Orientador: Antonio Riul Júnior / Banca: Cleber Renato Mendonça / Banca: Nilson Cristino da Cruz / O Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais, PosMat, tem caráter institucional e integra as atividades de pesquisa em materiais de diversos campi da Unesp / Resumo: Fabricamos neste trabalho microcanais em uma matriz de PDMS para otimização de uma configuração que permita, futuramente, a inserção de eletrodos interdigitados no interior dos mesmos para a integração da "língua eletrônica" que estamos trabalhando ao longo dos últimos anos com dispositivos "lab-on-a-chip". O objetivo final é a fabricação de um sensor "tongue-on-a-chip", não havendo nada similar na literatura até o presente momento, tendo-se em vista, principalmente, o potencial de aplicação de ambos dispositivos ("língua eletrônica" e "lab-on-a-chip"). Neste sentido, esta dissertação torna-se uma chave importante para o desenvolvimento de uma tecnologia nova e com forte apelo comercial. Como a fabricação dos microcanais envolve técnicas e equipamentos de litografia que não dispomos em nossos laboratórios, estendemos colaborações com o laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS - através de um projeto específico nessa linha de atuação), onde fabricamos os microcanais e eletrodos interdigitados envolvidos neste trabalho. Como é a primeira vez que a microfluídica está sendo aplicada em dispositivos do tipo "língua eletrônica", tivemos um trabalho minucioso de verificação das melhores condições envolvidas na fabricação dos dispositivos. As medidas em fluxo no interior dos microcanais mostraram-se mais rápidas e eficientes que as estáticas utilizadas anteriormente, e, adicionalmente à redução no volume das amostras analisadas com os microcanais, necessitamos ainda de um refinamento para aplicações futuras (análises clínicas e biológicas, controle ambiental, análise de bebidas...), pois o maior empecilho encontrado até o momento tem sio a selagem do dispositivo devido à deposição de filmes ultrafinos sobre os eletrodos metálicos, que esperamos resolver em trabalhos futuros. / Abstract: In this work microchannels were fabricated in a PDMS matrix to optimize a configuration that allows, in future works, the insertion of interdigitated electrodes into the microchannel for the integration of the electronic tongue that we have being working in the last couple of years with lab-on-a-chip devices. The final goal is the fabrication of a tongue-on-a-chip sensor, having nothing similar in the literature up to date, bearing in mind the high potential of application of both devices (electronic tongue and lab-on-a-chip). In that sense, this Msc work becomes an important key to the development of a new technology with strong commercial appeal. As the microchannel fabrication needs equipments and techniques not available in our laboratory, we extend the collaboration with the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS - throughout a specific project in this area) where the microchannels and interdigitated electrodes were fabricated. As it is the first time microfluidic is applied in e-tongue sensors, we did a detailed work verifying the best conditions involved in the device fabrication. Flow measurements inside the microchannels shown to be faster and more efficient than the static ones previously made, and, besides the volume reduction of the samples analysed with the microchannels, we still need a refinement for future applications (clinical and biological analysis, environmental control, beverage analysis, ...), as the major problem has being the sealing of the device due to the deposition of ultra-thin films onto the interdigitated electrodes, which we hope to solve in future works. / Mestre

Filmes finos de dióxido de titânio (TiO2), ácido poli(vinil sulfônico) (PVS) e oxo-hidroxo de tungstênio (WOxHy) foram preparados a partir do método de automontagem Layer-by-Layer (LbL), permitindo um alto controle de espessura e nanoarquitetura. As propriedades de armazenamento e transporte de íons lítio foram investigadas visando à utilização destes materiais em baterias secundárias e dispositivos eletrocrômicos. Foram utilizadas as técnicas de microscopia de força atômica (AFM), voltametria cíclica, cronoamperometria, titulação galvanostática intermitente (GITT), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e espectroscopia eletrônica. Os filmes apresentaram boa ciclabilidade e reversibilidade química nos processos de intercalação/desintercalação de íons lítio. Os filmes TiO2, TiO2/PVS e TiO2/WOxHy apresentaram carga reversível de 254 mC.cm-3, 260 mC.cm-3 e 296 mC.cm-3, respectivamente, e eficiência eletrocrômica de 30,9 cm2.C-1, 26,1 cm2.C-1 e 24,9 cm2.C-1, respectivamente, sob a incidência de radiação eletromagnética monocromática em 660 nm. Finalmente, valores do coeficiente de difusão de íons lítio foram determinados e relacionados com as capacidades específicas e com a velocidade da frente de onda colorida, a partir do modelo proposto neste trabalho. / Thin films of titanium dioxide (TiO2), poly(vinyl sulfonic acid) (PVS) and tungsten oxo-hydroxy (WOxHy) were prepared using the Layer-by-Layer (LbL) method, allowing for strict control of its thickness and nanoarchitecture. The properties of these films concerning lithium ion transport and storage were investigated, so that these materials can be applied in secondary batteries and electrochromic devices in the future. The films were characterized by atomic force microscopy (AFM), cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry, galvanostatic intermittent titration technique (GITT), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and electronic spectroscopy. The films presented good chemical cyclability and reversibility regarding the Li+ insertion and deinsertion process. TiO2, TiO2/PVS, and TiO2/WOxHy films presented reversible charge about 254 mC.cm-3, 260 mC.cm-3, and 296 mC.cm-3, respectively, and coloration efficiency under 660 nm radiation of 30.9 cm2.C-1, 26.1 cm2.C-1, and 24.9 cm2.C-1, respectively. Finally, lithium ion diffusion coefficients can be determined and related with specific capacities and diffusion of coloring waves using the model proposed in this work.

