Well-organized structures of ZnS semiconductor nanocrystals using amphiphilic triblock copolymer aggregates as templates

Ring- and rod-shaped P4VP-b-PS-b-P4VP ( PS, polystyrene; P4VP, poly( 4-vinylpyridine)) triblock copolymer aggregates are used as templates to synthesize ZnS nanocrystals. Herein, PVP serves as both a stabilizing agent and a structure- directing agent. The resulting ZnS nanocrystals could be aligned along the corona of the copolymer aggregates in near-perfect structures through control of both the molar ratio of Zn2+ to P4VP and the reaction time. The diameter of the as-synthesized ZnS layer on the surface of polymer template is approximate 2 - 3 nm. High-resolution transmission electron microscopy images reveal that the ZnS particles are single crystal in a zinc blende structure. This method provides a simple, reproducible route at room temperature to prepare assembled hybrid polymer - semiconductor nanocrystal nanocomposites.

Luminescent CdSe and CdSe/CdS core-shell nanocrystals synthesized via a combination of solvothermal and two-phase thermal routes

A new solvothermal route has been developed for synthesizing the size-controlled CdSe nanocrystals with relatively narrow size distribution, and the photoluminescence (PL) quantum yields (QYs) of the nanocrystals can reach 5-10%. Then the obtained CdSe nanocrystals served as cores to prepare the core/shell CdSe/CdS nanocrystals via a two-phase thermal approach, which exhibited much higher PL QYs (up to 18-40%) than the CdSe core nanocrystals. The nanocrystal samples were characterized by ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectra, PL spectra, wide-angle Xray diffraction (WAXD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and transmission electron microscopy (TEM).

Nanopartículas e suas aplicações em Ciências Farmacêuticas

Projeto de Pós-Graduação/Dissertação apresentado à Universidade Fernando Pessoa como parte dos requisitos para obtenção do grau de Mestre em Ciências Farmacêuticas

Theory of elasticity and electric polarization effects in the group-III nitrides

In this work, the properties of strained tetrahedrally bonded materials are explored theoretically, with special focus on group-III nitrides. In order to do so, a multiscale approach is taken: accurate quantitative calculations of material properties are carried out in a quantum first-principles frame, for small systems. These properties are then extrapolated and empirical methods are employed to make predictions for larger systems, such as alloys or nanostructures. We focus our attention on elasticity and electric polarization in semiconductors. These quantities serve as input for the calculation of the optoelectronic properties of these systems. Regarding the methods employed, our first-principles calculations use highly- accurate density functional theory (DFT) within both standard Kohn-Sham and generalized (hybrid functional) Kohn-Sham approaches. We have developed our own empirical methods, including valence force field (VFF) and a point-dipole model for the calculation of local polarization and local polarization potential. Our local polarization model gives insight for the first time to local fluctuations of the electric polarization at an atomistic level. At the continuum level, we have studied composition-engineering optimization of nitride nanostructures for built-in electrostatic field reduction, and have developed a highly efficient hybrid analytical-numerical staggered-grid computational implementation of continuum elasticity theory, that is used to treat larger systems, such as quantum dots.

Synthesis, characterisation and applications of group IV nanocrystals

Group IV materials such as silicon nanocrystals (Si NCs) and carbon quantum dots (CQDs) have received great attention as new functional materials with unique physical/chemical properties that are not found in the bulk material. This thesis reports the synthesis and characterisation of both types of nanocrystal and their application as fluorescence probes for the detection of metal ions. In chapter 2, a simple method is described for the size controlled synthesis of Si NCs within inverse micelles having well defined core diameters ranging from 2 to 6 nm using inert atmospheric synthetic methods. In addition, ligands with different molecular structures were utilised to reduce inter-nanocrystal attraction forces and improve the stability of the NC dispersions in water and a variety of organic solvents. Regulation of the Si NCs size is achieved by variation of the surfactants and addition rates, resulting high quality NCs with standard deviations (σ = Δd/d) of less than 10 %. Large scale production of highly mondisperse Si NC was also successfully demonstrated. In chapter 3, a simple solution phase synthesis of size monodisperse carbon quantum dots (CQDs) using a room temperature microemulsion strategy is demonstrated. The CQDs are synthesized in reverse micelles via the reduction of carbon tetrachloride using a hydride reducing agent. CQDs may be functionalised with covalently attached alkyl or amine monolayers, rendering the CQDs dispersible in wide range of polar or non-polar solvents. Regulation of the CQDs size was achieved by utilizing hydride reducing agents of different strengths. The CQDs possess a high photoluminescence quantum yield in the visible region and exhibit excellent photostability. In chapter 4, a simple and rapid assay for detection of Fe3+ ions was developed, based on quenching of the strong blue-green Si NC photoluminescence. The detection method showed a high selectivity, with only Fe3+ resulting in strong quenching of the fluorescence signal. No quenching of the fluorescence signal was induced by Fe2+ ions, allowing for solution phase discrimination between the same ion in different charge states. The optimised sensor system showed a sensitive detection range from 25- 900 μM and a limit of detection of 20.8 μM

