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A presente tese de doutorado teve como objeto de estudo a síntese e caracterização de nanopartículas anisotrópicas de Au (AuNPs) e sua aplicação como biossensores plasmônicos utilizando a ressonância de plasmon de superfície localizado (LSPR), espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS) e fluorescência intensificada por superfície (SEF). Foram sintetizadas três diferentes nanoestruturas de Au: Nanobastões (AuNRs); nanobipirâmides (AuNBs) e nanogalhos (AuNGs), utilizando o método de crescimento por partículas nucleadoras. Essas AuNPs anisotrópicas foram caracterizadas por espectroscopia no UV-VIS e microscopias eletrônica de varredura e transmissão. AuNRs apresentaram maior rendimento em suas preparações e, portanto, foram as nanoestruturas utilizadas na construção dos biossensores. Biossensores utilizando a técnica LSPR foram preparados em duas configurações diferentes. AuNRs em suspensão (S-AuNRs) e imobilizados sobre lâminas de vidro (AuNRs-chip). A imobilização em vidro foi realizada utilizando o 3-mercaptopropiltrimetoxisilano como molécula ligante entre o vidro/AuNRs e entre os AuNRs/AuNRS; esses substratos foram caracterizados por UV-VIS e microscopia de força atômica. Os S-AuNRs e AuNRs-chip apresentaram sensibilidades de 196 nm RIU-1 e 297 nm RIU-1 respectivamente, e figura de mérito (FOM) de 2,2 RIU-1 e 3,0 RIU-1. Os AuNRs-chip apresentaram um aumento de 18% na sensibilidade e 15% na FOM em relação a outros AuNRs da literatura. Os substratos tiveram sua superfície modificada para detecção de biomoléculas, como o anticorpo da albumina de soro bovino (anti-BSA), através da metodologia utilizando N′-etilcarbodiimida (EDC) e N-hidroxisuccinimida (NHS). Posteriormente, a BSA foi imobilizada na superfície e a detecção de anti-BSA ocorreu através da interação antígeno-anticorpo, observada pelo deslocamento da banda LSPR. Esse deslocamento foi similar para as duas configurações, apesar dos maiores valores de sensibilidade e FOM dos AuNRs-chip, indicando que o ambiente ao redor dos AuNRs influencia na eficiência da detecção. A detecção de anti-BSA pelas técnicas SERS e SEF foi realiza pelo método extrínseco, utilizando um imunoensaio sanduíche e as duas configurações de AuNRs em conjunto. As moléculas provas utilizadas para o SERS e SEF, foram os corantes azul do Nilo e IR-820 respectivamente. Na presença do analito, o biossensor SERS apresentou sinal duas vezes maior na média do que o branco, e uma quantidade maior de eventos positivos no mapeamento SERS digital. O biossensor SEF apresentou sinal três vezes maior na média que o branco e uma quantidade maior de eventos positivos no mapeamento SERS digital, indicando a detecção da anti-BSA através das duas técnicas. Os AuNBs e AuNGs se mostraram substratos SERS adequados, mostrando alta intensificação no sinal Raman do corante azul do Nilo. Os biossensores construídos nesse trabalho apresentaram boa performance, são simples, rápidos e de boa eficiência na detecção da anti-BSA. The present thesis had as study the synthesis and characterization of anisotropic Au nanoparticles (AuNPs) and their application as plasmonic biosensors using the localized surface plasmon resonance (LSPR), surface enhanced Raman scattering (SERS) and surface enhanced fluorescence (SEF). Three different Au nanostructures were synthetized: Nanorods (AuNRs), nanobypiramids (AuNBs) and nanobranches (AuNGs), using the seed mediated growth method. These anisotropic AuNPs were characterized with UV-Vis spectroscopy and scanning and transmission electronic microscopy. AuNRs present larger yield in your preparations and, therefore, were the nanostructures used in biosensors construction. LSPR based biosensors were prepare in two different configurations. AuNRs in suspension, S-AuNRS, and chemically adsorbed on glass slides, AuNRs-chip. The glass adsorption was done using the 3-mercaptopropyltrimethoxisilane, that was utilized as binding molecule between glass/AuNRs and between AuNRs/AuNRS, these substrates were characterized with UV-Vis spectroscopy and atomic force microscopy. The S-AuNRs and AuNRs-chip show sensitivities of 196 nm RIU-1 and 297 nm RIU-1 respectively, and figure of merit (FOM) of 2.2 RIU-1 and 3.0 RIU-1. The AuNRs, which had the adsorption process improved, obtained an increase of 18% on sensitivity and 15% on FOM related to other AuNRs in the literature. The substrates had the surface modified for biomolecule detection, like the bovine serum albumin antibody (anti-BSA), through the methodology using N’ethylcarbodiimide (EDC) and N-hidroxysuccnimide (NHS). Posteriorly, the BSA was immobilized on the surface and the anti-BSA detection was made through antigen-antibody interaction, observed by the shift of the LSPR band. This shift was similar to two configurations, although AuNRs-chip show larger values of sensitivity and FOM, indicating that the environment surrounding the AuNRs influences the detection efficiency. The anti-BSA detection through SERS and SEF techniques was realized by the extrinsic method, using a sandwich immunoassay and the two AuNRs configurations together. The reporter molecules used for SERS and SEF were Nile blue and IR-820 dyes respectively. In the presence of the analyte, the SERS biosensor presents a twice larger average signal than blank and a larger number of positive events at SERS digital mapping. The SEF biosensor present a three times bigger average signal than blank and a larger number of positive events at SEF digital mapping, indicating the anti-BSA detection through these techniques. AuNBs and AuNGs were adequate SERS substrates, showing a good intensification in Nile blue Raman signal. The biosensors constructed in this thesis are simple, fast and have good efficiency and performance on anti-BSA detection.