O presente trabalho está direcionado à pesquisa básica de novos materiais com propriedades adequadas para armazenamento de íons lítio e aplicação em dispositivos eletrocrômicos. Realizou-se uma investigação eletroquímica de nanocompósitos automontados à base de hexaniobato (H2K2Nb6O17)/polialilamina (PAH), além da sua morfologia e os efeitos gerados pelo transporte iônico e eletrônico nas propriedades eletrocrômicas, visando um melhor entendimento dos processos envolvidos em eletrodos com alta eficiência eletrocrômica. Filmes finos foram crescidos a partir do método de automontagem layer-by-layer (LbL), o que permite o controle da espessura e nanoarquitetura, de forma a aumentar a velocidade de difusão de íons lítio na matriz H2K2RNb6O17/PAH, que corresponde a velocidade limitante da reação. Propõe-se um novo método para a determinação do coeficiente de difusão óptico de íons lítio nestes filmes, baseado na Técnica de Titulação Galvanostática Intermitente (GITT). Eletrodos modificados como H2K2Nb6O17, obtidos a partir dos métodos dip-coating e casting também foram examinados para uma melhor compreensão a respeito da intercalação dos íons lítio na matriz hospedeira. / This work is devoted to the basic research of new materials with properties suitable for storage of lithium ions and application in electrochromic devices. An electrochemical investigation of self-assembled nanocomposites based on hexaniobate (H2K2Nb6O17) / poly(allylamine hydrochloride) (PAH) was performed, as well as their morphology and the effects generated by the electronic and ionic transports on the electrochromic properties, aiming at a better understanding of the processes involved in electrodes with high electrochromic efficiency. Thin films were grown by means of the layer-by-layer (LBL) self-assembly method, which enables the control of thickness and nanoarchitecture in order to increase the diffusion speed of lithium ions in the matrix H2KR2Nb6O17/PAH that corresponds to the limiting-rate step of the reaction. A new method, based on the Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT), was proposed for determining the optical diffusion coefficient of lithium ions in the films. H2KR2Nb6O17 modified electrodes obtained from the dip-coating and casting methods were also examined for a better understanding on the intercalation of lithium ions in the host matrix.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:23:08Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2009-06-25Bitstream added on 2014-06-13T20:30:01Z : No. of bitstreams: 1 dantas_car_me_bauru.pdf: 1072201 bytes, checksum: 3b91c91a3b84d11cccc4310009eed914 (MD5) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Fabricamos neste trabalho microcanais em uma matriz de PDMS para otimização de uma configuração que permita, futuramente, a inserção de eletrodos interdigitados no interior dos mesmos para a integração da língua eletrônica que estamos trabalhando ao longo dos últimos anos com dispositivos lab-on-a-chip. O objetivo final é a fabricação de um sensor tongue-on-a-chip, não havendo nada similar na literatura até o presente momento, tendo-se em vista, principalmente, o potencial de aplicação de ambos dispositivos (língua eletrônica e lab-on-a-chip). Neste sentido, esta dissertação torna-se uma chave importante para o desenvolvimento de uma tecnologia nova e com forte apelo comercial. Como a fabricação dos microcanais envolve técnicas e equipamentos de litografia que não dispomos em nossos laboratórios, estendemos colaborações com o laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS - através de um projeto específico nessa linha de atuação), onde fabricamos os microcanais e eletrodos interdigitados envolvidos neste trabalho. Como é a primeira vez que a microfluídica está sendo aplicada em dispositivos do tipo língua eletrônica, tivemos um trabalho minucioso de verificação das melhores condições envolvidas na fabricação dos dispositivos. As medidas em fluxo no interior dos microcanais mostraram-se mais rápidas e eficientes que as estáticas utilizadas anteriormente, e, adicionalmente à redução no volume das amostras analisadas com os microcanais, necessitamos ainda de um refinamento para aplicações futuras (análises clínicas e