RESSALVA Atendendo solicitação do(a) autor(a), o texto completo desta tese será disponibilizado somente a partir de 29/03/2025. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA "JÚLIO DE MESQUITA FILHO" INSTITUTO DE QUIMICA DE ARARAQUARA YULIANA PÉREZ SÁNCHEZ Molecular Electronics and Electrochemistry: The Case of Ferrocene-tagged Interfaces and of Organic Molecular Junctions Studied by Time-dependent Methods Thesis submitted in the Institute of Chemistry in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in chemistry Supervisor: Prof. Dr. Paulo Roberto BUENO Co-Supervisor: Prof. Dr. Adriano dos SANTOS Araraquara 2023 https://www2.unesp.br/ https://www2.unesp.br/ https://www.iq.unesp.br/ Sánchez, Yuliana Pérez S211m Molecular electronics and electrochemistry: the case of ferrocene-tagged interfaces and of organic molecular junctions studied by time-dependent methods / Yuliana Pérez Sánchez – Araraquara: [s.n.], 2023 164 p.: il. Thesis (doctor) – Universidade Estadual Paulista, Instituto de Química Advisor: Paulo Roberto Bueno Co-advisor: Adriano dos Santos 1. Charge transfer. 2. Impedance spectroscopy. 3. Nanoeletronics. 4. Tunneling. 5. Quantum electrodynamics. I. Title. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca do Instituto de Química, Araraquara. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA "JÚLIO DE MESQUITA FILHO" INSTITUTO DE QUIMICA DE ARARAQUARA YULIANA PÉREZ SÁNCHEZ Eletrônica Molecular e Eletroquímica: O Caso de Interfaces Marcadas com Ferroceno e de Junções Moleculares Orgânicas Estudadas por Métodos Dependentes do Tempo Tese apresentada ao Instituto de Química, Universidade Estadual Paulista como parte dos requisitos para obtenção do título de doutora em Química. Orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto BUENO Coorientador: Prof. Dr. Adriano dos SANTOS Araraquara 2023 https://www2.unesp.br/ https://www2.unesp.br/ https://www.iq.unesp.br/ UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de Araraquara CERTIFICADO DE APROVAÇÃO TÍTULO DA TESE: "Molecular electronics and electrochemistry: the chase of ferrocene-tagged interfaces and of organic molecular junctions studied by time-dependent methods" AUTORA: YULIANA PÉREZ SÁNCHEZ ORIENTADOR: PAULO ROBERTO BUENO COORIENTADOR: ADRIANO DOS SANTOS Aprovada como parte das exigências para obtenção do Título de Doutora em Química, pela Comissão Examinadora: Prof. Dr. NELSON RAMOS STRADIOTTO (Participaçao Virtual) Departamento de Química Analítica, Físico-Química e Inorgânica / Instituto de Quimica - UNESP - Araraquara Prof. Dr. PAULO ROBERTO BUENO (Participaçao Virtual) Departamento de Engenharia, Fisica e Matematica / Instituto de Quimica - UNESP - Araraquara Prof. Dr. FRANK MARTEN (Participaçao Virtual) Química / University of Bath, United Kingdom Prof. Dr. VINCENT VIVIER (Participaçao Virtual) Laboratoire de Réactivité de Surface / Sorbonne Université Prof. Dr. DAVID ALEJANDRO MIRANDA MERCADO (Participaçao Virtual) Escuela de Física / Universidad Industrial de Santander, Colômbia Araraquara, 29 de setembro de 2023 Instituto de Química - Câmpus de Araraquara - Rua Prof. Francisco Degni, 55, 14800060, Araraquara - São Paulo http://www.iq.unesp.br/#!/pos-graduacao/quimica-2/CNPJ: 48.031.918/0027-63. http://www.iq.unesp.br/%23!/pos-graduacao/quimica-2/CNPJ Impacto potencial desta pesquisa O desenvolvimento da tese apresentada tem contribuído de maneira significativa ao desenvolvimento da teoria do quantum rate. Uma teoria que o grupo de pesquisa vem trabalhando arduamente e que, consequentemente, tem demostrado frente à co- munidade cientifica, por meio das publicações dos resultados em revistas cientificas de alto impacto, a sua capacidade para interpretar processos eletroquímicos em na- noescala. Isso representa um grande avanço no entendimento de fenômenos que im- pactam não somente a área de sensores, mas também a área de conversão e armazena- mento de energia, os quais eventualmente influem no desenvolvimento de avanços tecnológicos de dispositivos que são de suma importância para a sociedade mod- erna. Particularmente, a interpretação dos processos eletroquímicos em nanoescala já tem se mostrado importante na contribuição tanto no que se refere aos fundamen- tos quanto à aplicação no desenvolvimento de biossensores, dispositivos de interesse para a nossa sociedade moderna como lembrado na recente pandemia da COVID-19. Em conclusão, a concretização desta tese contribuiu com o caráter inovador sobre o fazer ciência e produção de conhecimento no país, permitindo a deposição de uma patente (21CI019) oriunda dos resultados aplicados da tese. Potential impact of this research The development of the presented thesis has significantly contributed in the build- ing of the quantum rate theory. This theory, on which our research group has dili- gently worked, has been demonstrated to the scientific community through publica- tions in high-impact scientific journals its capability to interpret electrochemical pro- cesses at the nanoscale. This represents a significant advancement in understanding phenomena that impact not only the sensor field but also energy conversion and stor- age, influencing eventually, the development of cutting-edge technological devices crucial to modern society. Particularly, interpreting nanoscale electrochemical pro- cesses has proven vital both in theoretical understanding and practical applications, especially in the development of biosensors, a field of great relevance as highlighted during the recent COVID-19 pandemic. Finally, the completion of this thesis con- tributed innovatively to the scientific landscape and knowledge production within the country, leading to the granting of a patent (21CI019) stemming from the applied results of this research. Curriculum Vitae Name: Yuliana PÉREZ SÁNCHEZ Citation Name: Sánchez, Y.P. Birth date: 11/04/1993 – Pereira (Risaralda) – Colombia Professional address: Unesp-Instituto de Química, Departamento de Físico-Química Professional address: Rua Prof. Francisco Degni, 55, Bairro Quitandinha Professional address: CEP: 14800-060, Araraquara, São Paulo, Brazil Education Araraquara, Brazil 02/2019 – 09/2023 Ph.D in Chemistry (Physical Chemistry specialty) São Paulo State University - UNESP Thesis: Molecular electronics and electrochemistry: The case of ferrocene-tagged interfaces and of organic molecular junctions studied by time-dependent methods. Supervisor: Prof. Dr. Paulo Roberto Bueno Co-supervirsor: Prof. Dr. Adriano dos Santos Campinas, Brazil 02/2017 – 02/2019 M.Sc. in Chemistry (Physical Chemistry specialty) University of Campinas - UNICAMP Dissertation: Nitric oxide-releasing polyester coatings to improve the biocompatibility of implantable medical devices. Supervisor: Prof. Dr. Marcelo Ganzarolli de Oliveira Pereira, Colombia 02/2010 – 03/2016 B.Sc. in Industrial Chemistry and Associate degree in Chemistry Technological University of Pereira - UTP Final degree project: Evaluation of a binary mixture of preservative aiming to delay the oxidative decay of the ascorbic acid from fresh juice of Citrus latifolia from crops located at Mistrato by spectrophotometry UV-VIS. Supervisor: Prof. Dr. Gloria Edith Guerrero Alvarez Professional Positions � Araraquara, Brazil 22/04/2021 – 20/08/2021 Teaching Assistant São Paulo State University - UNESP Undergraduate program - Chemical engineering: Kinetics and electrochemistry Campinas, Brazil 01/08/2018 – 30/12/2018 Teaching laboratory Assistant University of Campinas - UNICAMP Undergraduate program - Experimental physical chemistry La Virginia, Colombia 09/03/2016 – 05/09/2016 Quality control laboratory Analyst Rio Bajo ZF SAS Elaborating programs aiming to get the registration Certificate with the Colombia National Food and Drug Surveillance Institute (INVIMA) Pereira, Colombia 02/2013 – 03/2015 Teaching laboratory Assistant Technological University of Pereira - UTP Undergraduate program Material warehouse laboratory Pereira, Colombia 2012 – 2015 Researcher Student Oleoquímica - OLQ (Research group) - UTP Investigation and development Neiva, Colombia 08/2011 – 01/2012 Internship Schlumberger Surenco SA Well services branch - fluid laboratory Honors 3 Ë Merit award: Outstanding grade point average, Technological university of Pereira, Colombia (2016) Ë Merit award: Outstanding grade point average, Technological university of Pereira, Colombia (2014) Publications & Preprints Published GARROTE, B. L.; SÁNCHEZ, Y. P.; LOPES, L. C.; SANTOS, A.; BUENO, P. R. Electron transmittance through quantum capacitive states as a signal amplification mechanism for biosensing applications. Submitted in Sensors and Actuators B: Chemical. 