Mestrado em Engenharia Biomédica Submitted by Maria da Luz Antunes (mluz.antunes@estesl.ipl.pt) on 2021-05-20T18:16:28Z No. of bitstreams: 1 Síntese e caracterização de nanopartículas magnéticas para aplicação em biomedicina.pdf: 1946486 bytes, checksum: 3a5eb3d71cf0a637683c987b70334827 (MD5) Made available in DSpace on 2021-05-20T18:16:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Síntese e caracterização de nanopartículas magnéticas para aplicação em biomedicina.pdf: 1946486 bytes, checksum: 3a5eb3d71cf0a637683c987b70334827 (MD5) Previous issue date: 2018-02 N/A

Within the last decades, the research on nanoparticles presenting localized surface plasmon resonance has increased constantly. In these materials, the interaction between electrons and incident light results in charge separation, enhancement of the electromagnetic field on the nanoparticles surface and in unique optical properties. Although many metals such as gold, silver, copper and aluminum present localized surface plasmon resonance within the visible range, gold and silver are the most commonly studied metals, due to the chemical inertia of gold and intense plasmon resonance from silver. In this review, we provide a description of the origin of localized surface plasmon resonance through the works developed by Mie, Maxwell and Maxwell-Garnett and a description of many examples of application of plasmonic nanoparticles on biosensors and solar cells, detailing the contribution of these plasmonic nanoparticles on the performance of these devices.

Lolalized surface plasmon ressonance applied to biosensors and solar cells. Within the last decades, the research on nanoparticles presenting localized surface plasmon resonance has increased constantly. In these materials, the interaction between electrons and incident light results in charge separation, enhancement of the electromagnetic field on the nanoparticles surface and in unique optical properties. Although many metals such as gold, silver, copper and aluminum present localized surface plasmon resonance within the visible range, gold and silver are the most commonly studied metals, due to the chemical inertia of gold and intense plasmon resonance from silver. In this review, we provide a description of the origin of localized surface plasmon resonance through the works developed by Mie, Maxwell and Maxwell-Garnett and a description of many examples of application of plasmonic nanoparticles on biosensors and solar cells, detailing the contribution of these plasmonic nanoparticles on the performance of these devices.

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.

Um dispositivo eletrônico para teste laboratorial remoto ou point-of-care testing (POCT) foi desenvolvido para detecção de glicose, sendo três as suas unidades estruturais: a fonte de luz, o sensor plasmônico e o transdutor de sinal. Após testes na primeira unidade estrutural do instrumento, optou-se por fonte de luz do tipo laser de ondas contínuas, trabalhando no comprimento de onda 780 nm. A segunda unidade estrutural é resultante de técnicas de engenharia molecular e síntese coloidal de um sensor plasmônico, estável, consumível em única dose. Funcionalizou-se a superfície dos nanobastões de ouro (NBAu), revestindo-os com polieletrólitos e em seguida conjugou-se com enzima glicose oxidase (GO) em camadas, pelo método layer-by-layer (LBL). As camadas foram caracterizadas por espectroscopia UVVis- NIR e obteve-se uma relação qualitativa entre estas e seus respectivos espectros de ressonância localizada de plasmon de superfície (LSPR). A LSPR possibilita uma ampla variedade de aplicações em dispositivos sensores baseados neste fenômeno. Os NBAu sintetizados neste trabalho apresentaram dois modos de absorção: (i) 550 nm o qual corresponde ao modo de oscilação transversal e (ii) 744 nm para o modo de oscilação longitudinal e sua morfologia foi obtida por microscopia eletrônica de transmissão (MET). Foi possível investigar a estabilidade de nanobastões funcionalizados com concentrações de poliestirenosulfonato de sódio (PSS). O sensor plasmônico NBAu-PSS-Poliacrilamida(PAM)- GO distinguiu absorções para soluções de concentrações distintas de glicose. Para a terceira unidade estrutural do instrumento foram selecionados transdutores de sinal e desenvolveu-se uma abordagem experimental que permitiu defini-los e programá-los a fim de reproduzir respostas correspondentes àquelas de analisadores convencionais. Um analisador de modulações LSPR foi programado no dispositivo eletrônico e ocorreu em conjunto com a síntese das nanoestruturas. A especificação do emissor de luz, a construção do sensor NBAu- PSS-PAM-GO e a definição do transdutor de sinal, permitiram elaborar uma instrumentação prática para a diagnóstico rápido. Este trabalho veio reforçar a importância da aplicação de nanoestruturas anisotrópicas para reconhecimento de macromoléculas. Uma estratégia semelhante foi contemplada neste mesmo dispositivo eletrônico, demonstrada em anticorpos conjugados aos nanobastões para reconhecimento da proteína troponina, como prova de conceito.

