Obtenção e caracterização de pontos quânticos fluorescentes de ZnSe:Mn

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(1)Universidade Federal de Pernambuco Centro de Ciências da Saúde Departamento de Ciências Farmacêuticas Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas. Obtenção e Caracterização de Pontos Quânticos Fluorescentes de ZnSe:Mn. Thiago Gomes da Silva. Recife-PE, Brasil Fevereiro, 2011.

(2) Universidade Federal de Pernambuco Centro de Ciências da Saúde Departamento de Ciências Farmacêuticas Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas. Obtenção e Caracterização de Pontos Quânticos Fluorescentes de ZnSe:Mn. Dissertação apresentada ao Programa de PósGraduação em Ciências Farmacêuticas da UFPE como parte dos requisitos necessários para a obtenção de título de mestre.. Thiago Gomes da Silva (Bolsista CNPq). Orientadora: Profª. Dra. Beate Saegesser Santos Co-orientadora: Profa. Dra. Adriana Fontes. Recife-PE, Brasil Fevereiro, 2011.

(3) Silva, Thiago Gomes da Obtenção e caracterização de pontos quânticos fluorescentes de ZnSe:Mn / Thiago Gomes da Silva. – Recife: O Autor, 2011. 61 folhas: il., fig, ; 30 cm. Orientador: Beate Saegesser Santos Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de Pernambuco. CCS. Ciências Farmacêuticas, 2011. Inclui bibliografia. 1. ZnSe:Mn. 2. Pontos quânticos fluorescentes. 3. Dopagem. 4. Fotoativação. I. Santos, Beate Saegesser. II.Título.. 615.1. CDD (20.ed.). UFPE CCS2011-070.

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(5) DEDICO ESTE TRABALHO. À minha mãe Rita Maria da Silva Gomes e a minha família, por todo amor, educação e estímulo durante a realização deste trabalho.. Ao meu pai, João Gomes da Silva Filho, que apesar da distância, sempre me incentivou aos estudos.. À minha noiva e futura esposa Priscilla Sobreira Moreira por simplesmente existir.. À João Paulo, por me apresentar ao laboratório e a Fabíola por contribuir valiosamente para a realização deste trabalho..

(6) AGRADECIMENTOS. À Deus primeiramente, pelas contínuas bênçãos em minha vida. À minha mãe, por todo carinho, amor e paciência. Ao meu pai, pelos sábios ensinamentos e carinho. À minha família, por contribuir na minha formação como pessoa. À minha noiva, pelo amor, compreensão e paciência durante o desenvolvimento do trabalho. À professora Beate pela amizade, confiança, ensinamentos, compreensão e paciência durante estes anos de orientação. Um agradecimento em especial, pois sem o seu apoio e dedicação este trabalho seria apenas uma perspectiva. Aos professores Ricardo, Adriana e Cláudia pelos ensinamentos. À Breno, Aluízio, Clayton e Kilmara, pela parceria e contribuição no trabalho desenvolvido. Aos colegas do laboratório Profº. Ricardo Ferreira: Claudilene, Antônio, Denise, João Paulo, Rafael, Cida, Tony, Aline, Paulo, Cauêh e Diego.. Ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas: Coordenador, Vicecoordenadora, professores e secretárias, Margareth e Rosa por toda atenção e dedicação. Ao grupo de Polímeros Não-Convencionais, do Departamento de Física pelos espectros de emissão. Ao CBPF e em especial ao professor Luiz Sampaio pelas análises de DRX. Ao Diogo do LNLS pelas imagens de MET. À Flávia Barros do ITEP pelas medidas de ICP. Ao CNPq pelo auxílio financeiro. A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a elaboração deste trabalho.. Obrigado a todos!.

(7) RESUMO. Nanocristais de semicondutores do tipo II-VI, dentro do regime de confinamento quântico, conhecidos como pontos quânticos (quantum dots) surgiram há mais de uma década e mostram-se como uma importante ferramenta de marcação biológica. Atualmente busca-se, através da dopagem destes materiais semicondutores, melhorias. e mudanças em suas. propriedades. ópticas e. magnéticas. Neste trabalho, apresenta-se uma metodologia de obtenção de pontos quânticos fluorescentes de seleneto de zinco (ZnSe) dopados e não dopados com manganês (ZnSe:Mn). As reações empregaram técnicas de química coloidal em meio aquoso e métodos pós-preparativos envolvendo fotoativação com radiação ultravioleta. Foi realizado um planejamento fatorial tipo 22 para verificar as melhores condições de reação de obtenção que resultam no aumento da intensidade da emissão na região do vermelho (acima de 580 nm) para o nanocristal dopado, variando a concentração do íon Mn2+ e a dose de radiação no processo de fotoativação. O tamanho médio dos nanocristais (d~3 nm), e sua cristalinidade foram estimados utilizando-se as técnicas de espectroscopia de absorção eletrônica, microscopia eletrônica de transmissão e pela técnica de difração de Raios-X. A caracterização óptica foi realizada empregando-se espectroscopia de emissão e excitação eletrônica determinando-se os processos ópticos envolvidos. As suspensões de ZnSe não dopados, sob excitação entre 300 e 370 nm, apresentam alta intensidade de luminescência com máximo observado na região do azul (λmax = 400) e banda larga na região do verde (λmax =460 nm). Os nanocristais dopados apresentaram a emissão típica do Mn2+ na região do vermelho (λmax = 580 nm) quando excitado em λ exc= 400 nm. O planejamento fatorial realizado mostrou que o fator que mais contribui na emissão do íon Mn2+ é sua concentração no processo de síntese. A quantificação do Mn2+ nos nanocristais foi realizada por técnica de Plasma Indutivamente Acoplado e mostrou que foi incorporado um valor máximo de 0, 89% de íons Mn2+ nos nanocristais de ZnSe, o que representa 18% do valor adicionado inicialmente na síntese.. Palavras-chaves: ZnSe:Mn, pontos quânticos fluorescentes, dopagem, fotoativação..

(8) ABSTRACT. II - VI semiconductor nanocrystals in the quantum confinement region, also known as quantum dots, are being applied as potential tools as fluorescent biomarkers. Recently there has been a search for doped semiconductor in order to render new optical and magnetic properties. In the present work we present an optimized methodology for the preparation of ZnSe and ZnSe:Mn fluorescent quantum dots. The synthetic methodology applies easy colloidal chemical techniques in aqueous medium which includes a photoactivation post procedure so to increase the emission yield. A 22 factorial design has been employed to optimize the experimental conditions ([Mn2+] and UV light dose radiation) taking into account to optimize the d-d characteristic Mn2+ emission (λ = 580 nm). The average ZnSe and ZnSe:Mn particle size was estimated as d = 3 nm using X-ray diffractometry, transmission electronic microscopy and absorption electronic spectra. The optical properties were studied using emission and excitation electronic spectroscopy. The ZnSe suspensions show a high intensity band in the blue region (λmax ~ 405 nm) and a less intense band in the green region (λmax ~ 460 nm) when excited in the 300-370 nm region. The ZnSe:Mn particles show an orange-red emission band characteristic of the Mn2+ ion (λmax ~ 580 nm). The factorial design showed that the more important experimental condition in the experiment is the [Mn2+]. The Mn2+ quantification was performed using Inductively Coupled Plasma, showing that a maximum of 0, 89% of Mn2+ ions which represents 18% of the initial expected incorporation value.. Key-words: ZnSe:Mn, fluorescent quantum dots, doping, photoactivation..

