Espectroscopia de Fluorescência Aplicada ao Estudo das...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS

INSTITUTO DE QUÍMICA- PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

Espectroscopia de Fluorescência Aplicada ao Estudo das Interações de Formação de Nanoestruturas de Peptídeos Contendo

Maguemita

Diogo Lopes Dias

Orientadora: Profa. Dra. Tatiana Duque Martins

Goiânia

2014

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS

INSTITUTO DE QUÍMICA- PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

Espectroscopia de Fluorescência Aplicada ao Estudo das Interações de Formação de Nanoestruturas de Peptídeos Contendo

Maguemita

Diogo Lopes Dias

Dissertação apresentada ao

Programa de Pós-Gradução em

Química da Universidade

Federal de Goiás como

exigência parcial, para a

obtenção do título de Mestre em

Química.

Orientadora: Profa. Dra. Tatiana Duque Martins

Goiânia

2014

iv

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação na (CIP) GPT/BC/UFG

D541e

Dias, Diogo Lopes.

Espectroscopia de Fluorescência Aplicada ao Estudo das Interações de Formação de Nanoestruturas de Peptídeos Contendo Maguemita [manuscrito] / Diogo Lopes Dias. - 2014.

xiii, 121 f. : il., figs, tabs. Orientadora: Profª. Drª. Tatiana Duque Martins Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de Goiás,

Instituto de Química, 2014. Bibliografia.

Inclui lista de figuras, abreviaturas, siglas e tabelas. Apêndices. 1. Espectroscopia 3. Fluorescência 3. Nanoestruturas 4.

Maguemita I. Título. CDU: 543.392

vi

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho à minha amada esposa Lorena Paiva Silva Lopes, que tem me acompanhado

e fortalecido todos os dias há mais de 14 anos.

vii

AGRADECIMENTOS

Ao Senhor Jesus Cristo por tudo que tens feito e por tudo que vais fazer.

Aos meus pais, irmãos, filhos, amigos e à minha esposa.

A todos os professores do Instituto de Química da UFG por terem colaborado com a minha

formação profissional.

À minha orientadora profa. Dra. Tatiana Duque Martins pela oportunidade, paciência,

profissionalismo, preocupação e pela orientação de primeira grandeza a qual me foi oferecida.

Sem palavras para agradecer todo carinho e atenção que dedicou a mim.

A todos os colaboradores do LABMIC do Instituto de Física da UFG, Tatiane, Caroline, Nayara

pelo tempo dedicado a analise das minhas amostras.

Ao Prof. Dr. Jesiel do Instituto de Física da UFG pela colaboração com minhas análises no

espectrofluorimetro.

Aos colegas do laboratório 209 do Instituto de Química da UFG pela colaboração e auxílio em

minhas pesquisas, Geovanny, José, Dhyogo, Antônio e Gustavo.

Aos alunos da Profa. Dra. Patrícia Satoratto no auxilio na síntese das partículas magnéticas, Sara

e Eli.

A todos os técnicos da Central analítica do Instituto de Química da UFG.

À UFG pela ótima estrutura proporcionada a mim no Instituto de Química.

À FAPEG pela bolsa de estudos.

viii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS.................................................................................................................i

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS .......................................................................vi

LISTA DE TABELAS............................................................................................................... x

RESUMO ...................................................................................................................................xi

ABSTRACT ..............................................................................................................................xii

CAPÍTULO 1- MATERIAIS NANOESTRUTURADOS..................................................... 1

1.1- Considerações sobre nanociências e aplicação tecnológica. ............................................... 1

1.2- A química supramolecular .................................................................................................. 2

1.3- A estrutura dos peptídeos..................................................................................................... 4

1.3.1- A síntese química dos peptídeos ....................................................................................... 4

1.3.2- As estruturas auto-organizadas de peptídeos ................................................................... 5

1.3.3- Estudo das propriedades morfológicas e estruturais dos peptídeos................................. 7

1.3.3.1- Mecanismos da auto-organização de nanoestruturas baseadas em L- difenilalanina. 11

1.4- Aplicações dos biomateriais peptídicos nanoestruturados................................................. 16

1.4.1 Em biossensores ................................................................................................................ 17

1.4.2- Outras aplicações............................................................................................................. 17

1.5- Métodos usuais de preparação de nanoestruturas peptídica ............................................. 18

1.5.1- Preparação de nanoestruturas peptídicas em fase líquida.............................................. 18

1.6- As nanopartículas e fluido magnéticos .............................................................................. 20

1.7- As nanopartículas fluorescentes: quantum dots ................................................................. 23

1.8- Atualiadade sobre as nanoestruturas peptídicas ................................................................ 24

CAPÍTULO 2- PRINCÍPIOS DE FOTOFÍSICA.................................................................. 27

2.1- Princípio de Franck – Condon............................................................................................ 27

2.2 Transições Eletrônicas – Diagrama de Jablonski................................................................ 28

2.3 Absorção e Espalhamento de Fótons ................................................................................... 30

2.4- Fluorescência ...................................................................................................................... 31

2.5- Processos não – radiativos ................................................................................................. 34

ix

CAPÍTULO 3- OBJETIVOS .................................................................................................. 35

3.1- Objetivos gerais .................................................................................................................. 35

3.2- Objetivos específicos ........................................................................................................... 35

CAPÍTULO 4- TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO EMPREGADAS ......................... 36

4.1- Detalhes operacionais da espectroscopia de fluorescência fotoestacionária .................... 36

4.2- Detalhes operacionais da espectroscopia de absorção região do ultravioleta-visível (UV-

VIS) ............................................................................................................................................ 38

4.3- Detalhes operacionais da microscopia eletrônica de varredura (MEV)............................ 39

4.4- Detalhes operacionais da difratometria de raios-X (DRX) ............................................... 42

CAPÍTULO 5- METODOLOGIA EXPERIMENTAL ........................................................ 45

5.1- Reagentes e equipamentos .................................................................................................. 45

5.1.1- Reagentes ......................................................................................................................... 45

5.1.2- Equipamentos ................................................................................................................... 47

5.2- Metodologia para obtenção de nanoestruturas a partir da via líquida.............................. 47

5.2.1- Preparação de estruturas peptídicas em síntese de fase líquida ......................................47

5.2.2- Preparação de estruturas peptídicas contendo quantum dot .......................................... 48

5.2.3- Preparação das nanopartículas magnéticas.................................................................... 49

5.2.4- Preparação de estruturas peptídicas contendo maguemita............................................. 51

5.2.5- Preparação das estruturas peptídicas contendo maguemita e quantum dot ................... 52

5.2.6- Preparação das estruturas peptídicas em acetona como solvente .................................. 53

5.2.7- Preparação das estruturas peptídicas em tetra-hidro-furano como solvente ................. 53

5.2.8 - Preparação das amostras sólidas ................................................................................... 54

5.2.8.1 - Teor de ferro ................................................................................................................ 54

5.2.9 – Determinação das dimensões das partículas magnéticas .............................................. 55

5.2.10 – Análise elementar por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) ......................... 55

CAPÍLUO 6- ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS.......................................... 56

6.1- Determinação do teor de ferro............................................................................................ 56

6.2- Determinação do tamanho das nanopartículas magnéticas ............................................... 56

6.3- Microscopia eletrônica de varredura (MEV) ..................................................................... 57

6.3.1- Estruturas auto-organizadas em água. ............................................................................ 57

6.3.2-Estruturas auto-organizadas em tetrahidrofurano (THF) e acetona .............................. 70

x

6.4- Espectroscopia de fluorescência......................................................................................... 73

6.4.1- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas .................................................. 74

6.4.2- Estudo espectroscópico do quantum dot (QD) ................................................................ 76

6.4.3- Estudo espectroscópico das nanopartículas magnéticas. ................................................ 78

6.4.4- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas contendo quantum dot .............. 80

6.4.5- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas contendo partículas magnéticas.

.................................................................................................................................................... 84

6.4.6- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas contendo partículas magnéticas e

quantum dot ................................................................................................................................ 85

CAPÍTULO 7- CONSIDERAÇÕES FINAIS. ....................................................................... 88

CAPÍTULO 8- PERSPECTIVAS ........................................................................................... 89

CAPÍTULO 9- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................... 90

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Representação das estruturas de nanotubos de carbono (a) de parede simples e (b) de

parede múltipla................................................................................................................................3

Figura 2: Esquema da formação da ligação peptídica...................................................................5

Figura 3: Distintas estruturas supramoleculares obtidas da auto-organização de L-

difenilalanina e suas possíveis aplicações......................................................................................6

Figura 4: Distintas nanoestruturas peptídicas obtidas da auto-organização de resíduos

peptídicos diferentes........................................................................................................................7

Figura 5: Estrutura tridimensional da molécula de L-difenilalanina.............................................8

Figura 6: Imagens de microscopia eletrônica de varredura de NT-F-F: a) para nanotubos

obtidos em solventes distintos; b) sob tratamento térmico distinto.................................................9

Figura 7: Imagens de microscopia eletrônica de varredura da diferentes morfologias das

nanoestruturas de L-FF em pHs diferentes. Em pH= 4, obtém-se nanotubos (a,b) e em pH = 10,

fibrilas (c,d)...................................................................................................................................10

Figura 8: Efeito da metodologia de preparo sobre as estruturas resultantes da auto-organização

da L-FF na presença do ácido trifluoracético. a) estrutura molecular tridimensional da L-FF; b)

fibrilas formadas no ponto isoelétrico; c) nanotubos preparados em baixas concentrações; d)

nanofios preparados em alta concentração..................................................................................11

Figura 9: Ilustração esquemática de automontagem molecular...................................................12

Figura 10: Ilustração da auto-organização de estruturas tubulares e esféricas da L-

difenilalanina. Por meio de interações eletrostáticas, as moléculas do peptídeo se empilham,

originando folhas que, por ação de interações de Van de Waals e π-stacking, se enrolam, dando

origem às nanoestruturas finais....................................................................................................13

Figura 11: Modelo de construção de nanotubos de L-F-F: a) estrutura tubular formada a partir

de agregados; b) aumento da região destacada em a), apresentando a interface relativa aos

canais e c) estrutura unitária que dá origem aos agregados........................................................14

Figura 12: Esquema de formação de nanotubos a partir da auto-organização de peptídeos

cíclicos...........................................................................................................................................15

