Orientador: René Alfonso Nome Silva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-25T09:25:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ferbonink_GuilhermeFerreira_M.pdf: 3339040 bytes, checksum: ef20418e159acb6b4683d177155e28be (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Nos últimos anos, várias descobertas vêm sendo realizada sobre como características intrínsecas de um dado sistema podem afetar a transferência eletrônica de energia. Um dos objetivos desta pesquisa é estudar experimentalmente como a estrutura vibrônica pode afetar a transferência eletrônica de energia em moléculas orgânicas segundo o modelo de Förster. Utilizando um sistema molecular com sobreposição espectral sobre bandas vibrônicas bem definidas, podemos verificar experimentalmente que o abaixamento da intensidade de emissão do doador unicamente nos comprimentos de onda de absorção do receptor caracteriza transferência de energia pelo modelo emissivo. Abaixamento da intensidade integrada de emissão caracteriza transferência de energia pelo mecanismo de Förster. A taxa de transferência de energia pelo mecanismo de Förster foi mais significativa quando a sobreposição espectral ocorre nas bandas vibrônica 0-1,0-2 ao invés da banda 0-0. Na segunda parte do trabalho realizado, aplicamos a técnica de absorção transiente para o estudo de nano prismas de ouro depositados sobre dois substratos diferentes. Neste trabalho, nós descrevemos a preparação e caracterização de matrizes isoladas de nanoprismas triangulares de ouro sobre o vidro contendo uma camada de ITO por litografia de nanoesferas. O espectro de absorção linear de Au / vidro e Au / ITO / vidro exibe ressonância de plásmon de superfície em 800 nm e 870 nm, com um deslocamento para o vermelho de 70 nm associado ao índice de refração de ITO. Foram realizadas medidas de espectroscopia de uma única cor de bombeio e prova com resolução temporal de 100 fs em comprimentos de onda inferiores a ressonância, em ressonância, e acima da ressonância de plásmon de superfície para cada um destes dois sistemas. A dinâmica ultra-rápida em ambos os sistemas pode ser bem descrita com um modelo que contabiliza o espalhamento elétron-elétron, o acoplamento elétron-fônon, e oscilações acústicas no término do resfriamento da estrutura de ouro. Os resultados para as nanopartículas de ouro, para cada um dos comprimentos de onda são bem descritos como tendo índice de refração complexo com dependência do comprimento de onda, que modula os sinais de bombeio e prova medidos / Abstract: Structure-property relationships for electronic energy transfer have been investigated in recent years. One of the goals of the present research is to perform an experimental study vibronic structure effects in electronic energy transfer between small organic molecules according to Forster¿s model. We have chosen organic molecules with well-defined spectral overlap between vibronic bands, which enabled us to experimentally characterize a decrease in donor emission intensity at the acceptor absorption wavelengths thereby indicating radiative energy transfer. A decrease in the emission integrated intensity characterizes energy transfer by the Forster mechanism. Forster energy transfer rates were higher when the spectral overlap involved 0-1 and 0-2 vibronic bands rather than 0-0 band. In the second part of this work, we have employed ultrafast transient absorption spectroscopy to investigated gold nano prisms deposited over two different substrates: Au over glass (Au/glass) and Au over ITO deposited on glass (Au/ITO/glass). In the present work, we describe the preparation and characterization of these two samples employing the nanosphere lithography technique. The linear absorption spectra of Au/glass and Au/ITO/glass respectively show surface plasmon resonances at 800 nm and 870 nm, with a 70nm redshift attributed to the ITO refractive index. We have performed femtosecond one-color pump-probe measurements with 100 fs time resolution below the surface plasmon resonance, at resonance, and above the surface plasmon resonance for each of these two systems. For both systems, the ultrafast dynamics can be well described with a model that takes into account electron-electron scattering, electron-phonon coupling, phonon-phonon coupling and acoustic damping. The wavelength-dependence observed can be explained in terms of the sample frequency-dependent complex refractive index which modulates the measured pump-probe signals / Mestrado / Físico-Química / Mestre em Química

