Nanoparticles with plasmonic properties: optimization of synthesis parameters for monodisperse systems, morphological, structural and chemical composition control, surface functionalization and evaluation of colloidal stability

Nanopartículas (NPs) que apresentam ressonância plasmon de superfície localizada (RPSL) são aplicáveis em diversas áreas como, por exemplo, em terapia e diagnóstico na área biomédica. Estudos e aplicações in vivo requerem que a banda plasmon (BP) ocorra na mesma região da janela terapêutica, entre 600 e 1000 nm. Esta condição pode ser atingida com a modulação da BP pelo controle da morfologia e da composição química das NPs. Os objetivos principais deste trabalho foram estudar métodos de síntese que permitissem obter maiores quantidades de materiais quando comparados aos métodos convencionais em meio aquoso, e conjuntamente avaliar os parâmetros de síntese para obter NPs com diferentes morfologias e composições almejando modular a BP para região de interesse. Obteve-se nanoesferas (NEs) de Au monodispersas com diâmetro médio de 9 nm por redução com oleilamina em solução concentrada de sais de ouro. Dispersibilidade em água com elevada estabilidade coloidal foi alcançada via um procedimento de troca de ligantes, substituindo as moléculas de oleilamina, presentes na superfície das NPs assim como sintetizadas, por moléculas de ácido 11-mecaptoundecanóico. Nanobastões (NBs) de Au (largura de 12 nm) com diferentes comprimentos (30-300 nm) foram obtidos em misturas incomuns das fases cristalinas fcc e hcp. Estes NBs apresentam duas BP no espectro UV-Vis-NIR, uma em 520 nm e outra banda alargada a partir de 800 nm atribuídas à RPSL transversal e longitudinal, respectivamente. Inicialmente, os NBs foram sintetizados utilizando oleilamina como agente redutor e surfactante, sendo posteriormente avaliado que a presença de álcool oleico ou trietilamina no meio mantiveram uma condição de crescimento-1D mantendo a forma dos nanomateriais. NEs de Ag foram obtidas em condições semelhantes às NEs de Au com a BP em torno de 420 nm. Obteve-se misturas de NEs e NBs de AuCu3 (NBs, com razão de aspecto de 3) em todas as condições estudadas, sendo posteriormente separadas. Duas BP foram observadas para os NBs de AuCu3 em 560 e 766 nm, atribuídas à ressonância transversal e longitudinal, respectivamente. NPs monodispersas de Cu1,8S com 10 nm e BP centradas em 1150 nm foram sintetizadas por injeção a quente. Uma tentativa de recobrimento com Au das NPs de Cu1,8S resultou em uma reação de substituição, formando NPs de Au2S, a qual não apresentou BP. Investigou-se sínteses de NPs Cu1,8S dopado com M (M = Fe, Al e Zn) e alguns resultados foram: i) todas amostras foram obtidas na fase digenita e com baixa dispersão de tamanho; ii) Al e Fe incorporaram na estrutura cristalina, mas aparentemente o Zn não incorporou; iii) a BP foi deslocada para maiores comprimentos de ondas em todas amostras. Em resumo, obteve-se NPs com BP na região de interesse, em quantidades maiores que as sínteses convencionais. Este trabalho contribui para a compreensão da ação de reagentes/condições experimentais sobre a composição e o controle morfológico das NPs (principalmente crescimento-1D). Ressalta-se, entre os estudos, a formação de NBs de Au na fase hcp, possibilitando futuros estudos de propriedades; o redshift da BP das NPs de Cu1,8S dopados que não eram esperados, sendo um resultado instigante para futuros estudos; e a efetiva modificação de superfície das NPs de Au que resultou em elevada estabilidade coloidal na faixa de pH entre 6 e 10, possibilitando futuras aplicações.Nanoparticles (NPs) that present localized surface plasmon resonance (LSPR) enables several applications, for example, therapy and diagnosis in the biomedical area. In vivo studies and applications require that plasmon band occurs in the same region of the therapeutic window, between 600 and 1000 nm. This condition can be achieved with the plasmon band (PB) modulation by morphological and chemical composition control of the NPs. The main purpose of this work concerning to evaluate of the syntheses parameters to obtain NPs with different morphologies and compositions by using experimental procedures, which to enable reach larger NPs amounts than the conventional aqueous medium methods. Monodisperse Au nanospheres (NSs) with average diameter of 9 nm were obtained by reduction of gold salts in concentrated solutions by oleylamine. As-synthesized Au-NSs present oleylamine molecules onto the surface that it was replaced by 11-mercaptoundecanoic acid by using a ligand exchange procedure, resulting in the water-dispersible system with high colloidal stability. Au nanorods (NRs, 12 nm-width) with different lengths (30-300 nm) were synthesized. These NRs are an expressive result, because its present an unusual fcc and hcp crystalline phases mixtures. There is only one paper in the literature that reports the direct synthesis of Au-hcp nanostructure. The NRs dispersion show two PB in the UV-Vis-NIR spectrum at 520 nm and another large band starting in 800 nm attributed to transversal and longitudinal LSPR, respectively. Initially, the NRs were synthetized by using oleylamine as reducing agent and surfactant, and NPs with same shape were obtained in presence of oleyl alcohol or triethylamine as surfactant in the medium. Ag NSs were obtained in similar conditions of Au NSs with shape control, and LSPR band in 420 nm. Mixtures of NSs and NRs (aspect ratio of 3) of AuCu3 were obtained for all studied conditions, and separated by using a selective separation process. Two PB were observed for AuCu3 NRs at 560 and 766 nm, assigned to transversal and longitudinal resonance, respectively. Monodisperse Cu1,8S semiconductor NSs with 10 nm and PB centered in 1150 nm were synthetized via hot-injection, and attempts to cover them with Au resulted in a substitution reaction that lead the formation of Au2S NPs, which did not present PB. Syntheses of M-doped Cu1,8S NPs (M = Fe, Al e Zn) were investigated and some results were: i) all samples are digenite phase and presented low dispersivity of size; ii) Al and Fe were incorporate more effective into the crystal structure than Zn; iii) were observed redshift of PB for all samples. In summary, NPs with PB in the region of interest were obtained in greater amounts than the conventional syntheses. This thesis presents contributions to the understanding of experimental parameters that act on the compositional and morphological control of NPs (mainly 1D growth). It is emphasized among the studies: the formation of Au NRs in the hcp phase, enabling future studies of properties; the PB redshift of the doped Cu1,8S NPs that were not expected, however, this is a stimulating result for future studies; and an effective surface modification of the Au NPs that result in high colloidal stability in the pH range between 6 and 10, allowing for future applications