Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Early diagnosis of leprosy is an important contribution to reducing the incidence of the disease. For its early detection, the development of new platforms that include the mapping of antigens with potential to be used in immunodiagnostic is of great interest. Among these antigens, the PGL-1 and epitopes derived from specific bacillus proteins have received great attention. Alternatively, due to their versatility to perform the same functions as the protein and non-protein natural antigens, mimetic peptides are considered an important tool. Thus, our goal was to produce mimetic peptides of Mycobacterium leprae antigens that are promising as serological markers, which will be explored in new diagnostic platforms. To produce peptide mimetics, phage display technology was used. In the first case, we used a monoclonal anti-PGL-1 (CS-38) aiming to obtain peptides that mimics the PGL-1. In the second case, the peptides were obtained having purified IgGs from patients with leprosy as target. The sequences of the selected peptides expressed on the phage surface were chemically synthesized. The synthetic peptides were validated by ELISA (case 1 and 2) and by an immunosensor based on Surface Plasmon Resonance (case 1). Aiming to confirm and identify the targets of the mimetic peptides, scFv antibodies were produced by reverse engineering. The PGL-1-M3 peptide that mimics the native PGL-1 had a sensitivity of 89.11% and specificity of 100.00% in the IgM detection, with positivity of 100% in lepromatous (LL). The IgG detection had positivity of 60% for tuberculoid (TT) and 39% for household contacts (HC). This peptide was used in assembling one biophotonics platform, which allowed the differentiation of all forms of leprosy (p <0.05). The anti-scFv-M3 PGL-1 recognized native PGL-1 and accurately detected the M. leprae in immunohistochemistry tests. The MPML11, MPML14 and MPML12 peptides that mimics M. leprae antigens detect IgG and IgA in patients and HC. In IgG detection, MPML11 peptide showed positivity in 52.2% of TT and 35% of HC, and is also a promising marker of type 2 reaction. MPML12 and MPML14 peptides showed a very similar behavior to the PGL-1, with positivity of 100% and 92.85% in LL, respectively. The three peptides detected IgA in the serum of patients, especially multibacillary (MBs); and IgA in saliva of MBs and HC which index case was multibacillary. Mimetic peptides obtained in this work were confirmed as true mimetics of M. leprae antigens and can be applied in the diagnosis of leprosy in different platforms. / O diagnóstico precoce da hanseníase representa uma contribuição importante para diminuir a incidência da doença. Para isso é fundamental o desenvolvimento de novas plataformas, que incluam o mapeamento de antígenos com potencial para o imunodiagnóstico. Dentre estes destaca-se o PGL-1 e epítopos obtidos de proteínas específicas do bacilo. Alternativamente, peptídeos miméticos apresentam-se como uma importante ferramenta, pela versatilidade em desempenhar as mesmas funções que os antígenos naturais proteicos e não-proteicos. Dessa forma, nosso objetivo foi produzir peptídeos miméticos a antígenos do Mycobacterium leprae e que sejam promissores como marcadores sorológicos, os quais serão explorados em novas plataformas diagnósticas. Para produzir os peptídeos miméticos foi utilizada a tecnologia phage display. No primeiro processo utilizou-se um anticorpo monoclonal anti-PGL-1 (CS-38) para obter peptídeos miméticos ao PGL-1. No segundo processo, os peptídeos foram produzidos tendo como alvo IgGs purificadas de pacientes com hanseníase. As sequências dos peptídeos expressos nos fagos foram sintetizadas quimicamente. Os peptídeos sintéticos foram validados por ELISA (processo 1 e 2) e imunosensor baseado em Ressonância Plasmônica de Superfície (processo 1). Por meio de engenharia reversa, anticorpos scFv foram produzidos para confirmar e identificar alvos dos peptídeos miméticos. O peptídeo PGL-1-M3 mimético ao PGL-1 nativo apresentou sensibilidade de 89,11% e especificidade de 100,00% na detecção de IgM, com positividade de 100% em lepromatosos (LL), bem como títulos de IgG detectaram positividade de 60% para tuberculóides (TT) e 39% para contatos domiciliares (HC). Com este peptídeo foi montada uma plataforma biofotônica, que diferencia todas as formas clínicas de hanseníase (p<0,05). O scFv anti-PGL-1-M3 reconheceu PGL-1 nativo e detectou com precisão o M. leprae na imuno-histoquímica. Os peptídeos MPML11, MPML12 e MPML14 miméticos de antígenos do M.leprae detectam IgG e IgA em pacientes e HC. Na detecção de IgG, MPML11 apresentou positividade de 52,2% em TT e 35% em HC e também é um promissor marcador de reação tipo 2. MPML12 e MPML14 apresentaram um comportamento muito similar ao PGL-1, tendo 100% e 92,85% de positividade em LL, respectivamente. Os três peptídeos detectaram IgA nos soros de pacientes, especialmente multibacilares (MBs); bem como IgA na saliva de MBs e HC cujo caso índice era multibacilar. Os peptídeos miméticos obtidos nesse trabalho foram confirmados como miméticos verdadeiros de antígenos do M. leprae e podem ser aplicados no diagnóstico da hanseníase em diferentes plataformas. / Doutor em Genética e Bioquímica