(9) LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Å AMA. Angstrom Ácido Mercaptoacético. BC. Banda de Condução. BV. Banda de Valência. CBPF. Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas. CdS. Sulfeto de Cádmio. CdSe. Seleneto de Cádmio. CdTe. Telureto de Cádmio. Cd(OH)2. Hidróxido de Cádmio. cps. Contagens por segundo. DCCR. Delineamento Composto Central Rotacional. DLVO. Teoria de estabilidade cinética coloidal de Derjaguin e Landau e Verwey e Overbeek. DRX. Difração de Raios-X. Eg EPR. Band gap Eletron Paramagnetic Resonance (Ressonância Paramagnética Eletrônica). eV. Elétron Volt. FA. Fotoativação. FITC FWHM H2Se ICP-OES ITEP JCPDS kV. Fluorescein Isotiocianate (Isotiocianato de Fluoresceína) Full Width at Half Maximum (Largura de Banda a Meia Altura) Ácido Selenídrico Espectometria de Emissão Ótica com Plasma Indutivo Acoplado Instituto de Tecnologia de Pernambuco Joint Committee on Powder Diffraction Standards Kilo Volt. LNLS. Laboratório Nacional de Luz Síncroton. MET. Microscopia Eletrônica de Transmissão. MnSO4. Sulfato de Manganês. NaBH4. Borohidreto de Sódio. NaOH. Hidróxido de Sódio. PQs. Pontos Quânticos. pK. Constante de Dissociação. QY. Quantum Yield (Rendimento Quântico).

(10) Seº Se. 2-. Selênio Elementar Selênio Reduzido. SeO2. Dióxido de Selênio. TeO2. Dióxido de Telúrio. THF. Tetrahidrofurano. TOP. Trioctil-fosfina. TOPO UV. Óxido de Trioctil-fosfina Ultravioleta. UV-Vis. Ultravioleta Visível. VA. Energia de Atração. VR. Energia de Repulsão. VT. Energia Total de Interação. XPS. X-Rays Photoeletronic Spectroscopy (Espectroscopia Fotoeletrônica por Difração de Raios-X). ZnS. Sulfeto de Zinco. ZnSe. Seleneto de Zinco. ZnSe:Mn ZnSO4 λ. Seleneto de Zinco dopado com Manganês Sulfato de Zinco Comprimento de Onda. λabs. Comprimento de Onda de Máxima Absorção. λem. Comprimento de Onda de Máxima Emissão. λexc. Comprimento de Onda de Máxima Excitação.

(11) LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 - Espectros de absorção e emissão típicos de moléculas orgânicas e de pontos quânticos.. 09. Figura 3.2 - Relação do tamanho de partículas semicondutoras dentro do regime de confinamento quântico.. 10. Figura 3.3 - Diferença energética fundamental entre material isolante, condutor e semicondutor.. 11. Figura 3.4 - Diagrama representativo dos estados de densidade de: condutor, isolantes, semicondutores e semicondutor dopado.. 12. Figura 3.5 – Suspensões fluorescentes de nanopartículas coloidais de um mesmo ponto quântico (CdSe) de tamanhos diferentes, sob iluminação UV.. 13. Figura 3.6 - Fotodegradação em função do tempo: antígenos nucleares corados com Alexa Fluor 488® e microtúbulos corados com PQ 605- CdSe (Tempos observados: 0s, 20s, 60s, 120s e 180s).. 14. Figura 3.7 - (a) Energia potencial (V) de interação partícula-partícula em função da distância (d) de separação entre duas partículas coloidais (b)- Principais etapas envolvidas nas reações de obtenção de semicondutores nanocristalinos.. 17. Figura 3.8 - Esquema ilustrativo das duas maneiras distintas de se realizar a dopagem com íons Mn2+ em nanocristais de ZnS.. 19. Figura 3.9 - (a) Espectros de absorção e emissão para pontos quânticos de ZnSe, (b) ZnSe dopado com Mn2+ .. 20. Figura 3.10 - Esquema ilustrativo da via de fotoativação em PQs em meio reacional de solventes orgânicos e alterações na intensidade de sua fotoluminescência (PL) sob diferentes condições atmosféricas.. 22. Figura 4.1 - Esquema da obtenção de ZnSe e ZnSe:Mn.. 32. Figura 4.2 - Câmara de fotoestabilidade desenvolvida por Azevedo et.al. e utilizada no processo de fotoativação dos nanocristais.. 33. Figura 4.3 - Difratômetro de Raios X do CBPF.. 34. Figura 4.4 - Esquema representativo de um Espectrômetro de Emissão Óptico com Plasma Indutivo Acoplado.. 36. Figura 5.1 - Mudança de coloração da reação após a injeção de Se2- no meio contendo íons Zn2+. Em (a) solução inicial de Zn2+-AMA, (b) após adição de Se2- e (c) formação de ZnSe depois de 30 minutos de reação.. 40. Figura 5.2 - Mudança na coloração inicial em (a) do sistema contendo íons Zn2+AMA em pH=11,0 após a adição de íons Mn2+ em (b) e a formação do sistema final ZnSe:Mn incolor em (c), após adição de solução aquosa contendo Se2 -.. 41. Figura 5.3 - Luminescência característica de ZnSe em (a) e de ZnSe:Mn em (b).. 41.

(12) Figura 5.4 - Difratogramas de Raios X de pó representativas de (a) ZnSe e (b) ZnSe:Mn.. 42. Figura 5.5 - Estrutura da blenda de zinco.. 42. Figura 5.6 - Imagens de Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) de ZnSe:Mn (a) Barra = 20 nm, (b) Barra = 10 nm, (c) e (d) Barra de escala = 5 nm.. 43. Figura 5.7 - Espectros de absorção eletrônica representativos de suspensão de partículas de ZnSe (a) e ZnSe:Mn (b) antes e depois do processo de fotoativação.. 44. Figura 5.8 - Espectros de emissão de ZnSe em diferentes tempos de exposição a radiação UV e o respectivo espectro de excitação da suspensão FA por 35 min.. 46. Figura 5.9 – Esquema das principais vias de decaímento do elétron populando a. 47. banda de condução do ZnSe:Mn em (a). Em (b) diagrama de Tanabe-Sugano mostrando a transição eletrônica do íon Mn2+. Figura 5.10 - Esquema dos possíveis mecanismos de fotoativação de ZnSe em meio aquoso.. 48. Figura 5.11 - Espectro de emissão do ZnSe:Mn em diferentes tempos de exposição a radiação UV e o respectivo espectro de excitação da suspensão FA por 35 min.. 49. Figura 5.12 – Evolução temporal (2 a 132 h após o preparo) da banda de emissão do ZnSe:Mn.. 50. Figura 5.13 - Espectros de emissão das suspensões de ZnSe:Mn do estudo quimiométrico tipo DCCR em crescentes concentrações de Mn2+ e doses de radiação UV. Em (a) DCCR 1 - 0,145 mMols, em (b) DCCR 2 - 0,500 mMols, em (c) DCCR 3 - 0,854 mMols e (d) DCCR 4 - 1,000 mMol.. 52. Figura 5.14 – Gráfico da Superfície de Resposta para a intensidade de emissão de fluorescência em 580 nm em função da quantidade de Mn2+ (em mMol) e dose de luz ultravioleta (em Wh/m2).. 55.

