Estrategia para estabilización de nanopartículas de upconversion en medios acuosos y su excitación a 800 nm

Actualmente existe una importante variedad de métodos sintéticos para la preparación de UCNPs, los cuales permiten controlar parámetros tales como tamaño, forma o fase de las UCNPs. A pesar de ello, la estabilidad del recubrimiento de las UCNPs en medios acuosos y, principalmente, en medios ácidos es una de las limitaciones para su uso en diversas aplicaciones biológicas o tecnológicas. Además, la longitud de onda de excitación NIR de la UCNP es relevante cuando se utilizan disoluciones acuosas, ya que la absorción del agua a 980 nm filtra la absorción del Yb3+ y causa calentamiento de la muestra, lo que es particularmente nocivo para muestras biológicas. La solución aportada en la bibliografía es utilizar Nd3+ como fotosensibilizador de Yb3+ para, finalmente, producir el proceso de emisión upconversion. Esta solución permite utilizar luz NIR a 800 nm, donde el agua presenta escasa absorción, pero requiere de síntesis de UCNPs multicapa para distanciar el Nd3+ del activador (emisor de la luz). Por lo tanto, la estabilidad y funcionalidad de la capa orgánica que recubre la UCNP, así como la excitación de la UCNP a longitudes donde no absorbe el agua, son retos importantes a abordar y requieren del diseño e ingeniería de la superficie de las UCNPs. Durante el desarrollo de esta tesis doctoral se han establecido estrategias para avanzar en la estabilidad de las UCNPs y, por tanto, su versatilidad en aplicaciones biológicas y/o tecnológicas. En los capítulos 5, 6 y 7 se describen los estudios de la estabilidad de la estructura cristalina de las UCNPs. En primer lugar, se estudió la estabilidad en medios ácidos de nanohíbridos de UCNP (específicamente, NaYF4 dopada con Yb3+ y Er+3) pasivados con el copolímero HEMA-co-AMPS (COP), capitulo 5. El recubrimiento de la superficie de la UCNP con el copolímero resultó en una estabilidad excepcional del nanohíbrido UCNP@COP en condiciones fuertemente ácidas (pH 2). La estabilidad del recubrimiento es debida a la fuerte interacción de los grupos sulfonatos (SO3-) del COP con la superficie de la UCNP. Esta fuerte interacción no se observa con otros grupos anclantes comúnmente utilizados en las UCNPs, tales como los carboxilatos, aminas o tiolatos, cuya mayor basicidad facilita su protonación en medios ácidos, disminuyendo así su capacidad de coordinación a la superficie de la UCNP. Se exploró la aplicación del nanohíbrido UCNP como sensor de pH mediante el anclaje de un colorante catiónico, específicamente azul de metileno (MB), a los grupos sulfonato en la periferia de UCNP@COP. La liberación del colorante se puede rastrear desde pH neutro hasta un pH de aproximadamente 2. La colaboración con la empresa CEINNMMAT para preparar composites luminiscentes basados en UCNPs reveló que el pasivado de las UCNPs con los recubrimientos convencionales daba lugar a composites poco luminiscentes debido al medio ácido necesario para el proceso sol-gel. Por lo que el objetivo planteado fue desarrollar UCNPs recubiertas con pequeñas moléculas que permaneciesen ancladas a la superficie de la UCNP para permitir desarrollar un composite luminiscente. En el capitulo 6 se comenta la síntesis de UCNPs de NaYF4 dopada con Yb3+ y Er3+ o Tm3+ recubiertas con ligandos orgánicos de longitud de cadena corta y de fórmula X-CH2CO-Z, donde X es un halógeno y Z es -H, -R, -COR, -OH, -NH2, -NHR, -NR2 (donde R es una cadena alquílica lineal o ramificada). La unión de estos ligandos a la superficie de las UCNP permitió desarrollar un material composite con una matriz cerámica por medio de un proceso sol-gel que requiere una etapa de drástico tratamiento ácido. Esta invención para la síntesis del composite con el material luminiscente fue patentada con éxito y se encuentra registrada en la patente internacional WO 2018/002405 A1. En el capítulo 