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work the single-step/single-phase synthesis of hybrid organic-inorganic core-shell gold nanoparticles (AuNPs), facilitated by amino-functionalized amphiphilic block copolymers that simultaneously play the roles of reductant and stabilizer, was investigated in this study. Experiments were devised with emphasis on the pH-responsive poly(ethylene oxide)-b-poly(2,3-dihydroxypropyl methacrylate)-b-poly[2-(diisopropylamino)ethyl methacrylate] triblock copolymer, which allows direct chemical cross-linking of the micellar structures to be performed. The polymer structure-reactivity relationship associated with the AuNP formation was established using a set of six structurally related macromolecules. AuNP formation was dependent on the aqueous dissociation equilibrium involving tertiary amino groups, the Au(III) speciation, and electrochemical redox potentials. The effects of these parameters on the synthesis of AuNPs change as the solution pH is increased from pH 3.5 (molecularly dissolved polymer chains; no AuNP formation) to 6.8 or higher (polymer chains self-assembled into spherical micelles; stable gold sols are produced), and Au(III) reduction potentials shift toward the cathodic region whilst the oxidation potential of deprotonated amino groups decreases. Sigmoidal nanoparticle growth kinetics was observed in all cases after a characteristic induction period. Stable, well-defined, uniform polymer-coated gold colloids with localized surface plasmon resonance centered at 530 nm can be conveniently produced in one-pot, two-reactant, no work-up reactions when the stoichiometry is [N]/[Au] = 3.5 - 25.0. / Neste trabalho a síntese em única fase/etapa de nanopartículas de ouro híbridas orgânico-inorgânicas do tipo casca núcleo (AuNPs) facilitadas por copolímeros em bloco anfifílicos funcionalizados com grupos aminos e que simultaneamente atuam como agente redutor e estabilizante foi investigada. Os experimentos foram realizados com ênfase nas respostas frente ao pH do copolímero tribloco poli(óxido de etileno)-b-poli(metacrilato de 2,3-diidroxipropila)-b-poli(metacrilato de 2-(diisopropilamino)etila) e que permite a química direta de reticulação das estruturas micelares. A relação entre estrutura e reatividade do copolímero associada à formação das AuNPs foi estabelecida usando uma série de seis macromoléculas semelhantes aos blocos constituintes do copolímero. A formação das AuNPs é dependente do equilíbrio de dissociação envolvendo grupos aminos terciários, espécies de Au(III) e também do potencial eletroquímico redox. Os efeitos desses parâmetros levam a formação de AuNPs quando da mudança de pH de 3,5 (cadeias poliméricas dissolvidas não formam AuNPs) para pH 6,8 ou maior (polímero auto-organizado em micelas esféricas coloides estáveis de ouro são produzidos), e quando o potencial de redução dos íons Au(III) mudam para a região catódica e o potencial de oxidação dos grupos aminos desprotonados presentes no copolímero diminui. A cinética de crescimentos das AuNPs apresentou em todos os casos perfil sigmoidal após o período de indução característicos da síntese. Coloides de ouro estáveis, bem definidos e estabilizados pelo copolímero com ressonância plasmônica de superfície centrado em cerca de 530 nm foram produzidos em etapa única, dois reagentes, sem reações paralelas na estequiometria [N]/[Au(III)] entre 3,5 e 25.

Made available in DSpace on 2017-07-20T12:40:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosana M.pdf: 3183755 bytes, checksum: ceaa632c444d6daec2678d0f7fe428db (MD5) Previous issue date: 2016-02-23 / This thesis describes the use of self-assembled monolayers (SAM) for the development of biosensors based on horseradish peroxidase enzyme - HRP. In the first chapter, the enzyme was immobilized on self-assembled monolayers of thiolactic acid (Au-TLA) and mixed SAM composed of 11-mercaptoundecanoic acid (MUA) together with the TLA (SAMmix). The steps of construction and characterization of biosensors have been carried out by electrochemical techniques and morphological ones. The enzyme immobilization method on SAM which provided higher stability was by covalent bond. The Au/TLA/HRP biosensor was used for the determination of H2O2 by chronoamperometry, yielding a detection limit (DL) of 5.46 μmol L-1 and quantification (QL) of 18 μmol L-1. Despite the good results for the H2O2 detection presented by this biosensor, the device was stable for only 6 days. Therefore, in order to increase the stability of the biosensor, SAM containing both the mercaptoundecanoic acid molecule (MUA) and TLA was obtained, to the formation of SAMmix (Au/MUA:TLA). In this system, the electron transfer rate can be considerably affected because while the TLA enables an increase of SAMmix conductivity due to formation of “islands”, the MUA provides greater stability for HRP