Determination of parathion and carbaryl pesticides in water and food samples using a self assembled monolayer/acetylcholinesterase electrochemical biosensor

An acetylcholinesterase (AchE) based amperometric biosensor was developed by immobilisation of the enzyme onto a self assembled modified gold electrode. Cyclic voltammetric experiments performed with the SAM-AchE biosensor in phosphate buffer solutions ( pH = 7.2) containing acetylthiocholine confirmed the formation of thiocholine and its electrochemical oxidation at E-p = 0.28 V vs Ag/AgCl. An indirect methodology involving the inhibition effect of parathion and carbaryl on the enzymatic reaction was developed and employed to measure both pesticides in spiked natural water and food samples without pre-treatment or pre-concentration steps. Values higher than 91-98.0% in recovery experiments indicated the feasibility of the proposed electroanalytical methodology to quantify both pesticides in water or food samples. HPLC measurements were also performed for comparison and confirmed the values measured amperometrically.

A Dielectric Model of Self-Assembled Monolayer Interfaces by Capacitive Spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Atomic nanolithography patterning of submicron features: writing an organic self-assembled monolayer with cold bright Cs atom beams

Cs atom beams, transversely collimated and cooled, passing through material masks in the form of arrays of reactive-ion-etched hollow Si pyramidal tips and optical masks formed by intense standing light waves, write submicron features on self-assembled monolayers (SAMs). Features with widths as narrow as 43 ± 6 nm and spatial resolution limited only by the grain boundaries of the substrate have been realized in SAMs of alkanethiols. The material masks write two-dimensional arrays of submicron holes; the optical masks result in parallel lines spaced by half the optical wavelength. Both types of feature are written to the substrate by exposure of the masked SAM to the Cs flux and a subsequent wet chemical etch. For the arrays of pyramidal tips, acting as passive shadow masks, the resolution and size of the resultant feature depends on the distance of the mask array from the SAM, an effect caused by the residual divergence of the Cs atom beam. The standing wave optical mask acts as an array of microlenses focusing the atom flux onto the substrate. Atom 'pencils' writing on SAMs have the potential to create arbitrary submicron figures in massively parallel arrays. The smallest features and highest resolutions were realized with SAMs grown on smooth, sputtered gold substrates.

The nature of alkanethiol self-assembled monolayer adsorption on sputtered gold substrates

A detailed study of the self-assembly and coverage by 1-nonanethiol of sputtered Au surfaces using molecular resolution atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM) is presented. The monolayer self-assembles on a smooth Au surface composed predominantly of {111} oriented grains. The domains of the alkanethiol monolayer are observed with sizes typically of 5-25 nm, and multiple molecular domains can exist within one Au grain. STM imaging shows that the (4 × 2) superlattice structure is observed as a (3 × 2√3) structure when imaged under noncontact AFM conditions. The 1-nonanethiol molecules reside in the threefold hollow sites of the Au{111} lattice and aligned along its lattice vectors. The self-assembled monolayer (SAM) contains many nonuniformities such as pinholes, domain boundaries, and monatomic depressions which are present in the Au surface prior to SAM adsorption. The detailed observations demonstrate limitations to the application of 1-nonanethiol as a resist in atomic nanolithography experiments to feature sizes of ∼20 nm.

Gold electrode modified by self-assembled monolayers of thiols to determine DNA sequences hybridization

The process of immobilization of biological molecules is one of the most important steps in the construction of a biosensor. In the case of DNA, the way it exposes its bases can result in electrochemical signals to acceptable levels. The use of self-assembled monolayer that allows a connection to the gold thiol group and DNA binding to an aldehydic ligand resulted in the possibility of determining DNA hybridization. Immobilized single strand of DNA (ssDNA) from calf thymus pre-formed from alkanethiol film was formed by incubating a solution of 2-aminoethanothiol (Cys) followed by glutaraldehyde (Glu). Cyclic voltammetry (CV) was used to characterize the self-assembled monolayer on the gold electrode and, also, to study the immobilization of ssDNA probe and hybridization with the complementary sequence (target ssDNA). The ssDNA probe presents a well-defined oxidation peak at +0.158 V. When the hybridization occurs, this peak disappears which confirms the efficacy of the annealing and the DNA double helix performing without the presence of electroactive indicators. The use of SAM resulted in a stable immobilization of the ssDNA probe, enabling the hybridization detection without labels. This study represents a promising approach for molecular biosensor with sensible and reproducible results.

