FREIRE, Rafael Melo. Magnetic nanoparticles and carbon quantum dots: interdisciplinary nanoparticles for sensing and/or education. 182 f. 2016. Tese (Doutorado em Química)-Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016. / Submitted by Jairo Viana (jairo@ufc.br) on 2017-04-04T18:36:04Z No. of bitstreams: 1 2016_tese_rmfreire.pdf: 11804231 bytes, checksum: 1a676a521f06fad619e4adfb61cc2a45 (MD5) / Approved for entry into archive by Jairo Viana (jairo@ufc.br) on 2017-04-04T18:36:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2016_tese_rmfreire.pdf: 11804231 bytes, checksum: 1a676a521f06fad619e4adfb61cc2a45 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-04T18:36:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2016_tese_rmfreire.pdf: 11804231 bytes, checksum: 1a676a521f06fad619e4adfb61cc2a45 (MD5) Previous issue date: 2016 / In this work, a sensing strategy for detection and identification of proteins with magnetic nanoparticles (MNPs) and carbon quantum dots (CQDs) was developed. In this sense, mixed ferrites of general formula M0.5Zn0.5Fe2O4 (M=Mn or Ni) were first investigated. Therefore, the hydro/solvothermal synthesis of these magnetic nanoparticles was performed under different conditions (solvent, reaction time and base concentration). Based on the magnetic properties of the two MNPs investigated, the mixed ferrite of formula Mn0.5Zn0.5Fe2O4 (MnZn) synthesized using water showed the greatest potential for sensing. Since among all synthesized MNPs, this sample displayed the highest saturation magnetization value ( M S  50 emu/g), lower crystallite size around 12 nm and superparamagnetic behavior. Once the first part of the doctoral thesis was concluded, the next step was to find a fluorescence probe. In this regard, it was performed the synthesis, as well as the application of branched poliethylenimine-functionalized carbon quantum dots (CQDs.BPEI). These new carbon-based nanoparticles were found to be protein-responsive. Since CQDs.BPEI were able to detect eight different proteins (four metallic and four non-metallic) even using concentrations in the range of 5 – 40 nM. Fluorescence titrations performed at 298 and 310 K displayed the fluorescence quenching through collisional mechanism. Therefore, it was also possible to conclude that the fluorescence quench comes from the amino acid residues on the surface of the proteins. To further check the potential of the CQDs.BPEI, it was developed a “nose” based methodology to identify proteins. Using materials as cheap as Cu2+ and ethylenediaminetetraacetic acid, the chemical “nose” approach was able to discriminate six different proteins at 40 nM concentration in phosphate buffered saline (PBS, pH 7.4). The identification accuracy of the random unknown set was 90% with all misclassification occurring for albumin proteins (e.g., Bovine Serum Albumin and Human Serum Albumin). The displayed results evidence the great potential of CQDs.BPEI as a protein-responsive probe to detect and identify proteins. Taken together, MnZn and CQDs.BPEI were capable to build up a powerful protein sensing approach. In addition, realizing the great potential of CQDs in the educational field, it was also developed and successfully applied (for more than 70 students from biotechnology, pharmacy, engineers and geology courses) a lab experiment to demonstrate lightrelated quantum phenomena. / Neste trabalho, uma estratégia para detecção e identificação de proteínas incluindo nanopartículas magnéticas (MNPs) e pontos quânticos de carbono (CQDs) foi desenvolvida. Assim, ferritas mistas de fórmula M0.5Zn0.5Fe2O4 (M=Mn or Ni) foram inicialmente investigadas. Neste sentido, suas sínteses foram feitas utilizando diferentes condições (solvente, tempo reacional e concentração de base). Logo, baseado nas propriedades magnéticas das MNPs sintetizadas, escolheu-se a Mn0.5Zn0.5Fe2O4 (MnZn) sintetizada em água por mostrar grande potencial, uma vez que essa amostra apresentou alto valor de magnetização de saturação ( M S  50 emu/g) em comparação com outras ferritas de composição semelhante, baixo tamanho de cristalito por volta de 12 nm e comportamento superparamagnético. Com a primeira parte do trabalho concluída, a próxima etapa foi encontrar uma sonda fluorescente. Assim, realizou-se a síntese dos CQDs funcionalizados com grupamentos amina (CQDs.BPEI). Quando testada contra 8 diferentes proteínas (4 metálicas e 4 não-metálicas), apresentou variação da emissão para concentrações na faixa de 5 – 40 nM. Titulações fluorescentes também foram realizadas e observou-se que a supressão da fluorescência ocorre via mecanismo colisional a partir de resíduos aminoácidos na superfície da proteína. Para adicionalmente checar o potencial dos CQDs.BPEI, foi desenvolvida abordagem para identificar proteínas utilizando materiais Cu2+ e o ácido etilenodiamino tetraacético. No total, a estratégia desenvolvida foi capaz de identificar corretamente 6 diferentes proteínas a 40 nM. A precisão da identificação encontrada foi 90% para as amostras desconhecidas. Contudo, vale ressaltar que os 10% de engano foram apenas entre BSA e HSA, duas proteínas albumínicas muito similares. Os resultados obtidos nessa parte do trabalho evidenciam o alto potencial de CQDs.BPEI para detecção e identificação de proteínas. Observando os resultados do trabalho como um todo, pode-se afirmar que MnZn e CQDs.BPEI são capazes de compor excelente abordagem para detecção e identificação de proteínas. Adicionalmente, foi explorada a utilidade dos CQDs para o campo educacional. Dessa forma, foi também desenvolvido e aplicado (mais de 70 estudantes de graduação oriundos dos cursos de biotecnologia, farmácia, engenharias e geologia) um experimento de laboratório para demonstrar fenômenos quânticos relacionados com a luz.

