Na primeira parte desta dissertação, nos concentramos na utilização de uma abordagem baseada na remoção oxidativa controlada de sementes/núcleos promovida pela adição de HCl na síntese poliol de nanofios de prata (Ag). Isto possibilitou um controle fino sobre a espessura dos nanofios gerados na faixa de de 65 a 765 nm, no qual as larguras obtidos apresentaram um aumento linear em função do aumento na concentração de HCl utilizado na reacção. Embora a largura também se mostrou dependente de outros parâmetros experimentais, tais como a concentração de AgNO3 e polivinilpirrolidona (PVP) e temperatura, remoção oxidativa promovida por HCl possibilitou o controle sobre uma faixa de tamanhos mais ampla. Também investigamos as propriedades ópticas dos nanofios de Ag em função do seu tamanho e sua aplicabilidade como substratos para detecção atraves do fenômeno de espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS). Na segunda parte deste trabalho, nanotubos de Ag-Au, Ag-Pt e Ag-Pd contendo morfologias de superfície controladas foram obtidos através da reação de substituicão galvânica entre os nanofios de Ag e íons AuCl4-, PtCl62-, e PdCl42-, respectivamente. Nesse caso, superfícies lisas foram obtidas a 100 oC enquanto superfícies rugosas foram observadas a temperatura ambiente. Mostramos ainda que superfícies lisas também puderam ser obtidas usando-se uma solução saturada de NaCl como solvente durante a reação galvânica. Na terceira parte deste trabalho, investigamos o efeito da excitação da ressonância plasmônica de superfície (SPR) nos nanofios de Ag sobre a atividade catalítica frente a redução do 4-nitrofenol. Contudo, nossos resultados mostraram um queda da atividade catalítica pela excitação SPR, mostrando que a excitação do SPR também pode levar a efeitos detrimentais sobre a atividade catalítica dependendo do mecanismo de reação estudado e natureza de intermediários na etapa determinante da velocidade de reação. Como as propriedades de nanoestruturas metálicas são fortemente dependentes de tamanho, forma e composição, acreditamos que os resultados apresentados aqui relatados podem ter implicações importantes para o design de nanomateriais unidimensionais com características/propriedades desejadas para aplicações em diversas áreas, incluindo óptica e catalise. / In the first part of this thesis, we focused on the utilization of an approach based on controlled oxidative etching for the removal of seeds/nuclei promoted by the addition of HCl in the polyol synthesis of silver nanowires (Ag). This allowed a precise control over the width of the Ag nanowires in the 65-765 nm range. In this case, the widths showed a linear increase with the HCl concentration employed in the reaction. While the width was also dependent on other experimental parameters such as the concentration of AgNO3 and polyvinylpyrrolidone (PVP) as well as the temperature, oxidative etching promoted by HCl enabled the control over a wider range of sizes. We also investigated the optical properties of Ag nanowires as a function of their size and their applications as substrates for surface enhanced Raman scattering (SERS). In the second part of this work, Ag-Au, Ag-Pt, and Ag-Pd nanotubes displaying controlled surface morphologies were obtained by galvanic replacement reaction between the Ag nanowires and AuCl4-, PtCl62-, e PdCl42- ions, respectively. In this case, while smooth surfaces were obtained at 100 °C, rough surfaces were observed at room temperature. We also showed that smooth surfaces could be obtained by using a saturated solution of NaCl as the solvent during the galvanic reaction. Finally, in the third part of this study, we investigated the effect of surface plasmon resonance (SPR) excitation on Ag nanowires over the catalytic activity towards the 4-nitrophenol reduction. However, our results indicated a drop in catalytic activity with SPR excitation, showing that the SPR excitation can also lead to detrimental effects on the catalytic activity depending on the nature of the chemical reaction mechanism and intermediates in the rate-determining step of the reaction. As properties in metallic nanostructures are strongly dependent on size, shape and composition, we believe that the results reported here may have important implications for the design of one-dimensional nanomaterials design with desired features/properties for applications in various fields that include optics and catalysis.

