Síntese de novos materiais de óxido de grafeno funcionalizado para aplicação como biossensores colorimétricos na determinação de colesterol total

Abstract

O colesterol apresenta diversas funções vitais ao organismo vivo, mas também está associado a muitas doenças, principalmente doenças cardiovasculares. Portanto, a quantificação do colesterol no plasma sanguíneo é importante tanto para a prevenção como para o tratamento dessas doenças. Para isso, têm-se investido no estudo de nanomateriais para aplicação na área de sensores e biossensores, principalmente a utilização de nanoestruturas de carbono. Dentre elas, o óxido de grafeno tem a vantagem de ter alta razão superfície/volume, além de ser biocompatível e apresentar grupos oxigenados passíveis de funcionalização. Nesse trabalho dois grupos de materiais de óxido de grafeno funcionalizados foram sintetizados, caracterizados e aplicados como biossensores colorimétricos para quantificação de colesterol total. No primeiro capítulo, o óxido de grafeno foi funcionalizado com líquidos iônicos derivados do cátion imidazólio e nanopartículas de ouro foram depositadas por sputtering na superfície do material. Esses materiais foram caracterizados por espectroscopia no FTIR-ATR e Raman, XPS, análise elementar, MET e DRX. Enquanto o óxido de grafeno funcionalizado com brometo de 1-(3-aminopropil)-1H-imidazólio apresentou estrutura tipo grafeno, as duas aminas terminais do brometo de 1,3-bis(3-aminopropil)-imidazólio se ligaram às folhas de óxido de grafeno formando uma estrutura grafítica. Os materiais de óxido de grafeno funcionalizados com brometo de 1-(3-aminopropil)-1H-imidazólio ou brometo de 1,3-bis(3-aminopropil)-imidazólio, nanopartículas de ouro e enzima colesterol oxidase imobilizada apresentaram atividades recuperadas de 78% e 55% e sensibilidades de 0,1274 e 0,0969 u.a. dL mg-1, respectivamente, na detecção de colesterol total. No capítulo II, o óxido de grafeno foi funcionalizado com derivados de 2,1,3-benzotiadiazolas com ou sem lantânio. Os materiais foram caracterizados por espectroscopia no FTIR-ATR, de fluorescência e Raman, TGA, análise elementar e XPS através das informações obtidas, foi possível estimar os tipos de interações existentes entre o OG, La3+ e o ligante 2,1,3-benzotiadiazolas. Os materiais de óxidos de grafeno funcionalizados com 4,7-bis-(imidazol-1-il)-2,1,3-benzotiadiazola com e sem lantânio apresentaram o melhor desempenho na quantificação de colesterol total, com sensibilidade de 0,0649 e 0,0618 u.a. dL mg-1, respectivamente. Estes materiais apresentaram porcentagem de imobilização (> 90%), atividade recuperada, resistência ao 20 armazenamento e faixa de detecção melhores que os materiais análogos com cloreto de 4,7-bis-[1-carbóximetil-(imidazól-3-il)]-2,1,3-benzotiadiazola. Em ambos os capítulos evidenciou-se que a funcionalização do óxido de grafeno é essencial para a quantificação do colesterol, à medida que os materiais não funcionalizados não foram capazes de distinguir as diferentes concentrações do analito, e que a estrutura dos nanomateriais funcionalizados influencia na atividade do biossensor.

Cholesterol has several functions of live organs, but it is also associated with many diseases, mainly cardiovascular diseases. Therefore, the quantification of cholesterol in blood plasma is important for both the prevention and treatment of these diseases. The researches have been studying nanomaterials for applications in the field of sensors and biosensors, specially the carbon nanostructures. For this purpose, graphene oxide has the advantage of having a high surface-to-volume ratio, in addition to being biocompatible and having oxygenated groups capable of functionality. In this work, two groups of functionalized graphene oxide materials were synthesized, characterized and used as colorimetric biosensors for total cholesterol quantification. In the first chapter, the graphene oxide was functionalized with imidazolium ionic liquids and gold nanoparticles were deposited by sputtering on the surface of the material. These materials were characterized by FTIR-ATR and Raman spectroscopy, XPS, elemental analysis, TEM and XRD. Whereas the graphene oxide functionalized with 1-(3-aminopropyl)-1H-imidazole bromide had a graphene-like structure, the two terminal amine groups of 1,3-bis(3-aminopropyl)-imidazole bromide bond to the sheets of graphene oxide forming a graphitic-like structure. The graphene oxide functionalized with 1-(3-aminopropyl)-1H-imidazole bromide or 1,3-bis(3-aminopropyl)-imidazole bromide, gold nanoparticles and cholesterol oxidase enzyme immobilized materials exhibit recovered activities of 78% and 55% and sensitivities of 0.1274 and 0.0969 a.u. dL mg-1, respectively, in the detection of total cholesterol. In chapter II, graphene oxide was functionalized with 2,1,3-benzothiadiazole compounds with or without lanthanum. The materials were characterized by FTIR-ATR, Raman and fluorescence spectroscopy, TGA, elemental analysis and XPS, from the obtained information, it was possible to estimate the types of interaction among GO, La3+ and the BTD ligand. The graphene oxide functionalized with 4.7-bis-(imidazol-1-yl)-2,1,3-benzothiadiazole with and without lanthanum materials presented the best performance for the quantification of total cholesterol with sensitivity of 0.0649 and 0.0618 a.u. dL mg-1, respectively. These materials showed a percentage of immobilization (> 90%), recovered activity, resistance to storage and detection range better than analogous materials with 4.7-[1-carboximetyl-(imidazol-3-yl)]-2,1,3-benzothiadiazole chloride. In both chapters, it is evident that the functionality of graphene oxide is essential for the quantification of cholesterol, as the non-functional materials were not able to distinguish how different tests of the analyst and which structure of the functional nanomaterials influenced in the activity of the biosensor.