Sementes das plantas pertencentes à família Leguminosae são excelentes fontes de inibidores de proteases. O gênero Acacia é um dos membros mais importantes deste grupo. Neste trabalho, foram descritos novos inibidores de proteases das sementes de Acacia plumosa Lowe. A partir do extrato salino das sementes maduras, os inibidores foram purificados por cromatografia de exclusão molecular em coluna Superdex-75 (equilibrada e eluída com PBS) e cromatografia de troca iônica em coluna Mono-S, equilibrada e eluída com o tampão Acetato de Sódio 50 mM (pH 5.0) num gradiente linear de \'NA\'\'CL\' 0-0.5 M. Quatro frações (eluídas por volta de 0.1 8, 0.22, 0.33 e 0.37 M de \'NA\'\'CL\') apresentaram atividade anticoagulante e ação inibitória sobre serinoproteases, estas frações foram denominadas ApTIA, ApTIB, ApTIC e ApTID, respectivamente. Em condições nativas, a espectrometria de massas mostrou as massas moleculares de três deles (A, B e C): 19.709; 19.869 e 20.378 Dáltons, enquanto que em SDS-PAGE na presença de \'beta\'-mercaptoethanol, foram observadas duas cadeias para cada um dos inibidores. A análise dos primeiros 10 resíduos de aminoácidos da região N-Terminal das duas cadeias das formas A, B, C revelou identidade com inibidores do tipo Kunitz, e também mostrou dois resíduos diferentes na ApTIC, em relação as formas A e B. Estes dados levam a interpretação de que estes inibidores são diferentes isoformas encontradas nesta semente. O espectro de dicroísmo circular foram compatíveis com proteínas que majoritariamente apresentam elementos- &#946; e não-ordenados em sua estrutura, apresentando máximos positivos por volta de 230 nm e mínimos em 202 nm. Os três isoinibidores foram muito estáveis em pHs ácidos e alcalinos, e suas estruturas foram afetadas somente acima de 75oC. As constantes de associação (KA) e de dissociação(KD) determinadas por SPR (num sistema BIACORE) com enzimas proteolíticas indicaram que a afinidade destes inibidores por tripsina foi até 20 vezes maior que para quimotripsina (tripsina: KA2.57x109 M-1 e quimotripsina: KA 1.34x108M-1), e o complexo tripsina-inibidor mostrou maior estabilidade (tripsina: KD por volta de 0,5 nM e quimotripsina: 6 nM). Estes inibidores também apresentaram ação inibitória sobre o crescimento dos fungos Aspergillus niger, Thielaviopsis paradoxa, Colletotrichum sp P10 e Fusarium moniliforme, mostrando que provavelmente a inibição de suas serinoproteases possa ser um mecanismo de controle das suas proliferações. / Seeds of plants belonging to Leguminosae family are rich sources of protease inhibitors. The Acacia genus is one of the most important members of this group. In this work, novel protease inhibitors from Acacia plumose Lowe seeds have been described. From the saline extract of mature seeds, the inhibitors were purified by size exclusion chromatography on Superdex-75 column (equilibrated and eluted with PBS) and ionic exchange chromatography on Mono-S column, equilibrated and eluted with Sodium Acetate 50 mM (pH 5.0) in a linear gradient of NaCl 0-0.5M. Four fractions (eluted around 0.18, 0.22, 0.33 and 0.37 M of NaCl) presented anticoagulant activity and inhibitory action on serineprotease, these fractions were denoted ApTIA, ApTIB, ApTIC and ApTID, respectively. In native conditions, mass spectrometry showed the molecular weights of three of them (A, B and C): 19,709; 19,869 and 20,378 Daltons, while in SDS-PAGE in ?-mercaptoethanol presence, two chains for each inhibitor were observed. The N-terminal analysis of the first 10 amino acid residues of both chains of the isoforms A, B, and C revealed identity with Kunitz protease inhibitors and also showed two different residues in ApTIC, comparing with A and B isoforms. These data indicate that the inhibitors are different isoforms present in this seeds. The circular dichroism spectra were compatible with proteins that majority present unordered and beta-elements in these structures, presenting positive maxima around 230 nm and minima about 202 nm. The three isonhibitors were very stable at acids and alkalines pH, and their structures are only affected over 75ºC. The association (KA) and dissociation constants (KD) determined by SPR (BIACORE system) with proteolytic enzymes indicated that the affinity of these inhibitors for trypsin was up to 20 times bigger than for chymotrypsin (trypsin: KA 2.57x109 M-1 and chymotrypsin: KA 1.37x108 M-1), and the complex inhibitor-trypsin showed higher stability (trypsin: KD around 0,5 nM and chymotrypsin: 6 nM). These inhibitors also presented inhibitory action on the fungi growth of Aspergillus niger, Thielaviopsis paradoxa, Colletotrichum sp P10 e Fusarium moniliforme showing that probably the inhibition of their serineproteases can be a mechanism of control of their proliferation.

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.

