentemente legate. In questo paragrafo verranno perciò illustrati i risultati
ottenuti per due diversi tipi di leganti, il tiolo e l’ammina.
Per queste due classi di gruppi funzionali, sono stati condotti studi in parallelo per
dimostrare quali fossero i punti in comune e quali le differenze in relazione alla
variazione delle proprietà spettroscopiche del pirene.
NH2
SH
1
2
R
OCO(CH2)10SH
3
Figura 4.3. I tre derivati del pirene studiati: due con catena alchilica corta (un tiolo, 1, ed
un’ammina, 2) ed uno a catena lunga (3). Il composto R è stato utilizzato come riferimento.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
65
L’integrazione di molecole dotate di proprietà fotofisiche ben note e conosciute
come i composti 1, 2 e 3 con sistemi di nanoparticelle di oro caratterizzate a loro
volta da proprietà molto particolari, è stato quindi il punto focale di questa
ricerca, che ha come finalità ultima quella di ottenere il controllo e il
miglioramento delle caratteristiche di una vasta gamma di molecole. L’obiettivo è
quindi quello di comprendere la natura dell’interazione fra le nanoparticelle e il
pirene in funzione di parametri quali la natura del legante e la distanza dalla
superficie di oro, per creare i presupposti per il design di materiali con nuove ed
interessanti funzionalità determinate dalla presenza di un core metallico.
In letteratura, esistono molti lavori in cui vengono modulate le proprietà
luminescenti di un cromoforo per effetto dell’interazione con cluster di oro24-43, ed
è stato dimostrato come la fluorescenza possa essere spenta attraverso meccanismi
di electron o energy transfer. Per quanto riguarda i processi di energy transfer, le
cui costanti di velocità sono dipendenti dalla distanza fra lo spegnitore e il
cromoforo, esiste una teoria, NSET (nanosurface energy transfer theory)34-36, che
prevede una proporzionalità con l’inverso della quarta potenza della distanza, r-4,
che ben descrive questi meccanismi in particolare per nanoparticelle molto
piccole, con un diametro medio dell’ordine di 1,5 nm. In queste condizioni infatti, i
cluster non presentano bande di risonanza plasmonica coerenti, e mostrano elevate
costanti di spegnimento della fluorescenza di cromofori ad esse legati29,34-36.
Nanoparticelle più grandi invece, con un diametro dell’ordine degli 80 nm, hanno
la capacità di creare un forte campo elettrico nelle loro vicinanze, che ha come
effetto quello di aumentare l’efficienza di eccitazione del cromoforo e
conseguentemente la costante di disattivazione radiativa. Questi fenomeni,
dipendenti dalle dimensioni del core metallico, e dalla distanza da questo dei
cromofori, non sono osservabili esclusivamente per nanoparticelle di oro, ma anche
per clusters di argento37-43. Il passaggio da effetto di quenching ad aumento della
velocità dei processi di disattivazione radiativa è stato preso in esame in una
pubblicazione del gruppo di ricerca del Professor Novotny, in cui è stata stabilita
una sorta di continuità fra questi due fenomeni in funzione della dimensione dei
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
cluster
e
della
distanza
cromoforo-core
metallico47.
E’
però
66
importante
sottolineare come queste osservazioni non siano estendibili a tutte le classi di
fluorofori, come ad esempio le cianine42.
Risulta molto interessante ai fini di quanto verrà mostrato in seguito illustrare
brevemente i risultati di due lavori dei Professori Thomas e Kamat44,46 su
nanoparticelle di oro con diametro medio fra i 5 e gli 8 nm, stabilizzate alla
superficie dal composto 5 di figura 4.4 ( si noti la catena alchilica corta e quindi
distanza cromoforo-nanoparticella molto ridotta) e il composto 6 di figura 4.4
(catena alchilica più lunga).
O(CH2)5SH
NH2
6
5
Figura 4.4. Amminopirene a catena corta (5) e pirenetiolo a catena lunga (6)
Per le nanoparticelle stabilizzate con 5, non è stato riscontrato alcun effetto di
spegnimento della luminescenza attribuibile a fenomeni di electron/energy
transfer, mentre per le particelle derivatizzate con 6, il meccanismo che governa il
drastico calo di luminescenza del pirene riscontrato è quello dell’electron transfer
fra il pirene eccitato e la superficie di oro, affermazione che trova riscontro nel
completo recupero della fluorescenza osservato quando l’elettrodo assume certi
potenziali (electrochemical bias), tali da prevenire il processo di trasferimento
elettronico.
Tutto
questo
però
pare
in
contrasto
con
quanto
asserito
precedentemente, in quanto nel caso del composto 5 il pirene si trova più vicino
alla superficie di oro rispetto al composto 6, e questa anomalia è stata attribuita
da parte degli autori alla differente natura del legante. Nel caso dell’ammina
infatti, gli autori hanno attribuito questo fenomeno alla presenza dell’azoto che è
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
67
in grado di indurre una polarizzazione del core di oro, e per questo rendersi
responsabile del non verificarsi del processo di electron transfer. Viene quindi da
se che, con queste premesse, non sia possibile poter chiarire definitivamente la
dipendenza dalla distanza cromoforo-particella nell’occorrere dei processi di
spegnimento o innalzamento della fluorescenza.
Il preliminare intento del lavoro che verrà presentato è quindi quello di studiare le
proprietà fotofisiche di nanoparticelle di oro stabilizzate alla superficie da due
derivati del pirene strutturalmente simili (composti 1 e 2), ma caratterizzati da
funzionalità terminali differenti, un tiolo ed un’ammina. La catena alchilica che
separa il pirene dalla funzione che andrà poi a legarsi con la superficie di oro in
entrambi i casi è a 4 atomi di carbonio, ovvero sufficientemente lunga per evitare
processi di spegnimento della fluorescenza del pirene via electron transfer con il
doppietto dell’azoto (fenomeno che lo zolfo non è in grado di dare e che sarebbe
fonte di differenziazione fra i due composti), ma anche sufficientemente corta per
rientrare nella casistica delle interazioni con le nanoparticelle cosiddette “shortrange”. I risultati di questo studio preliminare verranno poi confrontati con quanto
osservato per il composto 3, caratterizzato da una più elevata separazione fra
cromoforo e metallo.47,48
Per quanto riguarda i composti 1e 2 liberi in soluzione, i parametri fotofisici sono
pressoché simili a quelli del composto di riferimento scelto, ovvero 1-methylpirene
(R), che per l’assenza di opportuni gruppi funzionali al termine della catena non ha
la possibilità di legarsi alle nanoparticelle. Gli spettri di assorbimento quindi
presentano per tutti e tre i composti la classica struttura vibrazionale del pirene
con un massimo a 343 nm a cui compete un coefficiente di assorbimento molare ε=
40000 M-1 cm-1. In soluzione areata di THF, i tempi di vita dello stato di singoletto
responsabile dell’emissione, misurati con la tecnica del fotone singolo, sono di 16
ns. Questa similitudine fra composti 1 e 2 e il riferimento è completata dalla
perfetta sovrapposizione degli spettri di emissione e dall’identico rendimento
quantico (Φ=0.071) che sta ad indicare che sia gli stati fondamentali che gli stati
eccitati delle tre molecole sono identici. Tutto questo è una conferma anche della
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
68
totale assenza di interazioni fra il pirene e la funzione terminale, che nel caso del
composto 2 (a differenza del composto 1) potrebbe dar luogo, come accennato in
precedenza, ad electron transfer dal doppietto dell’azoto al pirene eccitato. Una
ulteriore conferma di questo è fornita anche dall’assenza di variazioni
nell’emissione del pirene conseguentemente alla titolazione del composto 2 con
acido triflico.
Detto questo, se si prendono in considerazione soluzioni dei composti 1, 2 ed R alla
stessa concentrazione, le variazioni dei parametri fotofisici del pirene che
potrebbero osservarsi dopo l’aggiunta della medesima quantità di nanoparticelle di
oro “nude” (ovvero prodotte mediante la sintesi descritta nel paragrafo
precedente) sarebbero necessariamente dovute alla diversa natura del legante. Se
si osservano le figure 4.5 e 4.6, in cui sono riportati gli spettri di
assorbimento,emissione ed eccitazione di due soluzioni dei composti 1 e 2 (in cui
[pirene]=3 x 10-6 M) prima e dopo l’aggiunta della stessa aliquota di nanoparticelle
di oro, si osserverà per entrambi un comportamento analogo, che sta ad indicare
che la natura del gruppo legante non influisce sulle proprietà del pirene legato al
core metallico.
2
A
Figura 4.5. Spettri di assorbimento dei
composti 1 e 2 prima (tratto continuo) e dopo
(tratteggiato) l’instaurarsi dell’interazione con
le nanoparticelle di oro.
1
λ/nm
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
69
2
I/u.a.
a
1
I/u.a.
λ/nm
1
b
Figura 4.6. Spettri di emissione (a) ed
eccitazione (b) dei composti 1 e 2, prima
(tratto continuo) e dopo (tratteggiato)
l’instaurarsi
dell’interazione
con
le
nanoparticelle di oro.
N.B. E’ stata applicata la correzione degli
spettri50,51, necessaria a causa del’effetto
di filtro sull’emissione del pirene da parte
delle nanoparticelle di oro.
2
λ/nm
Nel caso del riferimento R invece, non si hanno sostanziali variazioni fra gli spettri
di assorbimento, emissione ed eccitazione registrati prima e dopo l’aggiunta di
nanoparticelle di oro.
Analizzando nel dettaglio gli spettri di figura 4.5, è possibile osservare forti
perturbazioni nella banda di assorbimento strutturata del pirene, oltre che nella
PRB delle nanoparticelle di oro. Attraverso la deconvoluzione dello spettro di
assorbimento del pirene è stato possibile perciò stimare per esso un calo del
coefficiente molare di assorbimento pari a circa il 30%, rispetto a quanto osservato
in assenza dei cluster metallici di oro. Dal punto di vista della fluorescenza,
successivamente alla formazione del legame fra i composti 1 e 2 e l’oro, si assiste
ad un consistente red-shift dello spettro di emissione, accompagnato da un
sostanziale cambiamento della struttura della banda, come è possibile notare dalla
figura 4.6A. Queste variazioni nell’ambito della fluorescenza sono, come osservato
per sistemi analoghi58, una prova della forte interazione fra pirene ed oro.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
70
Il rendimento quantico di emissione aumenta di 1.4 volte per il composto 1 e di 1.5
volte per il composto 2, e contemporaneamente a questo si assiste ad un
accorciamento del tempo di vita dello stato eccitato (dai 16 ns deil fluorofori liberi
si passa rispettivamente a 6.2 e 5.7 ns). Questo comportamento non è nuovo per
fluorofori che si trovano in prossimità di una superficie metallica nanostrutturata,
ed è dovuto ad un aumento della costante radiativa dello stato eccitato
fluorescente. Questi risultati sono sorprendenti qualora vengano confrontati con
quelli ottenuti per il composto 3, caratterizzato da una lunga catena che separa il
pirene dalla superficie di oro. E’ infatti la presenza di una catena più lunga che fa
sì che si abbia un forte spegnimento della fluorescenza (circa del 90% rispetto al
composto 3 libero in soluzione), un leggero blue-shift della banda di emissione ed
un consistente accorciamento del tempo di vita dello stato eccitato (τ= 0.5 ns).
Per poter fornire una spiegazione più completa riguardo il fenomeno di
spegnimento della luminescenza in funzione della lunghezza della catena alchilica
che porta il fluoroforo, sono stati condotti studi su modelli computazionali in
collaborazione con il gruppo del professor Zerbetto. Sono state prese in
considerazione e minimizzate configurazioni in cui 25 unità di pirene erano legate
ad una superficie di Au (111) per mezzo di due catene di differente lunghezza (C4 e
C11, figura 4.7). Una volta ottimizzate le geometrie, per la catena corta è stato
trovato un angolo di tilt (rispetto a quello normale sulla superficie di metallo) di
~20°. Questo valore risulta essere all’incirca la metà di quello calcolato per le
catene più lunghe e flessibili, per le quali è stato stimato un angolo di 45-48°.
