Modificação de Superfícies por Monocamadas Auto-montadas

(Self-Assembled Monolayers, SAMs)

Ana Viana

Mestrado em Química e Química Tecnológica Estrutura e Caracterização de Superfícies e Interfaces - 2018/2019

SUMÁRIO

Monocamadas Auto-Montadas

(Self-Assembled Monolayers, SAMs)

• Definition

• Preparation

• Characterization (cyclic voltammetry, Ellipsometry;

Atomic Force and Scanning Tunneling Microscopy)

• Applications

Monocamadas em substratos sólidos

Filmes de Langmuir-Blodgett / Langmuir –Schaefer

Interface ar-água:

moléculas anfifílicas orientam as suas extremidades hidrofílicas na superfície

(parte hidrofóbica dirigida para a atmosfera)

Compressão lateral das moléculas

formação de monocamadas densas e orientadas transferência posterior para substrato

sólido (hidrofílico)

Hidrofóbica

Hidrofílica

ar

águca Substrato

modificado

Self-Assembled Monolayers (SAMs)

C

H

S

Au

R. G. Nuzzo, D. Allara, J. Am. Chem. Soc., 105 (1983) 4481

H. O. Finklea “Self-assembled Monolayers on Electrodes”, in Encyclopedia of Analytical

Chemistry (Robert A. Meyers ed.), John Willey & Sons Lda, Chichester, USA (2000).

• Preparação fácil

• Elevada estabilidade e versatilidade

Adsorção espontânea de moléculas orgânicas em substratos sólidos

(grupos específicos formam uma ligação muito estável com o substrato)

Interacções entre grupos apolares de moléculas adjacentes

organização e elevado empacotamento das monocamadas

Grupo funcional Propriedades específicas: redox,

hidrofobicidade, facilidade de ligação

a biomoléculas.

~ 30ºGrupo cabeça ou âncora

Ligação química ao substrato

(SH, SiCl3, PO3H2, SeH, COOH )

Grupos de cauda - cadeia

alquiloInteracções de van der Waals

Funcionalidades: OH; C=C; COOH; NH2; ferrocene, hydroquinone, porphyrins, crown ethers

...

Self-Assembled Monolayers

Tail Groups:

HS(CH2)nCH3 (n 10)

HS(CH2)nCONHCH3

J. Savig, J. Am. Chem. Soc., 102 (1980) 2

e.g : CH3(CH2)17SiCl3

Trichlorosilanes on Silicon dioxide, Platinum, aluminium oxide - covalent bond

➢Major systems studied

Self-Assembled Monolayers

➢Major systems studied

IntroductionSelf-Assembled Monolayers

Carboxylic acids on TiO2 surfaces (possible modes of adsorption)

unidentate

bidentate chelating

bridging

Encyclopedia of Electrochemistry (Eds. A.J. Bard and M. Stratmann), Vol. 10 Modified Electrodes (Ed.

M.Fujihira, I.Rubinstein, and J.F.Rusling), 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

➢Sistemas mais estudados

Self-Assembled Monolayers

Surface active organosulfur compounds on gold

Alkane thiol Dialkyl disulfide Dialkyl sulfide

Alkyl xanthate Dialkylthiocarbamate Thiotic acid

Encyclopedia of Electrochemistry (Eds. A.J. Bard and M. Stratmann), Vol. 10 Modified Electrodes (Ed.

M.Fujihira, I.Rubinstein, and J.F.Rusling), 2007 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

HS R

S R

S R

S

R

Au(I)-thiolate ?

20

2

1HAuRSAuHRS +−→+− +−

(1)

)Au(eHAuRSAuHRS −++− ++−→+− 0(2)

+− −→+ AuRSAuRSSR 20(3)

?