A luminescência opticamente estimulada (OSL) é a luminescência emitida por um material, isolante ou semicondutor, durante exposição à luz e que foi previamente exposto à radiação ionizante. Portanto, depende da quantidade de cargas armadilhadas na estrutura do material, o que por sua vez depende da dose de radiação absorvida pela amostra. Dessa forma, a busca por novos materiais para serem utilizados como detectores de radiação envolve a criação de defeitos que atuem como armadilhas e/ou centros luminescentes. Recentemente, as interações entre os plásmons de nanopartículas metálicas e centros luminescentes têm sido utilizadas para aumentar a intensidade luminescente emitida por diversos materiais. Nesse trabalho, foi investigada a possibilidade de aplicação das propriedades plasmônicas de nanoestruturas de prata e ouro, no aumento da emissão OSL. Para isso, foram testados como dosímetros OSL, compósitos de cloreto de sódio contendo nano e micropartículas de prata; compósitos de óxido de zinco contendo nanopartículas de ouro e prata; e amostras de cloreto de sódio depositado sobre filmes de nanopartículas de prata e ouro. As amostras foram caracterizadas por diversas técnicas como espectroscopia UV-Vis, espalhamento dinâmico de luz, espectroscopia na região do infravermelho, espectroscopia de fotoluminescência, microscopia eletrônica de transmissão, microscopia de força atômica, entre outras. Foi possível verificar que a intensificação dos campos elétricos locais em torno de nanopartículas metálicas em condições de ressonância plasmônica aumenta a taxa de desarmadilhamento de elétrons durante a estimulação OSL. O acoplamento plasmônico causou aumento das taxas de decaimento radiativo e redução das taxas de decaimento não radiativo, produzindo aumento da intensidade OSL. Além disso, as interações entre as armadilhas/centros luminescentes e os plásmons variam de acordo com a distância entre as partes, e a maior intensidade OSL foi obtida para amostras em que houve um espaçamento de aproximadamente 15 nm entre o NaCl o filme de nanopartículas de prata. Portanto, é possível utilizar as propriedades plasmônicas de nanoestruturas metálicas para aumentar a intensidade da luminescência opticamente estimulada, dando origem a novos e mais sensíveis detectores e dosímetros das radiações ionizantes. / Optically stimulated luminescence (OSL) is a well-known light emission process involving light stimulation of an insulator/semi-conductor material previously exposed to ionizing radiation. The intensity of the emitted light is proportional to the ionizing radiation dose previously absorbed by the material. Developing appropriate OSL materials for radiation detection and dosimetry is based on the doping and co-doping of a host material to create defects that can act as traps and/or luminescent centers. In this context, plasmon interaction with luminescent centers from OSL materials could be a new, different, and unexplored method to achieve enhanced OSL intensity and consequently improve their sensitivity as radiation detectors. In this study, we investigated whether it is possible to use the plasmonic properties of noble metal nanoparticles to obtain plasmon-enhanced OSL. To this end, we produced samples of NaCl containing nano and microparticles; composites of ZnO containing silver and gold nanoparticles; as well as samples of NaCl deposited over films of gold and silver nanoparticles. Each sample has been tested as a radiation detector by means of optically stimulated luminescence, in addition to having their materials properties analyzed by UV-Vis absorption spectroscopy, dynamic light scattering, transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy, and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). We discovered that the electric field intensification around nanoparticles under plasmon resonance conditions enhances the excitation rate of trapped electrons. The plasmon coupling during the emission process increases the radiative and diminishes the non-radiative decay rates, leading to enhanced OSL intensities. Furthermore, the interaction between traps/luminescent centers and plasmons is highly dependent on the distance between them, and the maximum OSL intensity was observed for samples with 15 nm spacing between the NaCl and the silver nanoparticle films. Therefore, it is possible to use the plasmon properties of metal nanostructures to increase OSL, giving rise to new and more sensitive ionizing radiation detectors and dosimeters.

Nanopartículas (NPs) que apresentam ressonância plasmon de superfície localizada (RPSL) são aplicáveis em diversas áreas como, por exemplo, em terapia e diagnóstico na área biomédica. Estudos e aplicações in vivo requerem que a banda plasmon (BP) ocorra na mesma região da janela terapêutica, entre 600 e 1000 nm. Esta condição pode ser atingida com a modulação da BP pelo controle da morfologia e da composição química das NPs. Os objetivos principais deste trabalho foram estudar métodos de síntese que permitissem obter maiores quantidades de materiais quando comparados aos métodos convencionais em meio aquoso, e conjuntamente avaliar os parâmetros de síntese para obter NPs com diferentes morfologias e composições almejando modular a BP para região de interesse. Obteve-se nanoesferas (NEs) de Au monodispersas com diâmetro médio de 9 nm por redução com oleilamina em solução concentrada de sais de ouro. Dispersibilidade em água com elevada estabilidade coloidal foi alcançada via um procedimento de troca de ligantes, substituindo as moléculas de oleilamina, presentes na superfície das NPs assim como sintetizadas, por moléculas de ácido 11-mecaptoundecanóico. Nanobastões (NBs) de Au (largura de 12 nm) com diferentes comprimentos (30-300 nm) foram obtidos em misturas incomuns das fases cristalinas fcc e hcp. Estes NBs apresentam duas BP no espectro UV-Vis-NIR, uma em 520 nm e outra banda alargada a partir de 800 nm atribuídas à RPSL transversal e