Orientadores: Peter Alexander Bleinroth Schulz, Ana Luiza Cardoso Pereira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T12:03:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BahamonArdila_DarioAndres_D.pdf: 15568018 bytes, checksum: 6b550b7e0291945e86b0152735b9ea2c (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho analisamos os efeitos das bordas nas propriedades eletrônicas e de transporte em estruturas finitas de grafeno, como nanofitas, pontos quânticos e anéis quânticos de grafeno. Nós focamos essencialmente no acoplamento entre os estados localizados nas bordas externas e estados localizados nas bordas internas, tais como as bordas internas dos anéis, vacâncias ou defeitos estendidos gerados pelas fronteiras de grão. Os cálculos são abordados no formalismo tight-binding para a rede hexagonal do grafeno. Para calcular as propriedades de transporte utilizamos o formalismo de Landauer-Buttiker e as funções de Green da rede. Para anéis quânticos observamos que a evolução dos estados localizados nas bordas internas, em função do campo magnético é oposta à dos estados localizados nas bordas externas. Tanto para anéis quânticos quanto para nanofitas, quando a magnitude do campo magnético gera um comprimento magnético maior do que a metade da separação entre as bordas internas e externas, os estados se acoplam levando à criação de gaps no espectro de auto-energias e ressonâncias de Fano na condutância. Este cenário é enriquecido pelo fato do grafeno ter duas sub-redes (novo grau de liberdade), identi cando que uma mudança na sub-rede dos átomos mais externos ou mais internos dos braços vizinhos de um anel muda a distribuição de carga e que a sub-rede de uma vacância fortemente modifica a forma de linha da condutância em uma nanofita. O mapeamento da densidade local de estados, diferenciada por sub-rede, nos leva a propor uma possível imagem experimental da força de acoplamento, que caracteriza a forma de linha das ressonâncias Fano. Quando consideramos um defeito estendido na rede do grafeno (defeito linear como os recentemente observados experimentalmente) foi encontrado que ele age como uma borda interna, que adiciona um novo canal para elétrons de baixa energia, e que tem aplicações promissórias como um o metálico quântico. Todos os nossos resultados são robustos quando a desordem nas bordas é incluído / Abstract: This work is concerned with the effects of the edges in the electronic and transport properties of nite structures of graphene, such as quantum dots, quantum rings and graphene nanoribbons. We primarily focus on the coupling between states located at the outer edges and states located at the inner edges, as internal edges of rings, vacancies or extended defects generated by the grain boundaries. The calculations are addressed within the tight-binding formalism for the hexagonal lattice. To calculate the transport properties we use the Landauer-B uttiker formalism and the recursive lattice Green's functions. For quantum rings we observed that the evolution of the states located at the inner edges, as a function of magnetic eld is opposite to that of the states located on the outer edges. For quantum rings as well as graphene nanoribbons when the magnitude of the magnetic eld creates a magnetic length larger than a half of the separation between the inner and outer edges, the states are coupled creating gaps in the self-energy spectrum and Fano resonances in the conductance of the graphene nanoribbons. This scenario is enriched when the sublattice is added as a new degree of freedom, identifying that a change in sublattice of the most external or most internal atoms of neighboring arms of a ring changes the charge distribution and the sublattice of a vacancy strongly modify the lineshape of the conductance. Sublattice differentiated Local density of states mapping for different lineshapes leading us to propose a possible experimental imaging of the coupling strength, which characterizes the lineshape of the Fano resonances. When we considered the recently experimentally observed extended defect, we found that it acts as an internal edge, which adds a new channel for low energy electrons, and would have promissory applications as metallic wire. All of our results are robust when edge disorder is included / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Hoy en día, como consecuencia del gran desarrollo de las metodologías de análisis, han surgido nuevas necesidades analíticas que son cada vez más exigentes, demandando análisis rápidos, fiables, in-situ, ecológicos y con instrumentación relativamente de bajo coste. Para cumplir estos ambiciosos objetivos, las nuevas tendencias de la química analítica van encaminadas hacia la miniaturización de las metodologías de análisis y el uso de detectores disponibles en formato compacto. La espectrometría de plasmas producidos por láser (Laser-Induced Breakdown Spectrometry, LIBS), es una técnica que presenta unas características que podrían cumplir con estas nuevas necesidades analíticas y que son difícilmente abordables por otras técnicas de análisis establecidas más sensibles, pero más complejas y costosas. LIBS es una técnica de análisis elemental que emplea como fuente de excitación un láser altamente energético que es enfocado en un pequeño punto de tamaño submilimétrico de la muestra, provocando la generación de un intenso plasma que se caracteriza por una elevada temperatura y densidad electrónica (plasma inducido por láser). En el seno de este plasma, el material objeto de análisis es vaporizado, reducido a su forma elemental y excitado. Las especies emisoras (iones o átomos neutros) se identifican