134786, doi:10.1016/j.snb.2023.134786 (2024) SÁNCHEZ, Y. P.; SANTOS, A.; BUENO, P. R. Quantum Mechanical Meaning of the Charge Transfer Resistance. Journal of Physical Chemistry C, 126:3151–3162, doi: 10.1021/acs.jpcc.1c07801 (2022). SÁNCHEZ, Y. P.; SANTOS, A.; BUENO, P. R. Quantum rate efficiency of the charge transfer mediated by quantum capacitive states. Electrochimica Acta. 434:141194, doi:10.1016/j.electacta.2022.141194 (2022). PINZÓN, E. F.;ALARCÓN, E. V. G.; SÁNCHEZ, Y. P.; BUENO, P. R.. Quantum Rate Dynamics and Charge Screening at the Nanoscale Level.Physical Chemistry Chemical Physics. 24(26):16200–16206, doi:10.1039/D2CP00199C (2022). Patent © BUENO, P. R.; GARROTE, BEATRIZ LUCAS; LOPES, L. C.; SANTOS, A.; SANCHEZ, Y. P.; Método e Dispositivo de Amplificação de Sinal Transdutor para Ensaios Capacitivos. 2021, Brasil. Patente: Privilégio de Inovação. Número do registro: BR1020210238356, título: "Método e Dispositivo de Amplificação de Sinal Transdutor para Ensaios Capacitivos" , Instituição de registro: INPI - Instituto Nacional da Propriedade Industrial. Depósito: 26/11/2021. Congress � Oral presentation at 74th Annual meeting of the International Society of Electrochemistry, France, 2023. � Poster presentation at 1st National congress of physics, chemistry and engineer of materials (online), 2021. � Oral presentatio at 10a Latin American congress of artificial organs and biomaterials (COLAOB), Brazil, 2018. Scientific Events + 16st PTASchool of Electrochemistry, Institute of Chemistry, São Paulo University – USP, Brazil, 2023. XXXIII Congresso de Iniciação Científica, Institute of Chemistry, São Paulo State University – UNESP, Brazil, 2021. Festival de Química, Institute of Chemistry, University of Campinas – UNICAMP, 2017. Oportunidades de ahorro y de generación de energía con fuentes renovables, School of Chemistry, Technological University of Pereira - UTP, 2014. Química Orgánica de Productos Naturales- 1st Escuela de Verano, School of Chemistry, Technological University of Pereira - UTP, 2014. Seminario y Taller Internacional Bioprospección Y Bioindustria, Technological University of Pereira - UTP, 2013. Simposio I: De la Investigación Básica al Diagnóstico y Tratamiento: Enfermedades Neurodegenerativas, Technological University of Pereira - UTP, 2013. To the loves of my life, who gave me life and who I am sharing it with, Anita and Andrés Acknowledgements This study was financed in part by the Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nivel Superior - Brasil (CAPES) - Finance Code 001. I would like to thank my supervisor Prof. Paulo Roberto Bueno for the knowledge, guidance and enriching discussion. I would like to thank my co-supervisor Prof. Adriano dos Santos for the expertise, advice, support, and helpful suggestions. I would like to deeply thank all the members of the Nanobianics research group for all the discussions that contributed significantly to this thesis, who finished their cycle in the group, including Beatriz Garrote who started with me and helped me lay the foundations for this trip; Laís Lopes, with whom I am extremely grateful for the words of encouragement, affection, wisdom, and friendship; Thamyres Morera for her friendship and for always watching over me; Gabriela Dias for her words of support and motivation; Sarah Brandão for the words of support and kindness and those who were joining the group, Leandro Hostert and Nicolas Siqueira. And last but not least, Erika Alarcon for all the joys and sorrows shared, in addition to the batches of peptides that she kindly synthesized for this thesis, for her academic and other not-so-academic discussions that led to a beautiful friendship. I would like to thank Prof. Eduardo Maffud Cilli for the support in the peptide synthesis; Dr. R. C. Teixeira and the Electronic Packaging Staff at CTI Renato Archer for the fabrication and characterization of the miniaturized gold electrodes; Prof. Dr. Richard L. McCreery for providing the aromatic molecular junctions; Prof. Martin Schwellberger Barbosa and Dr. Ranilson Angelo da Silva for their help in the ex- perimental adaptation for the characterization of the molecular junctions; and Prof. Marcelo Ornaghi Orlandi who made the laboratory available for such task. Undoubt- edly, their collaboration improved the scope of the research developed. I would like to thank the group of lab technicians, the office staff (in special Rose Portasio) for the important support, and the Institute of Chemistry for the facilities. I would like to express my deepest gratitude to my unconditional mother, who has been my driving force, without the fight she has given, without her unconditional love and support I would not be where I am now, I owe everything to her. I also thank my brothers Jorge and Victor, who despite their early age, supported me in my first academic stage, thank you for your love. I would like to thank my sisters, Mayuly and Katherine, for their words of encouragement, they have always trusted me and have been there for me despite the distance. I would like to acknowledge my sister visual artist Mayuly that inspired me to be creative in my schematic designs. I especially thank my fiancé Andrés, for his love, friendship, and trust, for the moments of joy that he has given me, which I treasure with much warmth, for always being by my side in my darkest moments of doubt, without his help, I would not have been able to finish this chapter of my life. I extend my gratitude to all of my friends, those I made in Brazil, Akemi, Daniela, Leonardo, Leithold, Carlos, and especially Flavia who despite the distance, took the time to listen and advise me. Also, I thank my unconditional friends that I left in Colombia, Yisell, Laura, Mauricio, Diego, Juan, Claudia and kiara. “It is important to draw wisdom from different places. If you take it from only one place, it becomes rigid and stale.” Uncle Iroh – Avatar The Last Airbender Abstract The understanding of electron transmittance, including electron transfer (ET) and transport, is essential not only for comprehending biological systems but also for de- veloping electrical components in the pursuit of fabricating electronic devices. The quantum rate theory proposes a first-principle fundamental quantum rate ν = e2/hCq, where e is the elementary charge, h is the Planck constant and Cq is the quantum ca- pacitance that informs on the density-of-states (DOS) as Cq ∝ e2DOS. This quantum rate concept is utilized to elucidate the ET rate constant k of electrochemical reaction as k = G/Cµ, where G is the quantum of conductance and Cµ is the electrochemi- cal capacitance. This thesis presents a fundamental study, within