biológicas, controle ambiental, análise de bebidas...), pois o maior empecilho encontrado até o momento tem sio a selagem do dispositivo devido à deposição de filmes ultrafinos sobre os eletrodos metálicos, que esperamos resolver em trabalhos futuros. / In this work microchannels were fabricated in a PDMS matrix to optimize a configuration that allows, in future works, the insertion of interdigitated electrodes into the microchannel for the integration of the electronic tongue that we have being working in the last couple of years with lab-on-a-chip devices. The final goal is the fabrication of a tongue-on-a-chip sensor, having nothing similar in the literature up to date, bearing in mind the high potential of application of both devices (electronic tongue and lab-on-a-chip). In that sense, this Msc work becomes an important key to the development of a new technology with strong commercial appeal. As the microchannel fabrication needs equipments and techniques not available in our laboratory, we extend the collaboration with the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS - throughout a specific project in this area) where the microchannels and interdigitated electrodes were fabricated. As it is the first time microfluidic is applied in e-tongue sensors, we did a detailed work verifying the best conditions involved in the device fabrication. Flow measurements inside the microchannels shown to be faster and more efficient than the static ones previously made, and, besides the volume reduction of the samples analysed with the microchannels, we still need a refinement for future applications (clinical and biological analysis, environmental control, beverage analysis, ...), as the major problem has being the sealing of the device due to the deposition of ultra-thin films onto the interdigitated electrodes, which we hope to solve in future works.

O presente trabalho está direcionado à pesquisa básica de novos materiais com propriedades adequadas para armazenamento de íons lítio e aplicação em dispositivos eletrocrômicos. Realizou-se uma investigação eletroquímica de nanocompósitos automontados à base de hexaniobato (H2K2Nb6O17)/polialilamina (PAH), além da sua morfologia e os efeitos gerados pelo transporte iônico e eletrônico nas propriedades eletrocrômicas, visando um melhor entendimento dos processos envolvidos em eletrodos com alta eficiência eletrocrômica. Filmes finos foram crescidos a partir do método de automontagem layer-by-layer (LbL), o que permite o controle da espessura e nanoarquitetura, de forma a aumentar a velocidade de difusão de íons lítio na matriz H2K2RNb6O17/PAH, que corresponde a velocidade limitante da reação. Propõe-se um novo método para a determinação do coeficiente de difusão óptico de íons lítio nestes filmes, baseado na Técnica de Titulação Galvanostática Intermitente (GITT). Eletrodos modificados como H2K2Nb6O17, obtidos a partir dos métodos dip-coating e casting também foram examinados para uma melhor compreensão a respeito da intercalação dos íons lítio na matriz hospedeira. / This work is devoted to the basic research of new materials with properties suitable for storage of lithium ions and application in electrochromic devices. An electrochemical investigation of self-assembled nanocomposites based on hexaniobate (H2K2Nb6O17) / poly(allylamine hydrochloride) (PAH) was performed, as well as their morphology and the effects generated by the electronic and ionic transports on the electrochromic properties, aiming at a better understanding of the processes involved in electrodes with high electrochromic efficiency. Thin films were grown by means of the layer-by-layer (LBL) self-assembly method, which enables the control of thickness and nanoarchitecture in order to increase the diffusion speed of lithium ions in the matrix H2KR2Nb6O17/PAH that corresponds to the limiting-rate step of the reaction. A new method, based on the Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT), was proposed for determining the optical diffusion coefficient of lithium ions in the films. H2KR2Nb6O17 modified electrodes obtained from the dip-coating and casting methods were also examined for a better understanding on the intercalation of lithium ions in the host matrix.