resolviendo espectral y temporalmente la emisión del plasma, lo que se utiliza para obtener información cuantitativa y/o cualitativa sobre la composición elemental de la muestra. Mediante esta técnica, es posible analizar cualquier sustancia independientemente del estado de agregación en que se encuentre sin la necesidad de condiciones ambientales específicas para su uso (i.e., utilización de gases especiales (Ar, He, etc.) o condiciones de baja presión o vacío), lo que simplifica y abarata tanto el coste del análisis como de la instrumentación requerida. Además, teniendo en cuenta que un espectro LIBS puede ser adquirido en tiempos del orden de microsegundos, puede considerarse una técnica de análisis rápida que, adicionalmente, proporciona información multielemental. También es extremadamente flexible desde el punto de vista experimental, ya que todos sus componentes (láseres, detector, óptica, electrónica, etc.) pueden ser miniaturizados y el sistema completo puede ser fácilmente automatizado, lo que la hace especialmente interesante para su aplicación al análisis en línea e in-situ. Por todas estas características, la técnica LIBS es muy atractiva desde el punto de vista de las nuevas tendencias de la química analítica. Por otra parte, como cualquier técnica analítica, posee una serie de limitaciones. Aunque en principio, la técnica LIBS puede ser utilizada para el análisis de muestras de muy distinta naturaleza (sólidas, líquidas, gaseosas o aerosoles), lo cierto es que su principal campo de aplicación ha sido fundamentalmente el análisis de muestras sólidas. Este hecho se debe principalmente a la baja sensibilidad y reproducibilidad del análisis LIBS de líquidos. Esta falta de sensibilidad se debe principalmente a la diferente evolución del plasma LIBS cuando se encuentra confinado en un medio líquido. La duración del plasma debido a este efecto de confinamiento es menor, reduciendo también el tiempo de vida del estado excitado de los analitos y resultando en una señal más difícil de separar del fondo continuo de emisión. Además, una elevada porción de la energía "del plasma" generado es disipada como energía “no radiante”. Por una parte, debido a los fuertes efectos mecánicos que se producen al inducir el plasma en la densa masa líquida (i.e., onda de choque, burbuja de cavitación, etc.) y, por otra, debido a la vaporización de líquido, quedando sólo una pequeña fracción de energía que puede convertirse en energía radiativa. Estas limitaciones en la sensibilidad han sido abordadas en la literatura mediante el desarrollo de diferentes estrategias experimentales para el análisis LIBS de líquidos (i.e., análisis mediante la técnica LIBS de doble impulso, conversión de la muestra líquida a sustrato sólido, etc.). Pese a estos esfuerzos, este aumento de la sensibilidad ha sido, hasta la fecha, o bien insuficiente, o bien logrado mediante procedimientos de preparación de muestras complejos, con diversas etapas y difíciles de automatizar. Por este motivo, el objetivo fundamental de este trabajo de tesis doctoral ha sido la sensibilización de la técnica LIBS mediante la obtención de nuevos métodos de preparación de la muestra que puedan ser combinados con LIBS y que resulten simples, miniaturizados o fácilmente miniaturizables, y con posibilidades de automatización. De esta forma, se busca extender la aplicabilidad de LIBS para el análisis de “elementos traza” en muestras líquidas que puedan ser utilizados in-situ. En el capítulo 3 de esta memoria de tesis se ha evaluado la combinación de LIBS con una técnica de nebulización automática que permite la creación de películas sólidas homogéneas a partir de muestras líquidas, la deposición por electrospray. De esta forma, se realiza una conversión automática de la muestra líquida a matriz sólida que puede ser directamente interrogada por el sistema LIBS, sin necesidad de etapas intermedias entre la preparación de la muestra y la detección. Las películas finas obtenidas pueden ser directamente interrogadas por el sistema LIBS. Por otra parte, en los capítulos 4, 5 y 6 se ha evaluado la combinación de metodologías de microextracción en fase sólida con LIBS, ya que estas nuevas técnicas han demostrado ser rápidas, ecológicas y altamente eficientes en la extracción de los analitos de interés de las muestras líquidas. Además, son especialmente interesantes para ser combinadas con LIBS, ya que los analitos quedan retenidos directamente en una matriz sólida que puede ser fácilmente interrogada por LIBS, sin la necesidad de realizar la etapa de desorción o elución de los analitos requerida con otras técnicas de detección convencionales. De esta forma, en el Capítulo 4 se ha evaluado el uso de un material adsorbente de elevada eficiencia (i.e., el óxido de grafeno) para su uso en un procedimiento de microextracción en fase sólida en modalidad dispersiva (DSPME), y se ha comparado con un material clásicamente utilizado en extracción, el carbón activo; demostrándose las ventajas del uso de óxido de grafeno para el análisis de trazas mediante DSPME-LIBS. En los capítulos 5 y 6 se ha evaluado la combinación de la modalidad de microextracción en película delgada con la detección por LIBS (TFME-LIBS), ya que es un procedimiento eficiente y fácilmente automatizable. Pese a estas ventajas, las características morfológicas de las películas adsorbentes tienen un papel muy importante tanto en la etapa de microextracción como en la detección LIBS. Por este motivo, en estos dos últimos capítulos se han estudiado diversas modalidades de generación de películas finas para TFME, así como las capacidades analíticas de los procedimientos TFME-LIBS desarrollados.

