La luz que emerge de una entidad biológica es relevante desde muchos aspectos. En primer lugar, permite la construcción de la imagen del organismo y, en consecuencia, es responsable de la percepción visual y la comunicación. En segundo lugar, puede convertirse en una herramienta importante para obtener información tanto fisiológica como química de la entidad observada, de forma no destructiva. Cuando se ilumina un organismo la energía no absorbida emerge como luz transmitida o reflejada. Además, puede emitirse fluorescencia, fosforescencia o bioluminiscencia. En nuestro grupo de investigación, hemos estudiado y modelado la luz liberada como reflectancia y fluorescencia para diferentes sistemas biológicos como flores, frutos, hojas de plantas, cultivos, doseles vegetales, plumaje de aves y anfibios.

En esta charla, se presentan los avances que hemos realizado en esta área. Estos van desde el desarrollo de enfoques teóricos hasta la implementación de metodologías ópticas para aplicaciones prácticas.

El análisis de la interacción de la luz con el material biológico, que es el dominio de la biofotónica, ha adquirido recientemente gran importancia en vista del creciente uso de técnicas ópticas para el estudio de los tejidos vivos. Sin embargo, la interpretación de las propiedades fotofísicas y espectroscópicas de estos sistemas suele ser complicada por varios factores: elevada concentración de cromóforos, inhomogeneidad óptica, multidispersión de fotones y presencia de estructuras multicapa en la mayoría de los casos. Por todo esto, el modelado preciso de la interacción con la luz ayuda a evitar artificios y a interpretar correctamente los procesos que tienen lugar. Se presentarán modelos físicos utilizados en el análisis de la fluorescencia de la clorofila en hojas y coberturas vegetales con aplicación en teledetección y la cuantificación de la fluorescencia in vivo para la evaluación de su relevancia biológica.

Bibliografía

- N. Cuba, R. Torres, E. San Román and M. G. Lagorio, Photochem. Photobiol., 2021, 97, 110-121.

- M. G. Lagorio, G. B. Cordon, A. Iriel, J. M. Romero, J. Faivovich and C. Taboada, Sci. Rev. from the End of the World, 2020, 2, 1, 18-41.

- M. G. Lagorio, Methods Appl. Fluoresc., 2020, 8, 4, 043001.

- J. M. Romero, G. B. Cordon and M. G. Lagorio, Rem. Sens. Env., 2020, 246, 111860.

- C.Taboada, A. E. Brunetti, F. N. Pedron, F. Carnevale Neto, D. A. Estrin, S. E. Bari, L. B. Chemes, N. Peporine Lopes, M. G. Lagorio and J. Faivovich. PNAS, 2017, 114, 3672–3677.

La complejidad y las controversias en el manejo de insumos agrícolas (fertilizantes-herbicidas-fungicidas) ha aumentado exponencialmente en los últimos 20 años debido a diversos factores. En este contexto, nuevas herramientas y estrategias son requeridas para el manejo eficientemente de éstos, que son concebidos cada vez con mayor énfasis como contaminantes agrícolas. La utilización de datos espectrales como herramienta para la construcción de modelos aplicados a diversos estudios ambientales tiene una amplia difusión entre investigadores de diversas ramas de la ciencia. De manera tal de detectar procesos de contaminación y su avance por ejemplo, es importante la utilización de información satelital que permite hacer un monitoreo temporal y en grandes superficies de estos procesos. Para ello es importante contar con sensores hiperespectrales que tienen la capacidad de recolectar datos simultáneamente en cientos de bandas espectrales angostas y adyacentes dónde es posible derivar un espectro continuo para cada píxel, y luego estas imágenes pueden ser comparadas con reflectancias espectrales de campo o de laboratorio para reconocer y mapear superficies de materiales tales como tipos de vegetación, degradación de aguas o cualquier otro proceso que produzca una alteración de la superficie reflectiva y que pueda ser asociado a los procesos precitados.

En esta presentación se abordarán algunos conceptos relacionados a la detección de malezas, déficit nutricional en cultivos y otros aspectos por medio del uso de la espectroscopía y que permiten obtener información para, en conjunto con otras tecnologías y o procesos, proceder a prácticas de manejo y o control en el marco de una agricultura más sustentable.