O estudo sistemático de nanopartículas de ouro utilizando conceitos fundamentais de química de coordenação e físico-química é o foco principal desta tese, que trata principalmente da natureza das interações moleculares na superfície de nanopartículas. Para tal finalidade, estudou-se como as variações dos parâmetros experimentais influenciam no mecanismo de formação das partículas pelo \"método de Turkevich\". Observou-se que, não somente, a morfologia e as propriedades ópticas estão atreladas aos processos de nucleação e crescimento, mas também a composição e as propriedades químicas da camada molecular ao redor das partículas. Dessa forma, foi possível comprovar, teórica e experimentalmente, que um intermediário instável da reação de oxidação do citrato de sódio, a acetonadicarboxilato, se torna estável devido a coordenação aos átomos superficiais de ouro. Isto leva a propriedades químicas e espectroscópicas distintas, principalmente, frente a reações de troca de ligantes na superfície das partículas. Foi feito um estudo, teórico e experimental, sistemático das propriedades das moléculas de etanobis(tioamida) na superfície de diferentes nanopartículas de ouro, comprovando que a presença de acetonadicarboxilato, ao final da síntese das partículas, influencia drasticamente nas propriedades do sistema. / The systematic study of gold nanoparticles using fundamental concepts of coordination and physical chemistry is the focus of this thesis, devoting an especial attention for molecular interactions nature at the particles surface. For this goal, the effects of many experimental parameters on the gold nanoparticles formation by the Turkevich method have been studied. It has been shown that not only the morphology and optical properties are controlled by the nucleation and growth processes, but also the chemical properties of the molecular layer at the particles surface. In this way, it has been proved, theoretical and experimentally, that an instable oxidation product of the sodium citrate reaction with the gold salt, a ketonedicarboxilate species, is stabilized by coordination with the superficial gold atoms. This fact leads to distinct chemistry and spectroscopic properties, mainly, related to the reactions at the gold surface. IN addition, a carefully theoretical and experimentally study has been carried out exploring the characteristics of the ethanebis(thioamide) molecules on the surface of different particles. It has been demonstrated that the ketonedicarboxilate presence, from the synthesis process, drastic influences the system properties.

Neste trabalho estudamos o efeito SERS de moléculas adsorvidas em sistemas eletroquímicos em termos da participação do mecanismo de transferência de carga na intensificação total observada. Desenvolvemos um modelo para o mecanismo químico de transferência de carga assitido por fótons, de maneira a explicar a variação do potencial de máxima intensificação SERS (Vmax) com a energia da radiação excitante. O modelo permite também o uso da expressão para o espalhamento Raman no domínio do tempo para o cálculo de perfis de excitação SERS (intensidade SERS versus potencial aplicado) de moléculas adsorvidas em interfaces eletroquímicas. Este método de cálculo dos perfis de excitação SERS foi aplicado para os casos da piridina e do íon complexo [Fe2(CN)104,4\'-bpy]6- em eletrodo de prata. Os resultados mostram existir uma boa relação entre os perfis calculados e os obtidos experimentalmente. Como resultado dos cálculos efetuados, o modelo fornece ainda dados sobre o deslocamento das curvas de poço potencial dos estados excitados envolvidos nos processos de transferência de carga assistidos por fótons. Nos capítulos seguintes, estudamos algumas conseqüências deste modelo, e sua aplicação em diferentes sistemas químicos. Um dos sistemas estudados foi o íon complexo [Ru(bpy)2viol]+ adsorvido em eletrodo de prata. Observa-se que a intensidade relativa dos modos vibracionais de cada um dos ligantes varia com o potencial aplicado ao eletrodo. Esses resultados podem ser explicados considerando-se dois processos de transferência de carga superficie → adsorbato assistidos por fótons. O primeiro deles deve-se a uma transição envolvendo estados doadores próximos ao nível de Fermi do metal (EF) e estados receptores (orbitais π*) localizados no violurato. O segundo envolve estados doadores em EF e orbitais π* da bpy. A energia da transição de transferência de carga metal → adsorbato varia com o potencial aplicado. Existe portanto a possibilidade de se alcançar diferentes estados eletrônicos excitados do adsorbato, intensificando, seletivamente, diferentes cromóforos com um único comprimento de onda. Assim, através da variação do potencial aplicado ao eletrodo é possível modular a transição de transferência de carga Ag → complexo de modo a envolver cada um dos diferentes ligantes. Estudamos também o mecanismo envolvido no efeito