Preparação e caracterização dos substratos SERS

Uma vez sintetizadas e caracterizadas, as suspensões contendo AuNRs e Au@AgNRs foram utilizadas na preparação dos substratos SERS, através da

deposição sobre lâminas de vidro funcionalizadas com MPTMS e APTMS, respectivamente. As suas respectivas estruturas moleculares estão representadas nas Figura 26A e B. Os organossilanos funcionais são muito utilizados para promover a adesão entre uma superfície mineral, em geral composta de sílica, e outro material, como polímeros, superfícies metálicas e nanopartículas 118. Entre os mais utilizados, estão os trimetoxissilanos, tendo sido utilizadas neste trabalho as moléculas com terminações tiol e amino.

(A) (B)

Figura 26. Estruturas moleculares do (A) MPTMS e (B) APTMS.

Em solução aquosa, os grupos metóxi dessas moléculas são hidrolisados e formam silanóis, que podem então sofrer condensação entre si e/ou com grupos silanol presentes na superfície da sílica 118,119, como representado na Figura 27. A funcionalização do substrato de vidro com tais moléculas faz com que o grupo funcional correspondente fique disponível para interagir com as nanopartículas, que ficarão desta forma, quimicamente ligadas ao substrato, evitando a lixiviação.

Figura 27. Ilustração da funcionalização do substrato de vidro com alcoxissilanos, com a representação da hidrólise, seguida da condensação. Na última imagem à

Para os substratos contendo nanobastões de ouro, cada deposição foi intercalada pela funcionalização com moléculas de propanoditiol, que possuem um átomo de enxofre em cada extremidade, e dessa forma interagem com as camadas promovendo melhor fixação das nanopartículas. A Figura 28 mostra ilustrações do substrato funcionalizado com MPTMS e deposição de AuNRs, e também da intercalação de camadas com o PDT. A intercalação foi feita com o objetivo de promover maior fixação e agregação entre as nanopartículas, favorecendo a geração de hot spots na superfície do substrato.

(A) (B)

Figura 28. Ilustrações da (A) deposição de AuNRs sobre vidro funcionalizado com MPTMS e (B) intercalação das deposições com PDT.

A deposição das nanopartículas caroço-casca ocorre de forma análoga à mostrada na Figura 28A, porém utilizando o APTMS, que possui o grupo amina terminal. Os espectros de extinção na região do UV-Vis-NIR dos substratos contendo AuNRs e Au@AgNRs estão mostrados na Figura 29. As bandas atribuídas ao plasmon longitudinal encontram-se deslocadas para menores comprimentos de onda em relação aos nanobastões em suspensão, o que é consequência da mudança na constante dielétrica do meio em que elas se encontram. A nanopartícula, que antes estava suspensa em água, agora se encontra cercada predominantemente por ar, portanto, a posição da banda plasmon será influenciada por essa contribuição, de acordo com a condição de ressonância descrita anteriormente. A linha vermelha no espectro indica a posição do laser utilizado como fonte de excitação no Raman (632,8 nm).

400 500 600 700 800 900 1000 670 AuNRs _Au@AgNRs Extin ção Comprimento de onda (nm) 638

Figura 29. Espectros de extinção dos substratos contendo AuNRs e Au@AgNRs. A linha vermelha indica o comprimento de onda de excitação do laser utilizado no

Raman (632,8 nm).

Pode-se observar que a linha do laser está contida nas bandas do plasmon longitudinal, estando praticamente sobreposta ao seu máximo no caso das partículas caroço-casca. Para o caso dos AuNRs, essa banda foi observada mais alargada, o que pode ser efeito da maior agregação das partículas na superfície do vidro, resultado da utilização do PDT.

Para avaliar a organização das nanopartículas na superfície dos substratos, foram realizadas análises por microscopia eletrônica de varredura. As micrografias do substrato contendo AuNRs estão mostradas na Figura 30, enquanto na Figura 31, estão as imagens do substrato contendo Au@AgNRs.

Figura 30. Imagens de SEM de um único substrato contendo AuNRs, em diferentes magnificações.

(A)

(B)

(C) )

Figura 31. Imagens de SEM de um único substrato contendo Au@AgNRs, em diferentes magnificações. (A) (B) (C) )

As tentativas de obter imagens a partir das placas de vidro não foram bem sucedidas devido ao carregamento da amostra, mesmo com a metalização da sua superfície. Com isso, os nanobastões foram depositados em placas de silício funcionalizadas com os silanos correspondentes, de forma análoga à deposição no vidro. As imagens mostram que a deposição das nanopartículas foi uniforme, com regiões de agregação, principalmente para os nanobastões de ouro, o que pode favorecer a geração de hot spots.