La investigación relacionada con el Patrimonio Cultural, Biocultural e Histórico es muy extensa e involucra diversas disciplinas. Los objetos que tienen significado para el patrimonio son creados con una gran variedad de materiales y muchas veces presentan heterogeneidades en diferentes escalas. En este sentido las técnicas espectroscópicas y de imagen aplicadas desde la macro hasta la microescala son especialmente útiles ya que la información obtenida permite comprender los materiales y técnicas de producción, el deterioro de los objetos y planificar su conservación. Profesionales de distintas áreas como historia del arte, conservación y restauración, arqueología, biología, física, y química, por nombrar algunas, han compartido sus conocimientos para desarrollar estrategias científicas interdisciplinarias para estudio del patrimonio. El desarrollo de equipamiento portátil y no invasivo hizo posible extender el estudio a piezas del patrimonio que no pueden transportarse al laboratorio y, en consecuencia, no pueden analizarse mediante instrumentos de mesada. La aplicación de estas técnicas en un contexto interdisciplinario favorece el intercambio de conocimientos y la optimización de recursos creando una nueva forma de trabajo sinérgico y horizontal, basado en la discusión inmediata de esos resultados con aportes valiosos desde cada área.

Para el estudio de objetos del patrimonio cultural, las técnicas a macroescala e In Situ ofrecen la ventaja de no requerir la extracción de muestras. Las técnicas de imagen analítica, en particular sobre de objetos completos, utilizan diferentes regiones del espectro electromagnético, como las imágenes UV-Vis-IR, la imagen múltiple e hiperespectral, la radiografía de Rayos X, entre otras y permiten registrar la forma, el color y la textura y, en cierta medida, determinar su composición química. Con la incorporación de técnicas espectroscópicas no invasivas e In Situ se proporciona información química, donde las más utilizadas son la de fluorescencia de rayos X (FRX) y la Raman. Sin embargo, cuando las técnicas a macro escala no son capaces de proporcionar una respuesta completa a la pregunta de investigación en cuestión y se pueden tomar muestras, las técnicas de microimagen, como las microscopías óptica y electrónica, junto con las técnicas espectroscópicas como las microespectroscopías infrarroja y Raman o microfluorescencia de rayos X permiten el examen de correlaciones de rango más corto entre diferentes componentes de un objeto que pueden revelar detalles sobre etapas intermedias de su construcción. Aunque el muestreo es invasivo, las técnicas de microescala en sí no son invasivas, lo que permite realizar múltiples tipos de estudios a una sola micromuestra. Se genera, entonces, una jerarquía que fundamenta una metodología que optimiza la tecnología para investigar piezas del patrimonio a distintas escalas.

Se presentarán algunos casos donde se muestren ejemplos donde se aplican diferentes técnicas no invasivas en un contexto interdisciplinario. Esta es una línea de investigación que se desarrolla en el Centro de Investigación en Arte, Materia y Cultura en la Universidad Nacional de Tres de Febrero (Materia-UNTREF), donde participan investigadores e investigadoras de la Química, Biología, Historia del Arte, Conservación y Restauración es original en el país y ha sido el primero en abordar el estudio de materiales de obras de arte, objetos históricos y arqueológicos.

Imaging spectroscopy was introduced in the cultural heritage field in the 1990s to identify and map pigments in paintings. Since then, continuous improvements in imaging technology have fostered the quality of spectroscopic information in the acquired imaging data. Therefore, the development of either multispectral or hyperspectral imaging techniques paved the way for new perspectives in the diagnosis of artworks, ranging from non-invasive monitoring to high-quality documentation, such as mapping and characterization of polychrome and multi-material surfaces of cultural properties.

The combination of imaging spectroscopy with other non-invasive optical techniques, such as optical coherence tomography (OCT) and laser scanning microprofilometry, allows for a comprehensive study of painted surfaces. The multi-analytical approach allows correlating spectral and morphological characteristics, which is important not only for documenting the restoration intervention but also for investigating the realization technique and the original structure of a painting.