SERS da molécula FePc (ftalocianina de ferro) em eletrodo de prata. Nesse sistema, foi possível apresentar uma versão mais detalhada para o efeito químico envolvido na intensificação SERS incluindo o efeito de múltiplos estados excitados e acoplamento vibrônico, enfatizando as relações de simetria e overlap de funções de onda que regem os mecanismos de intensificação Raman ressonante. A excitação dos espectros SERS em comprimentos de onda fora da condição de Raman ressonante pode intensificar modos vibracionais de simetria a2g (não permitidos no espectro Raman normal) desde que o potencial aplicado esteja próximo à condição de ressonância para uma transição de transferência de carga superficie/adsorbato. O mecanismo químico de intensificação envolvido no efeito SERS desse sistema pode ser descrito como um processo de transferência de carga modulado pelo potencial, envolvendo dois estados doadores da FePc e um estado aceptor localizado na superficie do eletrodo de prata. Enquanto os modos totalmente simétricos (a1g) são intensificados por um mecanismo de Franck-Condon, os modos a2g têm a simetria apropriada para acoplar dois estados eletrônicos de simetria A1u e A2u, sendo intensificados através do mecanismo de Herzberg- Teller. Os efeitos da natureza química do solvente, e das interações solvente-soluto nas geometrias de adsorção e nas posições dos estados eletrônicos do adsorbato, são analisados para os ciano complexos Fe(phen)2(CN)2 e [Fe2(BPE)(CN)10]6-. Os resultados obtidos demonstram a influência decisiva da natureza química de solventes e eletrólitos suporte na espectroscopia de espécies adsorvidas em interfaces eletroquímicas. De fato, a natureza das interações solvente-adsorbato ou eletrólito-adsorbato podem determinar a ligação à superficie, e, desta maneira, intensificação seletiva de modos vibracionais da molécula pode ser obtida. A partir do estudo do processo de transferência de carga entre a superficie e os complexos adsorvidos através dos perfis de excitação SERS foi possível, em alguns casos, mapear os níveis de energia do adsorbato com relação ao nível de Fermi do metal. / In this work, attention has been given to systems in which the charge transfer (CT) mechanism is contributing to the enhancement of the Raman scattering of species adsorbed on metal surfaces in order to address the participation of a resonance Raman effect on this part of the total enhancement. A model for the adsorbate-metal surface interaction and the charge transfer mechanism for surface-enhanced Raman scattering (SERS) is presented. The fundamental observation behind the currently proposed model is that ali previous theories indicate that Raman intensity should be at maximum when the incident laser frequency is resonant with a surface/adsorbate charge transfer band. This fact leads to the conclusion that this aspect of the chemical effect may be due to a resonance Raman mechanism. Therefore, for such mechanism to be valid, the chemical effect of SERS must follow the already well established principies of resonance Raman theory. In this model, the metal surface provides a source of electrons that may, upon interaction with light, flow into and out of the adsorbed species. Based on this model we have proposed a formalism derived from the time-domain description of the resonance Raman effect that describes the dependence of the SERS intensities of molecules adsorbed in electrochemical interfaces upon the applied potential. This approach accounts for the enhancement of totally symmetric modes via a Franck-Condon mechanism, and only one electronic excited state of the adsorbate/surface system is considered. The analytical expression derived to calculate the SERS intensity versus applied potential profiles and their dependence on the exciting radiation has been applied for pyridine and for the ion complex [Fe2(CN)10bpy]6- adsorbed on a silver electrode. A good agreement between calculated and experimental excitation profiles have been obtained for both investigated species. Resonance Raman spectroscopy is also an electronic spectroscopy, and, as presented in this work, the SERS effect, or part of it, is also an electronic spectroscopy. Its intensity contains, therefore, information about the structure of the excited electronic state involved in the charge transfer process. This information is provided by the calculation of the SERS excitation profiles according to the derived expression in the form of ΔK values. The remaining sections of this work are dedicated to the study of the SERS effect of coordination compounds adsorbed on silver electrodes. One of the investigated systems is the mixed ligand ion complex [Ru(bpy)2viol]+. The SERS measurements have shown that the vibrational modes of both ligands can be selectively enhanced by changing the electrochemical applied potential at a fixed laser excitation energy. This result indicates the presence of two different