Filmes finos de dióxido de titânio (TiO2), ácido poli(vinil sulfônico) (PVS) e oxo-hidroxo de tungstênio (WOxHy) foram preparados a partir do método de automontagem Layer-by-Layer (LbL), permitindo um alto controle de espessura e nanoarquitetura. As propriedades de armazenamento e transporte de íons lítio foram investigadas visando à utilização destes materiais em baterias secundárias e dispositivos eletrocrômicos. Foram utilizadas as técnicas de microscopia de força atômica (AFM), voltametria cíclica, cronoamperometria, titulação galvanostática intermitente (GITT), espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e espectroscopia eletrônica. Os filmes apresentaram boa ciclabilidade e reversibilidade química nos processos de intercalação/desintercalação de íons lítio. Os filmes TiO2, TiO2/PVS e TiO2/WOxHy apresentaram carga reversível de 254 mC.cm-3, 260 mC.cm-3 e 296 mC.cm-3, respectivamente, e eficiência eletrocrômica de 30,9 cm2.C-1, 26,1 cm2.C-1 e 24,9 cm2.C-1, respectivamente, sob a incidência de radiação eletromagnética monocromática em 660 nm. Finalmente, valores do coeficiente de difusão de íons lítio foram determinados e relacionados com as capacidades específicas e com a velocidade da frente de onda colorida, a partir do modelo proposto neste trabalho. / Thin films of titanium dioxide (TiO2), poly(vinyl sulfonic acid) (PVS) and tungsten oxo-hydroxy (WOxHy) were prepared using the Layer-by-Layer (LbL) method, allowing for strict control of its thickness and nanoarchitecture. The properties of these films concerning lithium ion transport and storage were investigated, so that these materials can be applied in secondary batteries and electrochromic devices in the future. The films were characterized by atomic force microscopy (AFM), cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry, galvanostatic intermittent titration technique (GITT), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and electronic spectroscopy. The films presented good chemical cyclability and reversibility regarding the Li+ insertion and deinsertion process. TiO2, TiO2/PVS, and TiO2/WOxHy films presented reversible charge about 254 mC.cm-3, 260 mC.cm-3, and 296 mC.cm-3, respectively, and coloration efficiency under 660 nm radiation of 30.9 cm2.C-1, 26.1 cm2.C-1, and 24.9 cm2.C-1, respectively. Finally, lithium ion diffusion coefficients can be determined and related with specific capacities and diffusion of coloring waves using the model proposed in this work.

Neste trabalho, aplicamos técnicas de óptica não-linear de segunda ordem, em particular a Espectroscopia por Geração de Soma de Freqüências (SFG) e a Geração de Segundo Harmônico (SHG), para investigar a adsorção e o ordenamento molecular de filmes automontados de polieletrólitos variando-se os parâmetros que influenciam a adsorção (pH, força iônica, densidade de carga), além de investigar a estabilidade térmica e possíveis transições de fases nesses filmes multicamadas como função do pH das soluções e o do número de camadas. A espectroscopia SFG de filmes dos polieletrólitos poly(allylamine hydrochloride) (PAH) e poly(styrene sulfonate) (PSS) permitiu acompanhar a adsorção das camadas pelo monitoramento do campo elétrico na interface (substrato+filme adsorvido)/solução. As medidas de fase do sinal SFG confirmaram a supercompensação de cargas em todos os valores de pH estudados, exceto a pH 12, onde a adsorção foi possível devido a interações eletrostáticas locais. Os filmes secos mostraram grande ordenamento e homogeneidade quando a secagem era espontânea (sem a ação de jato de N2), independentemente do pH. Nestes filmes, observou-se pela primeira vez que as camadas adsorvidas podem alterar o ordenamento e a conformação das cadeias previamente adsorvidas. A espectroscopia SFG também apontou para a redução da densidade de carga e do ordenamento molecular quando a força iônica era aumentada, devido ao efeito de blindagem eletrostática. Os filmes tornaram-se mais inomogêneos e desordenados em virtude da compensação extrínseca. O efeito da força iônica foi o de reduzir a densidade de carga e assim o ordenamento molecular, mesmo se a secagem fosse espontânea. A técnica de SHG foi aplicada a filmes automontados de PAH e PS-119 para confirmar sua estabilidade térmica em função do pH e do número de camadas, além de verificar o ordenamento molecular antes e após o tratamento térmico. Os resultados mostraram que os filmes não são termicamente estáveis: o sinal é completamente destruído à temperatura de 150oC aproximadamente, ao contrário do que relata a literatura. As medidas SHG também confirmaram a isotropia dos filmes no plano das amostras, independente do pH ou