Procedimiento para la fabricación de supercristales coloidales con campos electromagneticos altamente localizados y su utilización para la deteccion y monitorización de analitos.

Procedimiento para la fabricación de supercristales coloidales con campos electromagnéticos altamente localizados y su utilización para la detección y monitorización de analitos.

La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de supercristales de nanopartículas metálicas que presentan acoplamientos plasmónicos en las tres direcciones. También se refiere a un sensor óptico que contiene dichos supercristales de nanopartículas metálicas con acoplamientos plasmónicos y a la utilización de dicho sensor para la monitorización en continuo de un analito a detectar. El sensor óptico puede ser directo o indirecto y reversible.

Con el sensor óptico se soluciona el problema de la degradación en la interfaz de detección durante la monitorización en continuo porque las nanoestructuras piramidales obtenidas requieren una potencia muy baja, del orden de 1 μW, para detectar y cuantificar la presencia de un analito por SERS.

PROCEDIMIENTO PARA LA FABRICACIÓN DE SUPERCRISTALES COLOIDALES CON CAMPOS ELECTROMAGNETICOS ALTAMENTE LOCALIZADOS Y SU UTILIZACIÓN PARA LA DETECCION Y MONITORIZACIÓN DE ANALITOS

La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de supercristales de nanopartículas metálicas que presentan acoplamientos plasmónicos en volúmenes tridimensionales y la localización del campo en la superficie del material. La invención también se refiere al uso de dichos supercristales de nanopartículas con acoplamientos plasmónicos como sensor óptico y al sensor que los contiene para la monitorización en continuo de un analito.

Antecedentes de la invención

La fabricación de materiales ópticos con propiedades macroscópicas es todavía un objetivo a perseguir en el campo de los sensores ópticos. Debido a los requisitos específicos en términos de tamaño y forma, su fabricación es compleja y, con pequeñas excepciones, está restringida a las técnicas de litografía, especialmente a aquellas basadas en el uso de flujos de iones o electrones. Sin embargo, estas técnicas no sólo son muy costosas, sino que también están limitadas a geometrías simples y sólidas, que aun siendo adecuadas para ensayar conceptos, su implementación en la industria tiene muchas dificultades.

Por otro lado, la química coloidal es una tecnología alternativa a la litografía. Durante los últimos años se han descrito algunos ejemplos de fabricación de partículas organizadas para la preparación de dímeros, trímeros y otras partículas coloidales complejas o el uso de coloides previamente preparados para generar entidades cristalinas organizadas denominadas supercristales. En esta dirección, Alvarez-Puebla, R.A. et al. publica "Go/d nanorods 3D-supercrystals as surface enhanced Raman scattering spectroscopy substrates for the rapid detection of scrambled prions", Proc. Nat. Acad. Sci. USA 108, 8157-8161 (2011) y Henzie, J., Grünwald, M., Widmer-Cooper, A., Geissler, P.L. & Yang, P. "Self- assembly of uniform polyhedral silver nanocrystals into densest packings and exotic superlattices" Nat Mater 11, 131-137 (2012).

También se han descrito nanosensores ópticos para la detección de analitos en solución y gases inorgánicos. En el caso de los gases inorgánicos, estas propuestas dependen de la

fabricación de aleaciones segregadas que contienen plata y oro como materiales ópticamente activos y otro metal, generalmente platino y paladio, como material de captura. Sin embargo, la deposición del metal de captura no sólo dificulta la adsorción del gas en el material óptico con la subsiguiente disminución de sensibilidad, sino que además no es reversible. Una vez el gas es adsorbido en el metal éste no se desorbe, haciendo el sensor de un solo uso. Aunque esta estrategia puede servir para la detección de gases exóticos tales como agentes de guerra química, no es eficaz para la monitorización efectiva de un gas tóxico pero ubicuo como el CO. Un planteamiento alternativo para cumplir con estos requisitos es la monitorización de cambios vibracionales inducidos en sondas secundarias altamente activas por SERS (Espectroscopia Raman aumentada por superficies), directamente unidas al sensor, antes y después de la interacción con la diana o analito a detectar. Así, por ejemplo, es conocida la excelente afinidad y unión reversible de la mioglobina y la hemoglobina con el oxígeno y el monóxido de carbono que, de hecho, es la base para la toxicidad del segundo. Desafortunadamente, la utilización de proteínas en SERS no es la mejor solución ya que estos biopolímeros generalmente se caracterizan por la baja intensidad de su señal.