Towards the nanomechanical actuation and controlled assembly of nanomaterials using charge-transfer reactions in electroactive self-assembled monolayers

Les microcantileviers fonctionnalisés offrent une plateforme idéale pour la nano- et micro-mécanique et pour le développement de (bio-) capteurs tres sensible. Le principe d’opération consiste dans des évènements physicochimiques qui se passent du côté fonctionnalisé du microcantilevier induisant une différence de stress de surface entre les deux côtés du cantilevier qui cause une déflexion verticale du levier. Par contre, les facteurs et les phénomènes interfacials qui régissent la nature et l'intensité du stress de surface sont encore méconnus. Pour éclaircir ce phénomène, la première partie de cette thèse porte sur l'étude des réactions de microcantileviers qui sont recouverts d'or et fonctionnalisés par une monocouche auto-assemblée (MAA) électroactive. La formation d'une MAA de ferrocènylundécanethiol (FcC11SH) à la surface d'or d'un microcantilevier est le modèle utilisé pour mieux comprendre le stress de surface induit par l’électrochimie. Les résultats obtenus démontrent qu'une transformation rédox de la MAA de FcC11SH crée un stress de surface qui résulte dans une déflexion verticale du microcantilevier. Dépendamment de la flexibilité du microcantilevier, cette déflexion peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres. L’oxydation de cette MAA de FcC11SH dans un environnement d'ions perchlorate génère un changement de stress de surface compressive. Les résultats indiquent que la déflexion du microcantilevier est due à une tension latérale provenant d'une réorientation et d'une expansion moléculaire lors du transfért de charge et de pairage d’anions. Pour vérifier cette hypothèse, les mêmes expériences ont été répéteés avec des microcantileviers qui ont été couverts d'une MAA mixte, où les groupements électroactifs de ferrocène sont isolés par des alkylthiols inactifs. Lorsqu’un potentiel est appliqué, un courant est détecté mais le microcantilevier ne signale aucune déflexion. Ces résultats confirment que la déflexion du microcantilevier est due à une pression latérale provenant du ferrocènium qui se réorganise et qui crée une pression sur ses pairs avoisinants plutôt que du couplage d’anions. L’amplitude de la déflexion verticale du microcantilevier dépend de la structure moléculaire de la MAA et du le type d’anion utilisés lors de la réaction électrochimique. Dans la prochaine partie de la thèse, l’électrochimie et la spectroscopie de résonance de plasmon en surface ont été combinées pour arriver à une description de l’adsorption et de l’agrégation des n-alkyl sulfates à l’interface FcC11SAu/électrolyte. À toutes les concentrations de solution, les molécules d'agent tensio-actif sont empilées perpendiculairement à la surface d'électrode sous forme de monocouche condensé entrecroisé. Cependant, la densité du film spécifiquement adsorbé s'est avérée être affectée par l'état d'organisation des agents tensio-actifs en solution. À faible concentration, où les molécules d'agent tensio-actif sont présentes en tant que monomères solvatés, les monomères peuvent facilement s'adapter à l’évolution de la concentration en surface du ferrocènium lors du balayage du potential. Cependant, lorsque les molécules sont présentes en solution en tant que micelles une densité plus faible d'agent tensio-actif a été trouvée en raison de l'incapacité de répondre effectivement à la surface de ferrocenium générée dynamiquement.

Microelectrode array in mixed alkanethiol self-assembled monolayers: Electrochemical studies