do número de camadas. Comparando-se o sinal SHG antes e depois do aquecimento, comprovou-se que após o resfriamento lento, o sinal era restituído a quase o mesmo valor que antes, mostrando que o processo de desordem térmica é reversível. Entretanto, nenhuma transição de fase foi observada, pois a redução do sinal SHG foi lenta e gradual, sem nenhuma variação brusca que caracterizasse uma transição vítrea. Enfim, nossas medidas do sinal SHG em função do número de camadas também discordaram dos resultados da literatura, pois a susceptibilidade de segunda ordem não cresceu linearmente com o número de bicamadas. Isso indica que as moléculas não adsorvem com mesmo ordenamento em cada bicamada. Desse modo, podemos concluir que as técnicas SFG e SHG fornecem informação a nível microscópico que podem levar ao aprimoramento das aplicações dos filmes automontados, e que seriam difíceis de obter com técnicas tradicionais. / In this study, we have applied second-order nonlinear optical techniques, in particular Sum-Frequency Generation (SFG) and Second-Harmonic Generation (SHG), to investigate the adsorption and the molecular ordering of self-assembled polyelectrolyte films varying the parameters which are relevant to polyelectrolyte adsorption (pH, ionic strength, charge density), besides investigating the thermal stability and possible phase transistions in these multilayer films as function of pH of the solutions and of the number of layers. SFG spectroscopy of films fabricated with the polyelectrolytes PAH and PSS allowed us to monitor the adsorption of each layer by the electric field at the (substrate+adsorbed film)/solution interface. Phase-measurements of the SFG signal confirmed that charge supercompensation occurred at all pH values investigated, except at pH 12, where the adsorption was possible by local electrostatic interactions. Dry films have shown great order and homogeneity if the drying was spontaneous (without blow-drying with N2), independently of pH. In these films, it was observed for the first time that layer adsorption can modify the order and the conformation of previously adsorbed chains. SFG spectroscopy also pointed to the reduction of the charge density and of the molecular order if the ionic strength was increased, due to the electrostatic screening effect. The films were more inhomogeneous and disordered due to extrinsic charge compensation. The effect of the ionic strength was to reduce the charge density and the molecular order, even if the drying were slow (spontaneous). The SHG technique was applied to LBL films of PAH and PS-119 to confirm their thermal stability as a function of pH of the solutions and the number of layers, besides comparing the molecular order before and after the thermal treatment. The results have shown that the films are not thermally stable, with the SHG signal nearly vanished if the temperature of 150 oC is reached, in contrast of what is reported in the literature. SHG measurements have also confirmed that the films are isotropic in the plan of the samples, independent of pH or the number of layers. Comparing the SHG signal before and after heating, it was found that the SHG signal was considerably reduced at high temperatures, but after slow cooling it was recovered to almost the same value as before heating, showing that the thermal disorder is reversible. However, no phase transistion was observed, since the SHG signal reduction was slow and gradual, without any sudden change that would characterize a glass transition. At last, our SHG measurements as a function of the number of layers also disagreed with results in the literature, therefore the second order susceptibility did not grow linearly with the number of bilayers. This indicates that the molecules do not adsorb with same order in each bilayer. Therefore, we can conclude that SFG and SHG techniques provide information on the film arrangement at the microscopic level which could be difficult to get with traditional techniques and could also lead to the improvement of applications of LBL films.