longitudinal, respectivamente. Inicialmente, os NBs foram sintetizados utilizando oleilamina como agente redutor e surfactante, sendo posteriormente avaliado que a presença de álcool oleico ou trietilamina no meio mantiveram uma condição de crescimento-1D mantendo a forma dos nanomateriais. NEs de Ag foram obtidas em condições semelhantes às NEs de Au com a BP em torno de 420 nm. Obteve-se misturas de NEs e NBs de AuCu3 (NBs, com razão de aspecto de 3) em todas as condições estudadas, sendo posteriormente separadas. Duas BP foram observadas para os NBs de AuCu3 em 560 e 766 nm, atribuídas à ressonância transversal e longitudinal, respectivamente. NPs monodispersas de Cu1,8S com 10 nm e BP centradas em 1150 nm foram sintetizadas por injeção a quente. Uma tentativa de recobrimento com Au das NPs de Cu1,8S resultou em uma reação de substituição, formando NPs de Au2S, a qual não apresentou BP. Investigou-se sínteses de NPs Cu1,8S dopado com M (M = Fe, Al e Zn) e alguns resultados foram: i) todas amostras foram obtidas na fase digenita e com baixa dispersão de tamanho; ii) Al e Fe incorporaram na estrutura cristalina, mas aparentemente o Zn não incorporou; iii) a BP foi deslocada para maiores comprimentos de ondas em todas amostras. Em resumo, obteve-se NPs com BP na região de interesse, em quantidades maiores que as sínteses convencionais. Este trabalho contribui para a compreensão da ação de reagentes/condições experimentais sobre a composição e o controle morfológico das NPs (principalmente crescimento-1D). Ressalta-se, entre os estudos, a formação de NBs de Au na fase hcp, possibilitando futuros estudos de propriedades; o redshift da BP das NPs de Cu1,8S dopados que não eram esperados, sendo um resultado instigante para futuros estudos; e a efetiva modificação de superfície das NPs de Au que resultou em elevada estabilidade coloidal na faixa de pH entre 6 e 10, possibilitando futuras aplicações. / Nanoparticles (NPs) that present localized surface plasmon resonance (LSPR) enables several applications, for example, therapy and diagnosis in the biomedical area. In vivo studies and applications require that plasmon band occurs in the same region of the therapeutic window, between 600 and 1000 nm. This condition can be achieved with the plasmon band (PB) modulation by morphological and chemical composition control of the NPs. The main purpose of this work concerning to evaluate of the syntheses parameters to obtain NPs with different morphologies and compositions by using experimental procedures, which to enable reach larger NPs amounts than the conventional aqueous medium methods. Monodisperse Au nanospheres (NSs) with average diameter of 9 nm were obtained by reduction of gold salts in concentrated solutions by oleylamine. As-synthesized Au-NSs present oleylamine molecules onto the surface that it was replaced by 11-mercaptoundecanoic acid by using a ligand exchange procedure, resulting in the water-dispersible system with high colloidal stability. Au nanorods (NRs, 12 nm-width) with different lengths (30-300 nm) were synthesized. These NRs are an expressive result, because its present an unusual fcc and hcp crystalline phases mixtures. There is only one paper in the literature that reports the direct synthesis of Au-hcp nanostructure. The NRs dispersion show two PB in the UV-Vis-NIR spectrum at 520 nm and another large band starting in 800 nm attributed to transversal and longitudinal LSPR, respectively. Initially, the NRs were synthetized by using oleylamine as reducing agent and surfactant, and NPs with same shape were obtained in presence of oleyl alcohol or triethylamine as surfactant in the medium. Ag NSs were obtained in similar conditions of Au NSs with shape control, and LSPR band in 420 nm. Mixtures of NSs and NRs (aspect ratio of 3) of AuCu3 were obtained for all studied conditions, and separated by using a selective separation process. Two PB were observed for AuCu3 NRs at 560 and 766 nm, assigned to transversal and longitudinal resonance, respectively. Monodisperse Cu1,8S semiconductor NSs with 10 nm and PB centered in 1150 nm were synthetized via hot-injection, and attempts to cover them with Au resulted in a substitution reaction that lead the formation of Au2S NPs, which did not present PB. Syntheses of M-doped Cu1,8S NPs (M = Fe, Al e Zn) were investigated and some results were: i) all samples are digenite phase and presented low dispersivity of size; ii) Al and Fe were incorporate more effective into the crystal structure than Zn; iii) were observed redshift of PB for all samples. In summary, NPs with PB in the region of interest were obtained in greater amounts than the conventional syntheses. This thesis presents contributions to the understanding of experimental parameters that act on the compositional and morphological control of NPs (mainly 1D growth). It is emphasized among the studies: the formation of Au NRs in the hcp phase, enabling future studies of properties; the PB redshift of the doped Cu1,8S NPs that were not expected, however, this is a stimulating result for future studies; and an effective surface modification of the Au NPs that result in high colloidal stability in the pH range between 6 and 10, allowing for future applications.

