Juliana Jorge 2012 Mestrado(Livre)

INTERAO DE COMPLEXOS LUMINESCENTES COM SLICA

MESOPOROSA

Juliana Jorge

Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Utrera Martines

Campo Grande 2012

INTERAO DE COMPLEXOS LUMINESCENTES COM SLICA

MESOPOROSA

Juliana Jorge

Dissertao apresentada ao Programa de

Ps-Graduao em Qumica Nvel de

Mestrado da Universidade Federal de

Mato Grosso do Sul para obteno do

ttulo de Mestre em Qumica (rea de

concentrao: Fsico-Qumica).

Orientador: Prof. Dr. Marco Antonio Utrera Martines

Campo Grande - 2012

JORGE, J. Interao de Complexos Luminescentes com Slica Mesoporosa

Dissertao de Mestrado

Less is more

Ludwig Mies van der Rohe

JORGE, J. Interao de Complexos Luminescentes com Slica Mesoporosa


Dedicada a meus pais (Hlio e Vilma) que me permitiram ir alm.

JORGE, J Interao de Complexos Luminescentes com Slica Mesoporosa

Dissertao de Mestrado v

AGRADECIMENTOS

Pode parecer praxe ou, at mesmo, uma frase feita, como costumam me dizer,

mas impossvel colocar em to poucas linhas os nomes de todas as pessoas que

participaram, mesmo que indiretamente, deste trabalho. Mas, tentarei da melhor forma

possvel:

ao Prof. Dr. Marco Antonio Utrera Martines, acima de tudo pela sua confiana

em mim e pela inestimvel contribuio ao meu crescimento pessoal e profissional, ao

longo de todos esses anos de orientao;

a todos os colegas do LP6, em especial aos membros do grupo de pesquisa em

que fao parte, Qumica de Superfcie e Molculas Bioativas;

ao Prof. Dr. Marc Verelst, pelo convite de estgio, por todo o suporte e

acompanhamento que me prestou durante meu estgio no CEMES e durante minha

estadia em Toulouse;

a todas as pessoas do laboratrio NanoMatriaux pela assistncia e apoio,

especialmente Sverine Lechevallier, Semiyou Osseni, Prof. Dr. Robert Mauricot e

Dra. Jeannette Dexpert-Ghys;

David Neumayer, Nicolas Ratel-Ramond e Laure No, pelas medidas de SEM,

BET, SAXS e TEM, respectivamente;

a todas as pessoas que fazem parte do CEMES, em Toulouse, por fazer deste

lugar um ambiente agradvel para a convivncia e propcio ao trabalho e estudos;

ao Prof. Dr. Gustavo Rocha de Castro, pela sempre disposta colaborao;

ao LNLS e LME-LNLS, em Campinas, pela caracterizao das amostras por

SAXS e SEM-FEG;

aos secretrios da Ps-Graduao em Qumica, Sr. Celestino e Sr. Ademar;

aos novos amigos que vieram com esse Mestrado, pela amizade e convivncia

prazerosa;

Mara M. Esselin, pela presena especial, por ser o brao direito e, s vezes,

tambm o esquerdo (poderia dizer at mais);

aos velhos amigos da poca de Graduao, ainda que estejamos longe somos

aquela mesma famlia que conviveu alegremente por 5 maravilhosos anos (saudades de

todos);


Dissertao de Mestrado vi

Larissa S. Mendes, pelas discusses sobre o trabalho, apoio e motivao

constante, (ainda bem que existe o Skype, no Lari?);

minha famlia, meus pais e minha irm, por seu amor e apoio incondicional

carreira que resolvi seguir;

a Deus pelas bnos constantes em minha vida;

e ao CNPq, ao fim, mas no menos importante, pelo apoio financeiro e a bolsa

de Mestrado.


Dissertao de Mestrado vii

RESUMO

Biomarcadores, ou marcadores biolgicos, so molculas que podem ser

medidas experimentalmente e indicam a ocorrncia de um determinado processo em um

organismo. So instrumentos que possibilitam identificar a substncia txica ou uma

condio adversa antes que sejam evidenciados danos sade. Materiais mesoporosos,

so denominados assim devido ao seu tamanho de poros, que se encontra entre 2 e 50

nm. A slica mesoporosa apresenta caractersticas que a torna uma boa matriz

hospedeira de molculas e biomolculas, e que fazem dela um material promissor para

inmeras aplicaes seja em catlise, adsoro de metais pesados para descontaminao

ambiental, liberao controlada de medicamentos, materiais para regenerao ssea e de

tecidos, e no desenvolvimento de biomarcadores, entre outras inmeras aplicaes. Para

a construo de um biomarcador baseado em slica mesoporosa, preciso ligar um

composto luminescente dentro dos poros desse material, assim, no mbito dos

compostos luminescentes existentes, os mais promissores so os complexos de ons

lantandeos, que apresentam linhas pontuais de emisso e absoro da luminescncia,

entre outras propriedades. Os objetivos desse trabalho contribuir para o

desenvolvimento de novas sondas luminescentes para aplicaes biolgicas, por meio

de sntese de matrizes slidas de partculas de slica mesoporosa e o aperfeioamento de

suas propriedades luminescentes para que sejam aplicadas em biomarcadores. Para as

micropartculas, so notados deslocamentos nas bandas de excitao e de emisso da

luminescncia quando se modifica a superfcie destas; micropartculas luminescentes

podem ser sintetizadas sem perda da propriedade ptica do on, importante aspecto para

aplicao como biomarcadores. As nanopartculas aparentam pouca aglomerao; a

superfcie porosa diminui com a dopagem com Eu3+

; as nanopartculas obtidas

apresentam bom potencial para aplicao como biomarcadores.

Palavras-chave: slica mesoporosa; micropartculas; nanopartculas;

fotoluminescncia; lantandeos.


Dissertao de Mestrado viii

ABSTRACT

Biomarkers are molecules that may be measure experimentally and indicate the

event of process determined in organism. Are instruments to identify the toxic substance

or adverse condition before healths damages. Mesopores, this technical term is applied to porous with diameter size between micro and macro scale, range from 2 to 50 nm.

Mesoporous silica is an excellent matrix host for molecules and biomolecules, that

make this material very promising for several applications in industry scale, chemical

engineering, environmental, medicine and biology; for example, catalysis; adsorption of

heavy metals (environmental decontamination); drug delivery; materials for bone

regeneration and tissue; self-diagnostic kits; and developing of biomarkers. In order to

build a biomarker using mesoporous silica, a luminescent complex attached inside its

porous is needed, in that way as interesting alternative for the biomarkers in use today;

the lanthanide ions complex could be hosted. They are interesting luminescent centers

due to their photostability and to several peculiar emission characteristics, such as

narrow lines; large Stokes shifts; long decay times. The goals of this work is to contribute for the development of news luminescent probes for biological applications,

by means of synthesis of solid matrix of mesoporous silica and of improvement the

luminescent properties for utilization as biomarkers. For microparticles, are noted shifts

on excitation and emission bands when the surface are modified; luminescent

microparticles may be synthesized without lost of optical properties of the ion, a

important aspect for utilization as biomarkers. The nanoparticles shows few

agglomeration; the porous surface decrease with Eu3+

doped; and also display good

potential for utilization as biomarkers.

Keywords: mesoporous silica; microparticles; nanoparticles; photoluminescence;

lanthanide.


Dissertao de Mestrado ix

NDICE

Prlogo .............................................................................................................................. xvi

Introduo ..................................... 01

Estado da arte............................................................................................................... 02

A slica mesoporosa e suas aplicaes ........................................................................ 04

Biocompatibilidade e atoxicidade ............................................................................... 11

Os Biomarcadores ....................................................................................................... 15

Os diferentes tipos de marcadores luminescentes ....................................................... 17

Terras-raras .................................................................................................................. 21

A Funcionalizao ....................................................................................................... 25

Por que o tamanho importante? ................................................................................ 27

Tcnicas utilizadas para caracterizao das amostras ................................................. 29

Objetivos ........................................................................................................................... 34

Captulo 1....................................... 35

O Trbio .................................................................................................................... 36

Metodologia ................................................................................................................. 39

Resultados e Discusso ................................................................................................ 42

Concluses ................................................................................................................... 53

Captulo 2 .......................................................................................................................... 54

O Eurpio .................................................................................................................... 55

Metodologia ................................................................................................................. 58

Resultados e Discusso ................................................................................................ 65

Concluses ................................................................................................................. 87


Dissertao de Mestrado x

Concluses gerais ............................................................................................................. 88

Referncias bibliogrficas ................................................................................................ 89


Dissertao de Mestrado xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Interaes entre as espcies inorgnicas e os grupos cabeas do

surfactante considerando as possveis vias de sntese em meio cido, bsico, neutro, e

eletrostticas: S+I

-, S

+X

-I

+, S

-M

+I

-, S

-I

+; e, atravs de ligaes de hidrognio: S

0I

0/N

0I

0,

S0(XI)

[14]............................................................................................................................

06

Figura 2. Formao de materiais mesoporosos por agentes direcionadores de

estruturas: (a) mecanismo de molde por cristal-lquido verdadeiro; (b) mecanismo de

molde por cristal-lquido cooperativo[14]

...........................................................................