(13) LISTA DE TABELAS Tabela 4.1 - Materiais utilizados para a obtenção do ZnSe e de ZnSe:Mn, utilizandose AMA como estabilizante.. 31. Tabela 4.2 - Valores da concentração de manganês dopante no estudo de DCCR.. 37. Tabela 4.3 - Variáveis utilizadas no planejamento fatorial.. 37. Tabela 5.1 – Valores codificados e respostas da intensidade de emissão para λem. 53. =580 nm). Tabela 5.2 – Estimativas por ponto, por intervalo e testes de hipóteses para os efeitos.. 53. Tabela 5.3 – Estimativas por ponto, por intervalo e testes de hipóteses para os coeficientes.. 53. Tabela 5.4 – Análise de variância para os resultados do estudo DCCR.. 54. Tabela 5.5 – Resultado da análise de ICP expressando a quantidade de Mn2+ e Zn2+ em média.. 56. Tabela 5.6 – Cálculo da porcentagem de incorporação de Manganês.. 56.

(14) SUMÁRIO Capítulo 1: Introdução 1 Introdução............................................................................. 2. 1.1 Pontos Quânticos........................................................................................... 2. 1.2 Referências.. 5. Capítulo 2: Objetivos 2. Objetivos. 7. 2.1 Objetivos Gerais................................................................................... 7. 2.2 Objetivos Específicos.................................................................................... 7. Capítulo 3: Revisão Bibliográfica ......................................... 3. Revisão Bibliográfica. 9. 3.1 Pontos Quânticos como Marcadores Fluorescentes para Sistemas Biológicos..................................... 9. 3.2 Um pouco de Química dos Colóides................................................... 15. 3.3 Seleneto de Zinco (ZnSe) ............................................... 17. 3.4 Dopagem de Semicondutores e Seleneto de Zinco dopado com Manganês.................................................................................. 18. 3.5 Fotoativação............................................................... 20. 3.6 Referências............................................................................ 26. Capítulo 4: Metodologia................................................ 4. Metodologia. 31. 4.1 Obtenção de Nanopartículas de ZnSe:Mn ............ 31. 4.2 Experimento de Fotoativação............................................... 32. 4.3 Caracterização Óptica e Estrutural ...................................... 33. 4.4 Análise em Plasma Indutivo Acoplado (ICP) ................................ 35. 4.5 Estudo Quimiométrico do Tipo Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) .................................................... 36. 4.6 Referências............................................................ 38.

(15) Capítulo 5: Resultados e Discussões........................... 5. Resultados e Discussões. 40. 5.1 Obtenção de Nanopartículas de ZnSe e ZnSe:Mn ........................................ 40. 5.2 Caracterização Estrutural do Sistema ........................................ 42. 5.3 Estudo Espectroscópico das Suspensões de ZnSe e ZnSe:Mn .......... 44. 5.4 Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) ......................... 51. 5.5 Análises com Plasma Acoplado Indutivo ........ 55. 5.6 Referências.................................................. 58. Capítulo 6: Conclusões e Perspectivas.......... 6. Conclusões e Perspectivas. 60. 6.1 Conclusões.......................................... 60. 6.2 Perspectivas...................................................... 61.

(16) Capítulo 1 Introdução.

(17) 1. INTRODUÇÃO 1.1-. Pontos Quânticos. Pontos quânticos (PQs) são partículas inorgânicas nanométricas, baseadas em materiais semicondutores que apresentam características especiais pelo fato de estarem em regime de confinamento quântico. Tratando-se de pontos quânticos de material semicondutor, uma dessas características é a capacidade de sintonizar suas propriedades óticas (principalmente seus espectros de emissão), a partir do controle do tamanho das partículas. A primeira aplicação de pontos quânticos como marcadores em sistemas biológicos foi relatada em 1998, onde foram utilizados nanocristais, tipo core/shell (caroço/casca), na forma de suspensões coloidais de seleneto de cádmio (core) recobertos com sulfeto de zinco (shell) revestidas com sílica e CdSe/ZnS revestido com camadas de ácido tioglicólico, e ambos os grupos apresentaram marcação específica por acoplamento covalente de ligantes para essas superfícies [1]. Posteriormente, vários autores relataram marcação de células e cortes de tecido usando pontos quânticos conjugados a diferentes biomoléculas [2]. Esse novo método de marcação apresenta grandes vantagens em relação aos métodos convencionais de marcação celular e de diagnóstico: (i) emissão em diversos. comprimentos. de. onda. para. um. mesmo. material,. (ii). elevada. fotoestabilidade; (iii) baixa citotoxidade; (iv) possibilidade de marcação simultânea de diversos componentes biológicos e estruturas celulares em células vivas ou fixadas, além do fato de que (v) os resultados podem ser obtidos com tempo de incubação da ordem de alguns minutos [3]. No entanto, a maioria dos pontos quânticos preparados desde sua descoberta vêm utilizando principalmente semi-metais (Cd, Se e Te) e solventes orgânicos (trioctil-fosfina e óxido de trioctil-fosfina) tóxicos. Tal fato tem mostrado algumas desvantagens, como a elevada toxicidade do elemento Cd, além de mostrarem regiões de fluorescência espectral, em geral, abaixo de 540 nm, limitando assim suas aplicações em outras regiões [4]. Em contraste, os nanocristais de ZnSe são bem menos tóxicos, visto que o zinco está presente em diversas formas de vida e no homem participa de processos relacionados à imunidade, formação óssea, cicatrização e ativador de diversas enzimas, já o selênio participa nos processos.

(18) biológicos como importante elemento nas vias redutoras de estresse oxidativo (atividade antioxidante). Além do que sua emissão é na região do UV-azul. Além disso, o intervalo energética entre a Banda de Valência e a Banda de Condução (band gap) do ZnSe é maior, cerca de 2,7 eV (460 nm) em temperatura ambiente, o que os torna materiais de fácil passivação [4]. Devido a suas propriedades únicas, os PQs de ZnSe têm grande potencial como marcador fluorescente de materiais biológicos, motivo da investigação da obtenção dessas suspensões coloidais altamente fluorescentes nos últimos dez anos [5]. A dopagem com outros elementos é uma forma eficiente de manipular os espectros de emissão dos PQs de semicondutores. Nesse sentido, muitos grupos de pesquisa têm desenvolvido procedimentos para a dopagem de materiais de alto band gap como seleneto de zinco com outros íons de metais de transição, tais como: Fe2+, Cu2+, Tb3+ e Mn2+. Essa dopagem resulta em nanocristais que fluorescem na região do visível em regiões distintas da emissão dos cristais originais. A presença de íons Mn2+, por exemplo, dentro da estrutura cúbica do ZnS, que apresenta emissão na região do azul, pode apresentar uma banda na região do vermelho (λ~580 nm) e além disso, podem ser redispersas em água, dessa forma também podem ser utilizados como marcadores fluorescentes em estruturas biológicas [6]. O interesse no Mn em particular é também devido ao seu comportamento paramagnético, sendo esta uma característica indispensável na pesquisa por novos agentes de contraste para imagens por ressonância magnética [7]. Este manuscrito tem a finalidade de apresentar o desenvolvimento de uma rota de obtenção de nanocristais fluorescentes de seleneto de zinco, dopados com Manganês (ZnSe:Mn) em meio aquoso, na forma de uma suspensão coloidal, além da realização de um método quimiométrico para o estudo das melhores condições de reação de obtenção, bem como as caracterizações necessárias do material em questão, e para isso conta com a seguinte estrutura: Capítulo 2 – Revisão bibliográfica: Neste capítulo abordamos os temas de interesse para o presente trabalho. Capítulo 3 – Objetivos: Exposição do enfoque deste trabalho. Capítulo 4 – Metodologia: Aqui apresentamos os métodos utilizados para a obtenção de seleneto de zinco dopado com manganês e não dopado, caracterização óptica e estrutural, aém de um planejamento fatorial realizado.. para a.

