Influência do óxido de grafeno em filmes de Langmuir-Blodgett de fosfolipídio para a nano e biotecnologia de biossensoriamento e armazenamento de energia
Data
2021
Autores
Scholl, Fabio Antonio 
Orientadores
Caseli, Luciano
Tipo
Tese de doutorado
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Resumo
Bioinspired systems are an interesting alternative for incorporating biomolecules and bioactive species, enabling a favorable environment, for example, for the specificity of enzymes. Particularly, graphene oxide (GO) incorporated in devices containing enzymes can give them additional or improved properties, influencing the optical and electrical properties of the device. This idea can then be extended to the study of enzymatic activity and energy storage of devices formed by enzymes and GO, aiming at applications in biosensors and supercapacitors, respectively. With these ideas in mind, in this work, the coincorporation of the enzyme penicillinase and GO in Langmuir films of dimyristoyl phosphatidic acid phospholipid (DMPA) was studied, as well as the transfer of the floating hybrid monolayers to solid supports using the Langmuir-Blodgett technique (LB), aiming at the formation of active layers that could be used as electrodes of supercapacitors. The incorporation of the enzyme and GO was evaluated through measurements of surface pressure and surface potential-area isotherms, surface compressibility, Brewster angle microscopy (BAM), and Infrared Absorption and Reflection Spectroscopy with Modulated Polarization (PM-IRRAS). The Langmuir films were stable, and the morphology of the films observed by BAM, as well as the isotherms’ profile, and the vibrational spectra indicated the incorporation of penicillinase, as well as the interaction of graphene oxides in suspension, with the monolayer. The LB films were evaluated by fluorescence spectroscopy, PM-IRRAS, and morphology by Atomic Force Microscopy (AFM) and tested for enzymatic activity by spectroscopy in the ultraviolet-visible (UV-Vis) region. The immobilization was effective, and the GO cotransfer improved performance in detecting penicillin using electrical and optical signals. The presence of the enzyme was detected by electronic excitation and fluorescent emission, being more expressive in a more significant number of layers. The presence of GO increased the penicillin G detection devices' catalytic activity by 22% in LB films with one layer and by 36% in LB films with five layers. The morphology of the samples showed heterogeneity and greater roughness with the incorporation of the enzyme and GO, facilitating the permeability of the analyte to the active sites of penicillinase. ITO / DMPA-GO-MnO2 electrodes were subjected to cyclic voltammetry and galvanostatic charge and discharge measurements, which showed capacitive properties allowed by incorporating the GO MnO2 species. The results showed relevant aspects that can be considered in the proposal to develop or improve electrochemical biosensors and supercapacitors.
Os sistemas bioinspirados são uma alternativa interessante para a incorporação de biomoléculas e espécies bioativas, possibilitando um ambiente favorável, por exemplo, à especificidade de enzimas. Particularmente, o óxido de grafeno (GO) incorporado em dispositivos contendo enzimas pode conferir-lhes propriedades adicionais ou aprimoradas, influindo nas propriedades ópticas e elétricas do dispositivo. Tal ideia pode ser então estendida para o estudo de atividade enzimática e armazenamento de energia, emprego de dispositivos formados por enzimas e GO, visando aplicações em biossensores e como supercapacitores, respectivamente. Com essas ideias, neste trabalho, foi estudada a coincorporação da enzima penicilinase e do GO em filmes de Langmuir do fosfolipídio ácido dimiristoilfosfatídico (DMPA), assim como a transferência das monocamadas híbridas flutuantes a suportes sólidos através da técnica de Langmuir-Blodgett (LB), visando a formação de camadas ativas que pudessem ser empregadas como eletrodos supercapacitores. A incorporação da enzima e do GO foi avaliada através de medidas de isotermas de pressão e potencial de superfície-área, compressibilidade superficial, microscopia no ângulo de Brewster (BAM), e Espectroscopia de Absorção e Reflexão no Infravermelho com Polarização Modulada (PM-IRRAS). Os filmes de Langmuir apresentaram-se