08

Figura 3. Estruturas dos materiais mesoporosos: a) MCM-41 (hexagonal 2D, grupo

espacial p6mm), b) MCM-48 (cbico, grupo espacial la3d) e c) MCM-50 (lamelar,

grupo espacial p2)[14]

..........................................................................................................

09

Figura 4. Suspenses de pontos qunticos de CdSe de diferentes dimetros. Do menor

(esquerda) ao maior dimetro[30]

........................................................................................

18

Figura 5. Corantes orgnicos fluorescentes, cascade blue, SAB (azul brilhante),

fluorescena, Rodamina WT, e Cy3 amidita (da esquerda para a direita)[32]

.....................

19

Figura 6. Complexos luminescentes de Eu3+

, Tb3+

, Dy3+

e Sm3+[33]

................................. 20

Figura 7. Espectros de luminescncia de alguns lantandeos[35]

....................................... 22

Figura 8. Representao da molcula de APTES............................................................. 26

Figura 9. Representao da molcula de GPTMS............................................................ 26

Figura 10. Os cinco tipos de isotermas Segundo a classificao de Brunauer[43]

............. 32

Figura 11. Diagrama de energia para o on Tb3+

. Modificado de[46]

................................. 38

Figura 12. Esquema de formao de slica do tipo MSU-X............................................. 39

Figura 13. Imagem da slica pura lavada.......................................................................... 43

Figura 14. Histograma do dimetro de partculas pelo nmero de partculas contadas... 43

Figura 15. Isoterma de adsoro-dessoro da slica mesoporosa lavada, com

distribuio do tamanho de poros inserido........................................................................

44


Dissertao de Mestrado xii

Figura 16. Isoterma de adsoro-dessoro da slica mesoporosa calcinada, com

distribuio do tamanho de poros inserido........................................................................

45

Figura 17. Isoterma de adsoro-dessoro da slica mesoporosa funcionalizada com

APTES, com distribuio do tamanho de poros inserido..................................................

45

Figura 18. Isoterma de adsoro-dessoro da slica mesoporosa funcionalizada com

GPTMS, com distribuio do tamanho de poros inserido.................................................

46

Figura 19. Espectros da slica lavada, calcinada, funcionalizada com APTES e

funcionalizada com GPTMS..............................................................................................

47

Figura 20. Espectros de excitao, em = 543 nm, das slicas lavada, calcinada,

funcionalizada com APTES, e funcionalizada com GPTMS, impregnadas com Tb3+

-

cido L-glutmico..............................................................................................................

48

Figura 21. Espectros de emisso, exc = 377 nm das slicas lavada, calcinada,

funcionalizada com APTES, e funcionalizada com GPTMS, impregnadas com Tb3+

-

cido L-glutmico..............................................................................................................

49

Figura 22. Curvas de decaimento de transio para a luminescncia do on Tb3+

(transio 5D4

7F5) nas matrizes de slica calcinada e lavada. Os espectros foram

adquiridos pela emisso a 543 nm e excitao a 377 nm..................................................

51

Figura 23. Curvas de decaimento de transio para a luminescncia do on Tb3+

(transio 5D4

7F5) nas matrizes de slica funcionalizada com APTES e

funcionalizada com GPTMS. Os espectros foram adquiridos pela emisso a 543 nm e

excitao a 377 nm............................................................................................................

52

Figura 24. Diagrama de energia para o on Eu3+

. Modificado de[3]...... 56

Figura 25. Esquema do modelo de sistema reacional para sntese de slica mesoporosa

(esquerda), e foto do sistema no laboratrio (direita)........................................................

59

Figura 26. Esquema de formao de slica do tipo MCM-41, JJ3.................................................. 61

Figura 27. Esquema de formao de slica do tipo MCM-41, JJ5.................................................. 62

Figura 28. Estrutura molecular da 1,10 fenantrolina............................................................ 63

Figura 29. Microscopia eletrnica de varredura da amostra JJ3...................................... 65


Dissertao de Mestrado xiii

Figura 30. Histograma do dimetro de partculas pelo nmero de partculas.................. 66

Figura 31. Microscopia eletrnica de varredura com FEG da amostra JJ3...................... 66

Figura 32. Microscopia eletrnica de varredura da amostra JJ12.................................... 67

Figura 33. Microscopia eletrnica de varredura com FEG da amostra JJ12.................... 67

Figura 34. Microscopia eletrnica de varredura (SEM-FEG) da amostra JJ122.............. 68

Figura 35. Microscopia eletrnica de varredura da amostra JJ5...................................... 69

Figura 36. Histograma do dimetro de partculas pelo numero de partculas.................. 69

Figura 37. Microscopia eletrnica de varredura com FEG da amostra JJ5...................... 70

Figura 38. Microscopia eletrnica de varredura da amostra JJ13.................................... 71

Figura 39. Histograma do dimetro de partculas pelo nmero de partculas.................. 71

Figura 40. Microscopia eletrnica de varredura com FEG da amostra JJ13.................... 72

Figura 41. Microscopia eletrnica de varredura (SEM-FEG) da amostra JJ131.............. 72

Figura 42. Espectros de SAXS das amostras JJ3, JJ12 e JJ122................................................. 73

Figura 43. Espectro de SAXS da amostra JJ5............................................................... 74

Figura 44. Espectros de SAXS das amostras JJ13 e JJ131....................................................... 75

Figura 45. Microscopia eletrnica de transmisso de JJ3................................................ 76

Figura 46. Microscopia eletrnica de transmisso de JJ5................................................ 77

Figura 47. Microscopia eletrnica de transmisso de JJ12.............................................. 78

Figura 48. Microscopia eletrnica de transmisso de JJ133-2......................................... 79

Figura 49. Isoterma de adsoro/dessoro (BET) e distribuio do dimetro de poros

da amostra JJ3....................................................................................................................

80


da amostra JJ12..................................................................................................................

80

Figura 51. Isoterma de adsoro/dessoro (BET) e distribuio do dimetro de poros 81


Dissertao de Mestrado xiv

da amostra JJ5....................................................................................................................


da amostra JJ13..................................................................................................................

82

Figura 53. Espectros de Excitao, em = 612 nm, das amostras JJ12 e JJ122............................ 83

Figura 54. Espectros de Emisso das amostras JJ12 (exc = 394 nm) e JJ122 (exc = 328,5 nm)... 84

Figura 55. Espectros de Excitao, em = 612 nm, das amostras JJ13 e JJ134............................ 85

Figura 56. Espectros de Emisso das amostras JJ13 (exc = 395 nm) e JJ143 (exc = 331 nm).... 86


Dissertao de Mestrado xv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Viso geral dos materiais baseados em slica e suas propriedades relevantes.

Adaptado de [26]

..................................................................................................................

28

Tabela 2. Valores dos tamanhos de poros das medidas de porosidade, picos de

difrao (d1 1 0 0) de SAXS, e espessura estimada da parede...........................................

48

Tabela 3. Todos os tempos de vida da luminescncia em cada comprimento de onda

medido...............................................................................................................................

50

Tabela 4. Nomenclatura e descrio das amostras........................................................... 58

Tabela 5. Nomes, Descrio e Rendimento total de cada amostra preparada.................. 60

Tabela 6. Resumo dos principais resultados aps caracterizao por SEM, SAXS e

medidas de porosidade.......................................................................................................

82


Dissertao de Mestrado xvi

PRLOGO

Esta Dissertao est organizada da seguinte maneira, na Introduo, so

apresentados vrios tpicos onde discutido o estado da arte para os objetivos deste

trabalho, um apanhado geral sobre a matriz utilizada, a slica mesoporosa, uma

discusso sobre as questes de biocompatibilidade e toxicidade da slica, uma definio

bem abrangente do que so os biomarcadores, tambm contm uma apresentao sobre

os diferentes tipos de marcadores luminescentes utilizados atualmente, sobre os ons

terras-raras, a importncia e, o que a funcionalizao da slica, contm tambm uma

discusso sobre a importncia do tamanho da partcula em aplicaes biolgicas, e

finalmente, so apresentadas as tcnicas utilizadas para a caracterizao dos materiais

obtidos, finalizando a Introduo. Todos os tpicos apresentados e discutidos nesta

Introduo esto baseados em dados da literatura obtidos aps exaustiva reviso

bibliogrfica.

A metodologia est dividida em duas partes. A primeira parte se refere

obteno de micropartculas de slica mesoporosa; este trabalho foi realizado no

primeiro semestre deste Mestrado. A caracterizao destes materiais foi realizada pelas

tcnicas de microscopia eletrnica de varredura (SEM), espalhamento de raios X a

baixo ngulo (SAXS), medidas de porosidade e espectroscopia de excitao e de

emisso da luminescncia.

A segunda parte deste trabalho foi realizada durante perodo de estgio em

Toulouse, no Centre dElaboration de Matriaux et dEtudes Structurales (CEMES).

Duas metodologias foram escolhidas aps pr-caracterizao por apresentarem o

tamanho e a morfologia de partculas mais prximas do esperado, na ordem de

nanmetros. A caracterizao destes materiais foi realizada pelas tcnicas de SEM,

SAXS, medidas de porosidade, microscopia eletrnica de transmisso (TEM) e

espectroscopia de excitao e de emisso de luminescncia.