metal to adsorbate photon assisted charge transfer processes. The first one involves a density of donor states near the Fermi level (EF) of the metal and na acceptor state localized on the violurate ligand, while the second process involves na acceptor state localized on the bpy ligand. These results demonstrate the possibility of reaching different excited electronic states of molecules adsorbed on electrode surfaces, selectively enhancing different chromofores by changing the applied potential and of assigning electronic charge transfer transitions based on SERS results. In order to provide a more detailed description of the charge transfer mechanism of enhancement working in the SERS effect of adsorbed molecules, including the role of multiple excited electronic states, vibronic coupling and symmetry selection rules, the SERS effect of iron phthalocyanine is discussed. The charge transfer mechanism of enhancement in this system is characterized as a potential modulated charge transfer process involving two donor states at the FePc and an acceptor state at the silver electrode surface. Excitation of the SERS spectra at wavelengths off resonance with the Q-band may enhance the a2g vibrational modes (non allowed modes at normal Raman condition), via a Herzberg-Teller mechanism, providing that the applied potential is dose to the resonance condition for the adsorbate to metal charge transfer transition. The effects of the chemical nature of the solvent in the adsorption geometry and in the position of the electronic states of adsorbates is discussed for the cyano complexes Fe(phen)2(CN)2 and [Fe2(BPE)(CN)10]6-. The results obtained have demonstrated the decisive role played by the chemical nature of solvents and supporting electrolytes in the surface-enhanced spectroscopy of species adsorbed at electrochemical interfaces. In fact, the nature of solvent or electrolyte - molecule interaction can determine the bonding to the surface, and therefore, selective enhancement of vibrational modes within a molecule can be accomplished. Based on the charge transfer processes between the surface and the adsorbed molecules probed by the SERS excitation profiles, it has been possible, in some cases, to determine the position of the energy levels of the adsorbate in relation to the Fermi level of the metal electrode.

O estudo sistemático de nanopartículas de ouro utilizando conceitos fundamentais de química de coordenação e físico-química é o foco principal desta tese, que trata principalmente da natureza das interações moleculares na superfície de nanopartículas. Para tal finalidade, estudou-se como as variações dos parâmetros experimentais influenciam no mecanismo de formação das partículas pelo \"método de Turkevich\". Observou-se que, não somente, a morfologia e as propriedades ópticas estão atreladas aos processos de nucleação e crescimento, mas também a composição e as propriedades químicas da camada molecular ao redor das partículas. Dessa forma, foi possível comprovar, teórica e experimentalmente, que um intermediário instável da reação de oxidação do citrato de sódio, a acetonadicarboxilato, se torna estável devido a coordenação aos átomos superficiais de ouro. Isto leva a propriedades químicas e espectroscópicas distintas, principalmente, frente a reações de troca de ligantes na superfície das partículas. Foi feito um estudo, teórico e experimental, sistemático das propriedades das moléculas de etanobis(tioamida) na superfície de diferentes nanopartículas de ouro, comprovando que a presença de acetonadicarboxilato, ao final da síntese das partículas, influencia drasticamente nas propriedades do sistema. / The systematic study of gold nanoparticles using fundamental concepts of coordination and physical chemistry is the focus of this thesis, devoting an especial attention for molecular interactions nature at the particles surface. For this goal, the effects of many experimental parameters on the gold nanoparticles formation by the Turkevich method have been studied. It has been shown that not only the morphology and optical properties are controlled by the nucleation and growth processes, but also the chemical properties of the molecular layer at the particles surface. In this way, it has been proved, theoretical and experimentally, that an instable oxidation product of the sodium citrate reaction with the gold salt, a ketonedicarboxilate species, is stabilized by coordination with the superficial gold atoms. This fact leads to distinct chemistry and spectroscopic properties, mainly, related to the reactions at the gold surface. IN addition, a carefully theoretical and experimentally study has been carried out exploring the characteristics of the ethanebis(thioamide) molecules on the surface of different particles. It has been demonstrated that the ketonedicarboxilate presence, from the synthesis process, drastic influences the system properties.