the framework of the quantum rate theory, of the ET and transport processes in two kinds of molecu- lar junctions (MJ): electroactive self-assembled monolayer (SAM) over electrodes and aromatic monolayers sandwiched between carbon electrodes. Time-dependent meth- ods, such as impedance spectroscopy (IS) and electrochemical impedance-derived capacitive spectroscopy (ECS), were employed for this study. The impedance data were analyzed by equivalent circuit fitting, specifically as quantum resistive capaci- tive (RC) point contact. Redox SAMs were formed using Ferrocene-tagged peptides and thiol molecules. These redox SAMs feature Cq, which was determined by ECS, enabling the determination of k as k = 2(G0/Cq), where G0 represents the universally known constant for quantum conductance, approximately 77.5 µS. The reciprocal of G0 defines the quantum resistance as Rq = 1/G0 ∼ 12,9 kΩ, establishing a quantum limit for ET. This demonstrates that the electrodynamics is governed by Rq and Cq el- ements. Furthermore, it was determined that Rq comprises two resistive components connected in series: the relaxation resistance (Rqt) and the combined resistance of so- lution and contact (Rs), leading to Rq ∼ 13 kΩ. Consequently, the interpretation of Rq within the quantum rate model prompted a reassessment of the meaning assigned to the charge transfer resistance Rct, revealing that Rq is equivalent to Rct. More- over, it was demonstrated that regardless of the molecular backbone, the Cq states of the redox interface mediate the ET between electroactive free species and the elec- trode, conforming to maximum efficiency of electron transmittance. Specifically, it was proven that an increase in the number of quantum channels N, and consequently of Cq by almost 40%, was achieved through suitable energy level alignment between the level states of the free redox species with that of the DOS of the redox SAM. This exceptional setting allowed for the amplification of the Cq signal for the detection of a biological target. As a proof-of-concept, this amplification mechanism was applied for sensing the nonstructural protein 1 (NS1) biomarker of the dengue virus, resulting in an observed increase in sensitivity of redox capacitive biosensors by at least 1,000. However, it was evidenced that the acidity of the quantum capacitive interface affects the electron transfer mediation as a result of the electrostatic repulsion between the negatively charged surface and redox charged species. Furthermore, the determina- tion of properties G and Cµ using SI measurement of the aromatic MJs demonstrated that G and k are correlated by Cµ, implying that the associated physical concepts stud- ied separately by the electrochemist and physics are inherently related. The results obtained in this thesis demonstrate that the quantum rate model is a suitable theory enable to address phenomena involved with electron transmittance such as electron transfer, quantum conductance, and capacitance in different MJs. Resumo A compreensão da transmissão de elétrons, incluindo a transferência eletrônica (TE) e o transporte, é essencial não apenas para a compreensão de sistemas biológicos, mas também para o desenvolvimento de componentes elétricos na busca pela fabricação de dispositivos eletrônicos. A teoria do quantum rate propõe uma velocidade quân- tica fundamental de primerios principios ν = e2/hCq, onde e é a carga elementar, h é a constante de Planck e Cq é a capacitância quântica, que informa sobre a densi- dade de estados (DOS em inglês) como Cq ∝ e2DOS. O conceito de ν é utilizado para elucidar a constante de velocidade de transferência de elétrons k de reações eletro- químicas, como k = G/Cµ, onde G é o quantum de condutância e Cµ é a capacitância eletroquímica. Esta tese apresenta um estudo fundamental, dentro do contexto da teoria do quantum rate, dos processos de TE e transporte de elétrons em dois tipos de junções moleculares (MJ em inglês): monocamadas electroativas auto-montadas (SAM em inglês) sobre eletrodos e monocamadas aromáticas ligadas entre eletrodos de carbono. Métodos dependentes do tempo como a espectroscopia de impedância (IS em inglês) e a espectroscopia capacitiva derivada de impedância (ECS em inglês), especificamente como um punto quântico resistivo capacitivo (RC). As SAMs redox foram formadas utilizando peptídeos e tióis marcados com ferroceno. Essas SAMs apresentam uma Cq, que foi obtida por ECS, permitindo a determinação de k como k = 2(G0/Cq), onde a constante G0 ∼ 77,5 µS é a condutância quântica. O inverso de G0 define a resistência quântica como Rq = 1/G0 ∼ 12,9 kΩ, estabelecendo um limite quântico para a TE. Isso demonstra que a eletrodinâmica é governada por Rq e Cq. Além disso, foi determinado que Rq compreende dois componentes resistivos conec- tados em série: a resistência de relaxação (Rqt) e a resistência combinada da solução e do contato (Rs), resultando em Rq ∼ 13 kΩ. Consequentemente, a interpretação de Rq levou a uma reavaliação do significado atribuído à resistência de transferên- cia de carga Rct, revelando que Rq é equivalente a Rct. Além disso, foi demonstrado que, independentemente do esqueleto molecular, os estados Cq da interface redox mediam a TE entre espécies eletroativas livres e o eletrodo, dentro de uma eficiência máxima de transmissão de elétrons. Especificamente, foi comprovado que um au- mento no número de canais quânticos N, e consequentemente de Cq em cerca de 40%, foi alcançado por meio de um alinhamento adequado dos níveis de energia entre os estados dos espécies redox livres e a DOS do SAM. Essa configuração excepcional permitiu a amplificação do sinal Cq para a detecção de um alvo biológico. Como prova de conceito, esse mecanismo de amplificação foi aplicado para a detecção do biomarcador da proteína não estrutural 1 (NS1 em inglês) do vírus da dengue, re- sultando em um aumento observado na sensibilidade dos biossensores capacitivos redox em pelo menos 1.000 vezes. No entanto, foi evidenciado que a acidez da inter- face capacitiva quântica afeta a mediação da transferência de elétrons como resultado da repulsão eletrostática entre a superfície carregada negativamente e as espécies re- dox carregadas. Além disso, a determinação das propriedades G e Cµ por meio de medições SI das MJ aromáticas demonstrou que G e k estão correlacionados por meio de Cµ, o que implica que os conceitos físicos associados estudados separadamente pelos eletroquímico e pelos físicos estão intrinsecamente relacionados. Os resultados obtidos nesta tese demostram que o modelo do quantum rate é uma teoria adequada que permite abordar fenômenos envolvidos com a transmissão de elétrons como a transferência eletrônica, condutância quântica e capacitância em diferentes MJs. Resumo extendido O estudo fundamental dos processo da TE foi construído ao longo de quase um século, utilizando abordagens clássicas e quânticas. A compreensão desse fenômeno é pertinente não apenas para a compreensão de sistemas biológicos, como a respiração e a fotossíntese, mas também para o desenvolvimento de componentes eletroquími- cos, como baterias de íons de lítio e supercapacitores, elementos-chave de dispositivos eletrônicos fabricados pelo homem. Para entender a TE, interpretações macroscópicas têm oferecido teorias e modelos que, apesar de estarem estabelecidos em bases clás- sicas, utilizam concepções físicas quânticas e são assim referidos como abordagens semiclássicas. Sem dúvida, abordagens que envolvem elementos quânticos surgiram no início do século XX, como o uso da equação de Schrödinger e da notação de Dirac, ambos sendo ingredientes-chave para uma melhor compreensão e