Figura 13: Interações em peptídeos lineares responsáveis pela auto-organização que gera

distintas estruturas.........................................................................................................................16

xii

Figura 14: Esquema de preparação de nanoestruturas peptídicas em fase líquida através da

dissolução da L-FF em 1,1,1,3,3,3-hexafluor-2-propanol (HFP) e posterior diluição desta

solução com água deionizada........................................................................................................19

Figura 15: a) Esquema da produção de nanotubo de difenilalanina com orientação vertical

sobre um substrato e posterior orientação vertical com um campo magnético. b) Micrografias

dos nanotubos obtidos...................................................................................................................20

Figura 16: Representação da cela unitária de maguemita...........................................................21

Figura 17: Foto de nanopartículas de maguemita........................................................................21

Figura 18: Fluido magnético sob aplicação de um campo magnético (aproximação de um

imã)................................................................................................................................................22

Figura 19: Representação do gráfico de absorção, no qual são mostradas as transições

vibracionais características de cada banda, onde B representa o estado fundamental e A o

estado excitado..............................................................................................................................28

Figura 20: Representação do Diagrama de Jablonski e dos processos radiativos e não

radiativos possíveis........................................................................................................................29

Figura 21: Fenômenos que podem ocorrer quando um fóton incide sobre um átomo. a)

espalhamento elástico, b) espalhamento inelástico, c) absorção, d) efeito fotoelétrico, e)

espalhamento Compton.................................................................................................................31

Figura 22: Diagrama de Jablonski ilustrando os vários fenômenos ocorrentes entre a excitação

e relaxação eletrônica...................................................................................................................33

Figura 23: Esquema do arranjo de componentes de um espectrofluorímetro..............................37

Figura 24: Esquema de um espectrofotômetro de Absorção UV/ Vis...........................................39

Figura 25: Ilustração dos processos de espalhamento do feixe de elétrons promovidos da

interação do feixe eletrônico com a amostra e que são detectados pelo microscópio eletrônico de

varredura. As siglas significam: SE) elétrons secundários; BSE) elétrons retroespalhados; AE)

elétrons Auger; CL) Luz e calor; XR) Raios X; PE) feixe eletrônico incidente............................41

Figura 26: Ilustração do fenômeno de difração de raios-X em cristais, em que λ é o

comprimento de onda da radiação incidente, dhkl é a distancia interplanar característica de uma

família de planos (hkl) e θ o ângulo entre a direção do feixe incidente e a direção de

observação.....................................................................................................................................43

xiii

Figura 27: Ilustração da produção de radiação de raios-X, onde: W) Entrada e saída de água;

U) Fonte elétrica; A) Placa de metal; C) Ânodo de cobre; X) Raios X; K) filamento de

tungstênio.......................................................................................................................................44

Figura 28: Representação esquemática do QD utilizado no trabalho..........................................46

Figura 29: Espectro de emissão (vermelho) e absorção (azul) do QD utilizado no trabalho

fornecido pela empresa que o produz............................................................................................46

Figura 30: Fórmulas e estruturas dos solventes e reagentes orgânicos utilizados no trabalho: A)

1,1,1,3,3,3- hexaflúor-2-propanol, B) Tetra-hidro-furano, C) Acetona, D) L-difenilalanina......46

Figura 31: Fluxograma da preparação do fluido de maguemita (solução 5)..............................51

Figura 32: Fluxograma do preparo das estruturas peptídicas contendo aditivos........................53

Figura 33: Fluxograma da preparação das estruturas peptídicas nos solventes escolhidos, sem

aditivos (soluções 2, 9 e 10), a partir da difenilalnina dissolvida em HFP..................................54

Figura 34: Difratograma de Raios-X obtido para o pó da maguemita

sintetizada......................................................................................................................................56

Figura 35: Imagens de MEV obtidas para as amostras de: A) difenilalanina auto-organizada em

água e sem aditivos (solução 2), B) com adição de quantum dot (solução 4), C) com adição de

maguemita (solução 7) e D) com adição do quantum dot e da maguemita (solução 8).

Magnificação de 200 vezes............................................................................................................59




Magnificação de 3.000 a 3.700 vezes............................................................................................62

Figura 37: A) Imagem de microscopia eletrônica de varredura obtida para a amostra 2 em que

são evidenciadas as regiões investigadas e B) o respectivo espectro de energia dispersiva

registrada no ponto 1....................................................................................................................64

Figura 38-1: A) Imagem de microscopia eletrônica de varredura obtida para a amostra 4 em

que são evidenciadas as regiões investigadas e B) o respectivo espectro de energia dispersiva

registrada no ponto 6.....................................................................................................................65

Figura 38-2: A) Imagem de microscopia eletrônica de varredura em que são evidenciadas as

regiões investigadas e B) o espectro de energia dispersiva registrado no ponto 1 e C) espectro

de energia dispersiva registrado no ponto 2.................................................................................66

xiv


que são evidenciadas as regiões investigadas e B) o espectro de energia dispersiva registrado

no ponto 9 e C) espectro de energia dispersiva registrado no ponto 1.........................................68


que são evidenciadas as regiões investigadas e B) o respectivo espectro de energia dispersiva

registrado no ponto 2.....................................................................................................................69

Figura 40: Imagens de MEV obtidas para amostras de nanoestruturas de L-FF produzidas em

Acetona. A) magnificação de 650 vezes e B) magnificação de 2.000 vezes..................................70


THF; A) magnificação de 1500 vezes e B) magnificação de 2000 vezes..................................... 71


água e sem aditivos diretamente no eppendorf, B) difenilalanina auto-organizada diretamente

sobre o substrato. Magnificação de 200 vezes..............................................................................73

Figura 43: Fórmula estrutural da L-difenilalanina (L-FF)..........................................................74

Figura 44: Espectros de excitação de fluorescência obtidos com diferentes comprimentos de

onda de emissão referentes à NT-F-F em água. A) intensidade versus comprimento de onda e B)

intensidade normalizada versus comprimento de onda.................................................................75

Figura 45: Espectros de emissão de fluorescência obtidos com diferentes comprimentos de onda

de excitação referentes à NT-F-F em água: A) intensidade versus comprimento de onda e B)

intensidade normalizada versus comprimento de onda.................................................................76

Figura 46: espectros de excitações com intensidades absolutas das soluções de quantum dot (A)

diluída 200 vezes e (B) diluída 20 vezes a partir da solução-mãe................................................77

Figura 47: Espectros de fluorescência obtidos para a solução diluída 200 vezes do QD, com

excitação procedida em diferentes comprimentos de onda. A) com intensidades absolutas e B)

com intensidades normalizadas....................................................................................................77

Figura 48: Espectros de fluorescência obtidos para a solução diluída do QD 20 vezes, com

excitação procedida em diferentes comprimentos onda. A) com intensidades absolutas e B) com

intensidades normalizadas.............................................................................................................78

Figura 49: Espectros de excitação do fluido de maguemita diluído 1000 vezes: A) Intensidade

absoluta e B) normalizada.............................................................................................................79

xv

Figura 50: Espectros de emissão do fluido maguemita diluído 1000 vezes. A) Intensidade

Absoluta e B) Intensidade normalizada.........................................................................................80

Figura 51: Espectro de excitação da amostra de NT-F-F contendo quantum QD diluído 200

vezes a partir da solução-mãe........................................................................................................81

Figura 52: Espectros de fluorescência da amostra de NT-F-F contendo quantum QD diluído 200

vezes a aprtir da solução-mãe. A) Intensidade absoluta e B) normalizada...................................82

Figura 53: Espectros de excitação da amostra de NT-F-F contendo quantum QD diluído 20

vezes a aprtir da solução-mãe. A) Intensidade absoluta e B) normalizada...................................82


vezes. A) Intensidade absoluta e B) normalizada.........................................................................83

Figura 55: Espectros de excitação da amostra de NT-F-F contendo partículas magnéticas

provenientes do fluido diluído 1000 vezes....................................................................................84

Figura 56: Espectros de fluorescência da amostra de NT-F-F contendo partículas magnéticas

privenientes do fluido diluído 1000 vezes. A) Intensidade absoluta e B) normalizada............... 85

Figura 57: Espectros de excitação da amostra de NT-F-F contendo QD diluído 200 vezes e

nanopartícula magnéticas provenientes do fluido diluído 1000 vezes.........................................86

Figura 58: Espectros de fluorescência da amostra de NT-F-F contendo QD diluído 200 vezes e

nanopartícula magnéticas provenientes do fluido diluído 1000 vezes. A) Intensidade absoluta e

B) Normalizada..............................................................................................................................87

xvi

LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS

Act Acetona

ASTM American society for testing and materials

B Largura à meia altura

Boc/Benzil Terc-Butiloxicarbonil/Benzil

BSE Elétrons retroespalhados

CdSe Seleneto de cádmio

CdTe Telureto de cádmio

CI Conversões internas

CIS Cruzamento intersistema

CNTs Nanotubos de carbono

DCC ou DIC Carbodiimidas

dhkl Distancia interplanar

DRX Difratometria de raios-X

ɛ Cosntante dielétrica

E Fóton

xvii

EDS Dispersão de energia

F Fluorescência

FC Princípio de Franck-Condon

Fe3O4 Magnetita

FeCl3.6H2O Cloreto de ferro III hexa-hidratado

FeCl2.4H2O Cloreto de ferro II tetra-hidratado

FEG Field electron gun

Fe(NO3)3.9H2O Nitrato de ferro III nona-hidratado

FM Fluídos magnéticos

Fmoc/butil 9-fluorenilmetoxicarbonila/ t-butil

HCl Ácido clorídrico

HFP 1,1,1,3,3,3-hexafluor-2-propanol

hkl Família de planos

HOMO Highest Occupied Molecular Orbital

HNO3 Ácido nítrico

HOBt Indução dos reagentes de acoplamento

xviii

HSV-2 Vírus herpes simples tipo 2

LABMic Laboratório Multiusuário de Microscopia de alta resolução

L-FF L- Difenilalanina

LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital

[1M] Concentração molar da espécie emissora

MEV Microscopia eletrônica de varredura

MO Teoria de orbitais moleculares

MWCNTs Nanotubos de carbono de paredes múltiplas

n Ordem de interferência

NADH E-nicotinamida adenina dinucleotídeo

NaOH Hidróxido de sódio

NPMs Nanopartículas magnéticas

NT-F-F Nanotubos de L-Difenilalanina

PNTs Nanopartículas

PL Fotoluminescência sintonizável

QDs Quantun dots

xix

SE Elétrons secundários

SWCNTs Nanotubos de carbono de parede única

THF Tetra-hidro-furano

UV-VIS Região ultravioleta-visível

W Filamentos de tungstênio

γ-Fe2O3 Maguemita

ν Frequência da energia eletromagnética

λ Comprimento de onda do raio X incidente,

θ Ângulo de maior reflexão

Δf Polarizabilidade

xx

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Identificação das soluções empregadas nesta fase........................................................49

