Author(s): Almeida, Luís Miguel Camacho Caldeira de
Date: 2017
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/27596
Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
Subject(s): Polidopamina; Biossensor; Lacase; Nanopartículas de magnetite; Teses de mestrado - 2017; Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Químicas
Tese de mestrado em Química, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017
Justificado pelo crescente interesse na deteção, quantificação ou eliminação de compostos fenólicos por biossensores enzimáticos, o presente trabalho aborda a otimização da atividade catalítica de superfícies de carbono modificadas com filmes de polidopamina (PDA) sintetizados química- ou electroquimicamente, lacase (Lac) e nanopartículas de magnetite (Fe3O4-NPs). Recorrendo a diversas arquiteturas de elétrodo testou-se a versatilidade e compatibilidade dos filmes de polidopamina enquanto plataformas imobilizadoras, comprovou-se a atividade catalítica de lacase imobilizada e demonstraram-se propriedades eletroquímicas das nanopartículas de magnetite. Primeiramente, um estudo exaustivo das propriedades de filmes de polidopamina formada espontaneamente sobre carbono vítreo (GC) foi levado a cabo por elipsometria, goniometria de ângulos de contacto, microscopia de força atómica (AFM) e voltametria cíclica (CV). Medições elipsométricas ex-situ de filmes crescidos durante 1, 8 e 14 horas complementadas por imagens topográficas de AFM, comprovaram o aumento da espessura (3±1; 8±1 e 11±2 nm) com o aumento do tempo de polimerização. Em termos morfológicos observou-se um ligeiro decréscimo da rugosidade com o tempo de polimerização (Rq = 3,56; 2,54 e 2,77 nm), evidenciando o crescimento de filmes uniformes que reproduzem a rugosidade do GC de partida (Rq = 4,36 nm). Após estabilização da resposta eletroquímica, comprovou-se a presença de grupos quinona/hidroquinona (Q/HQ) imobilizados, estimando recobrimentos superficiais comparáveis entre 1h (2,20×10-11 mol∙cm-2), 8h (3,03×10-11 mol∙cm-2) e 14 horas (3,86×10-11 mol∙cm-2) de crescimento espontâneo, o que corrobora com a hidrofilicidade semelhante dos mesmos (θc ≈ 48°). Preliminarmente, eletrossintetizou-se polidopamina (ePDA) a diferentes velocidades de varrimento de potencial (20, 50, 100 e 200 mV∙s-1) obtendo-se em menos de 3,5 minutos recobrimentos superficiais de Q/HQ (3×10-11 mol∙cm-2) comparáveis a um filme formados espontaneamente por 8 horas. Tendo em conta o efeito bloqueador da resposta faradaica das espécies [Fe(CN)6]3-/4- em elétrodos GC/PDA e GC/ePDA, prosseguiu-se com o uso dos filmes mais finos para imobilizar lacase e nanopartículas de magnetite. Superfícies de grafite previamente cobertas com filmes de PDA, foram modificadas com lacase graças ao ambiente biomimético superficial proporcionado pelo polímero. A atividade catalítica de elétrodos grafite/PDA/Lac e grafite/ePDA/Lac foi determinada amperometricamente com recurso ao substrato modelo ABTS, resultando em KM iguais a 35,5 μM e 19,8 μM, respetivamente. Em seguida, filmes de PDA modificados com PDA@NPs revelaram uma sensibilidade maior na deteção amperométrica do ABTS (17 mA∙M-1∙cm-2) comparativamente com elétrodos de grafite ou grafite/PDA (5-7 mA∙M-1∙cm-2). Após modificação e imobilização de Fe3O4-NPs com lacase e PDA (Lac&PDA@NPs), altos valores de afinidade foram atingidos (KM = 1,0 μM) com correntes de saturação baixas (jmax = 1,8 μA∙cm-2). Por fim, e maximizando a quantidade de material catalítico imobilizado pela espontaneidade da polimerização conjunta de dopamina, lacase e Lac&PDA@NPs, preparou-se um elétrodo modificado com alta sensibilidade na deteção de ABTS (1,04 A∙M-1∙cm-2; 1–15 μM), indicando a grande potencialidade desta arquitetura de elétrodo na futura deteção de compostos fenólicos.
The detection, quantification or elimination of phenolic compounds by enzymatic biosensors is a research topic with increasing interest. To address this current demand, an optimization of the catalytic activity of carbon surfaces modified with chemically or electrochemically synthesized polydopamine films (PDA), laccase (Lac) and magnetite nanoparticles (Fe3O4-NPs) was employed. Through the use of multiple electrodes designs, the versatility and compatibility of polydopamine films were tested, as well as the catalytic activities of immobilized laccase and electrochemical properties of magnetite nanoparticles. First, a complete study was carried out by ellipsometry, contact angle goniometry, atomic force microscopy (AFM) and cyclic voltammetry (CV), revealing the properties of spontaneously formed polydopamine films grown on glassy carbon (GC). Ex-situ ellipsometric measurements of 1, 8 and 14 hours PDA films, showed an increase in thickness over time (3±1; 8±1 e 11±2 nm) which was corroborated with AFM topographic images. A slight decrease in roughness was observed as polymerization time increases (Rq = 3.56; 2.54 e 2.77 nm), showing the growth of uniform films that reproduce the GC’s starting roughness (Rq = 4.36 nm). The presence of quinone/hydroquinone groups (Q/HQ) was proved by CV after stabilization of electrochemical response, estimating comparable surface coverages between 1, 8 and 14 hours (2.20×10-11; 3.03×10-11; 3.86×10-11 mol∙cm-2) of spontaneous growth, which agrees with the similar wetting properties of the PDA films (θc ≈ 48°). Preliminarily results of electrosynthesized polydopamine (ePDA) were obtained at different potential scan rates (20, 50, 100 e 200 mV∙s-1) achieving comparable Q/HQ coverages (3×10-11 mol∙cm-2) with PDA film formed in 8 hours, in less than 3.5 minutes. Regarding the blocking effect of faradaic response on GC/PDA and GC/ePDA electrodes, thinner films were used in the laccase and Fe3O4-NPs immobilization step. Graphite surfaces previously coated with PDA films were modified with laccase due to the surface biomimetic environment provided by the polymer. The catalytic activity of graphite/PDA/Lac and graphite/ePDA/Lac electrodes was determined by amperometric measurements of ABTS as substrate model, where KM values of 35.5 and 19.8 μM were fitted respectively. Then, PDA films modified with PDA@NPs revealed a higher sensitivity towards ABTS detection (17 mA∙M-1∙cm-2) compared to graphite or graphite / PDA electrodes (5-7 mA∙M-1∙cm-2). After modification and immobilization of Fe3O4-NPs with laccase and PDA (Lac&PDA@NPs), a high affinity was achieved (KM = 1.0 μM) with low saturation currents (jmax = 1.8 μA∙cm-2). Finally, this problem was solved maximizing the amount of immobilized catalytic material in a spontaneous co-polymerization of dopamine, laccase and Lac&PDA@NPs. The modified electrode showed a high sensitivity towards ABTS detection (1.04 A∙M-1∙cm-2; 1-15 μM) denoting the great potential of this electrode architecture in the future detection of phenolic compounds.