Nanopartículas (NPs) que apresentam ressonância plasmon de superfície localizada (RPSL) são aplicáveis em diversas áreas como, por exemplo, em terapia e diagnóstico na área biomédica. Estudos e aplicações in vivo requerem que a banda plasmon (BP) ocorra na mesma região da janela terapêutica, entre 600 e 1000 nm. Esta condição pode ser atingida com a modulação da BP pelo controle da morfologia e da composição química das NPs. Os objetivos principais deste trabalho foram estudar métodos de síntese que permitissem obter maiores quantidades de materiais quando comparados aos métodos convencionais em meio aquoso, e conjuntamente avaliar os parâmetros de síntese para obter NPs com diferentes morfologias e composições almejando modular a BP para região de interesse. Obteve-se nanoesferas (NEs) de Au monodispersas com diâmetro médio de 9 nm por redução com oleilamina em solução concentrada de sais de ouro. Dispersibilidade em água com elevada estabilidade coloidal foi alcançada via um procedimento de troca de ligantes, substituindo as moléculas de oleilamina, presentes na superfície das NPs assim como sintetizadas, por moléculas de ácido 11-mecaptoundecanóico. Nanobastões (NBs) de Au (largura de 12 nm) com diferentes comprimentos (30-300 nm) foram obtidos em misturas incomuns das fases cristalinas fcc e hcp. Estes NBs apresentam duas BP no espectro UV-Vis-NIR, uma em 520 nm e outra banda alargada a partir de 800 nm atribuídas à RPSL transversal e longitudinal, respectivamente. Inicialmente, os NBs foram sintetizados utilizando oleilamina como agente redutor e surfactante, sendo posteriormente avaliado que a presença de álcool oleico ou trietilamina no meio mantiveram uma condição de crescimento-1D mantendo a forma dos nanomateriais. NEs de Ag foram obtidas em condições semelhantes às NEs de Au com a BP em torno de 420 nm. Obteve-se misturas de NEs e NBs de AuCu3 (NBs, com razão de aspecto de 3) em todas as condições estudadas, sendo posteriormente separadas. Duas BP foram observadas para os NBs de AuCu3 em 560 e 766 nm, atribuídas à ressonância transversal e longitudinal, respectivamente. NPs monodispersas de Cu1,8S com 10 nm e BP centradas em 1150 nm foram sintetizadas por injeção a quente. Uma tentativa de recobrimento com Au das NPs de Cu1,8S resultou em uma reação de substituição, formando NPs de Au2S, a qual não apresentou BP. Investigou-se sínteses de NPs Cu1,8S dopado com M (M = Fe, Al e Zn) e alguns resultados foram: i) todas amostras foram obtidas na fase digenita e com baixa dispersão de tamanho; ii) Al e Fe incorporaram na estrutura cristalina, mas aparentemente o Zn não incorporou; iii) a BP foi deslocada para maiores comprimentos de ondas em todas amostras. Em resumo, obteve-se NPs com BP na região de interesse, em quantidades maiores que as sínteses convencionais. Este trabalho contribui para a compreensão da ação de reagentes/condições experimentais sobre a composição e o controle morfológico das NPs (principalmente crescimento-1D). Ressalta-se, entre os estudos, a formação de NBs de Au na fase hcp, possibilitando futuros estudos de propriedades; o redshift da BP das NPs de Cu1,8S dopados que não eram esperados, sendo um resultado instigante para futuros estudos; e a efetiva modificação de superfície das NPs de Au que resultou em elevada estabilidade coloidal na faixa de pH entre 6 e 10, possibilitando futuras aplicações. / Nanoparticles (NPs) that present localized surface plasmon resonance (LSPR) enables several applications, for example, therapy and diagnosis in the biomedical area. In vivo studies and applications require that plasmon band occurs in the same region of the therapeutic window, between 600 and 1000 nm. This condition can be achieved with the plasmon band (PB) modulation by morphological and chemical composition control of the NPs. The main purpose of this work concerning to evaluate of the syntheses parameters to obtain NPs with different morphologies and compositions by using experimental procedures, which to enable reach larger NPs amounts than the conventional aqueous medium methods. Monodisperse Au nanospheres (NSs) with average diameter of 9 nm were obtained by reduction of gold salts in concentrated solutions by oleylamine. As-synthesized Au-NSs present oleylamine molecules onto the surface that it was replaced by 11-mercaptoundecanoic acid by using a ligand exchange procedure, resulting in the water-dispersible system with high colloidal stability. Au nanorods (NRs, 12 nm-width) with different lengths (30-300 nm) were synthesized. These NRs are an expressive result, because its present an unusual fcc and hcp crystalline phases mixtures. There is only one paper in the literature that reports the direct synthesis of Au-hcp nanostructure. The NRs dispersion show two PB in the UV-Vis-NIR spectrum at 520 nm and another large band starting in 800 nm attributed to transversal and longitudinal LSPR, respectively. Initially, the NRs were synthetized by using oleylamine as reducing agent and surfactant, and NPs with same shape were obtained in presence of oleyl alcohol or triethylamine as surfactant in the medium. Ag NSs were obtained in similar conditions of Au NSs with shape control, and LSPR band in 420 nm. Mixtures of NSs and NRs (aspect ratio of 3) of AuCu3 were obtained for all studied conditions, and separated by using a selective separation process. Two PB were observed for AuCu3 NRs at 560 and 766 nm, assigned to transversal and longitudinal resonance, respectively. Monodisperse Cu1,8S semiconductor NSs with 10 nm and PB centered in 1150 nm were synthetized via hot-injection, and attempts to cover them with Au resulted in a substitution reaction that lead the formation of Au2S NPs, which did not present PB. Syntheses of M-doped Cu1,8S NPs (M = Fe, Al e Zn) were investigated and some results were: i) all samples are digenite phase and presented low dispersivity of size; ii) Al and Fe were incorporate more effective into the crystal structure than Zn; iii) were observed redshift of PB for all samples. In summary, NPs with PB in the region of interest were obtained in greater amounts than the conventional syntheses. This thesis presents contributions to the understanding of experimental parameters that act on the compositional and morphological control of NPs (mainly 1D growth). It is emphasized among the studies: the formation of Au NRs in the hcp phase, enabling future studies of properties; the PB redshift of the doped Cu1,8S NPs that were not expected, however, this is a stimulating result for future studies; and an effective surface modification of the Au NPs that result in high colloidal stability in the pH range between 6 and 10, allowing for future applications.