S Au

5x5 nm2

Tióis e dissulfuretos em Au (111)

➢Sistemas mais estudados

Self-Assembled Monolayers

TOP view

SIDE view• estrutura hexagonal (33)R30º com um

espaçamento de 4.99 Å entre átomos vizinhos

• Os vectores da célula unitária são 3 vezes

maiores do que os do substracto

• A estrutura hexagonal do tiol está deslocada 30º

da estrutura hexagonal do substracto

SubstrateOuro

Platina

Cobre

Silício

Tempo de deposição (24 h)

Concentração (M to mM)

Temperatura e luz

Solvent

Etanol

Hexano

Tolueno

Água

Adsorption

Organization

electroquímica

elipsometria

EQCM

STM /AFM

Self-Assembled Monolayers - Preparação

Self-Assembled Monolayers - Caracterização

Espectroscopia de IV

orientação, rearranjos organizacionais, empacotamento

Difracção de Raios-X

estrutura

Espectroscopia Fotoelectrónica de Raio-X

distribuição electrónica, estados de oxidação, espessura

Medição de Ângulo de Contacto

hidrofobicidade

Métodos Electroquímicos

propriedades redox, organização, cobertura surperficial

Elipsometria

espessura

Microbalança de Cristal de Quartzo

Quantidade adsorvida

Interacções com o electrólito (formação de pares iónicos)

STM / AFM

estrutura e seus rearranjos, morfologia

SAMs – Caracterização Electroquímica

Voltametria Cíclica N2

Eléctrodo de

trabalho

Eléctrodo

secundário

Eléctrodo de

referência

Contacto

eléctrico

Recobrimento da superfície, G

Potencial formal, E’0

Largura do pico a meia altura, DEFWHM

Separação dos picos redox, DEp

Monocamadas contendo grupos electroactivas

=4RT

ΓFni

22

VOLTAMETRIA CÍCLICA

Processos reversíveis – Espécie O ou R adsorvida no eléctrodo

Ep independente de

ip

Critérios de diagnóstico

D E = 0 mV

Qa = Qc = Q (monocamada)

Q = n F A G

G - recobrimento superficial (mol cm-2)

Voltamograma cíclico de uma monocamada dereagente adsorvido (reacção reversível)

RADS OADS + ne-

E’0 = 490 mV DEp ~ 0 mV

DEFWHM = 100 mV

G = 5 x 10-10 mol Fc tiol / cm2

1 M HClO4; 100 mV s-1

Fc

Fc+

SAMs de derivados de ferrocenos em ouro

0

40

80

120

160

200

0 100 200 300 400

/ mVs-1

i /

A c

m-2

Os grupos ferroceno estão adsorvidos

na superfície

O processo de transferência

electrónica não é controlado por difusão

ipox ( ) and ip

red ( )

Fe

SHC

O

SAMs – Caracterização Electroquímica

−− +→+ SX CA ueXS C|A u nn0

Epred = -1.110 V vs. SCE

G = 8 X 10 -10 mol cm-2

Monocamadas não electroactivas - Desadsorção catódica

(I) remoção total da monocamada

durante o varrimento catódico

(II) re-adsorção de algumas

moléculas no varrimento inverso

Voltametria Cíclica

I

II

❖ Estabilidade da SAM

❖ Orientation molecular

❖ Quantidade de composto adsorvido

SAMs – Caracterização Electroquímica

Cyclic VoltammetryElectrochemical reductive desorption (ERD)

Electrochemical Characterisation

T. Kakiuchi, et al., Langmuir 2002, 18, 5231.

Increase of van der Waals attractive

interactions

❖ 2 < n > 9: - 40 mV / CH2

❖ 9 < n > 15: - 8 mV / CH2

Number of

methylene

groups, n

Effect of chain lenght

Alkanethiols on gold (111)

0.5 M KOH; 20 mV s-1

i /

A

E / V

SAMs – Caracterização Electroquímica

Desadsorção catódica

Electrochemical Characterisation

Very sensitive to surface crystallinity

Ep (100) e Ep (110) Ep (111)

≠ S-Au binding

SAMs – Caracterização Electroquímica

Electrochemical Reductive Desorption (ERD)

4 Mercaptobenzoic acid self-assembled

on (a) poly-Au, (b) Au(111), (c)

Au(100) and (d) Au(110) substrates

measured in 0.5 M KOH solution (scan

rate was 50 mV s−1).