O transistor de efeito de campo de porta estendida e separada (SEGFET) é um dispositivo alternativo ao tradicional transistor de efeito de campo seletivo a íons (ISFET). A grande vantagem desse dispositivo se refere ao seu fácil processamento, ou seja, se restringe somente a manipulação do eletrodo de porta, evitando processos convencionais de microeletrônica. Neste sentido, sensores iônicos e biossensores podem ser facilmente implementados combinando materiais de reconhecimento químico e/ou biológico. Por sua vez, a técnica de fabricação de filmes finos camada por camada (layer-by-layer, LbL) se mostra versátil para manipulação de diversos tipos de materiais em nível molecular. Materiais orgânicos e inorgânicos podem ser automontados em substratos sólidos por meio da simples adsorção eletrostática formando compósitos com propriedades únicas com o objetivo de serem aplicados em sensores ou biossensores. Neste trabalho, o conceito de dispositivo SEGFET foi combinado com a técnica LbL por meio da manipulação de materiais orgânicos (polieletrólitos, dendrímeros e polianilina) e inorgânicos (TiO2 e V2O5) nanoparticulados a fim de se obter novos sensores de pH e biossensores para a detecção de glicose e uréia, dois importantes analitos de interesse clínico. Numa primeira etapa, diferentes filmes LbL foram produzidos, caracterizados e testados como camada sensível (porta estendida) em dispositivos SEGFETs. Todos os sistemas estudados se mostraram promissores como sensores de pH, ou seja, com uma sensibilidade próxima do valor teórico sugerido pela equação de Nernst (59,15 mV.pH-1). Esses resultados podem ser atribuídos à natureza anfotérica do material da última camada no filme LbL. Numa segunda etapa, as enzima glicose oxidase (GOx) e urease foram convenientemente imobilizadas nos filmes LbL. Pelo fato dessas enzimas gerarem ou consumirem prótons durante a catálise da reação, os filmes LbL modificados enzimaticamente foram utilizados em biossensores de glicose e uréia, apresentando eficiente detecção. Assim, a união de dispositivos SEGFET com a técnica de automontagem se mostrou promissora para construção de sensores e biossensores eficientes e de baixo custo. / Separative extended gate field-effect transistor (SEGFET) device is an alternative to the conventional ion-sensitive field-effect transistor (ISFET). The great advantage of SEGFET refers to its easy processing, i.e., it is limited under only manipulation of the gate electrode, avoiding the conventional microelectronic processes. In this way, ion sensors and biosensors can be easily implemented combining chemical and/or biological recognition materials. In turn, the layer-by-layer (LbL) technique shows be versatile for handling various types of materials at molecular level. In this thesis, the concept of SEGFET device was combined with the LbL technique through the manipulation of organic (polyelectrolytes, dendrimers and poly (aniline)) and inorganic materials (TiO2 and V2O5 nanoparticles) in order to get new pH sensors and biosensors for the detection of glucose and urea, two important analytes of clinical interest. In a first step, different LbL films were produced, characterized and tested as the sensitive layer (extended gate) in SEGFETs devices. All studied systems were promissing as pH sensors, i.e., with a sensitivity close to the theoretical value suggested by Nernst equation (59.15 mV.pH-1). These results can be attributed to the amphoteric nature of the material in the last layer of the LbL films. In a second step, glucose oxidase (GOx) and urease enzymes were conveniently immobilized onto LbL films. Because these enzymes generate or consume protons during catalysis of the reaction, the enzymatically modified LbL films were used in biosensors for glucose and urea, with efficient detection. Thus, the union of SEGFET devices with the LbL technique is promising to building up efficient and low-cost sensors and biosensors.

Esta tese descreve a preparação, caracterização e desenvolvimento de biossensores baseados na imobilização de enzimas em filmes nanoestruturados. Os filmes foram obtidos pela técnica de automontagem do inglês Layer-by-Layer (LbL) ou pela técnica de Langmuir-Blodgett (LB). A tese se divide em três partes: a primeira parte teve como objetivo o estudo e a aplicação de filmes finos nanoestruturados, contendo enzima tirosinase (Tyr), em biossensores para detecção de moléculas antioxidantes (polifenóis), visando sua aplicação na indústria de alimentos, em especial a de vinhos tintos. Foi utilizada a técnica LB para a imobilização da enzima Tyr sobre substratos sólidos (ITO ou Pt) sem que a enzima perdesse sua atividade. A enzima foi incorporada a filmes LB mistos de ácido araquídico (AA) e bisftalocianina de lutécio (LuPc2) pela injeção na subfase aquosa. A LuPc2 foi usada como mediadora de transferência de cargas. Foi possível a detecção do composto fenólico representativo pirrogalol. Estudos de voltametría cíclica demonstraram que o biossensor possui uma boa reprodutibilidade com desvio padrão de ca. 2% (n = 4), limite dinâmico de até 400 \'mü\'M (potencial aplicado de 0,4 V; R2: 0,993), sensibilidade de 1,54 \'mü\'A.\'mü\'M POT.-1/\'CM POT.2\' e limite de detecção (critério 3\'sigma\'0/m) de 4,87 x \'10 POT.