Por otro lado, la patente europea EP2418170 con título "Method foraligning colloidal crystals as single crystals" describe un procedimiento para la alineación de partículas coloidales como cristales individuales que comprende la etapa de fricción de partículas coloidales sobre un sustrato. Este método permite fabricar por concentración un film o película de cristal coloidal en un sustrato. El método permite la fabricación de films de cristales coloidales perfectamente alineados en una, dos o tres dimensiones en estructuras empaquetadas

El método incluye la preparación de un molde, la superficie del cual presenta depresiones o proyecciones capaces de fijar las posiciones y/u orientaciones de una o más partículas; la colocación de las partículas en el molde y la aplicación de una presión física a las partículas para que una parte o el todo de cada partícula quede insertada en cada poro definido por las depresiones o proyecciones para formar una matriz de partículas; y el contacto del molde que tiene la matriz de partículas en un sustrato por impresión de manera que la matriz de partículas se transfiere al sustrato de impresión.

Por otro lado, la patente europea EP1827674 con título "Colloidal photonic crystals using colloidal nanoparticles and method for preparation thereof describe un procedimiento para

la preparación de cristales fotónicos coloidales utilizando nanopartículas coloidales mediante

la adición de un material viscoelástico (PDMS) en una solución que contiene las nanopartículas coloidales cuando se preparan los cristales fotónicos coloidales, de manera que tiene lugar una contracción volumétrica uniforme debido a la elasticidad del material viscoelástico incluso cuando no tiene una contracción volumétrica uniforme durante el secado de un medio de dispersión en la solución coloidal. Así, es posible preparar cristales fotónicos coloidales de 2 ó 3 dimensiones de gran escala sin defectos. Estos cristales fotónicos son adecuados para utilizar en láser, sensores, sensores piezoeléctricos, servomotores, membranas de separación cromatográfica, portadores de catalizadores, circuitos integrados ópticamente, filtros ópticos, capas de alineación de cristales líquidos, membranas repelentes al agua o super hidrofílicas, fotomáscaras, películas de antireflexión y dispositivos indicadores, etc, los cuales requieren cristales fotónicos.

Sin embargo, a la vista del estado de la técnica, no existe todavía un sensor óptico con supercristales de nanopartículas con acoplamientos plasmónicos apto para la monitorización en continuo de un analito.

Breve descripción de la invención

Con el procedimiento para la fabricación de supercristales de nanopartículas metálicas ordenadas con acoplamientos plasmónicos en las tres direcciones de acuerdo con la invención se consiguen resolver los inconvenientes citados, presentando además otras ventajas que se describirán a continuación.

En un primer aspecto, la invención proporciona un procedimiento para la fabricación de supercristales de nanopartículas metálicas que se caracteriza por el hecho de que comprende las siguientes etapas:

a) preparar una solución coloidal de nanopartículas metálicas;

b) estructurar un sustrato para obtener un molde provisto de cavidades con la geometría deseada invertida susceptibles de conformar supercristales nanoestructurados con dicha geometría;

c) hidrofilizar la superficie del molde y sus cavidades para inducir un mojado homogéneo; alternativamente, hidrofilizar disponiendo sobre la superficie del molde y sus cavidades un polímero hidrofílico susceptible de facilitar el desmoldeo de los supercristales nanoestructurados con la estructura deseada una vez conformados;

