Photothermal Study of Two Different Nanofluids Containing SiO2 and TiO2 Semiconductor Nanoparticles

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Enhanced optical properties of germanate and tellurite glasses containing metal or semiconductor nanoparticles

Germanium- and tellurium-based glasses have been largely studied due to their recognized potential for photonics. In this paper, we review our recent studies that include the investigation of the Stokes and anti-Stokes photoluminescence (PL) in different glass systems containing metallic and semiconductor nanoparticles (NPs). In the case of the samples with metallic NPs, the enhanced PL was attributed to the increased local field on the rare-earth ions located in the proximity of the NPs and/or the energy transfer from the metallic NPs to the rare-earth ions. For the glasses containing silicon NPs, the PL enhancement was mainly due to the energy transfer from the NPs to the Er3+ ions. The nonlinear (NL) optical properties of PbO-GeO 2 films containing gold NPs were also investigated. The experiments in the pico- and subpicosecond regimes revealed enhanced values of the NL refractive indices and large NL absorption coefficients in comparison with the films without gold NPs. The reported experiments demonstrate that germanate and tellurite glasses, having appropriate rare-earth ions doping and NPs concentration, are strong candidates for PL-based devices, all-optical switches, and optical limiting. © 2013 Cid Bartolomeu de Araujo et al.

Plasmoscope: Automated spectroscopy of single nanoparticles

Plasmonen sind die kollektive resonante Anregung von Leitungselektronen. Vom Licht angeregternPlasmonen in subwellenlängen-grossen Nanopartikeln heissen Partikelplasmonen und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Mikrosensoren wegen der starken Abhängigkeit der Resonanz an extern steuerbaren Parametern, wie die optischen Eigenschaften des umgebenden Mediums und die elektrische Ladung der Nanopartikel. Die extrem hohe Streue_zienz von Partikelplasmonen erlaubt eine einfache Beobachtung einzelner Nanopartikel in einem Mikroskop.rnDie Anforderung, schnell eine statistisch relevante Anzahl von Datenpunkten sammeln zu können,rnund die wachsende Bedeutung von plasmonischen (vor allem Gold-) Nanopartikeln für Anwendungenrnin der Medizin, hat nach der Entwicklung von automatisierten Mikroskopen gedrängt, die im bis dahin nur teilweise abgedeckten spektralen Fenster der biologischen Gewebe (biologisches Fenster) von 650 bis 900nm messen können. Ich stelle in dieser Arbeit das Plasmoscope vor, das genau unter Beobachtung der genannten Anforderungen entworfen wurde, in dem (1) ein einstellbarer Spalt in die Eingangsö_nung des Spektrometers, die mit der Bildebene des Mikroskops zusammenfällt, gesetzt wurde, und (2) einem Piezo Scantisch, der es ermöglicht, die Probe durch diesen schmalen Spalt abzurastern. Diese Verwirklichung vermeidet optische Elemente, die im nahen Infra-Rot absorbieren.rnMit dem Plasmoscope untersuche ich die plasmonische Sensitivität von Gold- und Silbernanostrnäbchen, d.h. die Plasmon-Resonanzverschiebung in Abhängigkeit mit der Änderung des umgebendenrnMediums. Die Sensitivität ist das Mass dafür, wie gut die Nanopartikeln Materialänderungenrnin ihrer Umgebung detektieren können, und damit ist es immens wichtig zu wissen, welche Parameterrndie Sensitivität beein_ussen. Ich zeige hier, dass Silbernanostäbchen eine höhere Sensitivität alsrnGoldnanostäbchen innerhalb des biologischen Fensters besitzen, und darüberhinaus, dass die Sensitivität mit der Dicke der Stäbchen wächst. Ich stelle eine theoretische Diskussion der Sensitivitätrnvor, indenti_ziere die Materialparameter, die die Sensitivität bein_ussen und leite die entsprechendenrnFormeln her. In einer weiteren Annäherung präsentiere ich experimentelle Daten, die die theoretische Erkenntnis unterstützen, dass für Sensitivitätsmessschemata, die auch die Linienbreite mitberücksichtigen, Goldnanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von 3 bis 4 das optimalste Ergebnis liefern. Verlässliche Sensoren müssen eine robuste Wiederholbarkeit aufweisen, die ich mit Gold- und Silbernanostäbchen untersuche.rnDie Plasmonen-resonanzwellenlänge hängt von folgenden intrinsischen Materialparametern ab:rnElektrondichte, Hintergrundpolarisierbarkeit und Relaxationszeit. Basierend auf meinen experimentellen Ergebnissen zeige ich, dass Nanostäbchen aus Kupfer-Gold-Legierung im Vergleich zu ähnlich geformten Goldnanostäbchen eine rotverschobene Resonanz haben, und in welcher Weiserndie Linienbreite mit der stochimetrischen Zusammensetzung der legierten Nanopartikeln variiert.rnDie Abhängigkeit der Linienbreite von der Materialzusammensetzung wird auch anhand von silberbeschichteten und unbeschichteten Goldnanostäbchen untersucht.rnHalbleiternanopartikeln sind Kandidaten für e_ziente photovoltaische Einrichtungen. Die Energieumwandlung erfordert eine Ladungstrennung, die mit dem Plasmoscope experimentell vermessen wird, in dem ich die lichtinduzierte Wachstumsdynamik von Goldsphären auf Halbleiternanost äbchen in einer Goldionenlösung durch die Messung der gestreuten Intensität verfolge.rn

