E SCOLHA DO FLUORÓFORO

Independentemente do esquema óptico utilizado na determinação da concentração de oxigénio, a escolha do fluoróforo desempenha um papel crucial no sucesso da aplicação. Eis alguns critérios [78, 88] que deverão ser considerados na escolha:

• o tempo de vida do fluoróforo deve ser suficientemente elevado para que este exiba supressão por choques colisionais com as moléculas de oxigénio;

• o parâmetro de fluorescência medido deve ser suficientemente sensível a variações na gama da concentração de oxigénio que se pretende medir;

• um coeficiente de extinção e eficiência quântica elevados são importantes de forma a garantir uma boa razão sinal-ruído;

• os fluoróforos deverão ser selectivos, modificando as suas propriedades fluorescentes exclusivamente com o analito;

• os fluoróforos com propriedades fotofísicas insensíveis à temperatura permitem esquemas de calibração mais simples;

• o fluoróforo deve ter um espectro de absorção que permita a utilização de comprimentos de onda de excitação o suficientemente elevados, para que seja possível a utilização de LEDs ou díodos laser;

• um desvio de Stokes elevado garante que haja uma boa discriminação entre o sinal de excitação e o de emissão, minimizando erros na quantificação da intensidade fluorescente, tempo de vida ou fase medida, dependendo da técnica de análise utilizada;

• dado que os sensores de fibra óptica são baseados no suporte de apenas uma pequena quantidade de fluoróforo na matriz, é essencial que este apresente uma elevada estabilidade química e fotoestabilidade;

• os fluoróforos deverão ser compatíveis com a matriz que os suporta (ex. boa solubilidade). Os fluoróforos mais utilizados em esquemas ópticos de medição de oxigénio são os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPA), os complexos de metais de transição (Ru(II), Os(II), Ir (III), etc.) , as metaloporfirinas (Ex. Pt(II), Pd(II), Rh(II), etc.), e ainda fulereno (C60 e C70) [4].

Em estudos iniciais, os HPA foram frequentemente utilizados como fluoróforos na medição da concentração de oxigénio [89, 90]. Estes compostos apresentam tempos de vida na ordem dos nanosegundos, com máximos do espectro de absorção no ultravioleta ou azul exigindo fontes de excitação não facilmente disponíveis [91].

Os HPA foram progressivamente substituídos por alguns compostos organometálicos à medida que se descobria que estes últimos apresentavam características mais vantajosas, tais como uma elevada intensidade fluorescente e tempos de vida longos o que os torna adequados para utilização em sensores de oxigénio (ver Tabela 4.1). Estes podem ser classificados em duas categorias principais: os complexos de metais de transição e as metaloporfirinas.

Tabela 4.1 – Propriedades fotofísicas de fluoróforos utilizados na medição da concentração de oxigénio [4, 27].

Classe /Fluoróforo λλλλ máx. (absorção) λλλλ máx. (emissão) tempo de vida Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos

PBA 365 376,396,474 200 ns

Decacicleno (DCY) 380 510

Perylene dibutyrate 457 512 Complexos de metais de transição

[Ru(bpy)3]2+ 450 611 700 ns [Ru(bpy)2(dpp)]2+ 452 612 1.97 µs [Ru(bpy)(dpp)2]2+ 455 613 4.10 µs [Ru(dpp)3]2+ 337,457 612 4.89 µs [Os(dpp)3]2+ 454, 500, 580, 650 729 290 ns [89] [Os(fenantrolina)3]2+ 432, 478, 660 720 367 ns [89] [Ir(2-fenilpiridina)3]2+ 376 512 2.00 µs Metaloporfirinas PdOEP 393, 512, 546 663 770 µs PtOEP 381, 535 646 100 µs [92] PtTFPP 395, 541 648 46 µs [93] PdOEPK 410, 603 790 480 µs [94] PtOEPK 398, 592 759 62 µs [94]