We report an efficient alternative to obtain recessed microelectrodes device on gold electrode surface, in which mixed self-assembled monolayer of long and short carbon alkanethiol chains was used for this purpose. Development of the modified electrodes included the chemical adsorption of 11-mercaptoundecanoic acid and 2-mercaptoethanol solution, as well as their mixtures, on gold surface, resulting in the final mixed self-assembled monolayer configuration. For comparison, the electrochemical performance of self-assembled monolayer of 11-mercaptoundecanoic acid. 3-mercaptopropionic acid, 4-mercapto-1-butanol and 6-mercapto-1-hexanol modified electrodes was also investigated. It was verified that, in the mixed self-assembled monolayer, the 11-mercaptoundecanoic acid acts as a barrier for electron transfer while the short alkanethiol chair is deposited in an island-like shape through which electrons can be freely transferred to ions in solution, allowing electrochemical reactions to occur. The performance of the modified electrodes toward microelectrode behavior was investigated via cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy measurements using [Fe(CN)(6)](3-/4-) redox couple as a probe. In this case, sigmoidal voltammetric responses were obtained, very similar to those observed for microelectrodes. Such behavior reinforces the proposition of electron transfer through the short alkanethiol chain layer and surface blockage by the long chain one. Electrochemical impedance results allowed calculated the mean radius value of each microelectrode disks of 3.8 mu m with about 22 mu m interval between them. The microelectrode environment provided by the mixed self-assembled monolayer can be conveniently used to provide an efficient catalytic conversion in biosensing applications. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nanostructuring by templated synthesis of nanowires and controlled crystallization of calcium phosphate on self-assembled monolayers

The idea was to obtain nanowires in a chemical laboratory under convenient and simple conditions by employing templates. Thus it was possible to produce nanochains by interlinking of gold colloids synthesized by the two-phase-method of M. Brust with by making use of vanadiumoxide nanotubes as template. The length of the resulting nanowires is varying between 1100 nm and 200 nm with a diameter of about 16 nm. Due to a flexible linker the obtained nanowires are not completely rigid. These unique structural features could make them interesting objects for structuring and assembling in the nanoscale range. Another way to produce gold nanowires was realized by a two-step surface metallization procedure, using type I collagen fibres as a template. Gold colloids were used to label the collagen fibres by direct electrostatic interaction, followed by growth steps to enhance the size of the adsorbed colloidal gold crystals, resulting in a complete metallization of the template surface. The length of the resulting gold nanowires reaches several micrometers, with a diameter ~ 100 to 120 nm. To gain a deeper insight into the process of biomineralization the cooperative effect of self-assembled monolayers as substrate and a soluble counterpart on the nucleation and crystal growth of calcium phosphate was studied by diffusion techniques with a pH switch as initiator. As soluble component Perlucin and Nacrein were used. Both are proteins originally extracted from marine organisms, the first one from the Abalone shell and the second one from oyster pearls. Both are supposed to facilitate the calcium carbonate formation in vivo. Studies with Perlucin revealed that this protein shows a clear cooperative effect at a very low concentration with a hydrophobic surface promoting the calcium phosphate precipitation resulting in a sponge like structure of hydroxyapatite. The Perlucin molecule is very flexible and is unfolded by adsorbing to the hydrophobic surface and uncovers its active side. Hydrophilic surfaces did not have a deeper impact. Studies with Nacrein as additive have shown that the protein stabilizes octacalcium phosphate at room temperature on carboxylic self-assembled monolayer and at 34 °C on all other employed surfaces by interaction with the mineral. On the hydroxyl-, alkyl-, and amin-terminated self-assembled monolayers at room temperature the octacalcium phosphate get transformed to hydroxyapatite. Main analytical techniques which are used in this work are transmission electron microscopy, high resolution scanning electron microscopy, surface plasmon resonance spectroscopy, atomic force microscopy, Raman micro-spectroscopy and quartz crystal microbalance.

Advancing atomic nanolithography: cold atomic Cs beam exposure of alkanethiol self-assembled monolayers

We report the results of a study into the quality of functionalized surfaces for nanolithographic imaging. Self-assembled monolayer (SAM) coverage, subsequent post-etch pattern definition and minimum feature size all depend on the quality of the Au substrate used in atomic nanolithographic experiments. We find sputtered Au substrates yield much smoother surfaces and a higher density of {111} oriented grains than evaporated Au surfaces. A detailed study of the self-assembly mechanism using molecular resolution AFM and STM has shown that the monolayer is composed of domains with sizes typically of 5-25 nm, and multiple molecular domains can exist within one Au grain. Exposure of the SAM to an optically-cooled atomic Cs beam traversing a two-dimensional array of submicron material masks ans also standing wave optical masks allowed determination of the minimum average Cs dose (2 Cs atoms per SAM molecule) and the realization of < 50 nm structures. The SAM monolayer contains many non-uniformities such as pin-holes, domain boundaries and monoatomic depressions which are present in the Au surface prior to SAM adsorption. These imperfections limit the use of alkanethiols as a resist in atomic nanolithography experiments. These studies have allowed us to realize an Atom Pencil suitable for deposition of precision quantities of material at the microand nanoscale to an active surface.