(19) Capítulo 5 – Resultados e Discussões: Abordamos e interpretamos os resultados obtidos e conflitamos com a nossa hipótese. Capítulo 6 – Conclusões e Perspectivas: Apresentamos brevemente as contribuições deste trabalho e ainda indicamos quais questões precisam ser mais esclarecidas em estudos futuros..

(20) 1.2- Referências [1] FARIAS, P. M. A.; SANTOS, B. S.; MENEZES, F. D.; CESAR, C. L.; FONTES, A.; LIMA, P. R. M.; BARJAS-CASTRO, M. L.; CASTRO, V.; FERREIRA, R. CdS Quantum dots, efficient fluorescent markers for red cells, J. Microscopy, 219 (3) 103-168, (2005). [2] MENEZES, F. D.; BRASIL JR., A. G.; MOREIRA, W. L.; BARBOSA, L. C.; CESAR, C. L.; FERREIRA, R.; FARIAS, P. M. A.; SANTOS, B. S. CdTe/CdS core shell quantum dots for photonics applications, Microelectronics Journal, 36 (11) 989-991, (2005). [3] SANTOS, B. S.; FARIAS, P. M. A.; FONTES, A.; BRASIL JR., A. G.; JOVINO, C. N.; NETO, A. G. C.; SILVA, D. C. N.; MENEZES, F. D.; Ferreira, R. Colloidal semiconductor quantum dots: Potencial tools for new diagnostics methods Applied Surface Science, 255 (3) 796-798, (2008). [4] FENG Z.; REN, J. Significant improvement in photoluminescence of ZnSe(S) alloyed quantum dots prepared in high pH solution, Luminescence, 25 (5) 378383, (2009). [5] REISS P. ZnSe based colloidal nanocrystals: synthesis, shape control, core/shell, alloy and doped systems, New. J. Chem., 31 (11) 1843-1852, (2007). [6] SNEE, P. T.; THAKAR, R.; CHEN, Y. Efficient Emission from Core/(Doped) Shell Nanoparticles: Applications for Chemical Sensing, Nano Lett. 7 (11), 34293432, (2007). [7] ZHANG, X.; ATANASIJEVIC, T.; LIPPARD, S. J.; JASANOFF, A. MRI Sensing Based on the Displacement of Paramagnetic Ions from Chelated Complexes, Inorg. Chem., 49 (6) 2589-2591, (2010)..

(21) Capítulo 2 Objetivos.

(22) 2. OJETIVOS. 2.1 Objetivo Geral •. Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia de obtenção em meio aquoso de nanopartícluas fluorescentes tipo II-VI de seleneto de zinco dopado com manganês (ZnSe:Mn), visando disponibilizar um marcador fluorescente para estruturas biológicas menos tóxico.. 2.2 Objetivos Específicos •. Obter nanocristais de seleneto de zinco dopados com manganês (ZnSe:Mn) utilizando água como meio reacional;. •. Realizar as caracterizações óptcas e estruturais das nanopartículas obtidas;. •. Estudar o mecanismo de fotoativação que envolve o nanocristal em questão;. •. Utilizar procedimentos de quimiometria do tipo Delineamento Composto Rotacional Central (DCCR) afim de melhorar os parâmetros envolvidos na síntese;. •. Quantificar o teor manganês presente no nanocristal utilizando técnica de Plasma Acoplado Indutivo (ICP)..

(23) Capítulo 3 Revisão Bibliográfica.

(24) 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 Pontos Quânticos Como Marcadores Fluorescentes para Sistemas Biológicos. Nas últimas décadas a utilização de nanopartículas, com ênfase na química coloidal e o uso de técnicas microscópicas têm dado grande contribuição para visualização e caracterização de materiais biológicos. O uso de diferentes técnicas físicas e a obtenção de novos marcadores luminescentes têm aumentado bastante a capacidade de visualização, manipulação e posterior caracterização de sistemas biológicos e como ferramenta em imunofluoroensaios [1]. Os pontos quânticos, nanocristais de semicondutores, apresentam várias vantagens em relação aos marcadores baseados em moléculas orgânicas. Além de serem altamente luminescentes, apresentam larga faixa de comprimento de onda para excitação, picos de fluorescência simétricos e um comprimento de fluorescência ajustável pelo tamanho da partícula, a Figura 3.1 mostra espectros de absorção e de emissão típicos de pontos quânticos e moléculas orgânicas. Dessa forma, um único laser pode excitar a luminescência em diferentes comprimentos de onda nos pontos quânticos com tamanhos diferentes enquanto que, cada corante orgânico precisa ser excitado num comprimento de onda único, o mesmo acontecendo com os compostos de íons lantanídeos [2].. Figura 3.1 - Espectros de absorção e emissão típicos de moléculas orgânicas em (a) e de pontos quânticos em (b) (Adaptado de CHAVES, 2006) [3]..

(25) As características físico-químicas de um semicondutor variam com a redução do seu tamanho somente quando estes atingem dimensões de alguns nanômetros e encontram-se em regime de confinamento quântico. A partir daí, propriedades como temperatura de transição de fase, condutividade elétrica, absorção eletrônica dentre outras, tornam-se dependentes do tamanho do material. Dessa forma, os grandes fatores responsáveis pela dependência das propriedades com o tamanho dos pontos quânticos são os efeitos termodinâmicos de superfície e efeitos quânticos. A redução do tamanho do ponto quântico resulta numa variação sistemática da densidade de ocupação de níveis de energia eletrônicos. As dimensões da partícula tornam-se comparáveis ao comprimento de onda de Fermi dos elétrons. Os portadores de carga, gerados pela absorção de radiação e que se movem livremente no material macrocristalino, são afetados pelas paredes das nanopartículas. O confinamento quântico descreve sua mudança de níveis de energia contínuo para um conjunto de níveis discretos, com a diminuição da dimensão das partículas. Em semicondutores convencionais (macroscópicos), a excitação de elétrons da banda de valência (BV) para banda de condução (BC), separados pelo band gap (energia de banda proibida), resulta em largas bandas no espectro de absorção. À medida que as partículas diminuem de tamanho a diferença energética aumenta alterando as propriedades optico-eletrônicas do material, Figura 3.2 [3]. Figura 3.2 - Relação do tamanho de partículas semicondutoras dentro do regime de confinamento quântico (Eg= energia de banda proibida (band gap); BC= banda de condução e BV= banda de valência).. Dessa forma a diferença fundamental entre material isolante, semicondutor e condutor, é que o primeiro possui um band gap maior entre as bandas de valência e a banda de condução, já os materiais condutores têm uma sobreposição natural.

(26) entre os elétrons da banda de valência e da banda de condução. Os semicondutores têm um band gap intermediário entre os dois níveis de energia (Figuras 3.3 e 3.4). Na prática os elétrons de materiais condutores são capazes de suportar (conduzir) uma corrente elétrica em qualquer condição, já a capacidade condutora dos semicondutores depende do emprego de energia, essa energia promove elétrons da banda de valência para a banda de condução, aumentando a oferta de elétrons disponíveis para a condução no material. Essa energia vem geralmente na forma de calor, é por isso que os semicondutores são capazes de conduzir de forma mais eficaz à medida que têm a sua temperatura aumentada [3].. Figura 3.3 - Diferença enegértica fundamental entre material isolante (a), condutor (b) e semicondutor (c)..