Synthesis of titanate nanofibers co-sensitized with ZnS and Bi2S3 nanocrystallites and their application on pollutants removal

The synthesis of nanocomposite materials combining titanate nanofibers (TNF) with nanocrystalline ZnS and Bi2S3 semiconductors is described in this work. The TNF were produced via hydrothermal synthesis and sensitized with the semiconductor nanoparticles, through a single-source precursor decomposition method. ZnS and Bi2S3 nanoparticles were successfully grown onto the TNF's surface and Bi2S3-ZnS/TNF nanocomposite materials with different layouts. The samples' photocatalytic performance was first evaluated through the production of the hydroxyl radical using terephthalic acid as probe molecule. All the tested samples show photocatalytic ability for the production of this oxidizing species. Afterwards, the samples were investigated for the removal of methylene blue. The nanocomposite materials with best adsorption ability were the ZnS/TNF and Bi2S3ZnS/TNF. The dye removal was systematically studied, and the most promising results were obtained considering a sequential combination of an adsorption-photocatalytic degradation process using the Bi2S3ZnS/TNF powder as a highly adsorbent and photocatalyst material. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

As the prostate cancer (PCa) progresses, sarcosine levels increase both in tumor cells and urine samples, suggesting that this metabolite measurements can help in the creation of non-invasive diagnostic methods for this disease. In this work, a biosensor device was developed for the quantification of sarcosine via electrochemical detection of H2O2 (at 0.6 V) generated from the catalyzed oxidation of sarcosine. The detection was carried out after the modification of carbon screen printed electrodes (SPEs) by immobilization of sarcosine oxidase (SOX) on the electrode surface. The strategies used herein included the activation of the carbon films by an electrochemical step and the formation of an NHS/EDAC layer to bond the enzyme to the electrode, the use of metallic or semiconductor nanoparticles layer previously or during the enzyme immobilization. In order to improve the sensor stability and selectivity a polymeric layer with extra enzyme content was further added. The proposed methodology for the detection of sarcosine allowed obtaining a limit of detection (LOD) of 16 nM, using a linear concentration range between 10 and 100 nM. The biosensor was successfully applied to the analysis of sarcosine in urine samples.

Sarcosine oxidase composite screen-printed electrode for sarcosine determination in biological samples

XIX Meeting of the Portuguese Electrochemical Society - XVI Iberic Meeting of Electrochemistry