Writing self-assembled monolayers with Cs: Optimization of atomic nanolithography imaging using self-assembled monolayers on gold substrates

We report the results of a study into the factors controlling the quality of nanolithographic imaging. Self-assembled monolayer (SAM) coverage, subsequent postetch pattern definition, and minimum feature size all depend on the quality of the Au substrate used in material mask atomic nanolithographic experiments. We find that sputtered Au substrates yield much smoother surfaces and a higher density of {111}-oriented grains than evaporated Au surfaces. Phase imaging with an atomic force microscope shows that the quality and percentage coverage of SAM adsorption are much greater for sputtered Au surfaces. Exposure of the self-assembled monolayer to an optically cooled atomic Cs beam traversing a two-dimensional array of submicron material masks mounted a few microns above the self-assembled monolayer surface allowed determination of the minimum average Cs dose (2 Cs atoms per self-assembled monolayer molecule) to write the monolayer. Suitable wet etching, with etch rates of 2.2 nm min-1, results in optimized pattern definition. Utilizing these optimizations, material mask features as small as 230 nm in diameter with a fractional depth gradient of 0.820 nm were realized.

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.

Self assembled monolayers for engineering of structured inorganic materials in the micrometer and submicrometer range

Deutsch:In der vorliegenden Arbeit konnten neue Methoden zur Synthese anorganischer Materialien mit neuartiger Architektur im Mikrometer und Nanometer Maßstab beschrieben werden. Die zentrale Rolle der Formgebung basiert dabei auf der templatinduzierten Abscheidung der anorganischen Materialien auf selbstorganisierten Monoschichten. Als Substrate eignen sich goldbedampfte Glasträger und Goldkolloide, die eine Mittelstellung in der Welt der Atome bzw. Moleküle und der makroskopischen Welt der ausgedehnten Festkörper einnehmen. Auf diesen Substraten lassen sich Thiole zu einer monomolekularen Schicht adsorbieren und damit die Oberflächeneigenschaften des Substrates ändern. Ein besonderer Schwerpunkt bei dieser Arbeit stellt die Synthese speziell auf die Bedürfnisse der jeweiligen Anwendung ausgerichteten Thiole dar.Im ersten Teil der Arbeit wurden goldbedampfte Glasoberflächen als Template verwendet. Die Abscheidung von Calciumcarbonat wurde in Abhängigkeit der Schichtdicke der adsorbierten Monolage untersucht. Aragonit, eine der drei Hauptphasen des Calciumcarbonat Systems, wurde auf polyaromatischen Amid - Oberflächen mit Schichtdicken von 5 - 400 nm Dicke unter milden Bedingung abgeschieden. Die einstellbaren Parameter waren dabei die Kettenlänge des Polymers, der w-Substituent, die Bindung an die Goldoberfläche über Verwendung verschiedener Aminothiole und die Kristallisationstemperatur. Die Schichtdickeneinstellung der Polymerfilme erfolgte hierbei über einen automatisierten Synthesezyklus.Titanoxid Filme konnten auf Oberflächen strukturiert werden. Dabei kam ein speziell synthetisiertes Thiol zum Einsatz, das die Funktionalität einer Styroleinheit an der Oberflächen Grenze als auch eine Möglichkeit zur späteren Entfernung von der Oberfläche in sich vereinte. Die PDMS Stempeltechnik erzeugte dabei Mikrostrukturen auf der Goldoberfläche im Bereich von 5 bis 10 µm, die ihrerseits über die Polymerisation und Abscheidung des Polymers in den Titanoxid Film überführt werden konnten. Drei dimensionale Strukturen wurden über Goldkolloid Template erhalten. Tetraethylenglykol konnte mit einer Thiolgruppe im Austausch zu einer Hydroxylgruppe monofunktionalisiert werden. Das erhaltene Molekül wurde auf kolloidalem Gold selbstorganisiert; es entstand dabei ein wasserlösliches Goldkolloid. Die Darstellung erfolgte dabei in einer Einphasenreaktion. Die so erhaltenen Goldkolloide wurden als