Na Figura 32, é apresentada uma imagem de maior ampliação, em que as nanopartículas caroço-casca estão agregadas na superfície do substrato. Em algumas regiões, pode-se observar ainda o envolvimento com uma camada de PVP.

Figura 32. Imagem de SEM dos Au@AgNRs agregados na superfície do substrato. Após a caracterização dos substratos, foi realizada a deposição da molécula de 4-ABT a partir das soluções diluídas, a fim de verificar a eficiência das nanopartículas na análise por SERS. A Figura 33A mostra a estrutura molecular do 4-ABT, e a ilustração da Figura 33B mostra uma possível forma de interação entre a molécula do 4-ABT e a superfície das nanopartículas de ouro. Para as

nanopartículas recobertas com prata, a interação pode ser feita preferencialmente pelo grupo amina.

(A) (B)

Figura 33. (A) Estrutura molecular do 4-ABT, e (B) ilustração da interação das moléculas de 4-ABT com a superfície dos AuNRs depositados sobre o substrato de

vidro funcionalizado.

A partir disso, foi feita a análise por espectroscopia Raman para avaliar o efeito SERS dos substratos. A Figura 34 mostra o espectro Raman para o 4-ABT sólido, e o espectro SERS para o substrato contendo AuNRs, preparado com solução de 4-ABT de concentração 1.10-3 mol L-1.

Figura 34. Espectro Raman do 4-ABT sólido (preto), e espectro SERS do 4-ABT depositado em substrato de AuNRs a partir de solução 10-3 mol L-1 (vermelho).

Na Tabela 3, são feitas as atribuições das bandas presentes em ambos os espectros. No espectro da molécula sem contato com as nanopartículas, são observadas as bandas atribuídas aos modos vibracionais A1, que são modos

simétricos de vibração no plano (considerando a molécula de 4-ABT com simetria C2v) 120. As bandas pouco intensas em 1006, 1178 e 1492 cm-1 são atribuídas,

respectivamente, às deformações angulares de C-C e C-C-C, deformação angular de C-H, e uma combinação do estiramento de C-C e a deformação angular de C-H. Já a banda bastante intensa, vista em 1086 cm-1, é atribuída ao estiramento da ligação C-S 121,122.

Tabela 3. Atribuições das bandas nos espectros Raman e SERS do 4-ABT 121,122,123.

Número de onda (cm-1) Atribuições (a)

Raman do 4-ABT sólido SERS em AuNRs

1006 1006 γ(C-C) + γ(C-C-C) (A1) 1086 1073 ν(C-S) (A1) ― 1139 δ(C-H) (B2) 1178 1188 δ(C-H) (A1) ― 1389 ν(C-C) + δ(C-H) (B2) ― 1434 ν(C-C) + δ(C-H) (B2) 1492 1470 ν(C-C) + δ(C-H) (A1)

(a) As notações γ e δ indicam os modos de deformação angular, e ν indica o modo de estiramento.

Quando a molécula é adsorvida no substrato, o espectro SERS mostra alguns desses modos vibracionais deslocados e intensificados, além de outros modos. As vibrações de simetria A1 ainda são vistas, mas surgem também modos

B2, atribuídos às vibrações assimétricas no plano.

Estudos mostram que esses modos são intensificados pelo mecanismo químico, sendo atribuídos à transferência de carga entre a superfície metálica e a molécula ao formar a ligação Au-S e, além disso, sugerem a orientação perpendicular da molécula em relação ao arranjo de nanobastões. A intensificação

depende do grau de combinação entre o nível de Fermi do metal e a energia dos orbitais da molécula adsorvida na sua superfície, e também da energia do laser utilizado 123,124. A afinidade da molécula pela superfície metálica faz com que a contribuição do mecanismo de transferência de carga seja significativo, levando à intensificação das bandas observadas no espectro 125. No espectro SERS da Figura 34, pode-se observar a banda em 1006 cm-1 na mesma posição, e as bandas em 1086, 1178 e 1492 cm-1 encontram-se deslocadas para 1073, 1188 e 1470 cm-1, respectivamente. Aparecem ainda bandas dos modos vibracionais B2, bastante

intensificadas, em 1139 cm-1, atribuída à deformação angular da ligação C-H, e em 1389 e 1434 cm-1, que são combinações da deformação da ligação C-H com o estiramento da ligação C-C 121,122.

