RESUMEN

En los últimos años una de lasáreas de mayor interés enQuímica ha sido la investigación

sobre el diseño de receptores parael reconocimiento químico a nivelmolecular. Sin embargo, este desa-rrollo no ha seguido un crecimientoparalelo en el área de los materi-ales que permita un avance hacia laobtención de dispositivos sólidospara aplicaciones reales como sen-sores, interruptores molecularesetc... En el siguiente artículo, se presenta la intro-ducción de un sustrato sólido nanocristalino como partedel sistema y pone en evidencia la estrecha relaciónque existe entre la nanotecnologia y la químicasupramolecular. La razón práctica de esta idea es quelos materiales heterosupramoleculares presentanclaras ventajas frente a los estudios en disolución a lahora de diseñar dispositivos. Como ejemplos se deta-llan dos sistemas heterosupramoleculares: un sensorbio-analítico y un sensor químico.

Introducción.

El estudio del reconocimiento de diferentes especiesmoleculares vía interacciones no-covalentes es un áreade gran interés en bioquímica y en el área de la quími-

ca ha crecido de forma tan rápidaque ha llegado a convertirse en uncampo de investigación propio lla-mado química supramolecular.1 Noes extraño que los artículos publica-dos en los últimos años hayan crea-do una gran expectación sobre laposibilidad de controlar, mediante laaplicación de estímulos exteriores,la interacción de diferentes enti-dades a nivel molecular.

Como otros tópicos en el campo dela química, la química supramolecu-

lar tiene un origen biomimético que ha servido deinspiración para abrir diferentes líneas de investigacióncomo por ejemplo: sensores químicos2 y materialesmoleculares auto-organizados3,4 (self-assembling). Sinembargo, el desarrollo de dispositivos sólidos no haseguido un camino análogo a los estudios en disolucióny existen muy pocos ejemplos en la bibliografía sobredispositivos heterogéneos que exploten las interac-ciones supramoleculares si comparamos con el númerode sistemas en disolución5-7. Una excepción notable haeste hecho ha sido la inmovilización de proteínas ensuperficies sólidas tales como electrodos de grafito ovidrio conductor (ITO). Este tipo de dispositivos permiteel estudio de las propiedades red/ox de dichas bio-moléculas en sistemas heterogéneos y su capacidadcomo dispositivos bio-analíticos8,9. Sin embargo, enunos casos la opacidad del material utilizado como

Emilio J. Palomares Gil Centre for Electronic Materials and

Devices. Imperial College. Exhibition Road. SW7 2AY.

London. U.K.e.palomares@imperial.ac.uk

QUIMICA HETEROSUPRAMOLECULAR

5

Figura 1.Fotografía obtenidacon un microscopioelectrónico de altaresolución de un filmmesoporoso forma-do por nanopartícu-las de TiO2. El tama-ño de las partículases aproximadamen-te 15 nanómetros.

quimica heterosupra.qxd 13/10/2005 10:49 PÆgina 5

electrodo, que imposibilita la realización de análisisespectrofotométricos y en otros casos la poca área desuperficie, en la que anclar la suficiente cantidad deproteína para llevar a cabo el experimento correcta-mente, limitan estos dispositivos.

En los últimos años ha surgido como una alternativainteresante el uso de partículas nanocristalinas de TiO2

o SnO2 como sustrato.10,11 La Figura 1 muestra unaimagen de un film de TiO2.

Las partículas nanocristalinas pueden ser depositadaspara formar filmes mesoporosos de gran área superfi-cial, transparentes en el visible y con propiedades semi-conductoras. En este tipo de nanomateriales, la gran

área superficial permite la adsorción de una cantidadmayor de proteína si se compara con la concentraciónde proteína adsorbida en un vidrio conductor y a su vez,las propiedades semiconductoras del sustrato permitenmodular el estado de oxidación de las proteínas elec-troquímicamente sin tener que utilizar reactivos quími-cos y al ser transparente en el visible, se puede seguirmediante espectros-copia Uv-Vis la evolución del sis-tema heterosupramolecular durante los ensayos dereconocimiento molecular o estudiar alguna de suspropiedades fotofísicas como por ejemplo la transferen-cia de electrones entre el semiconductor y la proteína.La Figura 2 muestra la desactivación del estado excita-do singlete del sistema Zn-Cit C /TiO2 (Cit = CitocromoC) al transferir un electrón a la banda de conducción delsemiconductor y la ausencia de transferencia de elec-trones para el sistema Zn-Cit C/ZrO2 debido a laimposibilidad de inyectar un electrón en la banda deconducción del ZrO2.

