Um Luminescent Solar Concentrators (LSC) é basicamente uma base plástica transparente ou vidro contendo centros luminescentes.Enquanto o recente avanço dos conversores de comprimento de onda tenha aberto novas possibilidades para o desenvolvimento de células solares mais eficientes, estes também abriram novas frentes de pesquisa.Uma destas frentes envolve os problemas encontrados com o uso de novos materiais. Como por exemplo, transferência de energia em polímeros. Surgem propriedades interessantes a respeito dos processos luminescentes ao longo destes sistemas planares.Por estes motivos esses sistemas podem ser aplicados como dispositivos optoeletrônicos, sensores e também em conversores de comprimento de onda. Este estudo descreve a fabricação de guias de onda planares multipoliméricos baseados em uma matrix acrílica (PMMA) dopada com polímeros emissores de luz. A função desta blenda polimérica é absorver um largo espectro de luz e re-emitir ao longo do guia de onda. Os dispositivos foram estudados em termos de suas características de absorção, emissão e excitação.Os polímeros emissores utilizados neste trabalho foram: MEH-PPV, Super Yellow, ADS-108GE, ADS-329BE, e LAPS-16. Estes materiais foram dissolvidos em tolueno e depositados pela técnica casting sobre substratos de vidro contendo filmes metálicos de alumínio.Usando esta configuração, a luz de excitação incidente é acoplada ao guia de onda por absorção e re-emissão através dos polímeros luminescentes. O estudo dos LSCs é realizado por medidas das emissões laterais e normais dos guias. Estes guias apresentam um espectro de emissão com características típicas de uma cavidade do tipo Fabri-Perot, com linhas extremamente estreitas (3 nm) e altamente polarizadas na direção paralela (modo TE) e perpendicular (TM) ao plano do guia de onda.A emissão destes guias é fortemente dependente de sua geometria e do índice de refração efetivo. Os mesmos filmes poliméricos, porém mais espessos (30 m), foram utilizados como conversores de comprimento de onda visando aplicação em conversores solares luminescentes (Luminescence Solar Converters, ou LSCs). O uso de baixas concentrações das moléculas utilizadas foi necessário para evitar possíveis formações de agregados quando altas concentrações de PMMA são utilizadas na preparação dos filmes. A metalização de uma das faces planares possibilitou o aumento da eficiência de conversão dos comprimentos de onda nos LSCs. A luminescência total dos polímeros é completamente convertida em luz de alto comprimento de onda na emissão lateral.Este processo não depende do comprimento de onda de excitação. A metalização de uma das faces planares possibilitou o aumento da eficiência de conversão dos LSCs. Neste sistema, a luz absorvida é convertida em luz de alto comprimento de onda e alta pureza espectral através de processos de reabsorção, relaxação interna e re-emissão que ocorrem ao longo do plano do LSC. A eficiência de conversão e as perdas em função da concentração polimérica na matriz foram estudadas para os LSCs.O escape dos fótons nas interfaces para ângulos menores que o ângulo crítico (c=arcsen(1/n)) e processos de transferência de energia em LSCs com alta concentração polimérica devem ser otimizados para sua aplicação como dispositivos. / Luminescent Solar Concentrators (LSC) are basically composed of a transparent plastic or glass substrate containing luminescent centers.While the recent advance in wavelength converters has opened up many new possibilities for development of more efficient photovoltaic cells, they have also raised new issues. A number of these issues involve problems of dealing with new materials and the understanding of physical process like energy transfer in polymers. Interesting features arise from the luminescent process along these planar systems. Therefore this system can be applied as optoelectronics devices, sensors and also in wavelength converters. This study describes the fabrication of planar multi-polymeric optical waveguides based on acrylic matrix (PMMA) doped with a light emitting polymers. The function of thispolymeric blendis to absorb a broad spectrum of light and re-emit it along the waveguide. The devices were studied in terms of its absorption, emission and excitation characteristics.The emitting polymers used in this research are: poly[2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene] (MEH-PPV), Super Yellow, Poly[(9,9-dioctyl-2,7-divinylenefluorenylene)-alt-co-{2-methoxy-5-(2-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene}] called ADS108GE, Poly(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl) called ADS239BE, and poli-(9,9-n-dihexil-2,7-fluorenodilvinilene-alt-1,4-fenilenovinileno) or Laps16. Films of these materials dissolved in toluene were deposited by casting the polymethacrylate solution on top of a glass substrate containing a reflective aluminum layer. Using this configuration, the incident excitation light is coupled to the wave guide by its absorption and then re-emitted by the luminescent polymers. The LSCs characterization was carried out by measuring the lateral and the normal emissions of the guide. These waveguides show a light emission spectrum with characteristics similar to the Fabri-Perot cavity, where very narrow peaks (3 nm) and highly polarized emission in both TE and TM modes were observed. In addition, the emission is strongly dependent on its geometry and the effective refraction index. In other hand, thicker polymeric guides (30 m) were used as luminescence solar converters (LSCs). The optimal concentration of conjugated polymers solutions has to be very low in order to avoid the formation of aggregates since high PMMA concentrations have to be used in the LSC preparation.The total polymeric luminescence is fully converted to light of high wavelength for the case of lateral emission. This process does not depend on the excitation wavelength. The conversion efficiency was increased by evaporating metals on one planar face of the LSC. In this structure, light is absorbed and then converted to a higher wavelength with high spectral pureness through re-absorption, relaxation and re-emission processes occurring along the LSC plane. The conversion efficiency and the losses along the converter were studied as a function of the polymeric concentration, in order to optimize these structures. A better understanding of the process of energy transfer and photon leakage through the interfaces for angles smaller than the critical angle (c=arcsen(1/n)) is necessary for using LSCs as applied devices.