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Nesta dissertação foi utilizada a espectroscopia Raman intensificado por superfície (Surface Enhanced Raman Scattering – SERS) para monitorar a adsorção de moléculas de interesse biológico em superfície metálica de ouro ou cobre. Foram sintetizadas diferentes nanopartículas metálicas de ouro, variando-se a concentração, a ordem de adição dos reagentes e a temperatura em que as sínteses foram feitas. Através dos espectros de extinção dos coloides metálicos foi possível estimar a distribuição de tamanhos obtida em cada uma das sínteses, e as amostras foram também analisadas por medidas de microscopia eletrônica de varredura e espalhamento dinâmico de luz. As nanopartículas de cobre foram obtidas em meio aquoso, sofrendo oxidação da superfície com formação de óxido de cobre (II), cuja cinética foi acompanhada por espectros de extinção. Quando um adsorbato com caráter redutor foi adicionado à superfície metálica, houve redução do óxido de cobre, presente na superfície da nanopartícula, permitindo a obtenção do espectro SERS da forma oxidada da espécie adsorvida. A molécula que possibilitou o estudo deste mecanismo redox foi a p fenilenodiamina, sendo obtido o espectro SERS da espécie oxidada radical cátion. Serotonina, adrenalina, L-carnosina, melatonina, rifampicina e albumina sérica bovina foram os adsorbatos utilizados para a obtenção dos espectros SERS em coloide de ouro. Estas moléculas apresentam anéis aromáticos, que contribuem para uma elevada polarizabilidade molecular e por isso se espera elevado sinal SERS. Estas espécies também possuem átomos de nitrogênio e oxigênio, os quais estão disponíveis como sítios de coordenação para a interação com a superfície metálica. Para obtenção dos espectros SERS foram utilizadas diferentes radiações excitantes, na busca da ressonância com as transições do plasmon de superfície localizado das nanopartículas de ouro. Foi ainda realizado o cálculo teórico vibracional para cada um dos adsorbatos estudados, isolados ou coordenados a um ou mais átomos de ouro ou cobre, através dos quais foi realizada a atribuição dos espectros Raman e SERS dos sólidos e dos complexos de superfície formados, respectivamente. Através desta atribuição e das regras de seleção de superfície foi possível determinar a geometria de adsorção da biomolécula à superfície da nanopartícula metálica. In this dissertation the Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) spectroscopy was used to monitor molecules with biological interest adsorbed on gold or copper metallic surfaces. Different gold metallic nanoparticles were synthesized varing the concentration, the addition order of the reagents and the temperature in which the syntheses were made. The size distributions were estimated for each colloid synthesis by the extinction spectra of the suspensions, and the samples were also analyzed by scanning electronic microscopy and dynamic light scattering techniques. Copper nanoparticles were obtained in aqueous media, undergoing surface oxidation with the formation of Cu(II) oxide, whose kinetic was followed by extinction spectra. When a reducer adsorbate was added to the nanoparticle suspension, the copper oxide, present in the metallic surfaces, undergoing reduction, allowing the achievement of SERS spectrum of the adsorbate in the oxidized form. The molecule which allowed the study of this redox mechanism was p-phenylenediamine, and the SERS spectrum was obtained from the radical cation species. Serotonin, adrenaline, L-carnosine, melatonin, rifampicin and bovine serum albumin were the adsorbates selected to obtain the SERS spectra in gold colloids. These molecules exhibit aromatic rings, whose is expected high contribution for the molecular polarizability, and in consequence of this a great SERS signal. Such species also have nitrogen and oxygen atoms, which are available coordination sites for interaction with the metallic surface. Different exciting radiations were used for searching of the resonance with the localized surface plasmon transitions of the gold nanoparticles. It was made the vibrational theoretical calculations for each studied adsorbate, isolated and coordinated to one or more gold or copper atoms, that were used for the assignment of Raman and SERS spectra of the solid and the surface complex, respectively. Through such assignment and the surface selection rules it was possible to determinate the adsorption geometry of biomolecule on the metallic surface.