Graphene oxide platforms decorated with porphyrinoids and gold nanoparticles for optical detection of H2O2

João Carlos Teixeira Louro

Key information

Authors:

João Carlos Teixeira Louro (João Carlos Teixeira Louro)

Supervisors:

Susana Maria de Andrade Sousa Paiva (Susana Maria de Andrade Sousa Paiva)

Published in

11/30/2016

Abstract

O principal objetivo desta dissertação foi analisar a possibilidade de deteção ótica de peróxido de hidrogénio usando plataformas de óxido de grafeno com nanopartículas de ouro e porfirinóides. Folhas de grafeno e nanotubos de carbono facilitam a recolha e transporte de eletrões podendo ser usado para crescer as nanopartículas de metal (MNP) na sua área de elevada área superficial. Para alcançar este objetivo seguiram-se várias etapas experimentais. Inicialmente, realizaram-se estudos de auto-agregação de moléculas doadoras de eletrões como porfirinas e ftalocianinas. Isto avaliou as condições de agregação com um polímero catiónico (polietilenimina) e um polissacarídeo (quitosano). A presença dos polímeros foi pensada para facilitar a dispersão do material em solução aquosa, bem como para melhorar a interação com nanopartículas metálicas, potenciando assim um efeito sinérgico deste material nanohíbrido. A caracterização dos sistemas compósito foi realizada por técnicas espectroscópicas (absorção UVVis; fluorescência em estado estacionário e transiente) e técnicas microscópicas (microscopia de tempos de vida de fluorescência e microscopia eletrónica de transmissão). Os estudos espectroscópicos identificaram fenómenos de agregação, extinção de fluorescência e interações fortes com os polímeros sob dadas condições. As experiências espectrofotométricas de sensing foram realizadas com tetrametilbenzidina, com o sistema composto agindo como um catalisador na sua reação de oxidação na presença de peróxido de hidrogénio. Depois da otimização da concentração e proporção de tetrametilbenzidina e peróxido de hidrogénio, o sistema revelou sensibilidade ao peróxido de hidrogénio na gama de 5 a 100 µM. The main goal of this dissertation was to analyze the possibility of optical detection of hydrogen peroxide using platforms of graphene oxide with gold nanoparticles and porphyrinoids. Graphene sheets and carbon nanotubes facilitate collection and transportation of electrons which can be used to grow metal nanoparticles (MNP) on their high surface area. To achieve this goal several experimental steps were followed. In the beginning a study of self-assembling of electron donor molecules like porphyrins and phthalocyanines were performed. This evaluated the conditions of assembling with a cationic polymer (polyethylenimine) and a polysaccharide (chitosan). The presence of the polymers was thought to facilitate the dispersion of the carbon material in aqueous solution as well as to improve the interaction with metal nanoparticles thus potentiating a synergistic effect of this nanohybrid material. The characterization of the nanohybrid systems was carried out by spectroscopic (UV-Vis absorption; steady-state and time resolved fluorescence) and microscopic techniques (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy and Transmission Electron Microscopy). The spectroscopic studies identified phenomena of aggregation, quenching and strong interactions with the polymer under given conditions. The sensing experiments were performed using spectrophotometry with tetramethylbenzidine, with the assembled system acting as a catalyst in its reaction of oxidation in the presence of hydrogen peroxide. After an optimization of concentration and proportion of tetramethylbenzidine and hydrogen peroxide, the system revealed sensitivity to hydrogen peroxide in the range of 5 to 100 µM.