contextualização do processo de TE dentro de uma base mecânico quântica. No entanto, a discussão continua até os dias de hoje graças aos avanços tecnológicos que permitem à comu- nidade científica provar a teoria com experimentos mais precisos. A interpretação mecânico quântica de sistemas moleculares compreende a análise tanto da dinâmica eletrônica quanto da dinâmica nuclear. Em particular, uma análise mecânico quântica do processo de TE representa um desafio monumental devido ao problema de muitos corpos envolvido em reações eletroquímicas da vida real. O sig- nificado disso é que, se a dinâmica eletrônica e nuclear de cada átomo envolvido no processo de TE for considerada, uma análise mecânico quântica se torna inviável. É sob essa suposição que aproximações são necessárias, como aquelas que permitem reduzir o sistema a elementos que representam a dinâmica chave. Por exemplo, o processo de TE pode ser formulado como uma mera transição entre dois estados quânticos únicos, referidos como estados estacionários doador D e aceptor A (ou seja, dois estados únicos) definidos ou caracterizados por um hamiltoniano que per- mite representar a dinâmica de maneira simplificada, com uma separação das con- tribuições eletrônicas e nucleares. De fato, dependendo se a análise é conduzida em termos de dinâmica eletrônica, nuclear ou ambos, o tratamento será clássico, semi- clássico ou quântico-mecânico. Independentemente do tratamento usado para simu- lar a dinâmica da TE, a conservação de energia é um requisito. Ao resolver a equação de Schrödinger, a energia associada à função de onda fornece uma imagem geral da conservação de energia, que foi concebida por Paul Dirac em 1927, que imaginou tal conservação dentro do processo de TE afirmando que "um elétron se localizará em uma espécie A somente se tiver a mesma energia que tinha na espécie D". Em outras palavras, um alinhamento do nível de energia relacionado das funções de onda (ou seja, orbital eletrônico) conduz a um forte acoplamento eletrônico entre as espécies A e D. Não é coincidência que, em discussões clássicas, a superfície de energia potencial (SEP) seja uma ferramenta comumente usada para modelar o estado de energia das estruturas D e A, devido à abordagem da SEP poder lidar com transições eletrônicas entre estados de energia potencial E como uma função da coordenada nuclear da reação, a qual é uma variável extensiva com um único grau de liberdade que depende da posição, orientação ou momento de dipolo das estruturas D e A. Juntamente com a dinâmica nuclear, a termodinâmica é considerada dentro dessas abordagens clássicas, observando que a energia potencial é uma função termodinâmica dentro da energia livre de Gibbs G, a qual leva em conta as interações que contribuem para os estados energéticos D e A, como flutuações de energia potencial térmica e eletrostática dentro de forças coulombianas, por exemplo. Finalmente, dentro da descrição qualitativa da reação de TE, teorias macroscópicas abordaram a TE, tendo como ponto de partida a teoria do estado de transição (TST em inglês). Consequentemente, as primeiras teorias de TE focaram na formação de um complexo ativado que controla a TE e a energia de ativação associada ∆G‡ das reações eletroquímicas. A teoria semi-clássica da TE amplamente aceita teve início com a teoria clássica desenvolvida por Rudolph A. Marcus nos anos 50, que ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1992 por sua contribuição para a teoria de reações de TE em ambientes químicos homogêneos, ou seja, para TE entre espécies D/A em solução. Ao longo dos anos, outros cientistas contribuíram substancialmente no desenvolvimento da teoria de TE como por exemplo Noel Hush, Revaz Dogonadze, Heinz Gerischer and Christopher Chidsey. Inicialmente, Marcus e Hush trataram as reações de TE como uma transição adiabática, na qual há um acoplamento eletrônico forte entre os esta- dos D e A. Nessa TE adiabática, o elétron no estado D será transferido para o estado A com a maior probabilidade, o qual é representado pelo coeficiente de transmissão κ que para este caso equivale à unidade. Como esses modelos clássicos abordaram a cinética da TE com base na TST, a constante de taxa de TE k adota o formato simples de Arrhenius como k = κ exp ( −∆G‡/kBT ) . Em particular, Marcus propôs que a ∆G‡ as- sociada a k está em função da energia de reorganização λ, que é a energia necessária para levar a configuração nuclear de D (ou seja, um íon cercado por dipolos do sol- vente) à de A. Esse modelo da TE homogênea foi estendido para reações heterogêneas, ou seja, uma reação de TE entre espécies difusivas eletroativas (ou redox) e o eletrodo. Nesse caso, a interação eletrônica entre um eletrodo e as espécies difusivas requer que a cinética leve em consideração não apenas a distância entre D/A e o eletrodo, mas tam- bém a natureza das espécies D/A, devido à distribuição diferente de estados associ- ados aos estados discretos (espécies) e contínuos (eletrodo). Destaca-se que a cinética associada à TE é controlada por um mecanismo de difusão. Geralmente, o uso de estruturas de monocamada molecularmente ordenadas surgiu como uma forma de evitar que a difusão controle a cinética da reação de TE, o que altera fundamental- mente a maneira como o modelo é usado para descrever esse evento de TE sem di- fusão. Assim, as SAMs redox têm sido usadas para fixar espécies redox na superfície do eletrodo, evitando os efeitos do transporte de massa. Nessa configuração heterogênea, a reação de TE segue um processo não-adiabático (κ << 1), devido à interação eletrônica ser mais fraca já que as espécies D/A são separadas pela ponte molecular na SAM. Assim, a teoria de TE evoluiu para consid- erar essas complexidades, a fim de abordar os cenários de fronteira corretos. Em tais configurações, as interpretações da mecânica quântica foram feitas para abordar o acoplamento eletrônico fraco, como o uso da matriz hamiltoniana |HDA| para mode- lar o acoplamento eletrônico, que depende da distância. Além disso, análises estatísti- cas foram introduzidas para considerar os efeitos das flutuações térmicas na ocupação dos estados usando a função de Fermi-Dirac. Portanto, a reação de TE ocorrendo entre espécies redox imobilizadas e o eletrodo foi definida como um alinhamento de níveis de energia, em que deve haver níveis de energia disponíveis para receber um elétron (ou buraco) no filme molecular composta por estados redox ligados ao eletrodo e que a ocupação desses estados por elétrons segue uma distribuição de Fermi-Dirac. Neste ponto, essa teoria é referida como a teoria de Marcus-Hush-Chidsey. Apesar dessa teoria ter surgido como resultado de várias contribuições distintas que a enriqueceram e permitiram avançar com a discussão, o uso da teoria com o objetivo de interpretar resultados experimentais é limitado, a cinética heterogênea sem difusão ainda não é totalmente compreendida, especialmente no que se refere ao parâmetro ad-hoc da λ no contexto da presença do DOS, representam um desafio para a teoria de transferência de TE. Alem disso, existem componentes quânticos que têm sido ignorados até agora, assim como a necessidade de unir a física da eletrônica em escala nanométrica e a eletroquímica. À medida que a eletrônica evoluiu para a escala nanométrica, o estudo do trans- porte de elétrons por meio de moléculas é relevante, levantando uma pergunta óbvia: Qual é a diferença entre o transporte de elétrons, conforme entendido pelos físicos, e a transferência de elétrons, conforme entendido pelos químicos? Existe uma relação entre a condutância molecular e a transferência eletrônica? Uma diferença é obser- vada na configuração experimental