INTRODUO


Dissertao de Mestrado 2

Estado da arte

Para entender melhor a estrutura e funo dos sistemas biolgicos, os bilogos e

bioqumicos necessitam de mtodos que perturbem minimamente os sistemas vivos[1]

, o

que constitui um grande desafio a essa rea de pesquisa. O desenvolvimento de sondas

pticas emissivas e no invasivas essencial para o melhoramento da observao dos

processos de sinalizao e reconhecimento celular[2]

. Aps a excitao da sonda

luminescente, os ftons emitidos e detectados pelas tcnicas de espectroscopia ou

microscopia fornecem informaes do ambiente em que esto, em funo do ambiente

qumico, da energia, do tempo de vida e da polarizao. Tais sondas pticas podem ser

baseadas em fluorforos orgnicos, pontos qunticos, protenas recombinantes ou

complexos de metais emissivos[1]

.

A maioria das sondas pticas baseada em fluorforos e tm sido desenvolvidas

para monitorar mudanas locais no pH, ou no pM (M = Ca, Mg ou Zn, em sua maior

parte), ou para analisar o ambiente fsico fornecendo informaes sobre fluidez,

polaridade ou geometria da clula. A maioria das sondas pticas pode ser considerada

como um ponto celular que localiza organelas particulares ou locais sub-celulares. A

luminescncia destes pontos fornece informaes estruturais e sobre a disposio da

clula. Estes parmetros so independentes da concentrao da sonda e evitam

problemas associados com medidas de intensidade de emisso. Isto inclui perturbaes

induzidas por mudanas na concentrao local da sonda, no pH, temperatura,

espalhamento de luz ou dimenso do fotobranqueamento ou supresso local[2]

.

Reconhecer organelas-alvo especficas ainda o principal desafio na biologia e

na medicina. Muitas mudanas caractersticas na composio celular dentro de uma

dada organela ainda no foram descobertas, porque no h sondas capazes de registrar

estas mudanas seletivamente[2]

.

Complexos metlicos luminescentes tm surgido como sondas alternativas aos

corantes orgnicos e protenas recombinantes fluorescentes, e entre eles, os complexos

de lantandeos luminescentes (Ln3+

), para o qual um grande nmero e uma ampla escala

de sistemas sensveis tm sido definidos[2]

, dadas as suas caractersticas nicas que so

vantajosas em seu uso como sondas luminescentes tais como, linhas pontuais de

emisso e absoro, alto rendimento quntico, tempo de vida da fluorescncia e



fotoestabilidade longos. Em particular, os lantandeos so conhecidos por exibir

propriedades eficientes dos processos de converso descendente e ascendente de

energia[3]

.



A slica mesoporosa e suas aplicaes

Em 1992, uma nova classe de materiais foi descoberta pelos pesquisadores da

Mobil Research and Development Corporation[4,5]

. Surgiam ento os materiais

cristalinos mesoporosos[4,5,6,7]

; na verdade, a primeira sntese desses materiais foi

relatada na literatura j em 1969, mas devido falta de anlise destes novos materiais, a

descoberta no foi reconhecida[8,9]

. E logo essa descoberta despertou o interesse dos

cientistas que trabalhavam nas reas de sntese de zelitas e materiais relacionados,

catlise, e cincias dos materiais[10,11]

. Estas duas publicaes despertaram um interesse

incomum para a pesquisa ao longo dos ltimos anos. Na sntese original, uma fonte

molecular ou coloidal de slica, um surfactante catinico e bsico, e condies

hidrotermais foram utilizadas[12]

. Desde ento, mais de 4000 estudos[12]

a respeito de sua

formao e propriedades foram publicados, devido a seu forte potencial para aplicaes

no campo da adsoro, separao[13,14]

, catlise e materiais avanados[14,15,16]

.

O sistema de tamanho de poros para materiais nanoporosos estabelece-se entre 1

e 1000 nm (1000 nm = 1 m). De acordo com a IUPAC, trs categorias podem ser

obtidas a partir dessa escala[12]

:

Materiais microporosos: poros com 0 a 2 nm;

Materiais mesoporosos: poros com 2 a 50 nm;

Materiais macroporosos: poros com mais de 50 nm.

A ordem no uma regra para todos estes tipos de materiais, que podem ter

sistemas randmicos de organizao de poros[12]

. No campo dos materiais mesoporosos,

em particular, o equvoco ocorre s vezes por se confundir materiais mesoporosos com

materiais ordenados[12]

. Em muitos casos um material pode possuir mais de um tipo de

porosidade. Que pode ser:

Em materiais microporosos: uma meso ou macroporosidade causada pelo

empacotamento randmico das partculas;

Em materiais mesoporosos: uma macroporosidade adicional causada por

empacotamento randmico de partculas, ou uma microporosidade adicional na

rede contnua;

Em materiais macroporosos: uma meso e microporosidade adicionais.



Estes fatores podem ser levados em considerao quando os materiais so

classificados de acordo com sua homogeneidade. Um material que possui apenas um

tipo de poro, mesmo quando os poros so desordenados, pode ser mais homogneo do

que tendo apenas uma frao de poros bem ordenados[12]

.

Materiais mesoporosos so caracterizados por uma etapa conhecida como

condensao capilar e uma histerese (a diferena entre a adsoro e a dessoro)[12]

.

Podemos, portanto, desenvolver trs principais critrios:

Tamanho de poros;

Tipo de rede de material;

Estado de ordem: materiais ordenados ou desordenados[12].

Isto faz dos materiais mesoporosos ordenados de slica um campo de pesquisa muito

ativo[12]

.

Sua sntese est baseada no uso de micelas de surfactante que agem como

moldes para a policondensao da slica. De acordo com a natureza do surfactante e do

pH do meio de sntese, trs principais tipos de interaes esto envolvidas. Em meio

alcalino, Figura 1 (a), onde as espcies de silcio possuem cargas negativas (I-), as

interaes com surfactante catinico S+

so eletrostticas (S+I

-). Em meio cido, a

interao entre a slica e o surfactante mediada por nions X-, descrita por S

+X

-I

+

(Figura 1 (b)). H ainda, as interaes nas quais um mediador adicionado reao

(M+) para assegurar as interaes entre as espcies com cargas igualmente negativas (S

-

M+I

-), Figura 1 (c). De volta, em meio cido, a interao entre a slica e o surfactante

pode ser descrita por S-I

+ (Figura 1 (d)), onde o surfactante S ou um surfactante

catinico (S+) ou um surfactante no-inico baseado em xido de polietileno S

0 (H3O

+)

com tomos de oxignio etoxi ligados a H3O+. Surfactantes no-inicos (S

0), usados em

meio neutro, permitem ligaes de hidrognio e interaes de van der Walls (S0I

0),

Figura 1 (e) e (f). As diferentes estruturas que so formadas dependem da geometria

molecular do surfactante, modulada pela concentrao, temperatura e pH, e da presena

de co-surfactantes e outros produtos qumicos como sais ou molculas orgnicas[14,17]

.



Figura 1. Interaes entre as espcies inorgnicas e os grupos cabeas do surfactante considerando as

possveis vias de sntese em meio cido, bsico, neutro e eletrostticas: S+I-, S+X-I+, S-M+I-, S-I+; e, atravs

de ligaes de hidrognio: S0I0/N0I0, S0(XI), retirada de [17].

Como mencionado aanteriormente, o mecanismo de formao de materiais

mesoporosos[18]

, a partir de TEOS (tetraetoxissilano), CTAB (brometo de

cetilmetilamnio) e gua, envolve um mecanismo cooperativo em que as interaes

eletrostticas entre os ons inorgnicos e as molculas de surfactante determinam a



mesofase obtida. Este processo envolve basicamente trs etapas (Figura 2a): A primeira

etapa, governada pelas interaes eletrostticas, a formao de pares de ons entre as

espcies inorgnicas policarregadas e polidentadas de um lado e surfactante de outro

lado. Os pares de ons organizam-se em uma mesofase, sendo que a maioria possui uma

estrutura cristal-lquido, por exemplo, hexagonal, lamelar, ou cbica. A estrutura da

mesofase depende da composio da mistura, do pH e da temperatura. A ltima etapa

a condensao das espcies inorgnicas que resulta em uma estrutura rgida. Na

presena de surfactantes neutros, as ligaes de hidrognio, no lugar das interaes

eletrostticas, tornam-se de importncia crucial para a formao da mesofase

orgnica/inorgnica[18]

.

Os tamanhos de poros (ou distncias intercamadas) dos materiais mesoporosos

so facilmente ajustveis no intervalo de aproximadamente 2 a 10 nm. O tamanho de

poros pode ser controlado por trs diferentes caminhos: (i) pela mudana no

comprimento da cadeia alquila da molcula de surfactante, (ii) pela adio de molculas

espaadoras como o 1,3,5-trimetilbenzeno que se dissolve numa regio hidrofbica das

micelas, deste modo, aumentam o seu tamanho, ou (iii) pelo envelhecimento do material

preparado a baixa temperatura (por exemplo 70oC) em seu sobrenadante a temperatura

maior (por exemplo 150oC) por diferentes perodos de tempo. Alm disso, o tamanho de

poros de silicatos pode ser ajustado pela silanizao ps-sntese. A calcinao desta fase

estvel (silicato + surfactante) proporciona materiais com rea de superfcie

extremamente alta, frequentemente excedendo 1000 m2.g

-1. Alm disso, estes materiais

podem ser facilmente modificados pela incorporao de diferentes ctions, tornando-os

com propriedades cida ou redox[19]

.