Os complexos de metais de transição têm tempos de vida elevados (na ordem das centenas de nanosegundos até às dezenas de microsegundos) o que permite a implementação de esquemas de medição mais simples e menos dispendiosos do que os que são necessários para os fluoróforos orgânicos. A sua eficiência quântica é independente do comprimento de onda de excitação e pode exceder em alguns casos excepcionais o valor de 0.5, embora valores de 0.04 a 0.2 sejam mais comuns. O facto de serem excitados com radiação visível, permite a utilização de fontes de excitação facilmente disponíveis. Estes compostos apresentam elevada estabilidade química, térmica e fotoquímica tornando-os adequados para utilização em situações de esterilização [95].

Dentro desta última classe, os complexos de polipiridil ligados a ruténio, na forma [Ru(L)3]2+, em que

L representa o ligando polipiridil, são os mais comuns em medição de oxigénio. Os grupos ligandos mais utilizados são o 2,2´-bipiridil (bpy) e o 4,7-difenil-1,10-fenantrolina (dpp), podendo ainda formar complexos com ligandos mistos da forma [Ru(bpy)x(dpp)y]2 (em que x+y=3) [96]. Os complexos de

polipiridil ligados a ósmio têm a particularidade de absorver radiação em comprimentos de onda mais elevados (vermelho) do que os complexos de ruténio possibilitando a utilização de fontes de radiação com elevada potência e de baixo custo, como são os díodo lasers. Estes complexos são

considerados mais estáveis que os de ruténio, embora apresentem como desvantagem uma supressão mais baixa o que conduz a uma menor sensibilidade [4, 89].

As metaloporfirinas apresentam tempos de vida numa gama entre 0.1 e 50 ms e sofrem elevada supressão, pelo que são particularmente adequadas para medição de pequenas concentrações de oxigénio [68]. Deste grupo destacam-se as octaetilporfirinas de platina e paládio, PtOEP e PdOEP, respectivamente, que apresentam elevada fosforescência à temperatura ambiente com tempos de vida relativamente longos (Tabela 4.1). Alguns esquemas de medição de oxigénio que utilizam estas metaloporfirinas têm sido reportados por vários autores [97, 98]. Quando as metaloporfirinas referidas anteriormente são ligadas a um grupo cetona (PtOEPK e PdOEPK) apresentam uma estabilidade química e fotoquímica superior e um desvio dos espectros de emissão e excitação para comprimentos de onda mais elevados o que constitui uma vantagem [94].

Independentemente das propriedades luminescentes do fluoróforo, é essencial que este apresente uma boa compatibilidade com a matriz de suporte. As propriedades fotofísicas dos fluoróforos sofrem normalmente pequenos desvios em função da matriz onde estão inseridos, pelo que isto deverá ser tido em conta [78].

No sensor apresentado neste trabalho o fluoróforo escolhido foi o complexo de ruténio [Ru(dpp)3]2+

(Figura 4.13) por ser reconhecidamente um dos mais adequados para o desenvolvimento de sensores de oxigénio [99]. Também foram estudadas a aplicabilidade das metaloporfirinas PtOEPK e PdOEPK.

Figura 4.13 – Estrutura molecular do [Ru(dpp)3]2+ .

Apesar das vantagens da utilização de fibras ópticas neste tipo de sensores, estas têm como desvantagem apresentarem uma elevada atenuação de sinal para comprimentos de onda inferiores a 450 nm. Dado que o complexo de ruténio tem um máximo de absorção aos 457 nm, e de emissão aos 612 nm, este fluoróforo é adequado em aplicações que utilizem fibras ópticas.

Adicionalmente, McDonagh et al [100] estudaram a aplicabilidade deste fluoróforo em matrizes de sol-gel tendo concluído que oferecem a possibilidade de se produzirem sensores com elevada qualidade, o que constituiu mais um motivo para a escolha efectuada.