Se presentará una revisión de las aplicaciones de la técnica Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) en patrimonio cultural, arqueología y antropología. Se describirá brevemente la técnica y sus ventajas y posibilidades para la determinación de la composición elemental de piezas únicas de valor patrimonial. Se mostrarán aplicaciones específicas de LIBS y su combinación con otras técnicas espectroscópicas, para caracterización y obtención de información de las piezas y para apoyo y soporte de tratamientos de restauración. Entre ellas, la identificación de la composición de objetos y pigmentos, provenientes de diferentes culturas precolombinas sudamericanas, con el objetivo de determinar su procedencia y proceso de manufactura; la caracterización de objetos encontrados en ex centros clandestinos de detección que fueron creados durante la última dictadura cívico militar eclesiástica en Argentina (1976-1983); la detección y medición de concentración de elementos traza como stroncio y magnesio en dientes de Homo Sapiens, con el objeto de determinar hábitos alimentarios de individuos y poblaciones, y la aplicación de la técnica para el análisis de objetos submarinos con el objetivo de implementar tratamientos de conservación y preservación apropiados. Finalmente se discutirán algunas tendencias de las aplicaciones en este campo.

Participantes:

• Arq. Pedro Delheye. Director de Patrimonio de la Pcia. Bs. AS

• Dr. Pablo Fasce, Dirección Nacional de Museos

• Arq. Florencia Silva coordinadora de proyectos con Museos Pcia Bs As

• Dr. Fernando Marte, Laboratorio de Química y Microscopia - Dra. Alicia Seldes-TAREA

• Lic. Milagros Córdova, Programa Restaurar INTI y UNTREF

• Dra. Eugenia Tomasini (CONICET / IIAC-UNTREF).

Se debatirán las siguientes dos preguntas:

• ¿Cuál es el desarrollo e impacto que tiene actualmente la fotónica y las técnicas basadas en tecnologías de la luz en los museos e instituciones vinculadas al patrimonio en Argentina?

• ¿Cuáles son los principales desafíos que se presentan para lograr un vínculo más estrecho entre estas tecnologías y el patrimonio?

La espectroscopía Raman resonante es una poderosa herramienta para elucidar aspectos estructurales y electrónicos de sitios activos en macromoléculas biológicas, tales como las metaloproteínas redox. Cuando estas proteínas se encuentran en contacto con superficies funcionalizadas de electrodos metálicos nanoestructurados, su estudio espectroscópico puede realizarse bajo control electroquímico y con la alta sensibilidad que aportan las nanoestructuras a través del efecto de intensificación conocido como SERR. Aplicando una secuencia de saltos rápidos de potencial y pulsos láser de detección, es posible monitorear de manera simultánea y en tiempo real procesos de transferencia electrónica, así como cambios estructurales y otros procesos iniciados por el salto de potencial.

En esta charla presentaré el uso de esta metodología para establecer los determinantes estructurales y dinámicos que permiten a una misma metaloproteína, el citocromo c, actuar alternativamente en una función de sostenimiento de la vida celular como transportador de electrones en la cadena respiratoria o promover la muerte celular programada bajo estímulos pro-apoptóticos.

Una de las aplicaciones mas interesantes de la fotoquímica es la posibilidad de fotoliberar moléculas con actividad biológica en forma controlada, utilizando diversos sistemas de irradiación. LEDs, láseres, sistemas de posicionamiento con galvanómetros X-Y, microscopios, displays LCD, proyectores con MEMs, upconversion, ofrecen diversas posibilidades para que el rango de usos de la fotolisis controlada de compuestos enjaulados sea cada vez mas amplio.

En esta charla presentaremos una familia muy atractiva y versátil de compuestos enjaulados activable con luz visible, y el diseño de instrumental adecuado para su caracterización y utilización en sistemas biológicos modelo, desde espinas dendríticas a animales completos, pasando por neuronas, bacterias y cerebros de roedor.

Los nuevos avances en nanomedicina han impulsado el uso de nanomateriales con capacidad dual como sensores y agentes terapéuticos, así como vehículos para el reparto de drogas al sitio deseado.

