Nanocomposites as probes for biodetection by SERS

Abstract

The present work aimed to explore the potential of new nanocomposites based on carbon nanostructures and metal nanoparticles for the detection of biomolecules through surface enhanced Raman scattering (SERS). In a first step, polyvinyl alcohol composites were prepared incorporating silver nanoparticles by two different reduction procedures. At first without introduction of carbon nanostructures. These composites showed good results for the SERS identification of nucleic acids. Next, the synthesis and characterization of graphene oxide was studied to be used in the preparation of silver and gold nanocomposites. The reduction of this nanomaterial with different chemical agents was explored, since its reduction degree may be a determinant factor for the application envisaged (biomolecules interaction). The preparation of the nanocomposites with silver and gold was performed with different reducing agents. The SERS activity of these new nanocomposites was then explored in the presence of different analytes, varying the experimental conditions for Raman spectra acquisition. It was interesting to verify that the silver containing nanocomposites presented the particularity to intensify the graphene D and G bands. It is also important to highlight that a new eco-friendly reducing agent was tested for the synthesis of the graphene oxide composites, an Eucalyptus Globulus extract. Other variable introduced was the preparation of gold nanostars synthesized with hydroxylamine in the presence of graphene oxide, which allowed the preparation of a new nanocomposite with SERS potential. Fibrous membranes were also prepared by electrospinning with the aim to prepare SERS supports with adequate topography and porosity for the formation of nanoparticles agglomerates for the creation of the so-called hot-spots and also to allow the penetration of the analyte molecules. The polymers polyvinyl alcohol and polyacrylonitrile were selected for electrospinning. Using this technique, electrospun mantles with silver and gold nanoparticles and nanocomposites were prepared. Several variables were studied, such as the introduction of the nano-fillers during the electrospinning process, later deposition of the nano-fillers on the simple electrospun polymeric fibres and surface functionalization of the simple polymeric membranes to link the nano-fillers. At last, the potentialities of using carbon nanotubes forests, produced by chemical vapor deposition and coated with gold film by sputtering, as new SERS substrates were explored. It was found that the SERS detection of DNA bases and ADN itself is possible using these substrates.

O presente trabalho pretendeu explorar as potencialidades de nanocompósitos, baseados em nanoestruturas de carbono e nanopartículas metálicas, para a deteção de biomoléculas através da técnica de difusão de Raman intensificada por superfície (SERS, surface-enhanced Raman scattering). Primeiramente foram preparados nanocompositos de álcool polivinílico com nanopartículas de prata sintetizadas através de dois métodos, ainda sem a presença de nanoestruturas de carbono. Verificou-se que estas membranas apresentaram bons resultados na identificação de ácidos nucleicos por SERS. A síntese e caracterização do óxido de grafeno que serviu de base para a preparação dos nanocompósitos de prata e ouro foi objecto de estudo. A sua redução química com diferentes agentes redutores foi explorada, uma vez que o grau de redução deste nanomaterial pode ser um fator determinante para a aplicação pretendida (interação com biomoléculas). A preparação de nanocompósitos de óxido de grafeno com prata e ouro foi realizada com diferentes agentes redutores. A atividade de SERS destes novos nanocompósitos foi então explorada na presença de vários analitos, em diferentes condições de aquisição dos espectros de Raman, bem como em diferentes tipos de suporte. Verificou-se que os nanocompósitos preparados com prata apresentaram a particularidade de permitirem a intensificação dos sinais de Raman das bandas D e G do grafeno. É de salientar a introdução de um novo agente redutor amigo do ambiente para síntese de compósitos de grafeno com nanopartículas metálicas: o extrato de eucalipto. Outra variável introduzida foi a preparação de nanopartículas de ouro em forma de nanoestrelas sintetizadas com hidroxilamina na presença de óxido de grafeno, tendo-se obtido assim um novo nanocompósito com potencialidades em SERS. Com o objectivo de preparar suportes para SERS com uma topografia e porosidade adequadas à criação de locais privilegiados para a agregação de nanopartículas metálicas e para a penetração das moléculas do analito foram produzidas mantas por electrofiação. Para tal, selecionaram-se os polímeros álcool polivinílico e poliacrilonitrilo. Com esta técnica preparam-se igualmente nanocompósitos de ouro ou prata e grafeno. Estudaram-se algumas variáveis de síntese, tais como a introdução de nanopartículas e nanocompósitos in situ, (isto é, durante o processo de electrofiação), deposição posterior das nanopartículas e dos nanocompósitos nas fibras poliméricas (preparadas previamente) e funcionalização superficial das mantas com o objectivo de ligar os nanomateriais a posteriori. Por fim, foi também explorada a potencialidade em SERS de novas estruturas compostas por florestas de nanotubos de carbono com cobertura de ouro produzidas por deposição química de vapor. Verificou-se que a detecção de bases de ADN e o próprio ADN é possível usando estes materiais.