L’origine di questo effetto è da ricercare nel fatto che, quando le catene sono
corte,
l’interazione
dominante
che
governa
l’impaccamento
dello
strato
superficiale sull’oro è quella che si instaura fra le unità pireniche, mentre la
possibile interazione catena-catena è minima in quanto esse sono troppo corte. In
queste condizioni le molecole si riarrangiano in modo da massimizzare le
interazioni pirene-pirene. Quando invece si hanno catene alchiliche più lunghe le
interazioni fra queste aumentano e le molecole riarrangiano in maniera differente,
in accordo con il cambiamento di condizioni.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
71
Figura 4.7. Viste dall’alto e laterali dei monostrati di pirene ottimizzati: (a,b) la
catena corta C4; (c,d) la catena lunga C11. Le catene sono in blu, il pirene in verde.
La differenza nell’angolo di tilt riscontrata per i due tipi di catene ha
un’importante conseguenza: per le catene C4, il pirene si trova quasi
perpendicolare alla superficie, mentre per il C11 il fluoroforo è orientato in
maniera quasi parallela alla superficie stessa. Le interazioni elettroniche fra il core
di oro e lo strato di pirene sono quindi notevolmente influenzate dalla geometria
dei due sistemi, e si possono distinguere in due tipi: la prima interazione è quella
che ha luogo attraverso la sovrapposizione delle funzioni d’onda dei due
frammenti, la seconda invece è influenzata dalle perturbazioni, come ad esempio
dal campo elettrico. Un esempio della prima classe è quello relativo al
trasferimento di carica fra il metallo e il pirene, la cui probabilità di avvenire è
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
72
proporzionale alla sovrapposizione delle nuvole elettroniche. Un esempio della
seconda classe è invece l’effetto del campo elettrico generato dal metallo sugli
stati elettronici del pirene.
Il fatto che il pirene sia “appiattito” sulla superficie di oro (caso della catena C11)
aumenta la probabilità che abbia luogo il trasferimento di carica, che invece
sarebbe pari a zero per un’orientazione perpendicolare del fluoroforo. D’altra
parte, la minore distanza fra il pirene e gli atomi d’oro ( caso del C4), perturba gli
stati elettronici simmetricamente permessi, attraverso E
momento di transizione fra gli stati perturbati ed E
— µ , dove µ
è il
è il campo elettrico generato
dal core di metallo. In altri sistemi, è stato trovato che il campo elettrico generato
dall’oro può essere consistente e di valore 7 MV/cm.
Oltre a questo, risulta interessante indagare ulteriormente riguardo il ruolo del
trasferimento di carica nei sistemi a catena corta e lunga. Non è possibile condurre
calcoli quantistici sui sistemi di figura 4.7 a causa delle loro dimensioni, così per
ottenere un dato qualitativo utile alla descrizione dei processi in esame, è stato
scelto di utilizzare un metodo di calcolo basato sulle densità di funzione al livello
B3LYP/6-31G*, ovvero di studiare l’effetto sul potenziale di ionizzazione del pirene
esercitato dalle cariche degli atomi di metallo che si trovano nelle vicinanze del
fluoroforo. In assenza di cariche, la differenza di energia calcolata fra il pirene
neutro e il pirene cationico è di 6.95 eV sia per il C4 che per il C11. Le cariche
degli
atomi
metallici,
calcolate
utilizzando
il
modello
che
è
servito
precedentemente per ottimizzare le geometrie, sono positive e devono aumentare
il potenziale di ionizzazione. Quando esse vengono aggiunte, è stato trovato che il
potenziale di ionizzazione del pirene sale a 18.66 eV per il C4 e a 15.09 eV per il
C11. Questi valori non hanno una corrispondenza sperimentale diretta, comunque
indicano che il trasferimento di carica dovrebbe essere più facile( e quindi ci
dovrebbe essere un maggiore effetto di spegnimento) nel caso della catena C11.
In conclusione, con questo lavoro è stato possibile chiarire come l’efficienza dello
spegnimento esercitato dalle nanoparticelle di oro sulla fluorescenza del pirene
venga notevolmente ridotta quando si accorcia la catena che separa il fluoroforo
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
73
dal core metallico: questo comportamento non è compatibile se si assume che tale
spegnimento avvenga per effetto di un energy transfer24-28, ma risulta ragionevole
se si considera che, almeno per il caso del pirene, esso sia dovuto essenzialmente
all’electron transfer (figura 4.8).
Figura
4.8.
Rappresentazione
schematica dei processi fotofisici
che intercorrono fra nanoparticelle
di oro e pirene, nel caso di leganti
con differente catena. I fluorofori
liberi (a) mostrano lo stesso
comportamento indipendentemente
dalla lunghezza della catena. Dopo
la formazione del legame con il
cluster di oro, le energie dello stato
eccitato fluorescente e di quello a
separazione di carica variano in
funzione della lunghezza della
catena (b)e (c).
4.6 Nanoparticelle di oro emittenti: luminescenza NIR sensibilizzata
da unità pireniche.
I sistemi in grado di presentare luminescenza nella regione del vicino infrarosso
(NIR), stanno sempre più catturando interesse in funzione di future applicazioni nel
campo diagnostico-medico59 e in quello delle telecomunicazioni60. Oltre al classico
approccio molecolare che ha portato alla sintesi di coloranti estremamente
efficienti61, sono stati recentemente proposti materiali nanostrutturati come i
“quantum dots”62 e i “nanorods”63 che rappresentano valide alternative ai
luminofori convenzionali. Nell’ambito delle nanoparticelle, non esiste una vera e
propria letteratura che riporta esempi di sistemi luminescenti, ma soltanto esempi
di cluster metallici le cui proprietà fotofisiche sono fortemente legati alla natura
delle specie stabilizzanti. Nel caso di nanoparticelle con diametro maggiore di 2
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
74
nm, sono state osservate dal Professor Gittins e dai suoi collaboratori64 deboli
emissioni nella regione UV (Φ=10-6), mentre una migliore resa quantica (10-3) è
stata ottenuta nel vicino infrarosso nei lavori di Whetten65 e Murray66, utilizzando
però nanoparticelle più piccole, oltre che ricoperte da un monostrato protettivo.
Per quanto riguarda sistemi basati sul trasferimento di energia da un cromoforo
verso la nanoparticella, esiste un unico lavoro a cui fare riferimento67, nel quale
però solamente una piccola frazione dell’energia luminosa assorbita dal cromoforo
(elettrostaticamente adsorbito alla superficie) è ceduta in maniera efficiente al
cluster metallico.
In questo paragrafo verrà invece presentato un sistema in cui il trasferimento di
energia è risultato molto più efficiente, e ha portato ad avere una buona
luminescenza nella regione NIR da parte delle nanoparticelle di oro.
I sistemi presi in esame sono quelli di figura 4.9, in cui sono mostrate tre differenti
classi di nanoparticelle, stabilizzate alla superficie da fosfine diversamente
sostituite. In particolare, dalla tabella riportata, si osserva come passando dal
sistema 7.1 al sistema 7.3, aumenti la concentrazione di pirene legato alla
superficie delle nanoparticelle.
7.2
7.1
PPh2
7
7.3
legante
d/nm
Au:Py
7.1
TPP
1.8±0.6
-
7.2
7+TPP
1.8±0.6
8.3
7.3
7
1.8±0.5
3.3
Figura 4.9. Nanoparticelle di oro funzionalizzate alla superficie con trfenilfosfina (TPP) e
difenil-1-butilpirene (7)
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
75
Per questi sistemi, nel caso dell’eccitazione diretta sulla banda di risonanza
plasmonica, è stato osservato un rendimento quantico che aumenta di 2 ordini di
grandezza in corrispondenza dell’aumentare del rapporto 7/TPP fra le specie
stabilizzanti. Se però l’eccitazione delle nanoparticelle viene effettuata sfruttando
il processo di energy transfer fra pirene e superficie dei cluster di oro, si ha un
aumento di 3 ordini di grandezza68. Il composto 7 perciò può fungere da antenna, e
il fenomeno di light-harvesting che ha luogo fa sì che si abbia una forte
luminescenza NIR dalle nanoparticelle.
Gli spettri di assorbimento dei sistemi 7.2 e 7.3 mostrano un consistente
contributo da parte del pirene nella zona UV, mentre sono praticamente
sovrapponibili con quello del sistema 7.1 nella zona del visibile e NIR (figura
4.10a). Comunque, se gli spettri di 7.2 e 7.3 vengono confrontati con una
opportuna combinazione degli spettri di 7.1 e 7 (come è stato fatto in figura
4.10b), diventa evidente come le bande di assorbimento del pirene siano
significativamente allargate e spostate verso il rosso in corrispondenza del legame
con la superficie di oro, il che sta ad indicare come vi sia una forte interazione fra
il core d’ore e il pirene e fra i cromofori stessi69. L’assenza di una
banda di
risonanza plasmonica riscontrata su tutti i campioni, è invece una conseguenza
delle dimensioni (d= 1.8 ± 0.5 nm), il cui valore è stato misurato negli esperimenti
al microscopio a trasmissione elettronica (TEM).70
7.3
345 nm
7.3
7.2
7.2
450 nm
7.1
7.1
(a)
(b)
Figura 4.10. (a) Spettri di assorbimento delle nanoparticelle 7.1, 7.2, 7.3. (b)Con il tratteggio
sono mostrati gli spettri di assorbimento di 7.2 e 7.3 calcolati nel caso di nessuna interazione con
il core metallico (spettri somma di 7.1 e 7).
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
76
In questo lavoro è stato quindi preso in esame lo studio della luminescenza dei tre
sistemi in funzione dell’eccitazione diretta del core metallico e di quella indiretta
per mezzo dell’eccitazione del cromoforo.
Le nanoparticelle 7.1 mostrano una fluorescenza molto bassa (Φ<10-4), sia per
l’eccitazione a 450 nm (nella regione dove il pirene non assorbe) che per quella a
345 nm (dove il pirene assorbirebbe). Se invece si prendono in considerazione i
sistemi 7.2 e 7.3 la situazione cambia radicalmente in funzione dell’aumento di
concentrazione di pirene legato alla superficie. Si ha un aumento della resa
quantica di emissione (localizzata nel NIR e con una forma molto allargata) di 2
volte nel caso dell’eccitazione a 450 nm, e di 3 volte nel caso dell’eccitazione a
345 nm. Dal punto di vista dei tempi di vita, sia per le nanoparticelle 7.2 che per
quelle 7.3 si ha un decadimento multiesponenzionale, il cui fitting ha fornito i
tempi di vita medi indicati nella tabella riassuntiva di figura 4.11.
7.3
<τ>/µs
λexc = 450 nm
I/u.a.
λem= 780 nm
(a)
7.2
7.3
0.5
0.7
(d)
7.2
Φ450
7.1
7.3
Φ345
7.2
1.5x10-3
3x10-3
7.3
4.5x10-3
1.5x10-2
(c)
λexc=345 nm
7.2
Tratteggiato:
λexc=450 nm
(b)
Figura 4.11. (a) Spettri di emissione ottenuti eccitando il core di oro a 450 nm. (b) Spettri di
emissione ottenuti eccitando il pirene a 345 nm. (c) Confronto fra i rendimenti quantici. (d)
Confronto fra i tempi di vita medi
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
77
L’allungamento dei tempi di vita osservato per le nanoparticelle 7.3 suggerisce che
l’aumento di concentrazione del pirene legato alla superficie delle nanoparticelle
previene la loro disattivazione non radiativa. Un confronto più indicativo si sarebbe
potuto effettuare qualora si fosse potuto determinare il tempo di vita medio per
l’emissione del core di oro per il sistema 7.1, ma purtroppo l’estrema debolezza di
questa banda di emissione non ha permesso di effettuare questa misura.