Tabela 2: Identificação das soluções empregadas nesta fase..........................................................52

Tabela 3: Posição dos picos de difratograma de raios-X comparados com a ficha padrão ASTM

(D934 – 13).....................................................................................................................................57

Tabela 4: Identificação das amostras de MEV...............................................................................58

Tabela 5: Indices de refração (n), Cosntantes dielétricas (ε) e polarizabilidades (Δf) para os

solventes empregados neste trabalho.............................................................................................72

xxi

RESUMO

Este trabalho tem como objetivo a preparação e a caracterização morfológica e fotofísica

de sistemas constituídos de estruturas auto-organizadas baseadas no dipeptídeo L-difenilalanina

contendo como aditivos com propriedades magnéticas nanopartículas partículas magnéticas de

maguemita (γ-Fe2O3) e como aditivo luminescente um Quantum Dot (QD) comercial a base de

Cádmio e Telúrio (Cd e Te). O sistema resultante foi caracterizado morfológica e fotofisicamente

e suas propriedades foram comparadas às apresentadas pelos componentes isolados e pelos

sistemas intermediários. Observou-se que quando a auto-organização é promovida em solventes

com polarizabilidades (Δf) distintas, é possível inferir sobre o balanço de forças que,

predominantemente, atuam sobre a auto-organização. Por meio de imagens de microscopia

eletrônica de varredura, observou-se que, quando auto-organizadas em água, nanotubos de L-

difenilalanina (NT-F-F) se auto-organizam, partindo de uma região e se desenvolvendo em todas

as direções. A adição de compostos com propriedades distintas influenciou distintamente o

processo de auto-organização, favorecendo-o com o uso do quantum dot como aditivo, ou

desfavorecendo-o, com a adição das nanopartículas magnéticas. No entanto, no sistema contendo

ambos aditivos em proporções em que não são observados agregados, a auto-organização de

nanotubos é favorecida. Ainda, a análise do comportamento fotofísico revelou que a emissão de

fluorescência pode ter sua intensidade aumentada em decorrência da natureza da interação entre

os QD e os NT-F-F, por dar origem a um complexo de transferência de carga. Estes resultados

indicam que pode haver um efeito de conjugação que favorece os processos luminescentes que

partem de estados relaxados de menor energia nos sistemas contendo a partícula magnética e o

QD como aditivos, simultaneamente.

Palavras Chave: Nanotubos, L-difenilalanina, fluorescência, maguemita, Microscopia.

xxii

ABSTRACT

This work aims at preparation and morphological and photophysical characterization of

systems consisting of self-assembled structures based on the L-diphenylalanine dipeptide doped

with magnetic and luminescent aditives.

In this way, nanoparticles magnetic particles of maghemite (γ-Fe2O3) were prepared and

used as magnetic additives, while Cadmium Telurium (CD and Te) - based Quantum Dots (QD)

were employed as the luminescent additive. The resulting system was characterized by scanning

electron microscopy and steady-state fluorescence spectroscopy techniques and their properties

were compared tothose presented by the individual components and the intermediate systems.

Also, a study on the interaction forces involved in the self-organization of the dipeptide

was carried out by varying the method of preparation by employing in the preparation, solvents

with distinct physical-chemical properties and by relating conformational differences in the nano

and micro structures obtained in each preparation protocol with the balance of interactions forces

that contribute to the self-assembling phenomenon. Regarding- to that, when self-assembling is

promoted in solvents with distinct polarizabilities (Δf), as obtained by Lippert equation, it is

possible to infer about the forces balance that are predominant. The peculiarities of each structure

obtained were explored by SEM imaging and spectroscopic data. From scanning electron

micrographs, it is observed that self-assembling is governed by interactions between neighboring

aromatic rings, trhough π-stacking interactions and generates, in most cases, tubular structures.

However, in certain protocols, lamellar structures were observed.

When self-assembilng occurs in water, L-diphenylalanine (NT-F-F) nanotube growth

occursfrom a starting site and develops in all directions. The use of additives with distinct

properties acted in self-assebling process, favoring it when the quantum dot is additive or

disfavoring it when the magnetic nanoparticles are the additives. Furthermore, it was observed

that in the system containing both additives in proportions in which aggregates are not observed,

nanotube´s self-asembling and their further association leaded to microtubes.

Structural differences between obtained NT-F-F allow us to infer on the nature of

interactions between the dopants and the NT-F-F. The photophysical behavior analysis revealed

that the fluorescence emission increases due to the nature of interaction between QD and NT-F-F,

to give rise to a charge transfer complex. These results indicate that there may be a conjugation

xxiii

effect favoring luminescent processes from relaxed energy states of the system containing the

magnetic particle and QD as additives, simultaneously.

Key words: Nanotubes, L-diphenylalanine, fluorescence, maghemite, Microscopy

1

CAPÍTULO 1- MATERIAIS NANOESTRUTURADOS

1.1- Considerações sobre nanociências e aplicação tecnológica

A produção de materiais novos tem uma intensa influência na evolução social

principalmente no que tange aspectos econômicos, culturais, geográficos, demográficos,

ambientais, assim como outros. De acordo com Zarbin1, o nosso cotidiano tem sido influenciado

significativamente por nanomateriais. Historicamente, o desenvolvimento da civilização humana

foi determinado pela relação entre o homem e o emprego de novos materiais. Exemplos são: a

idade da pedra, da madeira, do bronze, do ferro, do aço. A sobrevivência humana, sua ascensão

sobre as próprias nações foi, é e será determinada pela utilização dos materiais de uma forma

geral, tendo reflexos em todas as áreas sociais como alimentação e moradia.

Assim, a Química tem como um de seus grandes desafios deste século é a construção de

dispositivos com capacidades e finalidades específicas que sejam determinadas pela sinergia e

funcionalidade de cada material componente destes dispositivos. Algumas destas capacidades

seriam, por exemplo: o reconhecimento molecular, a transformação, os transportes, a sinalização,

o armazenamento de informação e a transformação de energia.

A síntese, a caracterização e a aplicação dos mais variados tipos de nanomateriais são do

interesse da comunidade científica e é necessário um rígido controle no procedimento de síntese,

além da necessidade de reprodutibilidade e homogeneidade para que um novo material seja ao

final reconhecido e encontre uma aplicação.

A nanociência é fundamentada no tamanho crítico das partículas 1. É sabido que materiais,

quando produzidos em escala nanométrica apresentam características bastante distintas daquelas

que apresenta em escalas pronunciadamente maiores. Dessa forma, as propriedades que

conhecemos destes materiais (óticas, elétricas, magnéticas, de transporte, catalíticas, entre outras)

são todas determinadas e influenciadas pelo formato e, principalmente, pelo tamanho de

partículas. A relação que se faz é bastante simples, por exemplo, caso a partícula esteja abaixo do

tamanho crítico, suas propriedades serão diferenciadas, caso seja interesse comparar propriedades

iguais, em diferentes materiais.

A proposição e preparação desses materiais proporcionou o surgimento de uma nova

abordagem da química, que passou a ser chamada Química Supramolecular. Dentre suas

2

abordagens para o desenvolvimento de materiais interessantes temos a do tipo Botton-Up e a do

tipo Top-Down 2. As do tipo Botton-up referem-se às tecnologias de construção de estruturas

moleculares pelo método átomo a átomo ou molécula a molécula, tendo a auto-organização como

base da síntese química. Já no Top-Down, os componentes de uma macroestrutura são retirados

sequencialmente até a formação do nanomaterial de interesse2. Tendo isto em vista, a alta razão

superfície/volume e o fato de que os portadores de carga, em nanomateriais, ficam confinados nas

dimensões reduzidas das partículas nos faz refletir a respeito de que a partir do momento em que

temos o controle do tamanho e formato de partículas promovemos a criação de materiais cuja

possibilidade de utilização e características e propriedades são bastante distintas.

1.2- A química supramolecular

O principal objetivo da química supramolecular é o estudo sobre a forma como os

compostos de alta complexidade se organizam, a forma como as espécies se associam, as

interações existentes entre elas e as maneiras de obtê-los, já que suas características e funções são

muito específicas 3,4. Esta vem sendo a abordagem mais empregada no desenvolvimento dos

nanomateriais com possibilidades de aplicações tecnológicas, principalmente. Sendo assim, o

princípio da nanotecnologia está no entendimento de como os materiais nanométricos se

organizam, pois isto contribui de forma substancial na sua preparação e na predição das

propriedades que um dado material irá apresentar 5.

Dentro do vasto universo dos nanomateriais com aplicação tecnológica, o grande

destaque é para os nanotubos de carbono (CNTs), que são originados do enrolamento de folhas

do grafeno e é constituído de átomos de carbono com hibrização sp 2,6 e arranjo hexagonal

bidimensional, conforme apresentado na figura 1. De forma geral, os CNTs são classificados em

duas importantes categorias: (i) Nanotubos de carbono de parede única, (SWCNTs/single-walled

carbon nanotubes) que são todos formados a partir de uma única folha de grafeno resultando em

uma camada única cilíndrica, como observado na Figura 1a, e (ii) os nanotubos de carbono de

paredes múltiplas (MWCNTs/ multi-walled carbon nanotubes) formados por diversas folhas de

grafeno organizadas em vários cilindros concêntricos, observado na figura 1b 7,8.

3

Figura 1: Representação das estruturas de nanotubos de carbono: (a) de parede simples e (b) de

parede múltipla 8.