(27) Figura 3.4 - Diagrama representativo dos estados de densidade de: condutor (a), isolantes (b), semicondutores (c) e semicondutor dopado (d) Adaptado de http://www.answers.com/topic/n-type-semiconductor-2#ixzz1AplEpIcV [4].. Os pontos quânticos apresentam diâmetros na escala de 10 a 100 Å. Por serem tão pequenos, os elétrons e buracos, sofrem um forte confinamento quântico, modificando as propriedades ópticas desses materiais. Uma nanopartícula de semicondutor encontra-se em regime de confinamento quântico, quando suas dimensões são reduzidas a ponto de a diferença entre os valores de energia entre a banda de valência (BV) e a banda de condução (BC), sejam próximos ou menores do que as dimensões do raio de Bohr do seu éxciton. O confinamento quântico pode ser interpretado de forma simples utilizando-se o modelo de partícula na caixa. Segundo o modelo, um elétron encontra-se confinado dentro de uma caixa virtual, onde as funções de onda do elétron se restringem ao interior da caixa, não permitindo ao elétron que se desloque para além das limitações de suas paredes. Quanto menor forem as dimensões da caixa, maior a separação energética entre os diferentes níveis. Fazendo-se uma analogia ao cristal de um semicondutor e definindo as BVs e BCs por funções de onda apropriadas, quando as dimensões do cristal se reduzem a poucos nanômetros, há um distanciamento energético entre as bandas, que se reflete no aumento do valor energético de seu band gap (Eg). Além disso, ocorre uma discretização das BV e da BC, podendo ocorrer o surgimento de novas bandas durante o processo de quantização[5]. A sintonização do comprimento de onda de emissão para um mesmo material, controlando-se o tamanho dos pontos quânticos, ocorre devido ao fato de.

(28) que as diferenças entre os estados energéticos da BV e da BC (Energia do Band gap: Eg), variam de acordo com o tamanho da partícula, para um mesmo material. Assim, quanto menor a partícula de um dado semicondutor, maior a diferença de energia entre os estados da BV e BC, ou seja, maior o band gap (Eg). Assim, nesse caso, partículas menores tendem a emitir luz em regiões próximas ao azul, enquanto as maiores devem apresentar luminescência em regiões mais próximas ao vermelho [1, 6]. A Figura 3.5, ilustra emissão no visível obtida para amostras contendo diferentes tamanhos de um mesmo ponto quântico, excitadas através de fonte de radiação eletromagnética na região do ultra-violeta.. Figura 3.5 – Suspensões fluorescentes de nanopartículas coloidais de um mesmo ponto quântico (CdSe) de tamanhos diferentes, sob iluminação UV. (Retirado de http://uwnews.org/uweek/article.aspx?id=42599) [7].. Os primeiros trabalhos que exploraram as características dos pontos quânticos de semicondutores para fins de utilização como marcadores biológicos, foram publicados em 1998 [8]. Desde então, surgiram diversas aplicações dessa classe de materiais como marcadores de estruturas biológicas. Esses novos métodos vêm apresentando algumas vantagens em relação aos métodos convencionais para marcação celular e diagnóstico [8]. Dentre elas podem ser citadas: emissão sintonizável em diversos comprimentos de onda, para um mesmo material, variando apenas o tamanho da partícula; elevada fotoestabilidade; baixa toxidade; marcação múltipla simultânea de diversos componentes e estruturas celulares; além do fato de que os resultados podem ser obtidos com tempos de incubação da ordem de alguns minutos e o material biológico pode ser analisado no próprio meio de cultura [8]. Estudos e aplicações dos pontos quânticos de semicondutores revelaram-se como novas sondas luminescentes para finalidades diagnósticas bastante eficazes. O direcionamento bem sucedido da partícula para marcar um determinado tipo de biomolécula, inclui a habilidade de alcançar tecidos e tipos específicos de células..

(29) Assim, surge um grande interesse na correta funcionalização destas nanopartículas para que elas consigam transpor os sistemas de filtragem celular, como o sistema retículo endotelial [9]. Diversos autores mostraram marcações de células e de tecidos inteiros usando diferentes modificações na superfície de diferentes pontos quânticos. Dentre os marcadores biológicos fluorescentes atuais utilizam-se corantes orgânicos, compostos de coordenação de íons lantanídeos e proteínas fluorescentes. As principais desvantagens envolvidas nestes tipos de marcação são a rápida fotodegradação (Figura 3.6), alta toxicidade que leva a indução de processos celulares indesejados [10].. Figura 3.6 - Fotodegradação em função do tempo: antígenos nucleares corados com Alexa Fluor 488® e microtúbulos corados com PQ 605- CdSe (Tempos observados: 0s, 20s, 60s, 120s e 180s). Adaptado de Medintz, 2005 [10].. Utilizando nanopartículas de semicondutores como marcadores biológicos é possível obter imagens luminescentes de células vivas e estudar suas interações com os receptores de membrana e possíveis afinidades. Elas também podem ser utilizadas como biosensores para investigação de processos celulares como, por exemplo, a endocitose (processo pelo qual as células vivas internalizam materiais, através da membrana celular). Estudos de materiais vivos ou fixados, utilizando nanopartículas de semicondutores também são destacados em marcações de células, tecidos, órgãos e investigação de tumores ou lesões [11].. 3.2 Um pouco de química dos colóides. Sabendo que os PQs são preparados a partir de suspensões coloidais definiremos colóides como misturas heterogêneas de pelo menos duas fases diferentes, fase dispersa (matéria finamente dividida podendo ser sólido, líquido ou gás), misturada com o meio de dispersão (também podendo ser sólido, líquido ou.

(30) gás). A ciência dos colóides está relacionada com o estudo dos sistemas nos quais pelo menos um dos componentes dispersos da mistura apresenta uma dimensão no intervalo de 1 a 1000 nanômetros (1 nm = 10-9 m). As interações entre partículas coloidais governam as propriedades dos colóides e dependem do material (carga), da distância de separação e da quantidade de partículas coloidais dispersas. As forças externas devido ao campo da gravidade ou ao cisalhamento também influenciam a interação e as colisões entre partículas. Essas forças de interação entre as superfícies das partículas coloidais advêm da natureza eletromagnética das interações presentes na matéria. Nas dispersões coloidais aquosas podem haver: 1) interação repulsiva de duplas camadas de cargas, 2) interação atrativa de Van der Waals, 3) interação estérica repulsiva de cadeias de polímeros adsorvidos nas partículas, 4) interação atrativa de polímeros, 5) interação de moléculas de solvente (solvatação) e 6) interação hidrofóbica [12]. As partículas coloidais adquirem cargas elétricas na superfície, quando expostas ao contato com solvente polar, por diferentes mecanismos, tais como: dissociação de grupos da superfície e adsorção ou dissolução de íons da superfície. Por isso o equilíbrio químico entre os prótons e a superfície de óxidos é relevante para compreender o comportamento de dispersões aquosas. A carga da superfície da partícula influencia a distribuição dos íons da solução na vizinhança, atraindo e repelindo contraíons e co-íons, respectivamente. Essa distribuição de íons desde a superfície da partícula até o interior da solução (meio de dispersão) gera diferentes potenciais [12]. O potencial da interface entre a superfície da partícula e o interior da solução do meio de dispersão diminui mais rapidamente à medida que aumenta a força iônica, porque a dupla camada de cargas que se forma ao redor da partícula é comprimida em direção à superfície pela concentração de íons da solução. Portanto, as propriedades elétricas dos colóides são governadas pelas interações repulsivas Coulombianas. No entanto, essa energia de repulsão entre as partículas não garante a estabilidade das partículas dispersas. Por isso na prática, dispersões coloidais podem agregar-se e os agregados sedimentam-se rapidamente, como por exemplo no caso da dispersão de argila em água [12]. As interações atrativas de curto alcance de Van der Waals induzem à agregação do sistema à medida que as superfícies das partículas se aproximam.