Los puntos cuánticos de silicio (SiD), carbono (CD) y nitruros de carbono (NCD) presentan potencial interés para estos usos debido a su intensa fotoluminiscencia, su capacidad como fotosensibilizadores de oxígeno singulete (¹O2) y radical superóxido (O₂^•−), biocompatibilidad, sus procesos de síntesis sencillos y química accesible para la modificación superficial. Debido a su pequeño tamaño, la intensa luminiscencia de estos nanomateriales se origina en un mecanismo de confinamiento cuántico. Sin embargo, los defectos superficiales, grado de oxidación, grupos terminales y el medio circundante, son capaces de afectar profundamente la fotofísica de estos nanomateriales. Por otro lado, la modificación superficial de las nanopartículas mediante la adsorción física y química de biomoléculas y biopolímeros puede dar lugar al mejoramiento de su estabilidad fotoquímica, biocompatibilidad, estabilidad coloidal y tiempo de circulación en sangre, entre otros.

La dependencia de las propiedades fotoluminiscentes y fotosensibilizadoras de especies reactivas de los puntos cuánticos del Si, C, y NC con el tamaño, los precursores y procedimientos de síntesis utilizados, la derivatización superficial, los procesos de oxidación ambiental y la interacción con el medio circundante, entre otros, tornan muy difícil el estudio y comprensión de sus propiedades, ya que partículas supuestamente similares sintetizadas en diferentes laboratorios pueden observar diferentes propiedades si no se tiene un control adecuado de estos parámetros. Sin embargo, mediante el diseño inteligente, es posible desarrollar nanopartículas multifuncionales con potencial aplicación en imágenes, diagnosis y terapia.

El grupo de trabajo que coordino posee amplia experiencia en el desarrollo de la síntesis húmeda, derivatización superficial, y estudio de las propiedades fotoluminiscentes de nanopartículas de Si [1–3], C, y NC [4]. En esta charla se discutirán algunos de los resultados del grupo de trabajo que demuestran la versatilidad de estas nanopartículas.

[1] E. Gonik, D.R. Sartori, P.D. Gara, A. Miñán, M. Fernández, L. De Mele, Staphylococcus aureus biofilm eradication by the synergistic effect exerted by PEG- coated silicon dots immobilized in silica films and light irradiation, Nanotechnology. 32 (2021) 95105. https://doi.org/10.1088/1361-6528/abc6dd.

[2] J.J. Romero, M.J. Llansola-Portolés, M.L. Dell’Arciprete, H.B. Rodríguez, A.L. Moore, M.C. Gonzalez, M.L. Dell’Arciprete, H.B. Rodríguez, A.L. Moore, M.C. Gonzalez, Photoluminescent 1–2 nm Sized Silicon Nanoparticles: A Surface-Dependent System, Chem. Mater. 25 (2013) 3488–3498.

https://doi.org/10.1021/cm401666a.

[3] M.J. Llansola Portolés, R. Pis Diez, M.L. Dell’Arciprete, P. Caregnato, J.J. Romero, D.O. Mártire, O. Azzaroni, M. Ceolín, M.C. Gonzalez, Understanding the Parameters Affecting the Photoluminescence of Silicon Nanoparticles, J. Phys. Chem. C. 116 (2012) 11315–11325. https://doi.org/10.1021/jp2117938.

[4] D.D. Ferreyra, D. Rodríguez Sartori, S.D. Ezquerra Riega, H.B. Rodríguez, M.C. Gonzalez, Tuning the nitrogen content of carbon dots in carbon nitride nanoflakes, Carbon N. Y. 167 (2020) 230–243.

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.062.