que está relacionada aos contatos que conformam a estrutura. Ao contrário da configuração de contato molecular único estudada em experimentos eletroquímicos, o contato de eletrodo típico usado na eletrônica molec- ular consiste em dois contatos, sendo as moléculas entre esses dois as que atuam como uma ponte molecular, comumente referida como junção molecular seca (MJ em inglês). A corrente elétrica flui através das moléculas ao aplicar uma diferença de potencial, ou seja, uma tensão de polarização contínua (DC bias voltage). Em experimentos de condutância molecular que envolvem a investigação do mecan- ismo de transporte de elétrons através do esqueleto de moléculas orgânicas, estabele- cem que a estrutura atômica das moléculas constitui a região de espalhamento onde os elétrons provenientes de um dos eletrodo atravessam a ponte molecular, com ou sem mediação da estrutura eletrônica molecular, até o outro eletrodo. A teoria mais comumente usada para interpretar a condutância de elétrons é a teoria da condutân- cia de Landauer, que define o quantum de condutância G como G = G0 ∑N n=1 Tn(µ), onde ∑N n=1 Tn(µ) leva em conta as probabilidades de transmissão Tn(µ) através de um número n de canais quânticos individuais (até um total de N) em um determi- nado nível de potencial químico µ, onde G0 representa a constante universalmente conhecida para a condutância quântica, aproximadamente 77,5 µS. A maioria dos experimentos levam à interpretação de que ∑N n=1 Tn(µ) segue um mecanismo de tunelamento, cuja estatísticas de espalhamento pode ser considerada como proporcional a exp(−βL), onde β é um parâmetro relacionado à altura da bar- reira de potencial para os elétrons tunelarem e L é o comprimento da ponte molecular. É importante destacar as semelhanças entre o ET k e o transporte G em relação à de- pendência com o L; ambos os fenômenos dependem das características de transmis- são de elétrons das moléculas de maneira semelhante, como observado por Abraham Nitzan, quem propôs uma relação linear entre G e k com base nessa premissa. No entanto, devido ao fato de que as configurações experimentais da eletrônica molecular e da eletroquímica são fisicamente diferentes, as tentativas experimentais de confirmar a correlação linear de Nitzan têm sido mal sucedidas. Não apenas o am- biente do solvente foi uma fonte de diferenças entre a condutância molecular e as con- figurações experimentais eletroquímicas, mas também o ambiente molecular, onde medições de G, foi utilizado um contato de dois eletrodos, enquanto nas medições de k, foi utilizado um contato de um único eletrodo. Nesse contexto, técnicas ex- perimentais que permitam seu acesso nas mesmas configurações experimentais são necessárias não apenas para compreender a relação entre esses conceitos, mas tam- bém para compreender o papel desempenhado pelo κ ∝ exp(−βL) (para mecanismos de tunelamento) em diferentes configurações e situações. Para isso, a interpretação dos dados experimentais deve ser apoiada por teorias capazes de correlacionar esses conceitos físicos de maneira consistente. A teoria do quantum rate propõe uma velocidade quântica fundamental de prime- rios principios ν = e2/hCq, que informa sobre o DOS como Cq ∝ e2DOS. Esse con- ceito de velocidade quântica é utilizado para elucidar a constante de velocidade de transferência de elétrons k de reações eletroquímicas, como k = G/Cµ, onde Cµ é a capacitância eletroquímica. 1/Cµ é definido como a combinação em série de duas contribuições capacitivas:1/Cµ = 1/Ce + 1/Cq, onde Ce corresponde à contribuição elet- rostática e Cq corresponde à contribuição quântica. Ce está relacionada à separação espacial de carga, que é atribuída à carga não-Faradaica e considera as propriedades da estrutura do eletrólito, incluindo a contribuição do solvente e dos contra-íons. Por outro lado, Cq está relacionado à carga Faradaica devido à dinâmica de transferên- cia eletrônica associada ao carregamento dos estados quânticos na reação de oxido- redução. A relação k = G/Cµ estabelece a correlação entre k e G por meio de Cµ, implicando que os conceitos físicos associados estudados separadamente pelos eletroquímico e pelos físicos estão intrinsecamente relacionados. Sempre que se aplicam as regras de degenerescência do elêtron (gs = 2) e da corrente eletroquímica (gr = 2), a constante de velocidade para reaçoes eletroquímicas se simplifica a k = gsgre2/hCq = 4(e2/hCq), com a consequência direta de que Cq é a única variável experimental e todas as pro- priedades da interface podem ser determinadas apenas medindo Cq. A teoria quantum rate estabelece duas principais metodologias que nos permitem medir Cq da inter- face, nomeadamente, voltametria cíclica (CV em inglês) e espectroscopia capacitiva derivada de impedância (ECS em inglês). Esta tese apresenta um estudo fundamental, dentro do contexto da teoria do quan- tum rate, dos processos de transferência e transporte de elétrons em dois tipos de MJ: monocamadas electroativas auto-montadas (SAM em inglês) sobre eletrodos e monocamadas aromáticas ligadas a dois contatos de eletrodos de carbono ("dry" MJ). Métodos dependentes do tempo, como a espectroscopia de impedância (IS em inglês), especificamente a ECS, foram empregados nesse estudo. Os dados de impedância foram analisados por meio do ajuste de circuito equivalente, já que a eletrodinâmica relativística quântica associada às moléculas que compõem as MJs pode ser modelada como um punto quântico resistivo capacitivo (RC). As SAMs redox foram formadas utilizando peptídeos e tióis marcados com fer- roceno. Essas interfaces eletroativas apresentam uma Cq, que foi determinada por ECS, permitindo a determinação de k como k = 4(e2/hCq) = 2(G0/Cq). O inverso de G0 define a resistência quântica como Rq = 1/G0 ∼ 12,9 kΩ, estabelecendo um lim- ite quântico para a TE. Isso demonstra que a eletrodinâmica é governada pelos ele- mentos Rq e Cq. Além disso, foi determinado que Rq compreende dois componentes resistivos conectados em série: a resistência de relaxação (Rqt) e a resistência com- binada da solução e do contato (Rs), resultando em Rq ∼ 13 kΩ. Essas resistências não podem ser separadas. Consequentemente, a interpretação de Rq dentro do mod- elo do quantum rate levou a uma reavaliação do significado atribuído à resistência de transferência de carga Rct, revelando que Rq é equivalente a Rct. Além disso, foi demonstrado que, independentemente do esqueleto molecular, os estados Cq da interface redox mediam a TE entre espécies eletroativas livres e o eletrodo, dentro de uma eficiência máxima de transmissão de elétrons. Especifica- mente, foi comprovado que um aumento no número de canais quânticos N e, con- sequentemente, de Cq em cerca de 40%, foi alcançado por meio de um alinhamento adequado dos níveis de energia entre os estados dos espécies redox livres e os esta- dos Cq da monocamada. Essa configuração excepcional permitiu a amplificação do sinal capacitivo para a detecção de um alvo biológico. Como prova de conceito, esse mecanismo de amplificação foi aplicado para a detecção do biomarcador da proteína não estrutural 1 (NS1 em inglês) do vírus da dengue, resultando em um aumento observado na sensibilidade dos biossensores capacitivos redox em pelo menos 1.000 vezes. No entanto, foi evidenciado que a acidez da interface capacitiva quântica afeta a mediação da transferência de elétrons como resultado da repulsão eletrostática entre a superfície carregada negativamente e as espécies carregadas redox. A determinação das propriedades G e Cµ por meio de medições SI das MJ aromáti- cas com diferentes espessuras em diferentes potenciais de polarização e temperaturas demonstrou que G e k