The dashed line in (a) corresponds to

the 10th scan.

K. Arihara et. al. Phys. Chem. Chem. Phys., 2003, 5, 3758–3761

Electrochemical Characterisation

T. Kakiuchi, M. Iida, N. Gon et al., Langmuir, 2001, 17, 1599.

Mixed monolayers - Miscibility

MUA

COOH(CH2)10SH

UDT

CH3(CH2)10SH

same number of

methylene units

Single desorption

peak

homogeneous well-

mixed SAMs

MPA

HS(CH2)2COOH

HDT

HS(CH2)15CH3

Different number of

methylene units

Two desorption

peaks

phase-separated

binary SAMs

E / V vs. Ag/AgCl

Electrochemical reductive desorption (ERD)

SAMs – Caracterização Electroquímica

SAMs – Caracterização Electroquímica e Elipsométrica

1 mM

40 mM

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 200 400 600 800

E / mV vs . SCE

i / A

cm

-2

0

300

600

900

1200

1500

0 100 200 300 400

/ mV s-1

i /

A c

m-2

Au

Au

20 Å

25 Å

210 Å

Elipsometria de imagem

ipox

Estudos de desadsorção: apenas uma camada está ligada quimicamente ao ouro

Pontes de hidrogénio responsáveis pelas multicamadas

ipred

SAMs de derivados do Ferroceno em ouro

DEFWHM

/mVFcCnG / 10

-10

/ mol cm-2

ox red

ipox

/ ipred

FcC6 3.8 95 95 1.0

FcC6 24.2 35 90 2.3

0 40 80 120-30

-20

-10

0

10

Fre

quência

/ H

z

t / s

SAMs – Caracterização Microgravimérica

mfx.f D−=D − 20

610262Sauerbrey Equation1

g cm-2

Hz

Df = - 36 Hz Dm = 200 ng cm-2

[FcCO(CH2)5SH] = ~ 6 x 10-10 mol cm-2

CV of ferrocene SAM

~ 5 x 10-10 mol cm-2

FcCO(CH2)5SH

1S.Bruckenstein, M. Shay, Electrochimica Acta, 30 (1985) 1295

Adsorção de SAMs de derivados de ferroceno

Microbalança (Electroquímica) de Cristal de Quartzo

Atomic Force Microscopy (AFM)

G. Binnig, C. F. Quate and C. Gerber (1986)

Optical detection - Photodiode

A

C D

B

(A+B)-(C+D): topography

Cantilever: Si, SiO2 ; tip: Si, Si3N4, C

Hooke’s law F = - K x d

K is the spring constant of the cantilever

Contact mode (deflection)

repulsive interatomic forces

Hard samples

High resolution

Intermitent mode - oscillating tip (amplitude)

van der Waals forces

Rough and soft samples

Phase imaging - phase lag of cantilever oscillation

depends on surface stifness, viscoelasticity, etc.

Non-contact mode - oscillating tip,10-100 nm

(long range forces- e.g.magnetic, electric interactions)

very versatile

Information beyond topography

N. Gadegaard, Biotechnic and Histochemistry, 81 (2006) 87. Training School - SIPs, Porto 2016

Vert. dist. = 0.24 nm

Typical for gold (111)

atomic steps

Flame-annealing

Superfícies de Ouro para adsorção de SAMs

0 120 nm

Au (200 nm)/ Cr (2-4 nm)

/ Silicon

Grain size ~ 15 nm

not suitable for protein

visualisation

Au (200 nm)/ Cr (2-4 nm) / Glass

SAMs – Caracterização por STM

SAMs – Caracterisation

−− +→+ SX CA ueXS C|A u n0

n

Au/GlassAu/Silicon SAM reductive desorption

-1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

i / A

cm

-2

E / V vs. SCE

COOH Au/silicon

OH Au/silicon

COOH:OH=1:1 Au/silicon

-1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

i / A

cm

-2

E / V vs. SCE

COOH:OH=1:1 Au/glass

OH Au/glass

COOH Au/glass

Bare gold

Superfícies de Ouro para adsorção de SAMs

SAMs – STM/AFM Caracterização

90 x 90 nm2 ; z = 2 nm60x60

nm2

17x17

nm2

10x10

nm2

5x5

nm2

HS(CH2)5CH3 SAM

Presence of pits (one gold atom dip)