La transparencia del sustrato resulta de gran utilidadpráctica si se pretende realizar ensayos colorimétricoscomo veremos en el segundo ejemplo, donde se mues-tra la detección de especies aniónicas con un sensorquímico. El diseño de receptores químicos para anionessupone un gran reto para el químico sintético, puestoque la mayoría de los aniones poseen valores elevadospara la energía de solvatación en agua y existe unaseria competencia por el anion entre el receptor y elmedio acuoso. Si además tenemos en cuenta que senecesita el uso de disoluciones tamponadas para evitarcambios en el pH de la disolución que afecten al recep-tor, esto incrementa la dificultad del proceso selectivode reconocimiento molecular ya que la mayoría de di-soluciones tampón contiene por si mismas especiesaniónicas como acetatos y fosfatos que pueden inter-ferir en los ensayos analíticos.

Los sistemas heterogéneos basados en receptoresanclados o adsorbidos a películas mesoporosas de par-ticulas nanocristalinas de TiO2 resuelven algunos de losproblemas mencionados en el párrafo anterior. Porejemplo, variaciones en la síntesis del material permitenla obtención de una elevada superficie hidroxilada, conun valor de pH alrededor de 5.5, ofreciendo un controlsobre la protonación/desprotonación de la superficie delfilm evitando el uso de disoluciones tamponadas

La elección del receptor.

En el caso de los sensores bio-analíticos, depende engran medida de la carga en la superficie de la proteína.Por ejemplo, la Hemoglobina (Hb) (64 kDa), Figura 3,es una proteína tetramérica que se encuentra en loseritrocitos y es responsable del trasporte de oxígeno.12

La presencia de aminoácidos cargados positivamente(ejem. lisina y arginina.) en el exterior de la proteínafacilitan su adsorción al semiconductor, si sumamos aesto la habilidad de la Hb para unirse a NO (óxido nítri-co) este sistema resulta especialmente interesantespara su estudio en un sistema heterogéneo.

Figura 2. Decaimientos correspondientes a la cinética dedesaparición del estado excitado de la proteína Zn-CitC/ZrO2 (azul) y Zn-Cit C (rojo) medidos mediante la técnicade recuento individual de fotones correlacionados temporal-mente. Excitación 404nm (1mHz, 0.2mWcm-2) y longitud deonda de medición 550nm. Los filmes fueron inmersos en unadisolución tampón a pH 7 y a la temperatura de 25 C. LaFigura también muestra la estructura tridimensional delCitocromo C.

Figura 3. Una molecular de hemoglobina formada por cuatrocadenas polipeptídicas: 2 sub-unidades α (en verde y azul) ydos dominios β (en Amarillo y naranja). Cada sub-unidadcontiene un grupo hemo (en rojo). La ampliación muestra laposición del grupo hemo y la coordinación entre la histidina87 (verde) y el átomo de hierro (II) (negro).

6

QUIMICA HETEROSUPRAMOLECULAR

quimica heterosupra.qxd 13/10/2005 10:49 PÆgina 6

El espectro de Uv-Vis y las propiedades electroquími-cas de la Hb son mayoritariamente determinadas porsus grupos alostéricos. La Hemoglobina contiene en suestructura 4 grupos Hemo (Figura 3) formados por por-firinas con átomo central de hierro (II). Los diferentesespectros que se pueden estudiar de la Hb vendrándeterminados por el estado de oxidación del metal(Figura 4) y la posición de las bandas de absorción enel espectro de Uv-Vis del sistema Hb/TiO2 respecto a laHb en disolución confirman la no desnaturalización dela proteína al ser adsorbida en el film.

En el caso del sensor químico la elección del receptorse basa fundamentalmente en la presencia de gruposque permitan la adsorción de la molécula sin tener querealizar una modificación de la superficie del sólido,generalmente grupos carboxilo (-COOH) o gruposhidroxilo (-OH.).

La molécula comercial Alizarin Complexona (AC) (ácido3,4-dihidroxi-2-(antraquinolyl)metil-imidodiacetico)(Esquema 1) resulta un excelente ejemplo para suestudio como sensor heterosupramolecular ya que hasido descrita anteriormente como un excelente sensorcolorimétrico para el anion fluoruro en disoluciones tam-ponadas.13,14 cuando forma complejos con metales detransición (ZnII, CuII etc...) o lantánidos ( CeIII) y sinembrago en ausencia de un medio tamponado la selec-tividad a la presencia de anion fluoruro disminuye deforma drástica como se observa en la Figura 5.

El Dispositivo Molecular.