Fig

ura

2.

Fo

rma

o d

e m

ater

iais

mes

op

oro

sos

po

r ag

ente

s d

irec

ion

ado

res

de

estr

utu

ras:

(a)

mec

anis

mo

de

mo

lde

po

r cr

ista

l-l

qu

ido

ver

dad

eiro

; (b

) m

ecan

ism

o d

e m

old

e p

or

cri

stal

-lq

uid

o c

oo

per

ativ

o. M

od

ific

ada

de

[17

].



Ainda de acordo com a natureza e o tipo de surfactante, possvel obter tipos de

estruturas onde os materiais, pertencentes famlia M41S, apresentam arranjo

hexagonal de poros unidimensionais (MCM-41), arranjo tridimensional de poros cbico

(MCM-48) e estrutura lamelar (MCM-50). A Figura 3 representa um esquema destes

arranjos.

Figura 3. Estruturas dos materiais mesoporosos: a) MCM-41 (hexagonal 2D, grupo espacial p6mm), b)

MCM-48 (cbico, grupo espacial la3d) e c) MCM-50 (lamelar, grupo espacial p2)[17].

A slica mesoporosa um tpico polmero inorgnico que apresenta grupos

siloxanos, Si-O-Si, em seu interior e uma vasta populao de grupos silanis, Si-OH,

cobrindo toda a sua superfcie. Os grupos silanis apresentam um comportamento do

tipo cido de Brnsted e, como so os responsveis pela reatividade da superfcie da

slica[20,21]

, desejvel que os grupos silanis estejam livres de possveis interaes

antes de efetuar quaisquer reaes[22]

.

A presena destes grupos silanis livres permite a este material a interao e

reatividade com inmeros tipos de molculas, e o que o torna um material potencial

para inmeras aplicaes em vrias reas de estudo e conhecimento, seja em indstrias,

na engenharia qumica, ambiental, nas reas mdica e biolgica. A possibilidade de

ligar biomolculas aos grupos silanis da slica mesoporosa possibilita seu uso como

biomarcador em diagnsticos mdicos por imagem, imunoensaios, diagnsticos de

doenas como cncer, por exemplo.

Nanopartculas de slica mesoporosa no possuem somente algumas

propriedades comuns como a fcil multifuncionalizao, mas tambm vrias

caractersticas nicas tais como alta rea de superfcie especfica, grande volume de

poros, poros de estruturas regulveis, e excelente estabilidade fsico-qumica,



comparadas slica-gel comercial. Assim, estudos de aplicao das nanopartculas de

slica mesoporosas no campo biomdico tm atrado grande ateno. As nanopartculas

tm sido intensivamente sugeridas para liberao controlada de drogas, sondagem de

biossinais, transporte e expresso de genes, biomarcao e muitas outras importantes

bioaplicaes. Consequentemente, como uma espcie excelente de biocarregador, seus

potenciais bioefeitos, em relao citotoxicidade, biodistribuio, biorreteno,

biodegradao, biocompatibilidade e hemlise, tem tambm chamado muita ateno[23]

.

Um dos muitos materiais nanoporosos disponveis, cobrindo um espectro de

tamanho de poros que vai de 0,5 a 500 nm, aqueles de mesoescala (2-50 nm), so de

particular interesse em biotecnologia devido larga proporo de biomolculas que

esto dentro deste alcance de tamanho.[24]

De fato, h uma hiptese comum de que o tamanho pequeno das nanopartculas

permite que elas entrem e atravessem facilmente os tecidos, clulas e organelas uma vez

que o tamanho atual usado na bioengenharia de nanopartculas similar ao de muitas

molculas biolgicas (por exemplo, protenas) e estruturas (como, vrus). Entretanto, as

nanopartculas no podem cruzar livremente ou indiscriminadamente todas as barreiras

biolgicas, mas estes processos podem, em vez disso, ser governados por propriedades

fsico-qumicas especficas das prprias nanopartculas, bem como, de molculas

funcionais aderidas em suas superfcies[25]

.



Biocompatibilidade e atoxicidade

A slica, ou dixido de silcio (SiO2) est, sob muitas formas, abundantemente

presente em nosso ambiente natural. Os efeitos adversos sade, incluindo cncer de

pulmo, de ocorrncia natural devido exposio a slicas cristalinas, como o quartzo e

a cristobalita, foram exaustivamente documentadas em ambientes ocupacionais. A

maioria das slicas sintticas usadas em uma grande variedade de aplicaes amorfa.

Para a slica em geral, a propriedade mais significativamente relacionada ao potencial

toxicolgico a cristalinidade. Para as microsslicas cristalinas, o estresse oxidativo, e

ligado a este, os danos oxidativos ao DNA e s membranas, so provavelmente os

mecanismos mais importantes envolvidos nas atividades inflamatria, fibrognica e/ou

carcinognica, por exemplo. Estes mecanismos no se aplicam slica amorfa, que tem

sido pouco estudada. Alm do mais, os efeitos adversos sade da slica amorfa natural

so, geralmente, atribudos a certo grau de contaminao com a slica cristalina. A slica

amorfa sinttica no est envolvida nos processos de fibrose progressiva do pulmo,

entretanto, altas doses de slica amorfa podem resultar em respostas inflamatrias

pulmonares agudas[26]

.

A maioria das pesquisas relacionadas toxicidade concentra-se em sistemas de

cultura de clulas, ou seja, in vitro[27]

, e relacionadas via respiratria, no entanto, os

dados destes estudos poderiam ser enganadores e requerem verificao de experimentos

com animais, bem como avaliar a toxicidade em orgos como corao, rins, pncreas e

crebro, por exemplo. Sistemas in vivo so extremamente complicados e as interaes

das nanoestruturas com componentes biolgicos, tais como protenas e clulas,

poderiam levar biodistribuio nica, depurao, resposta imune e metabolismo[27]

.

O interesse no uso de nanopartculas de slica crescente no mundo todo,

especialmente para aplicaes biomdicas e biotecnolgicas, tais como as terapias

contra o cncer, transfeco de DNA, liberao controlada de frmacos e imobilizao

de enzimas. Em geral, as nanopartculas de slica so sintticas, as quais possuem

algumas vantagens sobre as partculas de slica naturais. As sintticas no contm, ou

contm poucas impurezas em relao s naturais, e as propriedades fsico-qumicas so

conhecidas e podem ser controladas durante a sntese, no caso das sintticas[26]

.



Resultados de um crescente nmero de estudos in vitro indicam que a rea

superficial pode desempenhar um importante papel na toxicidade da slica. A atividade

de citoxicidade das partculas de slica pode estar relacionada sua superfcie de

interface com o meio biolgico. Os grupos silanis na superfcie esto diretamente

envolvidos na hemlise e toxicidade epitelial alveolar da clula. O efeito de outras

propriedades fsico-qumicas das nanopartculas de slica na sade, como porosidade,

pureza qumica, superfcie qumica e solubilidade, so menos estudadas e, portanto,

nenhuma concluso definitiva pode ser formulada. Comparaes entre estudos

publicados levam concluso que at mesmo uma pequena modificao na superfcie

pode resultar em uma maior ou menor mudana em um efeito biolgico. Poucos estudos

in vitro tm enfatizado que a resposta s nanopartculas de slica varia de acordo com o

tipo celular[26]

.

O sucesso do uso de nanopartculas na rea mdica requer elaborados e

exaustivos estudos in vivo das nanopartculas. Pois, a toxicidade destas pode depender

no apenas do material que as compe, mas tambm da rota de administrao destas

nanopartculas no corpo[26]

.

At agora, os efeitos das nanopartculas de slica sade tm sido estudados

principalmente, em termos da exposio via trato respiratrio, aps exposio aguda ou

sub-aguda, porm outras rotas de exposio tambm precisam ser estudadas. As

informaes so insuficientes para identificar e caracterizar claramente os riscos

sade, e definir as condies apropriadas para o uso seguro destes materiais[26]

.

Poucos estudos sobre a toxicidade das nanopartculas esto disponveis,

especialmente se comparados ao vasto nmero de estudos sobre os nanotubos de

carbono e dixido de titnio. Alm da relativa falta de informaes sobre a segurana e

os riscos das nanopartculas, s vezes surgem evidncias conflitantes na literatura como

resultado de uma falta geral de procedimentos padro, bem como caracterizao

insuficiente dos nanomateriais em sistemas biolgicos[26]

.

A discusso de numerosas questes ainda necessita ser aprofundada antes que as

nanopartculas sejam amplamente aplicadas ao campo da medicina. Por exemplo, qual a

relao entre tamanho, forma, e superfcie qumica das nanopartculas e seu

comportamento in vivo? Alm disso, qual o destino final que as nanopartculas

carreadoras de drogas seguem aps a liberao das drogas no stio de ao, isto , os



nanomateriais so degradados ou metabolizados, e os nanomateriais e/ou seus produtos

so efetivamente excretados do corpo? importante tambm, avaliar se os efeitos

adversos das nanopartculas so especficos dos nanomateriais, isto , produzir

nanopartculas causa novos tipos de efeitos no vistos antes com grandes partculas ou

volume qumico? Alm disso, se este realmente o caso, como possvel medir ou

predizer tais efeitos nano-especficos?[25]

Materiais porosos tais como as slicas mesoporosas esto sendo utilizados em

uma variedade de aplicaes biolgicas devido as suas caractersticas singulares, como

alta rea de superfcie, elevado volume de poros, superfcies adaptveis, e altas

estabilidade qumica e trmica. Em cincias da vida, materiais mesoporosos podem

oferecer mais vantagens aos materiais utilizados atualmente em sistemas liberao de

drogas, engenharia de tecidos, biomarcao e biosseparao de materiais, e dispositivos

de transfeco[24]

.