d) verter la solución coloidal preparada en la etapa a) sobre el molde hidrofilizado de

modo que la solución coloidal es susceptible de quedar confinada dentro de las cavidades hidrofilizadas con la geometría deseada invertida;

e) dejar sedimentar las nanopartículas metálicas en las condiciones ambientales adecuadas para conformar supercristales nanoestructurados con la geometría deseada; e

f) imprimir directamente los supercristales nanoestructurados con la geometría deseada sobre un sustrato de modo que se obtiene un conjunto de supercristales nanoestructurados plasmónicos soportados por el sustrato.

Opcionalmente, el procedimiento además comprende:

g) funcionalizar la superficie del supercristal con una molécula o biomolécula susceptible de poseer afinidad por un analito a detectar.

En un segundo aspecto, la invención proporciona un sensor o biosensor óptico directo o indirecto, reversible, o en caso de interés no reversible, que comprende un conjunto de supercristales nanoestructurados con la geometría deseada generada por nanopartículas metálicas ordenadas donde dichos supercristales están soportados por un sustrato.

Y en un tercer aspecto, la invención se refiere a la utilización del sensor o biosensor óptico directo o indirecto, reversible, o...

1. Procedimiento para la fabricación de supercristales de nanopartículas metálicas, caracterizado por el hecho de que comprende las siguientes etapas:

a) preparar una solución coloidal de nanopartículas metálicas;

b) estructurar un sustrato para obtener un molde provisto de cavidades con la geometría deseada invertida susceptibles de conformar supercristales nanoestructurados con la geometría deseada;

c) hidrofilizar la superficie del molde y sus cavidades para inducir un mojado homogéneo;

d) verter la solución coloidal preparada en la etapa a) sobre el molde hidrofilizado de modo que la solución coloidal es susceptible de quedar confinada entre las paredes hidrofílicas de las cavidades con la geometría deseada invertida;

e) dejar sedimentar las nanopartículas metálicas en las condiciones ambientales adecuadas para conformar supercristales nanoestructurados con la geometría deseada; e

f) imprimir directamente los supercristales nanoestructurados con la geometría deseada sobre un sustrato de modo que se obtiene un conjunto de supercristales nanoestructurados plasmónicos soportados por el sustrato.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde además comprende:

g) funcionalizar la superficie del supercristal con una molécula o biomolécula susceptible de poseer afinidad por un analito a detectar.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la geometría deseada es una estructura piramidal.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, donde en la etapa c) se hidrofiliza la superficie del molde y sus cavidades mediante oxidación con un plasma con oxígeno.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, donde en la etapa c) se hidrofiliza la superficie del molde y sus cavidades añadiendo un polímero hidrofílico sobre el molde y sus cavidades antes de verter la solución coloidal preparada.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, donde el sustrato a estructurar para obtener el molde provisto de cavidades es de silicio, un elastómero, una resina o cualquier otro material susceptible de ser litografiado.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, donde el sustrato que soporta los supercristales nanoestructurados se selecciona entre una oblea de silicio, vidrio, Tesafilm, o un material viscoelástico curado tal como el PDMS curado.

8. Procedimiento según la reivindicación 2, donde dicha molécula o biomolécula es porfirina, proteína, péptido, lípido, ADN, ARN.

9. Sensor óptico que comprende un conjunto de supercristales nanoestructurados según 10 cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 para la detección de un analito.

10. Sensor según la reivindicación 9, donde dicho sensor es indirecto.

11. Sensor según la reivindicación 9, donde dicho sensor es reversible.

12. Sensor según la reivindicación 9, donde dicho analito es cualquier especie atómica o molecular.

13. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 para la monitorización continua 20 de un analito.

14. Sensor según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, donde la fuente luminosa para detectar el analito es un láser, un led o cualquier otra fuente de iluminación monocromática con una potencia de alrededor de 1pW.