7 se estudió cómo estabilizar el recubrimiento de las UCNPs en medios fuertemente ácidos, así como evitar la desintegración de la estructura de la UCNP en medios acuosos, proceso observado por otros autores en dispersiones de UCNP pasivadas con policarboxilatos con concentraciones inferiores a 100 mg/mL . UCNPs dopadas con Yb3+ y Er3+ o Tm3+ y recubiertas con los ligandos pAMPS, PSS, PDF o PPEG fueron expuestas a condiciones fuertemente ácidas (pH 2). Las imágenes de HRTEM y los espectros de FTIR demostraron que los nanohíbridos recubiertos con pAMPS y PSS no se vieron afectados, es decir el ligando permaneció fuertemente anclado a la superficie por el grupo sulfonato. Sin embargo, bajo estas condiciones, el recubrimiento de la UCNP desaparece cuando se utiliza PDF y PPEG. Teniendo en cuenta la estabilidad de los nanohíbridos de UCNP recubiertos con pAMPS y PSS a pH 2, posteriormente se llevó a cabo un análisis para determinar la protección que estos ligandos podían proporcionar frente a la desintegración de la UCNP en medio acuoso, utilizando dispersiones muy diluidas (<10 g/mL). Con fines comparativos, los estudios fueron también realizados con la UCNP desnuda. Los análisis de ICP-masas, TEM y emisión demostraron que los recubrimientos otorgan una importante protección a las UCNP, reduciendo la pérdida de iones lantánidos y, por tanto, la desintegración de la estructura cristalina en medio acuso. En consecuencia, la intensidad de emisión de las UCNP recubiertas con estos ligandos no varía significativamente, al contrario de lo observado para las UCNP desnudas. Estos datos confirman que los recubrimientos seleccionados, ambos con grupos anclantes sulfonato, no solo otorgan dispersabilidad a las UCNP en medios acuosos, sino que además preservan la integridad de la nanopartícula en medios acuosos y evitan la toxicidad causada por la liberación de iones fluoruro. Por último, en el capitulo 8 se prepararon nanohíbridos novedosos con iones Nd3+ en la capa orgánica de la UCNP con el fin de estudiar su potencial como sensibilizador del proceso de upconversion. El objetivo era modificar la longitud de onda de irradiación de 980 nm a 800 nm evitando la síntesis de UCNPs multicapa. Se desarrolló una estrategia novedosa para anclar los átomos de Nd3+ utilizando un macrociclo orgánico, específicamente cucurbit[7]urilo (CB[7]), macromolécula simétrica, rígida y con dos portales idénticos con capacidad para anclar cationes. La unión del CB[7] a la superficie de las UCNP desnudas dio lugar a UCNP@CB[7]. La posterior adición de Nd3+ permitió la formación del nanohíbrido UCNP@CB[7]@Nd, por interacción ion-dipolo del ión lantánido con el portal libre del CB[7]. La presencia de iones Nd3+ en la capa orgánica delgada que recubre la superficie de la UCNP se confirmó por EDS. Además, las imágenes HAADF-STEM permitieron detectar la presencia de iones Nd3+ en el recubrimiento orgánico de la UCNP, a una distancia de 1 nm de la superficie de la UCNP. La excitación a 800 nm de una muestra de UCNP@CB[7]@Nd depositada en vidrio demostró la transferencia de energía Nd-Yb-Er en el nanohíbrido, a pesar de que la UCNP presentaba una shell inactiva (NaYF4). Este es el primer ejemplo en la bibliografía que demuestra que el Nd3+ es capaz de fotosensibilizar un proceso de upconversion sin estar encapsulado en una matriz inorgánica.Currently, there are different methodologies for the preparation of UCNPs with controlled crystalline phase, size and shape. However, the organic coating of the UCNP obtained upon their functionalization, usually shows low stability in aqueous and acidic media which hindered their use in biological or technological applications. In addition, the use of NIR excitation in aqueous solutions could heat the medium due to competitive water absorption with Yb3+ ions at 980 nm, which is particularly harmful for biological samples. The latest limitation has been addressed