[pt] O objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de métodos eletro-analíticos utilizando eletrodos modificados com nanomateriais a base de carbono para determinação de analitos de interesse biológico (creatinina) e farmacológico (primaquina, INHHQ, tiomersal). A determinação de primaquina (antimalárico) e de INHHQ (potencial medicamento para o tratamento de doenças neurodegenerativas) foi proposta usando eletrodo de carbono vítreo (GC) modificado com nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) o qual promoveu uma melhora significativa na corrente faradaica e na resolução de pico obtida usando voltametria de onda quadrada (SWV) em tampão Britton-Robinson (BR) 0.02 mol L-1; pH 7.00 e KCl (0.25 mol L-1). Embora vários métodos para quantificar primaquina estejam reportados, muitos deles dependem de procedimentos considerados complexos e trabalhosos, portanto, a modificação proposta de GC usando MWCNTs é comparativamente fácil, levando a uma modificação robusta que produz resultados repetitivos, fornecendo também amplificação do sinal eletroquímico devido à área ativa aumentada e a taxa de transferência eletrônica aprimorada. Os GC/MWCNTs também forneceram, ao trabalhar em um pH adequado, maior resolução na detecção das diferentes etapas eletroquímicas envolvidas no processo redox da primaquina. O eletrodo permitiu o limite de detecção (LOD) de 28 nmol L-1 para a primaquina e, quando associado a um procedimento simples baseado na extração líquido-líquido (LLE) e cromatografia em camada fina (TLC), foi alcançada a seletividade e a capacidade de determinar os níveis mais baixos esperados em amostras de urina. No caso do INHHQ, um método para quantificação por SWV foi relatado pela primeira vez. Além do uso do eletrodo GC/MWCNTs um prévio procedimento de TLC, permitiu a seletividade necessária para determinar o INHHQ no tecido cerebral de ratos Wistar. O LOD foi de 0.85 μmol L-1 e a faixa dinâmica linear cobriu duas ordens de magnitude (10-6 a 10-5 mol L-1). Os pontos quânticos de grafeno (GQDs) foram escolhidos para modificar quimicamente os eletrodos utilizados para determinar tiomersal e creatinina. GQDs são fragmentos nanométricos de grafeno (presentes em dispersões como monocamada, poucas camadas ou multicamadas) onde o transporte de elétrons é confinado em suas dimensões. GQDs são estruturas baseadas em carbono que são biocompatíveis e apresentam baixa toxicidade. A pesquisa apresenta uma nova abordagem para a determinação de tiomersal (conservante em vacinas e cosméticos) em vacinas contra influenza usando GQDs como modificador do eletrodo de GC e explorando o efeito sinérgico entre GQDs, radiação visível e a diferença de potencial aplicado. Este sistema promove a oxidação do tiomersal, produzindo um aumento significativo na resposta (par redox Hg/Hg2positivo) em termos de intensidade de corrente usando SWV e tampão BR (0.02 mol L-1; pH 4.00 com KCl a 0.25 mol L-1). O LOD foi de 0.85 μmol L-1 e a faixa dinâmica linear cobriu três ordens de grandeza (10-6 a 10-4 mol L-1). Para a creatinina (um biomarcador para a disfunção renal), um composto de GQDs-cobre foi usado para modificar um eletrodo de ouro. A determinação da creatinina foi realizada utilizando SWV (tampão BR 0.02 mol L-1; pH 4.00 com KCl a 0.25 mol L-1). O método contou com a diminuição do pico de oxidação Cu/Cu2positivo na presença de creatinina, permitindo LOD de 50 nmol L-1 e faixa dinâmica linear, cobrindo três ordens de magnitude (10-6 a 10-4 mol L-1). A resposta SWV da creatinina foi atribuída à formação do complexo creatinina-Cu2+, sendo razoavelmente seletiva em relação a este analito. Todos os procedimentos desenvolvidos por voltametria foram adequadamente comparados com métodos de referência, sendo estatisticamente compatíveis. / [en] The goal of this work was the development of electro-analytical methods using electrodes modified with carbon-based nanomaterials for determination of analytes of biological (creatinine) and pharmacological interest (primaquine, INHHQ, thiomersal). The determination of primaquine (antimalarial) and INHHQ (potential drug for treatment of neurodegenerative diseases) was proposed using glassy carbon (GC) electrode modified with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) that promoted significant improvement in faradaic current and better peak resolution obtained using square-wave voltammetry (SWV) in Britton-Robinson (BR) buffer 0.02 mol L-1; pH 7.00 and KCl (0.25 mol L-1). Although several methods to quantify primaquine are reported, many of these depend on procedure considered complex and laborious, therefore, the proposed GC modification using MWCNTs is comparatively easy, leading to a robust modification that produce repetitive results also providing amplification of the electrochemical signal due to the increased active area and improved electron-transfer rate. The GC/MWCNTs also provided, when working on a proper pH, higher resolution in detecting the different electrochemical steps involved in the redox process of primaquine. The electrode enabled limit of detection (LOD) of 28 nmol L-1 for primaquine and, when associated with a simple developed procedure, relying of liquid-liquid extraction (LLE) and thin-layer chromatography (TLC), it was achieved the selectivity and the capability to determine the lower levels expected in urine samples. In the case of INHHQ, a method for quantification by SWV was reported for the first time. In addition to the use of GC/MWCNTs electrode, a previous TLC procedure, enabled the selectivity required to determine INHHQ in brain tissue from Wistar rats. The LOD was 0.85 mol L-1 and the linear dynamic range covered two orders of magnitude (10-6 to 10-5 mol L-1). Graphene quantum dots (GQDs) was chosen to chemically modify electrodes used to determine thiomersal and creatinine. GQDs are nanometric fragments of graphene (present in dispersions as monolayer, few layer or multilayer) where electron transport is confined in their dimensions. GQDs are carbon-based structure that are bio-compatible and present low toxicity. The research presents a new approach for the determination of thimerosal (preservative in vaccines and cosmetics) in influenza vaccines using GQDs as a modifier of the GC electrode and exploring the synergistic effect between GQDs, visible radiation and the applied potential difference. This system promotes thiomersal oxidation, producing a significant increase in response (Hg/Hg2 positive redox pair) in terms of current intensity using SWV and BR buffer (0.02 mol L-1; pH 4.00 with KCl at 0.25 mol L-1). The LOD was 0.85 μmol L-1 with linear dynamic range covering three orders of magnitude (10-6 to 10-4 mol L-1). For creatinine, a biomarker for the renal dysfunction, a GQDs-copper composite was used to modify a gold electrode. Determination of creatinine was made using SWV (BR buffer 0.02 mol L-1; pH 4.00 with KCl at 0.25 mol L-1). The method relied on the decreasing of the Cu2+/Cu oxidation peak in the presence of creatinine, enabling LOD of 50 nmol L-1 and linear dynamic range covering three orders of magnitude (10-6 to 10-4 mol L-1). The SWV response of creatinine was attributed to the formation of creatinine-Cu2 positive complex being reasonably selective towards this analyte. All procedures developed by voltammetry were adequately compared with reference methods, being statistically compatible.