immobilization, although it partially blocks the surface. The biosensor Au-SAMmix-HRP prepared in the ratio 0.5: 1.0 MUA/TLA showed higher sensitivity compared to other modifications ratio, with an apparent Michaelis-Menten constant = 0.40 mmol L-1. This biosensor has been applied to the determination of hydroquinone (HQ) in the presence of a fixed amount of [H2O2] = 0.3 mmol L-1. By differential pulse voltammetry technique (DPV), the biosensor exhibited excellent electrocatalytic activity for HQ in the range 3-30 μmol L-1, with good sensitivity, DL = 1.26 μmol L-1 and QL = 4.23 μmol L -1. The SAMmix increased the stability of the biosensor for at least 15 days, which is more stable when compared to the biosensor Au/TLA/HRP. In the second chapter of this thesis, another strategy was used for immobilization of the HRP enzyme based on the formation of TLA monolayer on the top of gold nanoparticles (AuNPs) stabilized in the inorganic polymer, 3-n-propylpyridinium silsesquioxane chloride (SiPy+Cl-). The presence of AuNPs-SiPy+Cl- was confirmed by UV-Vis spectroscopy from the plasmon band at 521 nm. The AuNps showed good distribution with approximate size between 4-18 nm, evidenced by transmission electron microscopy (TEM) and by dynamic light scattering (DLS), with good stability (ζ = + 38.5 mV). The AuNPs were deposited on the glassy carbon electrode (GCE) and modified with the TLA for immobilization of HRP enzyme. The formation of this biosensor was confirmed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and morphologically by field-effect scanning electron microscopy (SEM-FEG). The GCE/AuNPs/TLA/HRP biosensor was used for the detection of H2O2 with = 0.46 mmol L-1, which was similar to the Au-SAMmix-HRP biosensor. This biosensor has been applied to the determination of catechol (CT) in presence of [H2O2] = 0.03 mmol L-1. Using the DPV technique, the biosensor showed an excellent electrocatalytic activity for CT in the range 6-46 μmol L-1, with good sensitivity, DL = 0.852 μmol L-1 and QL = 2.84 μmol L -1. The stability of this device was approximately 25 days, being superior to other biosensors developed (TLA-HRP and SAMmix-HRP), which can be attributed to the three-dimensional immobilization of HRP molecules in this device. / Esta tese descreve a utilização das monocamadas auto-organizadas (SAM) para o desenvolvimento de biossensores enzimáticos a base da enzima horseradish peroxidase – HRP. No primeiro capítulo, diferentes biossensores foram desenvolvidos utilizando a SAM de ácido tioláctico (Au/TLA) e também a SAM mista composta por ácido 11-mercaptoundecanóico (MUA) juntamente com o TLA (SAMmista). As etapas de construção e caracterização dos biossensores foram realizadas pelas técnicas eletroquímicas e também morfológicas. O método de imobilização da enzima sobre a SAM que proporcionou maior estabilidade foi pela ligação covalente. O biossensor Au/TLA/HRP foi utilizado para a detecção do H2O2 por cronoamperometria, obtendo-se um limite de detecção (LD) de 5,46 μmol L-1 e de quantificação (LQ) de 18 μmol L-1. Apesar dos bons resultados na detecção do H2O2 apresentados por este biossensor, o dispositivo foi estável por apenas 6 dias. Portanto, no intuito de aumentar a estabilidade do biossensor utilizou a molécula de ácido mercaptoundecanóico (MUA) juntamente com TLA, para a formação da SAMmista (Au/MUA:TLA). Neste sistema, a velocidade de transferência eletrônica é sensivelmente afetada, pois enquanto o TLA possibilita o aumento da condutividade da SAMmista devido a formação de “ilhas”, o MUA confere maior estabilidade à monocamada para a imobilização da enzima HRP, apesar de bloquear parcialmente a superfície. O biossensor Au/SAMmista/HRP preparado na razão 0,5:1,0 MUA:TLA apresentou a melhor sensibilidade em comparação as outras modificações, com uma constante de Michaelis-Menten aparente, = 0,40 mmol L-1. Este biossensor foi aplicado na detecção da hidroquinona (HQ) na presença de uma quantidade fixa de [H2O2] = 0,3 mmol L-1. Pela técnica de voltametria de pulso diferencial (VPD), o biossensor exibiu uma excelente atividade eletrocatalítica para HQ na faixa de 3 a 30 μmol L-1, com boa sensibilidade, LD = 1,26 μmol L-1 e o LQ = 4,23 μmol L-1. A SAMmista aumentou a estabilidade do biossensor para 15 dias, sendo este mais estável quando comparado ao biossensor Au/TLA/HRP. No segundo capítulo da tese, outra estratégia para a imobilização da enzima HRP sobre o TLA foi realizada a partir de nanopartículas de ouro (AuNps) estabilizadas no cloreto de 3-n-propilpiridínio silsesquioxano (SiPy+Cl-). A presença das AuNps-SiPy+Cl- foi confirmada pela Espectroscopia UV-Vis a partir da banda plasmon em 521 nm, as quais apresentaram boa