Se si prende invece in considerazione l’emissione del pirene risultante
dall’eccitazione a 345 nm delle nanoparticelle 7.2 e 7.3, (figura 4.12) si potrà
osservare una banda molto debole la cui struttura è quella tipica della fluorescenza
del pirene, caratterizzata però da un tempo di vita inferiore a 0.5 ns. L’elevata
velocità del processo di spegnimento dell’emissione è perciò tale da prevenire la
formazione di eccimeri, e la descrizione del processo fatta assumendo che si abbia
il fenomeno di energy transfer fra pirene e oro trova nelle teorie di Forster71 e
NSET72 un valido appoggio.
7
(a)
7.3
7.2
τ< 0.5 ns
Figura
4.12.
(a)
Spettri
di
emissione del pirene per i sistemi
7.2
e
7.3
confrontati
con
il
composto 7 libero in soluzione. (b)
7.3
Spettri di eccitazione di 7.2 e 7.3
per l’emissione nel NIR (lem= 780
(b)
nm)
delle
nanoparticelle:
è
evidente il forte contributo della
7.2
banda del pirene.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
78
Nella figura 4.12 (b) sono rappresentati gli spettri di eccitazione registrati per
l’emissione a 780 nm del core d’oro. Come si può notare dal profilo, il contributo
del pirene risulta considerevole, e questo induce a pensare che sia molto efficiente
il processo di Energy transfer, che porta all’emissione sensibilizzata da parte delle
nanoparticelle di oro. Il rendimento quantico, calcolato nel caso di un processo di
Energy transfer con efficienza pari al 100%, è, per quanto riguarda l’emissione
sensibilizzata, molto alto sia per le particelle 7.2 che per le 7.3. Questo risultato
conferma che la luminescenza dei cluster di oro è originata da stati eccitati
localizzati sulla superficie metallica;65,66b,d la creazione di una consistente
popolazione di questi stati è perciò più efficiente se avviene attraverso il
trasferimento di energia da fluorofori eccitati piuttosto che dal rilassamento
conseguente alla diretta eccitazione del core di oro. Oltre a questo effetto che
porta all’aumento del rendimento quantico, i fluorofori legati alla superficie
ricoprono anche altri interessanti ruoli. L’efficienza di eccitazione è dipendente
dall’alto coefficiente di assorbività molare e dall’elevato numero di unità di pirene
legate alla superficie, oltre che dall’alta efficienza del processo di Energy transfer.
L’effetto globale conseguente all’eccitazione sensibilizzata è perciò quello relativo
all’aumento della lucentezza (“brightness”) di un ordine di grandezza rispetto a
quella per l’eccitazione diretta.
In conclusione, è stato mostrato come i sistemi descritti abbiano molte interessanti
proprietà, come l’emissione NIR, l’elevato Stoke Shift e tempi di vita
considerevolmente lunghi, tali da ipotizzare per loro un eventuale utilizzo in
campo biologico e medico. Oltretutto, scegliendo cromofori diversi dal pirene con
le opportune proprietà, si potrebbe ottenere una nuova generazione di sistemi
adatti per essere utilizzati come probe per la regione NIR.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
79
4.7 Esteri propargilici e Metallotropic Shift su superfici di oro: una
strategia per la sintesi di nanoparticelle stabilizzate con alchini
fluorescenti.
L’utilizzo di specie chimiche contenenti funzioni terminali quali i tioli, le
ammine75,76, gli ossoanioni73,74, le polipyridine77,78, i tiocianati78,79 e le fosfine80
come stabilizzanti per la superficie delle nanoparticelle è un argomento su cui
esiste una vasta letteratura e su cui in questo capitolo si è discusso, portando
alcuni esempi di lavori portati a termine nel corso del dottorato.
La varietà delle funzioni chimiche di cui attualmente è conosciuta l’affinità per il
legame e la conseguente azione stabilizzazione sui cluster d’oro permette di poter
progettare materiali nanostrutturati in cui è possibile modulare l’interazione fra
l’oro e particolari molecole (fotoattive, elettroattive, recettori, catene di DNA)
semplicemente scegliendo opportunamente il legante.
Recentemente è stato proposto l’utilizzo di alchini terminali come “alligator clips”
per la derivatizzazione di superfici di oro81,82 , includendo in questo insieme anche
le nanoparticelle. Siccome gli alchini sono molto utilizzati come precursori di
sintesi, si è pensato potesse essere interessante e utile studiare un loro possibile
impiego nella sintesi di nanoparticelle di oro. Siccome l’indagine sull’effettiva
formazione del legame con la superficie di oro la luminescenza ha fornito buoni
risultati nel passato, si è pensato di adottare anche per questo sistema il medesimo
approccio, prendendo in considerazione le variazioni spettrali di un cromoforo
(anche in questo caso il pirene) il cui comportamento in tali condizioni è stato già
ben caratterizzato. È stata quindi portata a termine la sintesi di nanoparticelle di
oro82 e la loro ricopertura con i composti 8 e 9 di figura 4.13.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
O
O
80
O
O
8
9
Figura 4.13. I due alchini sintetizzati ed utilizzati per la ricopertura delle nanoparticelle di oro
Nel caso delle nanoparticelle funzionalizzate con il composto 8, sebbene la
formazione dei cluster di oro sia stata evidenziata dalla comparsa della tipica
banda di risonanza plasmonica, non sono state osservate variazioni significative
nelle proprietà di fluorescenza del derivato del pirene. Sono stati ottenuti gli stessi
risultati seguendo due differenti strategie sintetiche, la prima con il classico
metodo che prevede l’introduzione di 8 direttamente in fase di sintesi, la seconda
invece basata sull’iniziale preparazione di nanoparticelle debolmente stabilizzate
con TOAB (tetraottilammonio bromuro) e la loro successiva derivatizzazione con
884,85. Questo comportamento può essere motivato assumendo l’assenza di
interazione fra pirene ed oro, oppure con la totale inefficienza di 8 come legante.
Alla luce di quanto osservato nei lavori precedentemente illustrati, in cui si
osservavano drastiche variazioni nella fotofisica del pirene legato all’oro mediante
leganti simili ma con altre funzioni terminali, la seconda ipotesi risulta la più
ragionevole. Sono stati registrati anche gli spettri IR di queste nanoparticelle, e si
sono ottenuti profili in buon accordo con quanto ottenuto da Gorman e i suoi
collaboratori82. E’ comunque importante ricordare che lo spettro IR di questi
sistemi è dominato dal segnale che proviene dallo ione tetraottilammonio presente
in largo eccesso dalla sintesi e che, come conseguenza di questo, non si può
prendere come evidenza dell’effettivo legame fra superficie di oro e alchino.
L’idea che comunque gli intermedi carbenoidi possano essere formati e stabilizzati
dalle interazioni fra gli alchini con le nanoparticelle di oro, permettendo la sintesi
di nuovi ed interessanti coniugati d’oro81,82,86 ha spinto a proseguire la ricerca in
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
81
tal senso. Benchè siano stati fatti progressi molto limitati nell’isolamento di
complessi di oro a carattere carbenoide, esistono evidenze teoriche e sperimentali
che suggeriscono come vi sia la possibilità per l’oro di stabilire un legame di
retrodonazione sul LUMO di cationi legati attraverso un legame σ.
Gli intermedi carbenoidi sono presenti oltre che nel riarrangiamento di
Rautenstrauch catalizzato da Au(I), anche nelle reazioni di cicloprotonazione. In
entrambe queste reazioni, sono interessati acetossi e pivaloyl alchini. Per questo è
stata così portata a termine la sintesi del composto 9.
Se una soluzione di 9 è aggiunta ad una soluzione di nanoparticelle protette da
TOAB, lo spettro di fluorescenza registrato immediatamente dopo l’aggiunta è
quello che ci si aspetta nel caso di assenza di interazioni pirene-oro (figura 4.14).
Dopo qualche ora però, viene raggiunta una situazione stazionaria in cui l’area
sottesa dal profilo di emissione risulta diminuita solo di un 5% rispetto a quella
iniziale e la banda presenta una forma decisamente perturbata. Questa situazione
è la stessa che è stata osservata in passato per altri derivati del pirene legati alle
nanoparticelle di oro75,80,84 oppure alle superfici di silicio90. Queste variazioni
spingono quindi a pensare che l’alchino in questo caso si leghi all’oro.
388nm
Figura 4.14. Spettri di fluorescenza
4+Gold
9 + Au nanoparticles
NP
4+Gold
9 + Au nanoparticles
NP dopo
day
after
124h
day
after
1.0
normalizzata (λecc= 340 nm) di una
soluzione
0.8
contiene
nanoparticelle di oro stabilizzate
70
65
con TOAB registrati immediatamente
60
0.6
I388=I(388 final)+a*e(-b*t)
dopo l’aggiunta di 9 (in nero) e dopo
55
I 388
I/u.a.
che
50
0.4
24 ore (in rosso). Nel riquadro viene
45
mostrato
40
35
0
200
400
600
800
1000
1200
t/min
0.2
400
450
500
λ/nm
550
600
650
l’intensità
di
emissione a 388 varia in funzione del
tempo.
0.0
come
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
Anche
gli
spettri
di
assorbimento
presentano
interessanti
82
variazioni.
Immediatamente dopo l’aggiunta, il profilo è sovrapponibile allo spettro somma
delle nanoparticelle di oro e di 9. Dopo qualche ora però la tipica banda
strutturata del pirene subisce un effetto batocromico e diviene più larga e meno
intensa. Questi risultati sono in pieno accordo con quanto riportato in letteratura
nei casi di interazione di un derivato del pirene con il core di una nanoparticella
metallica. Oltre a questo, sono rilevabili anche piccole variazioni nella plasmon
resonance band delle nanoparticelle. In figura 4.15 sono rappresentati i profili di
assorbimento.
0.35
-6
[9]=
[4]= 2.5
2.5 xx10
10-6
9
+
Au
NP
4+Gold nanoparticles
4+Gold
9 + Au nanoparticles
NP dopo
day
after
24h
1 day
after
0.30
0.25
Figura 4.15. Spettri di assorbimento
di una soluzione di 9 (in verde) a
concentrazione 2.5 x 10-6 M. Dopo
l’aggiunta
della
stessa
concentrazione di 9 ad una soluzione
A
0.20
di
nanoparticelle
di
oro,
si
0.15
ottengono
0.10
i
profili
in
nero
(immediatamente dopo) e in rosso
(dopo 24h). Si notano, nella regione
0.05
spettrale in cui assorbe il pirene,
0.00
300
400
500
600
λ/nm
700
800
900
mutazioni nella struttura tipica della
banda.
Dopo 24 ore, in corrispondenza del raggiungimento della situazione stazionaria, per
avere una idea delle dimensioni delle nanoparticelle ottenute, sono state scattate
delle immagini al microscopio TEM, riportate nella figura 4.16. Il trattamento
statistico relativo al calcolo del diametro medio ha fornito come risultato il valore
di 5.6 ± 0.4 nm.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
83
Figura 4.16. Immagine TEM delle nanoparticelle di Au stabilizzate con il composto 9, con un
diametro medio di 5.6 ± 0.4 nm.
Concludendo, con questo lavoro è stata presentata la sintesi di una nuova classe di
nanoparticelle di oro stabilizzate in superficie da una specie contenente un alchino
terminale. Il composto 9 è stato sintetizzato con l’idea che avesse una buona
tendenza a riarrangiare per formare intermedi carbenoidi con l’oro, risultato che è
stato raggiunto.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
84
4.8 Bibliografia
1. a) Shaw CF III (1999) Gold-Based Medicinal Agents. Chem. Rew. 99: 25892600; b) Higby GJ (1982) Gold in medicine: a review of its use in the West
before 1900. Gold Bull. 15: 130-140; c) Brown DH, Smith WE (1980) The
Chemistry of the Gold Drugs Used in the Treatment of Rheumatoid Arthritis.
Chem. Soc. Rev. 9: 217-240; d) Gibson CS (1938) Gold in medicine. Chemical
Products and Chemical News 1: 35-36
2. a) Sato K, Hosokawa K, Maeda M (2005) Non-cross-linking gold nanoparticle
aggregation as a detection method for single-base substitutions. Nucl. Acids
Res. 33: e4/1-e4/5; b) Sonvico F, Dubernet C, Colombo P, Couvreur P (2005)
Metallic colloid nanotechnology, applications in diagnosis and therapeutics.