estão correlacionados por meio de Cµ, como proposto pela teo- ria do quantum rate, onde as mudanças de conductância em funcão da polarização e temperatura são acompanhadas pelas mudanças de k, contrário a Cµ que se man- teve invariante. Portanto, a teoria do quantum rate é validada por meio da análise da TE, condutância quântica e capacitância em diferentes filmes moleculares e MJs eletroativos, demonstrando assim sua abrangência para estudar differentes sistemas em nanoescala. List of Abbreviations A Acceptor state (or specie) AA Amino Acid AB Molecular junction comprised by azobenzene molecular units AC Alternate Current ACN Acetonitrile Ala Alanine C11-Fc Monolayer obtained using 11-(Ferrocenyl)undecanethiol CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor CV Cyclic Voltammetry Cys Cysteine D Donor state (or specie) DC Direct Current DIC N,N’-Diisopropylcarbodiimide DIPEA N,N-Diisopropiletilamina DMAP 4-Dimethylaminopyridine DMF Dimethylformamide DOS Density-of-State DP Differencial Pulse DPV Differencial Pulse Voltammetry eC Electron-beam deposited carbon films ECS Electrochemical Impedance-derived Capacitive Spectroscopy EDC 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide EDDT 2,2’-(Ethylenedioxy)diethanethil EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy ET Electron Ttransfer EtOH Ethyl alcohol fa Faradaic response Fc Ferrocene Fc+ Oxidized form of ferreocene Fc–COOH Ferrocenecarboxylic acid [Fc–COOH] Fc–COOH concentration Fc+–COOH Oxidized protonated Ferrocenecarboxylic acid Fc–COOH Reduced protonated Ferrocenecarboxylic acid Fc+–COO− Oxidized deprotonated Ferrocenecarboxylic acid Fc–COO− Reduced deprotonated Ferrocenecarboxylic acid FCWD Franck–Condon–weighted density-of-states FL Molecular junction comprised by fluorene molecular units Fmoc 9-fluo-renylmethyloxycarbonyl FRA Frequency Response Analysis Glu Glutamic acid H+ Proton or hydrogen ion HBTU N,N,N’,N’-Tetramethyl-O-(1H-benzotriazol-1-yl) uro- niumhexafluorophosphate HOBt Hydroxybenzotriazole HPLC High Performance Liquid Chromatography IS Impedance Spectroscopy LOD Limit of Detection LOQ Limit of Quantification MJ Molecular Junction MW Molecular Weight NAB Molecular junction comprised by nitroazobenzene molecular units nfa Non-Faradaic response NHS N- hydroxysuccinimide NS1 Nonstructural Protein 1 [NS1] NS1 concentration PAHO Pan American Health Organization PB Phosphate buffer PCET Proton-Coupled Ectron Transfer Pep–Fc Monolayer obtained using Fc-Glu-Ala-Ala-Cys-NH2 peptide Pep–rSAM Monolayer obtained using Fc-Glu-Ala-Ala-Cys-NH2 peptide Pep–SAM Monolayer obtained using Glu-Ala-Ala-Cys-NH2 peptide PES Potential Energy Surface PIP 4-Methylpiperidine PoC Point of Care PyBOP Benzotriazole-1-yl-oxy-tris-pyrrolidino- phosphonium hexafluorophosphate QPC Quantum Point Contact r2 Coefficient of regression RC Resistive Capacitive circuit SAM Self-Assembled Monolayer SD Standard Deviation SS–Pep–Fc Monolayer obtained using Fc-Glu-Ala-Ala-Cys-Cys-NH2 peptide TBAClO4 Tetrabutylammonium perchlorate TFA Trifluoroacetic acid TIS Triisopropylsilane TST Transition State Theory List of Symbols a arbitrary fitting parameter A pre-exponential factor Ae electroactive area cm−2 Ag geometric area cm2 Ar reduction peak area cm2 b arbitrary fitting parameter c∗ Fermi velocity m s−1 C capacitance F cm−2 C∗(ω) complex capacitive function C′ imaginary capacitive component F cm−2 C” real capacitive component F cm−2 Cads adsorption capacitance F cm−2 Cb film bulk capacitance F cm−2 Cdl double layer capacitance F cm−2 Ce electrostatic capacitance F cm−2 Cm monolayer capacitance F cm−2 Cq quantum capacitance F cm−2 Cq,a anodic capacitive value F cm−2 Cq,c cathodic capacitive value F cm−2 Ct non-Faradaic capacitance F cm−2 Cµ electrochemical capacitance F cm−2 dn number of electronic particles dn/dµ density-of-state (dn/dµ)l density-of-state of left "plates" (dn/dµ)r density-of-state of right "plates" e elementary charge C E energy eV E0 energy at equilibrium eV 18 Ea activation energy eV EF Fermi level eV EF/e formal potential V Ee F/e formal potential of Fc–COOH V Ep F/e formal potential of Pep–Fc V Et F/e formal potential of C11–Fc V Ere f reference energy level eV Ei internal energy eV f linear frequency Hz (s−1) f Fermi–Dirac distribution function F Faraday constant C mol−1 fr relaxation (or resonance) frequency Hz (s−1) fc characteristic frequency Hz (s−1) G Gibbs free energy J mol−1 G molecular conductance mS G0 quantum conductance mS G0 A Gibbs energy of acceptor state at equilibrium J mol−1 G0 D Gibbs energy of donor state at equilibrium J mol−1 gr redox degeneracy gs electron spin degeneracy h Planck constant eV Hz−1 h̄ reduced Planck constant eV s HDA coupling matrix element or electron transfer integral Hel electronic Hamiltonian i electric current A i0 exchange current A iox oxidation peak current A iox/ired redox current peak ratio ired reduction peak current A j density current A cm−2 j complex number k electron transfer constant rate s−1 k wave-vector m−1 kapp apparent constant rate s−1 19 kB Boltzmann constant eV K−1 l separation length nm L molecular thickness or distance nm n individual quantum channel n electron number involved in the redox reaction N total number of quantum channels PDA transition probability pKa acid dissociation constant pKa(Fc) acid dissociation constant of reduced ferrocene pKa(Fc+) acid dissociation constant of oxidized ferrocene q nuclear coordinate q charge C q0 nuclear coordinate at equilibrium q0 A nuclear coordinate of acceptor state at equilibrium q0 D nuclear coordinate of donor state at equilibrium R resistance Ω R ideal gas constant J mol−1 K−1 Rc contact resistance Ω Rct charge transfer resistance Ω RK Von Klitzing constant Ω Rq quantum resistance Ω Rqt internal monolayer resistance Ω Rs series resistance Ω Rt non-Faradaic relaxation resistance Ω Rtd diffusion Faradaic resistance Ω s scan rate V s−1 t time s T temperature K or ◦C Tn(µ) transmission probability V electric potential V Vout potential outside electrochemical window V Vox oxidation peak potential V Vp potential peak V Vp,a anodic potential peak V 20 Vp,c cathodic potential peak V Vred reduction potential peak V W Warburg element x̄ mean value Z∗ complex impedance Z′ imaginary impedance component Ω Z” real impedance component Ω α transfer coefficient αq coefficient deviation of electronic relaxation αt coefficient deviation of ionic relaxation β tunneling decay parameter Å −1 βG decay parameter obtained from conductance measurement Å −1 βk decay parameter obtained from electrochemical measurement Å −1 Γ electronic coupling between electrode and molecular segment ∆G‡ activation energy J mol−1 ∆Vp peak-to-peak separation V ν fundamental quantum rate s−1 νel electron hopping frequency s−1 νn nuclear vibration frequency s−1 κ transmission coefficient λ reorganization energy eV λ0 reorganization energy of solvational term eV λi reorganization energy of vibrational term eV µ energy level (or internal energy) eV µD energy level of donor state eV µA energy level of acceptor state eV µL energy level of left electrode eV µR energy level of right electrode eV η overpotential V σx̄ standard error of the mean ∑N n=1 summation of quantum channels τ electron transfer time-scale s τ̄ average time between collisions s−1 τt time-scale of the ionic relaxation process s ϕ phase angle ◦ ϕ(µ) density-of-state in function of energy ϕA(µD) acceptor density-of-state at donor energy level ψA wave function of acceptor state ψD wave function of donor state ω angular frequency rad s−1 ωr relaxation angular frequency rad s−1 ωc characteristic angular frequency rad s−1 Contents Abstract 8 Resumo 9 Resumo extendido 10 Introduction 28 0.