Os CNTs têm sido utilizados nas mais variadas aplicações tecnológicas 9-14, pelo fato de

apresentarem interessantes propriedades mecânicas, elétricas, excelente flexibilidade, elevada

resistência química e térmica 9,10. Além disso, suas variações estruturais podem promover nestes

materiais nanoestruturados características semicondutoras, supercondutoras e metálicas, as quais

estão relacionadas à direção do vetor quiral 11,12, variações estruturais que resultam em alterações

quanto ao transporte elétrico.

A necessidade em desenvolver sistemas funcionais tem levado, nos últimos anos, vários

cientistas a dedicar-se a trabalhos baseados na formação de nanomateriais utilizando compostos

inorgânicos e orgânicos como precurssores 15-17. Alternativas aos nanotubos de carbono têm sido

propostas, inclusive como forma de adicionar a interessantes nanoestruturas, propriedades que os

baseados em carbono não apresentam, como, por exemplo, a biocompatibilidade, uma vez que

muito pouco se sabe sobre a toxicidade dos nanotubos de carbono.

Um grupo de materiais que despertou um intenso interesse no meio científico foi o dos

peptídeos, que apresentam um grande potencial de aplicações biotecnológicas, devido à sua gama

de características, principalmente devidas à sua grande capacidade de auto-organização, como

intensa versatilidade estrutural, biocompatibilidade, reconhecimento molecular, seletividade, fácil

modificação química, habilidade na construção de sistemas geométricos diferentes como

nanofibras, nanotubos, nanofios, nanoesferas e entre outras, entre outras 18-21.

Por conta dessas características, compostos supramoleculares podem ser formados tendo

como base uma variedade de peptídeos, dando origem às mais variadas nanoestruturas, com

diversidade quanto à forma, que são estabilizadas, basicamente, por forças de Van de Waals,

forças eletrostáticas, ligações de hidrogênio e interações π-stacking 22,23. Devido a esta grande

capacidade de auto-organização, podemos propor sistemas baseados em distintos peptídeos e que

4

apresentam arquiteturas diversas, obtidas por intermédio do estudo funcional de compostos

moleculares, que leva à formação de materiais com propriedades variáveis e relacionadas à

tecnologia de interesse 22,24-26.

1.3- A estrutura dos peptídeos

Peptídeos são moléculas biológicas resultantes da união de dois ou mais resíduos de

aminoácidos, terminados por grupo ácido carboxílico e amina que se ligam entre si em ligações

amídicas (ou peptídicas) estabelecidas entre os grupos N e C terminais pertencentes a carbonos α 27. Estas ligações podem originar estruturas peptídicas lineares, semi-cíclicas (através de ligações

dissulfeto intra ou intercadeias peptídicas) ou cíclicas (entre grupos amino e carboxila dos

aminoácidos terminais), conformações estruturais do tipo D- hélice e estruturas tipo-L, mantidas

por interações inter ou intramoleculares entre os resíduos de aminoácidos 27,28. Por fim, a

organização destas moléculas pode ser influenciada por interações intermoleculares regidas pelas

classes de peptídeos que podemos encontrar, como exemplos: arquiteturas anfifílicas, iônicas ou

hidrofóbicas 18,29.

O pH do meio em que os compostos peptídicos são produzidos determina a ionização das

funções terminais destes materiais e, consequentemente, a química a que estão sujeitos. Portanto,

estes grupos terminais podem ser protonados (-COOH, -NH3+) quando em meios ácidos ou

desprotonados (-COO-, -NH2), quando em meios básicos. Porém, se o composto estiver em uma

solução de pH neutro, os peptídeos se apresentarão como íons dipolares 29 . Diante do exposto,

podemos observar a influência do pH do meio na conformação molecular que cadeias das

nanoestruturas de peptídeos podem assumir, levando a estruturas morfologicamente bastante

diferentes, que modula também as propriedades específicas que apresentarão 30.

1.3.1- A síntese química dos peptídeos

A síntese dos peptídeos pode ser processada basicamente em duas vias: Via fase líquida ou

via fase sólida, de acordo com o tamanho da cadeia peptídica e isolamento dos intermediários 31.

A síntese de peptídeos em fase sólida ocorre através de fragmentos peptídicos protegidos

em suas cadeias laterais (doadores de grupo acila/grupo carboxila de um aminoácido) com

5

receptores acila presentes em um fragmento protegido ligado a um suporte polimérico. Duas

diferentes estratégias podem ser utilizadas, como: terc-Butiloxicarbonil/Benzil (Boc/Benzil), lábil

em meio ácido e 9-fluorenilmetoxicarbonila/ t-butil (Fmoc/butil), lábil em meio básicos. Já na fase

líquida a ligação peptídica e a formação do peptídeo de interesse ocorrem na própria solução32-34.

A síntese dos peptídeos envolve mecanismos de substituição nucleofílica, através da

ativação do grupo carboxila por intermédio de reagentes ativadores, as carbodiimidas (DCC ou

DIC), e, logo em seguida a formação da ligação peptídica entre os resíduos dos aminoácidos,

devido a indução dos reagentes de acoplamento (HOBt), os quais influenciam o mecanismo

cinético da reação e previnem a racemização, que é a formação de subprodutos durante as etapas

da síntese. Dessa forma, mecanismos de ativação e acoplamento entre os resíduos dos

aminoácidos promove o crescimento da cadeia peptídica, conforme apresentado na Figura 2 35-36.

Figura 2: Esquema da formação da ligação peptídica.

1.3.2- As estruturas auto-organizadas de peptídeos

A cristalização e o enrolamento espacial da dupla hélice do DNA é o fenômeno mais

explorado sobre a ocorrência de automontagem em sistemas biológicos 37. Os peptídeos, de uma

forma especial, são bastante tendenciosos a automontagem, direcionadas pelo equilíbrio entre as

forças de interação que têm papel fundamental na físico-química desses compostos. A estratégia

supramolecular eleita pode promover estruturas baseadas nesta classe de compostos que

apresentam conformações estruturais muito diversificadas 38-40. É devido a essas características

estruturais diversificadas que estruturas peptídicas auto-organizadas estão sendo propostas com os

mais diversos objetivos, por exemplo, para reconhecer outras moléculas, transportar, sinalizar,

armazenar, converter energia, resultando em supermoléculas cujos objetivos são extremamente

específicos 41.

De forma especial a L-difenilalanina tem sido bastante estudada no âmbito dos

nanomateriais. Isto se deve a sua grande habilidade de automontagem, sua grande capacidade em

6

variar morfologias nos sistemas preparados (podendo obter nanotubos, nanoesferas, nanofios e

nanofibras) e por ser um material com propriedades que não estão completamente elucidadas e

que necessitam de mais investigações 37,42-44. A figura 3 37 ilustra a habilidade da L-difenilalanina

em formar estruturas supramoleculares distintas.

Os trabalhos com este tema já reportados evidenciam que os primeiros nanotubos baseados

em L-difenilalanina, desenvolvidos inicialmente por Ghadiri e seus colaboradores, tiveram origem

a partir da auto-organização de peptídeos cíclicos 45. Já Gazit e colaboradores 44 conseguiram

formar pela primeira vez compostos lineares quando estudaram a habilidade estrutural de

nanofibras amiloides, formados por sequências peptídicas aromáticas, as quais são responsáveis

pelo desenvolvimento de doenças como o Alzheimer e Parkinson 46.

Figura 3: Distintas estruturas supramoleculares obtidas da auto-organização de L-

difenilalanina e suas possíveis aplicações 37.

Modificações em sequências de resíduos de aminoácidos influenciam de forma direta as

propriedades presentes em sistemas supramoleculares diferentes. Estas modificações são

correlacionadas com variações nas morfologias, inclusive o emprego de enantiomeros durante a

síntese 47-48.

Na Figura 4 é possível observar as diversas morfologias que são adotadas pelas

nanoestruturas auto-organizadas quando se empregam sequências de peptídeos diferentes. A

exploração dessas distintas morfologias é o que confere as extensas vantagens do uso de peptídeo

7

e seu emprego em funções distintas, como a utilização em sistemas de alta seletividade, como os

de monitoramento. Deste ponto de vista, as nanoestruturas de peptídeos são uma excelente

alternativa para substituir, nestes dispositivos, os já bastante difundidos CNTs e metais de

transição, de forma bastante promissora 49-55.

a) Sequências que formam nanofibras

- Polipeptídeo β-Amiloide (KLVSFFAE)

- Calcitonina (DFNK)

- Sequências amiloidogênicas (STVIIE)

b) Sequências que formam nanotubos

- L-Difenilalanina NH2-L-Phe-L-Phe-COOH

- D-Difenilalanina NH2-D-Phe-D-Phe-COOH

c) Sequências que formam nanoesferas

- Cys-Difenilalanina NH2-Cys-Phe-Phe-COOH

Figura 4: Distintas nanoestruturas peptídicas obtidas da auto-organização de resíduos

peptídicos diferentes 23.

1.3.3- Estudo das propriedades morfológicas e estruturais dos peptídeos

Diversos trabalhos recentes tem investigado as formas de controle do processo de auto-

organização em sistemas nanoestruturados por meio de fatores como temperatura, escolha do

solvente adequado, variáveis na metodologia de obtenção, substrato e pH, para justificar as

diversas propriedades extremamente atrativas e exclusivas apresentadas por aquelas preparadas a

partir da molécula de L- difenilalanina (L-FF), cuja estrutura é apresentada na Figura 5 56,57. Estes

trabalhos ainda relatam a propriedade rígida destas nanoestruturas de L-Difenilalanina em relação

8

a outros materiais biológicos sendo suas propriedades mecânicas registradas com índices em

torno de 160 N/m e módulo de Young de 19 GPa 58.

Figura 5: Estrutura tridimensional da molécula de L-difenilalanina 59.

No trabalho desenvolvido por Adler-Abramovich 60 e seus colaboradores foi observado que

os nanotubos de L-difenilalanina (NT-F-F) apresentam estabilidade química e térmica, mesmo

quando preparados em solventes e temperaturas diferentes. Na figura 6a, estão apresentadas as

estruturas obtidas por eles. Pelas imagens, observa-se pequena variação na morfologia quando os

NT-F-F são obtidos em solventes diferentes. Porém, é perceptível a degradação e consequente

perda de morfologia quando os NT-F-F são termicamente tratados, em temperaturas elevadas,

entre 200 e 300 °C, como mostra as imagens na Figura 6b. Por conta destas análises os autores do

trabalho atribuíram a estabilidade térmica às interações do tipo π- stacking presente entre os

resíduos aromáticos que mediam a formação das nanoestruturas.