[pt] Neste trabalho foi estudado o atrito em escala nanométrica em materiais atomicamente finos, como o grafeno e os dicalcogenetos de metais de transição (TMD) como o dissulfeto de molibdênio (MoS2) e o dissulfeto de tungstênio (WS2). Para tanto, foi utilizado um microscópio de força atômica (AFM), de modo que uma ponta de nitreto de silício suportada por uma haste (cantiléver) é deslizada sob a superfície do material em análise, e o atrito é quantificado de acordo com a deformação lateral da haste. Diferentes parâmetros foram alterados durante a varredura para verificar suas influências, tais como a força normal aplicada durante a varredura e a velocidade relativa em que o sistema ponta-amostra desliza. Parâmetros relativos às superfícies, como número de camadas, rugosidade e adesão também foram investigados. Com a variação da velocidade de deslizamneto, verificamos uma dependência linear com o logaritmo da velocidade, até um ponto de saturação. Esta dependência é amplificada de acordo com o número de camadas do grafeno, de modo que numa monocamada essa inclinação é mais acentuada do que nas demais camadas. Usando o modelo de Prandtl-Tomlinson termicamente ativo, conseguiu-se determinar o potencial de interação entre a ponta do AFM e a superfície analisada, as forças críticas em que a saturação do atrito ocorre e a frequência estipulada com que os eventos de superação da barreira de pontecial acontecem. Com a variação da força normal aplicada, os resultados mostram que grafeno e MoS2 seguem o modelo Johnson-Kendall-Roberts (JKR) de mecânica de contato, enquanto o WS2 segue o modelo Derjaguin-Muller-Toporov (DMT). Para explicar tal diferença, uma hipótese associada ao efeito piezoelétrico é estipulada. Ademais, foi observado que a contaminação das superfícies de grafeno por adsorção de hidrocarbonetos pela exposição ao ar aumenta o atrito medido, e altera sua relação à carga aplicada. Os estágios iniciais da contaminação foram observados, e notou-se que esta se propaga da monocamada para as demais camadas da folha de grafeno, com diferentes taxas de área contaminada por tempo. / [en] In this work, the friction mechanism at the nanoscale of atomically thin materials such as graphene, transition metal dichalcogenides (TMD) such as molybdenum disulfide (MoS2) and tungsten disulfide (WS2), and muscovite mica was studied with the use of an atomic force microscope (AFM). The AFM scans these materials surfaces with a silicon nitride tip which is attached at the end of a cantilever. The tips slides through the surface and friction is measured by the torsional deflection of the cantilever. Parameters such as applied normal load and sliding speed were varied in order to verify their influences. Surfaces properties such as number of layers, roughness and tip-sample adhesion were also analyzed. The sliding speed experiment shows a linear dependence with the logarithm of the scanning velocity, until friction reaches a saturation point, where it remains the same even at higher velocities. Such dependence is amplified with the number of graphene layers, as a monolayer presents a steeper curve than few layers graphene. The data was fitted using the thermally active Prandtl-Tomlinson model and the tip-sample interaction potential was estimated, as well as the critical forces at which friction saturation occurs and the hop frequency at which a potential barrier is surpassed. In the applied normal load experiment, results shows that both graphene and MoS2 follow the Johnson-Kendall-Roberts (JKR) model, while WS2 and mica follows the Derjaguin-Muller-Toporov (DMT) model. In order to explain the different behavior in both TMDs samples, a hypothesis associated with the piezoelectric effect is proposed. Furthermore, the influence of airborne contamination in the friction of graphene was studied. Results shows that the contact mechanics is altered due to adsorbed hydrocarbon molecules on the graphene flakes. Initial stages of contamination shows that it propagates from the monolayer to subsequent layers, with a different contaminated area over time rate.