confirms thiol deposition on gold

0.25 nm 0.24 nm

HS(CH2)10COOH SAM

iT ~ 500pA

UT ~ 100 mV

8x8 nm2

1.05 nm

0.48 nm

(3x3)R30º

AFM

?multilayers

SAMs - Aplicações

Tratamento de superfícies: lubrificação e anti-corrosão

Electrocatálise (imobilização de moléculas com actividade

catalítica)

Sensores químicos e biológicos (enzimas, DNA, anticorpo)

Dispositivos electrónicos - nanopatterning

Corrosion Protection

• Densely packed structure

barrier to the transport of oxygen and water to the surface

• Presence of hydrophobic groups (CH3)

repel water molecules

Alkylthiols [CH3(CH2)n-1SH; n < 30 ] adsorption on metals

Water drop

Hydrophobic surface Hydrophilic surface

Clean Surface Modified Surface

SAMs - Aplicações

______________

C. L. Perkins, J. Phys. Chem. C, 113, No. 42, (2009)

Molecular Anchors: Thiol versus Phosphonic Acid Moieties

Both SAMs provide significant corrosion protection

to ZnO

In contact with ammonium chloride:

n-hexanephosphonic acid is more effective than n-

hexanethiol

ZnO

ZnO/

C6SH

Contact angle

115.0º

78.8º

8.3º

ZnO/

C6PO3H2

SAMs Applications - Corrosion Protection

Silver protection by alkanethiols SAMs

C. Liang, C. Yang, N. Huang, Surface & Coatings Technol., 203 (2009) 1034

__________

Ag

Ag substrates degreased by acetone; activated in 10% sulphuric acid;immersed in aqueous micelar solution with 0.15 M octadecanethiol + 40 g/Lsurfactant

Charge transfer resistance

Bare silver : 76 cm2

Covered silver: 1400 -2300 cm2

Corrosion inhibition effect of the SAM

SAMs – Applications – Corrosion protection

Silver protection by octadecanethiol SAMs

Reflectance of a bare and SAM coated silver coin

No discolouration observed

C. Liang, C. Yang, N. Huang, Surface & Coatings Technol., 203 (2009) 1034

__________Sulfuration rate of silver reduced substantially

Images of bare and SAMs coated coins after 48h accelerated tarnishing tests

Accelerated tarnishing tests:

Temperature: 18-25 ºC

Relative humidity: 75%

Thioacetamide medium

SAM controls markedly the transfer of ion to the surface

SAMs – Aplicações – Protecção contra a corrosão

SAMs de Vitamina B12 e Metaloporfirinas - Electrocatálise

Derivados de metaloporfirinas

(dissulfureto)

Fe-Por

Imobilização de moléculas com reconhecida actividade electrocatalítica por

auto-montagem

Testar a actividade electrocatalítica dos eléctrodos modificados

Derivado da Vitamina B12 (dissulfureto)

SAMs – Aplicações

Actividade electrocatalítica para a redução do oxigénio

Os centros activos das monocamadas de Vitamina B12 e

metaloporfirinas são catalíticos para a redução de O2

Mestrado em Ciência e Engenharia de Superfícies / 2003

SAMs de Vitamina B12 e Metaloporfirinas - Electrocatálise

SAMs – Aplicações

Selective metal ion detection

Immobilisation of oriented molecules

containing specific ligands allows the

electrochemical detection (less than 10-10 M)

of metal ions

Au

Electrostatic interactions between an

external redox couple and SAM - method

to determine monolayer ionisations

Fe(CN)63-/4-

Fe(CN)63-/4-

Low pH High pH

S. Flink, F. C. J. M. Van Veggel, D. Reinhoudt,

Advanced Materials, 12 (2000) 1315

Au (111)

Gas sensors

Calixarene molecules

detect (10-9 g) of

ethyleneperchlorate by

EQCM.