Nanotubos de Carbono (Carbon Nanotubes - CNTs) são nanoestruturas de carbono na forma de tubos cilíndricos que apresentam excelentes propriedades ópticas, elétricas, térmicas e mecânicas. A imobilização dos CNTs em conjunto com polieletrólitos condutores e naturais na forma de filmes ultrafinos, utilizando a técnica automontagem, apresenta uma nova alternativa para o desenvolvimento de nanocompósitos aplicados em dispositivos sensores e biossensores. Neste trabalho de mestrado foram construídos e estudados filmes automontados contendo CNTs funcionalizados com grupos ácidos carboxílicos e imobilizados com os polieletrólitos polianilina (PANI) e quitosana (QUIT). Também foram fabricados para comparação filmes de PANI e poliestireno sulfonado (PSS). O crescimento dos filmes de PANI/CNT e PANI/PSS revelou um crescimento linear com o número de bicamadas, conforme mostraram as medidas de espectroscopia UV-Vis e voltametria cíclica (CV), enquanto que para o filme de QUIT/CNT, as medidas de microbalança de cristal de quartzo (QCM) mostraram um crescimento exponencial. Análises de espectroscopias Raman e infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) indicaram alterações nas bandas características dos filmes, comparadas com seus materiais precursores, indicando interação entre os componentes nas multicamadas dos filmes. Análises morfológicas obtidas por AFM mostraram um aumento da rugosidade com o aumento do número de bicamadas. O mapeamento Raman revelou que os filmes contendo CNTs apresentaram maior heterogeneidade química na superfície do que aos filmes somente com polieletrólitos. Foi observada uma queda na resistividade dos filmes, com o aumento do número de bicamadas, sendo esta, mais acentuada com a presença dos CNTs. Os eletrodos contendo os filmes automontados apresentaram alta estabilidade eletroquímica, a presença dos CNTs aumentou a intensidade das correntes de pico e tornou os sistemas mais reversíveis. Os eletrodos que se mostraram mais sensíveis à detecção de peróxido de hidrogênio foram selecionados para imobilização da enzima Glicose Oxidase (GOx). Foram investigados os seguintes sistemas biossensores: (PANI/CNT)7, (PANI/PSS)1 e (QUIT/CNT)5 apresentando na mesma ordem: valores de sensibilidades de 190 nA/(mmol/L), 36 nA/(mmol/L) e 220 nA/(mmol/L); Limite de detecção de 2,2 µmol/L, 67,5 µmol/L e 8,5 µmol/L, e valores deconstante de Michealis-Menten(\'K IND.M\'POT.APP\' ) de 2,2 µmol/L, 67,5 µmol/L e 8,5 µmol/L. Os resultados indicam que a utilização dos CNTs é bastante promissora para fabricação de dispositivos biossensores para aplicação em Nanomedicina, e além disso, a escolha dos componentes para formação dos nanocompósitos exerce grande influência no desempenho do dispositivo. / Carbon Nanotubes (CNTs) are cylindrical carbon nanostructures exhibiting excellent electrical, thermal, optical and mechanical properties. The immobilization of CNTs in nanostructured thin films in conjunction with polymers using the Layer-by-Layer (LbL) technique provides a new alternative for development of nanocomposites to be used as sensors and biosensors. In this study we report the fabrication of LbL films containing CNTs functionalized with carboxylic acid immobilized in conjunction with polyaniline (PANI) or chitosan (QUIT). Films comprising PANI and sulfonated polystyrene (PSS) were also produced for comparison. Film growth was monitored by UV-Vis spectroscopy, cyclic voltammetry (CV) and quartz crystal microbalance (QCM) and the results showed a linear increase with the number of bilayers in PANI films, and an exponential growth for QUIT/CNT films. FTIR and Raman analyses revealed changes in the bands of nanocomposites compared to their precursor materials, indicating the interactions between the components in the multilayers. Morphological analysis of the films obtained by atomic force microscopy (AFM) showed that the roughness of the films increased with the number of bilayers. Raman mapping showed that the presence of CNTs generated a high heterogeneity in film surface in comparison to a films formed only by polyelectrolytes. Electrical resistivity of the films decrease upon increasing the number of bilayers, especially for CNTs-containing films. Furthermore, electrodes containing LbL films exhibited high electrochemical stability, in which the presence of CNTs increased the intensity of response signal. The electrodes that exhibited best performance toward hydrogen peroxide detection were employed for immobilization of glucose oxidase (GOx) and used as glucose biosensors. The systems (PANI/CNT)7, (PANI/PSS) 1 and (QUIT/CNT)5 exhibited a sensitivity of 190 nA/(mmol/L), 36 nA/(mmol/L) and 220 nA/(mmol/L), respectively. The detection limit was estimated at 2.2 mmol/L, 67.5 mmol/L and 8,5 mmol/L, whereas the Michaelis-Menten constant ( \'K IND.M\'POT.APP\') values was found to be 2.2 mmol/L, 67.5 mmol/L and 8.5 mmol/L, respectively, to the three systems employed. The results indicated that the use of CNTs in Layer-by-layer thin films is promising for use as biosensors. Furhtermore, we showed that the choice of the polyelectrolyte is a crucial parameter to tailor specific, high performance sensors.