Dos muitos materiais porosos disponveis, cobrindo uma escala de tamanho de

poro de 0,5 a 500 nm, aqueles de mesoescala (2 - 50 nm) so de particular interesse em

biotecnologia porque uma grande proporo de biomolculas est dentro desta escala de

tamanho[24]

.

Alguns trabalhos iniciais tm sido realizados para identificar comportamentos de

efeitos toxicolgicos dos materiais de slica, mas isto est relacionado, principalmente,

s zelitas cristalinas ou a vidros bioativos. Sua introduo no campo mdico requer um

estudo aprofundado dos possveis perigos ou efeitos imunolgicos. Porque as

propriedades fsico-qumicas dos nanomateriais so diferentes daquelas de seus

homlogos em volume, espera-se que sua interao com os sistemas biolgicos seja

diferente. Os efeitos podem variar entre diferentes espcies de nanopartculas,

dependendo, por exemplo, da composio qumica, cristalinidade, tamanho, forma e

rea de superfcie[24]

.

De fato, h o senso comum de que o tamanho pequeno das partculas permite a

estas entrar facilmente e atravessar tecidos, clulas e organelas, uma vez que o tamanho

atual na construo de nanopartculas similar ao de muitas molculas biolgicas (por

exemplo, protenas) e estruturas (como, vrus). Entretanto, nanopartculas podem no

cruzar livremente ou indiscriminadamente todas as barreiras biolgicas, mas estes

processos podem, em vez disso, serem governados pelas propriedades fsico-qumicas



especficas das nanopartculas, bem como a identidade das molculas funcionais

adicionadas s suas superfcies. Claramente, ento, um maior entendimento dos

mecanismos que ditam no comportamento e no destino (biodistribuio) das

nanopartculas introduzidas no corpo, contribui no apenas para o desenvolvimento de

nanopartculas para liberao controladas de drogas-alvo, mas tambm, para a predio

de potenciais respostas toxicolgicas a tais nanomateriais (biocompatibilidade)[25]

.

No entanto, os efeitos sobre o organismo so totalmente desconhecidos e, muitas

vezes, visto como um possvel risco. De estudos epidemiolgicos, sabe-se h muito

tempo que as nanopartculas no ar exercem efeitos negativos ao sistema cardiovascular

e nervoso central (SNC). provvel que essas nanopartculas recm-desenvolvidas

podem ter tambm um impacto negativo no sistema cardiovascular sob exposio.

Investigaes usando inalao e instilao de nanopartculas inequivocamente

mostraram toxicidade respiratria e reaes de inflamao[28]

.

Em nvel celular, diferentes testes so rotineiramente usados. Estes testes

possuem diferentes pontos finais e elucidam apenas um parmetro. Por isso, eles no

podem predizer com exatido uma resposta in vivo, necessariamente. Entretanto, at

este ponto, testes de toxicidade relacionados s nanopartculas em rgos internos no

tm sido descritos, mas o estabelecimento destes destacadamente requisitado[28]

.

So necessrios ainda, muitos estudos in vivo para determinar a biodistribuio

das nanopartculas. Ao fazer isso, uma ateno especial deve ser dedicada interao

com o sistema imunolgico, como a provvel distribuio das nanopartculas pode

determinar e influenciar o seu potencial txico no organismo[25]

.



Os Biomarcadores

Para se quantificar uma exposio qumica a agentes nocivos sade, seus

efeitos e a suscetibilidade desses efeitos em um indivduo exposto, bem como obter e

confirmar um diagnstico clnico, a efetividade de seu tratamento, avaliar prognsticos,

alm de buscar informaes e se estudar os processos celulares com mais preciso,

necessrio a utilizao de biomarcadores.

A deteco precoce a uma exposio perigosa, ou de uma doena, pode diminuir

significativamente a ocorrncia de efeitos adversos na sade[29]

.

Um biomarcador compreende toda substncia ou seu produto de

biotransformao, bem como qualquer alterao bioqumica precoce, cuja determinao

nos fluidos biolgicos, tecidos ou ar exalado, avalie a intensidade da exposio e o risco

sade[29]

.

Ou ainda, em geral uma substncia utilizada como um indicador de um estado

biolgico. uma caracterstica que objetivamente medida e avaliada como indicador

de processos biolgicos normais, processos patognicos ou respostas farmacolgicas a

uma interveno teraputica. Ele usado em muitos campos cientficos e pode ser

luminescente ou no.

Quando se pretende utilizar um biomarcador, pontos importantes devem ser

levados em considerao, como por exemplo, devem ser fceis de detectar, apresentar

alta preciso, e sua utilizao deve ser minimamente invasiva.

Os biomarcadores podem ser usados para vrios propsitos, dependendo da

finalidade do estudo. Podem ter como objetivos avaliar a exposio, avaliar os efeitos

das substncias qumicas e tambm a suscetibilidade individual[29]

.

O uso dos biomarcadores na avaliao de risco fornece uma ligao crtica entre

exposio substncia qumica, dose interna e prejuzo sade, e so valiosos na

avaliao de risco. Mas, existe uma necessidade de identificar e validar estes parmetros

caractersticos para cada sistema orgnico para que sejam, de fato, indicativos de

induo de disfuno orgnica, alterao clnica e toxicidade patolgica, alm de

estabelecer a especificidade e sensibilidade de cada biomarcador e seu mtodo para

determinao[29]

.

Eles podem ser classificados em trs tipos:



Biomarcadores de Exposio podem ser usados para confirmar e avaliar a

exposio individual ou de um grupo, para uma substncia em particular,

estabelecendo uma ligao entre a exposio externa e a quantificao da

exposio interna[29]

.

Biomarcadores de Efeito podem ser usados para documentar as alteraes

pr-clnicas ou efeitos adversos sade decorrentes da exposio e absoro da

substncia qumica. Dessa forma, a ligao dos biomarcadores entre exposio e

efeitos contribui para a definio da relao dose-resposta[29]

.

Biomarcadores de Suscetibilidade permitem elucidar o grau de resposta da

exposio provocada nos indivduos[29]

.

Os biomarcadores podem ser de diversos tipos, tais como, fisiolgicos (funes

de rgos), fsicos (alteraes de caractersticas em estruturas biolgicas), histolgicos

(amostras de tecido obtidas por bipsia) e anatmicos. Podem ser clulas especficas,

molculas, genes, enzimas ou hormnios. Provavelmente os mais relevantes em

investigao mdica so os marcadores bioqumicos que podem ser obtidos com relativa

facilidade a partir de fluidos corporais e que esto ao dispor dos pesquisadores.



Os diferentes tipos de marcadores luminescentes

Os compostos usados na marcao biolgica so chamados fluorforos, que so

substncias capazes de absorver energia e emiti-la em forma de luz na regio visvel do

espectro eletromagntico, e podem ser divididos em trs classes principais:

nanopartculas metlicas (pontos qunticos, do ingls quantum dots), corantes

orgnicos e marcadores base de ons lantandeos. Em cada uma destas classes, os

processos relacionados ao fenmeno da luminescncia so diferentes. A seguir so

descritas as principais caractersticas de cada uma destas trs classes:

Nanopartculas metlicas (Pontos Qunticos): nanocristais metlicos ou semi-

condutores constitudos por uma associao de elementos das Famlias II-B, III-A, IV-

A, V-A e VI-A da Tabela Peridica. Em razo de seu pequeno tamanho, geralmente

entre 1 e 10 nm, os pontos qunticos apresentam propriedades particulares e suscitam

grande interesse, mesmo aps 40 anos de sua descoberta. De fato, sob excitao

luminosa em luz ultravioleta, estes nanocristais emitem ftons no espectro visvel, com

um comprimento de onda que vai do vermelho at o azul medida que seu tamanho

diminui (Figura 4). Nos semi-condutores, a estrutura eletrnica representada por

bandas de energia. Os pontos qunticos apresentam um bom rendimento da

luminescncia e uma banda larga de absoro, o que rende sua fcil excitao. Os

pontos qunticos mais utilizados so base de cdmio (CdSe, CdS, CdTe), ou de zinco

(ZnSe, ZnS) que englobam todo o domnio visvel do espectro ptico. Mais

recentemente, um grande interesse tem se voltado aos pontos qunticos com

propriedades de emisso no infravermelho prximo, como CdTe/CdSe, InAs ou PbS,

que j so utilizados para bioimagem em animais. Mas os pontos qunticos apresentam

algumas inconvenincias como toxicidade, geralmente so muito caros, e muitas vezes

luminescncia descontnua.



Figura 4. Suspenses de pontos qunticos de CdSe de diferentes dimetros. Do menor (esquerda) ao

maior dimetro. Retirada de [30].