distribuição com tamanho aproximado entre 4 a 18 nm, constatado pela microscopia eletrônica de transmissão (MET) e por espalhamento dinâmico de luz (DLS), apresentando boa estabilidade (ζ = + 38,5 mV). As AuNps foram incorporadas sobre o eletrodo de carbono vítreo (ECV) e modificadas com o TLA para imobilização da enzima HRP. A formação deste biossensor foi comprovada pela espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e morfologicamente pela microscopia de varredura de efeito de campo (MEV-FEG). O biossensor ECV/AuNps/TLA/HRP foi utilizado na detecção do H2O2 com = 0,43 mmol L-1, sendo próxima ao biossensor Au-SAMmista-HRP. Este biossensor foi aplicado na detecção do catecol (CT) na presença de [H2O2] = 0,03 mmol L-1. Pela técnica de VPD, o biossensor exibiu uma excelente atividade eletrocatalítica para CT na faixa de 6 a 46 μmol L-1, com boa sensibilidade, LD = 0,852 μmol L-1 e o LQ = 2,84 μmol L-1. A estabilidade deste dispositivo é de 25 dias, sendo superior aos outros biossensores desenvolvidos (TLA/HRP e SAMmista/HRP) devido a imobilização ocorrer tridimensionalmente aumentando a quantidade de moléculas da TLA e HRP no dispositivo.

In this study, we used anisotropic gold nanoparticles (AuNPs) dispersed in castor oil and immobilized in hydrogenated castor oil, for the construction of a material to be used in Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS-active substrate). The AuNPs synthesized were characterized by absorption spectroscopy in the Ultraviolet-visible region (UV-vis), where it was possible to observe a displacement of the absorption band after preparation of the substrate, from 650 to 690 nm, and by Transmission Electron Microscopy (TEM), which showed obtaining AuNPs with star shape and average size of 100 nm. To investigate the potential SERS applications, the obtained substrates were tested using the sulfur molecules of 4-aminothiophenol (4-ATP), benzothiophene (BTF), thiophene (TF), cysteamine and cysteine as probe molecules. The SERS spectra were obtained by analyzing the substrate after the immersion, for 24 h, in solutions with different concentrations of probe molecules. Using 4-ATP as a probe molecule it was possible to obtain SERS spectra with a concentration range of 2,88x10-2 to 1x10-10 mol L-1, with BTF and TF it was possible to increase its Raman bands from 1x10-1 to 1x10-6 mol L-1. Cysteamine and cysteine were also used as probe molecules, but with only one concentration, 1x10-1 and 5x10-2 mol L-1, respectively. The results showed that the developed material has interesting sites with SERS activity, allowing us to study its interaction with different probe molecules, so it can be applied to different areas, both in qualitative and quantitative analysis, even for molecules in solutions with very small concentrations. The obtained substrate presented EF of the order of 102 to 103. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho, foram utilizadas nanopartículas anisotrópicas de ouro (AuNPs), dispersas em óleo de mamona e imobilizadas em óleo de mamona hidrogenado, para a construção de um material para ser utilizado em Espectroscopia Raman Intensificada por Superfície (substrato SERS-ativo). As AuNPs sintetizadas foram caracterizadas por espectroscopia de absorção na região do Ultravioleta-visível, onde foi possível a observação de um deslocamento da banda de absorção após a preparação do substrato, de 650 para 690 nm, e por Microscopia Eletrônica de Transmissão, as quais mostraram a obtenção de AuNPs na forma de estrelas com tamanho médio de 100 nm. Para a investigação de possíveis aplicações na área de SERS, o substrato obtido foi testado utilizando as moléculas sulfuradas: 4-aminotiofenol (4-ATP), benzotiofeno (BTF), tiofeno (TF), cisteamina e cisteína, como moléculas sonda de interesse. Os espectros SERS foram obtidos através da análise dos substratos após a imersão, por 24 h, em soluções com diferentes concentrações das moléculas sonda. Utilizando o 4-ATP como molécula sonda foi possível a obtenção de espectros SERS com uma faixa de concentração de 2,88x10-2 até 1x10-10 mol L-1, com o BTF e TF foi possível a ampliação de suas bandas Raman de 1x10-1 à 1x10-6 mol L-1. Foram utilizadas também cisteamina e cisteína como moléculas sonda, porém com apenas uma concentração, 1x10-1 e 5x10-2 mol L-1, respectivamente. Os resultados mostraram que o material desenvolvido possui sítios com atividade SERS, o que nos permitiu estudar sua interação com diferentes moléculas sonda, assim podendo ser aplicado em diversas áreas, tanto para análise qualitativa quanto quantitativa, mesmo para moléculas em soluções com concentrações muito pequenas. O substrato obtido apresentou EF da ordem de 102 a 103.