9

Figura 6: Imagens de microscopia eletrônica de varredura de NT-F-F: a) para nanotubos

obtidos em solventes distintos; b) sob tratamento térmico distinto. Reproduzido com permissão

de Adler-Abramovich 60.

Já no trabalho de Han e seus colaboradores 61 está reportado o estudo da automontagem de

moléculas de L-FF em soluções com variações de pH, em condições ácidas e básicas. Eles

observaram que o pH tem real efeito sobre as variações morfológicas nos NT-F-F. Na Figura 7

estão apresentadas as estruturas observadas pelos autores, onde nota-se que em condições ácidas

a automontagem resulta em estruturas em forma de tubos com tamanhos e diâmetros

diferenciados, enquanto que em condições básicas a automontagem resulta em fibras irregulares e

agregadas.

10

Figura 7: Imagens de microscopia eletrônica de varredura da diferentes morfologias das

nanoestruturas de L-FF em pHs diferentes. Em pH= 4, obtém-se nanotubos (a,b) e em pH = 10,

fibrilas (c,d). Reproduzido com permissão de Han 61.

No estudo realizado por Kim e seus colaboradores 62 foram propostas modificações

morfológicas nos NT-F-F através de alteração no método de preparo, realizando-se a dissolução

da L-FF em ácido trifluoroacético, seguida da adição de hidróxido de amônio até atingir o ponto

isoelétrico (entre pH 5 e 4). O resultado desta metodologia foi a formação de nanofios, cuja

origem é devida à atração eletrostática entre as moléculas de L-FF ocorridas por conta da

desprotonação do grupo carboxila. Os nanotubos foram preparados através da sonificação

seguida de aquecimento em água deionizada para preparar soluções com baixas concentrações de

L-FF. Quando em altas concentrações, a formação de nanofios foi observada por eles.

A figura 8 apresenta um esquema do efeito da variação da concentração sobre a

morfologia das nanoestruturas resultantes e do efeito da dissolução em ácido trifluoracético e da

sonicação em água, conforme o estudo de Kim e colaboradores. Eles mostraram que a morfologia

é dependente do precursor peptídico utilizado e da água livre no meio reacional, já que em

concentrações altas produziram nanofios e em concentrações baixas houve a formação de

nanotubos.

11

Figura 8: Efeito da metodologia de preparo sobre as estruturas resultantes da auto-organização

da L-FF na presença do ácido trifluoracético. a) estrutura molecular tridimensional da L-FF; b)

fibrilas formadas no ponto isoelétrico; c) nanotubos preparados em baixas concentrações; d)

nanofios preparados em alta concentração. Reproduzido com permissão de Kim 62.

1.3.3.1- Mecanismos da auto-organização de nanoestruturas baseadas em L- difenilalanina

Em linhas gerais, o mecanismo de automontagem das estruturas da L-difenilalanina não está

completamente definido, mas são aceitos alguns modelos teóricos que se baseiam em interações

intermoleculares não covalentes, como por exemplo, no balanço de forças de diversos tipos, como

as de Van der Waals, as hidrofóbicas, as ligações de hidrogênio e outras mais, as quais são

estabelecidas entre as moléculas dos peptídeos, influenciando diretamente a conformação da

molécula e promovendo a formação de nanoestruturas com propriedades interessantes e uma

elevada estabilidade físico-química 63-65.

As classes estruturais, juntamente com a disposição e os resíduos dos aminoácidos

envolvidos nas sequências dos peptídeos, tem grande influência na conformação da molécula

formada, já que influenciam a forma com que se dará a organização entre as moléculas, resultando

12

em morfologias completamente diferentes 29, 66,67. O processo da automontagem, como concebido,

está ilustrado na Figura 9.

Figura 9: Ilustração esquemática de automontagem molecular 67.

Segundo Reches e colaboradores 68, as moléculas de L-FF resultam em sistemas de

nanoestruturas tubulares e esféricas devido ao empilhamento de anéis aromáticos seguidos de

enrolamento de folhas bidimensionais, atribuídas a interações do tipo π-stacking (se refere a uma

atração, não covalente entre anéis aromáticos) segundo a sugestão apresentada na figura 10.

13

Figura 10: Ilustração da auto-organização de estruturas tubulares e esféricas da L-

difenilalanina 69. Por meio de interações eletrostáticas, as moléculas do peptídeo se empilham,

originando folhas que, por ação de interações de Van de Waals e π-stacking, se enrolam, dando

origem às nanoestruturas finais.

Görbitz e colaboradores 69 propuseram um modelo experimental para a construção de um

NT-F-F baseando-se em uma estrutura tubular formada a partir de nanotubos agregados, de

acordo coma Figura 11a. Nela, o número de estruturas adjacentes umas às outras, formando

agregados é responsável pelo controle do diâmetro da estrutura final. De acordo com o trabalho

realizado por eles, a região interna do nanotudo de origem seria hidrofílica, apresentando

diâmetro interno de 50 nm, enquanto a região externa deste nanotubo seria hidrofóbica e

apresentaria diâmetro de 110 nm. Esta observação está destacada na figura 11b. A conclusão de

que os canais internos ter caráter hidrofílico fez com que os autores sugerissem que estes

pudessem carrear moléculas de caráter catalítico ou mesmo íons de caráter metálico, resultantes

de processo de hidratação aplicáveis em sistemas de reconhecimento. Já, o diâmetro destes canais

foi calculado de acordo com a equação de estados de van der Waals, sendo ele na ordem de

diâmetro = 10 Å, (figura 11c).

a) b) c)

Figura 11: Modelo de construção de nanotubos de L-F-F: a) estrutura tubular formada a partir

de agregados; b) aumento da região destacada em a), apresentando a interface relativa aos

canais e c) estrutura unitária que dá origem aos agregados. Reproduzido com permissão de

Görbitz 69.

14

Na figura 12 70-72 está apresentada outra proposta para o mecanismo da automontagem, a

partir de peptídeos cíclicos de resíduos de aminoácidos enantioméricos (D, L) alternados, nos

quais há a interação entre os planos de folhas-ß estabilizadas por ligações de hidrogênio,

projetando a estrutura tubular. Estes peptídeos apresentam como característica importante o

controle preciso do diâmetro através do contole do tamanho da cadeia lateral, o ângulo de ligação

dos monômeros e estereoquímica dos aminoácidos. Porém, as propriedades superficiais dentro e

fora dos nanotubos 73-76 são determinadas pelo número correto e a sequência dos aminoácidos.

Figura 12: Esquema de formação de nanotubos a partir da auto-organização de peptídeos

cíclicos. Reproduzido com permissão de Bong 70(B).

Na Figura 13 pode-se observar que precursores lineares formados por enântiomeros (D e L)

conformam-se em uma forma α- hélice que são estabilizadas por ligações de hidrogênio, por

conta da quiralidade que promove inversão do ângulo e interação entre as moléculas 77-78. Os

anéis aromáticos existentes nas estruturas dos aminoácidos têm uma importantíssima função em

relação à conformação das nanoestruturas, pois permitem interações do tipo π-stacking com o

empilhamento de anéis aromáticos, conferindo direcionalidade durante a automontagem 18,76.

15

Figura 13: Interações em peptídeos lineares responsáveis pela auto-organização que gera

distintas estruturas.

Interações não covalentes extremamente dinâmicas influem na estabilidade dos sistemas

nanoestruturados e nas diferentes orientações assumidas pelas moléculas envolvidas na auto-

organização, o que resulta na automontagem molecular dos precursores, cíclicos e lineares

peptídicos em diferentes morfologias (tubos, esferas, fios) 79.

1.4- Aplicações dos biomateriais peptídicos nanoestruturados

Por conta das propriedades de automontagem 80 e de biocompatibilidade, as nanoestruturas

de peptídeos são consideradas promissoras no que tange a aplicações em engenharia e

nanotecnologia nas áreas de diagnóstico, tratamentos, terapias, construção de dispositivos, por

exemplo.

A construção de biossensores para sistemas de detecção e biomateriais compatíveis são

exemplos de aplicações bastante interessantes para os materiais nanoestruturados. Muitas

pesquisas recentes têm como objetivo promover a interação destes materiais com outros

compostos para potencializar, aperfeiçoar e até criar novas possibilidades de aplicação destes

materiais nanoestruturados. Com respeito à sua potencial aplicação em biossensores, os primeiros

trabalhos com enfoque no estudo das propriedades eletroquímicas dos NT-F-F datam de 2005 e

16

evidencia qualidade a potencialidade desses materiais de serem utilizados em biossensores ou em

dispositivos eletroquímicos81 como plataformas biocompatíveis. Um exemplo é a detecção na

ausência de método redox82 de Nicotinamida adenina dinucleotídeo (NADH), peróxido de

hidrogênio e etanol, em um biossensor amperométrico.

1.4.1 Em biossensores

Outro exemplo de aplicação de NT-F-F foi desenvolvido por La Rica 83 e colaboradores.

Em seu trabalho, eles modificaram um substrato de ouro com NT-F-F construindo um biochip

com o objetivo de identificar patógenos. Neste biochip foram incorporados anticorpos contra o

vírus herpes simples tipo 2 (HSV-2). A variação da capacitância entre eletrodos presentes no

biochip informou sobre a ligação entre o vírus e os anticorpos utilizados para modificar os

nanotubos de peptídeo.

Já Zhao e seus colaboradores 84 propuseram a utilização dos nanotubos de peptídeo como

matrizes nas quais ligações de hidrogênio eram as responsáveis pela interação entre os anticorpos

e o sensor, em um sistema de imobilização de anticorpos funcionalizados com nanotubos de

peptídeos. Por conta de intensa biocompatibilidade, eles se ligaram de forma seletiva a antígenos.

1.4.2- Outras aplicações

As nanoestruturas peptídicas possuem uma interessante afinidade com organismos

biológicos, o que confere a elas uma importante perspectiva de aplicação em sistemas

nanoestruturados com o objetivo de liberar drogas de forma controlada85.