Statistical theory of finite Fermi systems with chaotic excited eigenstates

A theory of strongly interacting Fermi systems of a few particles is developed. At high excit at ion energies (a few times the single-parti cle level spacing) these systems are characterized by an extreme degree of complexity due to strong mixing of the shell-model-based many-part icle basis st at es by the residual two- body interaction. This regime can be described as many-body quantum chaos. Practically, it occurs when the excitation energy of the system is greater than a few single-particle level spacings near the Fermi energy. Physical examples of such systems are compound nuclei, heavy open shell atoms (e.g. rare earths) and multicharged ions, molecules, clusters and quantum dots in solids. The main quantity of the theory is the strength function which describes spreading of the eigenstates over many-part icle basis states (determinants) constructed using the shell-model orbital basis. A nonlinear equation for the strength function is derived, which enables one to describe the eigenstates without diagonalization of the Hamiltonian matrix. We show how to use this approach to calculate mean orbital occupation numbers and matrix elements between chaotic eigenstates and introduce typically statistical variable s such as t emperature in an isolated microscopic Fermi system of a few particles.

The use of theranostic gadolinium-based nanoprobes to improve radiotherapy efficacy

A new efficient type of gadolinium-based theranostic agent (AGuIX®) has recently been developed for MRI-guided radiotherapy (RT). These new particles consist of a polysiloxane network surrounded by a number of gadolinium chelates, usually 10. Owing to their small size (<5 nm), AGuIX typically exhibit biodistributions that are almost ideal for diagnostic and therapeutic purposes. For example, although a significant proportion of these particles accumulate in tumours, the remainder is rapidly eliminated by the renal route. In addition, in the absence of irradiation, the nanoparticles are well tolerated even at very high dose (10 times more than the dose used for mouse treatment). AGuIX particles have been proven to act as efficient radiosensitizers in a large variety of experimental in vitro scenarios, including different radioresistant cell lines, irradiation energies and radiation sources (sensitizing enhancement ratio ranging from 1.1 to 2.5). Pre-clinical studies have also demonstrated the impact of these particles on different heterotopic and orthotopic tumours, with both intratumoural or intravenous injection routes. A significant therapeutical effect has been observed in all contexts. Furthermore, MRI monitoring was proven to efficiently aid in determining a RT protocol and assessing tumour evolution following treatment. The usual theoretical models, based on energy attenuation and macroscopic dose enhancement, cannot account for all the results that have been obtained. Only theoretical models, which take into account the Auger electron cascades that occur between the different atoms constituting the particle and the related high radical concentrations in the vicinity of the particle, provide an explanation for the complex cell damage and death observed.

Plasmon enhanced fluorescence studies from aligned gold nanorod arrays modified with SiO2 spacer layers

Here, we demonstrate that quasi self-standing Au nanorod arrays prepared with plasma polymerisation deposited SiO2 dielectric spacers support surface enhanced fluorescence (SEF) while maintaining high signal reproducibility. We show that it is possible to find a balance between enhanced radiative and non-radiative decay rates at which the fluorescent intensity is maximized. The SEF signal optimised with a 30 nm spacer layer thickness showed a 3.5-fold enhancement with a signal variance of <15% thereby keeping the integrity of the nanorod array. We also demonstrate the decreased importance of obtaining resonance conditions when localized surface plasmon resonance is positioned within the spectral region of Au interband transitions. Procedures for further increasing the SEF enhancement factor are also discussed.