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 0.2 Outline of the thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1 State-of-the-art 31 1.1 The beginning of the formulation of the ET theory based on the transi- tion state theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.2 More details about classical macroscopic ET theories, including the re- organization energy term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.3 The quantum mechanical components of the semi-classical ET theory . 38 1.4 Relationship between molecular conductance and electron transfer rate concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.5 The quantum rate theory and its application for the study of meso- scopic junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 1.6 Experimental evaluation of the ET constant rate . . . . . . . . . . . . . 49 1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2 Quantum Resistance Study of the Electron Transfer Process 59 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.2.1 Chemical reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.2.2 Peptide synthesis and characterization . . . . . . . . . . . . . . 64 2.2.3 Equipment and electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.2.4 Electrochemical measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.2.5 Impedance spectroscopy and capacitive spectra . . . . . . . . . 67 2.2.6 Equivalent circuit analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3 Quantum Capacitive Mediation of the Electron Transfer Process 79 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.2.1 Chemical reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 26 3.2.2 Peptide synthesis and characterization . . . . . . . . . . . . . . 82 3.2.3 Equipment and electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.2.4 Electrochemical measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Density-of-states distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.2.5 Equivalent circuit analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4 Enhancement of Quantum Capacitive Signal and Amplification Mechanism for Sensing 94 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.1 Chemical reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.2 Equipment and electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.3 Electrochemical measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.4 Equivalent circuit analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.5 NS1 analytical curve with or without signal amplification . . . 99 Accuracy of NS1 assay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5 Influence of the Acidity of the Quantum Capacitive Interface on the Media- tion of the Diffusionless Electron Transfer Process 107 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 5.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.1 Chemical reagents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.2 Peptide synthesis and characterization . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.3 Equipment and electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.4 Electrochemical measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Determination of pKa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.5 Equivalent circuit analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3.1 PCET reaction of the Fc–COOH free in solution . . . . . . . . . 112 5.3.2 Influence of the acidity of the non-electroactive interface on the ET reaction of the Fc–COOH in solution . . . . . . . . . . . . . . 114 5.3.3 Influence of the acidity of the electroactive interface on the ET reaction of the Fc–COOH in solution . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6 Quantum Rate Model for the Study of Molecular Junctions 125 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.2.1 Large-area molecular junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.2.2 Spectroscopy impedance measurements . . . . . . . . . . . . . . 128 6.2.3 Equivalent circuit analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Conclusions 142 A Peptide Characterization: SS–Pep–Fc 144 B Determination of Electroactive Area of Au Electrode 145 C Peptide Characterization: Pep–Fc 146 D Non-Faradaic Circuit Elements 147 E Diffusion versus Diffusionless Processes 148 F Electrochemical Impedance of Fc–COOH 149 G Anodic Peak Deconvolution 150 H Surface characterization of Miniaturized Gold Electrodes 151 I Equivalent Circuit Fitting of Modified Miniaturized Electrodes 152 J Peptide Characterization: non-redox peptide 153 K Additional Electrochemical Characterization of Fc–COOH 154 L Pep–SAM: Diffusion-controlled kinetics of Fc–COOH 156 M Equivalent Circuit Fitting of Pep–SAM in Function of [Fc–COOH] 157 N Equivalent Circuit Fitting of Pep–rSAM in Function of [Fc–COOH] 158 O Density Current Calculation from IS Data for MJs 159 P IS Data in Function of Temperature for MJs 161 28 Introduction This thesis work deals with the fundamental study of electron transfer and transport phenomena in mesoscopic systems focusing on nanoelectronic and nanoscale electro- chemical devices. In these systems, neither classical nor quantum mechanics exclu- sively prevail. This is because they contain an ensemble of molecules that are large enough to consider that the related physics is purely governed by quantum mechan- ics, yet not large enough to adhere entirely to the principles of classical mechanics. Examples of such systems are redox SAMs and molecular ensembles sandwiched be- tween electrodes. The fundamental understanding of how the electron is transferred and transported in these molecular junctions is a major challenge that requires a self- consistent theory, which allows the interpretation of experimental data. This knowl- edge will enable the development of novel and advanced nanoscale devices. One part of the presented thesis focuses on the fundamental study of the phe- nomenon related to the ET process in heterogeneous diffusionless settings, specifi- cally in SAM. It also investigates its role in mediating ET between the electrode and electroactive species in solution. The mechanism associated with this mediation is evaluated as a potential means of signal amplification. Additionally, the study ex- amines the electrodynamics that influence such mechanisms. The other part cen- ters on the demonstration of the correlation between molecular conductance and the charge transfer rate in MJ. These studies are conducted within the quantum rate theory framework and experimentally performed by impedance spectroscopy and impedance-derived capacitive spectroscopy. The semi-classical theory developed for the ET process proposes a quantum me- chanical analysis using the non-relativistic Schrödinger equation, which describes the electrodynamics properties of the electrochemical reaction. This reaction involves the exchange of electrons between the electronic states of the donors D and acceptor A species, such as ions and molecules. The rate at which this ET occurs is determined by the electron transfer rate constant k, which can be measured by established electro- chemical methods that utilize electrodes to investigate redox reactions. On the other hand, the molecular conductance G, which characterizes the flow of electric current through the molecules between the electrodes under a potential difference, was the- oretically found to be correlated to k. This correlation implies a connection between electron transport, as understood by physicists, and electron transfer, as understood by chemists. Within this context, the quantum rate theory demonstrates that the elec- trodynamics of electron transfer reactions are governed by the relativistic Dirac equa- tion rather than the non-relativistic Schrödinger equation. Additionally, it establishes a correlation between k and G through the electrochemical capacitance Cµ, which can be experimentally verified. 