No que tange à aplicação na engenharia de tecidos corpóreos, a neurociência tem sido

utilizada como fonte de pesquisa principal na utilização de nanotubos peptídicos para promover o

crescimento de nervos ópticos que foram danificados 86,87. Vale ressaltar que os resultados

obtidos neste campo têm sido absolutamente promissores. Um exemplo desta aplicação é a

utilização de oligopeptídeos como precursores com concentrações diferentes nas soluções de

processos de eliminação de ativos em células por endocitose (processo de absorção), onde houve

uma modificação espontânea das nanoestruturas peptídicas para vesículas 88.

17

1.5- Métodos usuais de preparação de nanoestruturas peptídicas

No que diz respeito ao cenário técnico-científico atual, vários estudos vem sendo

realizados na busca por materiais nanoestruturados com morfologias variadas em 1-D, 2-D e 3-D,

bem como importantes alterações nas propriedades físico-químicas neles que permitam

variabilidades nas aplicações biotecnológicas. Nestes estudos variações nas condições de

temperatura, concentração e solvente vem sendo empregados na tentativa de propiciar novas

técnicas de preparação de nanoestruturas peptídicas 89.

Várias metodologias podem ser empregadas na preparação de materiais peptídicos

nanoestruturados. As mais comuns são: fase líquida, deposição física a vapor, fase sólida-vapor,

eletrofiação, nanoimpressão e dieletroforese. Em todas elas os objetivos são os mesmos, sendo

eles: estabilidade, reprodutibilidade e controle, baseadas em crescimento espontâneo e processos

de nucleação. A seguir serão descritas as técnicas empregadas no desenvolvimento deste trabalho 89,90.

1.5.1- Preparação de nanoestruturas peptídicas em fase líquida

O procedimento para a auto-organização da L-FF em nanotubos, conforme esquematizado

na Figura 14 é o mais comum e envolve dissolução deste precursor em 1,1,1,3,3,3-hexafluor-2-

propanol (HFP) e posterior diluição desta solução com água deionizada até uma concentração

final ótima seja atingida 1,91,92 . O resultado visual deste procedimento é a formação de um gel,

que é formado por nanoestruturas que se auto-organizam no solvente e com diâmetros na ordem

de 80 a 300 nm com comprimento de centenas de mícrons, formado em decorrência da

automontagem ocorrida com o precursor associada com nucleação e crescimento de suas

moléculas.

18

Figura 14: Esquema de preparação de nanoestruturas peptídicas em fase líquida através da

dissolução da L-FF em 1,1,1,3,3,3-hexafluor-2-propanol (HFP) e posterior diluição desta

solução com água deionizada. Reproduzido com permissão de Carny, Reches e Gazit 91,92.

Em 2006, Reches e Gazit 93 desenvolveram um estudo no qual a auto-organização dos

nanotubos de L-FF se deu com a associação de partículas magnéticas à solução do peptídeo com

o intuito de produzir os nanotubos peptídicos verticalmente orientados. Logo em seguida

adicionaram uma alíquota deste preparado sobre um substrato de silicone e, durante a evaporação

do solvente, aplicaram um campo magnético, fazendo com que os nanotubos se orientassem

verticalmente sobre o substrato. De acordo com estes autores o alinhamento vertical está

relacionado à energia resultante dos acoplamentos dos anéis aromáticos do peptídeo e o campo

magnético empregado. A Figura 15 apresenta uma representação esquemática do procedimento

por eles executado e imagens de microscopia eletrônica de varredura das estruturas obtidas.

19

a)

b)

Figura 15: a) Esquema da produção de nanotubo de difenilalanina com orientação vertical

sobre um substrato e posterior orientação vertical com um campo magnético. b) Micrografias

dos nanotubos obtidos. Reproduzido com permissão de Reches e Gazit 93.

1.6- As nanopartículas e fluido magnéticos

Em 2008 L´Azou 94 e colaboradores definiram as nanopartículas magnéticas (NPMs) como

sendo partículas coloidais aplicadas na área da nanotecnologia, cuja composição poderia ser

bastante variável. Poderiam conter, por exemplo: carbono, metais, polímeros e fosfolipídios e

apresentar diâmetros variando entre 1 e 100 nm.

Nanopartículas magnéticas (NPMs) são partículas de tamanho nanométrico formadas por

substâncias contendo metais em sua composição, sendo as substâncias mais comumente

utilizadas na produção de NPMs: os óxidos de ferro: maguemita (γ-Fe2O3) e magnetita (Fe3O4).

Em 2007, Alcântara e seus colaboradores 95 apresentaram a maguemita como uma estrutura

em espinélio invertida com uma distorção de sub-rede tetragonal. De forma geral ela é

considerada uma magnetita deficiente em ferro que pode ser obtida naturalmente por intermédio

de um processo oxidativo ocorrido em sua precursora, que é a magnetita. O retículo cristalino da

maguemita apresenta vacâncias, com ausência de cátions bivalentes nas sub-redes localizados nos

sítios octaédricos. Cada célula unitária da maguemita, que é cúbica de face centrada, contém em

20

torno 32 ânions de oxigênio, 21 cátions férricos e 2 a 3 vacâncias localizadas nos sítios

octaédricos Na Figura 16 temos uma representação esquemática da maguemita, segundo o

descrito pelos autores.

Figura 16: Representação de uma cela unitária de maguemita 96.

Em 2008, Pankhurst 97 e colaboradores indicaram que a grande magnetização espontânea

ocorrida à temperatura ambiente, suas propriedades magnéticas e a alta compatibilidade biológica

seriam as motivações para a grande utilização da maguemita na produção de NPMs. Na Figura 17

temos uma amostra das nanopartículas de maguemita.

Figura 17: Amostra de nanopartículas de maguemita 98.

Fabian 99 propôs que quanto às propriedades os NPMs se assemelham a pequenos ímãs

permanentes contendo pólos norte e sul apontados em direções aleatórias que podem ser

alinhados com a aplicação de um campo magnético externo. Na Figura 18 pode-se observar um

exemplo deste efeito.

21

Figura 18: Fluido Magnético sob aplicação de um campo magnético (aproximação de um imã) 99.

Os Fluidos Magnéticos (FM) têm despertado grande interesse em várias áreas do

conhecimento como tecnológicas, industrial e biomédica por conta de que esses materiais

conseguem associar as características físicas do líquido que carreia o material com a resposta

produzida por um campo magnético 100. Vale ressaltar que esses fluidos apresentam as

propriedades físico-químicas dos materiais no estado líquido associadas às propriedades

magnéticas dos materiais sólidos, resultando em um comportamento magnético das

nanopartículas homogêneo em toda a extensão do líquido.

Segundo Silveira e seus colaboradores 100 os FMs possuem como principal característica a

estabilidade, uma vez que é possível manter as nanopartículas magnéticas em suspensão sem que

haja a aglomeração e subsequente precipitação das nanopartículas, observando-se apenas

monodomínios onde elas permanecem na forma de entidades isoladas. Segundo o estudo

realizado por eles esta estabilidade pode ser obtida de algumas formas como, por exemplo,

fazendo com que o movimento Browniano (movimento aleatório de partículas) atue como agente

dispersor ou empregando-se moléculas apropriadas para recobrir as nanopartículas. A

manutenção da alta estabilidade do FM se dá ao balanço de interações do tipo partícula-partícula,

partícula com molécula, moléculas com partícula ou mesmo íons do líquido dispersante. Devido a

isso a suspensão das nanopartículas superparamagnéticas permanece estável, inclusive quando

submetidos a forças magnéticas. Abaixo estão listados alguns fatores fundamentais para a

manutenção desta estabilidade estudados por Silveira e seus colaboradores:

Interação térmica (movimento Browniano);

22

Força gravitacional;

Interações entre os dipolos magnéticos;

Repulsão gerada pela cobertura da partícula podendo ser: estérica, (por contato),

eletrostáticas, ou ambas.

Interações de Van der Waals;

1.7- As nanopartículas fluorescentes: quantum dots

Quantun dots (QDs) são nanocristais fluorescentes que apresentam tamanhos de 1 a 10

nm. Consistem em um núcleo semicondutor central estabilizado por uma camada orgânica ligada

quimicamente ao núcleo. São produzidos, principalmente, a partir de sais inorgânicos (por

exemplo, CDs, ZnS) 101. A solubilidade em água é proporcionada quando a camada revestidora é

composta por moléculas carregadas covalentemente ligadas à superfície dos QDs, através de

terminações tiol 102. As moléculas ligadas à camada externa muitas vezes atuam como

mediadores para a conjugação com os ligantes ou biomoléculas funcionais, uma vez que estes

compostos encontram aplicação como marcadores celulares ou de tecidos, entre outras

metodologias de diagnóstico 103, 104. Suas dimensões reduzidas promove um confinamento de

portadores de carga (elétrons e buracos), o que permite a eles ter propriedades ópticas que se

modificam apenas com a variação do tamanho das nanopartículas, permitindo sua aplicação em

diferentes setores tecnológicos 105, 106.

Os QDs podem ser classificados de acordo com os grupos da tabela periódica onde estão

os elementos químicos que os constituem, sendo eles sistemas binários II-VI e III-V, do qual

fazem parte o CdTe e o CdSe. Eles possuem boa estabilidade e elevada eficiência quântica de

luminescência, e ainda um baixo valor gap de energia entre os estados eletrônicos fundamentais e

excitados envolvidos nas transições elertônicas que resultam na observada luminescência,

fazendo com que os seus nanocristais emitam luz em uma larga faixa do espectro ultravioleta-

visível. 107

Devido às suas propriedades ópticas únicas, tais como espectros de emissão de alta

intensidade e de forma simétrica, alto rendimento quântico de fluorescência, uma boa

estabilidade química, não fotodegradação 108-111 e emissão em comprimentos de onda dependente

23

do tamanho das nanopartículas, 102 os QDs estão se tornando uma atraente alternativa como

marcadores fluorescentes em química analítica, biologia celular e medicina.

Comparado com corantes orgânicos, QDs tem fotoluminescência sintonizável (PL)

dependentes do tamanho, com amplo espectro de excitação e estreitas larguras de banda de

emissão, que permitem que a excitação simultânea de partículas de tamanhos diferentes a um

único comprimento de onda. Além disso, seu limite de alta fotodegradação torna contínuo ou em

longo prazo o monitoramento de processos biológicos lentos. Estas propriedades únicas dos QDs

fazem deles muito atraentes para uma variedade de investigações 112-118.