En los últimos años se han efectuado importantes avances en la síntesis, diseño y caracterización de nanoestructuras (NEs) metálicas y en el estudio de las singulares propiedades ópticas que surgen de las excitaciones elementales colectivas de los electrones de la banda de conducción del metal, que en el caso particular de estructuras con arquitectura tridimensional en la nano-escala se denominan resonancias plasmónicas localizadas (RPL). Las longitudes de onda de las RPL como las intensidades de los máximos dependen fuertemente de la forma, tamaño y de la naturaleza del medio circundante de las NE y de su interacción con otras NEs metálicas (por ejemplo cuando forman agregados). Así mismo, en las regiones próximas a la superficie de las NEs, se generan campos eléctricos incrementados y confinados en la nanoescala, que modifican las propiedades espectroscópicas de moléculas situadas en estas regiones (por ejemplo, incremento en órdenes de magnitud de las secciones eficaces Raman, fenómeno conocido como SERS, del inglés, Surface Enhanced Raman Spectrscopy). Estas propiedades han dado lugar a técnicas espectroscópicas que permiten la detección ultrasensible de diferentes moléculas. En esta charla presentaremos estudios efectuados recientemente en nuestro grupo de investigación, efectuados en diferentes tipos de NEs plasmónicas. Como primer ejemplo, discutiremos correlaciones teórico-experimentales de las propiedades ópticas de nanovarillas de Au cubiertas con una coraza de sílica mesoporosa. Estas NEs son de relevancia actual por sus potencilaes aplicaciones tales como el suministro de drogas en forma controlada, en terapias contra el cáncer, en la inducción de fotoquímica de reacciones en los poros de la coraza de sílica y la detección de moléculas en forma óptica, o sensores de índice de refracción del medio externo en escalas nanométricas Una de las características fundamentales que determinan su potencial para una dada aplicación es el grado de porosidad de la corza de sílica como el grado de llenado de los poros con las moléculas del medio externo. Estas NEs presentan dos máximos en sus espectros UV-Vis correspondientes a la excitación de las RPL de los modos transversal y longitudinal. En esta presentación se mostrará cómo se pueden establecer los factores que controlan la longitud de onda del máximo del modo longitudinal, y de esta manera estimar el grado de porosidad de la coraza de sílica como el grado de cargado de los poros con el medio externo, analizando el espectro de extinción que resulta al dispersar estas NEs en solventes con distinto grado de viscosidad. Como segundo ejemplo se abordará la determinación del factor de incremento de las señales Raman en espectroscopía SERS en agregados de nanopartículas en dispersión coloidal unidas por puentes moleculares, con distancias interpartícula controladas por la molécula puente, introduciendo una nueva figura de mérito, denominada Factor de Incremento de la Concentración Activa que permite efectuar una correlación rigurosa con el factor de incremento SERS electromagnético calculado teóricamente a partir de simulaciones electrodinámicas.

Referencias.

P.A. Mercadal, E.R. Encina, J.E.L Villa, E.A. Coronado, J.Phys. Chem. C 125 (7), 4056-4065.

P.A.Mercadal, L.A.Pérez, E.A. Coronado. J.Phys. Chem. C (enviado)

Los polímeros conjugados (PCs) son semiconductores orgánicos de gran relevancia debido a su aplicación en células solares, diodos emisores de luz, transistores de efecto de campo, entre otras. Las excitaciones electrónicas en PCs se localizan en segmentos relativamente cortos (5- 12 monómeros) denominados cuasi cromóforos que actúan en gran medida de manera independiente, de modo que una cadena de polímero puede ser considerada como un sistema multicromofórico. El desempeño de dispositivos orgánicos/electrónicos basados en PCs depende de los procesos fotofísicos elementales de transferencia de energía (TE) que se producen entre los cuasi cromóforos y los dopantes o impurezas presentes en la matriz polimérica. En particular, la eficiencia de TE desde el PC al dopante es asociada a un parámetro de referencia denominado el Efecto Antena (EA). Las nanopartículas de polímero conjugado (NPC) son sistemas nanoestructurados que pueden ser fabricados controlando el tamaño de partícula, la cantidad y la distribución espacial intrapartícula de los colorantes dopantes. Esto permite su uso como sistemas modelo para el estudio de procesos de TE confinados y también su utilización en una serie de aplicaciones prácticas que dependen del EA.