Corantes orgnicos: a segunda classe de marcadores luminescentes constituda pelas

molculas orgnicas (Figura 5), tais como isotiocianato de fluorescena (FITC), as

rodaminas, e ainda as cianinas, que so empregadas normalmente na biologia. Uma

molcula absorve energia, os eltrons so excitados e vo para nveis energticos

superiores descritos como nveis eletrnicos associados aos nveis rotacionais e

vibracionais. Aqui se distinguem dois tipos de emisso: a fluorescncia entre nveis

singletos S1S0, e a fosforescncia a partir de um estado tripleto T1S0. Elas se

distinguem por causa das probabilidades de transio (W em s-1

) muito diferentes. Entre

estados singletos (S1S0) a transio permitida segundo as regras de seleo impostas

pela mecnica quntica (S = 0). A probabilidade WS1S0 muito elevada e o declnio

da emisso observado aps ter atingido o mximo de excitao em uma escala de ns

(10-9

s). Em contrrio, a transio T1S0 no permitida pela regra S, a probabilidade

WT1S0 no se aplica, e o decaimento da emisso numa escala de tempo varia de ms s.

A transio permitida muito mais intensa e, consequentemente, os marcadores

orgnicos so amplamente utilizados. Suas principais limitaes provm de sua fraca

fotoestabilidade e do fato de que sua luminescncia prpria semelhante auto-

fluorescncia do meio biolgico: mesmas emisses em bandas largas no visvel e

mesmas probabilidades de decaimento de ns. Em contra-partida, apenas um nmero

restrito de molculas de fluorforos podem ser ligados s biomolculas sem interferir



em seu funcionamento. Para aumentar o nmero de centros luminescentes ligados a

essas molculas tem-se procurado associ-las a partculas de polmeros ou de slica. Os

corantes so ento ligados superfcie da nanopartcula ou incorporados em seu

interior[31]

.

O carter hidrofbico das nanopartculas de polmeros e corantes uma

limitao sua utilizao como biomarcadores, j que a aplicao necessita de um

ambiente aquoso. Mas as nanopartculas de slica so hidrfilas, o que facilita sua

utilizao em meio biolgico.

Figura 5. Corantes orgnicos fluorescentes, cascade blue, SAB (azul brilhante), fluorescena,

Rodamina WT, e Cy3 amidita (da esquerda para a direita). Retirada de [32].

Marcadores base de ons lantandeos: os lantandeos apresentam propriedades

intrnsecas de emisso que so muito interessantes para sua utilizao como

biomarcadores. Mas as propriedades de absoro destes elementos no so favorveis

porque as bandas de absoro dos lantandeos no espectro UV-visvel so pouco

eficientes. Em certos complexos orgnicos de lantandeos, ao contrrio, uma intensa

emisso dos ons Ln3+

pode ser obtida via efeito antena. Esses complexos aliam ento

as vantagens das molculas orgnicas (bandas largas de absoro) s dos lantandeos

(linhas finas de emisso no visvel com uma durao de vida da emisso que pode ir at

vrias dezenas de ms). Estes cromforos tm a propriedade de coletar a energia de

excitao situada no domnio do comprimento de onda do visvel e transferi-la ao ction

lantandeo. Em competio com o decaimento radiativo T1S0, h em certas condies,

a transferncia de energia no radiativa aps T1 atravs dos nveis eletrnicos dos ons



Ln3+

, como o caso do Eu3+

e Tb3+

, pelo decaimento radiativo deste on que o

responsvel pela emisso[31]

.

Figura 6. Complexos luminescentes de Eu3+, Tb3+, Dy3+ e Sm3+. Retirada de [33].



Terras-raras

As terras-raras so, de acordo com a classificao da IUPAC, um grupo

relativamente abundante de 17 elementos qumicos, dos quais 15 esto localizados no

grupo dos lantandeos (geralmente referidos como Ln3+

, elementos com nmero

atmico entre Z = 57 e Z = 71, que vai do lantnio ao lutcio, na Tabela Peridica), e

que incluem o escndio (Z = 21) e o trio (Z = 39), elementos que ocorrem nos mesmos

minrios e apresentam propriedades fsico-qumicas semelhantes[34]

.

As propriedades pticas intrnsecas dos ons lantandeos trivalentes (Ln3+

) so

fascinantes e tm origem em caractersticas especiais das configuraes eletrnicas [Xe]

4fn (n = 0 14). Estas configuraes geram uma rica variedade de nveis eletrnicos,

nmero que dado por [14!/n!(14 n)!], traduzindo-se em 3003 nveis para os ons

Eu3+

e Tb3+

, por exemplo. Eles so caracterizados por trs nmeros qunticos, S, L e J,

que se encaixam no esquema de acoplamento spin-rbita de Russel-Saunders. As

energias destes nveis so bem definidas devido blindagem dos orbitais 4f pelo

preenchimento dos subnveis 5s25p

6, e eles so sensveis aos ambientes qumicos nos

quais so inseridos. Como consequncia, as transies 4f-4f da camada interior que se

estende em ambas as escalas, do visvel e do infravermelho, so definidas e facilmente

reconhecveis (Figura 7). Alm do mais, como estas transies so formalmente e

igualmente proibidas, os tempos de vida dos estados excitados so longos, os quais

permitem o uso da deteco resolvida no tempo, uma vantagem definitiva para

bioensaios e microscopia de luminescncia[35]

.



Figura 7. Espectros de luminescncia de alguns lantandeos, sob excitao no UV-visvel. Figura retirada

de [35].

A nica desvantagem das transies f-f so suas foras de oscilao fracas que

podem, no entanto, se tornar uma vantagem. Weissman demonstrou, em 1942, que a

excitao dos complexos lantandeos em estados ligantes resulta na luminescncia do

metal central. Parte da energia absorvida pelos receptores transferida para os estados

excitados dos Ln3+

, e as bandas de emisso definidas originadas do on metlico so

detectadas aps uma rpida converso interna ao nvel emitente. O fenmeno expresso

por uma sensibilizao da luminescncia do metal central (tambm referida como

efeito antena) e bem complexo. Vrias vias de migrao de energia podem ser

envolvidas, por exemplo, troca ou super-troca, mecanismos de dipolo-dipolo, ou dipolo-

multipolo, que implicam a participao de vrios nveis ligantes, estados singletos,

tripletos, e/ou transferncia de carga intra-ligante. Uma via de migrao de energia

comumente observada, no entanto, passa atravs do estado tripleto de longa vida do

ligante. Alternativamente, outros estados podem diminuir a energia no on metlico

como estado de transferncia de carga intracomplexo ligante-metal, os estados 4f5d; ou

estado de transferncia metal-ligante de cromforos contendo ons de metais de

transio d, como Cr3+

, Re+, Ru

2+, Os

2+, Co

3+, Ir

3+ ou Pt

2+. Estes ons d so

essencialmente usados para sensibilizao da luminescncia no infravermelho prximo.



O processo de sensibilizao gera duas vantagens. A primeira que, enquanto ons Ln3+

demonstram deslocamento Stokes desprezvel sob excitao direta, devido aos seus

orbitais 4f internos, a excitao do ligante resulta em pseudos deslocamentos Stokes

que, s vezes, so maiores que os daqueles de fluorforos orgnicos, doravante

permitindo fcil discriminao espectral da luz emitida. A segunda vantagem , os ons

Ln3+

so geralmente bons supressores de estados tripletos, tal que, o fotobranqueamento

substancialmente reduzido[35]

.

Os ons lantandeos esto envolvidos em trs tipos de transies, transferncia de

carga intracomplexo ligante-metal, 4f-5d, e 4f-4f intraconfiguracional. Os dois

anteriores geralmente ocorrem em altas energias, sendo relevantes para aplicaes

biolgicas. Nota-se, entretanto, que estados de transferncia de carga intracomplexo

ligante-metal mais abaixo podem ter efeito prejudicial nas propriedades emissivas de

ons Ln3+

facilmente reduzveis (por exemplo, Eu3+

, Sm3+

, ou Yb3+

). Alguns ons so

fluorescentes (S = 0), alguns so fosforescentes (S > 0), e alguns fluorescentes e

fosforescentes. Similar absoro, a emisso da luz se deve a dois tipos principais de

transies, as transies por dipolo-magntico permitidas por paridade (regras de

seleo: L = 0, J = 0, 1, mas J = 0 a J = 0 so proibidas), transies dipolo-eltrico

proibidas por paridade (L, J 6; 2, 4, 6, se J ou J = 0; J = 0 a J = 0 so proibidas).

Quando ons Ln3+

esto inseridos em um ambiente qumico, interaes no centro-

simtricas permitem a mistura de estados eletrnicos de paridades opostas dentro de

funes de onda 4f e transies dipolo-eltrico proibidas por paridade se tornam

parcialmente permitidas; elas so denominadas transies dipolo-eltrico proibidas por

paridade induzida (ou forada). A intensidade de algumas destas interaes

particularmente sensvel natureza do ambiente on-metal, e estas transies so

chamadas hipersensveis; um exemplo tpico o Eu(5D0 7F2). Em geral, as

transies contm ambas as contribuies das transies de dipolo-eltrico proibidas

por paridade e das transies de dipolo-magntico permitidas por paridade. Os

parmetros importantes que caracterizam a emisso da luz de um on Ln3+

so o tempo

de vida do estado excitado obs = 1/kobs, que o tempo decorrido para que a intensidade

de emisso decaia a 1/e do valor inicial, e o rendimento quntico , que dado pela

razo entre o nmero de ftons emitidos e o nmero de ftons absorvidos; est

relacionado kobs (constante de velocidade observada)[35]

.