estáveis e, a morfologia dos filmes observadas por BAM, bem como o perfil das isotermas de pressão e potencial superficial, e os espectros vibracionais indicaram a incorporação da enzima penicilinase, bem como a interação dos óxidos de grafeno em suspensão, com a monocamada. Os filmes LB foram avaliados por espectroscopia de fluorescência, PM-IRRAS, e sua morfologia por Microscopia de Força Atômica (AFM), e testados quanto à atividade enzimática por espectroscopia na região do ultravioleta-visível (UV-Vis). A imobilização foi efetiva e a cotransferência de GO aprimorou a performance na detecção de penicilina através de sinais elétricos e ópticos. A presença da enzima foi detectada por excitação eletrônica e emissão fluorescente, sendo mais expressiva em um número de camadas maior. A presença dos GO aumentou a atividade catalítica dos dispositivos de detecção da penicilina G em 22% nos filmes LB com uma camada e em 36% nos filmes LB com cinco camadas. A morfologia das amostras demonstrou heterogeneidade e maior rugosidade com a incorporação da enzima e GO, facilitando a permeabilidade do analito aos sítios ativos da penicilinase. Eletrodos de ITO/DMPA-GO-MnO2 foram submetidos a voltametria cíclica e medidas de carga e descarga galvanostática, as quais mostraram propriedades capacitivas permitidas pela incorporação das espécies GO e MnO2. Os resultados mostraram aspectos relevantes que podem ser considerados na proposta de desenvolvimento ou aprimoramento de biossensores e supercapacitores.
Os sistemas bioinspirados são uma alternativa interessante para a incorporação de biomoléculas e espécies bioativas, possibilitando um ambiente favorável, por exemplo, à especificidade de enzimas. Particularmente, o óxido de grafeno (GO) incorporado em dispositivos contendo enzimas pode conferir-lhes propriedades adicionais ou aprimoradas, influindo nas propriedades ópticas e elétricas do dispositivo. Tal ideia pode ser então estendida para o estudo de atividade enzimática e armazenamento de energia, emprego de dispositivos formados por enzimas e GO, visando aplicações em biossensores e como supercapacitores, respectivamente. Com essas ideias, neste trabalho, foi estudada a coincorporação da enzima penicilinase e do GO em filmes de Langmuir do fosfolipídio ácido dimiristoilfosfatídico (DMPA), assim como a transferência das monocamadas híbridas flutuantes a suportes sólidos através da técnica de Langmuir-Blodgett (LB), visando a formação de camadas ativas que pudessem ser empregadas como eletrodos supercapacitores. A incorporação da enzima e do GO foi avaliada através de medidas de isotermas de pressão e potencial de superfície-área, compressibilidade superficial, microscopia no ângulo de Brewster (BAM), e Espectroscopia de Absorção e Reflexão no Infravermelho com Polarização Modulada (PM-IRRAS). Os filmes de Langmuir apresentaram-se estáveis e, a morfologia dos filmes observadas por BAM, bem como o perfil das isotermas de pressão e potencial superficial, e os espectros vibracionais indicaram a incorporação da enzima penicilinase, bem como a interação dos óxidos de grafeno em suspensão, com a monocamada. Os filmes LB foram avaliados por espectroscopia de fluorescência, PM-IRRAS, e sua morfologia por Microscopia de Força Atômica (AFM), e testados quanto à atividade enzimática por espectroscopia na região do ultravioleta-visível (UV-Vis). A imobilização foi efetiva e a cotransferência de GO aprimorou a performance na detecção de penicilina através de sinais elétricos e ópticos. A presença da enzima foi detectada por excitação eletrônica e emissão fluorescente, sendo mais expressiva em um número de camadas maior. A presença dos GO aumentou a atividade catalítica dos dispositivos de detecção da penicilina G em 22% nos filmes LB com uma camada e em 36% nos filmes LB com cinco camadas. A morfologia das amostras demonstrou heterogeneidade e maior rugosidade com a incorporação da enzima e GO, facilitando a permeabilidade do analito aos sítios ativos da penicilinase. Eletrodos de ITO/DMPA-GO-MnO2 foram submetidos a voltametria cíclica e medidas de carga e descarga galvanostática, as quais mostraram propriedades capacitivas permitidas pela incorporação das espécies GO e MnO2. Os resultados mostraram aspectos relevantes que podem ser considerados na proposta de desenvolvimento ou aprimoramento de biossensores e supercapacitores.