by using Nd3+ ions together with Yb3+ as photosensitizers, which allows excitation at 800 nm, a wavelength where water absorption is low. However, this approach requires the synthesis of multilayer UCNPs to separate the Nd3+ from the activator (light emitter). All this considered, the stability and functionality of the organic ligands at UCNP surface, as well as the preparation of systems that allow the selection of excitation wavelengths where water absorption is minimal, are important challenges to be addressed which require the design and surface engineering of the UCNPs. In this doctoral thesis several strategies have been addressed to advance in the stability of the UCNPs and, therefore, their versatility in biological and/or technological applications. Chapters 5, 6, and 7 describe the stability of the UCNP crystal structure. First, the stability of UCNP nanohybrids (specifically, NaYF4 doped with Yb3+ and Er+3) passivated with the HEMA-co-AMPS (COP) copolymer was studied in acidic media, chapter 5. The UCNP caped with this copolymer, UCNP@COP, resulted in an exceptional stability under strongly acidic conditions (pH=2). The stability of the coating was attributed to the strong interaction of the sulfonate groups (SO3-) of the COP with the UCNP surface. This strong interaction is not observed with other anchoring groups commonly used in UCNPs, such as carboxylates, amines or thiolates, whose greater basicity facilitates their protonation in acidic media, thus reducing their ability to coordinate to the UCNP surface. The application of the UCNP nanohybrid as pH sensor was explored through anchoring of a cationic dye, specifically methylene blue (MB), to the sulfonate groups at the periphery of UCNP@COP. The release of MB can be tracked from neutral to a pH of about 2. In collaboration with the company CEINNMMAT to prepare luminescent composites based on UCNPs, it was observed that the passivation of UCNPs with conventional coatings resulted in low-luminescent composites due to the acidic medium necessary for the sol-gel process. Therefore, we focused on the development of UCNPs coated with small molecules that would remain anchored to the UCNP surface and allow the preparation of a luminescent composite. In chapter 6, the synthesis of Yb3+ and Er 3+ or Tm 3 + doped NaYF4 UCNPs coated with short-chain length organic ligands of X-CH2CO-Z formula is described, where X is a halogen and Z is -H, -R , -COR, -OH, -NH2, -NHR, -NR2 (where R is a straight or branched alkyl chain). The union of these ligands to the UCNP surface allowed to develop a composite material within a ceramic matrix by means of a sol-gel process that requires a drastic acid treatment step. This invention for the synthesis of the composite with the luminescent material was successfully patented and is registered in the international patent WO 2018/002405 A1. In Chapter 7, we studied the stabilization of the UCNP coating in strongly acidic media, as well as how to avoid the disintegration of the UCNP structure in aqueous media, a process observed by other authors in dispersions of UCNP passivated with polycarboxylates at concentrations below 100 µg/ mL. UCNPs doped with Yb3+ and Er 3+ or Tm 3+ and coated with the pAMPS, PSS, PDF or PPEG ligands were exposed to strongly acidic conditions (pH 2). The HRTEM images and FTIR spectra showed that the pAMPS and PSS coated nanohybrids were not affected, indicating that the ligand remained strongly anchored to the surface by the sulfonate group. In contrast, the UCNP coating disappears under identical conditions when PDF and PPEG (fluorinated or phosphorylated polymers) are used. Taking into account the stability of the UCNP nanohybrids coated with pAMPS and PSS at pH 2, an analysis to determine the protection that these ligands could provide against the disintegration of UCNP in aqueous medium was carried out, using highly diluted dispersions (