Studying nanotoxic effects of CdTe quantum dots in Trypanosoma cruzi

Semiconductor nanoparticles, such as quantum dots (QDs), were used to carry out experiments in vivo and ex vivo with Trypanosoma cruzi. However, questions have been raised regarding the nanotoxicity of QDs in living cells, microorganisms, tissues and whole animals. The objective of this paper was to conduct a QD nanotoxicity study on living T. cruzi protozoa using analytical methods. This was accomplished using in vitro experiments to test the interference of the QDs on parasite development, morphology and viability. Our results show that after 72 h, a 200 μM cadmium telluride (CdTe) QD solution induced important morphological alterations in T. cruzi, such as DNA damage, plasma membrane blebbing and mitochondrial swelling. Flow cytometry assays showed no damage to the plasma membrane when incubated with 200 μM CdTe QDs for up to 72 h (propidium iodide cells), giving no evidence of classical necrosis. Parasites incubated with 2 μM CdTe QDs still proliferated after seven days. In summary, a low concentration of CdTe QDs (2 μM) is optimal for bioimaging, whereas a high concentration (200 μM CdTe) could be toxic to cells. Taken together, our data indicate that 2 μM QD can be used for the successful long-term study of the parasite-vector interaction in real time.

Formação e crescimento de nanopartículas de óxido de zinco via sol-gel

Pós-graduação em Química - IQ

Strukturelle, chemische und isotopische Analysen nanoskaliger präsolarer und früher solarer Kondensate

Neben astronomischen Beobachtungen mittels boden- und satellitengestützer Instrumente existiert ein weiterer experimenteller Zugang zu astrophysikalischen Fragestellungen in Form einer Auswahl extraterrestrischen Materials, das für Laboruntersuchungen zur Verfügung steht. Hierzu zählen interplanetare Staubpartikel, Proben, die von Raumfahrzeugen zur Erde zurückgebracht wurden und primitive Meteorite. Von besonderem Interesse sind sog. primitive kohlige Chondrite, eine Klasse von Meteoriten, die seit ihrer Entstehung im frühen Sonnensystem kaum verändert wurden. Sie enthalten neben frühem solarem Material präsolare Minerale, die in Sternwinden von Supernovae und roten Riesensternen kondensiert sind und die Bildung unseres Sonnensystems weitgehend unverändert überstanden haben. Strukturelle, chemische und isotopische Analysen dieser Proben besitzen demnach eine große Relevanz für eine Vielzahl astrophysikalischer Forschungsgebiete. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Laboranalysen mittels modernster physikalischer Methoden an Bestandteilen primitiver Meteorite durchgeführt. Aufgrund der Vielfalt der zu untersuchenden Eigenschaften und der geringen Größen der analysierten Partikel zwischen wenigen Nanometern und einigen Mikrometern mussten hierbei hohe Anforderungen an Nachweiseffizienz und Ortsauflösung gestellt werden. Durch die Kombination verschiedener Methoden wurde ein neuer methodologischer Ansatz zur Analyse präsolarer Minerale (beispielsweise SiC) entwickelt. Aufgrund geringer Mengen verfügbaren Materials basiert dieses Konzept auf der parallelen nichtdestruktiven Vorcharakterisierung einer Vielzahl präsolarer Partikel im Hinblick auf ihren Gehalt diagnostischer Spurenelemente. Eine anschließende massenspektrometrische Untersuchung identifizierter Partikel mit hohen Konzentrationen interessanter Elemente ist in der Lage, Informationen zu nukleosynthetischen Bedingungen in ihren stellaren Quellen zu liefern. Weiterhin wurden Analysen meteoritischer Nanodiamanten durchgeführt, deren geringe Größen von wenigen Nanometern zu stark modifizierten Festkörpereigenschaften führen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine quantitative Beschreibung von Quanteneinschluss-Effekten entwickelt, wie sie in diesen größenverteilten Halbleiter-Nanopartikeln auftreten. Die abgeleiteten Ergebnisse besitzen Relevanz für nanotechnologische Forschungen. Den Kern der vorliegenden Arbeit bilden Untersuchungen an frühen solaren Partikeln, sog. refraktären Metall Nuggets (RMN). Mit Hilfe struktureller, chemischer und isotopischer Analysen, sowie dem Vergleich der Ergebnisse mit thermodynamischen Rechnungen, konnte zum ersten Mal ein direkter Nachweis von Kondensationsprozessen im frühen solaren Nebel erbracht werden. Die analysierten RMN gehören zu den ersten Festkörperkondensaten, die im frühen Sonnensystem gebildet wurden und scheinen seit ihrer Entstehung nicht durch sekundäre Prozesse verändert worden zu sein. Weiterhin konnte erstmals die Abkühlrate des Gases des lokalen solaren Nebels, in dem die ersten Kondensationsprozesse stattfanden, zu 0.5 K/Jahr bestimmt werden, wodurch ein detaillierter Blick in die thermodynamische Geschichte des frühen Sonnensystems möglich wird. Die extrahierten Parameter haben weitreichende Auswirkungen auf die Modelle der Entstehung erster solarer Festkörper, welche die Grundbausteine der Planetenbildung darstellen.

