Design and synthesis of optical sensors for the detection of molecules with biological activity

A la present tesi doctoral, titulada “Disseny i síntesi de sensors òptics per a la detecció de molècules amb activitat biològica”, s’han utilitzat diferents conceptes de la química supramolecular per a preparar compostos capaços de senyalitzar macroscópicament la presència de molècules tòxiques o actives biològicament. Així, s’han preparat quimio-sensors i quimiodosímetres per a la detecció d’anions, sals, zwitterions i agents de guerra química tal i com agents nerviosos i agents sanguinis. Addicionalment, es descriu el disseny i la construcció d’un aparell electrònic per a la monitorització automàtica d’aquests compostos. La tesi té un capítol introductori on s'expliquen els conceptes bàsics de la química supramolecular i especialment, sensors moleculars i quimiodosímetres. El Capítol 2 descriu l’ús de derivats de calix[4]pirrol com a quimiosensors de tipus pinça per a la detecció de dianions de alfa,omega-dicarboxilats, i l’ús de calix[4]pirrols bloquetjats conformacionalment com a receptor per a anions sulfonat. El Capítol 3 descriu el disseny i síntesi d’ un quimio-sensor heteroditòpic per a la detecció i sensat de cations, anions, o parells iònics, així com espècies zwitteriòniques com aminoàcids. Aquest sensor heteroditòpic, que està basat a una estructura de BODIPY connectat a dos diferents receptors per cations i anions (una 18-azacorona-6 i un calix[4]pirrol respectivament) també és capaç de solubilitzar parells iònics i espècies zwitteriòniques en acetonitril. Addicionalment, aquest compost pot realitzar totes les operacions lògiques bàsiques quan s’utilitza K+ i F- com entrades, emetent fotons com a eixida. Al Capítol 4, es descriu una biblioteca de quimiodosímetres òptics per a la detecció selectiva d'agents nerviosos. La biblioteca té dos grups principals: indicadors cromogènics i indicadors fluorogènics. El primer grup està basat en derivats de triarilmetanol. L’ alcohol terciari d’ aquestos compostos reacciona amb els compostos organofosforats tòxics i després d’ una reacció de desfosforilació, l’ espècie catiònica resultant adquireix color mitjançant una deslocalització de la càrrega sobre els tres anells aromàtics. Per altra banda, elsindicadors fluoro-cromogènics estan basats en l'ús de fluoròfors de BODIPY o trans-estilbe com a unitats senyalitzadores i 2-(2-dimetilamino)feniletanol com a unitat sensora. Amb la presència d’agents nerviosos, aquests indicadors es fosforilen al residu d'etanol, que activa una ciclació intramolecular duta a terme pel grup dimetilamino. Aquesta ciclació canvia les propietats electròniques del sistema, canviant així el seu espectre d'absorció i emissió. Tots els indicadors d'aquesta biblioteca han demostrat la seua capacitat en la detecció de compostos organofosforats en dissolucions orgàniques, aquoses o a la fase gas. El Capítol 5 descriu la síntesi i avaluació de dos quimiodosímetres colorimètrics per a la detecció de l’agent sanguini HCN. Aquests indicadors estan basats en derivats altament colorejats de p-quinometà capaços de reaccionar amb l’anió CN- en una reacció d’ addició de Michael, produint un derivat de leucocianur no acolorit. Aquests quimiosensors operen en dissolució aquosa, amb límits de detecció entre 165 - 300 ppb. També s'han realitzat experiments de detecció a la fase gas mitjançant l'exposició dels indicadors a una atmosfera contaminada amb HCN (g), amb resultats positius. Amb aquest simple procediment s'han aconseguit límits de detecció de HCN (g) de 2 ppm. Finalment, al capítol 6 es descriu el disseny, construcció i avaluació d'un aparell electrònic per a la monitorització automàtica de l'estat òptic de quimio-sensors i quimiodosímetres. El dispositiu està pensat per a treballar com a sensor de gasos. L’aparell, basat en una placa d'Arduino, utilitza software i hardware de codi lliure. Un parell de sensors de color basats al xip TCS230 monitoritzen continuament el color (com a valors RGB) d’una referència i d’un indicador químic immobilitzat mentre que el gas passa sobre ell. La capacitat del prototip ha sigut demostrada a la detecció de HCN(g).