Curr. Pharm. Design 11: 2091-2105; c) Hyatt AD, Eaton BT (1993) ImmunoGold Electron Microscopy in Virus Diagnosis and Research. CRC Press, Boca
Raton; d)Eagle H (1932) Applications of colloid chemistry in the serum
diagnosis of syphilis. J. Phys. Chem. 36: 259-267; e) Kahn RL (1929) Serum
Diagnosis for Syphilis. In: Alexander J (ed) Colloid Chemistry: Theoretical
and Applied. The Chemical Catalog Co., New York, vol. II Biology and
Medicine, pp 757
3. Helcher HH (1718) Aurum potabile oder Gold tinstur. Johann Herbord
Klossen, Breslau and Leipzig
4. a) Sato K, Hosokawa K, Maeda M (2005) Non-cross-linking gold nanoparticle
aggregation as a detection method for single-base substitutions. Nucl. Acids
Res. 33: e4/1-e4/5; b) Sonvico F, Dubernet C, Colombo P, Couvreur P (2005)
Metallic colloid nanotechnology, applications in diagnosis and therapeutics.
Curr. Pharm. Design 11: 2091-2105; c) Hyatt AD, Eaton BT (1993) ImmunoGold Electron Microscopy in Virus Diagnosis and Research. CRC Press, Boca
Raton; d)Eagle H (1932) Applications of colloid chemistry in the serum
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
85
diagnosis of syphilis. J. Phys. Chem. 36: 259-267; e) Kahn RL (1929) Serum
Diagnosis for Syphilis. In: Alexander J (ed) Colloid Chemistry: Theoretical
and Applied. The Chemical Catalog Co., New York, vol. II Biology and
Medicine, pp 757
5. Helcher HH (1718) Aurum potabile oder Gold tinstur. Johann Herbord
Klossen, Breslau and Leipzig
6. Faraday M (1875) Experimental relations of Gold (and other metals) to light.
Philos. Trans. 147: 145-181
7. Brust M, Walker M, Bethell D, Schiffrin DJ, Whyman RJ (1994) Synthesis of
thiol-derivatized Gold nanoparticles in a twophase liquid-liquid system. J.
Chem. Soc., Chem. Commun. 801-802
8. a) Fiorani D (2005) Surface effects in magnetic nanoparticles. Springer; b)
Schmid G (2004) Nanoparticles: from theory to application. John Wiley &
Sons; c) Rotello V (2003) Nanoparticles: building blocks for Nanotechnology.
Springer; d) Heilmann A (2002) Polymer films with embedded metal
nanoparticles. Springer; e) Feldheim DL, Foss CA Jr, (2002) Metal
Nanoparticles: synthesis, characterization and applications. Marcel Dekker,
New York; f) Fendler JH (1998) Nanoparticles and nanostructured films:
preparation, characterization and applications. Wiley-VCH
9. a) Daniel MC, Astruc D (2004) Gold nanoparticles: assembly, supramolecular
chemistry,
quantum-size-related
properties,
and
applications
toward
biology, catalysis, and nanotechnology. Chem. Rev. 104: 293-346; b) Aslan K,
Zhang J, Lakowicz JR, Geddes CD (2004) Saccharide sensing using gold and
silver nanoparticles A review. Journal of Fluorescence 14: 391-400; c)
Thomas
KG,
Kamat
PV
(2003)
Chromophore-functionalized
gold
nanoparticles. Acc. Chem. Res. 36: 888-898; d) Schmid G, Corain B (2003)
Nanoparticulated gold: syntheses, structures, electronics, and reactivities.
Eur. J. Inorg. Chem. 17: 3081-3098; e) Zhong Z, Male KB, Luong JHT (2003)
More recent progress in the preparation of Au nanostructures, properties,
and
applications.
Anal.
Lett.
36:
3097-3118;
f)
Jain
KK
(2003)
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
86
Nanodiagnostics: application of nanotechnology in molecular diagnostics.
Expert Rev. Mol. Diagn. 3: 153-161; g) McMillan RA, Andrew R (2003)
Biomolecular templates: nanoparticles align. Nature Mater. 2: 214-215; h)
Csaki A, Moller R, Fritzsche W (2002) Gold nanoparticles as novel label for
DNA diagnostics. Expert Rev. Mol. Diagn. 2: 187-193; i) Brust M, Kiely CJ
(2002) Some recent advances in nanostructure preparation from gold and
silver particles: a short topical review. Colloids and Surfaces, A:
Physicochem. Eng. Aspects 202: 175-186
10. Mie G (1908) Contributions to the Optics of Turbid Media, Especially Colloidal
Metal Solutions. Annal. Phys. 25: 377-445
11. a) Devarajan S, Sampath S (2004) Electrochemistry with nanoparticles. In:
Rao CNR, Mueller A, Cheetham AK (eds) Chemistry of Nanomaterials, WileyVCH, Weinheim, pp 646-687; b) Liljeroth P, Quinn BM, Ruiz V, Kontturi K
(2003) Charge injection and lateral conductivity in monolayers of metallic
nanoparticles. Chem. Comm. 1570-1571; c) Hicks JF, Miles DT, Murray RW
(2002) Quantized double-layer charging of highly monodisperse metal
nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 124: 13322-13328; d) Chen S, Pei R, Zhao
T, Dyer DJ (2002) Gold nanoparticle assemblies by metal ion-pyridine
complexation and their rectified quantized charging in aqueous solutions. J.
Phys. Chem. B 106: 1903-1908; e) Chen S, Murray RW (1999) Electrochemical
quantized capacitance charging of surface ensembles of gold nanoparticles.
J. Phys. Chem. B
103: 9996-10000; f) Chen S, Ingram RS, Hostetler MJ,
Pietron JJ, Murray RW, Schaaff TG, Khoury JT, Alvarez MM, Whetten RL
(1998) Gold nanoelectrodes of varied size: transition to molecule-like
charging. Science 280: 2098-2101
12. Quinn
BM,
Liljeroth
P,
Ruiz
V,
Laaksonen
T,
Kontturi
K
(2003)
Electrochemical resolution of 15 oxidation states for monolayer protected
gold nanoparticles. J. Am. Chem. Soc. 125: 6644-6645
13. a) Chen S, Murray RW, Feldberg SW (1998) Quantized capacitance charging
of monolayer-protected Au clusters. J. Phys. Chem. B 102: 9898-9907; b)
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
87
Hofstetter W, Zwerger W (1997) Single-electron box and the helicity modulus
of an inverse square XY model. Phys. Rev. Lett. 78: 3737-3740; c) Hartmann
E,
Marquardt
Characterisation
P,
Ditterich
and
J,
utilization
Radojkovic
of
the
P,
Steinberger
context-dependent
H
(1996)
physical
properties of nanoparticles for nanostructures investigated by scanning
tunneling microscopy. Appl. Surf. Sci. 107: 197-202; d) Amman M, Wilkins R,
Ben-Jacob E, Maker PD, Jaklevic RC (1991) Analytic solution for the currentvoltage characteristic of two mesoscopic tunnel junctions coupled in series,
Phys. Rev. B 43: 1146-1149
14. a) Speets EA, Dordi B, Ravoo BJ, Oncel N, Hallbaeck AS, Zandvliet HJW,
Poelsema B, Rijnders G, Blank DHA, Reinhoudt DN (2005) Noble metal
nanoparticles deposited on self-assembled monolayers by pulsed laser
deposition show Coulomb blockade at room temperature. Small 1: 395-398;
b) Yang Y, Nogami M (2005) Room temperature single electron transistor
with two-dimensional array of Au-SiO2 core-shell nanoparticles. Sci. Tech.
Adv. Mat. 6: 71-75; c) Chaki NK, Singh P, Dharmadhikari CV, Vijayamohanan,
KP (2004) Single-Electron Charging Features of Larger, DodecanethiolProtected Gold Nanoclusters: Electrochemical and Scanning Tunneling
Microscopy Studies. Langmuir 20: 10208-10217; d) Khomutov GB, Kislov VV,
Gainutdinov RV, Gubin SP, Obydenov AY, Pavlov SA, Sergeev-Cherenkov AN,
Soldatov ES, Tolstikhina AL, Trifonov AS (2003) The design, fabrication and
characterization of controlled-morphology nanomaterials and functional
planar molecular nanocluster-based nanostructures. Surf. Sci. 532-535: 287293; e) Chaki NK, Gopakumar TG, Maddanimath T, Aslam M, Vijayamohanan
K (2003) Effect of chain length on the tunneling conductance of gold
quantum dots at room temperature. J. Appl. Phys. 94: 3663-3666; f)
Suganuma Y, Trudeau PE, Dhirani AA (2002) Probing correlated current and
force effects of nanoparticle charge states by hybrid STM-AFM. Phys. Rev. B
66: 241405/1-241405/4; g) Rolandi M, Scott K, Wilson EG, Meldrum FC (2001)
Manipulation and immobilization of alkane-coated gold nanocrystals using
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
88
scanning tunneling microscopy. J. Appl. Phys. 89: 1588-1595; h) Ingram RS,
Hostetler MJ, Murray RW, Schaaff TG, Khoury J, Whetten RL, Bigioni TP,
Guthrie DK, First PN (1997) 28 kDa alkanethiolate-protected Au clusters give
analogous solution electrochemistry and STM Coulomb staircases. J. Am.
Chem. Soc. 119: 9279-9280
15. a) Schmid G, Simon U (2005) Gold nanoparticles: assembly and electrical
properties in 1-3 dimensions. Chem. Comm. 697-710; b) Boyen HG, Ethirajan
A, Kastle G, Weigl F, Ziemann P, Schmid G, Garnier MG, Buttner M, Oelhafen
P (2005) Alloy formation of supported gold nanoparticles at their transition
from clusters to solids: Does size matter? Phys. Rev. Lett. 94: 016804/1016804/4; c) Torma V, Vidoni O, Simon U, Schmid G (2003) Charge-transfer
mechanisms between gold clusters. Eur. J. Inorg. Chem. 1121-1127; d) Boyen
HG, Kaestle G, Weigl F, Koslowski B, Dietrich C, Ziemann P, Spatz JP,
Riethmueller S, Hartmann C, Moeller M, Schmid G, Garnier MG, Oelhafen P
(2002) Oxidation-resistant gold-55 clusters. Science 297: 1533-1536; e)
Schmid G (2001) Metals. In: Klabunde KJ (ed) Nanoscale materials in
chemistry. John Wiley & Sons Inc., New York, pp 15-59; f) Sawitowski T,
Miquel Y, Heilmann A, Schmid G (2001) Optical properties of quasi onedimensional chains of gold nanoparticles. Adv. Func. Mat. 11: 435-440
16. Prodi L (2005) Luminescent chemosensors: from molecules to nanoparticles.
New J. Chem. 29: 20-31
17. Turkevitch J, Stevenson PC, Hillier J (1951) Nucleation and growth process in
the synthesis of colloidal gold. Discuss. Faraday Soc. 11: 55-75
18. a) Iwamoto M, Kuroda K, Kanzow J, Hayashi S, Faupel F (2005) Size evolution
effect of the reduction rate on the synthesis of gold nanoparticles. Adv.
Pow. Tech. 16: 137-144, b) Donkers RL, Song Y, Murray RW (2004)
Substituent effects on the exchange dynamics of ligands on 1.6 nm diameter
gold nanoparticles. Langmuir 20: 4703-4707; c) Chen S, Templeton AC,
Murray RW (2000) Monolayer-protected cluster growth dynamics. Langmuir
16: 3543-3548
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
89
19. a) Guo R, Song Y, Wang G, Murray RW (2005) Does core size matter in the
kinetics of ligand exchanges of monolayer-protected Au clusters? J. Am.
