CAMPO DE LA TÉCNICA La presente invención se refiere a nanop articulas de metal y un método para la preparación de las mismas.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las técnicas espectroscópicas vibracionales, entre las que se encuentra la espectroscopia Raman, representan una alternativa a la técnica de detección convencional de compuestos orgánicos por cromatografía (cromatografía gaseosa de alta resolución, HRGC; cromatografía líquida, HPLC) acoplada a espectrometría de masas de alta resolución.

La espectroscopia Raman detecta y distingue los diferentes grupos funcionales en una molécula, como el -NO ₂₅ -COOH ₅ -CN, etc., encontrándose dichos picos asociados a grupos funcionales en la región desde 1200 hasta 3500 cm ^"1 . Además, los espectros también presentan en la región 600-1200 cm ^"1 un patrón de señales único ("huellas dactilares") para cada sustancia orgánica que permite identificarla de forma inequívoca. A pesar de dichas ventajas, el uso de la espectroscopia Raman como técnica analítica se ve obstaculizado por la extremadamente baja sección eficaz que la caracteriza (10 ^~30 -10 ^~25 cm ² ).

A pesar de ello, cuando el compuesto a detectar es adsorbido sobre la superficie de un metal rugoso, cuya rugosidad se encuentre en la escala nanométrica, o sobre nanopartículas metálicas, se pueden llegar a detectar mediante esta técnica cantidades traza de compuestos orgánicos [Kneipp, K.; Kneipp, H.; Bohr, H. G. Physics and Applications. 2006, 103, 261-277; Kneipp, K.; Kneipp, H., Canadian Journal of Analytical Sciences and Spectroscopy. 2003, 48, (2), 125-131].

La dispersión Raman de un compuesto adsorbido en o incluso a unos pocos Angstroms de distancia de ciertas superficies metálicas estructuradas puede ser 10 ³ -10 ⁶ veces mayor que en solución. Este aumento de la superficie de dispersión Raman es más fuerte en la plata aunque también es observable en oro, cobre, aluminio y paladio. Mediante esta técnica, que recibe el nombre de Espectroscopia Raman Amplificada en Superficie (SERS) se puede lograr un aumento en la sección eficaz Raman de hasta 10 ¹⁴ [Le Ru, E. C; Meyer, M; Etchegoin, P. G, Journal of Physical Chemistry B. 2006, 110, 1944-1948; Henglein, A; Giersig, M, Journal of Physical Chemistry B. 1999, 103, 9533-9539; Lee, SJ; Morrill, A.R; Moskovits, M, Journal of American Chemical Society. 2006, 128, 2200-2201; Broglin, BX et al, Langmuir. 2007, 23, 4563-4568].

La amplificación de las señales Raman obtenida en SERS se debe a la cooperación de dos mecanismos: (i) amplificación local del campo electromagnético en la superficie de las nanopartículas metálicas, o mecanismo electromagnético, y (ii) transferencia de carga entre la molécula orgánica y la superficie del metal, o mecanismo químico.

Es conocido que características tales como la morfología y tamaño de las nanopartículas metálicas o su nivel de agregación influyen sobre el mecanismo electromagnético que conduce al efecto SERS [Cañamares, M. V; Garcia-Ramos, J. V; Gómez- Vargas, J.D; Domingo, C; Sánchez-Cortes, S., Langmuir. 2005, 21, 8546-8553; Ledwith, M.D; Whelan, A.M; Kelly, J.M, Journal o f Materials Chemistry. 2007, 17, 2459-2464; Ha, T.H; Koo, HJ; Chung, B.H, Journal of Physical Chemistry C. 2007, 111, 1123-1130; Jana, N.R; Gearheart, L; Murphy, C, Chemical Comunications. 2001, 617-618] y, por tanto, se puede optimizar dicho efecto modificando estas características. Así, durante la última década se ha desarrollado un interés creciente por obtener sustratos metálicos nanoestructurados que produzcan un efecto SERS susceptible de ser utilizado como técnica analítica [Bell, S. E. J.; Mackle, J. N.; Sirimuthu, N. M. S., Analyst. 2005, 130, (4), 545-549]. Se han llevado a cabo numerosos estudios con la finalidad de crear una buena superficie para la técnica SERS. La mayoría de los estudios se han basado en el empleo de la litografía sobre superficies de oro o plata que da un buen control de la topografía de la superficie, pero no proporciona el incremento de superficie necesario para la detección de concentraciones muy bajas. Otro problema abordado es la necesidad de producir superficies SERS limpias.