[pt] Uma sonda fotoluminescente do tipo turn-off foi avaliada para a detecção de Hg(2+) usando pontos quânticos de grafeno (GQDs). Diferentes nanopartículas de carbono fotoluminescentes foram preparadas usando a abordagem bottom-up, usando ácido cítrico ou ácido cítrico misturado com algum composto contendo enxofre (tioureia, tioacetamida ou glutationa). Dispersões desses GQDs foram comparadas em termos de comportamento fotofísico na presença de Hg(2+). Observou-se que as nanopartículas preparadas com ácido cítrico e tioureia (GQDs- TU) apresentaram melhor perfil de supressão fotoluminescente (resposta analítica) na presença de Hg(2+). As condições experimentais foram ajustadas para o melhor perfil de resposta e para obter os parâmetros analíticos de mérito. Um estudo para avaliar possíveis interferências na presença de outros íons de metais pesados além de íons alcalinos e alcalino-terrosos, comumente presentes em amostras de água natural. A curva analítica normalizada (concentração L0/L versus Hg(2+) foi linear (R(2) = 0,998) até 0,20 microgramas L(-1). O limite de quantificação (LOQ) foi de 10 microgramas L(-1) e o limite de detecção (LOD) foi de 3 microgramas L(-1) para o ensaio em batelada. Além disso, a estratégia proposta para a determinação indireta de Hg(2+) foi adaptada para um sistema de análise por injeção em fluxo (FIA). Após a otimização do ensaio, com a faixa linear cobrindo o intervalo até 900 microgramas L(-1) (R(2)= 0,999), os valores de LOD e LOQ foram 24 microgramas L(-1) e 80 microgramas L(-1), respectivamente. A recuperação na amostra simulada de água fortificada foi de 99,4 por cento mais ou menos 1,2. / [en] A photoluminescent turn-off probe was evaluated for the detection of Hg(2+) based on graphene quantum dots (GQDs). Different photoluminescent carbon nanoparticles were prepared using the bottom-up approach, with citric acid and with citric acid mixed with some sulfur compound (thiourea, thioacetamide or glutathione). Dispersions of these GQDs were compared in terms of photophysical behavoior in the presence of Hg(2+) . It was observed that the nanoparticles prepared with citric acid and thiourea (GQDs-TU) presented a better linear photoluminescent suppression (analytical response) in the presence of Hg(2+). Experimental conditions were adjusted to improve analytical response and to obtain analytical figures of merit. A study to evaluate potential interferences in the presence of other heavy metal ions and alkaline and alkaline-earth ions, commonly present in natural water samples. The normalized analytical curve (L0/L versus Hg(2+) concentration) was linear (R(2) = 0.998) up to 0.20 micrograms (L-1). The limit of quantification (LOQ) was 10 micrograms L(-1) and the limit of detection (LOD) was 3 micrograms L(-1) for the batch assay. In addition, the proposed strategy for indirect determination of Hg2+ was applied in a flow injection analysis system (FIA). After optimization of the assay, linear range covered a range up to 900 micrograms L(-1) (R(2) = 0.999) with LOD of 24 micrograms L(-1) and LOQ of 80 micrograms L(-1). The recovery in the fortified water sample was 99.4 percent.

[pt] s pontos quânticos de grafeno têm potencial para aplicações biológicas devido às suas propriedades ópticas e de tamanho nanométrico. Este estudo investigou por 28 dias (672 h) as interações de GQDs de diferentes precursores (ácido cítrico + ureia e ácido cítrico + tioacetamida) com biomoléculas modelo (albumina sérica humana - HSA) e DNA do timo de bezerro (ctDNA). Os GQDs-ureia mostraram estabilidade no diâmetro hidrodinâmico (12 nm) e carga superficial (-7 mV). Já os GQDs-tioacetamida apresentaram agregação progressiva de 5,0 nm iniciais para 22,7 nm após 28 dias, sem sedimentação devido à compensação de cargas preservando a dispersão coloidal. Ensaios revelaram supressão da fluorescência da HSA com aumentos na concentração dos GQDs. A constante de interação (Ki) GQDs-ureia oscilou inicialmente, estabilizando após 48 h. Para GQDs-tioacetamida houve menor flutuação de Ki ao longo de 672 h, indicando rearranjos conformacionais das biomoléculas com os GQDs antes do equilíbrio. A interação com o DNA, acompanhada por titulação absorciométrica no UV-Vis mostrou biointeração fraca de natureza hidrofóbica/eletrostática para ambos GQDs, com constantes de ligação aparentes (∼105 L mol−1). Ensaio com brometo de etídio revelou alterações na estrutura do DNA sem intercalação dos GQDs.Testes estatísticos confirmam a reprodutibilidade das interações dos GQDs com proteínas (HSA) e DNA no período de 28 dias (95 por cento de confiança). A estabilidade dos parâmetros de quantificação ao longo do tempo sugere a viabilidade dos GQDs como sondas analíticas após longos períodos de bioconjugação. Assim, o estudo apresenta bases metrologicamente sólidas para aplicação segura de GQDs em tecnologias biomédicas, expandindo o entendimento da relação tempo-estrutura-atividade nesses nanossistemas. / [en] Graphene quantum dots have potential for biological applications due to their optical properties and nanometric size. This study investigated for 28 days (672 h) the interactions of GQDs from different precursors (citric acid + urea and citric acid + thioacetamide) with model biomolecules (human serum albumin - HSA) and Calf thymus DNA (ctDNA). The GQDs-urea showed stability in hydrodynamic diameter (12 nm) and surface charge (- 7 mV). In contrast, GQDs-thioacetamide showed progressive aggregation from 5.0 nm initially to 22.7 nm after 28 days, without sedimentation due to charge compensation preserving colloidal dispersion. Tests revealed quenching of HSA fluorescence with increases in GQD concentration. The GQDs-urea interaction constant (Ki) fluctuated initially, stabilizing after 48 h. For GQDs-thioacetamide there was less fluctuation in Ki over 672 h, indicating conformational rearrangements of the biomolecules with the GQDs before equilibrium. Interaction with DNA monitored by UV-Vis photometric absorption titration showed weak bio-interaction of a hydrophobic/electrostatic nature for both GQDs, with apparent binding constants (∼105 L mol−1). Ethidium bromide assay revealed changes in DNA structure without intercalation of the GQDs. Statistical tests confirm the reproducibility of GQDs interactions with proteins (HSA) and DNA over 28 days (95 percent confidence). The stability of the quantification parameters over time suggests the viability of GQDs as analytical probes after long periods of bioconjugation. Thus, the study presents metrologically sound bases for the safe application of GQDs in biomedical technologies, expanding the understanding of the time-structure-activity relationship in these nanosystems.