(31) umas das outras. Essas forças de curto alcance são as mesmas provenientes da polarização de átomos e moléculas (dipolos) constituintes dos sólidos dispersos no meio polar que separa as partículas. Portanto, a energia total de interação (VT) é a soma resultante das energias de repulsão (VR) e de atração (VA) indicada na Figura 3.7a [12]. Esta é base da teoria DLVO, desenvolvida independentemente por Derjaguin e Landau e Verwey e Overbeek, no final da década de 40, para explicar a estabilidade cinética coloidal. A partir dos modelos e da formulação dessa teoria, o estudo dos colóides passou a ser considerado com maior rigor científico [12]. A obtenção de nanopartículas coloidais ocorre por reações que permitem controlar a nucleação e o crescimento das partículas. Os precursores são moléculas íons ou complexos que contém um ou mais átomos necessários para o crescimento do nanocristal. Uma vez que os precursores são introduzidos na reação eles se decompõem, dando forma a uma nova espécie reativa chamada de aglomerado (cluster). Este irá gerar a nucleação e o crescimento das nanopartículas, este crescimento é controlado por vários fatores, tais como tempo de reação, concentração dos reagentes e também pela presença de um surfactante, exemplos, alquil tióis, fosfinas, fosfatos, fosfonatos, amidas, aminas, ácidos carboxílicos e compostos aromáticos contendo nitrogênio [12], Figura 3.7b.. (a). (b). Figura 3.7 (a)- Energia potencial (V) de interação partícula-partícula em função da distância (d) de separação entre duas partículas coloidais (Adap. De QUIM. NOV. NA ESCOLA, 1999) [12]. (b)- Principais etapas envolvidas nas reações de obtenção de semicondutores nanocristalinos Murray et al (Adap. de Quim. Nov., 2010) [13]..

(32) 3.3 - Seleneto de Zinco (ZnSe). Seleneto de zinco é um semicondutor tipo II-VI de band gap, Eg = 2,7 eV, com emissão azul, prevista para os processos de recombinação elétron-buraco. O ZnSe é um material constituído de elementos que são naturalmente presentes nos seres vivos: o selênio é um elemento essencial à saúde humana que atua como a vitamina na proteção das células contra danos oxidativos; o zinco é um componente essencial do sítio ativo de muitas enzimas, sendo necessário até mesmo para o funcionamento adequado do sistema imunológico. Essa baixa citotoxicidade torna esse material ideal para ser utilizado na forma de nanocristais, como marcadores luminescentes em processos de biodetecção [14, 15]. Encontram-se descritas algumas metodologias sintéticas para a obtenção de nanocristais de ZnSe por via coloidal. Uma vertente de autores relata protocolos embasados em solventes organometálicos de alta toxicidade, especialmente o óxido de trioctil-fosfina (TOPO) e o estabilizante trioctil-fosfina (TOP). O maior problema com esse método é que os nanocristais precisam ser extraídos do meio orgânico por precipitação e em seguida redispersados em meio aquoso antes de serem utilizados nas amostras alvo. Isso resulta numa modificação na qualidade do ponto quântico, com a conseqüente redução da qualidade da emissão. Outra desvantagem são as altas temperaturas dos protocolos sintéticos, da ordem de 300º C [15, 16]. Outros métodos descritos são reações de obtenção executadas em meio aquoso as quais também têm limitações: baixa luminescência dos PQs obtidos; uso de precursores tóxicos, a exemplo do H2Se (gerado in situ) ou de hidrazina, como agente anti-oxidante; implementação de metodologias que exijam aparelhagem especializada, como por exemplo, ambiente de atmosfera inerte, o que prejudica a obtenção de material em larga escala [16]. 3.4- Dopagem de Semicondutores e Seleneto de Zinco Dopado com Manganês. A dopagem de semicondutores nanocristalinos corresponde à introdução de uma pequena quantidade de “impurezas” dentro da rede cristalina do material, apresentando-se como uma estratégia que tem sido investigada visando a.

(33) otimização das propriedades ópticas dos semicondutores nanocristalinos. Um exemplo, comumente relatado na literatura, é a dopagem de semicondutores II-VI com íons paramagnéticos como o Mn2+ (S = 5/2), o que faz com que esses materiais sejam estáveis e também apresentem interessantes propriedades magnéticas [17]. Bhargava et al. [17] foram os primeiros a relatarem a obtenção de nanopartículas de ZnS dopados com manganês, que apresentaram excelentes propriedades de emissão, mesmo quando os nanocristais de ZnS não eram de alta qualidade. Peng e colaboradores [18], descreveram algumas rotas sintéticas para a produção de ZnSe dopados com Cu e Mn, que apresentaram um aumento no rendimento quântico de fotoluminescência de até 70%, quando comparados com os sistemas sem o dopante. No processo de dopagem, é de fundamental importância que os íons adicionados apresentem a mesma valência e, além disso, possuam raios iônicos semelhantes aos íons hospedeiros, a fim de se evitar a migração dos dopantes para a superfície, muitas vezes realizada pelos próprios hospedeiros como um processo natural de purificação. Murphy et al [19] e mais recentemente Erwin et al [20] relataram um estudo envolvendo as mudanças das propriedades ópticas de nanopartículas de ZnS, quando as mesmas foram submetidas à dopagem com íons Mn2+ “pelo lado de fora” e “pelo lado de dentro” da rede cristalina desse material. O esquema ilustrativo apresentado na Figura 3.8 ilustra esses diferentes tipos de dopagem. Os autores verificaram que a localização dos íons Mn2+ determina as propriedades ópticas do material hospedeiro, uma vez que as nanopartículas de ZnS apresentaram emissões nas regiões laranja e ultravioleta do espectro, quando a adição do íon foi realizada “pelo lado de fora” e “pelo lado de dentro” da rede cristalina, respectivamente.. Figura 3.8 - Esquema ilustrativo das duas maneiras distintas de se realizar a dopagem com íons Mn2+ em nanocristais de ZnS. Adaptado de Barghava et al. [17].. Além disso, tempos de vida de decaimento de fotoluminescência mais curtos foram obtidos quando a dopagem foi realizada “pelo lado de fora” dos nanocristais..