Orientador: Maria del Pilar Taboada Sotomayor / Banca: Márcia Cristina Vilchenski / Banca: Maria Isabel Pividori Gurgo / Resumo: Este trabalho descreve o desenvolvimento e aplicação de um sensor biomimético descartável com transdução amperométrica, sensível a hidroquinona (HQ). Para isto, eletrodos impressos de grafite - SPE (FS-1, Florence sensors®) foram modificados com um catalisador biomimético do sítio ativo da tirosinase, uma cupro-enzima. O complexo de cobre usado foi o cloreto de tris-2,2'-bipiridil cobre II, [Cu(dipy)3]Cl2. Para efeitos de comparação também foram preparados sensores empregando eletrodos de carbono vítreo convencionais (GC). Os sensores foram preparados modificando os eletrodos SPE e GC com membrana de Nafion® dopada com o complexo de cobre. Para tal, foram misturados em aparelho de ultrassom, 100 μL de uma solução de complexo 5 mg mL-1, preparada em dimetilformamida (DMF) com 50 μL de solução de Nafion® a 5 % (v/v). A seguir, 100 μL da mistura foram colocados na superfície do GC e 10 μL sobre o SPE. A resposta do sensor à base de SPE (sensor- SPE) foi otimizada usando amperometria. Obtendo-se as melhores respostas em tampão Pipes 0,01 mol L-1 contendo 60 μmol L-1 de H2O2 e aplicando potencial de -300 mV vs Ag/AgCl. Sob estas condições o sensor-SPE mostrou uma faixa de resposta entre 6,0 x 10-5 e 5,6 x 10-4 mol L-1, sensibilidade de 5593,6 μA L mol-1, limite de detecção e quantificação de 5,4 x 10-6 e 1,80 x 10-5 mol L-1, respectivamente. Tratando-se de um sensor biomimético seu comportamento hiperbólico foi confirmado, e a constante aparente de Michaellis-Menten foi calculada através do gráfico de duplo recíproco obtendose um valor de 5,6 x 10-5 mol L-1, indicando uma alta afinidade do complexo pela HQ. Estudos voltamétricos também foram realizados visando à caracterização eletroquímica do sistema proposto. A seletividade do sensor foi estudada em vários compostos fenólicos... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This paper describes the development and application of a biomimetic sensor disposable with amperometric transduction, sensitive to hydroquinone (HQ). For this, printed graphite electrodes - SPE (FS-1, Florence sensors®) were modified with a biomimetic catalyst of the active site of tyrosinase, a cupro-enzyme. The copper complex used was the tris-2,2'-bipyridil cooper (II) chloride, [Cu(dipy)3]Cl2. For comparison were also prepared sensors employing conventional glassy carbon electrodes (GCE). The sensors were prepared by modifying the SPE and GCE electrodes with Nafion® membrane doped with the copper complex. For this, were mixed in an ultrasonic apparatus, 100 μL of 5 mg mL-1 complex solution, prepared in dimethylformamide (DMF), with 50 μL of Nafion® 5% (v/v) solution. Then 100 μL of this mixture were placed on the surface of GCE and 10 μL on the SPE. The response of the SPE-based sensor (sensor-SPE) was optimized using amperometry. Obtaining the best responses in 0.01 mol L-1 Pipes buffer containing 60 μmol L-1 H2O2 and applying potential of -300 mV vs Ag/AgCl. Under these conditions the SPE-sensor showed a response range between 6.0 x 10-5 and 5.6 x 10-4 mol L-1, sensitivity of 5593.6 μA L mol-1, limit of detection and quantification of 5.4 x 10-6 and 1.80 x 10-5 mol L-1, respectively. In this case, the hyperbolic behavior of the sensor response was confirmed, and the Michaelis-Menten apparent constant was calculated by the Lineweaver-Burk graph, obtained a value of 5.6 x 10-5 mol L-1, indicating a high affinity of the complex for the HQ. Voltammetric studies were also conducted to the electrochemical characterization of the proposed system. The selectivity of the sensor was studied in some phenolic compounds and the reproducibility in the sensors construction was evaluated as the relative standard deviation... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

Nesta dissertação, foram estudados os métodos de síntese de filmes poliméricos como matrizes hospedeiras da enzima tirosinase vislumbrando o desenvolvimento de biossensores mais seletivos e duradouros na detecção de compostos fenólicos. Os polímeros utilizados e preparados por cronoamperometria em acetonitrila foram: polipirrol (PPI), polimetiltiofeno (PMET) e copolímero PPI-PMET. Os filmes PPI-PMET apresentaram características intermediárias às dos filmes PPI e PMET, conforme se verificaram em espectros na região do infravermelho (FTIR), voltametria cíclica e microscopia de força atômica (AFM), evidenciando, assim, a formação de uma nova matriz polimérica. O processo de superoxidação do filme PPI-PMET foi estudado visando a uma imobilização mais eficiente da enzima, quando se obteve uma condição na qual a superoxidação ocorre somente nas cadeias de PPI. Biossensores amperométricos foram preparados a partir do uso da tirosinase extraída do abacate como fonte enzimática por imobilização física e realizada de maneiras diferentes em filmes não superoxidados e superoxidados. Foi feita a otimização das respostas dos filmes variando-se o pH, potencial de trabalho, concentração da enzima e tempo de imobilização da