Tesis por compendio / [ES] En los últimos años, la química se ha convertido en una herramienta esencial en la búsqueda de soluciones al cambio climático y la escasez de recursos. En este sentido, la catálisis ha desempeñado un papel importante en el desarrollo de materiales y procesos cada vez más limpios y eficientes. Dada la asequibilidad y la abundancia de materiales a base de carbono en comparación con los catalizadores tradicionales, como los metales preciosos y los óxidos metálicos, el grafeno es considerado un material prometedor para una amplia gama de aplicaciones. En este contexto, en la presente tesis doctoral se describe el empleo de poliestireno como precursor de grafeno, así como su uso para desarrollar un método general de exfoliación y formación de heterouniones con propiedades electrocatalíticas. Además, se describe otros materiales grafíticos, cuyas paredes están constituidas por unas pocas láminas de grafeno. Estos carbonos grafíticos 3D ultramicroporosos son capaces de promover reacciones como la oxidación aeróbica del alcohol bencílico o la ruptura fotocatalítica de la molécula del agua. / [CA] En els últims anys, la química s'ha convertit en una eina essencial en la recerca de solucions a el canvi climàtic i l'escassetat de recursos. En aquest sentit, la catàlisi ha tingut un paper important en el desenvolupament de materials i processos cada vegada més nets i eficients. Donada la assequibilitat i l'abundància de materials a base de carboni en comparació amb els catalitzadors tradicionals com ara els metalls preciosos i els òxids metàl·lics, el grafè és considerat un material prometedor per a una àmplia gamma d'aplicacions. En aquest context, en la present tesi doctoral es descriu l'ús de poliestirè com a precursor de grafè, així com el seu ús per a desenvolupar un mètode general d'exfoliació i formació de heterojuncions amb propietats electrocatalítiques. A més, es descriuen altres materials grafítics, les parets del quals estan constituïdes per unes poques làmines de grafè. Aquests carbonis grafítics 3D ultramicroporosos són capaços de promoure reaccions com l'oxidació aeròbica de l'alcohol benzílic o la ruptura fotocatalítica de la molècula d'aigua. / [EN] In the recent years, chemistry has become a crucial tool in the quest for solutions against climate change and resource scarcity. In this regard, catalysis plays an important role in the development of more efficient and sustainable materials and processes. Given the availability and low cost of carbon-based materials compared to traditional catalysts such as noble metals or metal oxides, graphene is considered a promising candidate for a wide variety of applications. In this context, the present doctoral thesis describes the use of polystyrene not only as graphene precursor but also as exfoliating agent to prepare heterojunctions with electrocatalytic properties. In addition, a general procedure to obtain graphitic materials comprising few layers graphene walls is also described. These ultramicroporous 3D graphitic carbons can promote the aerobic oxidation of benzilic acid or the photocatalytic water splitting reaction. / Rendón Patiño, A. (2021). Materiales a base de grafenos como foto-(electro)catalizadores para la generación de hidrógeno [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172379 / Compendio

[ES] La presente tesis doctoral ha mostrado la posibilidad de diseñar sitios activos de MOFs y materiales basados en grafeno para ser utilizados como catalizadores con actividad mejorada para reacciones de oxidación y condensación. Específicamente, el desarrollo de una combinación de metales MIL-101(Cr,Fe) ha dado como resultado un catalizador con actividad catalítica mejorada para la reacción de Prins entre ß-pineno y formaldehído con respecto al MIL-101(Cr) o el inestable MIL-101(Fe) en las condiciones de reacción estudiadas. La presencia de iones Fe3+ en los nodos metálicos del MIL-101(Cr, Fe) aumenta la densidad y la fuerza de los sitios ácidos de Lewis del material, mientras que la presencia de Cr+3 en los nodos metálicos proporciona estabilidad al catalizador. Además, esta Tesis ha demostrado que la presencia de grupos NO2 en el ligando orgánico tereftalato de MIL-101(Cr) aumenta la densidad y la fuerza de los sitios ácidos de Lewis del material. Por lo tanto, MIL-101(Cr)-NO2 exhibe una actividad catalítica superior para la síntesis de bencimidazoles a partir de o-fenilendiaminas y derivados de benzaldehído, así como para la oxidación aeróbica del tiofenol y la desulfuración oxidativa aeróbica de dibenzotiofenos. Esta Tesis también ha demostrado que la selección de un agente reductor apropiado como la hidroquinona para la preparación de rGO a partir de GO aumenta la densidad de los sitios activos para promover las oxidaciones aeróbicas de tiofenol e indano. / [CA] La present Tesi doctoral ha mostrat la possibilitat de dissenyar llocs actius de MOFs i materials basats en grafè per ser utilitzats com a catalitzadors amb activitat millorada per a reaccions d'oxidació i condensació. Específicament, el desenvolupament d'una combinació de metalls MIL-101(Cr,Fe) ha donat com a resultat un catalitzador amb activitat catalítica millorada per a la reacció de Prins entre ß-pinè i formaldehíd pel que fa a MIL-101(Cr) o l'inestable MIL-101(Fe) en les condicions de reacció estudiades. La presència de ions Fe3+ en els nodes metàl·lics de MIL-101(Cr,Fe) augmenta la densitat i la força dels llocs àcids de Lewis del material, mentre que la presència de Cr3+ en els nodes