(34) Isso ocorre devido a uma reorganização dos estados emissores, que é verificada apenas quando os íons Mn2+ estão localizados na superfície do material hospedeiro, Erwin et al [20] relataram um estudo cinético para o entendimento do processo de dopagem em nanocristais semicondutores. O modelo propõe que somente as impurezas remanescentes, na superfície dos nanocristais, por um período de tempo comparável à taxa de crescimento dos mesmos, devem ser incorporadas dentro desses materiais. Vale ressaltar que a morfologia da superfície, a forma dos nanocristais e a natureza dos ligantes são alguns fatores que influenciam o tempo de residência das impurezas na superfície dos nanocristais e, portanto, são de fundamental relevância para o processo de dopagem [21]. Nanocristais de ZnSe dopados com manganês (ZnSe:Mn) são termicamente estáveis, apresentam espectros de absorção e emissão característicos. Espectros de absorção e emissão de ZnSe:Mn estão ilustrados na Figura 3.9, onde é possível observar que o método de dopagem é eficiente, produzindo 100% de nanocristais dopados, sem sinais de emissão do ZnSe. Além disso, é possível verificar que o sistema ZnSe:Mn apresenta uma grande separação entre a absorção e emissão, o que o torna bastante interessante do ponto de vista tecnológico.. Figura 3.9- Espectros de absorção e emissão para pontos quânticos de ZnSe (a) e ZnSe dopado com Mn2+ (b), adap. de química nova [13].. Do ponto de vista sintético, as reações para produção do ZnSe:Mn apresenta problemática semelhante a obtenção de ZnSe, onde são utilizados solventes organometálicos de alta toxicidade, exemplo, TOP (trioctil-fosfina) e THF (tetrahidrofurano), além de atmosfera inerte de hélio e elevadas temperaturas (310°C), tornando esse processo de alto custo e poluente [22]..

(35) 3.5 - Fotoativação O processo denominado Fotoativação (photoactivation) corresponde à ação de luz UV-Vis sobre PQs para resultar em aumento de sua luminescência produzida quando os pontos quânticos (PQs) são irradiados com luz. É também conhecido como Foto-Melhoramento (photoenhancement) ou Foto-Brilho (photobrightening). Não muito tempo atrás, os relatórios sobre o aumento do rendimento quântico como resultado de irradiação de luz surgiu primeiramente nos estudos de Cordeiro et al [23], que mostrou os efeitos da irradiação de luz no TOP/TOPO-CdSe. Em seguida, Jones et al [24], também relataram o aumento da fotoluminescência de CdS e CdSe. Nos anos subseqüentes, o mesmos resultados foram obtidos por outros que trabalham com o mesmos sistemas PQs (CdSe, CdSe/CdS, CdSe/ZnS em solventes orgânicos não-polares). Este fenômeno também foi observado em diferentes tipos de PQs, exemplo, Bol et al. [25] observou o aumento no rendimento quântico em PQs de ZnS:Mn após irradiação por luz UV. Paralelamente a isso, outros trabalhos observaram que este fenômeno também ocorre em PQs solúveis em água, como o citrato-CdSe, cisteína CdSe, ácido tioglicólico-CdSe, ácido mercaptopropionicoCdSe, ácido mercaptosulfonico-CdSe e ácido tioglicólico-CdTe [26]. Todos os grupos de pesquisa trabalharam com diferentes PQs e em diferentes meios e obtiveram resultados experimentais semelhantes, o que significa que todos esses experimentos de fotoativação tiveram pontos comuns. As pesquisas mostraram que a luz promovia deslocamentos espectrais para comprimentos de onda mais curtos, tanto na absorção e luminescência, e esses picos característicos, deslocamento para o azul (blue shift) indica uma diminuição no tamanho das partículas durante a irradiação. Além disso, alguns autores observaram que os tempos exposição a irradiação (PQs em meio aquoso) presença de água e oxigênio, eventualmente, levou a uma diminuição na eficiência quântica de luminescência [27]. Para explicar este fenômeno experimental, vários mecanismos, têm sido propostos, a existência de diferentes mecanismos relatados dá origem a uma série de perguntas. Os pesquisadores notaram que o mecanismo de ação do processo de fotoativação não é necessariamente o mesmo para todos esses sistemas, e que a principal razão para o melhoramento da luminescência é a suavização da superfície do núcleo dos PQs e a eliminação dos defeitos de superfície. No entanto, Carrion et. al. [27] diz que é possível distinguir diferentes tipos de fotoativação de acordo com a.

(36) estratégia seguida. Ao passivar os defeitos de superfície dos PQs, verificamos um processo de reconstrução ou reorganização da camada de átomos de uma determinada superfície do nanocristais. Baseado em suas pesquisas, propuseram quatro vias principais para o fenômeno fotoativação: •. Fotoativação devido à indução de calor pela luz (FotoaquecimentoPhotoannealing). A luz transmite calor e produz um aumento da temperatura da solução, o que induz a reconstrução dos átomos da superfície dos nanocristais. Luz e calor aquecem a superfície dos pontos quânticos, removendo ligações insaturadas associadas a enxofre, selênio e telúrio (átomos presentes na superfície de CdSe e CdTe, respectivamente). Logo após o tratamento térmico da luz, o aumento rendimento quântico (QY) pode ser obtido, isto é observado em PQs que possuem solventes orgânicos apolares (como clorofórmio, hexano, tolueno) como meio reacional [28]. O mecanismo para esse fenômeno encontra-se ilustrado na Figura 3.10.. Figura 3.10 - Esquema ilustrativo da via de fotoativação em PQs em meio reacional de solventes orgânicos e alterações na intensidade de sua fotoluminescência (PL) sob diferentes condições atmosféricas. Em (A) Fotoaquecimento, em (B) Fotoaquecimento + Fotooxidação, no início e Fotocorrosão no término. (Adap. de CARRION, 2009) [27]..

(37) •. Fotoativação devido à adsorção de moléculas de água sobre a superfície do PQs. Este rota é o resultado do efeito estabilizador da água em coordenação com a superfície. Esse mecanismo tem sido observado em meio aquoso ou em solventes orgânicos em presença de O2. Este fenômeno divide-se em duas etapas: na primeira etapa foi observado que as moléculas de água adsorvidas à superfície do ponto quântico passivam as armadilhas presentes nesta superfície, o que significa que as moléculas de água são responsáveis pelo aumento da luminescência inicial. Quando o oxigênio está presente na solução aquosa, a ativação da fotoluminescência é acelerada, porque induz uma lenta fotocorrosão, resultando na liberação de Cd2+ de acordo com as seguintes reações: CdS + 2H2O +. O2. CdSe + H2O + O2. → →. Cd2+ + SO42- +. 4H+. Cd2+ + SeO32- + 2H+. Na segunda etapa foi observado que houve uma redução no tamanho das nanopartículas, esse fato foi verificado através da mudança no espectro de emissão (blue shift). Posteriormente os pesquisadores citam a formação de Cd-OH, essa produção acarreta em um aumento significativo da fotoluminescência. Isto sugere que a formação de uma camada de CdOH ou Cd(OH)2 auxilia na eliminação de defeitos de superfície. A formação de Cd-OH é facilmente obtida em uma solução com um pH muito elevado, no entanto, os longos tempos de exposição à luz criam novos defeitos na camada de hidróxido na superfície dos PQs que vão “amortecendo”. a emissão dos éxcitons, resultando em um menor rendimento. quântico e assim diminuição da luminescência [29]. Isto significa que há uma competição entre a passivação de defeitos superficiais por moléculas de água adsorvidas, o que aumenta a luminescência, e a fotooxidação (ou seja, um processo de oxidação catalisada pela luz) da camada de hidróxido formada em uma etapa anterior a essa fase, o que diminui a eficiência da luminescência [26]..