Uma questão ambiental preocupante é a contaminação do meio ambiente por substâncias que interagem com os sistemas endócrinos de seres humanos e animais. Tais substâncias são denominadas desreguladores endócrinos e, como outros poluentes ambientais, apresentam uma variedade de fontes e grande potencial agressor à saúde humana. Neste trabalho, buscamos a aplicação de técnicas de espectroscopia vibracional e técnicas eletroquímicas ao estudo de desreguladores endócrinos, em termos de sua detecção, caracterização, estudo de sua reatividade, desenvolvimento de métodos para sua degradação fotoquímica, estudo dos mecanismos envolvidos e características dos produtos de degradação. O enfoque é voltado ao uso de técnicas espectroscópicas, com especial destaque para o desenvolvimento de metodologias de espectroscopia vibracional intensificadas, associadas ou não a sistemas eletroquímicos. Dentre os compostos considerados desreguladores endócrinos, o nosso trabalho é dedicado ao estudo fotoquímico e espectroeletroquímico das seguintes substâncias: o difenilalcano bisfenol A (BPA), os herbicidas triazínicos ametrina e atrazina, e os compostos organoclorados ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D) e 2,4-diclorofenol (2,4-DCF). O estudo de processos de fotólise e degradação fotocatalítica mediada por TiO2 foram realizados para o BPA e para a ametrina. Tais processos mostram-se importantes para a remoção destes compostos do meio ambiente. Os estudos fotocatalíticos foram estendidos ainda para o uso de compósitos TiO2-Pr como catalisadores. Foi observado que a dopagem do TiO2 pelo íon terra rara praseodímio resulta em alterações nas propriedades físico-químicas do material semicondutor, sendo um método valioso para o aumento da atividade fotocatalítica do TiO2. Conclui-se ainda pela necessidade do controle da porcentagem de modificação química para a otimização do processo fotocatalítico, sendo a proporção de 1% praseodímio considerada ótima. O estudo de processos de fotólise e degradação fotocatalítica do BPA mediado por TiO2 mostra diferenças significativas entre o processo de degradação e mineralização, relacionadas à formação de intermediários orgânicos recalcitrantes. Para a ametrina observa-se que a fotólise e a fotocatálise envolvem mecanismos de degradação distintos. Estudos espectroeletroquímicos dos desreguladores endócrinos (DEC) foram conduzidos através de espectroscopia Raman intensificada (efeito SERS) visando a compreensão da natureza da interação química entre os adsorbatos e superfícies metálicas nanoestruturadas, bem como a caracterização vibracional dos produtos de processos faradáicos desses compostos sobre eletrodos. Produtos de reações químicas de oxidação e redução dos DEC foram identificados através de modificações espectrais em função de potenciais eletroquímicos anódicos e catódicos. / An environmental issue of concern is contamination of the environment by substances which interact with the endocrine systems of humans and animals. Such substances are called endocrine disruptors (ED) and, like other environmental pollutants, may produce adverse effects in human health. In this work, we explore the application of vibrational spectroscopy and electrochemical techniques in the study of ED, in terms of their detection, characterization, study of their reactivity, development of methods for their photochemical degradation, study of the involved mechanisms and characteristic of degradation products. The approach employs the use of advanced spectroscopic techniques, with special attention for the development of methodology of surface-enhanced vibrational spectroscopy, associated or not with electrochemical systems. Among the compounds thought to cause endocrine disruption, the present study is dedicated to the photochemical and electrochemical study of the following substances: the plasticizer bisphenol A (BPA), the triazinic pesticides ametrine and atrazine, and the organochlorine compounds 2,4-dichlorophenoxyacetic acid and 2,4-dichlorophenol. The study of photolytic and TiO2-mediated photocatalytic degradation was carried out for BPA and ametrine. Such processes are important for the removal of such substances from the environment. The photocatalytic studies were extended to include the use of TiO2-Pr composite as catalysts. The doping of TiO2 by the rare earth ion praseodymium results in changes in the physicochemical properties of semiconducting material, being a valuable method for enhancing the photocatalytic activity of TiO2. Our results showed the need of percentage control of the chemical modification for the optimization of the photocatalytic process, with the 1% praseodymium/titanium ration the optimal composition. The study of photolysis and TiO2-mediated photocatalytic degradation processes of BPA shows significant differences between the degradation and mineralization, suggesting the production of recalcitrant organic compounds. For ametrine, photolysis and photocatalytic degradation processes were found to occur via different mechanisms. Spectroelectrochemical studies of endocrine disruptors (ED) were carried out through surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS effect) aiming at the understanding of the nature of the chemical interaction between these molecules and nanostructured metallic surfaces, and at the vibrational characterization of the products formed by faradaic charge transfer processes. Products of oxidation and reduction chemical reactions were identified through spectral changes observed in the SERS spectra as a function of cathodic and anodic potentials.