Chem. Soc. 127: 2752-2757; b) Hostetler MJ, Templeton AC, Murray RW
(1999) Dynamics of place-exchange reactions on monolayer-protected gold
cluster molecules. Langmuir 15: 3782-3789; c) Ingram RS, Hostetler MJ,
Murray RW (1997) Poly-hetero--functionalized alkanethiolate-stabilized gold
cluster compounds. J. Am. Chem. Soc. 119: 9175-9178
20. George TK, Zajicek J, Kamat PV (2002) Surface binding properties of
tetraoctylammomium bromide capped gold nanoparticles. Langmuir 18:
3722-3727
21. Fitzmaurice D, Rao SN, Preece JA, Stoddart JF, Wenger S, Zaccheroni N
(1999)
Heterosupramolecular
chemistry:
programmed
pseudorotaxane
assembly at the surface of a nanocrystal. Angew. Chem. Int. Ed. 38: 11471150
22. a) Ghosh SK, Nath S, Kundu S, Esumi K, Pal T (2004) Solvent and ligand
effects on the localized surface plasmon resonance (LSPR) of gold colloids.
J. Phys. Chem. B 108: 13963-13971; b) Link S, El-Sayed MA (1999) Size and
Temperature Dependence of the Plasmon Absorption of Colloidal Gold
Nanoparticles. J. Phys. Chem. B 103: 4212-4217
23. Canepa M, Fox MA, Whitesell JK (2003) The influence of core size on
electronic coupling in shell-core nanoparticles: gold clusters capped with
pyrenoxylalkylthiolate. Photochem. Photobiol. Sci. 2: 1177-1180
24. Ruppin, R. Decay of an Excited Molecule Near a Small Metal Sphere. J.
Chem. Phys. 1982, 76, 1681–1684.
25. Gersten, J.; Nitzan, A. Spectroscopic Properties of Molecules Interacting
with Small Dielectric Particles. J. Chem. Phys. 1981, 75, 1139–1152.
26. Levi, S.; Mourran, A.; Spatz, J. P.; van Veggel, F. C. J. M.; Reinhoudt, D. N.;
Möller,
M.
Fluorescence
of
Dyes
Adsorbed
on
Highly
Organized,
Nanostructured Gold Surfaces. Chem.OEur. J. 2002, 8, 3808–3814.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
90
27. Dulkeith, E.; Morteani, A. C.; Niedereichholz, T.; Klar, T. A.; Feldmann, J.;
Levi, S.; van Veggel, F. C. J. M.; Reinhoudt, D. N.; Möller, M.; Gittins, D. I.
Fluorescence Quenching of Dye Molecules near Gold Nanoparticles: Radiative
and Nonradiative Effects. Phys. Rev. Lett. 2002, 89, 203002.
28. Dulkeith, E.; Ringler, M.; Klar, T. A.; Feldmann, J.; Muñoz Javier, A.; Parak,
W. J. Gold Nanoparticles Quench Fluorescence by Phase Induced Radiative
Rate Suppression. Nano Lett. 2005, 5, 585–589.
29. Dubertret, B.; Calame, M.; Libchaber, A. J. Single-Mismatch Detection Using
Gold-Quenched Fluorescent Oligonucleotides. Nat. Biotechnol. 2001, 19,
365–370.
30. Fan, C.; Wang, S.; Hong, J. W.; Bazan, G. C.; Plaxco, K. W.; Heeger, A. J.
Beyond Superquenching: Hyper-Efficient Energy Transfer from Conjugated
Polymers to Gold Nanoparticles. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003, 100,
6297– 6301.
31. Huang, C. C.; Chang, H. T. Selective Gold-Nanoparticle- Based “Turn-On”
Fluorescent Sensors for Detection of Mercury(II) in Aqueous Solution. Anal.
Chem. 2006, 78, 8332–8338.
32. Cannone, F.; Chirico, G.; Bizzarri, A. R.; Cannistraro, S. J. Quenching and
Blinking of Fluorescence of a Single Dye Molecule Bound to Gold
Nanoparticles. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 16491–16498.
33. Wu, C. F.; Szymanski, C.; McNeill, J. Preparation and Encapsulation of Highly
Fluorescent Conjugated Polymer Nanoparticles. Langmuir 2006, 22, 2956–
2960.
34. Jennings, T. L.; Singh, M. P.; Strouse, G. F. Fluorescent Lifetime Quenching
Near d _ 1.5 nm Gold Nanoparticles: Probing NSET Validity. J. Am. Chem.
Soc. 2006, 128, 5462–5467.
35. Jennings, T. L.; Schlatterer, J. C.; Singh, M. P.; Greenbaum, N. L.; Strouse,
G. F. NSET Molecular Beacon Analysis of Hammerhead RNA Substrate Binding
and Catalysis. Nano Lett. 2006, 6, 1318–1324.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
91
36. Yun, C. S.; Javier, A.; Jennings, T.; Fisher, M.; Hira, S.; Peterson, S.;
Hopkins, B.; Reich, N. O.; Strouse, G. F. Nanometal Surface Energy Transfer
in Optical Rulers, Breaking the FRET Barrier. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127,
3115–3119.
37. Anger, P.; Bharadwaj, P.; Novotny, L. Enhancement and Quenching of
Single-Molecule Fluorescence. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 113002.
38. Tovmachenko, O. G.; Graf, C.; van den Heuvel, D. J.; van Blaaderen, A.;
Gerritsen, H. C. Fluorescence Enhancement by Metal-Core/Silica-Shell
Nanoparticles. Adv. Mater. 2006, 18, 91–95.
39. Tam, F.; Goodrich, G. P.; Johnson, B. R.; Halas, N. J. Plasmonic
Enhancement of Molecular Fluorescence. Nano Lett. 2007, 7, 496–501.
40. Cheng, D. M.; Xu, Q. H. Separation Distance Dependent Fluorescence
Enhancement of Fluorescein Isothiocyanate by Silver Nanoparticles. Chem.
Commun. 2007, 248–250.
41. Aslan, K.; Wu, M.; Lakowicz, J. R.; Geddes, C. D. Fluorescent Core-Shell
Ag@SiO2 Nanocomposites for Metal- Enhanced Fluorescence and Single
Nanoparticle Sensing Platforms. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 1524–1525.
42. Enderlein, J. Theoretical Study of Single Molecule Fluorescence in a Metallic
Nanocavity. Appl. Phys. Lett. 2002, 80, 315–317.
43. Zhang, J.; Gryczynski, I.; Gryczynski, Z.; Lakowicz, J. R. Dye- Labeled Silver
Nanoshell-Bright Particle. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8986–8991.
44. Thomas, K, G.; Kamat, P. V. Making Gold Nanoparticles Glow: Enhanced
Emission from a Surface-Bound Fluoroprobe. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122,
2655–2656.
45. Ipe, B. I.; Thomas, K. G.; Barazzouk, S.; Hotchandani, S.; Kamat, P. V.
Photoinduced Charge Separation in a Fluorophore-Gold Nanoassembly. J.
Phys. Chem. B 2002, 106, 18–21.
46. Kamat, P. V.; Barazzouk, S.; Hotchandani, S. Electrochemical Modulation of
Fluorophore Emission on a Nanostructured Gold Film. Angew. Chem., Int. Ed.
2002, 41, 2764–2767.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
92
47. Montalti, M.; Prodi, L.; Zaccheroni, N.; Baxter, R.; Teobaldi, G.; Zerbetto,
F. Kinetics of Place-Exchange Reactions of Thiols on Gold Nanoparticles.
Langmuir 2003, 19, 5172–5174.
48. Montalti, M.; Prodi, L.; Zaccheroni, N.; Battistini, G. Modulation of the
Photophysical Properties of Gold Nanoparticles by Accurate Control of the
Surface Coverage. Langmuir 2004, 20, 7884–7886.
49. Ipe, B. I.; Thomas, K. G. Investigations on Nanoparticle_Chromophore and
Interchromophore Interactions in Pirene- Capped Gold Nanoparticles. J.
Phys. Chem. B 2004, 108, 13265–13272.
50. Wang, T. X.; Zhang, D. Q.; Xu, W.; Yang, J. L.; Han, R.; Zhu, D. B.
Preparation, Characterization, and Photophysical Properties of Alkanethiols
with
Pirene
Units-Capped
Gold
Nanoparticles:
Unusual Fluorescence
Enhancement for the Aged Solutions of These Gold Nanoparticles. Langmuir
2002, 18, 1840–1848.
51. Ming, M.; Chen, M. M. Y.; Katz, A. Steady-State Fluorescence-Based
Investigation of the Interaction Between Protected Thiols and Gold
Nanoparticles. Langmuir 2002, 18, 2413–2420.
52. Boal, A. K.; Rotello, V. Radial Control of Recognition and Redox Processes
with Multivalent Nanoparticle Hosts. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5019–
5024.
53. Deng, J. P.; Wu, C. H.; Yang, C. H.; Mou, C. Y. Pirene- Assisted Synthesis of
Size-Controlled Gold Nanoparticles in Sodium Dodecyl Sulfate Micelles.
Langmuir 2005, 21, 8947–8951.
54. Werts, M. H. V.; Zaim, H.; Blanchard-Desce, M. Excimer probe of the Binding
of Alkyl Disulfides to Gold Nanoparticles and Subsequent Monolayer
Dynamics. Photochem. Photobiol. Sci. 2004, 3, 29–32.
55. Shirdel, J.; Penzkofer, A.; Procházka, R.; Shen, Z.; Strauss, J.; Daub, J.
Absorption and Emission Spectroscopic Characterisation of a Pirene-Flavin
Dyad. Chem. Phys. 2007, 331, 427–437.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
93
56. Montalti, M.; Credi, A.; Prodi, L.; Gandolfi, M. T. Handbook of
Photochemistry; CRC Press, Boca Raton, FL, 2006.
57. Credi, A.; Prodi, L. From Observed to Corrected Luminescence Intensity of
Solution Systems: An Easy-to- Apply Correction Method for Standard
Spectrofluorimeters. Spectrochim. Acta, Part A 1998, 54, 159–170.
58. Franzen, S.; Folmer, J. C. W.; Glomm, W. R.; O’Neal, R. Optical Properties
of Dye Molecules Adsorbed on Single Gold and Silver Nanoparticles. J. Phys.
Chem. A 2002, 106, 6533–6540.
59. Weissleder, R.; Ntziachristos, V. Nat. Med. 2003, 9, 123-128.
60. See, for example: Buenzli, J.-C. G.; Piguet, C. Chem. Soc. ReV. 2005, 34,
1048-1077 and references therein.
61. Daehne, S., Resh-Genger, U., Wolfbeis, O. S., Eds. Near Infrared Dyes for
High Tecnology Applications; NATO Advanced Study Institute Series Kluwer
Academic Publishers: Dordrecht, 1998.
62. Sargent, E. H. AdV. Mater. 2005, 17, 515-522.
63. Huang, X.; El-Sayed, I. H.; Qian, W.; El-Sayed, M. A. J. Am. Chem. Soc.
2006, 128, 2115-2120.
64. Dulkeith, E.; Niedereichholz, T.; Klar, T. A.; Feldmann, J.; von Plessen, G.;
Gittins, D. I.; Mayya, K. S.; Caruso, F. Phys. ReV. B 2004, 70, 205424.
65. Link, S.; Beeby, A.; Fitzgerald El-Sayed, S. M. A.; Schaaff, T. G.; Whetten,
R. L. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 3410-3415.
66. (a) Lee, D.; Donkers, R. L.; Wang, G.; Harper, A. S.; Murray, R. W. J. Am.
Chem. Soc. 2004, 126, 6193-6199. (b) Wang, G.; Huang, T.; Murray, R. W.;
Menard, L.; Nuzzo, R. G. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 812- 813. (c) Huang,
T.; Murray, R. W. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 2498- 12502. (d) Wang, G.;
Guo, R.; Kalyuzhny, G.; Choi, J.-P.; Murray, R. W. J. Phys. Chem. B 2006,
110, 20282-20289.