Optical processing devices and techniques for next generation optical networks

Este trabalho surge do interesse em substituir os nós de rede óptica baseados maioritariamente em electrónica por nós de rede baseados em tecnologia óptica. Espera-se que a tecnologia óptica permita maiores débitos binários na rede, maior transparência e maior eficiência através de novos paradigmas de comutação. Segundo esta visão, utilizou-se o MZI-SOA, um dispositivo semicondutor integrado hibridamente, para realizar funcionalidades de processamento óptico de sinal necessárias em nós de redes ópticas de nova geração. Nas novas redes ópticas são utilizados formatos de modulação avançados, com gestão da fase, pelo que foi estudado experimentalmente e por simulação o impacto da utilização destes formatos no desempenho do MZI-SOA na conversão de comprimento de onda e formato, em várias condições de operação. Foram derivadas regras de utilização para funcionamento óptimo. Foi também estudado o impacto da forma dos pulsos do sinal no desempenho do dispositivo. De seguida, o MZI-SOA foi utilizado para realizar funcionalidades temporais ao nível do bit e do pacote. Foi investigada a operação de um conversor de multiplexagem por divisão no comprimento de onda para multiplexagem por divisão temporal óptica, experimentalmente e por simulação, e de um compressor e descompressor de pacotes, por simulação. Para este último, foi investigada a operação com o MZI-SOA baseado em amplificadores ópticos de semicondutor com geometria de poço quântico e ponto quântico. Foi também realizado experimentalmente um ermutador de intervalos temporais que explora o MZI-SOA como conversor de comprimento de onda e usa um banco de linhas de atraso ópticas para introduzir no sinal um atraso seleccionável. Por fim, foi estudado analiticamente, experimentalmente e por simulação o impacto de diafonia em redes ópticas em diversas situações. Extendeu-se um modelo analítico de cálculo de desempenho para contemplar sinais distorcidos e afectados por diafonia. Estudou-se o caso de sinais muito filtrados e afectados por diafonia e mostrou-se que, para determinar correctamente as penalidades que ocorrem, ambos os efeitos devem ser considerados simultaneamente e não em separado. Foi estudada a escalabilidade limitada por diafonia de um comutador de intervalos temporais baseado em MZI-SOA a operar como comutador espacial. Mostrou-se também que sinais afectados fortemente por não-linearidades podem causar penalidades de diafonia mais elevadas do que sinais não afectados por não-linearidades. Neste trabalho foi demonstrado que o MZI-SOA permite construir vários e pertinentes circuitos ópticos, funcionando como bloco fundamental de construção, tendo sido o seu desempenho analisado, desde o nível de componente até ao nível de sistema. Tendo em conta as vantagens e desvantagens do MZI-SOA e os desenvolvimentos recentes de outras tecnologias, foram sugeridos tópicos de investigação com o intuito de evoluir para as redes ópticas de nova geração.

Polioxometalatos: dos agregados moleculares a redes e materiais

Esta dissertação teve como objectivo principal a preparação de novos materiais luminescentes contendo lantanopolioxometalatos. Foram utilizados polioxometalatos (POMs) do tipo Keggin, Wells-Dawson e [Ln(M5O18)2]9- com M (VI) = W, Mo contendo diferentes iões lantanídeo. Foram sintetizados materiais híbridos orgânico-inorgânicos com base em lantanopolioxometalatos e ligandos orgânicos. O efeito da coordenação destes ligandos orgânicos na luminescência dos iões lantanídeo (efeito de antena) foi investigado para os ácidos picolínico e 3-hidroxipicolínico. Os estudos de fotoluminescência destes materiais permitiram mostrar a existência de um processo de sensitização da emissão dos iões lantanídeo através de fenómenos de transferência de energia dos ligandos e do POM para o centro emissor. No caso particular dos materiais híbridos contendo POMs do tipo Wells-Dawson, a introdução do ligando orgânico levou à intensificação da absorção de energia através do POM, a qual era praticamente inexistente nos correspondentes lantanopolioxometalatos. Prepararam-se nanocompósitos do tipo “core/shell” contendo POMs e híbridos orgânico-inorgânicos como núcleo rodeados por uma camada de sílica. Os nanocompósitos preparados apresentam uma estrutura “core/shell” bem definida com um diâmetro médio de aproximadamente 35 nm. As técnicas de microscopia electrónica, nomeadamente o mapeamento por EDX, permitiram confirmar a presença dos POMs no núcleo das nanopartículas de sílica. A biofuncionalização destes nanocompósitos com um anticorpo foi estudada, com vista à potencial aplicação destes sistemas como biomarcadores ópticos. Os estudos de microscopia de fluorescência permitiram observar a emissão do Eu3+ presente nas nanopartículas biofuncionalizadas com o anticorpo, utilizando excitação na zona do ultravioleta. Estes resultados reforçam a viabilidade da aplicação destes sistemas como marcadores celulares em alternativa a “quantum dots” e corantes orgânicos. No âmbito dos nanomateriais, foi também preparado um material constituído por partículas de Na9[Eu(W5O18)2] de dimensões nanométricas, utilizando micelas invertidas como nanoreactores, de forma a limitar o tamanho das partículas. Foi realizada a preparação de novos materiais lamelares luminescentes por intercalação de POMs e respectivos materiais híbridos em argilas aniónicas de zinco e alumínio. A intercalação foi realizada através de um método de troca aniónica directa usando uma argila contendo nitrato como anião precursor. O estudo por difracção de raios-X revelou-se uma técnica fundamental na caracterização destes materiais, nomeadamente através da determinação da altura de galeria. A partir deste parâmetro foi possível verificar a orientação da espécie intercalada na argila. No caso da intercalação do anião do tipo Keggin, o estudo por RMN de 31P MAS permitiu identificar a espécie intercalada na argila. As propriedades de luminescência foram estudadas para a generalidade dos novos materiais preparados.