Na próxima etapa, foram feitos mapeamentos SERS dos substratos preparados com AuNRs e Au@AgNRs e as soluções de 4-ABT em concentrações decrescentes, com o objetivo de verificar a mínima concentração detectável para cada sistema. Os mapeamentos foram realizados em regiões distintas das placas de vidro, obtendo-se em média 150 espectros para cada substrato. Cada espectro mostrado na Figura 35 representa uma média dos espectros obtidos nos mapeamentos para as diferentes concentrações depositadas nos substratos.

Nos substratos contendo AuNRs (Figura 35A), a mínima concentração para a qual as bandas características do 4-ABT foram observadas no espectro foi 1.10-8 mol L-1. Para a concentração 1.10-9 mol L-1, já não foi possível identificá-las. Para os substratos contendo Au@AgNRs (Figura 35B), a molécula foi detectada até a concentração de 1.10-15 mol L-1, cujo espectro ampliado está mostrado no detalhe da figura, devido à intensidade significativamente baixa das bandas. A presença de moléculas em hot spots faz com que o seu sinal seja intensificado em diversas ordens de grandeza, superando a magnitude da variação da concentração. Devido a isso, neste conjunto de espectros, foi observada uma variação de intensidade na ordem de 103 na escala de contagens, correspondente à variação 1011 mols L-1 na faixa de concentração estudada.

Os resultados indicam que os nanobastões de ouro recobertos com prata, quando depositados no substrato de vidro, possuem maior eficiência na intensificação das bandas da molécula de 4-ABT, atingindo um limite de detecção inferior ao do substrato contendo nanobastões de ouro não recobertos.

(A)

(B)

Figura 35. Espectros obtidos a partir das médias dos mapeamentos realizados nos substratos (A) AuNRs e (B) Au@AgNRs, preparados a partir de soluções de 4-ABT em

concentrações decrescentes. No detalhe da Figura 35B, é mostrada a ampliação do espectro para a concentração 1.10-15 mol L-1.

Na Figura 36, são mostrados, a título de exemplo, espectros obtidos em mapeamentos realizados em diferentes regiões dos substratos contendo Au@AgNRs e soluções de 4-ABT 1.10-4 e 1.10-12 mol L-1. Os gráficos estão na mesma escala, e mostram 50 espectros para cada concentração, em uma faixa específica de deslocamento Raman. No mapa da amostra preparada a partir da solução mais concentrada, mostrado na Figura 36A, é possível perceber a grande incidência de espectros com bandas de alta intensidade, que estão distribuídos pela superfície do substrato de maneira uniforme. Na Figura 36B, cuja amostra foi preparada com a solução mais diluída, as bandas que permitem a identificação do analito estão presentes em menor quantidade, além de apresentarem intensidade mais baixa. Quanto menor a concentração do analito, menor a quantidade de espectros cujas bandas são intensificadas, o que reflete o número decrescente de moléculas adsorvidas no substrato, principalmente em regiões de hot spots.

(A) (B)

Figura 36. Mapas de 50 espectros SERS para os substratos contendo Au@AgNRs e soluções de 4-ABT (A) 1.10-4 e (B) 1.10-12 mol L-1. Os gráficos estão na mesma

escala.

5.4 Análise de Poluentes Ambientais Emergentes

A partir dos resultados obtidos, o substrato contendo as partículas caroço-casca de ouro e prata foi selecionado para avaliar o efeito SERS das moléculas de poluentes ambientais.

Inicialmente, o substrato foi testado na detecção do fármaco sulfatiazol, a partir de soluções de concentração 1.10-3 mol L-1 em etanol. A Figura 37 mostra o

espectro Raman do composto sólido (linha vermelha), e diversos espectros SERS obtidos a partir de mapeamentos realizados nos substratos.

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Inte

ns

ida

de

Deslocamento Raman (cm

)

Figura 37. Espectro Raman do sulfatiazol sólido (linha vermelha) e espectros SERS obtidos a partir de mapeamentos dos substratos contendo solução de sulfatiazol

1.10-3 mol L-1 (linhas pretas).

As bandas observadas em 1073 e 1134 cm-1 no espectro Raman são atribuídas, respectivamente, à deformação do anel fenil e ao estiramento simétrico do grupo SO2 da molécula 74. Contudo, nos espectros SERS, a atribuição dessas

bandas à presença da molécula foi dificultada, uma vez que foram pouco intensificadas, e também prejudicadas pelo background do substrato, que foi observado principalmente na região de maiores números de onda. Os espectros mostrados são resultantes de mapeamentos realizados em diversos substratos, que foram preparados a partir de soluções distintas de mesma concentração do fármaco. Além da deposição da molécula por gotejamento e secagem, foi também testada a metodologia de imersão, em que o substrato foi deixado em contato com a solução

do fármaco por 16 h. Contudo, todas as abordagens levaram a substratos que não promoveram a intensificação significativa das bandas da molécula, mesmo nesta concentração relativamente alta, e portanto, indicam que o sistema pode não ser eficiente na detecção do sulfatiazol.

