Micele jako nanosensory fluorymetryczne

Streszczenie Niniejsza rozprawa opisuje sposoby otrzymywania i zastosowania jako sensorów optycznych wybranych nanostruktur uzyskanych w wyniku samoorganizacji lipofilowych cząsteczek lub polimerów. Przegląd literaturowy rozpoczyna opis zjawisk absorpcji i fluorescencji cząsteczkowej w aspekcie istotnym dla zastosowań analitycznych. Kolejny rozdział dotyczy sensorów optycznych (optod), ze szczególnym uwzględnieniem mikro- i nanostruktur, a także parametrów analitycznych tego typu sensorów. Ostatni rozdział przeglądu literatury to opis stosowanych metod syntezy lipofilowych mikro- lub nanostruktur polimerowych. Część eksperymentalną rozprawy rozpoczyna opis technik pomiarowych, przygotowania próbek i stosowanych procedur syntetycznych. Kolejny rozdział stanowi porównanie, jako sensorów optycznych, kationowych i anionowych miceli surfaktantowych z nanocząstkami polimerowymi nie obdarzonymi ładunkiem, a także nanocząstkami otrzymanymi z polimeru naprzemiennego (o modulowanym ładunku powierzchniowym). Wykazano, że dla położenia zależności sygnału od logarytmu ze stężenia jonów analitu (dla której obserwuje się wzrost sygnału) istotna jest lipofilowość wykorzystywanych nanostruktur, a zmieniając ich ładunek powierzchniowy można wpływać na kształt tej zależności. Dla sieciowanych nanocząstek z polimeru naprzemiennego obserwowano dość niskie granice wykrywalności rzędu 10-7 M i liniowe zakresy zależności absorbancji od logarytmu ze stężenia jonów analitu w szerokim, jak na sensory kolorymetryczne, zakresie stężeń. W kolejnym rozdziale zaproponowano nową procedurę fluorymetrycznego oznaczania wody w rozpuszczalnikach aprotycznych, wykorzystującą deprotonowanie pH-czułego fluoroforu - 4-metyloumbeliferonu (4-MU) zachodzące w wyniku reakcji z cząsteczkami wody, w środowisku lipofilowym. Procedura ta charakteryzowała się wzrostem emisji wraz ze wzrostem zawartości wody w próbce. Wykorzystano (samorzutnie powstające) micele odwrotne otrzymując poprawę powtarzalności procedury i rozszerzenie zakresu odpowiedzi liniowej. Uzyskano liniową zależność fluorescencji od % V/V zawartości wody w zakresie od 0,017 % do 3,33% V/V. Dla relatywnie małych objętości wody procedura była dokładniejsza niż, wykorzystane jako metoda porównawcza, miareczkowanie Karla Fischera. Wykorzystując rezonansowe przeniesienie energii (RET) w parze 4-MU/Sudan I uzyskano przesunięcie maksimum emisji dla proponowanej procedury w porównaniu do obserwowanego dla procedury wykorzystującej tylko 4-MU. Rozdział 12 opisuje wykorzystanie sieciowanych miceli z polimeru naprzemiennego, jako sensorów optycznych, charakteryzujących się korzystną, liniową zależnością sygnału od logarytmu ze stężenia jonów analitu, obserwowaną dzięki spowolnieniu transportu analitu do wnętrza polimeru. Efekt ten uzyskano wykorzystując oddziaływania chemiczne lub elektrostatyczne jonów z powierzchnią nanostruktur. Przedstawiono pH-czułe nanooptody zawierające chromojonofor I jako receptor, a także Ca2+-czułe nanooptody, wykorzystujące ten fluorofor jako przetwornik optyczny, a elementy strukturalne nanocząstek - analogi kwasu behenowego, jako receptor. Uzyskano liniową zależność sygnału od logarytmu ze stężenia jonów wapnia w zakresie stężeń od 10-4 M do 10-1 M, pomimo nieobecności jonoforu wapniowego w fazie polimeru. Rozszerzenie zakresu odpowiedzi liniowej i poprawę selektywności uzyskano wprowadzając jako receptor jonofor wapniowy. Stosując układ receptor/przetwornik optyczny otrzymano także K+-czułe nanooptody, w których oddziaływania elektrostatyczne jonów potasu ze zdeprotonowanymi grupami karboksylowymi, pozwoliły na znaczne spowolnienie wnikania analitu do wnętrza nanocząstek. Dzięki temu obserwowano liniową zależność emisji od logarytmu ze stężenia jonów potasu. Dodatkowo, obecność grup karboksylowych na powierzchni polimeru umożliwiła modyfikację nanocząstek barwnikiem odniesienia np. kwasem 1-pirenobutanowym, o widmie niezależnym od zmian stężenia jonów potasu. Barwnik został kowalencyjnie dowiązany do powierzchni nanocząstek, z wykorzystaniem grup aminowych obecnych na powierzchni polimeru w wyniku sieciowania. W kolejnym rozdziale opisano nowy typ optod, w którym polimer przewodzący - poli(3-oktylotiofeno-2,5-dyl) pełnił rolę zarówno matrycy jak i przetwornika optycznego. W proponowanym układzie wiązanie jonów analitu (modelowo kationów potasu) przez wprowadzony jonofor, powodowało zmianę stosunku liczby dodatnio naładowanych do obojętnych fragmentów łańcucha i skutkowało wzrostem emisji nanooptod wraz ze wzrostem stężenia analitu w próbce. Wykorzystując powolną dyfuzję w fazie lipofilowego polimeru, otrzymano liniową zależność intensywności emisji od logarytmu ze stężenia jonów analitu w zakresie stężeń od 10-5 M do 10-1 M. Rozprawę kończą podsumowanie i wnioski.