O uso de técnicas espectroscópicas para o estudo de questões ambientais é uma área de pesquisa que vem experimentando importante desenvolvimento em tempos recentes, e muitas linhas de investigação vêm sendo abertas. As características de sensibilidade e seletividade da técnica Raman intensificada pela superfície (SERS - Surface-enhanced Raman scattering) sugerem que ela pode ser muito útil para o estudo de amostras complexas, como as relacionadas à investigação de poluentes no ambiente. O enfoque dessa tese está voltado para o desenvolvimento de metodologias para a utilização do efeito SERS no estudo espectroscópico de diferentes classes de espécies químicas de interesse ambiental. É proposta a construção de substratos SERS de alto desempenho para uso como sensores analíticos na identificação, quantificação e estudo de aspectos relacionados à reatividade de hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA), compostos organofosforados, compostos triazínicos e compostos organoclorados. Dentre os substratos investigados, podemos mencionar nanopartículas de ouro e prata (nanobastões, nanocubos, nanofios e partículas bimetálicas) e nanopartículas de ouro e prata imobilizadas em filmes poliméricos. Buscamos estabelecer correlações entre morfologia e composição química das nanoestruturas e os mecanismos de adsorção das moléculas investigadas sobre os substratos metálicos. Utilizamos cálculos DFT (Density Functional Theory) para simular as interações adsorbato-nanopartícula possíveis, buscando o melhor entendimento dos processos de interação química entre as nanoestruturas metálicas e as substâncias de interesse. / The use of spectroscopic techniques to the study of environmental issues is an area of research that has been experiencing major development in recent times. The sensitivity and selectivity characteristics of surface-enhanced Raman scattering (SERS) suggest that this technique can be very useful for the study of complex samples, such as those related to the investigation of pollutants in the environment. The focus of this thesis is dedicated to the development of methodologies for the use of the SERS effect to the spectroscopic study of different classes of chemical species of environmental interest. The construction of high-performance substrates for SERS is investigated aiming for their use as analytical sensors, identification, quantification and study of aspects related to the reactivity of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), organophosphorus compounds, organochlorine compounds and triazinic compounds. Among the investigated substrates, we mention colloidal gold and silver nanoparticles of different shapes (nanorods, nanocubes, nanowires and bimetallic particles) and gold and silver nanoparticles immobilized on polymeric films. We seek to establish correlations between morphology and chemical composition of nanostructures and adsorption mechanisms of the investigated molecules on the metal substrates. We use DFT calculations (Density Functional Theory) to simulate possible adsorbate-nanoparticle interactions, allowing a better understanding of the processes of chemical interaction between the metal nanostructures and the substances of interest.

Através da modificação adequada da superfície de nanopartículas de ouro com uma molécula sulfurada que apresenta vários sítios de coordenação, foi possível desenvolver um conceito interessante de sensoriamento quantitativo conjugado ao efeito SERS. Estudos com sistemas desse tipo permitem explicar não apenas como uma molécula se liga a uma superfície, mas também como aproveitar essas informações para elaborar sensores de alta sensibilidade. Entretanto, as teorias eletrodinâmico-quânticas que regem as interações dos plasmons de superfície ainda estão sendo trabalhadas. Dessa forma, o presente trabalho procura explorar as teorias atuais sobre a origem dos plasmons e as interações plasmônicas entre as partículas. Essas interações promovem fenômenos de intensificação do espalhamento Raman por superfície e também foram discutidas. Visando conhecer e compreender os fenômenos envolvidos, foram sintetizadas nanopartículas de ouro estabilizadas com 2,4,6-trimercapto-1,3,5-triazina e estudada a química do ligante na superfície das nanopartículas de ouro. Além disso, foi estudada a influência dos equilíbrios ácido-base nos espectros SERS e monitorou-se as bandas mais diretamente sensíveis ao pH, associando as mudanças observadas aos diversos equilíbrios das espécies presentes em solução. Por fim, explorou-se o conceito de sensoriamento através das mudanças nos modos vibracionais dos espectros SERS, na formação de complexos em superfície. / Surface modification of gold nanoparticles with a molecule exhibiting several coordination points, allowed to elaborate an interesting concept for quantitative sensing conjugated with the SERS effect. In such systems it is important to know how the molecule binds to the surface, since, based on those informations one can elaborate sensors displaying high sensibility.. However, in dealing with the interaction of nanoparticles with light, the electrodynamic-quantum theories related to the interactions of the surface plasmons are not yet completely developed. In this way, in this t dissertation we made use of the current theories to understand the origin of the plasmons and of how they interact with the the nanoparticles. We have synthesized gold nanoparticles stabilized with 2,4,6-trimercapto-1,3,5-triazine and studied the ligand chemistry at the particles surface.. The influence of acid-base equilibria was studied based on the changes of the SERS spectra SERS with the pH, and interpreted in terms of the several equilibria of the species in solution. Finally, a new sensing concept, based on the observed changes in the SERS spectra in the presence of metal ions, was successfully demonstrated.