Submitted by ANA KARLA PEREIRA RODRIGUES (anakarla_@hotmail.com) on 2017-08-01T17:03:36Z No. of bitstreams: 1 arqivototal.pdf: 5257107 bytes, checksum: a3f902aafc4de8ccb68742fb34fb37df (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-01T17:03:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arqivototal.pdf: 5257107 bytes, checksum: a3f902aafc4de8ccb68742fb34fb37df (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / In this work, a novel fluorescence method using flow-batch analysis for the determination of copper in edible oil, employing carbon quantum dots (CDs) was developed. The in-line single-phase extraction of iron consisted of the addition of a mixture of isopropyl alcohol/chloroform (70:30, v/v) to dissolve the oil samples. Moreover, an eco-friendly, simple, and low-cost hydrothermal method was developed for preparation of water-soluble fluorescent carbon quantum dots using pineapple juice as carbon precursors. The fluorescence properties of CDs were examined by fluorescent detection of Cu(II) in oil. Their photoluminescence can be significantly quenched by simply using the buffer solution PBS of pH 4.0. This mechanism was presumably explained by the interactions between the surface groups of CDs with metal ions studied. Concerning the flow-batch analysis a new mixing chamber was developed in polytetrafluoroethylene provided with quartz windows in order to allow the excitation and fluorescence detection online. For this, an LED UV was used as the excitation source and a portable spectrofluorometer as detector. The limits of detection and relative standard deviation were estimated as 2.9 μg L−1 and < 2.5 % (n=3). The analysis of interfering was successful for the major ions present in solution, revealing significant percentage interference (≤ 5 %).The precision of the method was evaluated by recovery test (96 to 106 %). The robustness of the method was evaluated by intra- and inter- day comparison of the results obtained and using the reference method with detection by atomic absorption graphite furnace at a 95% level of statistical confidence. Finally, the system showed quite satisfactory analytical frequency (60 h–1) and considerably reducing the consumption of chemicals. Thus, it is demonstrated appreciably the viability of new fluorescent method, thus allowing the development of new analytical strategies employing potentially useful carbon quantum dots and flow-batch analyzer. / Neste trabalho foi desenvolvido um novo método automático em fluxo-batelada baseado em pontos quânticos de carbono (PQCs) para determinação fluorescente de cobre(II) em óleos comestíveis. O método analítico proposto apresenta como estratégia de pré-tratamento da amostra a disponibilização on-line do cobre por meio de extração em fase única utilizando uma mistura de solventes álcool isopropílico/clorofórmio na proporção 70:30 (v/v). Para a preparação dos PQCs, foi empregado o tratamento hidrotérmico, simples e de baixo custo, do suco de abacaxi, como bioprecursor. Foi constatado que a fluorescência dos PQCs pode ser significativamente reduzida na presença do Cu(II) simplesmente utilizando um tampão PBS pH 4,0. O mecanismo de extinção da fluorescência pode ser atribuído as interações entre os grupos presentes na superfície dos PQCs com os íons Cu(II). Concernente ao sistema automático fluxo-batelada uma nova câmara de mistura foi construída em politetrafluoretileno, provida de três janelas de quartzo, com o objetivo de permitir a excitação e aquisição dos espectros de fluorescência on-line. Para isso, foi utilizado um LED-ultravioleta como fonte de excitação e um espectrofluorímetro portátil como detector. Os limites de detecção e os desvios padrão relativo foram estimados como sendo 2,9 μg L–1 e < 2,5 % (n = 3), respectivamente. A análise de íons interferentes foi realizada com êxito para os principais íons metálicos presentes na matriz da amostra, não revelando interferência percentual significativa (≤ 5 %). A exatidão do método foi avaliada através do teste de recuperação (96 a 106 %). A robustez do método foi avaliada por comparação intra e inter-dia dos resultados obtidos e empregando o método de referência com detecção por absorção atômica em forno de grafite, a um nível de 95% de confiança estatística. Por fim, o sistema apresentou frequência analítica bastante satisfatória (60 h–1) com uma redução considerável do consumo de produtos químicos. Desta forma, é evidenciado de modo apreciável a viabilidade do novo método fluorescente, permitindo, dessa maneira, o desenvolvimento de novas estratégias analíticas potencialmente úteis baseadas em nanopartículas de carbono e automação em sistemas fluxo-batelada.