Dado que el límite de detección para SERS es extremadamente bajo, incluso pequeñas cantidades de contaminantes afectan el nivel de detección. Por lo tanto, hay una necesidad de nanoestructuras mejoradas con grandes superficies, distribución y tamaño de partícula controlables para proporcionar sensores altamente sensibles.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de obtención de nanopartículas metálicas a partir de soluciones de sales de sus correspondientes cationes metálicos tales como sales de plata, oro, cobre, aluminio y paladio. La invención se dirige también a las nanopartículas metálicas obtenibles por dicho procedimiento, a su empleo en la fabricación de sensores para la detección mediante espectroscopia Raman y a un procedimiento de detección que emplea dichas nanopartículas.

El procedimiento objeto de la presente invención permite la obtención de nanopartículas metálicas que pueden depositarse sobre sustratos para formar sensores que resultan de utilidad en la detección de compuestos tales como los contaminantes orgánicos persistentes mediante la técnica SERS. Una característica muy importante de los sensores de la presente invención es su elevada sensibilidad que alcanza límites de detección inferiores a 10 ^"4 M preferiblemente de 10 ^"6 M.

El procedimiento de detección que hace uso de los sensores de la presente invención presenta numerosas ventajas sobre los existentes, entre las que podemos destacar: menor coste del equipamiento analítico necesario; carencia de costes de mantenimiento del equipo; es sencillo y facilidad de implementación, no requiriendo de personal técnico cualificado; rapidez del análisis, ya que no se requiere de procesos complejos de preparación de las muestras; elevada estabilidad química de los sensores; los sensores son reutilizables; elevada sensibilidad; selectividad; no está limitado a la detección de un solo tipo de contaminante; etc.

DESCRIPICIÓN DETALLADA Obtención de nanopartículas metálicas

Un aspecto de la presente invención es un nuevo procedimiento de obtención de nanopartículas metálicas y en especial nanopartículas de plata, oro, cobre, aluminio o paladio que presentan una morfología que las hace especialmente útiles para la fabricación de sensores utilizables en la detección de compuestos orgánicos mediante la técnica de Espectroscopia Raman Amplificada en Superficie.

El procedimiento consiste en la obtención de las nanopartículas de metales seleccionados del grupo que comprende la plata, el oro, el cobre, el aluminio y el paladio que comprende las etapas de a) mezclar a una temperatura entre 40 y 100 ⁰ C una solución de una o más sales metálicas con una solución reductora, b) mantener la temperatura en el rango de 40 y 100 ⁰ C opcionalmente con agitación de la mezcla de reacción durante 1 a 24 horas, c) enfriar la mezcla de reacción y d) opcionalmente recolectar las nanopartículas (preferiblemente mediante centrifugación) en el que la solución reductora comprende polivinilpirrolidona y β-ciclodextrina.

Como polivinilpirrolidona se emplean preferiblemente los productos disponibles comercialmente que presentan grupos hidroxilo terminales y más preferiblemente los polímeros con peso molecular medio superior a 12.000 Dalton, más preferiblemente superior a 20.000 Dalton y más preferiblemente entre 27.000 y 60.000 Dalton. En una realización de la presente invención la relación molar entre la cantidad de polivinilpirrolidona y la cantidad de β-ciclodextrina empleadas se encuentra entre 0,5 y 5, más preferiblemente entre 1 y 3, todavía más preferiblemente entre 1,5 y 2,5.

En una realización las sales metálicas se seleccionan de entre las sales plata, oro, cobre, aluminio y paladio, preferiblemente sales de plata. En una realización de la presente invención la concentración de sal metálica en la solución de partida se selecciona entre 0,02 y 1,20 M, preferiblemente entre 0,04 y 0,60 M, más preferiblemente entre 0,08 y 0,30 M, todavía más preferiblemente entre 0,17 y 0,21M.

En otra realización de la presente invención la relación molar entre la cantidad de sal metálica y la cantidad de polivinilpirrolidona se encuentra comprendida entre 0,5 y 10, preferiblemente entre 1 y 6, más preferiblemente entre 2 y 4.