A análise do pesticida tiram foi realizada utilizando soluções aquosas diluídas consecutivamente a partir de uma solução de concentração 1.10-3 mol L-1 em acetona. Foram preparados dois substratos para cada concentração utilizando soluções distintas, com a subsequente realização de mapeamentos em diversas regiões de cada placa. Cada espectro mostrado na Figura 38 representa uma média dos espectros SERS obtidos para as respectivas concentrações, juntamente com o espectro Raman do composto sólido.

400

600

800

1000

1200

1400

Tiram 10

mol L

Tiram 10

mol L

Tiram 10

mol L

Tiram 10

mol L

Inte

nsidade

Deslocamento Raman (cm

)

500 cts

Figura 38. Espectro Raman do tiram sólido, e espectros SERS obtidos a partir das médias dos mapeamentos realizados nos substratos preparados a partir de soluções

A banda mais intensa observada em 560 cm-1 no espectro do pesticida sólido é atribuída ao estiramento da ligação S–S da molécula, enquanto a banda em 1373 cm-1, bem menos intensa, se refere à combinação do estiramento da ligação C–N com a deformação angular do grupo CH3 126. Nos espectros SERS, contudo, a

diferença de intensidade entre essas duas bandas diminui consideravelmente, chegando a situações em que a intensidade da segunda supera a da primeira. Na literatura, isso é atribuído à clivagem da ligação S–S quando moléculas de ditiocarbamato entram em contato com superfícies metálicas, gerando dois resíduos moleculares que possuem forte interação com o metal. Trabalhos publicados mostraram evidências da quebra dessa ligação, como a redução da intensidade da banda em 560 cm-1, e também da coordenação dos fragmentos moleculares ao metal de forma bidentada, como mostrado na Figura 39. Os autores evidenciaram a formação da ligação C═N, como consequência da atração do par de elétrons do

nitrogênio, favorecendo essa coordenação em relação à forma monodentada 126,127,128.

(A) _(B)

Figura 39. (A) Estrutura molécular do tiram e (B) fragmento do tiram coordenado à superfície metálica de forma bidentada após clivagem da ligação S–S.

As bandas atribuídas ao tiram foram identificadas nos espectros até concentração de 1.10-7 mol L-1, equivalente a 0,02 ppm, o que indica que o substrato é eficiente na detecção da molécula até esse limite de concentração. Esse valor está duas ordens de grandeza abaixo do limite máximo de resíduo do pesticida em frutas estipulado pela Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA), que é de 7 ppm 87. A intensificação das bandas nos espectros provavelmente está relacionada com a coordenação dos fragmentos moleculares à superfície metálica, o que possibilita a manifestação do mecanismo químico de intensificação.

Para obter um valor numérico da eficiência do substrato na detecção do tiram, foi estimado o fator de intensificação através da Equação 12 58:

(12)

em que e são as intensidades de uma mesma banda medidas para os espectros SERS e Raman da molécula, respectivamente, e e são as

concentrações das soluções depositadas sobre uma placa de vidro, e sobre os substratos contendo nanopartículas, respectivamente. Para realizar essa estimativa, uma solução de tiram de concentração 1.10-3 mol L-1 em acetona foi depositada sobre uma placa de vidro limpa, e seca à temperatura ambiente, a fim de se obter o espectro Raman da molécula não adsorvida em nanopartículas. Para o substrato contendo Au@AgNRs, foram avaliados os espectros referentes à concentração de 1.10-7 mol L-1. Os espectros mostrados na Figura 40 são as médias dos espectros obtidos nos mapeamentos de cada placa, para a determinação da intensidade das bandas em 560 cm-1. Para os valores medidos, foi calculado o fator de intensificação de 3.104 para detecção do tiram utilizando o substrato contendo Au@AgNRs.

