Síntesis microbiológica de nanopartículas semiconductoras de Cd y Te

Abstract

Las nanopartículas (NPs) semiconductoras o "quantum dots" (QDs) son estructuras bimetálicas de elementos como Cd, S, Se y Te que presentan un gran valor tecnológico dadas sus particulares propiedades fisicoquímicas y optoelectrónicas. Actualmente, la síntesis de NPs involucra métodos químicos, altas temperaturas, anaerobiosis, generan residuos tóxicos y poseen una relación capital/energía y uso de materiales desfavorable. Así, el desarrollo de nuevos métodos de síntesis más simples y amigables con el medio ambiente es un tema de creciente interés. En esta Tesis se desarrolló un protocolo de síntesis in vitro de QDs de CdTe en fase acuosa, simple y en condiciones similares a las de sistemas vivos. Este método usa glutatión (GSH) como agente estabilizante y reductor, temperaturas de 37-90 oc y precursores estables como CdCh y K2 Te03. La reacción se realiza en diferentes tampones y medios de cultivo bacteriano. La velocidad de formación de las NPs es proporcional a la temperatura de reacción, aun cuando a temperaturas más bajas se evita la formación de una capa de CdS que disminuye la biocompatibilidad de las NPs. Esta reacción genera NPs de CdTe que al ser excitadas con UV son altamente fluorescentes. Las NPs generadas miden de 1-1 o nm y poseen un rendimiento cuántico de hasta 30%, igual .e incluso mayor al de NPs sintetizadas con otros métodos químicos. Luego se desarrolló un protocolo de biosíntesis de QDs en Escherichia coli. Dado que el GSH es fundamental en la síntesis de QDs, se utilizó cepas de E. coli que sobreexpresan genes involucrados en su biosíntesis (gshA y gshB). La cepa que expresa el gen gshA produjo estructuras fluorescentes intracelulares al ser expuesta a dosis subletales de CdCh y K2Te03. El análisis estructural y espectroscópico de las partículas biosintetizadas indicó que corresponden a QDs de CdS y CdTe con un tamaño promedio de 6 nm. En resumen, se ha descrito por primera vez la síntesis intracelular de QDs de CdTe utilizando bacterias. Estos resultados serán de gran ayuda para la generación de QDs de CdTe, así como para la biosíntesis de otros QDs como CdSe, ZnS, ZnTe y PbS.

Semiconductor nanoparticles (NPs) or quantum dots (QDs) are bimetallic structures of elements such as S, Se and Te that owing to their particular physicochemical and optoelectronic properties exhibit a great technological potential. Currently, NP synthesis involves chemicals procedures at high temperatures, anaerobiosis, generate toxic residues and display an unfavorable capital/energy ratio and materials use. Thus, the development of new, simpler and environmentally friendly synthesis procedures is a subject of growing interest. In this Thesis, a simple, aqueous and biomimetic in vitro QDs synthesis procedure was developed. The method uses glutathione (GSH) as reducing and . stabilizing agent, temperatures of 37-90 ºC and stable precursors as CdCli and K2TeÜ3. The reaction takes place in different. buffers and bacteria! culture media. Velocity of NPs formation is proportional to reaction temperature, even though at lower temperatures the formation of a CdS layer that decreases NP biocompatibility is avoided. Generated CdTe NPs are highly fluorescent when excited with UV light, exhibit sizes of 1-1 O nm and quantum yields approaching 30%, equal or even greater than those exhibited by NPs synthesized by other chemical methods. Then, a QDs biosynthesis protocol using Escherichia coli was developed. Given that GSH is essential for synthesizing QDs, E. coli strains overexpressing genes involved in GSH biosynthesis (gshA and gshB) were used. The strain expressing gshA generated fluorescent intracellular structures when exposed to sub lethal CdCli and K2 TeO3 concentrations. Structural and spectroscopic analyses of biosynthesized NPs showed that they represent CdS and CdTe QDs with an average size of 6 nm. Summarizing, here we describe for the first time the intracellular CdTe QDs synthesis in bacteria. These results will be of great help for generating CdTe, but also for CdSe, ZnS, ZnTe and PbS QDs.