A luminescência opticamente estimulada (OSL) é a luminescência emitida por um material, isolante ou semicondutor, durante exposição à luz e que foi previamente exposto à radiação ionizante. Portanto, depende da quantidade de cargas armadilhadas na estrutura do material, o que por sua vez depende da dose de radiação absorvida pela amostra. Dessa forma, a busca por novos materiais para serem utilizados como detectores de radiação envolve a criação de defeitos que atuem como armadilhas e/ou centros luminescentes. Recentemente, as interações entre os plásmons de nanopartículas metálicas e centros luminescentes têm sido utilizadas para aumentar a intensidade luminescente emitida por diversos materiais. Nesse trabalho, foi investigada a possibilidade de aplicação das propriedades plasmônicas de nanoestruturas de prata e ouro, no aumento da emissão OSL. Para isso, foram testados como dosímetros OSL, compósitos de cloreto de sódio contendo nano e micropartículas de prata; compósitos de óxido de zinco contendo nanopartículas de ouro e prata; e amostras de cloreto de sódio depositado sobre filmes de nanopartículas de prata e ouro. As amostras foram caracterizadas por diversas técnicas como espectroscopia UV-Vis, espalhamento dinâmico de luz, espectroscopia na região do infravermelho, espectroscopia de fotoluminescência, microscopia eletrônica de transmissão, microscopia de força atômica, entre outras. Foi possível verificar que a intensificação dos campos elétricos locais em torno de nanopartículas metálicas em condições de ressonância plasmônica aumenta a taxa de desarmadilhamento de elétrons durante a estimulação OSL. O acoplamento plasmônico causou aumento das taxas de decaimento radiativo e redução das taxas de decaimento não radiativo, produzindo aumento da intensidade OSL. Além disso, as interações entre as armadilhas/centros luminescentes e os plásmons variam de acordo com a distância entre as partes, e a maior intensidade OSL foi obtida para amostras em que houve um espaçamento de aproximadamente 15 nm entre o NaCl o filme de nanopartículas de prata. Portanto, é possível utilizar as propriedades plasmônicas de nanoestruturas metálicas para aumentar a intensidade da luminescência opticamente estimulada, dando origem a novos e mais sensíveis detectores e dosímetros das radiações ionizantes. / Optically stimulated luminescence (OSL) is a well-known light emission process involving light stimulation of an insulator/semi-conductor material previously exposed to ionizing radiation. The intensity of the emitted light is proportional to the ionizing radiation dose previously absorbed by the material. Developing appropriate OSL materials for radiation detection and dosimetry is based on the doping and co-doping of a host material to create defects that can act as traps and/or luminescent centers. In this context, plasmon interaction with luminescent centers from OSL materials could be a new, different, and unexplored method to achieve enhanced OSL intensity and consequently improve their sensitivity as radiation detectors. In this study, we investigated whether it is possible to use the plasmonic properties of noble metal nanoparticles to obtain plasmon-enhanced OSL. To this end, we produced samples of NaCl containing nano and microparticles; composites of ZnO containing silver and gold nanoparticles; as well as samples of NaCl deposited over films of gold and silver nanoparticles. Each sample has been tested as a radiation detector by means of optically stimulated luminescence, in addition to having their materials properties analyzed by UV-Vis absorption spectroscopy, dynamic light scattering, transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy, and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). We discovered that the electric field intensification around nanoparticles under plasmon resonance conditions enhances the excitation rate of trapped electrons. The plasmon coupling during the emission process increases the radiative and diminishes the non-radiative decay rates, leading to enhanced OSL intensities. Furthermore, the interaction between traps/luminescent centers and plasmons is highly dependent on the distance between them, and the maximum OSL intensity was observed for samples with 15 nm spacing between the NaCl and the silver nanoparticle films. Therefore, it is possible to use the plasmon properties of metal nanostructures to increase OSL, giving rise to new and more sensitive ionizing radiation detectors and dosimeters.

Orientador: Sidney Jose Lima Ribeiro / Banca: Younes Messaddeq / Banca: Denis Boudreau / Banca: Cid Bartolomeu de Araujo / Banca: Anna Marie Ritcey / Banca: Mauricio da Silva Baptista / Banca: Rogéria Rocha Gonçalves / Resumo: Na área biomédica, existe uma crescente demanda por nanossistemas multifuncionais para realização de imageamento e terapia simultaneamente, visando um diagnóstico precoce e máximo benefício terapêutico. Nanopartículas para conversão ascendente de energia (UCNPs) vêm sendo propostas como a sonda biológica ideal devido às suas vantagens únicas relacionadas ao fenômeno de upconversion apresentado por materiais contendo íons lantanídeos, isto é, emissão no visível obtida sob excitação no infravermelho, tais como penetração profunda nos tecidos, uma baixa taxa de autofluorescência e um fotodano mínimo. Além disso, as propriedades luminescentes dos íons lantanídeos podem ser usadas para termometria por serem fortemente dependentes da temperatura. A termometria luminescente é uma técnica de não-contato e alta resolução que vem ganhando atenção na nanomedicina uma vez que a temperatura é um parâmetro fundamental para o funcionamento das células. Danos térmicos às células podem ser localmente fotoinduzidos pelo uso de nanoestruturas metálicas iluminadas em sua banda de ressonância plasmônica por causa da sua elevada absortividade. A primeira parte deste trabalho consiste no desenvolvimento de um sistema multifuncional baseado em nanocascas de ouro (AuNSs) decoradas com UCNPs podendo ser utilizadas para aumentar e medir a temperatura em escala nanométrica. Este sistema foi desenvolvido com a finalidade de uma eventual utilização como agente em terapia fototérmica (PTT), na qual a capac... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: In the biomedical field, there is an increasing demand for multifunctional nanosystems to perform imaging and therapy simultaneously, aiming at early diagnosis and maximum therapeutic benefit. Upconversion nanoparticles (UCNPs) have been proposed as an ideal bio-probe because of their unique advantages related to the upconversion phenomenon presented by materials containing lanthanide ions, e.g. visible emission obtained under near-infrared (NIR) excitation, such as deep tissue penetration, low autofluorescence background and low photo-damage. Moreover, the luminescent properties of lanthanide ions may be used for thermometry because of a strongly temperature-dependent effect. Luminescence nanothermometry is a noncontact and high-resolution technique that has been gaining attention in nanomedicine since temperature is a fundamental parameter in events that occur in cells. The thermal damage of cells may be locally photoinduced by using metal nanostructures illuminated at their localized surface plasmon resonance (LSPR) band because of the enhancement of light absorption. In this work, a multifunctional system was designed combining gold nanoshells (AuNSs) and UCNPs intended as an optical heater and temperature probe at the nanoscale. This system was studied aiming its application as an agent for photothermal therapy (PTT), guided by the thermometer capacity of UCNPs, which allows to optimize the therapeutic benefits. The synthesis of NaGdF4 UCNPs doped with ions Yb3+:Er3+ was... (Complete abstract click electronic access below) / Résumé: Dans le domaine biomédical, il y a une demande croissante pour les nanosystèmes multifonctionnels pour effectuer simultanément l'imagerie et la thérapie, en visant le diagnostic précoce et apporter du bénéfice thérapeutique maximal. Les nanoparticules à conversion ascendante d'energie (UCNPs) ont été proposés comme une bio-sonde idéale en raison de leurs avantages uniques liés au phénomène d'upconversion présenté par les matériaux contenant des ions lanthanides, c'est-à-dire l'émission visible obtenue sous excitation dans le proche infrarouge (NIR), tels qu'une meilleure pénétration dans les tissus, une bas taux d'autofluorescence et un photo-dommage minimal. De plus, les propriétés luminescentes des ions lanthanides peuvent être utilisées pour la thermométrie en raison de leur forte dépendance sur la température. La thermométrie par luminescence est une technique sans contact et à haute résolution qui a attiré l'attention en nanomédecine puisque la température est un paramètre clé dans le fonctionnement des cellules. Des dommages thermiques aux cellules peuvent être localement photoinduits par l'utilisation de nanostructures métalliques illuminées dans leur bande de résonance plasmon en raison de leur absorptivité élevée. La prémière partie de ce travail implique le développement d'un système multifonctionnel, basé sur des nanocoquilles d'or (AuNSs) décorées avec des UCNPs, pouvant être utilisé pour augmenter et mesurer la température à l'échelle nanométrique. Ce système a é... (Résumé complet accès életronique ci-dessous) / Doutor

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-05-04T15:25:57Z No. of bitstreams: 1 patriciabarrossantos.pdf: 5111164 bytes, checksum: a7268529a7643972391f0dd226a987a3 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-05-17T13:32:29Z (GMT) No. of bitstreams: 1 patriciabarrossantos.pdf: 5111164 bytes, checksum: a7268529a7643972391f0dd226a987a3 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-17T13:32:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 patriciabarrossantos.pdf: 5111164 bytes, checksum: a7268529a7643972391f0dd226a987a3 (MD5) Previous issue date: 2016-07-28 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O presente trabalho consistiu na síntese e caracterização de catalisadores plasmônicos nanoestruturados híbridos metal∕semicondutor, para aplicação na fotodegradação do corante têxtil Reactive Black 5 (RB5), utilizando irradiação no visível. Foram sintetizadas nanopartículas de óxido de zinco, cobre (CuNPs) e prata (AgNPs), bem como catalisadores plasmônicos híbridos do tipo Cu∕ZnO e Ag∕ZnO que foram submetidos a diversas técnicas de caracterização como, espectroscopia Raman, UV-VIS, DRX de policristais, MEV e MET. Os processos de fotodegradação foram realizados em um reator labmade, no qual a solução de corante (1×10-5mol L-1) foi irradiada utilizando lâmpada fluorescente (11W) e∕ou incandescente (100W) como fontes de irradiação no visível. A fotodegradação do corante RB5 foi monitorada através de espectroscopia eletrônica no UV-VIS, espectroscopia vibracional Raman ressonante (RR) e intensificada por superfície (SERS), sendo possível observar mudanças relacionadas ao processo de fotodegradação. A espectroscopia no UV-VIS mostrou a queda na intensidade da banda de absorção do grupo cromóforo com o tempo de irradiação; por outro lado, RR e SERS permitiram observar a formação de espécies fluorescentes e mudanças no perfil espectral vibracional. Não ocorreu a fotólise do corante por nenhuma das duas fontes de irradiação utilizadas. AgNPs não promoveram a fotodegradação do RB5, porém nanopartículas de ZnO degradaram cerca de 66% das moléculas de corante, sob irradiação no visível (lâmpada incandescente). Fotocatalisadores plasmônicos do tipo Ag∕ZnO foram utilizados nos processos de degradação do RB5 utilizando ambas as fontes de irradiação no visível, sendo adicionados ao meio do corante de formas diferentes. Quando utilizado diretamente em suspensão e sob irradiação da lâmpada fluorescente o percentual de fotodegradação foi de 97%. Já com a adição do catalisador no estado sólido à solução de corante e sob irradiação da lâmpada fluorescente 72% das moléculas de RB5 foram degradadas. Esse último resultado pode ser comparado ao obtido utilizando ZnO como catalisador, e mostra um ganho de 22% na eficiência catalítica no visível na presença do material plasmônico AgNP/ZnO. / The present work consisted in the synthesis and characterization of plasmonic nanostructured hybrids metal∕semiconductor catalysts, for application on photodegradation of the Reactive Black 5 (RB5) textile dye using visible irradiation. Nanoparticles consisting of zinc oxide, copper (CuNPs) and silver (AgNPs) were synthesized, as well as plasmonics catalysts of Cu∕ZnO and Ag∕ZnO types. The materials underwent several characterizations using techniques such as Raman Spectroscopy, UV-VIS, polycrystal DRX, SEM and TEM. Photodegradation processes were carried out in a labmade reactor, in which a dye solution (1×10-5mol L-1) was irradiated using fluorescent (11W) and∕or glowing (100W) lamp bulb as sources of radiation in the visible range. The photodegradation of the RB5 dye was monitored through electronic spectroscopy UV-VIS, and vibrational spectroscopies resonant Raman (RR) and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS). UV-VIS allowed observing changes related to the photodegradation process, as a drop in intensity of the absorption band of the chromophoric group. RR and SERS techniques results presented the formation of fluorescent species and changes in the vibrational spectral profile. The photolysis of the dye didn’t occur under any of the sources of irradiation used. AgNPs didn’t promote the photodegradation of the RB5, but nanoparticles of ZnO degraded about 66% of the dye molecules, under the visible radiation (incandescent lamp). Plasmonics photocatalysts Ag∕ZnO were used in the processes of degradation of the RB5 using both sources of irradiation in the visible range, but it was added to the dye solution in different ways. When used directly in suspension and under fluorescent lamp irradiation the photodegradation percentage was 97%. With the addition of the catalyst in the solid state to the dye solution and under fluorescent lamp irradiation 72% of the RB5 molecules were degraded. This last result can be compared to that achieved using ZnO as catalyst and shows a 22% gain in catalytic efficiency under visible light in the presence of the plasmonic material AgNP/ZnO.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2016-01-04T11:25:56Z No. of bitstreams: 1 linuspaulingdefariapeixoto.pdf: 3833578 bytes, checksum: 7044b2daa711546991179b32265a99dc (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2016-01-25T15:38:14Z (GMT) No. of bitstreams: 1 linuspaulingdefariapeixoto.pdf: 3833578 bytes, checksum: 7044b2daa711546991179b32265a99dc (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-25T15:38:14Z (GMT). No. of bitstreams: 1 linuspaulingdefariapeixoto.pdf: 3833578 bytes, checksum: 7044b2daa711546991179b32265a99dc (MD5) Previous issue date: 2015-08-21 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O presente trabalho visou a síntese e caracterização de nanopartículas de ouro (AuNPs) e sua aplicação na construção de biossensores plasmônicos utilizando para a detecção as técnicas de LSPR (ressonância de plasmon de superfície localizado) e SERS/SEF (espalhamento Raman intensificado por superfície / fluorescência intensificada por superfície). As AuNPs foram sintetizadas na forma de nanobastões (AuNRs) e nanobipirâmides (AuNBs) utilizando o método de crescimento por partículas precursoras (seed) e utilizando surfactantes para direcionamento do crescimento das mesmas. Devido ao melhor rendimento obtido para AuNRs, avaliou-se apenas sua sensibilidade em suspensão ou imobilizadas em lâminas de vidro. Para a imobilização em vidro, o 3-mercaptopropiltrimetoxisilano foi utilizado como molécula ligante entre o vidro e as AuNPs e posteriormente os substratos modificados foram caracterizados por espectroscopia UV-VIS, microscopia eletrônica de varredura e voltametria cíclica. A superfície dos AuNRs foi modificada para a detecção de duas biomoléculas-prova: (1) estreptavidina, realizada pelo mecanismo de interação por bioafinidade com a biotina, utilizando cisteamina como ligante entre as AuNPs e a biotina; (2) anti-BSA, através do mecanismo de interação antígeno-anticorpo, ativando a superfície das AuNPs (previamente modificada com ácido mercaptoundecanóico) com N-(3-dimetilaminopropil)-N′-etilcarbodiimida e N-hidroxisuccinimida. A sensibilidade LSPR foi monitorada pelo deslocamento do máximo da banda do plasmon longitudinal dos AuNRs frente ao aumento do índice de refração local devido às modificações na superfície dos AuNRs, alcançando 297 nm RIU-1. A detecção por SERS foi realizada através do modo extrínseco, utilizando um corante (IR-820) como molécula marcadora sobre a superfície dos AuNRs. Os biossensores construídos tiveram desempenho satisfatório na detecção de moléculas provas, além de boa sensibilidade frente a modificações no índice de refração do meio; isso foi observado tanto para AuNPs em suspensão ou imobilizadas em lâminas de vidro. Os procedimentos reportados são simples, rápidos e eficientes para a aplicação em biossensores. Adicionalmente, a integração das AuNPs em suspensão (modificadas com moléculas marcadoras) com as AuNPs imobilizadas nas lâminas de vidro, se mostrou um método interessante para a detecção de biomoléculas utilizando SERS/SEF. / This work was focused on the synthesis and characterization of gold nanoparticles (AuNPs) for applying as LSPR (localized surface plasmon resonance) and SERS/SEF (surface enhanced Raman spectroscopy / surface enhanced fluorescence) based biosensors. AuNPs were synthesized in two different forms, nanorods (AuNRs) and nanobipyramids (AuNBs), controlling the growth of seeds by using surfactants. A better yield was obtained to AuNRs and therefore, only the sensitivity of these nanoparticles was evaluated either using the AuNRs in suspension or immobilized on glass slides. A monolayer of 3-mercaptopropylmetoxisilane was used as a linker between AuNPs and glass surface, and after the modified glass slides were characterized with UV-VIS spectroscopy, scanning electronic microscopy and cyclic voltammetry. AuNRs surface was modified aiming the detection of two probe molecules: (1) streptavidin allowed by the bioafinity for biotin, using cysteamine as monolayer between AuNPs and biotin; (2) anti-BSA allowed by an antigen-antibody interaction activating the surface (previously modified with mercaptoundecanoic acid) with N-(3-dimetilaminopropil)-N′-etilcarbodiimide and N-hidroxisuccinimide. The LSPR sensitivity was evaluated by monitoring shifts in the longitudinal plasmon mode of AuNRs with changes in local refractive index due to surface binding events, reaching 297 nm RIU-1. SERS sensitivity was carried out in an extrinsic mode using a dye (IR-820) as SERS label on AuNRs surface. The biosensors developed in this work (AuNPs in suspension and adsorbed on glass slides) are efficient as biosensor as they presented good sensitivity for change in refractive index and for surface binding with probe molecules. The main advantages of these biosensors is the simple methodology summed to the short time of analysis. In addition, coupling the labeled AuNPs in suspension with the AuNPs adsorbed on glass slides is an interesting methodology for SERS/SEF detection of biomolecules.