67. Cheng, P. P. H.; Silvester, D.; Wang, G.; Kalyuzhny, G.; Douglas, A.; Murray,
R. W. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 4637-4644.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
94
68. Several examples of nonluminescent nanoparticles with pirene-tailed ligands
have been reported. See, for example: (a) Ipe, B. I.; Thomas, K. G.;
Barazzouk, S.; Hotchandani, S.; Kamat, P. V. J. Phys. Chem. B 2002, 106,
18-21. (b) Kamat, P. V.; Barazzouk, S.; Hotchandani, S. Angew Chem., Int.
Ed. 2002, 41, 2764-2767, (c) Ipe, B. I.; Thomas, K. G. J. Phys. Chem. B
2004, 108, 13265-13272, (d) Montalti, M.; Prodi, L.; Zaccheroni, N.;
Battistini, G. Langmuir 2004, 20, 7884-7886. (e) Montalti, M.; Prodi, L.;
Zaccheroni, N.; Baxter, R.; Teobaldi, G.; Zerbetto,F. Langmuir 2003, 19,
5172-5174. (f) Chen, M. M. Y.; Katz, A. Langmuir 2002, 18, 2413-2420. (g)
Deng, J. P.; Wu, C.; Yang, C. H.; Mou, C. Y. Langmuir 2005, 21, 8947-8951.
(h) Boal, A. K.; Rotello, V. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 5019-5024.
69. Both interfluorophore and fluorophore-metal interactions may be responsible
for such effect. See also ref 11d.
70. (a) Schaaff, T. G.; Shafigullin, M. N.; Khoury, J. T.; Vezmar, I.; Whetten, R.
L.; Cullen, W. G.; First, P. N.; Gutierrez-Wing, C.; Ascensio, J.; JoseYacaman, M. J. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 7885-7891. (b) Alvarez, M. M.;
Khoury, J. T.; Schaaff, T. G.; Shafigullin, M. N.; Vezmar, I.; Whetten, R. L.
J. Phys. Chem. B 1997, 101, 3706-3712.
71. Fo¨ster, T. Discuss. Faraday Soc. 1959, 27, 7-17.
72. Jennings, T. L.; Singh, M. P. G.; Strouse, F. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128,
5462-5467.
73. S. L. Cumberland, and G. F. Strouse, Langmuir, 2002, 18, 269-276.
74. R. L. Donkers, Y. Song, and R. W. Murray, Langmuir, 2004, 20, 4703-4707.
75. K, G. Thomas, and P. V. Kamat, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 2655-2656.
76. K. G. Thomas, J. Zajicek, and P. V. Kamat, Langmuir, 2002, 18, 3722-3727.
77. M. Jurkiewicz-Herbich, R. Slojkowska, K. Zawada, and J. Bukowska,
Electrochim. Acta., 2002, 47, 2429-2434.
78. H. Fang, C. Du, S. Qu, Y. Li, Y. Song, H. Li, H. Liu, and D. Zhu, Chem. Phys.
Lett. 2002, 364, 290-296.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
95
79. J. W. Ciszek, Z. K. Keane, L. Cheng, M. P. Stewart, L. H. Yu, D. Natelson,
and J. M. Tour, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 3179-3189.
80. M. Montalti, N. Zaccheroni, L. Prodi, N. O’Reilly, and S. L. James, J. Am.
Chem. Soc., 2007, 129, 2418-2419.
81. A. M. McDonagh, M. H. Zareie, M. J. Ford, C. S. Barton, M. Ginic-Markovic,
and J. G. Matisons, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3533-3538.
82. S. Zhang, K. L. Chandra, and C. B. Gorman, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129,
4876-4877.
83. M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, and G. Falini, J. Am. Chem. Soc., 2002,
124, 13540-13546; M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, A. Zattoni, P.
Reschiglian, and G. Falini, Langmuir, 2004, 20, 2989-2991; Prodi, L. New J.
Chem., 2005, 29, 20-31; M. Montalti, L. Prodi, and N. Zaccheroni, J. Mater.
Chem. 2005, 15, 2810–2814; M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, G.
Battistini, S. Marcuz, F. Mancin, E. Rampazzo, and U. Tonellato, Langmuir,
2006, 22, 5877-5881.
84. B. I. Ipe, K. G. Thomas, S. Barazzouk, S. Hotchandani, and P. V. Kamat, J.
Phys. Chem. B, 2002, 106, 18-21; P. V. Kamat, S. Barazzouk, and S.
Hotchandani, Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 2764-2767; M. Montalti, L.
Prodi, N. Zaccheroni, R. Baxter, G. Teobaldi, and F. Zerbetto, Langmuir,
2003, 19, 5172-5174; M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, and G. Battistini,
Langmuir, 2004, 20, 7884-7886; B. I. Ipe, and K. G. Thomas, J. Phys. Chem.
B, 2004, 108, 13265-13272
85. M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, M. Beltrame, T. Morotti, and S. Quici,
New J. Chem., 2007, 31, 102-108.
86. M. J.Ford, R. C. Hoft, and A. J. McDonagh, J. Phys. Chem. B, 2005, 109,
20387-20392.
87. P. Pyykkö, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 4412–4456; H. G.
Raubenheimer, M. W. Esterhuysen, A. Timoshkin, Y. Chen, and G. Frenking,
Organometallics, 2002, 21, 3173–3181.
Capitolo 4 – Nanoparticelle di oro
96
88. X. Shi, D. J. Gorin, and F. D. Toste, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 5802–
5803.
89. M. J.J ohansson, D. J. Gorin, S. T. Staben, and F. D. Toste, J. Am. Chem.
Soc., 2005, 127, 18002–18003.
90. M. Busi, M. Laurenti, G. G. Condorelli, A. Motta,M. Favazza, I. L. Fragalà, M.
Montalti, L. Prodi, and E. Dalcanale, Chem. Eur. J., 2007, 13, 6891-6898.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
97
CAPITOLO 5
UNA NUOVA SONDA FLUORESCENTE PER SUPERFICI DI
SILICIO NANOFUNZIONALIZZATE
5.1 Introduzione
Il Self-Assembly, definito come il fenomeno spontaneo che sfrutta la capacità che
determinate molecole hanno di riconoscersi e dar luogo a nuovi addotti, è
l’approccio attualmente più promettente per la concezione di innovativi materiali
nanostrutturati dotati di particolari proprietà.
Una caratteristica distintiva di tali strutture è che, a differenza dei materiali
cosiddetti macroscopici, esse posseggono una consistente percentuale delle specie
che le costituiscono disposte sulla superficie.
Essendo che il volume di un oggetto, caratterizzato da una dimensione l,
diminuisce più velocemente della sua area in corrispondenza della diminuzione di l
(V∝ l3, S ∝ l2, quindi S/V ∝ l-1), ne consegue che, in casi estremi, si possano avere
strutture dove quasi ogni atomo si trova in superficie: si parla così di nanostrutture
“all surface”, che possono in un certo senso essere intese come il “quarto stato
della materia”.
Atomi o molecole disposti sulla superficie di un materiale si trovano così in un
ambiente completamente diverso da quello che troverebbero all’interno e quindi
sono caratterizzati da differenti parametri energetici (energia libera, stati
elettronici) che influiscono su caratteristiche come la reattività e la mobilità.
Viene da sé quindi affermare che nei materiali nanostrutturati le proprietà fisiche
sono per lo più in relazione a quelle delle specie che si trovano in superficie,
mentre per i materiali bulk, caratteristiche come la conducibilità, la durezza, la
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
98
plasticità sono fortemente condizionate dalla composizione e struttura chimica
degli atomi e delle molecole all’interno del materiale.
In questa ottica, esiste una vasta letteratura incentrata sullo studio di superfici
nanostrutturate ottenute per self-assembly di specie organiche con determinate
proprietà, i cosiddetti SAMs (self-assembled monolayers)1.
I SAMs sono definiti come “assemblaggi” organici che si formano per adsorbimento
di costituenti molecolari da una soluzione o da un gas su una superficie solida
(oppure liquida, come nel caso del mercurio). La specie adsorbita, caratterizzata
dalla
presenza
di
una
funzionalità
affine
alla
superficie,
si
organizza
spontaneamente (e qualche volta epitassialmente) in strutture cristalline (o
semicristalline) dando così luogo al monostrato.
La classe più studiata di SAMs è quella che deriva dall’adsorbimento di alcantioli su
superfici di oro, argento, rame, palladio, platino e mercurio, mentre recentemente
l’interesse della ricerca si sta spostando sempre più verso le superfici di silicio,
visto e considerato il loro grande e diffuso utilizzo nelle apparecchiature
elettroniche più avanzate.
L’ostacolo maggiore che è stato incontrato per lo sviluppo di questi materiali è
quello relativo alla loro caratterizzazione ma, grazie ai recenti progressi che sono
stati compiuti nelle varie tecniche analitiche, sono stati fatti notevoli passi in
avanti.
A testimonianza di questo, risulta utile ed interessante introdurre brevemente un
lavoro recentemente pubblicato in cui il self-assembly su superfici di silice
opportunamente derivatizzate è stato ottenuto sfruttando l’effetto coordinante di
un metallo (Pt)2.
Alla luce dell’interesse scientifico suscitato, il lavoro illustrato in questo capitolo è
mirato a mettere in evidenza gli incoraggianti risultati ottenuti riguardo la
caratterizzazione
fotofisica
di
una
nuova
sonda
fluorescente,
la
cui
implementazione su superficie di silicio, che sembra promettere molto bene, è in
fase di progettazione.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
99
5.2 Self-Assembly di nanogabbie di coordinazione su superfici
Si(100)
Come accennato nella parte introduttiva, attualmente la maggior parte degli
apparati tecnologici più avanzati si basa sull’utilizzo di materiali derivati dal silicio.
L’abilità nel generare strutture 3D di dimensioni sempre più ridotte (fino alla scala
del nanometro) sta ricoprendo perciò un ruolo chiave in ambito scientifico e
tecnologico.
L’ottenimento di superfici di silicio con determinate funzionalità è legato quindi
alla possibilità di derivatizzare tali superfici con le specie chimiche di interesse. La
strategia più diffusa è quella che prevede l’idrosilizzazione di strati sottili di silicio
H-terminale3.
Il maggiore ostacolo per lo sviluppo di tali materiali ibridi (organici e basati sul
silicio) è da ricercare nelle difficoltà incontrate per la loro caratterizzazione. Non
esiste infatti una vera e propria tecnica di riferimento, ma l’approccio è quello di
utilizzare diversi metodi di indagine complementari fra loro. In questo lavoro il
processo di CSA (coordination cage self-assembly) è stato caratterizzato mediante
la combinazione di indagini XPS (spettroscopia fotoelettronica ai raggi X), AFM
(microscopia di forza atomica) e misure di spettroscopia di fluorescenza.
Le gabbie di coordinazione così ottenute sono contenitori molecolari4 molto
interessanti
in
quanto
possono
trovare
impiego
per
quanto
riguarda
la
stabilizzazione di intermedi di reazione5, la catalisi6, e grazie alla reversibilità che
governa la loro formazione si può avere il controllo sull’inclusione e il rilascio di
determinate specie7.
Nella figura 5.1 viene rappresentato schematicamente il processo di self assembly
studiato, che avviene grazie all’effetto templante del Pt(II) sulla formazione del
complesso fra il cavitando 1 e il composto 2.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
100
Figura 5.1. (i) Grafting di una superficie di Si(100) (H-terminale) con un opportuno mix di cavitando
1 e ottile, utilizzando la idrosililizzazione fotochimica. (ii) CSA (coordination cage self assembly) fra
la superficie di silice derivatizzata con 1 e il complesso 2, che possiede un’unità pyrene terminale.
Le misure in AFM e XPS, combinate a prove di fluorescenza (grazie alla presenza
del pyrene come probe fluorescente) ha permesso di poter concludere quanto
segue.