Alpha, Omega end group functionalization of RAFT polymers based on pentafluorophenyl esters and methane thiosulfonates

While polymers with different functional groups along the backbone have intensively been investigated, there is still a challenge in orthogonal functionalization of the end groups. Such well-defined systems are interesting for the preparation of multiblock (co) polymers or polymer networks, for bio-conjugation or as model systems for examining the end group separation of isolated polymer chains. rnHere, Reversible Addition Fragmentation Chain Transfer (RAFT) polymerization was employed as method to investigate improved techniques for an a, w end group functionalization. RAFT produces polymers terminated in an R group and a dithioester-Z group, where R and Z stem from a suitable chain transfer agent (CTA). rnFor alpha end group functionalization, a CTA with an activated pentafluorophenyl (PFP) ester R group was designed and used for the polymerization of various methacrylate monomers, N-isopropylacrylamide and styrene yielding polymers with a PFP ester as a end group. This allowed the introduction of inert propyl amides, of light responsive diazo compounds, of the dyes NBD, Texas Red, or Oregon Green, of the hormone thyroxin and allowed the formation of multiblocks or peptide conjugates. rnFor w end group functionalization, problems of other techniques were overcome through an aminolysis of the dithioester in the presence of a functional methane thiosulfonate (MTS), yielding functional disulfides. These disulfides were stable under ambient conditions and could be cleaved on demand. Using MTS chemistry, terminal methyl disulfides (enabling self-assembly on planar gold surfaces and ligand substitution on gold and semiconductor nanoparticles), butynyl disulfide end groups (allowing the “clicking” of the polymers onto azide functionalized surfaces and the selective removal through reduction), the bio-target biotin, and the fluorescent dye Texas Red were introduced into polymers. rnThe alpha PFP amidation could be performed under mild conditions, without substantial loss of DTE. This way, a step-wise synthesis produced polymers with two functional end groups in very high yields. rnAs examples, polymers with an anchor group for both gold nanoparticles (AuNP) and CdSe / ZnS semi-conductor nanoparticles (QD) and with a fluorescent dye end group were synthesized. They allowed a NP decoration and enabled an energy transfer from QD to dye or from dye to AuNP. Water-soluble polymers were prepared with two different bio-target end groups, each capable of selectively recognizing and binding a certain protein. The immobilization of protein-polymer-protein layers on planar gold surfaces was monitored by surface plasmon resonance.Introducing two different fluorescent dye end groups enabled an energy transfer between the end groups of isolated polymer chains and created the possibility to monitor the behavior of single polymer chains during a chain collapse. rnThe versatility of the synthetic technique is very promising for applications beyond this work.

Emissions- und Anregungsspektroskopie einzelner Halbleiternanokristalle bei kryogenen Temperaturen