En esta presentación describiré nuestro trabajo en el desarrollo de NPC dopadas y la caracterización de sus procesos de TE (intrapartícula) utilizando técnicas espectroscópicas convencionales, mediciones de fluorescencia de partícula única y modelado computacional. Mediante el modelado de mediciones experimentales, se determinó la influencia de varios parámetros en el proceso de TE y en el EA, tales como: la cantidad y ubicación de los dopantes y trampas, la longitud de la difusión del excitón y el tamaño de partícula.(1) El conocimiento obtenido permitió la optimización de NPC para aplicaciones donde se requiere una eficiente fotoexcitación de moléculas "fotoactivas". En particular, para discutir algunas aplicaciones de estos materiales resumiré nuestro trabajo en el desarrollo de NPC como eficientes fotosensibilizadores de especies reactivas de oxígeno (2) y como sensores radiométricos luminiscentes de oxígeno molecular. También discutiré su exitoso uso en protocolos de terapia fotodinámica contra células cancerígenas (3) y en inactivación fotodinámica de bacterias resistentes a antibióticos de relevancia clínica (4). Finalmente, describiré nuestro reciente trabajo utilizando NPC como eficientes macro-fotoiniciadores de polimerización vinílica para formar macro y nano hidrogeles biocompatibles en medios acuosos en ausencia de co-iniciadores (5).

Referencias

1. Ponzio, R.A. et al. J. Phys. Chem. C. To be submitted (2021).

2. Spada, R. M. et al. Dyes and Pigments 149, 212–223 (2018).

3. Ibarra, L. E. et al. Nanomed. 13, 605–624 (2018). Caverzana M.D. et al. J. Photochem. Photobiol. B, Biol. 2020. 212, 112045

4. Martínez S.R., et al. ACS Infectious Diseases. 2020. 6 (8), 2202–2213.

Gallastegui A., Macromolecular Rapid Communications. 2020, 41(8), 1900601.

Los avances en los estudios experimentales de la dinámica y foto-dinámica de procesos físicos y químicos desde un punto de vista molecular están íntimamente asociados al desarrollo de nuevas metodologías y tecnologías que permitan controlar tanto los estados y estructuras de los sistemas moleculares bajo estudio, como así también obtener información detallada sobre los productos consecuencia de estos procesos.

Los estudios experimentales en fase gaseosa, en los cuales los sistemas se encuentran libre de cualquier otro tipo de interacción, son de gran importancia dado que pueden ser comparados de forma directa con cálculos teóricos, sin necesidad de incluir compensaciones por efectos de solvente y otros. Los cuales a su vez se pueden estudiar de forma detallada, si dichas interacciones pueden ser controladas e incorporadas de forma secuencial, por ejemplo mediante la generación de agregados moleculares o iónicos no-covalentes que puedan ser seleccionados por su tamaño y estudiados uno a uno.

En tal sentido el desarrollo de técnicas de espectrometría de masas en tándem acopladas a distintos tipos de espectroscopías láser, presentan un escenario experimental ideal para este tipo de estudios ya que permiten la selección de la especie en estudio de acuerdo a su relación m/z, el control de su estructura y energía en el canal de entrada y la de los productos en el canal de salida, mediante la elección de la espectroscopía láser adecuada.

En esta charla, se presentarán detalles experimentales e instrumentales de algunos tipos de espectroscopías láser acopladas a espectrometría de masas en tándem, como la espectroscopía de foto-fragmentación UV (P-UV) o la espectroscopía de disociación multifotónica IR (IRMPD) que requiere el uso de láseres de electrones libres (FEL). También se mostrará la ventaja de enfriar las especies en estudio a temperaturas de unos pocos grados (2-20 K). Estas metodologías forman parte del Laboratorio Internacional Asociado: Laboratorio de Estructura y reactividad de Moléculas, Iones y Radicales en fase gaseosa (LIA-LEMIR) perteneciente al CONICET (Argentina) y al CNRS (Francia).

Finalmente, se expondrán algunos ejemplos de la aplicación de estas metodologías al estudio de la dinámica de procesos fotoinducidos en iones haciendo énfasis en las dinámicas de estados excitados de aniones (benzoato y naftoato) fotoexcitados en el UV y la fotoisomerización IR de bases del ADN cationizadas con metales.