Sensores químicos

SAMs – Aplicações

Desenvolvimento de um Microsensor Electroquímico de pH

Fc QH2

V

(CH2)8SH

OH

OH

Fc- potencial independente do

pH do meio

QH2 - potencial depende

do pH do meio

Fe

C

O

(CH2)10SH

R→R+ M→M+

DE

DEL

R→R+ M-L→M-L+

R M

M

L

V

V

R

Eléctrodo

com

elevada

área

sperficial

Microeléctrodo

M. S. Wrighton et al., US Pat. 5223117 (1993)

SAMs – Aplicações

SAMs – Aplicações em Biossensores

X e Y são grupos que estabelecem a ligação entre os vários componentes

X Y BIOMOLÉCULA

Su

port

e só

lid

o

X – SH; SiCl3, PO3H2

Y - COOH, NH2

Molécula: enzima, DNA

Enzymatic Biosensors

DNA Biosensors

Immunosensors

BIOSENSORS

SAMs – Applicações

• Adsorção física / electrostática

CH3 (apolar); OH (polar)

NH3+ (cationica) COO- (anionica) SO3

- (anionica)

Au

+

Au

NHS

EDC

Au

Au

NH

NH2NH2

NHS – N-hydroxysuccinimide

EDC – 1-ethyl –3-(3-dimethylaminopropyl)

-carbodiimide

Construção de um Biossensor – Métodos de imobilização

• Ligação Covalente

- método Carbodiimida (EDC/NHS)

• Covalent coupling

I. Willner, E. Katz, Angew. Chem. Int. Ed., 2000, 39,

1180.

Methods for biomolecules immobilisation via SAMs

- Glutaraldeído

+ NH2-biomolécula

=N-biomolécula

SAMs – Applicações

• STRONG Non-Covalent coupling

- Avidin / Biotin interaction

R. N. Orth, T. G. Clark, H. G. Craighead, Biomedical Microdevices, 5, 2003, 29.

Ka = 1015 M-1 high affinity

Biotin

Methods for biomolecules immobilisation via SAMs

SAMs – Applicações

SAMs – Applicações – Biossensores Enzimáticos

F. Patolsky, Y. Weizmann, and I. Willner, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 2113.

Long-Range Electrical Contacting of Redox Enzymes by SWCNT (Single Wall Carbon Nanonube)

Connectors:- SWCNT (COOH edge groups) covalent attachment onto mixed SAMs (OH, NH2 terminalities)

- Functionalisation of immobilised SWCNT with FAD-NH2

- Glucose oxidase electrode by reconstitution of apo-GOx on the FAD-functionalized SWCNT surface.

reconstitution of apo–Gox units takes place preferentially at the

edges of the FAD modified SWCNTs

AFM HRTEM

Covalent adsorption of Human Immunoglobulin G (HIgG) onto pure and mixed SAMs

Motivation: The use of mixed SAMs, in combination with a surfactant (Tween 20), to improve

specific (only covalent) HIgG adsorption

SAM

S-NHS – Sulfo-N-hydroxysuccinimide

EDC – 1-ethyl –3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide

EDC

+S-NHSR – COOH R – COO – R – CO – NH- R1

SO3

R1 NH2N

O

O

Z. H. Wang, A. S. Viana, G. Jin and L. M. Abrantes, Bioelectrochemistry, 69 (2006) 180

SAMs – Aplicações - Imunossensors

underlying SAMs characterisation

HS(CH2)5CH3 HS (CH2)10COOH

HS(CH2)5 CH3

Physical adsorption

Add of Surfactant

Tween 20

Covalent adsorption

onto COOH groups

Physical adsorption

totally inhibited

Specific adsorption

Contact angle (93±1°)

HS(CH2)10COOH

Physical / Electrostatic

adsorption

Contact angle (30±1°)