Krstallisationstemplate für die drei dimensionale Abscheidung von Calciumcarbonat verwendet. Es zeigte sich, dass Glykol die Kristallisation bzw. den Habitus des krsitalls bei niedrigem pH Wert modifiziert. Bei erhöhtem pH Wert (pH = 12) jedoch agieren die Glykol belegten Goldkolloide als Template und führen zu sphärisch Aggregaten. Werden Goldkolloide langkettigen Dithiolen ausgesetzt, so führt dies zu einer Aggregation und Ausfällung der Kolloide aufgrund der Vernetzung mehrer Goldkolloide mit den Thiolgruppen der Alkyldithiole. Zur Vermeidung konnte in dieser Arbeit ein halbseitig geschütztes Dithiol synthetisiert werden, mit dessen Hilfe die Aggregation unterbunden werden konnte. Das nachfolgende Entschützten der Thiolfunktion führte zu Goldkolloiden, deren Oberfläche Thiol funktionalisiert werden konnte. Die thiolaktiven Goldkolloide fungierten als template für die Abscheidung von Bleisulfid aus organisch/wässriger Lösung. Die Funktionsweise der Schutzgruppe und die Entschützung konnte mittels Plasmonenresonanz Spektroskopie verdeutlicht werden. Titanoxid / Gold / Polystyrol Komposite in Röhrenform konnten synthetisiert werden. Dazu wurde ein menschliches Haar als biologisches Templat für die Formgebung gewählt.. Durch Bedampfung des Haares mit Gold, Assemblierung eines Stryrolmonomers, welches zusätzlich eine Thiolfunktionalität trug, Polymerisation auf der Oberfläche, Abscheidung des Titanoxid Films und anschließendem Auflösen des biologischen Templates konnte eine Röhrenstruktur im Mikrometer Bereich dargestellt werden. Goldkolloide fungierten in dieser Arbeit nicht nur als Kristallisationstemplate und Formgeber, auch sie selbst wurden dahingehend modifiziert, dass sie drahtförmige Agglormerate im Nanometerbereich ausbilden. Dazu wurden Template aus Siliziumdioxid benutzt. Zum einen konnten Nanoröhren aus amorphen SiO2 in einer Sol Gel Methode dargestellt werden, zum anderen bediente sich diese Arbeit biologischer Siliziumoxid Hohlnadeln aus marinen Schwämmen isoliert. Goldkolloide wurden in die Hohlstrukturen eingebettet und die Struktur durch Ausbildung von Kolloid - Thiol Netzwerken mittels Dithiol Zugabe gefestigt. Die Gold-Nanodrähte im Bereich von 100 bis 500 nm wurden durch Auflösen des SiO2 - Templates freigelegt.

Dispersion of electron g-factor with optical transition energy in (In,Ga)As/GaAs self-assembled quantum dots

The electron spin precession about an external magnetic field was studied by Faraday rotation on an inhomogeneous ensemble of singly charged, self-assembled (In,Ga)As/GaAs quantum dots. From the data the dependence of electron g-factor on optical transition energy was derived. A comparison with literature reports shows that the electron g-factors are quite similar for quantum dots with very different geometrical parameters, and their change with transition energy is almost identical. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3588413]

Anisotropic Confinement, Electronic Coupling and Strain Induced Effects Detected by Valence-Band Anisotropy in Self-Assembled Quantum Dots

A method to determine the effects of the geometry and lateral ordering on the electronic properties of an array of one-dimensional self-assembled quantum dots is discussed. A model that takes into account the valence-band anisotropic effective masses and strain effects must be used to describe the behavior of the photoluminescence emission, proposed as a clean tool for the characterization of dot anisotropy and/or inter-dot coupling. Under special growth conditions, such as substrate temperature and Arsenic background, 1D chains of In(0.4)Ga(0.6) As quantum dots were grown by molecular beam epitaxy. Grazing-incidence X-ray diffraction measurements directly evidence the strong strain anisotropy due to the formation of quantum dot chains, probed by polarization-resolved low-temperature photoluminescence. The results are in fair good agreement with the proposed model.