Misure XPS: Le analisi XPS di un campione in cui la superficie di silice è stata
derivatizzata da un mix di ottile e composto 1 hanno mostrato la presenza di tutti
gli elementi aspettati. L’osservazione della banda 1s per l’azoto, principalmente
centrata a 399,99 eV, è un evidenza del fatto che il cavitando 1 sia legato
covalentemente alla superficie. Il rapporto atomico N/C sperimentale è consistente
con il rapporto N’/C’ calcolato in base alla composizione molare della soluzione
iniziale utilizzata per effettuare il grafting. Dopo il processo di CSA, le analisi XPS
hanno mostrato la presenza di nuovi elementi, ovvero Pt, F ed S. La formazione
della gabbia 3 è confermata dalla presenza di un segnale nella zona degli orbitali 4f
del Pt. In particolare, la componente 7/2 del 4f, centrata a 73 eV è caratteristica
per le specie Pt(II)8. Al fine di verificare che la presenza del segnale del Pt sia
effettivamente associata alla formazione della gabbia 3, è stato sottoposto allo
stesso trattamento una superficie di silice derivatizzata col solo ottile. In questo
caso, non è stato rilevato alcun segnale nella regione del Pt. Oltretutto, i rapporti
F/Pt e S/Pt sono rispettivamente 6 e 2, come aspettato per la gabbia 3 ottavalente
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
101
circondata da 8 controioni OTf-. Si può notare inoltre che il rapporto atomico N/Pt
(28) è molto maggiore rispetto al valore (2) che ci si può aspettare nel caso di un
processo di self-assembling fra una superficie con il 100% di cavitando 1 graftato, il
chè indica che il CSA sulla superficie avviene con un rendimento piuttosto basso
(4%). Non è stata osservata alcuna dipendenza angolare del segnale del Pt, il che
suggerisce che non vi siano effetti dovuti alla presenza di cavitando unità separate
di cavitando 2.
Misure AFM: La caratterizzazione AFM è stata effettuata in modalità “high
amplitude” per evitare possibili modificazioni della superficie derivatizzata per
effetto di interazioni con la punta del microscopio. Prima di procedere con le
misurazioni AFM, sono state condotte delle simulazioni al calcolatore per avere una
stima delle dimensioni delle varie specie. I conformeri ad energia minore sono
rappresentati in figura 5.2a,b.
Figura 5.2. Modello molecolare e dimensioni del cavitando 1 (a) e della gabbia 3 (b)
rispetto all’ottile.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
102
Dopo un opportuna fase di preparazione e pulizia, sono state registrate le
topografie (su aree di 4µm2) che, per tutti i campioni analizzati hanno fornito
risultati in accordo con quanto aspettato nel rispetto della composizione della
superficie.
Misure di fluorescenza: In figura 5.3 sono mostrati gli spettri di emissione in
reflettanza delle diverse superfici di silice registrati utilizzando una sorgente molto
potente, un laser He-Cd con emissione a 325 nm (dove il pyrene assorbe molto
bene), irradiando solo una piccola zona del supporto solido in modo da indagare
solo su una piccola parte dei fluorofori presenti. Per testare la riproducibilità delle
misure sono stati registrati più spettri in diverse zone della superficie. Si può
notare come gli spettri di fluorescenza di una superficie di silice derivatizzata col
solo ottile, sulla quale è stato deposto per evaporazione del solvente uno strato di
omogabbia 2, mostrino la presenza sia della tipica banda strutturata del monomero
del pyrene, sia quella dell’eccimero (5.3d), mentre se si effettua il processo di CSA
sul medesimo supporto non si osserva alcun segnale di emissione (5.3b). La
superficie in cui è stata creata la gabbia 3 tramite CSA, mostra invece (5.3c) la
banda strutturata tipica del pyrene, anche se debolmente spostata verso lunghezze
d’onda maggiori. Tale spostamento della fluorescenza rispetto a quanto ricavato da
misure in soluzione (5.3a) è stato attribuito alla perturbazione elettronica a lungo
raggio associata al campo elettrico esercitato dalla superficie di silicio e ricorda
molto da vicino quanto è stato osservato per lo stesso cromoforo legato alla
superficie di nanoparticelle di oro9. Infine, l’assenza della banda di emissione
dell’eccimero sta ad indicare che le gabbie 3 non sono in stretto contatto fra loro
ma sufficientemente lontane le une dalle altre, come osservato in AFM.
Figura 5.3. Spettri di emissione
(λ
λecc= 325 nm) di: a) soluzione
areata
in
diclorometano
della
omogabbia 2. b) CSA di 2 su una
superficie di silice derivatizzata
con
solo
ottile.
c)
gabbia
3
ottenuta per self-assembly di 2 su
silice derivatizzata con 1 per CSA.
d) strato sottile di 2 deposto per
evaporazione del solvente.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
103
5.3 La nuova sonda fluorescente: l’idea e la progettazione.
L’utilizzo del pyrene come marcatore fluorescente in grado di evidenziare
l’effettiva formazione del complesso ha indotto ad utilizzare ancora questo
approccio per la progettazione, la sintesi e l’utilizzo di nuove specie per costituire
un sistema con funzionalità simili.
Sono quindi state sintetizzate le molecole di figura 5.4, in cui sono presenti due
cavitandi (C1 e C2, recettori), un guest fluorescente (composto 1), un fluorescente
ed un guest di riferimento (composti 2 e 3), un guest alternativo (competitore:
composto 4).
R1
Ph
Ph
O P
O O
P O
O O
R
O
O
R
R1
O
O
N
R1
R
O O
P O
Ph
R
R1
PF6
O O
O P
Ph
1
C1: R = C11H23, R1 = H
C2: R = C3H7, R1 = CH3
O
O
OH
O
O R
H
N
3a R= CH3 ;
3b R= C4H9 ;
CH3
H PF6
N PF6
CH3
R= C4H9 ; CH3 ;
2
CH3
4
Figura 5.4. Le molecole sintetizzate. C1 e C2: cavitandi con diversa terminazione, 1: Pyrene legato ad un
metil piridinio per mezzo di una catena alifatica contenente funzioni esteree, 2 e 3: composti di
riferimento, 4: guest competitore.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
104
E’ stato perciò condotto uno studio preliminare sulla complessazione reversibile di
3 e 4 con il cavitando C1 e sono state ricavate, per le due interazioni, delle
costanti di associazione in pieno accordo con quanto aspettato.
L’interazione, in questi sistemi, è dovuta principalmente all’effetto sinergico di tre
differenti forze:
•
Interazione di natura catione-dipolo, N+ ----O=P.
•
Interazione CH3-π fra l’interno della cavità, ricco di elettroni π, e il CH3
acido legato all’azoto.
•
Formazione simultanea di due legami H fra i due gruppi P=O adiacenti del
cavitando e i due idrogeni legati all’azoto (solo per il composto 4)
Per il complesso C1—3b è stata determinata, attraverso titolazioni ITC in
diclorometano, una costante di associazione Kass= 7.8 x 106, mentre per il
complesso C1—4 il valore della Kass eccede il limite massimo di quantificazione per
questa tecnica (102 < Kass< 107)10.
Alla luce di questi dati si è pensato che potesse essere interessante utilizzare come
guest per la cavità C1 il composto 1, che possiede un metilpiridinio come unità di
riconoscimento (come il composto 3) e un pyrene come probe fluorescente,
collegati fra loro per mezzo di una catena contenente due funzioni esteree. Il
pyrene è stato scelto come unità fluorescente per diverse ragioni, in particolare
perchè possiede una buona resa quantica, la possibilità di dare eccimeri e quindi di
segnalare per mezzo dell’emissione tipica di queste specie la vicinanza fra le unità
pireniche, la possibilità di fornire segnale di fluorescenza anche vicino a superfici
di silicio e la capacità di dar luogo a fenomeni di electron transfer con le unità
piridinio.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
105
5.4 Risultati ottenuti e discussione.
Nello spettro di assorbimento di 1, il contributo del pyrene è dominante rispetto a
quello del piridinio, localizzato attorno ai 300 nm (figura 5.5).
0.14
Figura 5.5 Spettro di
assorbimento di 1, in cui è
evidente
il
maggior
contributo
del
pyrene
rispetto al piridinio.
0.12
A
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
250
300
350
400
λ (nm)
450
Dal punto di vista dell’ emissione invece, la presenza del piridinio influisce sul
valore del rendimento quantico calcolato rispetto al composto di riferimento 2,
abbassandolo di trenta volte. Anche per quanto riguarda i tempi di vita si osservano
variazioni analoghe: il tempo di vita di 1 risulta più corto per la presenza di una via
di disattivazione più veloce rispetto all’emissione (5.8 ns contro 0.2 ns).
Il meccanismo proposto per questo tipo di spegnimento è quello del trasferimento
di elettrone fra il pyrene eccitato e il piridinio. A conferma di questo sono state
effettuate prove di elettrochimica, in cui è stato osservato che l’energia del
singoletto eccitato del pyrene (E00 = 3.17 eV) è sufficiente per far sì che avvenga il
trasferimento di un elettrone dal pyrene (E0(2+/2)= +1.53 V, processo irreversibile)
all’unità piridinio (E0(3a/3a-)= -0.68 V, processo irreversibile). L’aggiunta di C1 ad una
soluzione in diclorometano di 1 non comporta variazioni dal punto di vista dello
spettro di assorbimento nella zona 320-345 nm, mentre a più basse lunghezze
d’onda, dove il cavitando assorbe, si ha un semplice contributo di somma fra gli
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
106
spettri di assorbimento delle due specie. Per quanto riguarda invece l’emissione,
l’aggiunta di quantità via via crescenti di C1 comporta evidenti cambiamenti nello
spettro di emissione, e si nota un incremento del valore di intensità di circa 6
volte. (Figura 5.6a), accompagnato da un proporzionale incremento del tempo di
vita fino a 1.2 ns.
In figura 5.6 vengono quindi mostrati gli spettri di fluorescenza per due titolazioni
effettuate: in 5.6a si è partiti da una concentrazione di 1 pari a 1 x 10-5 M e si è
aggiunto C1 da 0 a 1,2 equivalenti. In 5.6b invece si è partiti da concentrazioni
equimolari di C1 e 1 (1 x 10-5 M) e sono state effettuate aggiunte di 4 da 0 a 1,3
equivalenti.
(a)
(b)
Figura 5.6 (a) Titolazione di una
soluzione di 1 (10-5 M) con quantità
crescenti di C1. (b) Titolazione di
una soluzione di C1 e 1 equimolari
(10-5 M) con il composto 4
Sono state condotte anche titolazioni analoghe fra il composto 2 e il cavitando C1,
in
cui
non
sono
stati
registrati
cambiamenti,
né
per
quanto
riguarda
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
107
l’assorbimento, né per quanto riguarda l’emissione. Questa totale assenza di
variazioni induce a pensare che non vi siano interazioni dirette fra il pyrene e la
cavità, anche dopo la formazione del complesso, nel caso della titolazione fra C1 e
1. L’aumento di emissione ch si osserva in figura 5.6a è stato perciò attribuito alla
diminuzione di esoergonicità del processo di trasferimento di elettrone fra pyrene
e piridinio, che come conseguenza porta ad un calo della costante cinetica per
questo fenomeno.
L’inclusione del metilpiridinio (elettron povero) all’interno della cavità molto ricca
di elettroni, ha quindi come effetto quello di rendere il processo di riduzione più
endoergonico, cioè richiede un quantitativo di energia maggiore per avvenire.
Benchè sia molto complesso fare analisi quantitative basate su processi
irreversibili, si può portare come evidenza sperimentale di questa affermazione lo
shift di circa 40 mV verso valori negativi del potenziale di riduzione del
metilpiridinio di 1 conseguentemente all’aggiunta di 2 equivalenti di C1. Dai dati
della titolazione spettro fluorimetrica è stato possibile calcolare la costante di
associazione fra il composto 1 e il cavitando C1: il valore ricavato risulta in accordo
con quanto ricavato dalle titolazioni ITC (Kass = 8 x 10-6 M-1).
