Nanoparticelle d'oro e tecniche NMR: dallo studio della Formazione del Monostrato all'Interazione Molecolare

L'abilità  di controllare l'autoassemblaggio di un monostrato organico di molecole che ricopre una nanoparticella dìoro è un'importante meta della ricerca nell'ambito delle nanoscienze. Per guadagnare questa abilità è necessario comprendere non solo la struttura ma anche il processo di formazione del monostrato e la sua evoluzione nel tempo. In questa tesi di dottorato sono stati riportati i risultati ottenuti dallo studio del processo di formazione del monostrato in presenza di coppie di tioli diverse. Utilizzando la sintesi proposta da Peng1 e successivamente modificata da Scrimin2, che permette di gestire in maniera separata la formazione del nucleo d'oro da quella del monostrato di tioli che passiva le nanoparticelle, sono state sintetizzate nanoparticelle d'oro con monostrato misto e ne sono state studiate composizione, morfologia e funzioni. In particolare, nell'ambito di questo progetto di dottorato è stato messo a punto un protocollo per la sintesi, l'isolamento e lo studio di nanoparticelle passivate da differenti coppie di tioli, basato sulla loro solubilità . Sono stati selezionati un tiolo a carattere zwitterionico 2 Fosforilcolina e un tipo di tiolo neutro a carattere Alchilico 24 (Fig. A1). Le nanoparticelle che si ottengono hanno delle intrinseche proprietà  chimiche e di solubilità  che sono diverse dalle proprietà  che manifestano le nanoparticelle ricoperte dai singoli tioli. Figura A1: Rappresentazione dei tioli che passivano le nanoparticelle. Le varie popolazioni ottenute vengono separate in base alla loro solubilità  e analizzate mediante l'utilizzo della spettroscopia NMR accoppiata con l'uso di ioni lantanidi. In questi esperimenti, i tioli selezionati vengono aggiunti ad una soluzione di particelle stabilizzate con diottilammina e la miscela di reazione viene immediatamente divisa in due porzioni. Una delle due viene lasciata sotto agitazione per 24 h, mentre la seconda viene immediatamente interrotta e analizzata (t=0). In questo modo, è possibile ottenere informazioni sulla composizione dei monostrati appena formati che corrispondono al prodotto cinetico della reazione, e dopo un tempo sufficientemente lungo a far evolvere il sistema verso una situazione termodinamicamente più stabile. L'analisi prevede due passaggi: 1) viene aggiunta acqua e separata la frazione di particelle idrofile; 2) la miscela di reazione (toluene) viene evaporata ed il residuo purificato per eliminare i reagenti in eccesso (diotilammina e tetraottilammonio) e isolare le particelle (Fig. A2). Figura A2: Schema di separazione delle nanoparticelle in base alla loro solubilità . Quando i due tioli vengono aggiunti simultaneamente quello che si verifica è una segregazione totale su diverse nanoparticelle, situazione che tende a mutare muovendosi verso la formazione di nanoparticelle miste se i due tioli vengono aggiunti a 24 h di distanza l'uno dall'altro. Quello che sembra verificarsi è un processo complesso: il tiolo 24 Alchilico, il primo ad essere aggiunto, ricopre velocemente alcune particelle per poi ridistribuirsi sulle altre in un tempo relativamente lungo, la successiva aggiunta del tiolo 2 Fosforilcolina congela la situazione permettendo l'analisi. La composizione del monostrato è quindi controllata da un sottile bilancio tra la velocità dei processi coinvolti. Titolazioni NMR con ioni Gd3+ hanno sottolineato come questa coppia di tioli tenda a disporsi in maniera casuale sul nucleo d'oro, indicando, probabilmente, la formazione di un prodotto cinetico. Se il monostrato misto è invece ottenuto mediante scambio di tioli ciò che emerge è una distribuzione a piccole isole, indicando probabilmente la formazione di un prodotto termodinamico.3 Parallelamente, agli studi sulla formazione del