El sistema heterosupramolecular formado por Hb/TiO2

puede ser utilizado como sensor ópto-electrónico parael reconocimiento molecular de NO en condicionesaeróbicas (Esquema 2). La reducción electroquímicade HbIII/TiO2 a HbII/TiO2 se lleva a cabo fácilmente conun cambio del potencial desde -0.6 V a 0V vs. Ag/AgClen presencia de oxígeno, dando como resultado undesplazamiento del máximo de absorción de la bandaSoret desde 406 nm a 428 nm y la aparición de unanueva banda de absorción a 541 y 576 nm.

La Figura 6 muestra la oxidación del sistemaHbFeIIO2/TiO2 a HbFeIII/TiO2 como resultado de añadir

Esquema 2. Representación esquemática de los procesosde oxidación/reducción que ocurren durante el mecanismode reconocimiento molecular de óxido nítrico

Esquema 1. Fotografía y representación esquemática delreceptor AC adsorbido en el film mesoporoso de TiO2.

Figura 4. Cambios en la posición de los máximos de absor-ción en el espectro UV-Vis para el sistema Hb/TiO2 depen-diendo del complejo Fe(II)-Ligando. HbFe(III)/TiO2(---), Oxy-HbFe(II)/TiO2(---) y Desoxy-HbFe(II)/TiO2(---). La Figuraincluye la fotografía de la proteína Hb adsorbida en el filmmesoporoso de TiO2(Oxy-HbFe(II)/TiO2)

Figura 5. Cambio de color de la disolución acuosa no tamponada de alizarin complexona (1 x 10-4M) enpresencia de determinados aniones ( 1 x 10-5 M).

7

QUIMICA HETEROSUPRAMOLECULAR

quimica heterosupra.qxd 13/10/2005 10:49 PÆgina 7

sucesivas alícuotas (2-40µL) de oxido nítrico (1 mM) encondiciones aeróbicas. La unión de NO a la estructuraheterosupramoleular da como resultado un cambio enel espectro de absorción, reflejado en los desplaza-mientos de la banda Soret de 428 nm a 406 nm y ladesaparición de las bandas a 541 nm y 576 nm. Pararestablecer la configuración original del sistema solo senecesita volver a reducir electroquímicamente la formaHbFeIII/TiO2 a la forma HbFeII/TiO2.

En nuestro segundo ejemplo, nos centraremos, enprimer lugar, en papel del film mesoporoso de TiO2

como sistema regulador de los cambios de pH. LaFigura 7 ilustra el drástico cambio de color que sufre ladisolución de Alizarin Complexona a diferentes pH y laausencia de cambio de color en el sistema heterogéneoAC/TiO2. Este simple experimento control nos muestrala independencia del dispositivo a los cambios de pH,permitiendo llevar a cabo su función en medios no tam-ponados.

La Figura 8 muestra el cambio de color, detectable asimple vista, del sistema AC/TiO2 en presencia de fluo-ruro y cianuro. El cambio de color es total en 1-2 segun-dos. Además la selectividad del sistema en presenciade otros aniones, demostrada anteriormente en mediostamponados, no es impedida por la adsorción del recep-tor al TiO2 al igual que su sensitividad (Figura 9).Al igual que ocurría en el dispositivo molecular Hb/TiO2

el sistema AC/TiO2 es reversible. Los cambios de colordebidos a la presencia de fluoruro o cianuro en el sis-tema son totalmente reversibles solo con el lavado deldispositivo en agua destilada. La Figura 10 muestra unciclo de regeneraciones del sistema en el que el filmAC/TiO2.

Conclusiones y Perspectivas Futuras.

Los ejemplos presentados en este artículo demuestranel gran potencial y las ventajas que tienen los sistemasheterosupramoleculares para la formación de disposi-tivos funcionales. La introducción de un material sólidocomo parte de la estructura receptora permite un mayorcontrol sobre las propiedades del receptor y mejoraalgunos problemas que encontramos cuando traba-jamos en disoluciones acuosas. Aunque todavía existenpocos ejemplos en la literatura sobre estos sistemas, encomparación a los descritos en disolución, estos dejanuna puerta abierta a un diseño racional de receptoresmoleculares más selectivos, que unifiquen la nanotec-nologia y la química supramolecular para conseguir laconexión entre la individualidad del sistema molecular yel ensamblaje de sistemas macroscópicos.

Este mismo concepto se puede aplicar para el diseñode dispositivos opto-electrónicos que permitan el alma-cenaje de información mediante la excitación de uno delos componentes del sistema y la posterior transferen-cia de electrones entre los diferentes centros red/ox deldispositivo heterosupramolecular o la formación decélulas de biofuel formadas por proteínas que catalizenla oxidación de moléculas orgánicas como por ejemploglucosa.

Estos representan solo un par de ejemplos de entre elgran abanico de posibilidades que ofrecen los sistemasheterosupramoleculares. Como escribió Don Miguel deCervantes en el clásico más universal de la literaturaespañola: Esto nos es el final, sino el principio....