In den letzten beiden Jahrzehnten hat sich die Synthese und Charakterisierung nanoskopischer Objekte zu einem wichtigen Forschungszweig entwickelt. Insbesondere die Größenabhängigkeit optischer Eigenschaften in Halbleiternanokristallen eröffnet ein weites Feld an Anwendungsmöglichkeiten. Das Verständnis der größenabhängigen elektronischen Struktur derartiger Nanokristalle ist ein interessantes Feld der Grundlagenforschung, da sie den Übergang vom Atom zum makroskopischen Material repräsentieren. Die Einzigartigkeit eines jeden Nanokristalls aufgrund von Inhomogenitäten in Größe, Form und Oberflächenbeschaffenheit erfordert die Untersuchung der elektronischen Struktur mittels der Spektroskopie einzelner Nanokristalle.rnIn der vorliegenden Arbeit wurde die Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie einzelner CdSe/ZnS-Nanokristalle bei kryogenen Temperaturen etabliert und für Partikel verschiedener Größen eingesetzt. Hierzu wurde zunächst ein konfokales Mikroskop aufgebaut, das die Spektroskopie einzelner Emitter in einem Temperaturbereich von 1.4 K bis Raumtemperatur ermöglicht. Die zur Anregungsspektroskopie angewendete Methode erlaubte die Untersuchung des vollen Spektralbereichs des 1S3/2-1Se-Exzitons, der sogenannten exzitonischen Feinstruktur. Obwohl es sich bei dem niederenergetischsten Übergang um einen verbotenen Übergang handelt, konnte dieser regelmäßig detektiert werden. Die Energieseparationen der beiden niederenergetischsten Übergänge wurden in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen des etablierten EMA-Modells gefunden. Für die weiteren Übergänge zeigten die Experimente, dass deren Energiedifferenz zum niederenergetischsten Übergang vom EMA-Modell unterschätzt wird. Abschließend wurde die Polarisationsabhängigkeit der Übergänge in verschiedene Zustände der exzitonischen Feinstruktur untersucht, wobei theoretische Vorhersagen der relativen Orientierung der Übergangsdipole der beiden niederenergetischsten Zustände bestätigt werden konnten.rn

Produção e caracterização de guias de onda dopados com terras-raras contendo nanopartículas semicondutoras.

O presente trabalho tem como objetivo estudar a produção e caracterização de filmes finos do tipo GeO2-Bi2O3 (BGO) produzidos por sputtering-RF com e sem nanopartículas (NPs) semicondutoras, dopados e codopados com íons de Er3+ ou Er3+/Yb3+ para a produção de amplificadores ópticos. A produção de guias de onda do tipo pedestal baseados nos filmes BGO foi realizada a partir de litografia óptica seguida por processo de corrosão por plasma e deposição física a vapor. A incorporação dos íons de terras-raras (TRs) foi verificada a partir dos espectros de emissão. Análises de espectroscopia e microscopia foram indispensáveis para otimizar os parâmetros dos processos para a construção dos guias de onda. Foi observado aumento significativo da luminescência do Er3+ (região do visível e do infravermelho), em filmes finos codopados com Er3+/Yb3+ na presença de nanopartículas de Si. As perdas por propagação mínimas observadas foram de ~1,75 dB/cm para os guias pedestal em 1068 nm. Para os guias dopados com Er3+ foi observado aumento significativo do ganho na presença de NPs de silício (1,8 dB/cm). O ganho óptico nos guias de onda amplificadores codopados com Er3+/Yb3+ e dopados com Er3+ com e sem NPs de silício também foi medido. Ganho de ~8dB/cm em 1542 nm, sob excitação em 980 nm, foi observado para os guias pedestal codopados com Er3+/Yb3+ (Er = 4,64.1019 átomos/cm3, Yb = 3,60.1020 átomos/cm3) com largura de 80 µm; para os guias codopados com concentração superior de Er3+/Yb3+ (Er = 1,34.1021 átomos/cm3, Yb = 3,90.1021 átomos/cm3) e com NPs de Si, foi observado aumento do ganho óptico de 50% para guia com largura de 100 µm. Os resultados apresentados demonstram que guias de onda baseados em germanatos, com ou sem NPs semicondutoras, são promissores para aplicações em dispositivos fotônicos.

Ultrastructural characterization of CD133(+) stem cells bound to superparamagnetic nanoparticles: possible biotechnological applications