Per dimostrare la reversibilità del processo, sono state aggiunte quantità via via
crescenti di composto 4 ad una soluzione contenente quantità equimolari di C1 ed
1. Come già accennato precedentemente, la costante di associazione per la
formazione del complesso C1—4 risulta maggiore di quella C1—3, e quindi quello che
ci si aspetta è che il guest 4 riesca ad interagire con la cavità C1, in modo da
liberare 1 in soluzione. Come si può vedere dalle figure 5.6b e 5.7, l’aggiunta di 4
ha come effetto una graduale diminuzione di emissione del pyrene, fino al
raggiungimento del valore tipico del composto 1 libero in soluzione, e questo
dimostra chiaramente che il sistema è reversibile. Il passo successivo è stato quello
di provocare la dissociazione di C1—4 per mezzo dell’aggiunta di una base in grado
di deprotonare l’ammonio binario di 4. Allo scopo è stato utilizzato il DBU (1,8diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ene), e quello che si è notato è stato un crescente
recupero di fluorescenza da parte del pyrene, segno che si stava ristabilendo
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
108
l’interazione fra C1 ed 1. A questo punto, l’aggiunta di un equivalente di acido
triflico ha avuto ancora una volta l’effetto di riportare il sistema nello stato in cui
4 (riprotonato dall’acido triflico) si trova all’interno della cavità (composto 1
spento). Nella figura 5.7 è mostrato il ciclo completo di titolazioni qui descritte.
C1•1
C1•4
DBU
C1•1
CF3SO3H
C1•4
C1•4
C1•1
Figura 5.7 Fluorescenza di una soluzione di 1 ([1]= 1 x 10-5 M, λecc = 345 nm, lem =390 nm) in
conseguenza dell’aggiunta del guest competitore 4 (1 equivalente), della base DBU (1 equivalente)
e dell’acido triflico (1 equivalente). In basso sono rappresentati i modelli molecolari dei complessi
fra il cavitando e di due guest.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
109
E’ importante sottolineare che la formazione del complesso C1—1 è accompagnata
da un consistente aumento del segnale di luminescenza, caratteristica questa che
soddisfa in pieno i requisiti richiesti ad un sistema per rappresentare un sensore (il
valore finale del rendimento quantico risulta infatti di Φ= 0.08). Questo risultato
non è da sottovalutare, in quanto in letteratura sono presenti lavori in cui è
riportato solamente l’effetto di spegnimento esercitato dalla cavità resorcinarenica
nei confronti del pyrene11. Oltretutto, mentre i processi PET sono utilizzati spesso
con successo per modulare l’emissione di un fluoroforo grazie alla presenza del
doppietto elettronico disponibile di un azoto12, in questo caso si è in presenza di
una trasduzione del segnale piuttosto elegante, perché rende il processo
indipendente dalla presenza di protoni e cationi metallici. Oltretutto è bene
sottolineare che un design differente del sistema non avrebbe prodotto risultati
simili.
Per esempio, una ipotetica molecola lineare con un pyrene ed un gruppo amminico
covalentemente legati potrebbe, dal punto di vista della luminescenza, essere
caratterizzata dall’emissione spenta del pyrene qualora i due gruppi si trovassero
sufficientemente vicini fra loro. La protonazione dell’ammina comporterebbe da un
lato l’occupazione del doppietto responsabile dello spegnimento, e dall’altro
l’inserimento nella cavità, se presente. In queste condizioni, si può facilmente
concludere che l’aumento del segnale di fluorescenza sarebbe stato osservato a
prescindere dalla presenza della cavità e, di conseguenza, del processo di
associazione.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
110
5.5 Bibliografia
1. J. C. Love, L. A. Estroff, J. K. Kriebel, R. Nuzzo, G. M. Withesides, Chem.
Rev. 2005, 105, 1103 –1169.
2. M. Busi, M. Laurenti, G. G. Condorelli, A. Motta, M. Favazza, I. L. Fragalà,
M. Montalti, L. Prodi and E. Dalcanale, Chem. Eur. J., 2007, 13, 6891.
3. M. R. Linford, P. Fenter, P. M. Eisenberg, C. E. D. Chidsey, J. Am. Chem.
Soc. 1995, 117, 3145 –3155; b) A. B. Sieval, A. L. Demirel, J. M. Nissink, J.
H. van der Maas, W. H. De Jeu, H. Zuilhof, E. J. R. Sudhçlter, Langmuir
1998, 14, 1759 –1768; c) Q.-Y. Sun, L: C. P. M. d Smet, B. van Lagen, M.
Giesberg, P. C. Thune, J. Van Engelenburg, F. A. d Wolf, H. Zuilhof, E. J. R.
Sudhçlter, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2514 –2523.
4. D. J. Cram, J. M. Cram, Container Molecules and Their Guests (Ed.: J. F.
Stoddart), Royal Society of Chemistry, 1994.
5. a) M. Yoshizawa, Y. Takeyama, T. Okano, M. Fujita, J. Am. Chem. Soc.
2000, 122, 6311 – 6312; b) M. Yoshizawa, K. Kumazawa, M. Fujita, J. Am.
Chem. Soc. 2005, 127, 13456 –13457.
6. a) H. Ito, T. Kusukawa, M. Fujita, Chem. Lett. 2000, 29, 598 –599; b) M.
Yoshizawa, M. Tamura, M. Fujita, Science 2006, 312, 251 –254; c) D.H.
Leung, R. G. Bergman, K. N. Raymond, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9781 –
9797.
7. a) P. Jacopozzi, E. Dalcanale, Angew. Chem. 1997, 109, 665 –667; Angew.
Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 613 – 615; b) O. D. Fox, N. K. Dalley, R. G.
Harrison, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 7111 –7112.
8. a) G. M. Bancroft, T. Chan, R. J. Puddenphatt, M. P. Brown, Inorg. Chim.
Acta 1981, 53, L119 L120; b) W. M. Riggs, Anal. Chem. 1972, 44, 830 – 832;
c) P. Brant, J. H. Enemark, A. L. Balch, J. Organomet. Chem. 1976, 114, 99–
106.
Capitolo 5 – Una nuova sonda fluorescente per superfici di silicio
nanofunzionalizzate
111
9. a) M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, G. Battistini, Langmuir 2004, 20,
7884 –7886; b) P. Anger, P. Bharadway and L. Novotny, Phys. Rev. Lett.
2006, 96, 113 002.
10. J. L. Sessler, D. E. Gross, W.-S. Cho, V. M. Lynch, F. P. Schmidtchen, G. W.
Bates, M. E. Light and P. A. Gale, J. Am. Chem. Soc., 2006, 128, 12281.
11. M. Inhouye, K. Hashimoto and K. Isagawa, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116,
5517.
12. L. Prodi, F. Bolletta, M. Montalti and N. Zaccheroni, Coord. Chem. Rev.,
2000, 205, 59.
Capitolo 6 - Conclusioni
112
CAPITOLO 7
CONCLUSIONI E PUBBLICAZIONI
Con questo lavoro di tesi si è cercato da un lato di dare un contributo al settore dei
sensori chimici, caratterizzando e sviluppando diversi sistemi che presentano
promettenti proprietà per l’utilizzo nella realizzazione di sensori luminescenti, e
dall’altro di studiare sistemi di nanoparticelle di oro per identificarne e
caratterizzarne i processi che portano all’interazione con un’unità fluorescente di
riferimento, il pirene.
Quest’ultima parte della tesi, sviluppata nel capitolo 4, sebbene possa apparire
“slegata” dall’ambito della sensoristica, in realtà non lo è in quanto il lavoro di
ricerca svolto rappresenta una buona base di partenza per lo sviluppo di sistemi di
nanoparticelle metalliche con un possibile impiego in campo biomedico e
diagnostico.
Tutte le specie studiate, seppur molto diverse tra loro, posseggono quindi buone
caratteristiche di luminescenza ed interessanti capacità di riconoscimento, più o
meno selettivo, di specie in soluzione o allo stato gassoso.
L’approccio generale che è stato adottato comporta una iniziale caratterizzazione
in soluzione ed una susseguente ottimizzazione del sistema mirata a passare al
fissaggio su supporti solidi in vista di possibili applicazioni pratiche.
A tal proposito, nel capitolo 3 è stato possibile ottenere un monostrato organico
costituito da un recettore (un cavitando), dotato di una parte fluorescente le cui
proprietà di luminescenza sono sensibili alla presenza di una funzione chimica che
caratterizza una classe di analiti, gli alcoli. E’ interessante sottolineare come lo
stesso sistema in soluzione si comporti in maniera sostanzialmente differente,
mostrando una capacità di segnalare l’analita molto meno efficiente, anche in
funzione di una diversa orientazione della parte fluorescente. All’interfaccia
solido-gas invece, l’orientamento del fluoroforo gioca un ruolo chiave nel processo
Capitolo 6 - Conclusioni
113
di riconoscimento, e ottimizzando ulteriormente il setup sperimentale e la
composizione dello strato, sarà possibile arrivare a segnalare quantità di analita
sempre più basse.
Nel capitolo 5 invece, è stato preso in esame un sistema le cui potenzialità, per un
utilizzo come sonda fluorescente nel campo delle superfici di silicio, sembra
promettere molto bene. A tal proposito sono stati discussi anche i risultati del
lavoro che ha fornito l’idea per la concezione di questo sistema che, a breve, verrà
implementato a sua volta su superficie solida.
In conclusione, le ricerche descritte in questa tesi hanno quindi contribuito allo
sviluppo di nuovi chemosensori, cercando di migliorare sia le proprietà fotofisiche
dell’unità attiva, sia quelle dell’unità recettrice, sia, infine, l’efficienza del
processo di traduzione del segnale. I risultati ottenuti hanno inoltre permesso di
realizzare alcuni prototipi di dispositivi sensoriali aventi caratteristiche molto
promettenti e di ottenere informazioni utili per la progettazione di nuovi dispositivi
(ora in fase di sviluppo nei laboratori di ricerca) sempre più efficienti, rispondendo
in tal modo alle aspettative con cui questo lavoro di dottorato era stato intrapreso.
Capitolo 6 - Conclusioni
114
Il lavoro di dottorato presentato in questa tesi ha portato alle seguenti
pubblicazioni:
1.
M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, G. Battistini, “Modulation of the photophysical
properties of gold nanoparticles by accurate control of the surface coverage”, Langmuir,
20, 7884-7886 (2004).
2.
M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, G. Battistini, S. Marcuz, F. Mancin, E. Rampazzo, U.
Tonellato, “Size effect on the fluorescence properties of dye doped silica nanoparticles”,
Langmuir, 22, 5877-5881 (2006).
3.
M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, M. Beltrame, T. Morotti, and S. Quici, “Stabilization
of Gold Nanoparticles by Metal Ions Complexation”, New J. Chem., 31, 102-108 (2007).
4.
S. Nardis, F. Mandoj, F. R. Fronczek, L. Prodi, M. Montalti, G. Battistini, K. M. Smith, R.
Paolesse, “Synthesis and Functionalization of Germanium Triphenylcorrolate: The First
Example of a Partially Brominated Corrole”, Eur. J. In. Chem., 16, 2345-2352 (2007).
5.
L. Prodi, G. Battistini, L. S. Dolci, M. Montalti, N. Zaccheroni “Luminescence of Gold
Nanoparticles” in Frontiers in Surface Nanophotonics: Principles and Applications, D. L.
Endrews and Z. Gaburro ed., Springer series in Optical Sciences, Springer, New York, 2007,
pag. 99.
6.
G. Battistini, P. G. Cozzi, J.-P. Jalkanen, M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, F. Zerbetto,
“The erratic emission of pyrene on Gold nanoparticles”, ACS Nano, 1, 77-84 (2008)
7.
G. Battistini, P. G. Cozzi, M. Montalti, L. Prodi, N. Zaccheroni, “Propargylic Esters and
Metallotropic Schift on Gold Surface: An Acess to Gold Nanoparticles Capped with
Fluorescent Terminal Alkynes”, J. Am. Chem. Soc., submitted.
1.
8.
E. Biavardi,a G. Battistini,b M. Montalti,b R. M. Yebeutchou,a L. Prodi*b, E. Dalcanale*a “Fully
reversible guest exchange in tetraphosphonate cavitand complexes probed by fluorescence
spectroscopy”, Chem. Comm., in press
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