(38) •. Fotoativação devido à estabilização ou passivação de ligantes de superfície Este. caminho. consiste. na. com. fotoindução. moléculas. do. surfactante. rearranjo. de. moléculas de surfactantes (como o TOPO/TOP, hexadecilamina em solventes orgânicos). ou outras. moléculas,. tais como. ácido mercaptoacético,. ácido. mercaptopropiônico, ácido mercaptosulfônico, citrato, cisteína, etc, em meio aquoso. Eles estabilizam (passivam) os defeitos na superfície do ponto quântico, resultando em aumento da luminescência. Sabe-se que os pontos quânticos obtidos, geralmente CdSe, têm uma camada exterior apolar, composta principalmente por TOPO, este composto possui afinidade para se ligar ao cádmio, dessa forma, deixando átomos de selenio parcialmente expostos na superfície, induzindo assim a vias de decaimento não-radiativos, e com isso ocorre a diminuição do rendimento quântico com a prolongada exposição à luz [24, 30, 32] . •. Fotoativação devido à fotooxidação. Em alguns casos, o mecanismo do processo de fotoativação é claramente relacionada com a fotooxidação da superfície do nanocristal, que é bem conhecido por afetar nanopartículas formadas por calcogenetos em água na presença de oxigênio, levando a uma transferência de elétrons para o oxigênio dissolvido na água. Uma vez que estes elétrons são removidos, a luminescência é muito maior [33, 34, 35]. O mecanismo desse processo segue da seguinte forma: espécies aceptoras de carga resultantes da adsorção de luz são presas na superfície dos PQs, devido à desigual topografia. O éxciton estimula as reações com o oxigênio presente no ambiente aumentando a produção de espécies reativas de oxigênio (O2→O2-), exemplo, o oxigênio singleto (1O2). Como resultado, os átomos aderidos à superfície (ex.: S, Se e Te) também são oxidadas (SO42-, SeO2 e TeO2, respectivamente). Como resultado principal da fotooxidação, temos a gradual erosão dos defeitos de superfície e com isso redução dos decaimento não-radiativo dos éxcitons, aumentando o rendimento quântico, fato observado após fotoativação, onde verificase a emissão em comprimentos de onda menores (blue shift) e a ampliação do espectro de emissão PQs (devido a diminuição do diâmetro das partículas). Assim,.

(39) neste caso, é possível concluir que o aumento da intensidade de luminescência ocorre somente após um certo grau de modificação da superfície, além disso, foi verificado que a exposição ao ar (Oxigênio), sem luz não é suficiente para ativar a luminescência mesmo em temperaturas elevadas [27]..

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(44) Capítulo 4 Metodologia.

(45) 4. METODOLOGIA 4.1- Obtenção de nanopartículas de ZnSe:Mn Em linhas gerais, pode-se dizer que os nanocristais de ZnSe:Mn aqui desenvolvidos foram obtidos dentro de uma abordagem de crescimento tipo bottomup, partindo-se da nucleação de unidades [ZnSe]n a partir dos íons Zn+2 e Se-2 gerados no próprio meio reacional a partir da dissolução do sal ZnSO4.7H2O e da redução do selênio metálico, respectivamente. A dopagem com íons manganês ocorreu através da adição de MnSO4.H2O ao meio reacional contendo Zn2+(aq). Numa reação de obtenção representativa colocou-se 8,36 mmols de uma solução 4,9% de ácido mercaptoacético (AMA) em um balão de duas bocas com fundo redondo (100 mL) e elevou-se o pH para 11 utilizando soluções aquosas diluídas de NaOH. Em seguida adicionou-se 2,2 mmol de uma solução de ZnSO4..7H2O à 0,04 M, totalizando um volume de 55 mL. Montou-se um sistema de refluxo utilizando uma manta aquecedora, condensador, septo de látex e gás Argônio. Na Tabela 4.1 estão todos os reagentes que foram utilizados na obtenção. Utilizou-se água ultra-pura (Milli-Q) com resistividade de 18,2MΩ/cm no preparo de todas as soluções aquosas e como meio reacional. Tabela 4.1 - Materiais utilizados para a obtenção do ZnSe e de ZnSe:Mn, utilizando-se AMA como estabilizante.. Reagentes Utilizados. Descrições adicionais. Selênio em pó. ~100 mesh, 99.5+ %, Aldrich. Ácido mercapto-acético. 98%, Acros organics. Borohidreto de sódio. 98%, em grânulos, Sigma-Aldrich. Sulfato de Zinco hepta-hidratado. P.A. Dinâmica Reagentes Analíticos. Hidróxido de sódio. 99%, Dinâmica Reagentes Analíticos. Sulfato de Manganês Mono-hidratado. 98%, em pó, Sigma-Aldrich. A próxima etapa consistiu na preparação da fonte de íons seleneto (Se2-): adicionou-se 0,0788 g (1 mmol) de selênio metálico (Se0) em um balão seco e em seguida adicionou-se a este 0,0800 g (2,1 mmol) do agente redutor borohidreto de sódio (NaBH4). Os pós foram misturados à seco, até formarem uma massa.

(46) homogênea de cor acinzentada. Em seguida, utilizando a capela, foi adicionado lentamente cerca de 8 mL (4 mmol) de NaOH 0,5 M, mantendo-se o sistema sob constante agitação e em temperatura ambiente. O processo de redução do selênio dura cerca de 30 minutos sendo evidenciada pela coloração de um tom acastanhado característico de selênio reduzido. Após o início do refluxo, injetou-se, por meio de uma seringa a solução, Se2gerado pelo método de redução anteriormente mencionado na solução contendo Zn2+ e AMA para os PQs de ZnSe e na solução contendo Zn2+, AMA e Mn2+ para o ZnSe:Mn. O tempo total de refluxo foi de 90 minutos (Figura 4.1). As dispersões obtidas foram armazenadas em atmosfera não-inerte, a 4ºC e ao abrigo da luz. Em seguida alíquotas de 3 mL foram coletadas e submetidas à fotoativação.. Figura 4.1 - Esquema da obtenção de ZnSe e ZnSe:Mn.. 4.2 - Experimentos de Fotoativação. Utilizou-se uma câmara de fotoestabilidade, contendo uma lâmpada com emissão no ultravioleta cuja dose de irradiação foi mensurada através de radiometria, dose por hora = 14,48 W/m2 [1]. Foram coletadas 25 amostras de 3 mL cada das suspensões recém preparadas. Uma amostra de cada reação de obtenção foi recoberta com papel alumínio e foi para a câmara de fotoativação servindo como controle. Após o início da incidência da radiação UV, a cada intervalo de tempo determinado pela dose de irradiação de luz UV do estudo de DCCR, as amostras foram retiradas da câmara e envolvidas em papel alumínio e guardadas a 4ºC, para serem posteriormente analisadas por espectroscopia de absorção, emissão e quantificação dos íons Mn e Zn através de ICP..

(47) Figura 4.2- Câmara de fotoestabilidade desenvolvida por Azevedo et. al.[1] utilizada no processo de fotoativação dos nanocristais.. 4.3- Caracterização óptica e estrutural. Realizou-se caracterização por espectroscopia de absorção eletrônica no UVVis, com intuito de se confirmar a formação das nanopartículas de ZnSe:Mn através das bandas de absorção das mesmas, em solução com água Milli-Q (1:20), bem como ter uma estimativa do tamanho médio das mesmas, através da equação de Brus (Eq. 4.1) [2]. Neste procedimento, utilizou-se um espectrofotômetro de alta resolução modelo Cary 50 Bio (Varian – USA).. Eq. 4.1 Onde: E*= energia máxima absorvida Eg= energia de band gap (2,8 eV para ZnSe) h= constante de Planck R= raio do nanocristal e= carga elementar me= massa efetiva do elétron mh= massa efetiva da lacuna ε= permissividade. Os espectros de emissão e excitação dos pontos quânticos, foram realizadas em um espectrofluorímetro ISS K2 com uma lâmpada de xenônio de 300W como.