enzima para a detecção de catecol. Os resultados indicaram que a superoxidação do PPI nos filmes PPI-PMET favoreceu a imobilização da enzima, embora não fosse tão eficiente quando se comparou aos filmes com o PPI não superoxidado. Contudo, os biossensores, em geral, apresentaram grande sensibilidade ao catecol, com um limite de detecção baixo, da ordem de 0,12 µmol/L. / The synthesis methods of polymer films as host matrices of the enzyme tyrosinase were studied in this dissertation. It was expected the development of selective and everlasting biosensors for the detection of phenolic compounds. The used polymers were prepared by chronoamperometry in acetonitrile as followed: polypyrrole (PPI), polymethylthiophene (PMET) and copolymer PPI-PMET. The PPI-PMET films showed intermediate characteristics as the PPI and PMET films, as observed in the infrared spectra (FTIR), cyclic voltammetry and atomic force microscopy (AFM), thus indicating the formation of a new polymeric matrix . The process of overoxidized of PPI-PMET film was studied in order to achieve a more efficient immobilization of the enzyme, whilst it was achieved a condition in which overoxidized occurs only in the PPI chain. Amperometric biosensors were prepared from the use of tyrosinase extracted from avocado as an enzyme source by physical immobilization and performed in different ways in both overoxidized and non-overoxidized films. It was performed the optimization of the responses of the films by varying pH, operacuonial potential, enzyme concentration and time in the enzyme immobilization for the detection of catechol. The results showed that the overoxidized PPI in the films PPI-PMET favored the immobilization of the enzyme, although not as efficient when compared to the films with nom overoxidized PPI. Neverthless, the catechol biosensors showed a high sensitivity with a low detection limit in the order of 0.12 µmol/L.

Aplicações de nanomateriais em biossensores têm recebido muito interesse nos últimos anos. Entre os vários tipos de biossensores estudados, sensores de glicose têm recebido destaque devido a sua importância em diagnósticos clínicos. Apesar do grande avanço no monitoramento de glicose nas últimas décadas, ainda há muitos desafios para alcançar um monitoramento de glicemia continuo, clinicamente preciso, em conexão a um sistema fechado otimizado para a entrega de insulina no corpo. Esta dissertação descreve a fabricação de filmes layer-by-layer (LbL) obtidos a partir da enzima glicose oxidase (GOx) e dos polieletrólitos poli(amidoamina) de geração 4 (PG4) e o hibrido PG4 com as nanopartículas de ouro (PG4AuNp). As nanopartículas de ouro foram sintetizadas em meio aquoso usando o dendrímero PG4, o ácido cloroáurico (HAuCl₄4) e ácido fórmico. As medidas de espectroscopia UV-Vis dos filmes automontados em substratos de quartzo mostraram um crescimento linear em função do número de bicamadas depositados apenas para o filme PG4-GOx. No filme PG4AuNp-GOx o crescimento não é linear. Em adição às caracterizações ópticas, estrutural e eletroquímica, os filmes LbL, depositados sobre substratos de vidro recoberto com óxido de índio (ITO) foram testados para a atuação em biossensores de peróxido de hidrogênio e de glicose. A biofuncionalidade da GOx e a viabilidade do método como biossensor foi demonstrada pelo aumento da corrente em função das sucessivas adições de alíquotas de glicose à solução. Os filmes sem nanopartículas não foram sensíveis a glicose. O biossensor com melhor desempenho foi o ITO-(PG4AuNp-GOx) com 5 bicamadas, que mostrou-se linear na faixa de 0 a 4,8 mM de glicose com sensibilidade 0,013 μA/mM e limite de detecção 0,44 mmolL ¹. / Applications of nanomaterials for biosensors have been target of substantial research in the last years. Among a large number of biosensors, glucose biosensors have attracted attention due to their applications in clinical diagnostics. Despite the remarkable progress in glucose biosensors in the last decades, there are still many challenges in achieving clinically accurate continuous glycemic monitoring in connection to closed-loop systems aimed at optimal insulin delivery. This dissertation describes the fabrication of layer-by-layer (LbL) films obtained from the enzyme glucose oxidase (GOx) and the polyelectrolytes poli(amidoamine) generation 4 (PG4) and PG4 containing gold nanoparticles (PG4AuNp). Gold nanoparticles were synthesized in aqueous solution using formic acid, PG4 and HAuCl ₄. UV-vis spectroscopy showed a linear growth on quartz substrate only in the system PG4-GOx. In addition to the optical, structural and electrochemistry investigation, these LbL films deposited on ITO-coated glass were employed as electrochemical glucose biosensors. The biofunctionality of GOx and feasibility of the method as biosensor are demonstrated by the increase of reduction current upon additions of successive aliquots of glucose. The biosensor ITO-(PG4AuNp-GOx) ₅ with the optimum performance had a detection limit of 0.44 mmolL¹ with a linear response in the range from 0 to 4.8 mmolL¹ and sensibility 0.013μA/mmolL ¹.

