Resonadores basados en nanohilos para espectrometría nanomecánica

Abstract

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Química Física Aplicada. Fecha de Lectura: 03-02-2025Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 03-08-2026La espectrometría nanomecánica es una técnica de caracterización emergente capaz de medir las propiedades mecánicas de una amplia variedad de analitos, proporcionando una combinación única de resolución suficiente para medir partículas individuales junto con un alto rendimiento. El análisis de dichas propiedades, principalmente masa y rigidez, juega un papel crucial en muchos problemas de investigación en múltiples disciplinas, incluidas la biomedicina, bioquímica, química analítica, física, ciencia de materiales, nanotecnología y las aplicaciones medioambientales. El objetivo general de esta tesis es la aplicación de resonadores mecánicos basados en nanohilos como sensores de masa y rigidez en espectrometría nanomecánica. Las características específicas de los resonadores basados en nanohilos hacen que este tipo de dispositivos sean particularmente adecuados para la detección de masa y rigidez de analitos nanoparticulados como nanopartículas inorgánicas, nanoestructuras tipo core-shell, micelas poliméricas y vesículas extracelulares o liposomas, con el fin de su caracterización, detección o identificación. Sin embargo, no se ha descrito previamente un enfoque integral y sistemático que aborde esta línea de investigación. Esta investigación está particularmente centrada en la detección de nanopartículas suspendidas en soluciones líquidas. Este enfoque es relevante para la aplicación de la espectrometría nanomecánica a una amplia variedad de analitos nanoparticulados, ya que dichos materiales a menudo se generan en entornos líquidos o requieren de estos para su preservación. Una aplicación particularmente significativa de cara al futuro es el desarrollo de una tecnología capaz de detectar virus de manera rápida, sensible y no selectiva, con la capacidad de proporcionar también información sobre la infectividad viral, dadas las características singulares de masa y rigidez que tienen las partículas virales. Como primer paso hacia el objetivo general, se examinan los fundamentos que describen el funcionamiento de los resonadores basados en nanohilos como sensores de masa y rigidez de nanopartículas, con el fin de proporcionar un marco teórico simplificado, integral y analítico. Este estudio desarrolla un modelo capaz de predecir el rango dinámico mecánico intrínseco de los nanohilos, alcanzando valores destacadamente elevados—hasta 100 dB—para dispositivos con dimensiones relevantes desde una perspectiva tecnológica. La expresión del rango dinámico permite obtener los límites fundamentales de detección en masa y rigidez para este tipo de resonadores, que se encuentran alrededor de cinco y dos órdenes de magnitud por debajo de los efectos de masa y rigidez respectivos predichos para analitos nanoparticulados representativos. Este marco proporciona un conjunto de reglas de diseño para la optimización de los sensores de cara a la detección de analitos específicos. Además, se ha desarrollado una nueva metodología experimental para la implementación de sensores nanomecánicos a partir de resonadores basados en nanohilos. El enfoque presentado permite la caracterización de la respuesta dinámica de nanohilos de silicio fabricados mediante el mecanismo vapor-líquido-sólido en la configuración más sencilla posible —crecidos verticalmente y con una distribución arbitraria sobre un sustrato de silicio—, tras el desarrollo de un método innovador de transducción óptica que es lineal a lo largo de todo el rango dinámico intrínseco de los dispositivos. Esta caracterización permite validar el modelo del rango dinámico y medir ligeras fluctuaciones en la frecuencia de resonancia de los dispositivos, las cuales determinan su resolución experimental en aplicaciones de detección, típicamente degradada en uno o dos órdenes de magnitud con respecto a los límites fundamentales de detección. Finalmente, esta metodología ha sido demostrada en esta tesis para dos aplicaciones particulares. Primero, para la detección nanomecánica de caudal de masa en nanofluídica abierta, al operar los nanohilos simultáneamente como sensores de masa y como canales nanofluídicos abiertos para controlar el caudal de líquidos en la nanoescala mediante la aplicación de potenciales eléctricos, alcanzando una precisión sin precedentes. Segundo, para la caracterización de nanopartículas suspendidas en volúmenes de líquido extremadamente pequeños, permitiendo el desarrollo de una espectrometría nanomecánica en la que las nanopartículas son capturadas por el sensor directamente desde un pequeño reservorio de líquido. Ambas aplicaciones se benefician de la introducción de líquidos iónicos como elementos innovadores para la realización de medidas de alta resolución en resonadores basados en nanohilos interactuando con líquidos, ya que la presión de vapor extremadamente baja de los líquidos iónicos a temperatura ambiente permite operar en alto vacío con pérdidas insignificantes por evaporación. Este enfoque ofrece una estrategia alternativa frente al desafío que supone la transferencia de analitos a la superficie microscópica de los resonadores de manera individual y eficiente, lo que se demuestra experimentalmente mediante la detección y caracterización precisa de la masa de poblaciones de nanopartículas suspendidas en un reservorio con un volumen de nanolitros. En conclusión, los resultados presentados demuestran la operación combinada de nanohilos como sensores nanomecánicos de alta precisión y como canales nanofluídicos abiertos controlables, abriendo una puerta al desarrollo de tecnologías innovadoras para la implementación de espectrometría nanomecánica de analitos nanoparticulados suspendidos en líquidos. El análisis completo de los límites de detección y del funcionamiento de esta aproximación sugiere que es particularmente apropiada para la detección y caracterización de virus individuales contenidos en un volumen reducido de muestra líquida, con un alto rendimiento y pérdidas de muestra insignificantesThis work was supported by the ERC CoG Grant 681275 “LIQUIDMASS”; by the Spanish Science, Innovation and Universities Ministry through Projects “EXOFLUX” (PGC2018-101762-B-I00) and “MOMPs” (TEC2017-89765-R); project PID2021-128395OB-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, UE; Projects PDC2022-133944-I00 and PLEC2021-007892 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and European Union “NextGenerationEU”/PRTR; Projects S2022/BMD-7437 and Y2020/BIO-65194 funded by Comunidad de Madrid; Project AES (DTS21/00136) funded by ISCIII/Unión Europea/FEDER. We also acknowledge the service from the Micro and Nanofabrication Laboratory at IMN-CNM, funded by the Comunidad de Madrid (Project S2018/NMT-4291 TEC2SPACE) and by MINECO (project CSIC13-4E-1794 with support from FEDER, FSE