Design of multifunctional colloidal particles with ion selective ligandsapplications in ion recovery, sensing and imaging

Resumen

La nanotecnología comprende el estudio, diseño, manipulación y aplicación de materiales y sistemas funcionales así como la explotación de fenómenos y propiedades de la materia, a escala nanométrica. La nanotecnología está considerada un área fundamental en la mayoría de campos de investigación, que ha permitido obtener avances en áreas tan variadas como biomedicina, energía, y medio ambiente, dando la posibilidad de diseñar y construir nuevos materiales con propiedades avanzadasLos nanomateriales no sólo presentan propiedades únicas, sino que pueden formar parte de materiales convencionales, de forma que añaden nuevas propiedades y funcionalidades al material resultante. En esta Tesis Doctoral se presentan varios ligandos específicos capaces de unirse a diferentes iones selectivamente y que al ser incluidos en otros sistemas dan lugar a nuevas funcionalidades y aplicaciones.Si estos ligandos se unen a nano o micropartículas magnéticas permiten, además de la recuperación de los iones deseados gracias al ligando, la separación de éstos mediante la aplicación de un campo magnético externo.Los ligandos también pueden unirse a nanopartículas fluorescentes, dando lugar a la unión específica de ciertos iones cerca de la superficie de dichas nanopartículas. Mediante el estudio de cambios en la fluorescencia del sistema, es posible monitorizar in situ la unión ión-ligando. Siguiendo este procedimiento se pueden construir sensores basados en fluorescencia con respuesta específica a diferentes iones.En el caso de ligandos que son capaces de complejar selectivamente iones que ofrecen contraste, se pueden construir sistemas de imagen mediante la unión de dichos ligandos a nanopartículas. Por ejemplo, los iones Gd muestran contraste en Resonancia Magnética de Imagen (RMI). Por lo tanto, las partículas con ligandos que complejen dichos iones sirven como agentes de contraste para mejorar las técnicas de escáner. Además, los iones In muestran contraste en técnicas de imagen basadas en radioactividad. De esta forma, si los ligandos son selectivos a iones radioactivos y se unen a nanopartículas radioactivas, se pueden construir sistemas con dos marcadores.En resumen, en esta Tesis Doctoral se analizan mediante distintos ejemplos las nuevas propiedades que estos sistemas formados por la unión de partículas coloidales y ligandos selectivos poseen. A su vez, y como consecuencia de estas nuevas propiedades, se describe el amplio rango de aplicaciones reales que presentan estos sistemas.--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Nanotechnology offers a vast repertoire of tools to address important questionsin different research fields. It allowed achieving breakthroughs in medicine,energy-related and environmental sciences. Nanoscience provides thepossibility to design and develop new materials with improved propertiescompared to the existing ones. Although nanomaterials possess intrinsicdistinctive properties, they can also introduce new properties and functionalitiesto existing materials. This work reports on properties of ligands that canspecifically bind ions of interest. If they are a part of an integrated system, newfunctionalities can be achieved.If the ligands are attached to the surface of magnetic nanoparticles, or presentinside magnetic microcapsules, ions bound to them can be extracted with anexternal magnetic field. Thus, magnetic separation becomes possible.If the ligands are bound to the surface of fluorescent nanoparticles, specificbinding of ions close to the nanoparticles surface can be achieved. This fact canbe recorded by following the fluorescence changes of the composite. In thismanner, specific fluorescence-based ion sensors can be constructed.If the ligands can interact with ions that provide contrast, their attachment tonanoparticles allows the system to be imaged. Gadolinium ions, for example,provide contrast for magnetic resonance imaging (MRI) and radioactive indiumions (111In) provide contrast for radioactive imaging. Moreover, if ion selectiveligands, able to bind radionuclides, are bound to radioactive nanoparticles a bifunctionalsystem is obtained.In this dissertation, several examples are given to demonstrate how theattachment of different types of colloidal particles to one existing class ofmolecules, namely ion-selective ligands, can open new opportunities for theirapplication