monostrato questo progetto di dottorato si è incentrato anche sull'ideazione di un sensore NMR basato su nanoparticelle d'oro, per l'identificazione di molecole interagenti. Un problema ancora irrisolto nell'ambito dei sensori molecolari è quello di identificare in maniera univoca le molecole rilevate dal sensore in una miscela complessa; infatti spesso ciò che viene rilevato fa parte di una proprietà  intrinseca del sensore stesso, ma non fornisce nessuna informazione certa sulla natura dell'analita. è, quindi, facile immaginare, come anche un interferente possa generare la medesima risposta in un sensore. Nel laboratorio dove è stato svolto questo progetto di dottorato è stato messo a punto un nuovo protocollo basato sulla spettroscopia NMR, che permette l'identificazione e la quantificazione di miscele complesse. Infatti, studi precedenti hanno messo in evidenza come le nanoparticelle ricoperte da un monostrato di molecole organiche siano in grado di agire come recettori supramolecolari.4, 5 Il primo esperimento utilizzato è stata la tecnica NOE-pumping6 (Fig. A3), che utilizza l'effetto nucleare Overhauser di diffusione assistita. Il concetto è quello di riuscire a identificare le piccole molecole interagenti da tutte le molecole che non si legano alla nanoparticella attraverso il trasferimento della magnetizzazione da questa agli analiti. L'esperimento è suddiviso in due parti: la prima è composta da un filtro di diffusione in cui tutte le coerenze delle piccole molecole, ma non delle nanoparticelle, vengono eliminate causando, di fatto, una cancellazione dei segnali delle molecole per la loro veloce diffusione; la seconda parte è composta da un esperimento NOE, alla conclusione del quale, i segnali rilevati derivano dal trasferimento di polarizzazione dalle nanoparticelle, sopravvissute al filtro di diffusione, alle specie che interagiscono con esse. Le nanoparticelle d'oro servono, quindi, a immagazzinare la polarizzazione e a trasferirla selettivamente ai soli analiti riconosciuti dalle nanoparticelle stesse. A questo punto, quindi, i segnali rilevati non derivano dal sensore, ma bensì, direttamente dall'analita. Figura A3: Schema riguardante l'esperimento di NMR chemosensing. Quando l'interazione è selettiva e l'analita è in regime di scambio veloce con la nanoparticella nella scala dei tempi della diffusione, la nanoparticella può essere usata come fonte di magnetizzazione che può essere trasferita selettivamente alla molecola interagente sfruttando il NOE. In questo modo, solo i segnali delle specie interagenti saranno visualizzati nello spettro NMR finale, quindi, l'esperimento NOE-pumping permette di discriminare gli analiti per la loro affinità  con le nanoparticelle stesse. Non solo è possibile rilevare molecole interagenti per trasferimento della magnetizzazione, ma anche, per perturbazione dei coefficienti di diffusione, utilizzando la tecnica DOSY. Inoltre, esperimenti condotti su un diazobenzene,7 hanno permesso di stabilire che queste tecniche possono essere utilizzate per studiare sistemi che possiedono comportamenti responsivi. * Bibliografia (1) Jana, N. R.; Peng, X. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14280. (2) Manea, F.; Bindoli, C.; Polizzi, S.; Lay, L.; Scrimin, P. Langmuir 2008, 24, 4120. (3) Guarino, G.; Rastrelli, F.; Scrimin, P.; Mancin, F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7200. (4) Perrone, B.; Springhetti, S.; Ramadori, F.; Rastrelli, F.; Mancin, F. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11768. (5) Salvia, M.-V.; Rarnadori, F.; Springhetti, S.; Diez-Castellnou, M.; Perrone, B.; Rastrelli, F.; Mancin, F. Journal of the American Chemical Society 2015, 137, 886. (6) Chen, A.; Shapiro, M. J. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 10258. (7) Bandara, H. M. D.; Burdette, S. C. Chemical Society Reviews 2012, 41, 1809.