Made available in DSpace on 2016-03-15T19:38:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rafael Euzebio Pereira de Oliveira.pdf: 2811606 bytes, checksum: 24b62fb14019ae86cc9e69acbf481604 (MD5) Previous issue date: 2014-08-18 / Nonlinear effects are essential for the construction of photonic devices such as modulators, optical switches and frequency converters. Aiming at the development of devices for optical frequency conversion and the generation of nonclassical states of light in photonic chips, this thesis presents the design and simulation of a frequency converter based on second harmonic generation controlled by static electric field in a silicon nitride ring resonator. The developed simulation appraises conversion efficiencies up to -8.25 dB with the advantage to provide an electrical interface to control the conversion. Optical fiber based devices are also within the scope of the thesis and a new technique is presented for manufacturing optical fibers with enhanced nonlinear response by the presence of metallic gold nanoparticles. The manufactured fibers are based on silica that is doped with aluminum and gold in the core, offering full compatibility and integration with conventional optical fibers. The nanoparticles were created by annealing in an oven or by heating with a CO2 laser beam, which offers unprecedented control over particle size and density in optical fibers. Compared to previously reported fibers with gold nanoparticles, higher concentration of nanoparticles were obtained which was estimated by the plasmonic absorption peak exceeding 800 dB/m and by a consequent increasing in the nonlinear refractive index of at least 50x under continuous wave excitation, achieving values of n2=(6,75±0,55)×10-15 m²/W. The development of these fibers and the design of the on chip frequency converter provide platforms for the development of efficient and integrated devices in fiber based optical systems and in photonic chips. / Efeitos não lineares são essenciais para construção de dispositivos fotônicos como moduladores, chaves ópticas e conversores de frequências. Esta tese apresenta o projeto e a simulação de um conversor de frequências baseado na geração de segundo harmônico controlado por campo elétrico estático em um ressonador em anel de nitreto de silício, visando o desenvolvimento de dispositivos para conversão de frequências ópticas e geração de estados não clássicos da luz em chips fotônicos. A simulação desenvolvida prevê eficiência de conversão de até -8,25 dB com o diferencial de oferecer uma interface elétrica no controle de conversão. Dispositivos baseados em fibras ópticas também são visados nesta tese e uma nova técnica para fabricação de fibras ópticas com resposta não linear aumentada pela presença de nanopartículas metálicas de ouro é apresentada. As fibras fabricadas são baseadas em sílica com dopagem de alumínio e ouro no núcleo, possuindo total compatibilidade de integração com fibras ópticas convencionais. As nanopartículas foram sintetizadas através de tratamentos térmicos em forno ou aquecimento com feixe laser de CO2, obtendo-se um controle sem precedentes das dimensões e densidade de nanopartículas em fibras ópticas. Comparadas às fibras previamente reportadas na literatura, foram obtidas maiores concentrações de nanopartículas estimadas por picos de absorções plasmônicas maiores que 800 dB/m e por um consequente aumento no índice de refração não linear de pelo menos 50x no regime de onda contínua, obtendo-se valores de n2=(6,75±0,55)×10-15 m²/W. O desenvolvimento dessas fibras e o projeto do ressonador em anel para conversão de frequências oferecem plataformas para o desenvolvimento de dispositivos eficientes e integrados para sistemas ópticos baseados em fibras ópticas e em chips fotônicos.