Através da modificação adequada da superfície de nanopartículas de ouro com uma molécula sulfurada que apresenta vários sítios de coordenação, foi possível desenvolver um conceito interessante de sensoriamento quantitativo conjugado ao efeito SERS. Estudos com sistemas desse tipo permitem explicar não apenas como uma molécula se liga a uma superfície, mas também como aproveitar essas informações para elaborar sensores de alta sensibilidade. Entretanto, as teorias eletrodinâmico-quânticas que regem as interações dos plasmons de superfície ainda estão sendo trabalhadas. Dessa forma, o presente trabalho procura explorar as teorias atuais sobre a origem dos plasmons e as interações plasmônicas entre as partículas. Essas interações promovem fenômenos de intensificação do espalhamento Raman por superfície e também foram discutidas. Visando conhecer e compreender os fenômenos envolvidos, foram sintetizadas nanopartículas de ouro estabilizadas com 2,4,6-trimercapto-1,3,5-triazina e estudada a química do ligante na superfície das nanopartículas de ouro. Além disso, foi estudada a influência dos equilíbrios ácido-base nos espectros SERS e monitorou-se as bandas mais diretamente sensíveis ao pH, associando as mudanças observadas aos diversos equilíbrios das espécies presentes em solução. Por fim, explorou-se o conceito de sensoriamento através das mudanças nos modos vibracionais dos espectros SERS, na formação de complexos em superfície. / Surface modification of gold nanoparticles with a molecule exhibiting several coordination points, allowed to elaborate an interesting concept for quantitative sensing conjugated with the SERS effect. In such systems it is important to know how the molecule binds to the surface, since, based on those informations one can elaborate sensors displaying high sensibility.. However, in dealing with the interaction of nanoparticles with light, the electrodynamic-quantum theories related to the interactions of the surface plasmons are not yet completely developed. In this way, in this t dissertation we made use of the current theories to understand the origin of the plasmons and of how they interact with the the nanoparticles. We have synthesized gold nanoparticles stabilized with 2,4,6-trimercapto-1,3,5-triazine and studied the ligand chemistry at the particles surface.. The influence of acid-base equilibria was studied based on the changes of the SERS spectra SERS with the pH, and interpreted in terms of the several equilibria of the species in solution. Finally, a new sensing concept, based on the observed changes in the SERS spectra in the presence of metal ions, was successfully demonstrated.

This thesis focuses on understanding implications of nanomaterial quality control and mass transport through internally etched silica coated nanoparticles for direct and quantitative molecular detection using surface enhanced Raman scattering (SERS). Prior to use, bare nanoparticles (partially or uncoated with silica) are removal using column chromatography to improve the quality of these nanomaterials and their SERS reproducibility. Separation of silica coated nanoparticles with two different diameters is achieved using Surfactant-free size exclusion chromatography with modest fractionation. Next, selective molecular transport is modeled and monitored using SERS and evaluated as a function of solution ionic strength, pH, and polarity. Molecular detection is achieved when the analytes first partition through the silica membrane then interact with the metal surface at short distances (i.e., less than 2 nm). The SERS intensities of unique molecular vibrational modes for a given molecule increases as the number of molecules that bind to the metal surface increases and are enhanced via both chemical and electromagnetic enhancement mechanisms as long as the vibrational mode has a component of polarizability tensor along the surface normal. SERS signals increase linearly with molecular concentration until the three-dimensional SERS-active volume is saturated with molecules. Implications of molecular orientation as well as surface selection rules on SERS intensities of molecular vibrational modes are studied to improve quantitative and reproducible SERS detection using internally etched Ag@Au@SiO2 nanoparticles. Using the unique vibrational modes, SERS intensities for p-aminothiophenol as a function of metal core compositions and plasmonics are studied. By understanding molecular transport mechanisms through internally etched silica matrices coated on metal nanoparticles, important experimental and materials design parameters are learned, which can be subsequently applied to the direct and quantifiable detection of small molecules in real samples without the need for lengthy separations and assays.