En otra realización la mezcla/reducción se realiza a una temperatura entre 40 y 100 ⁰ C, preferiblemente entre 60 y 8O ⁰ C, más preferiblemente entre 60 y 7O ⁰ C y todavía más preferentemente entre 64 y 66 ⁰ C por ejemplo manteniendo la solución de agentes reductores a la temperatura deseada añadiendo a continuación la solución de sal metálica y manteniendo la temperatura entre 0,1 y 24 horas y enfriando a continuación la mezcla de reacción. En otra realización de la invención las nanopartículas se recolectan, preferiblemente mediante centrifugación y opcionalmente se purifican. La purificación de las nanopartículas se puede llevar a cabo por diálisis frente a agua Milli-Q o por procesos de lavado/centrifugación en un disolvente adecuado, preferiblemente un disolvente perteneciente al grupo etanol, metanol, agua.

En otro aspecto la presente invención se dirige a las nanopartículas de plata, oro, cobre, aluminio, paladio o mezclas de los mismos obtenibles mediante los procedimientos anteriormente descritos.

Preparación de un sensor SERS con las nanopartículas metálicas Una ventaja de las partículas metálicas de la presente invención es que permiten la fabricación por un método muy sencillo de sensores para la detección de compuestos orgánicos por Espectroscopia Raman Amplificada en Superficie (SERS).

De este modo un procedimiento general para preparar sensores de uso en la detección de compuestos orgánicos mediante Espectroscopia Raman Amplificada en Superficie (SERS) según la invención comprende las etapas de: a) Mezclar a una temperatura entre 40 y 100 ⁰ C una solución de una o más sales metálicas con una solución reductora b) Mantener la temperatura en el rango de 40 y 100 ⁰ C opcionalmente con agitación de la mezcla de reacción durante 1 a 24 horas c) enfriar la mezcla de reacción d) opcionalmente recolectar las nanopartículas (preferiblemente mediante centrifugación) e) depositar sobre un soporte la mezcla de reacción de la etapa c) o una suspensión de las partículas obtenidas en la etapa d) f) opcionalmente secar los soportes obtenidos en la etapa e) en el que la solución reductora comprende polivinilpirrolidona y β-ciclodextrina.

En una realización de la presente invención las nanopartículas metálicas obtenidas mediante el procedimiento descrito más arriba se suspenden en un medio líquido que pueda ser evaporado con facilidad sin dejar residuos tal como agua o alcoholes de bajo pesos molecular. A continuación la suspensión se deposita sobre un soporte sólido y el medio líquido de suspensión se elimina por evaporación, preferiblemente a temperatura ambiente. El soporte para la deposición de las nanopartículas puede estar constituido por cualquier otro material en el que se pueda depositar una fina capa de una suspensión de las nanopartículas metálicas. Materiales que se han mostrado adecuados son el vidrio, el silicio, el papel y el algodón. Se han obtenido buenos resultados cuando sobre el soporte sólido se deposita una cantidad de nanopartículas de entre 0,1 y 10 μmoles/cm ² , preferiblemente 0,3 y 3 μmoles/cm ² , más preferiblemente entre 0,5 y 1 ,3 μmoles/cm ² y todavía más preferiblemente entre 0,70 y 1,10 μmoles/cm ² .

En una realización alternativa se ha visto que también es posible utilizar los sensores preparados tal como se explica anteriormente sin someterlos a la etapa de eliminación del disolvente por evaporación.

Método de detección de compuestos orgánicos mediante Espectroscopia Raman Amplificada en Superficie (SERS) en presencia de nanopartículas metálicas La invención se dirige asimismo a un procedimiento de detección de compuestos orgánicos mediante Espectroscopia Raman Amplificada en Superficie (SERS) que hace uso de los sensores o las nanopartículas obtenidas mediante el procedimiento de preparación descrito con anterioridad y que comprende las etapas de: a) Mezclar a una temperatura entre 40 y 100 ⁰ C una solución de una o más sales metálicas con una solución reductora b) Mantener la temperatura en el rango de 40 y 100 ⁰ C opcionalmente con agitación de la mezcla de reacción durante 1 a 24 horas c) enfriar la mezcla de reacción d) opcionalmente recolectar las nanopartículas (preferiblemente mediante centrifugación) e) depositar sobre un soporte la mezcla de reacción de la etapa c) o una suspensión de las partículas obtenidas en la etapa d) f) opcionalmente secar los soportes obtenidos en la etapa e) g) depositar sobre los soportes obtenidos en las etapas e) o f) la disolución en la que se desea detectar el compuesto orgánico. h) secar el soporte obtenido en la etapa g) i) registrar el espectro Raman sobre la zona del sensor en la que se ha depositado el compuesto orgánico. en el que la solución reductora comprende polivinilpirrolidona y β-ciclodextrina

