Crescimento de nanopartículas de ouro em superfície de sílica, com posterior deposição de grupo luminescente para futura aplicação em sensores óticos

Abstract

Resumo: Dentre as nanopartículas (NPs) metálicas, as de ouro (AuNPs) são as mais estudadas e aplicadas e possuem potencial aplicação em sensores de fibra óptica. Controlando algumas características das NPs, acredita-se que pode-se chegar a aumentar a sensibilidade de um sensor. A banda de absorção de um determinado conjunto de NPs metálicas depende do tamanho, da forma, do metal que compõe a NP e de outros fatores, como o meio que as circunda. Esta banda, denominada banda de absorção plasmon, ocorre em função da ressonância dos elétrons de superfície frente à exposição a radiação eletromagnética de comprimento de onda específico. A ocorrência da banda plasmon faz com que sensores com AuNPs depositadas na superfície diferenciem pequenas mudanças no índice de refração próximas à superfície do material, sendo possível criar um sensor de ressonância plasmon de superfície altamente eficiente. A deposição de grupos orgânicos luminescentes sobre este filme de AuNPs visa melhorar ainda mais as características do sensor. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi o crescimento de AuNPs em lamínulas de sílica com posterior deposição de tz, tz-SH e oxa-SH alquilados para que, futuramente, estes filmes possam ser aplicados diretamente na superfície de fibras ópticas, e analisar como estas nanopartículas, juntamente com os grupos tz, tz-SH e oxa-SH, se comportam na superfície de sílica. Para isso, foram utilizadas lamínulas de microscopia óptica, que foram funcionalizadas com 3-aminopropiltrietoxisilano, e em seguida recobertas com solução de ácido tetracloroáurico, e então reduzidas com boroidreto de sódio. Foram feitas soluções com os grupos orgânicos e as lamínulas com os filmes foram expostas a estas soluções e depois ao ar para que o solvente evaporasse, ficando apenas os grupos orgânicos ligados às AuNPs. Os compostos orgânicos foram caracterizados por ressonância magnética nuclear (NMR-1H) e as lamínulas por difração de raios X (XRD), microscopia de força atômica (AFM), microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia de energia dispersiva de raios X (SEM-EDS), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), espectroscopia de infravermelho (FTIR) e de UV-Vis. Os espectros de NMR-1H mostraram que todos os compostos orgânicos foram obtidos satisfatoriamente. O AFM comprovou a modificação da superfície da lamínula e a obtenção e homogeneidade do filme. Com os resultados de SEMEDS verificou-se a presença do filme de AuNPs nas amostras, bem como a comprovação da presença de Au. No espectro de uma das amostras foi observado um pico relativo ao enxofre, o que pode ser relacionado com a presença do oxa-SH na amostra. Nem a cristalinidade tampouco o tamanho aproximado das AuNPs foram alterados com a presença do grupo orgânico, de acordo com os resultados de XRD e TEM. Os espectros de FTIR mostraram que houve a deposição do oxa-SH nas AuNPs do filme formado. A banda plasmon foi intensificada com a presença dos grupos orgânicos luminescentes. Com as caracterizações realizadas, comprovou-se a intensificação da banda plasmon na presença do tz, tz-SH e do oxa-SH, de forma que, ao aplicar a rota num sensor de fibra ótica, este se torne mais sensível e detecte mudanças mais discretas nos índices de refração dos seus analitos. Palavras-chave: Nanopartículas de ouro. Sensores. Absorção plasmon.

Abstract: Among the metallic nanoparticles (NPs), the gold ones (AuNPs) are the most studied and applied and have a potential application in optic fiber sensors. Controlling characteristics of the NPs, we believe that it is possible to enhance a sensor's sensibility. The absorption band of a particular set of metallic NPs depends on size, shape, metal that composes the NP and other factors, such as the surrounding environment. This absorption band is called plasmon absorption band, occurring due to the surface electrons resonance upon the exposition to a specific wavelength of electromagnetic radiation. The occurrence of the plasmon band, makes the sensors with deposited AuNPs on their surface differentiate small changes in the refractive index close to the material's surface, making it possible to create a highly efficient surface plasmon resonance sensor. The deposition of luminescent organic groups on this AuNPs film aims to improve even more the sensor's characteristics. Therefore, the objective of this work was the growth of AuNPs on silica, with subsequent deposition of alkylated tz, tz-SH and oxa-SH, for future application of these films on the surface of optic fibers and to analyze how these NPs, along with tz, tz-SH and oxa-SH groups, behave on silica surface. For that, it was used coverslip microscope slides, which were functionalized with 3- aminopropyltriethoxysilane and in sequence coated with chloroauric acid solution and then reduced with sodium borohydrade. Solutions were made with the organic groups, and the coverslip of optical microscopy slides with the films were exposed to these dispersions and then to air, so that the solvent could evaporate, remaining only the organic groups linked to the AuNPs. The organic compounds were characterized by nuclear magnetic resonance (NMR-1H) and the slides by X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy with energy dispersive X ray spectroscopy (SEM-EDS), transmission electron microscopy (TEM), infrared spectroscopy (FTIR) and UVVis spectroscopy. The NMR-1H spectra showed that all organic compounds were satisfactorily obtained. The AFM proved the modification of the coverslip's surface and the obtainment and homogeneity of the film. With the SEM-EDS results, the presence of the AuNPs film was verified, as well as it was proved the presence of Au. At one of the samples spectrum, it was observed a peak referred to sulphur, what may be related to the presence of oxa-SH on the sample. Neither the crystallinity nor the approximate size of the AuNPs were altered with the presence of the organic group, according to the results of XRD and TEM. The FTIR spectra showed that the deposition of the oxa-SH occurred over the AuNPs film. The plasmon band was intensified with the presence of the luminescent organic groups. With these characterizations, the intensification of the plasmon band in the presence of tz, tz-SH and oxa-SH was proved, in a manner that, applying the route on a fiber optic sensor, it becomes more sensitive and detect more discrete changes on refraction indexes of its analytes. Key-words: Gold nanoparticles. Sensors. Plasmon absorption.