Figura 40. Determinação da intensidade da banda em 560 cm-1 para o espectro da solução de tiram 1.10-3 mol L-1 depositada em placa de vidro, e para a solução

O substrato contendo Au@AgNRs também foi avaliado na detecção do pesticida paration. A Figura 41 mostra o espectro Raman da molécula não depositada (linha vermelha), e alguns dos espectros SERS que foram obtidos nos diversos mapeamentos realizados nos substratos preparados a partir de soluções 1.10-4 mol L-1. Da mesma forma que para o sulfatiazol, foi testada uma série de substratos preparados por gotejamento e secagem, utilizando soluções distintas de mesma concentração, além dos testes de imersão. Entretanto, para esta molécula, também não foram identificadas as bandas características em nenhuma das análises. Alguns dos espectros mostrados apresentaram intensidade nas regiões próximas a 1350 e 1600 cm-1, que são coincidentes com bandas do paration (1346 e 1591 cm-1). Contudo, esse perfil espectral também é observado em alguns espectros quando mapeamentos são realizados nos substratos contendo somente a deposição das nanopartículas, ou seja, sem a adição das moléculas, como observado na Figura 42, e portanto, refere-se ao background do substrato.

Figura 41. Espectro Raman do paration sólido (linha vermelha) e espectros SERS obtidos a partir de mapeamentos nos substratos contendo solução de paration

Figura 42. Espectros obtidos a partir de mapeamento na superfície dos substratos contendo Au@AgNRs, sem a deposição de moléculas.

Esses resultados indicam que o substrato contendo Au@AgNRs não intensificou as bandas do paration de forma eficiente, o que pode estar relacionado ao fato de a molécula não possuir grupos capazes de ligar quimicamente à superfície metálica, ou não sofrer uma clivagem que gere fragmentos passíveis de coordenar ao metal, como ocorre com o tiram.

Com isso, o trabalho mostrou que os substratos SERS baseados em determinadas nanopartículas metálicas não são universais, podendo ser eficientes na intensificação do sinal para uma classe de compostos, e não eficientes para outras. Esta observação é positiva, no sentido de que moléculas cujos espectros não foram intensificados, como o paration, não atuariam como interferentes na determinação de outros analitos em uma matriz complexa, o que é uma vantagem em termos analíticos.

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPECTIVAS

O trabalho consistiu em comparar a eficiência de substratos SERS baseados em nanobastões monometálicos de ouro, e bimetálicos de ouro e prata com estrutura caroço-casca, e aplicá-los na detecção de moléculas classificadas como poluentes ambientais emergentes.

Os AuNRs foram sintetizados através de metodologia que permitiu obter suspensões estáveis de partículas com tamanho e morfologia controlados. Os nanobastões apresentaram valores médios de comprimento de 49 nm, e 16 nm de espessura, com a banda do plasmon longitudinal centrada em 730 nm. A suspensão foi utilizada na síntese dos Au@AgNRs. Nesta etapa, a variação no volume da solução precursora de prata permitiu controlar a espessura da casca de prata, sendo que os parâmetros reacionais foram ajustados para a obtenção de uma partícula cuja banda do plasmon longitudinal mais se aproximasse da energia do laser utilizado nas medidas Raman (633 nm). A caracterização das suspensões por HRTEM e EDS confirmou a estruturação hierárquica das nanopartículas caroço-casca, com crescimento epitaxial da prata sobre a estrutura cristalina do ouro.

As suspensões foram depositadas em placas de vidro funcionalizadas com organossilanos, que promoveram a adesão das nanopartículas à superfície do vidro. A caracterização dos substratos por espectroscopia de absorção mostrou o deslocamento da banda plasmon para menores valores de comprimento de onda ao passar da suspensão aquosa para a superfície do vidro, localizada em 670 nm para os AuNRs, e em 638 nm para Au@AgNRs.

A eficiência dos substratos foi avaliada pela análise SERS utilizando a molécula sonda 4-ABT, que foi depositada nas placas através do gotejamento de 100 µL das soluções da molécula em concentrações decrescentes, a fim de avaliar a menor concentração possível de ser detectada em cada sistema. Foram realizados mapeamentos em diversas regiões na superfície dos substratos, obtendo-se em média 150 espectros para cada concentração, sendo que a média dos espectros obtidos nos mapeamentos para cada sistema permitiu comparar a eficiência dos substratos. Para as placas contendo AuNRs, as bandas atribuídas ao 4-ABT foram observadas nos espectros até o limite de 1.10-7 mol L-1, enquanto para os substratos com Au@AgNRs, na concentração de 1.10-15 mol L-1, a presença dessas bandas

ainda foi verificada, o que indicou a maior eficiência na detecção da molécula sonda para este sistema.

Os substratos contendo as partículas caroço-casca foram testados na detecção das moléculas de contaminantes ambientais selecionadas. O pesticida