metàl·lics proporciona estabilitat al catalitzador. A més a més, aquesta Tesi ha demostrat que la presència de grups NO2 al lligam orgànic tereftalat de MIL-101(Cr) augmenta la densitat i la força dels llocs àcids de Lewis del material. Per tant, MIL 101(Cr)-NO2 exhibeix una activitat catalítica superior per a la síntesis de bencimidazols a partir de o-fenilendiamines i derivats de benzaldehid, així com per a l'oxidació aeròbica del tiofenol i la desulfuració oxidativa aeròbica de dibenzotiofens. Aquesta Tesi també ha demostrat que la sel·lecció d'un agent reductor apropiat com la hidroquinona per a la preparació de rGO a partir de GO augmenta la densitat dels llocs actius per a promoure les oxidacions aeròbiques de tiofenol i indano. / [EN] The present doctoral thesis has shown the possibility of engineering the active sites of MOFs and graphene-based materials as catalysts with enhanced activity for oxidation and condensation reactions. Specifically, the development of a mixed-metal MIL-101(Cr, Fe) has resulted in a catalyst with enhanced catalytic activity for the Prins reaction between ß-pinene and formaldehyde with respect to the use of MIL-101(Cr) or the unstable MIL 101(Fe) under the studied reaction conditions. The presence of Fe3+ ions in the metal nodes of the MIL-101(Cr, Fe) increases the density and strength of the Lewis acid sites of the material and the presence of Cr3+ in the metal nodes provides catalyst stability. Furthermore, this thesis has demonstrated that the presence of NO2 groups in the terephthalate organic ligand of MIL 101(Cr) increases the density and strength of Lewis acid sites of the material. Thus, MIL-101(Cr)-NO2 exhibits a superior catalytic activity for the synthesis of benzimidazoles from o-phenylenediamines and benzaldehyde derivatives, as well as for the aerobic oxidation of thiophenol and the aerobic oxidative desulfuration of dibenzothiophenes. This thesis has also shown that the selection of an appropriate reducing agent (such as hydroquinone) for the preparation of rGO from GO increases the density of active sites and promotes the aerobic oxidations of thiophenol and indane. / Financial support by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Severo Ochoa, CTQ2018-890237-CO2-R1 and Maria de Maeztu, CEX2019-000919-M), is gratefully acknowledged. Generalidad Valenciana is also thanked for funding (Prometeo 2017/083). S.N. thanks financial support by the Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades (RTI 2018-099482-A-100 project), Fundación Ramón Areces (XVIII Concurso Nacional para la Adjudicación de Ayudas a la Investigación en Ciencias de la Vida y de la Materia, 2016), and Generalitat Valenciana grupos de investigación consolidables 2019 (ref: AICO/2019/214) Project. E. G. thanks the ANR-11-LABEX-0039 (LabEx CHARM3AT) for financial support. M.G.-M thanks support from “la Caixa” Fundation (LCF/BQ/PI19/11690022) and Generalitat Valenciana (SEJI/2020/036). Financial support by the Spanish Ministry of Science and Innovation (Severo Ochoa and RTI2018-098237-CO21) and Generalitat Valenciana (Prometeo 2017/083) is gratefully acknowledged. / Vallés García, C. (2021). Engineering catalytic sites for oxidation and condensation reactions using metal-organic frameworks or graphene-based materials [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/175802

[ES] En la actualidad, el elevado consume energético y el aumento de la concentración de CO2 en la atmósfera han hecho necesaria la búsqueda de nuevas opciones para los procesos actuales. Una respuesta ha sido el aprovechamiento de la radiación solar para producir H2 a partir de la ruptura fotocatalítica del agua o la reducción del CO2 emulando a la naturaleza. Para ello, se propone el uso de materiales basados en carbono, de mayor abundancia y accesibilidad que los metales y óxidos metálicos. Además, un punto a tener en cuenta es la morfología, ya que haciendo uso del denominado "efecto de confinamiento" de los materiales 3D mejora notablemente la capacidad catalítica de los mismos. Es por esto por lo que, en la presente Tesis Doctoral, se ha desarrollado la posibilidad de obtener materiales grafénicos con estructuración tridimensional, presentado microporos en los que tiene lugar dicho efecto de confinamiento. De este modo, estos materiales son capaces de promover tanto la reacción de oxidación de la benzilamina como la reacción fotocatalítica de obtención de H2 a partir de agua y la de reducción de CO2. Concretamente, los materiales se han obtenido, por un lado, mediante el uso de agentes plantilla y la capacidad de recubrimiento de polisacáridos naturales como es el quitosano; y por otro, sin agentes plantilla, aprovechando la estructura de las ciclodextrinas como precursores del grafeno microporoso. Además, estos últimos materiales se han dopado con heteroátomos, en concreto fósforo, para mejorar la actividad fotocatalítica de estos materiales microporosos basados en carbono. / [CA] En l'actualitat, l'elevat consum energètic i l'augment de la concentració de CO2 en l'atmosfera han fet necessària la cerca de noves opcions per als processos actuals. Una resposta ha sigut l'aprofitament de la radiació solar per a produir H2 a partir de la ruptura fotocatalítica de l'aigua o la reducció del CO2 emulant a la naturalesa. Per a això, es proposa l'ús de materials basats en carboni, de major abundància i accessibilitat que els metalls i òxids metàl·lics. A més, un punt a tindre en compte és la morfologia, ja que fent ús del denominat "efecte de