CD133 antigen is an integral membrane glycoprotein that can bind with different cells. Originally, however. this cellular surface antigen was expressed in human stem cells and in various cellular progenitors of the haematopoietic system. Human cord blood has been described as an excellent source of CD133(+) haematopoietic progenitor cells with a large application potential. One of the main objectives of the present study is to describe for the first time the ultrastructural characteristics of CD133(+) stem cells using transmission electronic microscopy. Another objective of the manuscript is to demonstrate through transmission electronic microscopy the molecular image of magnetic nanoparticles connected to the stein cells of great biotechnological importance, as well as demonstrating the value of this finding for electronic paramagnetic resonance and its related nanobioscientific value. Ultrastructural results showed the monoclonal antibody anti-CD133 bound to the superparamagnetic nanoparticles by the presence of electrondense granules in cell membrane, as well as in the cytoplasm, revealing the ultrastructural characteristics of CD133(+) cells, exhibiting a round morphology with discrete cytoplasmic projections, having an active nucleus that follows this morphology. The cellular cytoplasm was filled up with mitochondrias, as well as microtubules and vesicles pinocitic. characterizing the process as being related to internalization of the magnetic nanoparticles that were endocyted by the cells in question. Electronic paramagnetic resonance analysis of the CD133(+) stem cells detected that the small (spectrum) generated by the labelled cells comes from the superparamagnetic nanoparticles that are bound to them. These results strongly suggest that these CD133(+) cells can be used in nanobiotechnology applications, with benefits in different biomedical areas.

Visible range plasmonic effect produced by aluminium nanoparticles embedded in amorphous silicon

We present results, obtained by means of an analytic study and a numerical simulation, about the resonant condition necessary to produce a Localized Surface Plasmonic Resonance (LSPR) effect at the surface of metal nanospheres embedded in an amorphous silicon matrix. The study is based on a Lorentz dispersive model for a-Si:H permittivity and a Drude model for the metals. Considering the absorption spectra of a-Si:H, the best choice for the metal nanoparticles appears to be aluminium, indium or magnesium. No difference has been observed when considering a-SiC:H. Finite-difference time-domain (FDTD) simulation of an Al nanosphere embedded into an amorphous silicon matrix shows an increased scattering radius and the presence of LSPR induced by the metal/semiconductor interaction under green light (560 nm) illumination. Further results include the effect of the nanoparticles shape (nano-ellipsoids) in controlling the wavelength suitable to produce LSPR. It has been shown that is possible to produce LSPR in the red part of the visible spectrum (the most critical for a-Si:H solar cells applications in terms of light absorption enhancement) with aluminium nano-ellipsoids. As an additional results we may conclude that the double Lorentz-Lorenz model for the optical functions of a-Si:H is numerically stable in 3D simulations and can be used safely in the FDTD algorithm. A further simulation study is directed to determine an optimal spatial distribution of Al nanoparticles, with variable shapes, capable to enhance light absorption in the red part of the visible spectrum, exploiting light trapping and plasmonic effects. © 2015 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Engineering of metal oxide nanoparticles for application in electrochemical devices

The growing demand for materials and devices with new functionalities led to the increased inter-est in the field of nanomaterials and nanotechnologies. Nanoparticles, not only present a reduced size as well as high reactivity, which allows the development of electronic and electrochemical devices with exclusive properties, when compared with thin films. This dissertation aims to explore the development of several nanostructured metal oxides by sol-vothermal synthesis and its application in different electrochemical devices. Within this broad theme, this study has a specific number of objectives: a) research of the influence of the synthesis parameters to the structure and morphology of the nanoparticles; b) improvement of the perfor-mance of the electrochromic devices with the application of the nanoparticles as electrode; c) application of the nanoparticles as probes to sensing devices; and d) production of solution-pro-cessed transistors with a nanostructured metal oxide semiconductor. Regarding the results, several conclusions can be exposed. Solvothermal synthesis shows to be a very versatile method to control the growth and morphology of the nanoparticles. The electrochromic device performance is influenced by the different structures and morphologies of WO3 nanoparticles, mainly due to the surface area and conductivity of the materials. The dep-osition of the electrochromic layer by inkjet printing allows the patterning of the electrodes without wasting material and without any additional steps. Nanostructured WO3 probes were produced by electrodeposition and drop casting and applied as pH sensor and biosensor, respectively. The good performance and sensitivity of the devices is explained by the high number of electrochemical reactions occurring at the surface of the na-noparticles. GIZO nanoparticles were deposited by spin coating and used in electrolyte-gated transistors, which promotes a good interface between the semiconductor and the dielectric. The produced transistors work at low potential and with improved ON-OFF current ratio, up to 6 orders of mag-nitude. To summarize, the low temperatures used in the production of the devices are compatible with flexible substrates and additionally, the low cost of the techniques involved can be adapted for disposable devices.