-2\' \'mü\'M (n = 10). A segunda parte do trabalho descreve o desenvolvimento de sensores eletroquímicos baseados em filmes automontados LbL de hidrocloreto de polialilamina (PAH) e LuPc2. A motivação para o estudo foi a troca do material biológico (Tyr) pela LuPc2, a qual possui poder catalítico e relativa seletividade, capaz de mimetizar algumas proteínas. A LuPc2 foi utilizada como enzima artificial na quantificação de catecol e pirogalol como representantes de compostos fenólicos. Em medidas de voltametria, o sensor automontado de PAH/LuPc2 apresentou boa linearidade (R2 = 0,992) na faixa de até 500 \'mü\'M, com uma sensibilidade de 90 nA/\'mü\'M e limite de detecção de 8 \'mü\'M. Nas medidas cronoamperométricas, os sensores apresentaram uma ampla faixa linear (R2 = 0,994; tempo de resposta de 60 s) de até 900 \'mü\'M e limite de detecção (LD) de 37,5 x \'10 POT.-8\' M (sensibilidade de 20 nA/\'mü\'M) para o catecol. Por fim, estudou-se a fabricação de filmes LbL baseados em dendrímero poli(propileno imina) (PPID) e metaloftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) em sensores baseados em transistores de efeito de campo (FET). Neste caso, os filmes foram utilizados como membranas sensíveis na aplicação de sensores de pH e \'H IND.2\'O IND.2\'. Também se demonstra a importância de se utilizar estruturas dendríticas nesse tipo de filme, comparando estes filmes com aqueles contendo um polieletrólito fraco linear (PAH). Foi dada ênfase à fabricação dos filmes pela técnica LbL e sua aplicação em sensores do tipo FET de porta estendida e separada (SEGFET). Filmes LbL baseados em enzimas artificiais se mostram bastante promissores em aplicações reais por serem relativamente baratos e simples, possibilitando o uso de variados tipos de materiais. A utilização desses filmes em dispositivos baseados em estruturas SEGFET possibilita a miniaturização dos sensores bem como sua produção unindo técnicas convencionais de fabricação microeletrônica. / This thesis describes the preparation, characterization and development of biosensors based on nanostructured films containing immobilized enzymes and metallophthalocyanines. The films were obtained using the Layer-by-Layer (LbL) or Langmuir-Blodgett (LB) techniques. In the first part of the thesis we describe the development of nanostructured thin films containing the enzyme tyrosinase (Tyr) and their use as biosensors for detection of antioxidants molecules (polyphenols), which find applications in the food industry, specialy red wines. The enzyme was incorporated into the mixed LB films of arachidic acid (AA) and lutetium bisphthalocyanine (LuPc2) by injection into the aqueous subphase followed by transference to ITO or Pt electrodes. The representative phenolic compound molecule to be detected was pyrogallol. Cyclic voltammetry studies shown that the biosensor response is highly reproducible with a standard deviation of ca. 2% (n = 4), dynamic range up to 400 \'mü\'M (applied potential of 0.4 V; R2: 0.993), sensitivity of 1.54 \'mü\'A/\'mü\'M.\'CM POT.2\' and detection limit (3 \'sigma\'0/m criteria) of 4.87 x \'10 POT.-2\' \'mü\'M (n = 10). The second part of this thesis focus on the development of electrochemical sensors based on LbL films of poly(allylamine hydrochloride) (PAH) and LuPc2. The purpose of the study was to change the biological material (Tyr) by LuPc2. LuPc2 was used as an artificial enzyme in the quantification of catechol and pyrogallol as representative of phenolic compounds. In voltammetric measurements, the LbL PAH/LuPc2 sensors presented good linearity (R2 = 0.992) in the range up to 500 \'mü\'M with a sensitivity of 90 nA/\'mü\'M and detection limit of 8 \'mü\'M. As revealed by chronoamperometry measurements, the sensors exhibited a wide linear range (R2 = 0.994; response time of 60 s) up to 900 M and detection limit of 37.5 × \'10 POT.-8\' \'mü\'M (sensibility of 20 nA/\'mü\'M) for catechol. Finally, we investigated the fabrication of LbL films based on poly(propylene imine) dendrimer (PPID) and nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) as active elements in devices based on field effect transistors (FET). The films were used as sensitive membranes applied as pH and \'H IND.2\'O IND.2\' sensors. It was shown the importance on the LbL technique and its application in FET-based sensors such as the separated and extended gate FET (SEGFET). LBL films based on artificial enzymes exhibit great promise in real applications due to their low cost and simplicity. The use of these films in devices based on SEGFET structures allows miniaturization of the sensors and their production combining conventional microelectronics fabrication and nanotechnological tools.