QDs são relevantes para a fabricação de dispositivos que emitem luz (LEDs), lasers e

células fotovoltaicas sendo que, nessas últimas, os nanocristais empregados conseguem converter

cerca de 45% da energia solar incidente em energia elétrica utilizável, valor que é superior ao

obtido por células convencionais de silício (15–20%) 119. Na nanomedicina, os QDs são

empregados com grandes vantagens frente aos corantes usuais, pois apresentam elevada

intensidade luminescente, alto coeficiente de absorção molar e excelente resistência à

fotodegradação 120, o que faz com que eles sejam mais promissores do que os corantes orgânicos

convencionais utilizados como marcadores biológicos, com o objetivo de detectar células doentes

no paciente, bactérias ou outros patogênicos 121. Além disso, os QDs necessitam apenas de uma

fonte de excitação para induzir a luminescência em diferentes comprimentos de onda, pelo fato

de serem nanopartículas com tamanhos diferentes, enquanto que os corantes orgânicos exigem

mais de uma fonte de luz de excitação para luminescerem em diferentes regiões do espectro 122.

1.8- Atualiadade sobre as nanoestruturas peptídicas

Recentemente, alguns trabalhos em que são citadas aplicações científicas e tecnológicas

de peptídeos, quantum dots e partículas magnéticas foram publicados, como, por exemplo, o

trabalho de, Mayt e colaboradores 123 que produziram matrizes auto-organizadas de peptídeos

sintéticos curtos que continham quantum dot de CdS e obtiveram como resultado um sistema

CdS-peptídeo que apresentou considerável aumento na intensidade de emissão em comparação

com o CdS livre. Também Hanson e colaboradores 124 realizaram um estudo sobre eficiência das

células solares e fotoeletroquímicas sensibilizadas por corante através da transferência de elétrons

na interface elétrodo-sensibilizador. O estudo se deu por meio da investigação das relações

24

estrutura-propriedade em conjuntos baseados em soluções com metalóides de Rutênio e peptídeos

quimicamente ligados a um filme nanocristalino de MO2 (M = Ti, Zr). Apesar de vários relatos

descreverem caracterizações químicas e morfológicas de PNTs, visando-se de aplicações destes

materiais, estudos mais aprofundados são necessários. Para este fim, estudos sobre as possíveis

aplicações da PNTs, por exemplo, na entrega de droga, em biossensores, filtros, e na

microeletrônica, estão em desenvolvimento 125.

Uma área de interesse é o uso de PNTs para a síntese de nanotubos inorgânicos aditivados

com vários materiais inorgânicos. Um exemplo disto é a redução de sais de prata no interior

PNTs automontadas, para dar origem a nanofios metálicos com propriedades únicas. Esses

nanofios se formam baseados na propriedade que os PNTs apresentam de controlar o crescimento

inorgânico por processos de nucleação em superfícies de nanotubos. No interior das PNTs, os

íons de prata são reduzidos a prata metálica e o modelo peptídico com as dimensões do fio é

removido por degradação enzimática. Esta fabricação pode ter aplicações em molecular

eletrônica, tais como na produção de pequenas nanofios que não pode ser feito através de

litografia convencional. Finalmente, a síntese e caracterização físico-química de uma classe de

heterodímeros nanotubular foram descritas no intuito de compreender fotossistemas artificiais.

Peptídeos cíclicos com unidades elétron-doadores podem atuar como um sistema de fulereno que

tem um elétron que pode sofrer transferência eficiente e altamente direcional, imitando, dessa

forma os sistemas fotossintéticos encontrados em plantas e bactérias 125.

Uma das aplicações mais promissoras PNTs é a sua utilização como agentes em entrega e

liberação controlada de drogas. Inúmeros trabalhos na literatura mostram o grande potencial de

PNTs como veículos para a libertação controlada de quantidades terapêuticas de uma variedade

de diferentes fármacos. Por exemplo, devido à sua excelente biocompatibilidade, bioabsorção e

reciclagem, nanotubos de dipeptídeo catiônico podem ser utilizados como uma nova classe de

veículos moleculares para transportar vários tipos de espécies ativas como a indústria

farmacêutica, genes e proteínas. Uma propriedade interessante deste nanomaterial é ele que sofre

uma conversão espontânea em vesículas por dispersão causada por diluição, permitindo que entre

facilmente nas células-alvo. Com efeito, os nanotubos a partir de dipeptídeos catiônicos que

apresentem fluorescência poderiam entrar nas células de forma eficiente e acumular-se no

citoplasma destas células após internalização, encontrando aplicação ou em terapia fotodinâmica

ou então em diagnóstico. Neste âmbito, outro uso do PNTs em aplicações biomédicas é como

25

detector de patógenos 125. No trabalho de La Rica 83, um chip para funcionar como sensor foi

preparado por auto-montagem de unidades monoméricas do peptídeo (Na-amidoglicilglicina) -

1,7-dicarboxilato de heptano revestido com anticorpos (policlonal de ovelha anti-HSV-2) em um

processo de incubação, e montados em uma plataforma de dispositivo de óxidos de silício. Os

PNTs foram direcionados para o intervalo entre um par de eletrodos por dieletroforese positiva.

Nesse sentido, Andersen et al.126 destacou que é de fundamental importância para aplicações

biomédicas de PNTs para investigar a sua estabilidade em um líquido, e não apenas após a

evaporação do solvente.

26

CAPÍTULO 2- PRINCÍPIOS DE FOTOFÍSICA

2.1- Princípio de Franck - Condon

O princípio do estado de Frank-Condon considera que, uma vez que o tempo necessário

para que ocorra uma transição eletrônica é muito menor do que o tempo de movimentação dos

núcleos, a transição vibrônica mais provável é aquela que não envolve a mudança nas

coordenadas nucleares. Esta transição, que é denominada de máximo Frank-Condon, representa a

transição vertical no diagrama de energia potencial. Este máximo corresponde ao máximo de

sobreposição entre o estado eletrônico fundamental e o estado excitado 127.

O conjunto de bandas vibrônicas de absorção é denominado de pacote de Frank-Condon,

e o máximo corresponde ao máximo de Frank-Condon. Este aproxima a posição da banda

vibrônica mais intensa de absorção. Se a última é a transição 0-0, como a absorção S0-S1 de

muitos hidrocarbonetos aromáticos, isto indica que a configuração nuclear média do estado

eletrônico excitada é similar ao estado fundamental 127.

Em condições normais uma molécula encontra-se em um nível vibracional de menor

energia de um estado eletrônico fundamental. Quando o elétron absorve um fóton, ele excita a

molécula para um dos possíveis níveis vibracionais e/ou rotacionais do estado eletrônico, de

maior energia. Portanto, o espectro de absorção será composto por um conjunto de bandas

associadas às diversas transições vibracionais e/ou rotacionais possíveis dos dois estados

eletrônicos envolvidos na transição 128.

O espaçamento, em energia, entre os níveis rotacionais é muito pequeno, sendo estas

transições não observadas nos espectros eletrônicos de absorção na região do UV-Vis. No

entanto, estas transições são observadas em forma de bandas na região do infravermelho. Em

relação aos níveis vibracionais o espaçamento entre eles são maiores, cuja transição vibracional

pode ser representada na forma de bandas. Assim, um estado eletrônico é constituído por um

conjunto de níveis vibracionais e este por um conjunto de níveis rotacionais 129. A Figura 19

apresenta o espectro de absorção resultante da promoção dos elétrons de uma molécula do estado

eletrônico fundamental para um estado eletrônico de maior energia, com a origem da resolução

vibracional apresentada, onde B representa o estado fundamental e A o estado excitado.

Importante notar que a promoção do elétron a um nível de energia mais alto sempre se dá a partir

27

do estado eletrônico fundamental e de nível vibracional de energia mais baixa. O elétron é

promovido a qualquer nível eletrônico de energia maior e a qualquer nível vibracional naqueles

estados eletrônicos.

Figura 19: Representação do gráfico de absorção, no qual são mostradas as transições

vibracionais características de cada banda, onde B representa o estado fundamental e A o

estado excitado 129.

2.2 Transições Eletrônicas – Diagrama de Jablonski

O estado eletrônico fundamental de quase todas as moléculas orgânicas é um estado

singleto S0, com elétrons emparelhados com spins opostos. No caso especial das moléculas

orgânicas aromáticas, a absorção de luz pelos sistemas π-conjugados resulta na promoção de

elétrons do HOMO para o LUMO sem mudança de spin, ou seja, a excitação de um elétron ocorre

com a conservação do spin, com isso o estado eletrônico excitado populado é também um estado

singleto, denominado Sn. Os tipos de transições radiativas ou não radiativas que podem ocorrer a

partir de um estado excitado Sn estão representados no diagrama de Perrin-Jablonski 130, mostrado

na figura 20 abaixo.

28

Figura 20: Representação do Diagrama de Jablonski e dos processos radiativos e não radiativos

possíveis 131.

A figura 20 apresenta os diversos processos eletrônicos que podem ocorrer em um

composto, quer sejam radiativos, ou seja, que ocorrem com absorção ou emissão de radiação,

quer sejam não radiativos, ou seja, que não envolvem emissão ou absorção de radiação, mas sim

trocas térmicas de energia. Os processos de relaxamento dos estados singletos superiores para o

primeiro estado singleto S1 excitado são denominados de conversões internas (CI). Esses

processos são extremamente rápidos e ocorrem através de ativação de modos vibracionais da

molécula.

Uma vez que a molécula ou átomo absorve radiação, o elétron é promovido a um estado

eletrônico excitado. No estado eletrônico S1 o elétron retorna radiativamente para o estado S0, via

emissão fluorescência (F), um processo rápido, que ocorre em nanosegundos, ou então não

radiativamente, via conversão interna.

Devido às regras de seleção de spin, é proibida a transição direta de estados singletos para

estados tripletos e vice-versa. Entretanto, em sistemas poliméricos, onde há um acoplamento

spin-órbita considerável, há um relaxamento da regra de seleção e um elétron pode transferir-se

de um estado singleto excitado superior para um estado tripleto por meio de um cruzamento

intersistema (CIS), havendo uma inversão do spin 132. Assim, após a excitação para estados

29

eletrônicos singletos de maiores energias podem ocorrer um processo CIS, que resulta na

transferência e ocupação de estados tripletos excitados Tn. Esses estados tripletos relaxam através

de processos CI e atingem o estado T1. A partir do estado T1, o estado singleto fundamental S0

pode ser alcançado através da fosforescência (P), que, por ter um caráter proibido por

multiplicidade de spin, ocorre em tempos bastante longos (em torno de segundos) T1 → S0, ou

por um processo CIS não radiativo, via relaxações vibracionais do estado T1 para S0. O tempo de

vida do éxciton (par elétron-buraco) no processo de fluorescência (S1 → S0) varia de 10−9 a 10−7

segundos, enquanto no processo de fosforescência (T1 → S0) é da ordem de 10−3 a 10 segundos.