En una forma de realización preferida, una vez preparado el sensor, se deposita sobre este la muestra del compuesto orgánico para su detección mediante efecto SERS, se deja secar a temperatura ambiente y se procede a realizar el espectro Raman.

En otra forma de realización, la muestra conteniendo el/los contaminante(s) a detectar se mezcla con una suspensión de las nanop articulas metálicas, y se deposita la mezcla sobre el soporte. Seguidamente se deja evaporar el disolvente y se procede a la detección por espectroscopia Raman.

Los límites de detección del sensor según la invención dependen tanto del compuesto orgánico medido como de la forma de realización de la invención empleada. En los ensayos realizados con pesticidas pertenecientes a las familias de las fenilureas y las triazinas los límites de detección han sido siempre iguales o inferiores a 10 ^~6 M. Explicación detallada de los dibujos

Figura 1. Espectro UV- Visible de las nanopartículas del ejemplo la obtenido en un espectro fotómetro HR4000CG-UV-NIR con capacidad de medidas entre 200 y 1100 nm utilizando un tiempo de integración de lOmseg y un promedio de 10 imágenes.

Figura 2. Imagen TEM de las nanopartículas del ejemplo la. La imagen TEM se ha obtenido en un equipo Hitachi H800 obtenida usando un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución Philips CM 200 a 200 kV, y con la imagen tomada a 30.000 aumentos.

Figura 3. Espectro Raman de un cristal de diurón realizado con un microscopio RAMAN BRUKER SENTERRA con una resolución 3-5 cm ¹ , un tiempo de integración de 100 segundos, utilizando un láser de 785nm de longitud de onda a 1 OmW de potencia y con una apertura de 50μm y realizando un promedio de espectros.

Figura 4. Espectros Raman de diurón. Línea gris: Disolución acuosa de diurón

(10 ^~4 M) dejada evaporar sobre un portaobjetos de vidrio (sin nanopartículas). Línea negra: Disolución acuosa de diurón (10 ^~4 M) tras depositar sobre el sensor del ejemplo 3a, que comprende las nanopartículas de plata del ejemplo I ^a depositadas sobre un portaobjetos de vidrio.

Figura 5. Esquema de la preparación de los sensores 3a a 3d. Ejemplos

Ejemplo 1 Preparación de las nanopartículas de plata a) Reductores: PVP29000 y β-CD

En un matraz de fondo redondo de 50 mL, dotado de refrigerante de reflujo y agitador magnético, se añaden 8 mL de agua, 5,4 g (0,18 mmol) de polivinilpirrolidona de peso molecular medio de 29.000 Dalton (PVP29000) y 94,5 mg (83 μmol) de β- ciclodextrina (β-CD). Se calienta la mezcla en un baño de silicona (temperatura del baño 65 ⁰ C) y, una vez se han disuelto la PVP y la β-CD, se añaden 3 mL de una disolución acuosa 188 mM de AgNO ₃ (0,564 mmoles) y se deja proceder la reacción durante 6 horas. Transcurrido este tiempo se deja enfriar la mezcla a temperatura ambiente y se recogen las nanopartículas obtenidas por centrifugación. Se someten las nanopartículas a dos procesos de lavado con agua y centrifugación. b) Reductor: PVP29000

El procedimiento descrito en el apartado a) se repite con la excepción de que se omite la adición de β-ciclodextrina (β-CD). c) Reductor: PVP10000

El procedimiento descrito en el apartado a) se repite sustituyendo la PVP29000 y la β-ciclodextrina (β-CD) por 0,18 mmol de polivinilpirrolidona de peso molecular medio de 10.000 Dalton (PVP10000). La mezcla de reacción se calienta a 85 ⁰ C. d) Reductor: β-CD

El procedimiento descrito en el apartado a) se repite con la excepción de que se omite la adición de polivinilpirrolidona de peso molecular medio de 29.000 Dalton (PVP29000). La mezcla de reacción se calienta a 100 ⁰ C.