Neste trabalho foram estudadas as propriedades luminescentes de duas terras-

raras especficas, ons Trbio e Eurpio, quando impregnadas/dopadas em slica

mesoporosa, devido s suas propriedades luminescentes extremamente sensveis ao

meio, e que permitem sua utilizao como sondas pticas pontuais. Portanto, as

principais caractersticas de cada um destes elementos utilizados sero destacadas nos

Captulos 1 e 2, respectivamente.



A Funcionalizao

Embora a aplicabilidade de partculas de slica mesoporosa como biomarcadores

seja muito promissora e possua inmeras vantagens, o uso direto destas partculas, ou

seja, o uso de partculas in natura muito difcil. Desse modo, necessrio modific-las

para que suas propriedades de superfcie atendam s condies biolgicas, como o meio

aquoso, temperatura, pH humano, e tambm para haver uma seletividade destas

partculas s clulas-alvo.

Existem dois mtodos de funcionalizao: o ps-sntese, muito utilizado e

conhecido como grafting, e a funcionalizao durante a sntese, durante o processo

sol-gel. No processo de funcionalizao pssntese, primeiro h a obteno da slica

mesoporosa pelo processo sol-gel com o auxlio de um agente direcionador de estrutura

e o agente de grupamento desejado ancorado posteriormente slica mesoporosa. No

processo de funcionalizao durante o processo sol-gel, o agente de grupamento

desejado incorporado slica durante o prprio processo de co-condensao[36]

. Neste

trabalho, o mtodo de funcionalizao utilizado foi o de ps-sntese.

A funcionalizao ps-sntese de trialcoxissilanos um dos mtodos mais

populares para modificao de slica mesoporosa. Aminoproprilalcoxissilanos so

frequentemente empregados com este propsito, permitindo reaes subsequentes com

uma variedade de grupos funcionais, tais como isotiocianato ou cloreto de sulfonila. As

slicas mesoporosas amino-funcionalizadas tm sido investigadas em termos de suas

potenciais aplicaes em biomarcadores, liberao controlada, catlise e adsoro. A

identificao de parmetros que controlam a distribuio dos grupos amino ligados tem

sido tpico de publicaes relativamente recentes, que tm demonstrado que a

polaridade do solvente usado na reao de alcoxissilanos amino-substitudos com slica

mesoporosa tem uma influncia pronunciada na distribuio de grupos amino ancorados

superfcie[37]

.

O processo de ps-insero atravs de ligaes covalentes dos grupos silanis da

superfcie e molculas corantes tem sido considerado uma rota alternativa para a

preparao de materiais mesoporosos dopados com compostos luminescentes.

Comparado com outros mtodos de sntese, as vantagens do processo de ps-insero



so bvios, por exemplo, reduz a influncia negativa da introduo de heterotomos nas

mesoestruturas ordenadas, e evita agregao do composto luminescente[38]

.

O 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES), Figura 8, tem sido amplamente usado

em biosensores baseados na afinidade, devido ao grupo silano que pode se ligar

hermeticamente a substratos de vidro ou slica, enquanto seu grupo amino pode formar

ligaes covalentes com grupos carboxlicos (grupos funcionais que so comumente

encontrados em biomolculas). Uma srie de experimentos com mltiplas biomolculas

revela a capacidade das cadeias funcionalizadas de executar plataformas de

biosensoriamento[39]

.

Figura 8. Representao da molcula de APTES.

O 3-glicidoxipropiltrimetoxissilano (GPTMS), Figura 9, um alcoxido

monofuncional organicamente modificado que produz uma unidade epxi ao final da

cadeia orgnica funcional. A qumica do GPTMS complexa, e vrias reaes

secundrias podem ser observadas em diferentes ambientes qumicos; em condies de

alto pH, a abertura do grupo epxi e as reaes de condensao da slica so ambas

abrandadas. Isto favorece a formao de espcies em ponte via reao dos grupos epxi

que formam espcies em ponte de dioxano[40]

.

Figura 9. Representao da molcula de GPTMS.



Por que o tamanho importante?

bem conhecido que as propriedades fsico-qumicas dos materiais mudam com

o tamanho, por exemplo, em pontos qunticos h uma variao no comprimento de

onda de emisso da luz dependendo de seu tamanho. A rea superficial de uma dada

partcula micromtrica pode ser menor se comparada a uma partcula nanomtrica se

esta possuir uma superfcie recoberta de poros.

At recentemente, a maioria das pesquisas eram focadas em partculas de slica

com 0,5 a 10 m, principalmente nas formas cristalinas, mas as nanosslicas podem ter

propriedades toxicolgicas quando comparadas s partculas grandes. As propriedades

fsico-qumicas singulares das nanopartculas de slica que as tornam atrativas para a

indstria podem apresentar riscos potenciais sade humana, incluindo uma maior

capacidade de penetrar alvos intracelulares no pulmo e circulao sistmica[26]

.

Portanto, o tamanho das partculas para uso em aplicaes biolgicas muito

importante.

O tamanho da partcula determinado pelos parmetros de sntese. Partculas de

slica amorfa no estado sol tendem a adotar um formato esfrico de forma a alcanar um

mnimo de rea de superfcie interfacial. O tamanho da partcula da slica comercial

preparada a partir de silicato de sdio de 10 a 25 nm. Sis com partculas primrias

grandes podem ser preparados a partir de TEOS pelo mtodo de Stber, por exemplo.

Os processos de triturao e moagem reduzem o tamanho da partcula, e so geralmente

aplicadas para quartzo, slica gel e slica vtrea[26]

.

A seguir encontra-se uma tabela que mostra o tamanho mdio de partculas de

materiais baseados em slica dependendo do tipo de material que obtido, Tabela 1.



Poro

sid

ad

e

Den

sa

Po

rosi

dad

e re

gu

lv

el

Po

rosi

dad

e re

gu

lv

el

Reg

ul

vel

Mes

op

oro

sa

Reg

ul

vel

Den

sa

Den

sa

Den

sa

Po

rosa

(d

iam

. 0,4

1

,2 n

m)

Po

rosa

(d

iam

. 0,2

0

,3 n

m)

Den

sa

Tam

an

ho d

a p

art

cu

la

1 -

1000

nm

10 -

1000

nm

5

6 n

m p

art

cula

s pri

mr

ias

a 5

00 n

m

50

m

agre

gad

as

0,5

5

nm

par

tcu

las

pri

mr

ias

a 5

00

m

6

mm

agre

gad

as

50

1000 n

m a

gre

gad

as p

or

cau

sa d

a

calc

ina

o

2 -

50 n

m p

art

cula

s pri

mr

ias

a 1

2

50

m

agre

gad

as

50

2000

m

50 n

m

vr

ios

m

1

m

vr

ios

cm

0,0

5

50

00

m

0,5

5

00

0

m

5

120

m

Cri

stali

nid

ad

e

Am

orf

a

Am

orf

a

Am

orf

a

Am

orf

a

Am

orf

a

Am

orf

a

Am

orf

a

Cri

stal

ina

Cri

stal

ina

Cri

stal

ina

Cri

stal

ina

Am

orf

a

par

cial

men

te

cris

tali

na

Na

ture

za

Sol

Sol

P

P

P

P

P

P

P

P

P

P

Mate

rial

Sl

ica

colo

idal

Sl

ica

St

ber

Sl

ica

pre

cip

itad

a

Sl

ica

gel

Sl

ica

mes

op

oro

sa

Sl

ica

pir

og

nic

a

Sl

ica

vt

rea

Qu

artz

o

Cri

sto

bal

ita

Zo

sils

Cat

hra

sils

Dia

tom

eus

eatr

h

Tab

ela 1

. V

iso

ger

al d

os

mat

eria

is b

asea

dos

em s

lic

a e

suas

pro

pri

edad

es r

elev

ante

s. A

dap

tado d

e [2

6] .



Tcnicas Utilizadas para Caracterizao das Amostras

Espalhamento de Raios X a Baixo ngulo (SAXS)

Um experimento de espalhamento de raios X a baixos ngulos (SAXS) envolve

a deteco de raios X provenientes de uma amostra posicionada entre uma fonte de raios

X e um detector. Os raios X provenientes de uma fonte atravessam a amostra e atingem

um detector posicionado a uma distncia D. Um beam-stopper posicionado entre a

amostra e o detector para atenuar o feixe direto, ou seja, o feixe formado pelos ftons

que no so espalhados na amostra, cuja intensidade pode danificar o detector.

As fontes mais comuns de raios X so tubos, que geram a radiao atravs da

excitao dos tomos de um alvo por um feixe de eltrons emitido de um filamento e

acelerados por um campo eltrico. Os elementos mais comumente utilizados na

construo de beam-stopper so o Cobre (Cu), Molibdnio (Mo) e Tungstnio (W).

O grfico tipicamente obtido composto pelo espalhamento de raios X a baixo

ngulo proveniente de inomogeneidades eletrnicas no correlacionadas (fator de

forma) e por um padro de interferncia entre objetos de diferentes densidades

eletrnicas (fator de estrutura).