Métodos químicos de modificação superficial de nanomateriais

O objectivo geral desta tese foi investigar diversas estratégias de síntese de nanocompósitos híbridos de matriz polimérica, contendo nanopartículas inorgânicas com funcionalidades diversas. O interesse nestes nanocompósitos multifuncionais consiste no enorme potencial que apresentam para novas aplicações tecnológicas, tais como em optoelectrónica ou em medicina. No capítulo introdutório, apresenta-se uma revisão das propriedades de nanopartículas inorgânicas e nanoestruturas obtidas a partir destas, métodos de preparação e de modificação química superficial, incluindo a formação de nanocompósitos poliméricos, bem como a aplicação destas nanoestruturas em medicina e biologia. O estudo das propriedades de nanopartículas de ouro é um importante tema em Nanociência e Nanotecnologia. As propriedades singulares destas NPs apresentam uma estreita relação com o tamanho, morfologia, arranjo espacial e propriedades dieléctricas do meio circundante. No capítulo 2, é reportada a preparação de nanocompósitos utilizando miniemulsões de poli-estireno (PS) e poli-acrilato de butilo (PBA) contendo nanopartículas de ouro revestidas com moléculas orgânicas. As propriedades ópticas destas estruturas híbridas são dominadas por efeitos plasmónicos e dependem de uma forma crítica na morfologia final dos nanocompósitos. Em particular, demonstra-se aqui a possibilidade de ajustar a resposta óptica, na região do visível do espectro, através do arranjo das nanopartículas na matriz polimérica, e consequentemente o acoplamento plasmónico, utilizando nanopartículas resultantes da mesma síntese. Na generalidade, é reportada aqui uma estratégia alternativa para modificar a resposta óptica de nanocompósitos, através do controlo da morfologia do compósito final face à estratégia mais comum que envolve o controlo das características morfológicas das partículas metálicas utilizadas como materiais de partida. No Capítulo 3 apresentam-se os resultados da preparação de vários compósitos poliméricos com propriedades magnéticas de interesse prático. Em particular discute-se a síntese e propriedades magnéticas de nanopartículas de ligas metálicas de cobalto-platina (CoPt3) e ferro-platina (FePt3), assim como de óxidos de ferro (magnetite Fe3O4 e maguemite g-Fe2O3) e respectivos nanocompósitos poliméricos. A estratégia aqui descrita constitui uma via interessante de desenvolver materiais nanocompósitos com potencial aplicação em ensaios de análise de entidades biológicas in vitro, que pode ser estendido a outros materiais magnéticos. Como prova de conceito, demonstrase a bioconjugação de nanocompósitos de CoPt3/PtBA com anticorpos IgG de bovino. No capítulo 4 é descrita a preparação e propriedades ópticas de pontos quânticos (“quantum dots”, QDs) de CdSe/ZnS assim como dos seus materiais nanocompósitos poliméricos, CdSe/ZnS-PBA. Como resultado das suas propriedades ópticas singulares, os QDs têm sido extensivamente investigados como materiais inorgânicos para aplicações em dispositivos ópticos. A incorporação de QDs em matrizes poliméricas é de particular interesse, nomeadamente devido ao comportamento óptico do nanocompósito final parecer estar dependente do tipo de polímero utilizado. As propriedades ópticas dos nanocompósitos foram estudadas sistematicamente por medidas de fotoluminescência. Os nanocompósitos apresentam propriedades interessantes para potenciais aplicações biológicas em diagnóstico in vitro, funcionando como sondas biológicas luminescentes.