confinament" dels materials 3D millora notablement la capacitat catalítica d'aquests. És per això que, en la present Tesi Doctoral, s'ha desenvolupat la possibilitat d'obtindre materials grafénics amb estructuració tridimensional, presentat microporus en els quals té lloc aquest efecte de confinament. D'aquesta manera, aquests materials són capaços de promoure tant la reacció d'oxidació de la benzilamina com la reacció fotocatalítica d'obtenció d'H2 a partir d'aigua i la de reducció de CO2. Concretament, els materials s'han obtingut, d'una banda, mitjançant l'ús d'agents plantilla i la capacitat de recobriment de polisacàrids naturals com és el quitosan; i per un altre, sense agents plantilla, aprofitant l'estructura de les ciclodextrines com a precursors del grafé microporós. A més, aquests últims materials s'han dopat amb heteroàtoms, en concret fòsfor, per a millorar l'activitat fotocatalítica d'aquests materials microporosos basats en carboni. / [EN] Nowadays, the high energy consumption and the increase of the concentration of CO2 in the atmosphere have made it necessary to search for new options for the current processes. One possible answer has been the use of solar radiation to produce H2 from the overall photocatalytic water splitting or the photoreduction of CO2, by emulating nature. In this context, carbon-based materials, which are more abundant and accessible than metals and metal oxides, are proposed as catalysts. In addition, a point to take into account is the morphology, since making use of the so-called "confinement effect" of 3D materials significantly improves their catalytic capacity. This is the reason why, in this Doctoral Thesis, the possibility of obtaining graphene materials with three-dimensional structuring has been developed, presenting micropores in which this confinement effect takes place. In this way, these materials have been able to promote both the oxidation reaction of benzylamine and the photocatalytic reaction of obtaining H2 from water and the reduction of CO2. Specifically, the materials have been obtained, on the one hand, by using template agents and the coating capacity of natural polysaccharides such as chitosan; and on the other hand, without template agents, taking advantage of the structure of cyclodextrins as precursors of microporous graphene. In addition, the latter materials have been doped with heteroatoms, specifically phosphorus, to improve the photocatalytic activity of these carbon-based microporous materials. / El autor agradece el proyecto PID2021-126071OB-C21 financiado por MICINN/AEI /10.13039/501100011033/ a FEDER Una manera de hacer Europa, por la financiación recibida, y al Ministerio por la FPU que me ha permitido desarrollar estos 4 años de trabajo. / García Mulero, A. (2023). 3D Structured Graphenes as (Photo)Catalysts [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192544

[pt] Uma sonda fotoluminescente do tipo turn-on foi avaliada para a detecção de putrescina usando pontos quânticos de grafeno (GQDs). Diferentes nanopartículas de carbono fotoluminescentes foram preparadas usando a abordagem bottom-up, usando ácido cítrico como precursor, sozinho ou misturado com outros compostos contendo heteroátomos (N e/ou S) visando funcionalização da nanoestrutura. Observou- se que as nanopartículas preparadas com ácido cítrico e tioureia (GQDs-TU) apresentaram melhor perfil aumento da fotoluminescência (resposta analítica) na presença dessa amina biogênica. As condições experimentais foram ajustadas para o melhor perfil de resposta e para obter os parâmetros analíticos de mérito. No ensaio em batelada, a curva analítica normalizada (concentração L-L0 versus PUT) foi linear (R2 = 0,9498) até 90 mg L1 . O limite de quantificação (LOQ) foi de 15,1 mg L-1 e o limite de detecção (LOD) foi de 4,5 mg L-1 . Além disso, a estratégia proposta para a determinação indireta de putrescina foi adaptada para um sistema de análise por injeção em fluxo (FIA) a fim de aumentar a frequência analítica, diminuir os resíduos e automatizar a quantificação do analito. Após a otimização do ensaio, com a faixa linear cobrindo o intervalo até 50 mg L-1 (R2 = 0,9980), os valores de LOD e LOQ foram 3,0 mg L1 e 9,9 mg L-1 , respectivamente. / [en] A photoluminescent turn-on probe was evaluated for putrescine detection using graphene quantum dots (GQDs). Different photoluminescent carbon nanoparticles were prepared using a bottom-up approach, employing citric acid as a precursor, either alone or mixed with other compounds containing heteroatoms (N and/or S) for nanostructure functionalization. It was observed that the nanoparticles prepared with citric acid and thiourea (GQDs-TU) exhibited a more pronounced increase in photoluminescence (analytical response) when exposed to this biogenic amine. Experimental conditions were fine-tuned to optimize the response profile and obtain the analytical parameters of merit. In the batch assay, the normalized analytical curve (L-L0 concentration versus PUT) was linear (R2 = 0,9498) up to 90 mg L-1 . The limit of quantification (LOQ) was 15,1 mg L-1 and the limit of detection (LOD) was 4,5 g L-1 . Furthermore, the proposed strategy for the indirect determination of putrescine was adapted for a flow injection analysis (FIA) system to increase the analytical frequency, reduce waste, and automate analyte quantification. After optimization of the assay, with the linear range covering the range up to 50 mg L-1 (R2 = 0,9980), the LOD and LOQ values were 3,0 mg L-1 e 9,93 mg L-1 , respectively.