Superfícies híbridas nanoestruturadas Pt/Au com os depósitos de Au de 20, 50 e 100 nm de espessura foram obtidas pelo processo fotolitográfico. O molde utilizado foi um arranjo de microeletrodos interdigitados. As superfícies híbridas nanoestruturadas Pt/Au contendo 20, 50 e 100 nm de Au desenvolvidas foram caracterizadas por microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, microscopia de força atômica, voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica. Então, aplicadas como sensores para detecção eletroquímica dos biomarcadores ácido ascórbico, ácido úrico, dopamina, hidroquinona e nitrito. Numa segunda etapa, as nanoestruturas de ouro foram recobertas com monocamada auto-organizada (self-assembled monolayers - SAM) de alcanotiol (cistamina, ácido mercaptoacético e 11-mercaptoundecanóico) visando a preparação da superfície para imobilização de biomoléculas, incluindo enzimas e anticorpos. A superfície híbrida bimetálica bifuncional nanoestruturada Pt/Au-SAM foi obtida realizando-se varreduras cíclicas em solução contendo 0,1 mol L-1 de H2SO4 em intervalos de varreduras de potenciais específicos para cada SAM, através deste procedimento foi possível remover a SAM somente da superfície da platina e mantendo sobre as nanoestruturas de ouro. A enzima glicose oxidase (Aspergillus niger) foi imobilizada por ligação covalente com auxílio de EDC/NHS e o ferroceno foi utilizado como mediador de elétrons. A caracterização eletroquímica foi feita em solução aquosa contendo 0,1 mol L-1 de ácido sulfúrico supra puro e em solução contendo 5,0 mmol da sonda redox ferrocianeto e ferricianeto de potássio utilizando-se a técnica de voltametria cíclica e espectroscopia de impedância eletroquímica. O peróxido de hidrogênio formado como produto da reação da catálise enzimática foi determinado sobre a superfície da platina em solução contendo 0,1 mol L-1 de PBS. A constante cinética aparente de Michaelis-Menten (KMapp) e a constante catalítica kcat foram calculadas e comparadas com outros transdutores relatados na literatura. A terceira aplicação foi a utilização desta superfície híbrida como um imunossensor eletroquímico para detecção de cortisol salivar. O anticorpo Anti-cortisol foi imobilizado com auxílio de EDC/NHS a SAM. Esse dispositivo foi imerso em soluções contendo 3.1 x 10-15 - 1.5 x 10-3 mol L-1 de cortisol. A relação sinal-concentração foi obtida através da técnica de espectroscopia de impedância eletroquímica observando-se a variação de transferência de carga com relação à variação de concentração de cortisol adsorvido ao dispositivo Pt/Au/SAM/Anticorpo-cortisol. Os limites de detcção obtidos foram 0,08, 207, 0,3, 11,1, 11,3, 0,2 × 10-6 e 9,3 × 10-13mol L-1 para glicose, ácido ascórbico, dopamina, hidroquinona, nitrito e ácido úrico, respectivamente. / Nanostructured hybrid surfaces Pt/Au containing 20, 50 and 100 nm of Au was obtained by the photolithographic process. The template used was an interdigitated microelectrodes array. The nanostructured hybrid surfaces Pt/Au containing 20, 50 and 100 nm of Au was characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. Then, applied as sensors for electrochemical detection of biomarkers ascorbic acid, uric acid, dopamine, hydroquinone and nitrite. In a second step, the gold nanostructures were coated with self-assembled monolayer (self-assembled monolayers - SAM) of alkanethiol (cystamine, mercaptoacetic acid and 11-mercaptoundecanoic acid) aiming at preparing the surface for biomolecule immobilization, including enzymes and antibodies. The bifunctional nanostructured hybrid surface Pt/Au-SAM was obtained by performing cyclic scans solution containing 0.1 mol L-1 H2SO4 at specific potential scans intervals for each SAM through this procedure was only possible to remove the SAM the platinum surface and holding on the gold nanostructures. The enzyme glucose oxidase (Aspergillus niger) was immobilized with EDC/NHS and ferrocene was used as an electron mediator. The electrochemical characterization was performed in an aqueous solution containing 0.1 mol L-1 of sulfuric acid and in a solution containing 5.0 mmol of potassium ferrocyanide and ferricyanide redox probe using cyclic voltammetry technique and electrochemical impedance spectroscopy. The hydrogen peroxide formed as a product of the enzyme-catalyzed reaction was measured on the surface of platinum solution containing 0.1 mol L-1 PBS. The apparent Michaelis-Menten kinetic constant (KMapp) and the catalytic constant kcat were calculated and compared with other transducers reported in the literature. The third application was the use of this hybrid surface and an electrochemical immunosensor for detecting salivary cortisol. Anti-cortisol antibody was immobilized at the SAM (mercaptocaetic acid) with EDC/NHS. This device was dipped in solutions containing 3.1 x 10-15 - 1.5 x 10-3 mol L-1 of cortisol. The signal-concentration relationship was obtained by electrochemical impedance spectroscopy technique of observing the variation in load transfer with respect to variation of cortisol concentration device adsorbed to Pt/Au/SAM/antibody-cortisol. The detection limit obtained were 0.08, 207, 0.3, 11.1, 11.3, 0.2 × 10-6 mol L-1 for glucose, ascorbic acid, dopamine, hydroquinone, nitrite, uric acid, respectively. Keywords: Nanostructured hybrid surface, sensors, biosensors, imunosensors, biomarkers, uric acid, ascorbic acid, dopamine, hydroquinone, glucose, cortisol.