A capacidade de complexos oxindolimínicos de cobre (II) de inibir células cancerígenas HeLa foi determinada no Laboratório de Bioinorgânica, Catálise e Farmacologia (IQ-USP), coordenado pela Profa. Dra. Ana Maria da Costa Ferreira. Nesta dissertação um dos estudos foi obter o imageamento SERS desses compostos no interior de células HeLa vivas com o objetivo de identificar o alvo intracelular desses complexos. Devido a intensificação SERS desses complexos ser baixa e causarem a agregação das nanopartículas de ouro (AuNP) foi necessária a utilização de um marcador Raman (MR) nestes estudos, sendo escolhido o composto DTNB (Ácido 5,5\'-ditiobis-(2-nitrobenzóico)). Portanto a sonda SERS desse estudo consiste de AuNP esféricas juntamente com o MR e os complexos de cobre (AuNP/MR/Cu(isatp) ou Cu(nisatp)). No imageamento das células HeLa foram utilizadas duas radiações excitantes: 532 nm, onde não ocorre intensificação SERS originando uma imagem Raman dos constituintes celulares em maior quantidade e 785 nm, que possibilita o monitoramento dos sistemas AuNP/MR/Cu(isatp) ou Cu(nisatp) no interior das células. Para a análise dos espectros desse estudo (cerca de 2000 espectros para cada imageamento) a linha base foi corrigida por WLS (Weighted Least Squares) para os espectros SERS e por EMSC (Extended Multiplicative Scatter Correction) para os espectros Raman, além de ser feito alisamento utilizando um filtro Savitzky-Golay. Os espectros Raman foram submetidos à uma análise multivariada MCR-ALS (Multivariate Curve Resolution - Asymmetric Least Squares) para se obter as imagens de diferentes componentes celulares e uma análise univariada dos espectros SERS, baseada na banda do MR, possibilitando obter as imagens dos sistemas AuNP/MR/Cu(isatp) e AuNP/MR/Cu(nisatp). O imageamento SERS e Raman das células HeLa mostraram que os complexos têm a capacidade de penetrar nas células, juntamente com as nanopartículas de ouro, e causar dano ao núcleo celular, sem a entrada de água na célula, característica não observada ao tratar as células com outros sistemas sem a presença dos complexos. Outro estudo realizado nesta dissertação foi a caracterização do complexo de superfície formado entre a 5-nitroisatina em nanopartículas de prata, através da espectroscopia SERS e Raman ressonante. Foi observado que o complexo de superfície apresenta uma grande deslocalização eletrônica frente às espécies moleculares estudadas para fins comparativos. Essa deslocalização gera um cromóforo distinto no complexo de superfície que possui uma transição eletrônica na região do verde do espectro visível, enquanto que as espécies moleculares apresentam transições na região do azul e ultravioleta. / The inhibition of cancer HeLa cells by oxindoliminic copper (II) complexes was determined in the Bioinorganic, Catalysis and Pharmacology Laboratory (IQ-USP), coordinated by Profa. Dra. Ana Maria da Costa Ferreira. In this work one of the studies was to identify the intracellular targets of these complexes by SERS imaging of live HeLa cells. Due to the low SERS intensification of these complexes and the aggregation that they cause in the gold nanoparticles (AuNP), it was necessary to use a Raman reporter (MR) in these studies. The reporter chosen was the DTNB (5,5\'-dithiobis-(2-nitrobenzoic acid)). The SERS probe was constituted by spherical AuNP together with the MR and the copper complexes. In the imaging of live HeLa cells two excitation radiations were used: 532 nm, to acquire the normal Raman information of the cells and 785 nm, to acquire the localization of the modified AuNP inside the cells. To analyze the spectra (about 2000 spectra to each imaging) the baseline, for the SERS spectra, was corrected by WLS (Weighted Least Squares) and the EMSC (Extended Multiplicative Scatter Correction) was used to correct the Raman spectra. A Savitzky-Golay filter was used for smoothing. The Raman images of the cellular components were obteined by multivariate analysis MCR-ALS (Multivariate Curve Resolution - Asymmetric Least Squares), and the SERS images were obtained by univariate analysis based on the band of the MR. The SERS and Raman images showed that the complexes are capable of entering the cells together with the AuNP, and cause damage to the nuclei, without the entrance of water into the cell, a characteristic not observed in other studied systems. Another realized study was the characterization of a surface complex formed between 5-nitroisatin and silver nanoparticles (AgNP), using SERS and resonant Raman. The surface complex showed a massive electron delocalization when compared to the molecular species. This electron delocalization in the surface complex generated a new chromophore, not seen in the molecular complex. This chromophore has an electronic transition in the green region of the visible spectrum, while the molecular species transitions occur in higher energies.