Ejemplo 2 Caracterización de las nanopartículas metálicas del Ejemplo la

Las nanopartículas se han caracterizado mediante espectroscopia UV-Vis y Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM). En la Figura 1 se muestra el espectro UV-Vis de una suspensión acuosa de las nanopartículas obtenidas en el ejemplo 1. Se observa un máximo de absorción a 497 nm correspondiente al plasmón de superficie de las nanopartículas. En la Figura 2 se muestra la imagen TEM de las nanopartículas obtenidas. Se observa una diversidad de forma y tamaño en las nanopartículas: nanotriángulos de aproximadamente 20 nm de lado, nanopartículas hexagonales de aproximadamente 16 nm de lado, discos de aproximadamente 24 nm de diámetro y nanoesferas de aproximadamente 8 nm de diámetro.

Ejemplo 3 Preparación de los sensores ópticos (sustrato para SERS)

Se suspenden 15 mg de las nanopartículas de cada uno de los ejemplos la a Id en 15 mL de agua. Se toman 100 μL de cada una de las suspensiones obtenidas, se depositan en sendos portaobjetos de vidrio repartiendo la solución sobre una superficie de aproximadamente lcm ² y se deja evaporar el agua a temperatura ambiente, obteniéndose los sensores ópticos (3a a 3d).

Ejemplo 4 Detección de Diurón por efecto SERS Se toman 100 μL de una disolución acuosa conteniendo 10 ^"4 M de diurón y se deposita sobre el sensor del ejemplo 3a. Se deja secar y se registran los correspondientes espectros Raman.

En la Figura 3 se muestra el espectro Raman de un cristal de diurón puro.

En la Figura 4 se muestra el espectro Raman obtenido con el sensor 3a tras la deposición de 100 μL de una disolución acuosa conteniendo diurón (10 ^~4 M). Como se observa en la figura, es posible detectar diurón en estas condiciones de dilución gracias al efecto SERS obtenido con las nanopartículas (línea negra). Cuando el ensayo se lleva a cabo sobre un soporte sin nanopartículas no se obtiene espectro Raman del diurón (línea gris), observándose sólo una señal en torno a 1400 cm ¹ , debida al vidrio del soporte utilizado.

Para la realización de los espectros Raman se ha utilizado un microscopio confocal BRUKER-SENTERRA con detector DU420A-OE-152 y láser monocromático de 785 nm, con una potencia variable entre 1-10-25-50-100 mW.

Ejemplo 5 Determinación del límite de detección de Diurón por efecto SERS con los sensores de los ejemplos 3a a 3d. Se preparan soluciones de acuosas de Diurón en concentraciones de 10 ^~6 M, 10 ^~5 M y 10 ^"4 M.

Se toman 100 μL de la solución 10 ^"6 M, se deposita sobre el sensor cuyo límite de detección se desea determinar y se deja secar registrándose el espectro Raman. En el espectro obtenido se registra la altura de los picos que se sitúan en las longitudes de onda de los picos más característicos del Diurón que se encuentran a 1237, 1299 y 1591 cm ^"1 . Dicha altura se expresa como porcentaje en relación a la intensidad de la línea de base.

Se consideran que se la detección de Diurón es positiva cuando la media de los porcentajes obtenidos no es inferior al 10%.

Si no se realiza detección con la solución de Diurón 10 ^"6 M se repite el ensayo utilizando una solución 10 ^"5 M y en caso de que tampoco se realice detección se repite con una solución 10 ^"4 M. En caso de que tampoco se realice detección a una concentración de 10 ^"4 se indica en la tabla mediante un guión"-". En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos con los sensores de los ejemplos.

TABLA 1

La tabla 1 permite observar que mediante el uso conjunto de polivinilpirrolidona y β-ciclodextrina se logra aumentar la sensibilidad de los sensores SERS hasta lograr un límite de detección en el caso del Diurón de 10 ^"6 M