Em trabalhos anteriores nós apresentamos um sensor sólido de óxido nítrico (NO) preparado pelo método sol-gel utilizando como aprisionadores complexos de Fe 2+ -DETC. Neste trabalho, reportamos o efeito de alguns surfactantes (CTAB-catiônico, SDS-aniônico, Triton X100-neutro e o plurônico F127) sobre o sensor. A ressonância paramagnética eletrônica (RPE) foi usada para quantificar o número de moléculas de NO-Fe 2+ -DETC. A presença dos surfactantes aumenta a resistência mecânica dos sensores sólidos, sendo mais pronunciada nos sensores contendo CTAB e Triton. Sem os surfactantes não há sinal do complexo NO-Fe 2+ - DETC. O tempo de secagem foi otimizado para 30 min. O sinal mais intenso foi obtido com os sensores contendo os surfactantes a 12 mM. Os surfactantes de um modo geral aumentam a quantidade de NO aprisionado. A difusão do NO foi estimada através do tempo de aprisionamento do NO sendo maior na presença do F127 e SDS. A saturação do sinal de NO nos sensores acontece em 10 min. Uma maior mobilidade dos complexos NO-Fe 2+ -DETC foi encontrada nos sensores contendo SDS e F127 e foi estimada pela forma de linha. Para os sensores no estado sólido o limite de detecção foi de 2 µM utilizando o F127 como aditivo, para o SDS, CTAB e Triton o limite foi de 6 µM, 8 µM e 10 µM respectivamente. Na solução coloidal a menor quantidade detectada foi de 0,1µM também com o F127. A sensibilidade dos sensores aumenta em pelo menos 5 vezes nos sensores sólidos preparados com o F127 em detrimento aos demais e pode ser melhorada utilizando surfactantes mistos. / In previous work we present a solid sensor for nitric oxide (NO) prepared by sol-gel method using the trapped complex of Fe 2+ -DETC. In this work, we report the effect of some surfactants (CTAB, cationic, anionic, SDS, Triton-X100 and neutral pluronic F127) on the sensor. The electron paramagnetic resonance (EPR) was used to quantify the number of molecules of NO-Fe 2+ -DETC. The use of surfactant increases the mechanical strength of solid sensors, being more pronounced in sensors containing CTAB and Triton. Without the surfactant no EPR signal of the complex NO-Fe 2+ -DETC was observed. The drying time was optimized to 30 min. The strongest EPR signal was obtained with the sensors containing the surfactant to 12 mM. The surfactants in general increase the amount of NO trapped. The diffusion of NO was estimated by the time of trapping of the NO that it was higher in the presence of F127 and SDS. The signal saturation of the NO sensors occurs in 10 min. A higher mobility of the complex NO-Fe 2+ -DETC was found in sensors containing SDS and F127 and was estimated by lineshapes. For the solid state sensors the detection limit was 2 µM using the F127 as additive and for the SDS, CTAB and Triton the limit was 6 µM, 8 µM and 10 µM respectively. In the colloidal solution the least amount detected was 0.1 µM also with the F127. The sensitivity of the sensors increases at least 5 times in the solid sensors prepared with the F127 in detriment to the other and can be improved by using mixed surfactants.

