Nuevos materiales utilizados para la detección de moléculas complejas en biosensores

Abstract

La detección de moléculas de interés biológico es un tema de gran interés desde el punto de vista de su aplicación en ciencia y medicina. En los últimos años ha sufrido un enorme progreso debido al desarrollo de dispositivos electrónicos basados en materiales carbonosos tales como grafeno o nanopartículas de metales nobles. En particular, resulta de sumo interés poder detectar la molécula de dopamina, importante neurotransmisor que cumple un rol significativo en distintos sistemas del cuerpo humano. El objetivo de la presente tesis es estudiar mediante métodos teóricos las propiedades que caracterizan la adsorción de la molécula biológica dopamina sobre materiales utilizados en sensores de moléculas tales como grafeno, grafeno dopado o metales nobles. Este trabajo se desarrolló en el marco de la Teoría del Funcional de la Densidad. Se implementó utilizando un modelo periódico para representar las superficies sólidas involucradas, considerando diferentes geometrías de adsorción sobre cada sustrato. En el caso del grafeno regular se observó que el enlace adsorbato-sustrato está gobernado por fuerzas de van der Waals, pero en grafeno con monovacancias se encontró asimismo la formación de un enlace puente de hidrógeno y una transferencia de carga electrónica no despreciable desde el grafeno hacia el adsorbato. Por otra parte, en el caso de las superficies de metales nobles se consideraron las caras (111) y (110) de plata y se estudió la adsorción de dopamina y de la especie asociada zwitteriónica sobre dichas superficies. Las energías de adsorción resultan ser de mayor magnitud que en el caso del grafeno, produciéndose una importante transferencia de carga electrónica hacia el metal. El enlace entre la dopamina zwitteriónica y la plata posee un carácter covalente extra que explica que la magnitud de su energía de adsorción es mayor que la de dopamina no zwitteriónica. En forma complementaria y a fin de tener un panorama más amplio de la temática relativa al grafeno como material de sensores, se estudió teóricamente la adsorción de ácido ascórbico y de ácido úrico sobre grafeno regular ya que estas dos moléculas y la dopamina presentan superposición de sus señales durante la detección basada en técnicas electroquímicas. Además, considerando la génesis de las láminas de grafeno que se utilizan en diversos sensores y que implica la reducción del óxido de grafeno, se planteó el modelamiento teórico de la reducción de grupos superficiales epoxi mediante ioduro de hidrógeno.

The detection of biological molecules is a highly interesting subject taking into account its application in science and medicine. In recent years, this field has undergone a large progress due to development of electronic devices based on carbonaceous materials such as graphene and noble metal nanoparticles. In particular, it is of great value to achieve the detection of dopamine molecule, an important neurotransmitter that has a significant role in human body systems. The goal of this thesis is to study theoretically the adsorption of dopamine molecule on sensor materials like graphene, doped graphene or noble metals. This work was performed in the framework of Density Functional Theory. It was implemented using a periodic model to represent the solid surfaces involved, considering different adsorption geometries for each substrate. In the case of regular graphene we found that the adsorbate-substrate bond is governed by van der Waals forces, nevertheless, in graphene with monovacancies the appearance of a hydrogen bond between dopamine and graphene and a non-negligible electronic charge transfer from the substrate towards the adsorbate was also obtained. On the other hand, in the case of noble metal surfaces, we focused on the (111) and (110) faces of silver and the adsorption of dopamine and its associated zwitterionic species on such surfaces was analyzed. The adsorption energies result to be of larger magnitud than on graphene, with a relevant electronic charge transfer being produced towards the metal. The bond between the zwitterionic dopamine and silver shows an extra-covalent character that explains the magnitude of its adsorption energy, the latter being greater than that of non-zwitterionic dopamine. In a complementary way, and in order to have a wider view about graphene as a sensor material, the adsorption of ascorbic acid and uric acid on regular graphene was theoretically studied, because these two molecules and dopamine show overlapping signals during the detection based on electrochemical techniques. Moreover, and taking into account the genesis of graphene layers used in different sensors implying the reduction of graphene oxide, the theoretical modeling of reduction process of surface epoxi groups by means of hydrogen iodide was considered.