AV/ EB, FCT-UNL/ 2010

SAMs – Aplicações - Imunossensors

underlying SAMs characterisation

Mixed SAMs

HS(CH2)10COOH

HS(CH2)5CH3

-1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

i / A

cm

-2

E / V vs. SCE

COOH:CH3=1:1

CH3

COOH

Mixed CH3:COOH 1:1

Epred = - 0.99 V

G = 7.4 x 10-10 mol cm-2

(total thiol surface concentration)

CH3 SAM : Epred = - 0.94 V

COOH SAM : Epred = - 1.03 V0.1 M NaOH , 20 mVs-1;

Au-SR + 1e- → Au(0) + -SRG = Q RS-Au(I) / nFA

SAMs Blocking properties

1 M KCl 1mM K4Fe(CN6)

100 mV s-1

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6

-200

-100

0

100

200

i / A

cm

-2

E / V vs. SCE

Bare Au

COOH

mixed CH3:COOH

CH3 0.0 0.2 0.4 0.6

-10

0

10

20

i/

A c

m-2

E/ V vs. SCE

COOH

Mixed

CH3

SAMs – ImmunosensorsSAMs – Aplicações - Imunossensors

HIgG physical and covalent adsorption

Ellipsometry / AFM

G (ng mm-2) = k thickness (nm)1

1 H. Elwing, Biomaterials, 19 (1998) 397-406.

HIgG / CH3 SAM HIgG+Tween 20/ CH3SAM

Physical adsorption of HIgG is totally

inhibited in the presenece of Tween 20

G = 0.506 g cm-2 G ~ 0 g cm-2

20% COOH mixed SAM 10 % COOH mixed SAMMixed SAMs

HS(CH2)10COOH

HS(CH2)5CH3

G = 0.109 g cm-2

SPECIFIC ADSORPTION

decrease of HIgG on the

surface

each HIgG is able to bind

more than one antibody

maximum 3 for the 5%

COOH thiol

G = 0.068 g cm-2Tween 20

SAMs – ImmunosensorsSAMs – Aplicações - Imunossensors

Su

port

e só

lid

o

R. Lewicky et al. J. Am. Chem. Soc., 120 (1998) 9787

SAMs – Aplicações – Biossensors DNA

R. J. White et al. Langmuir 2008, 24, 10513-10518

Electrochemical aptamer-sensors via

optimization of probe packing Density

Lower packing

densities increase the

detected currents

HS(CH2)6OH 2.5 × 10-8 A

HS(CH2)3OH 1.0 × 10-7 A

HS(CH2)3OH 1.9 × 10-7 A

AV/ EB, FCT-UNL/ 2010

SAMs - Fotolitografia SAMs – Aplicações

10 m 2.9 m

X-M. Zhao et al., J. Mater. Chem., 7(1997) 1069

M. Toprak, et al., Mat. Res.Symp. Proc. 705 (2002)

“Soft-litography”

PDMS - polidimetilsiloxano

CH3(CH2)nSH

Elevada resistência

contra a corrosão

em várias soluções

agressivas (ex,

CN-, HCl)

Imagens de AFM

SAMs - Impressão por microcontacto

SAMs – Aplicações

Why SAMs for surface funcionalization?

✓ provide a controlled and reproducible immobilised layer

✓ permit great versatility of head, tail and functional groups

✓ stable under large pH range

✓ chemical stability allow surface characterisation using a large variety of techniques

✓ target molecule immobilization restricted to the active surface – control over distribution and orientation

× low concentration of the immobilised functionalities may bring some difficulties in the characterization of these systems

Considerações finais

Nanostructured 3D assemblies

1. Alcanedithiol Self-assembled monolayers (SAMs)

2. Au nanoparticles (Au-NPs) interaction with terminal S groups

3. Au-NPs functionalization with SAMs containing specific terminal groups (e.g.

carboxylic acid or amines)

4. Activation step with coupling agents (e.g. EDC/NHS)

5. Biomolecule immobilization

U.Saxena et al., Biosensors & Bioelectronics, 26 (2011) 3037

Construction of Nanostructured Interfaces

Biomolecule immobilization

Au (111)Au (111) Au (111)

1 2 3

4

5

SAMs