Esta tese de doutoramento relata estudos sobre a interação de nanotubos de carbono com nanomateriais, biomoléculas e células, com o propósito de obter informações relevantes para o desenvolvimento de biossensores e para o campo da nanotoxicologia. No primeiro estudo, foram produzidos e caracterizados três tipos de eletrodos modificados com filmes multicamadas obtidos através da técnica de automontagem. Estes filmes continham nanotubos de carbono de parede simples (SWNT), ftalocianina tetrasulfonada de níquel (NiTsPc) e o dendrímero poli(amidoamina) de geração 2 (PAMAM G2), e estes polieletrólitos foram organizados nos seguintes sistemas: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) e (nanocompósito SWNT/PAMAM G2 / NiTsPc). Medidas de voltametria cíclica com a sonda ferrocianeto de potássio revelaram que os três sistemas podem ser aplicados como eletrodos descartáveis por serem instáveis e que os dois sistemas com NiTsPc apresentam um amplo intervalo de potencial para detecção de analitos sem a interferência dos picos redox da Pc. Também foram conduzidos ensaios de citometria de fluxo para avaliação da toxicidade de nanocompósitos contendo nanotubos de carbono e poli(amidoamina) de gerações 2, 4 e 6 em células F C3H, correspondentes a fibroblastos saudáveis de fígado humano. Os resultados mostraram que o contato com os nanomateriais provoca uma queda significativa na viabilidade deste tipo de célula, e apontam para a necessidade de aprofundar a investigação sobre os efeitos biológicos deste nanocompósito para que ele seja aplicado com segurança como um vetor de drogas e material genético. A última parte da tese é dedicada a explorar ferramentas computacionais para elucidar os mecanismos de formação do nanocompósito SWNT/PAMAM G2 e sua interação com modelos de membrana celular. Simulações por dinâmica molecular revelaram que a estabilidade do nanocompósito é mantida por interações entre as paredes apolares dos nanotubos e as cadeias internas não polares do dendrímero. O estudo envolvendo bicamadas lipídicas sugeriu que a presença de espécies aniônicas, como as fosfatidilserinas, é crucial para iniciar a ligação desta nanopartícula à membrana celular. O contato do nanocompósito com a bicamada resultou na extração destrutiva de lipídeos da membrana, um efeito deletério que pode causar danos às células. / This thesis describes the interaction between carbon nanotubes and nanomaterials, biomolecules and cells, to obtain relevant information for the development of biosensors and the progress of the nanotoxicology field. In a first study, we produced and characterized three types of modified electrodes made from layer-by-layer films. These nanostructures had single-walled carbon nanotubes (SWNT), nickel tetrasulfonated phthalocyanine (NiTsPc) and poly(amidoamine) dendrimer, generation 2 (PAMAM G2). These polyelectrolytes were organized in the following multilayers: (PAMAM G2/NiTsPc), (PAMAM G2/SWNT) and (SWNT/PAMAM G2 nanocomposite / NiTsPc). Cyclic voltammetry measurements with a potassium ferrocyanide probe revealed that the three systems can be used as disposable electrodes for being unstable and that the two systems with NiTsPc exhibit a wide useful potential interval for detection without the interference of the Pc redox peaks. We also performed flow cytometry experiments to evaluate the toxicity of nanocomposites containing carbon nanotubes and poly(amidoamine) generations 2, 4 and 6 in F C3H cells, derived from healthy human liver fibroblasts. The results showed that the contact with these nanomaterials decreases the viability of this type of cell and point to the need to further determine the biological effects of this nanocomposite before it can be safely applied as a vector for drugs and genetic material. The last part of the thesis explores computational tools to unravel the mechanisms behind the formation of the nanocomposite SWNT/PAMAM G2 and its interaction with cell membrane models. Molecular dynamics simulations revealed that the stability of the nanocomposite is kept mainly by interactions between the apolar nanotube walls and the inner non polar chains of the dendrimer. The study involving lipid bilayers suggested that the presence of anionic species, such as phosphatidylserines, is crucial to trigger the binding of this nanoparticle to the cell membrane. The contact of the nanocomposite with the bilayer resulted in the destructive extraction of lipids from the membrane, an effect that ultimately causes cell damage.