O espalhamento de raios X a baixo ngulo sonda inomogeneidades esparsas

estruturais da densidade eletrnica da amostra na regio de nanmetros a fraes de

micrmetros em ngulos prximos a 0.

Para materiais porosos, o resultado observado no detector uma convoluo do

espalhamento de cada partcula presente na amostra e do espalhamento da sua estrutura

porosa, seja ela ordenada ou no.

Esta uma tcnica bem estabelecida para estudos da forma e organizao

espacial de objetos de escala nano com tamanhos variando de 1 a 100 nm. Alguns dos

materiais mais popularmente analisados so: colides, cristais lquidos e gis; polmeros

semicristalinos e misturas; macromolculas biolgicas e agregados em condies ou

prximas a condies fisiolgicas; e, nanopartculas e materiais nanoporosos. Se o

SAXS for combinado com WAXS (espalhamento de raios X a amplos ngulos),

tambm uma poderosa tcnica usada para determinar a microestrutura e o



comportamento de fase de sistemas multicomponentes envolvidos em cosmticos,

detergentes, remdios, polmeros e outros materiais de interesse industrial[41]

.

Microscopia Eletrnica de Varredura (SEM)

A microscopia eletrnica de varredura a tcnica de caracterizao

microestrutural mais verstil disponvel hoje, encontrando aplicaes em diversos

campos do conhecimento, particularmente na engenharia e cincias dos materiais,

engenharias metalrgicas e de minas, geocincias e cincias biolgicas, dentre outros. A

interao de fino feixe de eltrons focalizado sobre a rea ou o microvolume a ser

analisado gera uma srie de sinais que podem ser utilizados para caracterizar

propriedades da amostra, tais como composio, superfcie topogrfica, cristalografia,

etc.

Na microscopia eletrnica de varredura os sinais de maior interesse referem-se

usualmente s imagens de eltrons espalhados e de eltrons retroespalhados, ao passo

que na microssonda eletrnica o sinal de maior interesse corresponde aos raios X

caracterstico, resultante do bombardeamento do feixe de eltrons sobre a amostra,

permitindo a definio qualitativa ou quantitativa dos elementos qumicos presentes em

um microvolume.

A versatilidade do microscpio eletrnico de varredura deve-se diversidade de

interaes que ocorrem quando o feixe de eltrons atinge a amostra. Estas interaes

avaliadas por diferentes detectores fornecem informaes sobre a composio,

topografia, cristalografia, potencial eltrico e campos magnticos locais, entre outras[42]

.

SEM/FEG

Um microscpio eletrnico de varredura equipado com feixe de eltrons gerado

por emisso de campo (SEM/FEG), opera de 0,5 a 30 kV com resoluo definitiva de

1,0 nm, e gama de ampliao de 10 a 700000 vezes. Modos de imagem disponveis

incluem a imagem de eltrons secundrios e retroespalhados.

Suas aplicaes incluem o exame de superficies de fratura, exame e

quantificao de testes de nano-esclerometria, estereo-imagem de superficies,



microestrutura de sistemas surfactantes, medidas da espessura de camadas de

dispositivos de leitura magntica, caracterizao de gros ligantes de cermicas[42]

.

Microscopia Eletrnica de Transmisso (TEM)

Em microscopia eletrnica de transmisso a imagem observada a projeo de

uma determinada espessura do material, havendo uma diferena com relao ao

observado numa superfcie.

Durante a passagem de eltrons atravs de uma lmina fina de slido amorfo

ocorre espalhamento dos eltrons em praticamente todas as direes. Este espalhamento

causado pela interao do eltron incidente com o ncleo dos tomos da amostra. Ele

tanto mais intenso quanto mais denso for o material, mais espessa a amostra e maior o

nmero atmico do material da amostra.

Enquanto que para slidos amorfos razovel supor uma distribuio uniforme

de eltrons espalhados, para slidos cristalinos a transparncia a eltrons depende das

condies de difrao que diferem bastante conforme a direo. Quando um feixe de

eltrons passa por uma lmina de material cristalino, somente aqueles planos quase

paralelos ao feixe incidente contribuem para a figura de difrao.

Conforme se utiliza eltrons difratados ou eltrons transmitidos para se fazer a

imagem, obtm-se os chamados campo escuro e campo claro, respectivamente[42]

.

Medidas de porosidade e superfcie especfica

A determinao da superfcie especifica atravs das isotermas de BET

(Brunauer, Emmet, Teller) est baseada no fenmeno de adsoro fsica de gases nas

superfcies externa e interna de um material poroso. Tal material que circundado e est

em equilbrio com certo gs que possui certa temperatura, T, e presso de vapor relativa,

p/po, absorve fisicamente certa quantidade de gs. A quantidade de gs adsorvido

dependente de sua presso relativa e proporcional ao total das superfcies externa e

interna do material. A conexo entre presso relativa de vapor e quantidade de gs

adsorvido a uma temperatura constante chamada de isoterma de adsoro.



Brunauer dividiu as isotermas de adsoro fsica em cinco tipos, Figura 10. Do

ponto de vista terico, as isotermas do tipo II e III so vlidas apenas para slidos no-

porosos, mas na prtica so s vezes aplicveis igualmente a slidos porosos. A maioria

dos materiais constituintes vistos possui isotermas do tipo II, pelo menos quando o

adsorbato o vapor dgua. Isotermas do tipo IV e V so vlidas apenas para materiais

porosos, e so modificaes de isotermas do tipo II e III, respectivamente. As

modificaes a presses de vapor relativas altas so dependentes de restries

relacionadas adsoro pela largura dos poros. Materiais constituintes usuais possuem

um grande volume de poros largos, o qual esta restrio desprezvel. A distino entre

isotermas do tipo II e IV (ou III e V) sem significncia prtica em baixa presso.

Por outro lado, o fenmeno da condensao capilar ocorre em materiais porosos

quando o adsorbato espesso o suficiente para formar um menisco curvado no poro.

Portanto, a isoterma de um material poroso em alta presso possui um intervalo

diferente de um material no-poroso. Entretanto, isto no tem importncia no clculo da

superfcie especfica de acordo com a teoria de BET. A isoterma do tipo I dificilmente

aplicvel aos materiais constituintes. Isso vlido apenas para um slido com poros

extremamente estreitos como os de alguns gis.

Figura 10. Os cinco tipos de isotermas Segundo a classificao de Brunauer[43].

Espectroscopia de Luminescncia

Os mtodos baseados em fluorescncia e fosforescncia so aqueles nos quais a

excitao da molcula conduzida pela absoro de ftons. Como conseqncia, os

dois fenmenos so muitas vezes referidos e/ou classificados como mtodos

fotoluminescentes. Neste caso, a molcula inicialmente excitada e promovida para um

estado eletrnico de maior energia, cujo retorno ao estado fundamental acompanhado



pela emisso de radiao eletromagntica. Contudo, importante salientar que a

absoro do fton em fluorescncia e fosforescncia envolve transies eletrnicas

diferentes. A energia eletrnica responsvel pela transio fluorescente no envolve

uma mudana no nmero quntico de spin do eltron, e passa do nvel S0 S1,

emitindo radiao desde o nvel excitado S1 para algum dos nveis vibracionais do

estado eletrnico S0. Como consequncia, a fluorescncia possui tempos de vida

extremamente curtos, com a luminescncia cessando quase que imediatamente, por

volta de 10-9

a 10-6

s (ns a s). A fluorescncia emitida em comprimentos de onda

maiores queles de excitao, deslocando-se entre 50 e 150 nm, quando comparado ao

comprimento de onda da luz usado para a excitao da molcula.

Por outro lado, uma mudana no nmero quntico de spin do eltron acompanha

as emisses fosforescentes, envolvendo transies proibidas de eltrons provenientes de

um estado excitado tripleto (com spin diferente ao original) para um estado fundamental

singleto (T1 S0). Como conseqncia, a radiao existe por um tempo no qual pode

ser facilmente detectvel aps o trmino da irradiao, entre 10-4

e 10 s. Contudo, este

tipo de transio menos provvel que a transio envolvendo dois estados singletos

(fluorescncia), j que processos paralelos de desativao como a converso interna e

externa, e o relaxamento vibracional, podem competir com ela. Desta forma, a emisso

de transies fosforescentes tem sido comumente observada apenas em baixas

temperaturas, em meios altamente viscosos ou em molculas adsorvidas em superfcies

slidas para introduzir rigidez ao sistema[44]

.



OBJETIVOS

O objetivo geral desse trabalho contribuir para o desenvolvimento de novas

sondas luminescentes para aplicaes biolgicas.

Como objetivos especficos, sintetizar matrizes slidas de partculas de slica

mesoporosa variando parmetros e condies como, tempo de reao e quantidade de

precursor de silcio, e aperfeioar suas propriedades luminescentes para que estas sejam

utilizadas como biomarcadores.



CAPTULO 1

Micropartculas de slica

mesoporosa



O Trbio (Tb3+

)

Como j discutido nos tpicos Os diferentes tipos de marcadores

luminescentes e Terras-raras, da Introduo, os lantandeos apresentam propriedades

intrnsecas e singulares de emisso que so muito interessantes para sua utilizao como

biomar

Documents

Juliana Jorge 2012 Mestrado(Livre)