Neste trabalho, aplicamos técnicas de óptica não-linear de segunda ordem, em particular a Espectroscopia por Geração de Soma de Freqüências (SFG) e a Geração de Segundo Harmônico (SHG), para investigar a adsorção e o ordenamento molecular de filmes automontados de polieletrólitos variando-se os parâmetros que influenciam a adsorção (pH, força iônica, densidade de carga), além de investigar a estabilidade térmica e possíveis transições de fases nesses filmes multicamadas como função do pH das soluções e o do número de camadas. A espectroscopia SFG de filmes dos polieletrólitos poly(allylamine hydrochloride) (PAH) e poly(styrene sulfonate) (PSS) permitiu acompanhar a adsorção das camadas pelo monitoramento do campo elétrico na interface (substrato+filme adsorvido)/solução. As medidas de fase do sinal SFG confirmaram a supercompensação de cargas em todos os valores de pH estudados, exceto a pH 12, onde a adsorção foi possível devido a interações eletrostáticas locais. Os filmes secos mostraram grande ordenamento e homogeneidade quando a secagem era espontânea (sem a ação de jato de N2), independentemente do pH. Nestes filmes, observou-se pela primeira vez que as camadas adsorvidas podem alterar o ordenamento e a conformação das cadeias previamente adsorvidas. A espectroscopia SFG também apontou para a redução da densidade de carga e do ordenamento molecular quando a força iônica era aumentada, devido ao efeito de blindagem eletrostática. Os filmes tornaram-se mais inomogêneos e desordenados em virtude da compensação extrínseca. O efeito da força iônica foi o de reduzir a densidade de carga e assim o ordenamento molecular, mesmo se a secagem fosse espontânea. A técnica de SHG foi aplicada a filmes automontados de PAH e PS-119 para confirmar sua estabilidade térmica em função do pH e do número de camadas, além de verificar o ordenamento molecular antes e após o tratamento térmico. Os resultados mostraram que os filmes não são termicamente estáveis: o sinal é completamente destruído à temperatura de 150oC aproximadamente, ao contrário do que relata a literatura. As medidas SHG também confirmaram a isotropia dos filmes no plano das amostras, independente do pH ou do número de camadas. Comparando-se o sinal SHG antes e depois do aquecimento, comprovou-se que após o resfriamento lento, o sinal era restituído a quase o mesmo valor que antes, mostrando que o processo de desordem térmica é reversível. Entretanto, nenhuma transição de fase foi observada, pois a redução do sinal SHG foi lenta e gradual, sem nenhuma variação brusca que caracterizasse uma transição vítrea. Enfim, nossas medidas do sinal SHG em função do número de camadas também discordaram dos resultados da literatura, pois a susceptibilidade de segunda ordem não cresceu linearmente com o número de bicamadas. Isso indica que as moléculas não adsorvem com mesmo ordenamento em cada bicamada. Desse modo, podemos concluir que as técnicas SFG e SHG fornecem informação a nível microscópico que podem levar ao aprimoramento das aplicações dos filmes automontados, e que seriam difíceis de obter com técnicas tradicionais. / In this study, we have applied second-order nonlinear optical techniques, in particular Sum-Frequency Generation (SFG) and Second-Harmonic Generation (SHG), to investigate the adsorption and the molecular ordering of self-assembled polyelectrolyte films varying the parameters which are relevant to polyelectrolyte adsorption (pH, ionic strength, charge density), besides investigating the thermal stability and possible phase transistions in these multilayer films as function of pH of the solutions and of the number of layers. SFG spectroscopy of films fabricated with the polyelectrolytes PAH and PSS allowed us to monitor the adsorption of each layer by the electric field at the (substrate+adsorbed film)/solution interface. Phase-measurements of the SFG signal confirmed that charge supercompensation occurred at all pH values investigated, except at pH 12, where the adsorption was possible by local electrostatic interactions. Dry films have shown great order and homogeneity if the drying was spontaneous (without blow-drying with N2), independently of pH. In these films, it was observed for the first time that layer adsorption can modify the order and the conformation of previously adsorbed chains. SFG spectroscopy also pointed to the reduction of the charge density and of the molecular order if the ionic strength was increased, due to the electrostatic screening effect. The films were more inhomogeneous and disordered due to extrinsic charge compensation. The effect of the ionic strength was to reduce the charge density and the molecular order, even if the drying were slow (spontaneous). The SHG technique was applied to LBL films of PAH and PS-119 to confirm their thermal stability as a function of pH of the solutions and the number of layers, besides comparing the molecular order before and after the thermal treatment. The results have shown that the films are not thermally stable, with the SHG signal nearly vanished if the temperature of 150 oC is reached, in contrast of what is reported in the literature. SHG measurements have also confirmed that the films are isotropic in the plan of the samples, independent of pH or the number of layers. Comparing the SHG signal before and after heating, it was found that the SHG signal was considerably reduced at high temperatures, but after slow cooling it was recovered to almost the same value as before heating, showing that the thermal disorder is reversible. However, no phase transistion was observed, since the SHG signal reduction was slow and gradual, without any sudden change that would characterize a glass transition. At last, our SHG measurements as a function of the number of layers also disagreed with results in the literature, therefore the second order susceptibility did not grow linearly with the number of bilayers. This indicates that the molecules do not adsorb with same order in each bilayer. Therefore, we can conclude that SFG and SHG techniques provide information on the film arrangement at the microscopic level which could be difficult to get with traditional techniques and could also lead to the improvement of applications of LBL films.