Nanoparticle-based biosensors: development and application

Tese dout., Ciências Biotecnológicas, Universidade do Algarve, 2009

Deteção de proteínas virais com nanossensores óticos

O desenvolvimento de tecnologias para a deteção de vírus é um tema de grande interesse em medicina de diagnóstico. Neste contexto, os biossensores têm-se revelado importantes ferramentas bioanalíticas, na medida em que permitem efetuar deteções moleculares de forma rápida, específica, reprodutível e com baixo custo associado. No âmbito desta dissertação, estabeleceram-se metodologias para a deteção fluorescente do fator de infetividade viral (Vif) do VIH através de um nanossensor ótico funcionalizado com anticorpos recombinantes anti-Vif, fragmentos variáveis de cadeia simples 4BL. Quantum dots carboxílicos conjugados a proteínas Vif são excitados a um comprimento de onda de 405 nm, transmitindo luz fluorescente a 605 nm a um fotodetetor de silício amorfo hidrogenado com um filtro de fluorescência integrado. Para implementar um sistema de deteção sensível e eficiente, estudaram-se estratégias de ativação de superfície em chips de vidro. A variabilidade das condições experimentais de um protocolo de silanização com (3-mercaptopropil)-trimetoxisilano (MPTS) foi avaliada através da análise de ângulos de contacto e densidades moleculares de fluoresceína funcionalizada com maleimida. Estabeleceu-se que, uma incubação dos substratos por 4 h com 5% (w/v) MPTS, seguida de cura a 110 ºC por 2 h, e redução com 10 mM ditiotreitol por 30 min, promove a formação de camadas de organosilanos de qualidade com grupos tiol reativos bem orientados. Estratégias de imobilização do elemento recetor foram testadas em substratos de vidro ativados e em sistemas de microfluídica vidro/PDMS, tomando por base o tag de afinidade, glutationa S-transferase (GST), do anticorpo recombinante. Vidros funcionalizados com glutationa e anti-GST mostraram-se igualmente reativos ao anticorpo GST-4BL, resultando uma capacidade de ligação do antigénio de aproximadamente 4.76 x 1010 moléculas/cm2 de QD-Vif, o que corresponde a 15% da cobertura máxima de superfície. Dos ensaios em sistemas de microfluídica resultaram sinais fracos e poucos reprodutíveis, destacando a necessidade de desenvolver metodologias de funcionalização mais apropriadas.

Molecularly imprinted polymer based on MWCNTs-QDs as fluorescent biomimetic sensor for specific recognition of target protein

A novel molecularly imprinted optosensing material based on multi-walled carbon nanotube-quantum dots (MWCNT-QDs) has been designed and synthesized for its high selectivity, sensitivity and specificity in the recognition of a target protein bovine serum albumin (BSA). Molecularly imprinted polymer coated MWCNT-QDs using BSA as the template (BMIP-coated MWCNT-QDs) exhibits a fast mass-transfer speed with a response time of 25 min. It is found that the BSA as a target protein can significantly quench the luminescence of BMIP-coated MWCNT-QDs in a concentration-dependent manner that is best described by a Stem-Volmer equation. The K-SV for BSA is much higher than bovine hemoglobin and lysozyme, implying a highly selective recognition of the BMIP-coated MWCNT-QDs to BSA. Under optimal conditions, the relative fluorescence intensity of BMIP-coated MWCNT-QDs decreases linearly with the increasing target protein BSA in the concentration range of 5.0 x 10(-7)-35.0 x 10(-7) M with a detection limit of 80 nM.

Études des fuites excitoniques dans des familles de boîtes quantiques d'InAs/InP par PLRT par addition de fréquences

Ce mémoire porte sur les mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans des systèmes de boîtes quantiques(BQs) d’InAs/InP. Les systèmes sont composés d’un sub- strat volumique d’InP, appelé matrice (M), d’un puits quantique d’InAs, nommé couche de mouillage (CM), et des familles de BQs d’InAs. La distinction entre les familles est faite par le nombre de monocouche d’épaisseur des boîtes qui sont beaucoup plus larges que hautes. Une revue de littérature retrace les principaux mécanismes de relaxation et de fuite des excitons dans les systèmes. Ensuite, différents modèles portant sur la fuite thermique des excitons des BQs sont comparés. Les types de caractérisations déjà produites et les spécifications des croissances des échantillons sont présentés. L’approche adoptée pour ce mémoire a été de caractériser temporellement la dynamique des BQs avec des mesures d’absorbtion transitoire et de photoluminescence résolue en temps (PLRT) par addition de fréquences. L’expérience d’absorption transitoire n’a pas fait ressortir de résultats très probants, mais elle est expliquée en détails. Les mesures de PLRT ont permis de suivre en température le temps de vie effectif des excitons dans des familles de BQs. Ensuite, avec un modèle de bilan détaillé, qui a été bien explicité, il a été possible d’identifier le rôle de la M et de la CM dans la relaxation et la fuite des excitons dans les BQs. Les ajustements montrent plus précisément que la fuite de porteurs dans les BQs se fait sous la forme de paires d’électrons-trous corrélées.