Figura 6. Oxidación del sistema HbFe(II)O2 /TiO2 aHbFe(III)/TiO2 mediante la adición de alícuotas de NO (2-40µL). Dentro de la gráfica hay una ampliación de la región vi-sible (500-610 nm) donde se observa el decrecimiento de lasbandas a 540 y 576 nm .

Figura 7. Representación gráfica del cambio en la absorban-cia (λ= 525 nm) vs. incremento de pH. (•) Una disolución1mM de Alizarin Complexona en acetonitrilio: agua (1:1) y ( )después de introducir el sistema AC/TiO2 en disolucionesacuosas con los diferentes valores de pH (eje X). La figuratambién muestra una fotografía del cambio de color en di-solución (amarillo pH ~ 4 y rojo pH~ 8) en contraste con laausencia de dicho cambio en el sistema AC/TiO2.

8

QUIMICA HETEROSUPRAMOLECULAR

quimica heterosupra.qxd 13/10/2005 10:49 PÆgina 8

Agradecimientos:

EP quiere dar su mas sincero agradec-imiento al Dr. Ramon Vilar Compte y al Dr.James R. Durrant por su ayuda tanto en larealización de los experimentos como enlos consejos a la hora de escribir esteartículo.

Figura 9. La gráfica muestra el cambio en la absorbancia(λ = 550 nm) para el sistema AC/TiO2 en función de la con-centración de cianuro (volumen total de la celda de cuarzoVT = 20mL).

Figura 10. Gráfica delcambio en el máximo deabsorbancia al introducirla muestra de AC/TiO2de forma alternada enuna di-solución 5 x 10-4

M de cianuro ("ON") yagua destilada ("OF").Los ciclos de regen-eración es el número deveces que la muestrafue introducida enambas disolucionesconsecutivamente. Eleje de las Y muestra elvalor de absorbanciamáxima en cada caso.

Figura 8. Fotografía que muestra el cambio de colordespués de introducir las muestras en disoluciones acuosas(concentración 1mM) que contenían los aniones indicadosen la figura. Todos los aniones fueron utilizados a partir desus sales de tetrabutilamonio. Como se puede observar, elcambio de color solo se produce por reconocimiento defluoruro o cianuro.

1) Lehn, J.-M., SupramolecularChemistry. ed.; VCH: Weinheim,1995.

2. Anslyn, E. V.; Lavigne, J. J.,Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40,3118-3130.

3. Lee, M.; Yoo, Y.-S., J. Mat.Chem. 2002, 12, 2161-2168.

4. Elemans, J. A. A. W.; Rowan,A. E.; Nolte, R. J. M., J. Mat. Chem.2003, 13, 2661-2670.

5. Coronado, E.; Forment, A., A.;Gavina, P.; Romero, F. M., Inorg.Chem. 2003, 42, (22), 6959-6961.

6. Collier, C. P.; Gunter, M.;Wong, E. W.; Y., L.; Beverly, K.;Sampaio, J.; Raymo, F. M.;

Stoddart, J. F.; Heath, J. R., Science2000, 289, 1172-1175.

7. Collier, C. P.; Wong, E. W.;Belohradsky, M.; Raymo, F. M.;Stoddart, J. F.; Kuekes, P. J.;Williamns, R. S.; Heath, J. R.,Science 1999, 285, 391-394.

8. Morikawa, M.; Kimizuka, N.;Yoshihara, M.; Endo, T., Chem. Eur.J. 2002, 8, (24), 5580-5584.

9. Butt, J. N.; Sucheta, A.;Armstrong, F. A.; Breton, J.;Thomson, A. J.; Hatchikian, E. C., J.Am. Chem. Soc. 1993, 115, 1413-1421.

10. Topoglidis, E.; Campbell, C.

J.; Palomares, E. J.; Durrant, J. R.,Chem. Commun. 2002, 14, 1518-1519.

11.Topoglidis, E.; Astuti, Y.;Duriaux, F.; Graetzel, M.; Durrant, J.R., Chem. Commun. 2003, 19, (17),6894-6900.

12. Voet, D.; Voet, J., Bioche-mistry. 2 ed.; John Wiley and Sons:1995.

13. Yamamura, S. S.; Wade, M.A.; Sikes, J. H., Anal. Chem. 1962,34, (10), 1308-1312.

14. Leonard, M. A.; West, T. S., J.Chem. Soc. 1960, 4477-4486.

REFERENCIAS

9

QUIMICA HETEROSUPRAMOLECULAR

quimica heterosupra.qxd 13/10/2005 10:49 PÆgina 9