Summary The aim of this thesis was to obtain nanostructures (in course of self assembling process) and apply these structures as optical nanosensors with tunable properties (colorimetric and/or fluorimetric sensors). The literature review contains description of the absorption and fluorescence phenomena as well as the optical determination methods in analytical applications context. This part concerns also optical sensors (optodes), especially micro- and nanostructures, as well as analytical parameters of these sensors. The final part of the review concerns synthesis methods used to prepare polymeric micro- or nanostructures. The experimental part begins with the description of procedures that were used to obtain nanostructures. These structures were applied as lipophilic phases of optical sensors. The next chapter concerns comparison of surfactants micelles with different surface charge with native polymeric nanoparticles as well as with obtained cross-linked alternating polymer nanoparticles (with tunable charge). The effect of lipophilicity of used nanocontainers on the dependence of the signal on logarithm of analyte ions concentration position was studied. It was found that, surface charge was significantly affecting the shape of this dependence. For alternating polymer nanoparticles relatively low detection limits (around 10-7 M), as well as broad range of linear dependence of absorbance on logarithm of ions concentration were observed. In the next chapter new, fluorimetric procedure of water contents determination in aprotic solvents, using pH-sensitive fluorophore - 4-methylumbeliferone (4-MU) deprotonation reaction with water molecules, was proposed. The procedure was characterized with increase of fluorescence intensity with increasing water contents. Reversed micelles formation was used to increase reproducibility and linearity of the methods. Linear dependence of fluorescence on % V/V water contents in range from 0,017 % to 3,33 % V/V was obtained. For relatively small water contents the proposed procedure was more precise than Karl Fischer titration, reference method. Using resonance energy transfer (RET) phenomena between 4-MU and Sudan I, the maximum of emission was shifted compared to single 4-MU approach. Chapter 12 presents application of cross-linked polymeric micelles as optical sensors, characterized with improved, linear dependence of signal on logarithm of analyte ions concentration obtained due to rate limiting step in ions transport into bulk of the nanoparticles. This effect was obtained by chemical interactions of analyte ions with the polymer surface and/or electrostatic interactions. The pH-sensitive nanooptodes with incorporated chromoionophore I as ion receptor were presented as well as Ca2+-sensitive nanooptodes where chromoionophore I was playing a role of optical transducer and nanoparticles structural components - behenic acid analogues, were used as receptors. The proposed calcium nanooptodes were characterized with linear dependence of signal on logarithm of calcium ions concentration in range from 10-4 to 10-1 M, despite the absence of an ionophore in polymer phase. Further improvement of the detection limit as well as response range were obtained by incorporation of calcium ionophore into the lipophilic phase. K+-sensitive optodes were also obtained using optical transducer/receptor system. Lowering of the transport rate of ions in nanostructures was achieved due to electrostatic interactions between potassium cations and deprotonated carboxylic groups. Nanosensors were characterized by a linear dependence of emission on potassium ions concentration. K+-sensitive nanooptodes with reference dye - 1-pyrenebutylic acid, covalently bounded on the polymer surface were also presented. Chapter 13 of the thesis concern applying of polymeric, fluorescent nanoparticles obtained from model lipophilic conductive polymer - poly(3-octylthiophene-2,5-diyl), as new type of optodes. In this system binding of analyte ions (as model potassium ions were presented) resulted in increasing of polymer emission intensity. Slow diffusion of ions in the lipophilic polymer was used to obtain linear dependence of emission on analyte ions concentration in range from 10-5 M to 10-1 M. The thesis ends with summary and conclusions.