142 Conclusions The findings presented in this study demonstrated that the quantum rate model pro- vides an accurate interpretation of electron transfer and transport processes occurring at mesoscopic interfaces. The relationship between conductance G and quantum ca- pacitance Cq proposed by the theory allowed us to understand and quantify the elec- tron transfer kinetics k of electroactive interfaces whenever the degeneracy of the spin gs and of the electrochemical current gs are considered. The quantum rate theory permitted the interpretation of the quantum resistance Rq obtained by equivalent circuit analysis as the contribution in series of two resistive terms, Rqt and Rs, which cannot be separated. The interpretation of Rq challenges the traditional understanding of Rct in equivalent circuit analyses. Furthermore, it has been demonstrated that Rq establishes a quantized limit of the minimal resistance (or maximum conductance) in agreement with the theoretical value of 12.9 kΩ. Hence, it has been demonstrated that Cq and Rq govern the electrodynamics of the studying electrochemical interfaces. From experimental point of view, it has been introduced a straightforward method to calculate k for heterogeneous electrochemical reactions, with Cq as the only vari- able, obtained from impedance-derived capacitive spectroscopy (ECS) that is in agree- ment with the Cq obtained from cyclic voltammetry (CV). It has been demonstrated that the DOS of redox molecules assembled over con- ductive electrodes acts as accessible conductive quantum channels for ET reactions between electrodes and redox states in solution. The efficiency remains unaffected whether the ET process occurs in a single or two-step mechanism. Moreover, align- ing the energy levels of capacitive states with that of the species in the bulk solution increases the number of quantum channels N available for ET reactions, potentially benefiting the development of advanced electrochemical nanoscale devices. The study successfully demonstrated the amplification of the electrochemical ca- pacitive current signal of the interface for the quantification of the NS1 DENV biomarker in undiluted serum samples with enhanced sensitivity and specificity. This novel strategy enabled the detection of small biological molecules and avoided false posi- tive errors associated with matrix effects. Besides, the use of miniaturized gold elec- trodes showed promise for point-of-care (PoC) devices. It has been demonstrated that the acidity of electroactive interfaces affects the me- diation of diffusionless electron transfer process, specially when the redox probe un- dergoes to proton-coupled electron transfer reaction. It was observed an electrostatic repulsion between the negatively charged surface and redox species, which is trig- gered by high concentration of the redox probe. It was shown that whenever the electron transfer process is ruled by the Cq and Rq elements, the associated quantum capacitive states are enable to mediate the electron transfer due to the energy level alignment is sustained, leading to a diffusionless electron transfer process. Chapter 6. Quantum Rate Model for the Study of Molecular Junctions 143 Impedance spectroscopy studies of aromatic MJs at different biases and tempera- tures showed the applicability of the quantum rate model to study the electron trans- fer/transport properties of molecular electronic settings. These phenomena are con- trolled by Cµ and Rq. The quantum rate expression k = G/Cµ successfully described the rate-conductance relationship. Also, the estimate value of N allowed to address the role played by electronic structure of the molecular layer within the framework of the quantum rate model. In conclusion, the quantum rate theory, supported by experimental studies, allows us to gain insights into the electron transfer/transport phenomena of molecular elec- tronic and electrochemical devices. The results obtained through various techniques, such as SI, validate the feasibility and potential applications of the quantum rate model in understanding and controlling electron transfer processes at the nanoscale interface, allowing us to develop novel and advanced electrochemical quantum de- vices. Abstract Resumo Resumo extendido Introduction Objectives Outline of the thesis State-of-the-art The beginning of the formulation of the ET theory based on the transition state theory More details about classical macroscopic ET theories, including the reorganization energy term The quantum mechanical components of the semi-classical ET theory Relationship between molecular conductance and electron transfer rate concepts The quantum rate theory and its application for the study of mesoscopic junctions Experimental evaluation of the ET constant rate Conclusion References Quantum Resistance Study of the Electron Transfer Process Introduction Materials and methods Chemical reagents Peptide synthesis and characterization Equipment and electrodes Electrochemical measurements Impedance spectroscopy and capacitive spectra Equivalent circuit analysis Results and discussion Conclusion References Quantum Capacitive Mediation of the Electron Transfer Process Introduction Materials and methods Chemical reagents Peptide synthesis and characterization Equipment and electrodes Electrochemical measurements Density-of-states distribution Equivalent circuit analysis Results and discussion Conclusion References Enhancement of Quantum Capacitive Signal and Amplification Mechanism for Sensing Introduction Materials and methods Chemical reagents Equipment and electrodes Electrochemical measurements Equivalent circuit analysis NS1 analytical curve with or without signal amplification Accuracy of NS1 assay Results and discussion Conclusion References Influence of the Acidity of the Quantum Capacitive Interface on the Mediation of the Diffusionless Electron Transfer Process Introduction Materials and methods Chemical reagents Peptide synthesis and characterization Equipment and electrodes Electrochemical measurements Determination of pKa Equivalent circuit analysis Results and discussion PCET reaction of the Fc–COOH free in solution Influence of the acidity of the non-electroactive interface on the ET reaction of the Fc–COOH in solution Influence of the acidity of the electroactive interface on the ET reaction of the Fc–COOH in solution Conclusion References Quantum Rate Model for the Study of Molecular Junctions Introduction Materials and methods Large-area molecular junctions Spectroscopy impedance measurements Equivalent circuit analysis Results and discussion Conclusion References Conclusions Peptide Characterization: SS–Pep–Fc Determination of Electroactive Area of Au Electrode Peptide Characterization: Pep–Fc Non-Faradaic Circuit Elements Diffusion versus Diffusionless Processes Electrochemical Impedance of Fc–COOH Anodic Peak Deconvolution Surface characterization of Miniaturized Gold Electrodes Equivalent Circuit Fitting of Modified Miniaturized Electrodes Peptide Characterization: non-redox peptide Additional Electrochemical Characterization of Fc–COOH Pep–SAM: Diffusion-controlled kinetics of Fc–COOH Equivalent Circuit Fitting of Pep–SAM in Function of [Fc–COOH] Equivalent Circuit Fitting of Pep–rSAM in Function of [Fc–COOH] Density Current Calculation from IS Data for MJs IS Data in Function of Temperature for MJs