Neste projeto estudou-se a interação da enzima peroxidase de raiz forte (HRP) em interfaces nanoestruturadas e sua possível aplicação em biossensores de peróxido de hidrogênio. Foram utilizadas as técnicas de Langmuir, Langmuir-Blodgett (LB) e automontagem por adsorção física para formar filmes nanoestruturados. A interação da enzima com espécies em interfaces foi investigada com materiais que serviram de matrizes de adsorção, ou seja, a quitosana (Ch) e o fosfolipídio 1,2-dipalmitoil-sn-glicero-3-[fosfatidil-rac-(1-glicerol)] (sal de sódio) (DPPG). Os filmes de Langmuir foram caracterizados com medidas de pressão e potencial de superfície, espectroscopia no infravermelho, e tensão superficial dinâmica. Para os filmes LB e automontados, empregaram-se espectroscopias de fluorescência, ultravioleta-visível e infravermelho e microgravimetria por cristal de quartzo. A peroxidase de raiz forte apresentou forte interação com DPPG, confirmada em filmes de Langmuir por medidas de pressão de superfície, elasticidade dinâmica e de espectroscopia de reflexão e absorção no infravermelho, com modulação por polarização (PM-IRRAS). A massa de peroxidase transferida em filmes Langmuir-Blodgett (LB) mistos com DPPG foi de aproximadamente 200 ng, de acordo com medidas com uma microbalança de cristal de quartzo. A atividade da HRP foi mantida no filme LB, inclusive com atividade catalítica maior do que em meio homogêneo e nos filmes automontados com quitosana. As medidas de atividade não afetaram a morfologia dos filmes LB, estudada com microscopia de força atômica (AFM), ao contrário dos filmes automontados. Conclui-se que a imobilização de HRP é mais eficiente num filme LB, com matriz fosfolipídica, apresentando boas perspectivas de emprego em biossensores de peróxido de hidrogênio. / A study has been performed on the interaction of the enzyme horseradish peroxidase (HRP) in nanostructured interfaces and their possible application in biosensors for hydrogen peroxide. The nanostructured films were obtained with the Langmuir, Langmuir-Blodgett (LB) and layer-by-layer (LbL) methods. The interaction between HRP and species at interfaces was investigated using materials that served as matrix for immobilization, viz. chitosan (Ch) and the phospholipid 1,2-dipalmytoil-sn-glycero-3-[phosphatidyl-rac-(1-glycerol)] (sodium salt) (DPPG). The Langmuir films were characterized with surface pressure, surface potential, elasticity measurements and polarization-modulation reflection and absorption infrared spectroscopy (PM-IRRAS). For LB and LbL films, use was made of fluorescence, absorption in the UV-vis. and infrared spectroscopy. HRP displayed strong interaction with DPPG, which was confirmed in Langmuir films with measurements of surface pressure, dynamic elasticity and PM-IRRAS. The mass of HRP transferred onto a solid support in a mixed LB film with DPPG was 200 ng, according to data from a quartz crystal microbalance. The HRP activity was preserved in the mixed LB film, with a catalytic activity that was even higher than in solution or in LbL films of HRP/Ch. The catalytic activity measurements did not affect the morphology of the LB films, studied with atomic force microscopy (AFM), in contrast to the LbL films. The main conclusion is that HRP immobilization is more efficient in an LB film with a phospholipid matrix, with good prospects for developing biosensors for hydrogen peroxide.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de biossensores de pH, ureia e glicose, utilizando óxidos como plataforma para a parte seletiva. Os filmes finos de óxidos condutores foram produzidos por diferentes técnicas de deposição, como spin-coat, dip-coat, spray-pyrolysis e casting. Os materiais fabricados foram AZO e TiO2, ambos depositados sobre substratos de FTO, ITO ou vidro hidroflilizado. O número de camadas foi variado para cada técnica e as caracterizações morfológicas e estruturais foram feitas por MEV, DRX e FTIR. As caracterizações elétricas foram feitas por EGFET e voltametria cíclica. Os filmes foram testados como sensores de pHs na faixa de 2 a 8. O filme depositado com AZO em substrato de FTO pela técnica de spray-pyrolysis apresentou melhor resposta, com sensibilidade de 31,7 mV/pH entre toda a faixa de pHs do 2 ao 8. Já para os filmes de TiO2, o filme produzido por dip-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou sensibilidade de 37,8 mV/pH entre a faixa de pHs de 2 a 8. Paralelamente, os filmes tiveram suas superfícies funcionalizadas com proteínas como urease ou glicose oxidase. Neste caso, os dispositivos foram testados entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL de ureia e glicose. Como biossensor de ureia, o filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou a maior sensibilidade, com valor 3,32 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 120 mg/dL. Para os filmes estudados como biossensores de glicose, o melhor resultado também foi obtido pelo filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO, apresentando sensibilidade em torno de 6,18 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL. Alguns resultados encontrados foram iguais ou melhores aos encontrados na literatura vigente, mesmo que os dispositivos ainda são passíveis de otimização. / This study presents the development of pH, urea and glucose biosensors, by the use of oxides as the base of the sensing membrane. Conducting oxide thin films were prepared by different deposition techniques, such as spin-coat, dip-coat, spray-pyrolysis, and casting. AZO and TiO2 were produced and coated onto FTO, ITO and glass substrates. The number of layers were changed for each deposition technique, and the surface characterizations were made by SEM, XRD and FTIR, while the electrical characterizations were performed with an EGFET device and cyclic voltammetry. The samples were used as pH sensors in the pH range from 2 to 8. The AZO thin film onto FTO substrate deposited by spray-pyrolysis deposition technique presented sensitivity as 31.7 mV/pH for the total pH range from 2 to 8. TiO2 thin films, produced by dip-coat deposition technique with 5 layers onto FTO substrate presented 37.8 mV/pH as sensitivity, for the same pH range. All the films have their surfaces immobilized with proteins as urease or glucose oxidase. In this case, the samples were performed in different concentrations of urea or glucose, respectively, from 5 to 200 mg/dL, for both. Urea biosensors presented good results for measurements performed with the same sample as well as performed with individuals samples, for all the concentrations range. Spin-coated TiO2 thin films with 5 layers onto FTO substrates presented 3.32 mV/(mg/dL) as sensitivity from 5 to 120 mg/dL urea concentrations, while for glucose biosensors presented 6.18 mV/(mg/dL) for the same film between the glucose concentration range from 5 to 20 mg/dL. Some results were equal or better than the results in current literature, even the films are still capable of optimization.