Isso se explica pelo fato de estarem envolvidos no processo da fosforescência estados eletrônicos

de multiplicidades de spins diferentes, enquanto na fluorescência os estados eletrônicos são de

mesma multiplicidade de spin.

2.3 Absorção e Espalhamento de Fótons.

Espalhamento elástico, espalhamento inelástico, absorção por ressonância, fluorescência,

efeito fotoelétrico, espalhamento Compton e emissão estimulada são os processos gerados

quando um fóton incide sobre um elétron ou uma molécula 133.

Com respeito às diferentes formas de interação da luz com a matéria, uma vez que os

fótons incidentes e espalhados têm a mesma energia, o espalhamento é elástico (Figura 21a). O

espalhamento inelástico (Figura 21b) acontece quando o fóton incidente provoca a transição do

elétron para um estado excitado, tranferindo a ele energia suficiente para alcançar um estado de

maior energia, porém, inferior à energia de ionização, não ocorrendo, portanto, a emissão do

elétron afetado 133.

Se a energia do fóton é exatamente igual à diferença de energia entre o estado

fundamental e o primeiro estado excitado do átomo, ocorre o fenômeno da absorção

propriamente dita, (Figura 21c). A Figura 21d ilustra o efeito fotoelétrico, no qual um fóton, ao

atingir um átomo, ioniza-o, provocando a emissão de um elétron. A Figura 25e ilustra o

espalhamento Compton, que ocorre sempre que a energia do fóton incidente for muito maior que

a energia de ionização. Neste caso, observa-se a emissão de um elétron, por ionização, e de um

fóton de energia similar à energia excedente, simultaneamente 133.

30

Figura 21: Fenômenos que podem ocorrer quando um fóton incide sobre um átomo. a)

espalhamento elástico, b) espalhamento inelástico, c) absorção, d) efeito fotoelétrico, e)

espalhamento Compton 133.

2.4- Fluorescência.

Processos uni ou bimoleculares são os responsáveis pelos diversos processos fotofísicos

que podem ser observados em um sistema. Dentre eles, o processo radiativo da fluorescência

apresenta diversas aplicações científicas e tecnológicas. Quando gerados por processos

unimoleculares, os cromóforos influenciados por sua interação com a luz, promovem a emissão

de fluorescência que lhes é característica. Nos bimoleculares, complexos são formados e a

emissão originada tem fluorescência característica e diferente da originada pelo cromóforo de

origem, simplesmente por envolver a formação de novos sistemas emissores de luz. Dependendo

das entidades envolvidas na formação destes complexos, eles podem ser classificados como

excímeros, se formados a partir de moléculas idênticas, uma no estado eletrônico fundamental e a

outra excitada, e exciplexos, se formados a partir de entidades diferentes 134.

A luz emitida ou absorvida, via de regra, pode ser registrada como espectros, em que se

relaciona a intensidade da luz emitida ou da absorção de luz, com o respectivo comprimento de

onda. Estes espectros podem ser analisados isoladamente ou complementariamente a outras

técnicas de análise e fornecer informações importantes quanto a morfologia e comportamento dos

sistemas de interesse. Geralmente, a emissão de fluorescência pode ser caracterizada em dois

tipos, de acordo com a metodologia de produção, sendo elas a normal e a atrasada em que a

31

fluorescência atrasada corresponde àquela que pode ocorrer por vários mecanismos diferentes. A

seguir serão ilustradas as atrasadas 135.

O processo não radiativo do cruzamento intersistema T1-S1 é o responsável pela

probabilidade de ocorrência da fluorescência atrasada tipo E, chamada eosin type por ter sido

observado primeiro no corante eosina. A eosina, corante xantênico, apresenta um estado

eletrônico excitado tripleto de menor energia (T1) com energia bastante próxima ao estado

singleto S1. Devido a isso, processos de cruzamento intersistemas ocorrem mais facilmente e o

estado S1 é seguidamente populado durante todo o tempo de vida do estado T1 de onde são

provenientes os elétrons que populam S1 e, então, emite fluorescência. O resultado, portanto,

desta ida e vinda do elétron aos estados S1 e T1 é uma fluorescência que ocorre em tempo

bastante longo após a absorção de energia. A todos os sistemas que envolvem o surgimento da

fluorescência atrasada como resultado do intercâmbio eletrônico entre os estados tripleto e

singleto, se dá a classificação de fluorescência atrasada do tipo E 134.

Quando se tem um processo bimolecular resultante da interação entre moléculas iguais,

estando ambas em seus estados tripletos (3M*) eletronicamente excitados, observa-se a chamada

fluorescência atrasada do tipo D 134.

É interessante notar que em ambos os casos, os espectros de fluorescência atrasada

obtidos são virtualmente os mesmos que os obtidos pelo processo de excitação diretamente ao

estado eletrônico S1 e retorno ao S0, diferenciando, no entanto, quanto ao tempo de vida da

fluorescência, que na atrasada, por envolver estados de multiplicidade de spin distintos, é

bastante mais longo. Importante salientar que a fluorescência atrasada não é comparada à

fosforescência que corresponde ao processo de desativação do estado tripleto T1 diretamente ao

estado eletrônico fundamental S0 134.

32

Figura 22: Diagrama de Jablonski ilustrando os vários fenômenos ocorrentes entre a excitação e

relaxação eletrônica 135.

As características da fluorescência podem ser modificadas por quatro processos

bimoleculares que promovem competição com a emissão de fluorescência em soluções 134.

Extinção Colisional– corresponde à extinção do estado eletronicamente excitado 1M* da

molécula por colisão com outra molécula presente no sistema e pode acontecer se a

solução apresentar uma impureza, que tem capacidade de suprimir a fluorescência e é

denominado supressor (Q). As colisões envolvidas neste processo são controladas por

difusão.

Extinção por Transferência de Energia – A fluorescência pode ser extinta caso a

impureza presente na solução apresente um estado eletrônico excitado com menor energia

que o do cromóforo. Assim a transferência de energia não radiativa para a impureza é

promovida.

Extinção por Concentração – A formação de excímeros leva a uma auto-extinção, na qual

a diminuição da intensidade da fluorescência comum à molécula isolada é devida à

formação do excímero promovido pelo aumento da concentração da espécie emissora.

33

Migração Radiativa – Ocorre sempre que há um processo de auto-absorção de parte da

fluorescência que foi emitida pela molécula. Para ocorrer, é necessário que haja uma

sobreposição espectral entre absorção e fluorescência, resultando em um efeito chamado

de filtro interno.

Quando se utilizam soluções muito diluídas na determinação de espectros de

fluorescência, os efeitos da auto-absorção são diminuídos.

2.5- Processos não – radiativos

Fosforescência e fluorescência atrasadas podem ser geradas por processos não

radioativos, os quais têm como principal característica a diminuição da intensidade de

fluorescência. Vale ressaltar que estes processos são decorrentes de conversão interna e

cruzamento intersistema. Como as transições radiativas não são possíveis a partir de estados

excitados de maior energia, a Regra de Kasha foi proposta para explicar como se dá a desativação

dos estados eletrônicos de maior energia até o estado eletrônico excitado de menor energia, de

onde, então, se pode registrar emissão de radiação. Assim, Kasha propôs que a desativação dos

estados mais energéticos se dá por meio de processos não radiativos, cujos principais são 134:

Relaxação vibracional que ocorre a partir de um nível vibracional de maior energia para

outro de menor energia em um mesmo estado eletrônico. A perda energética se dá como

energia térmica.

Conversão interna que é um processo isoenergético, mas que envolve estados eletrônicos

diferentes e de mesma multiplicidade de spin.

Cruzamento inter-sistemas que também é um processo isoenergético, envolvendo estados

de diferentes multiplicidades de spin e ocorre sempre que a diferença de energia entre os

estados de multiplicidade de spin diferentes for pequena. Para ocorrer, é necessário que

em ambos estados hajam estados vibracionais isoenergéticos.

34

CAPÍTULO 3- OBJETIVOS

3.1- Objetivos gerais

O intuito deste trabalho é desenvolver metodologias para a produção de estruturas auto-

organizadas baseadas no dipeptídeo L-difenilalanina e sua aditivação com nanopartículas que

podem fornecer propriedades interessantes ao sistema resultante. Em especial, conferir ao sistema

propriedades magnéticas e luminescentes foi objetivo deste trabalho.

A criação de uma metodologia controlada de produção e a determinação das variáveis

atuando sobre as propriedades do sistema também foi objetivo deste trabalho

3.2 – Objetivos específicos

Os objetivos específicos deste trabalho estão listados a seguir:

Desenvolver uma metodologia de produção e aditivação de nano e microtubos de

difenilalanina

Desenvolver estruturas peptídicas distintas baseadas em L-difenilalanina por metodologia

reprodutível

Obter estruturas peptídicas por via líquida, em meios distintos do aquoso

Descrever as características morfológicas das estruturas peptídicas

Conferir às estruturas propriedades distintas por meio da aditivação

Descrever características ópticas da estrutura contendo aditivo luminescente e compará-

las às apresentadas pelos compostos de origem

Obter um sistema com características magnéticas e fluorescentes.

35

CAPÍTULO 4- TÉCNICAS DE CARACTERIZAÇÃO EMPREGADAS

De forma geral a caracterização dos materiais possui grande importância no que tange a

descrição da morfologia e das propriedades dos materiais, o que é fundamental para a sugestão

das possíveis aplicabilidades. Por isso, a caracterização abrange a avaliação das propriedades

físicas e químicas, uma vez que envolvem técnicas mecânicas, elétricas, térmicas, bioatividade,

dentre outras. Neste trabalho, a caracterização dos sistemas desenvolvidos é etapa fundamental e

abrange a caracterização morfológica, que foi realizada por meio da obtenção de imagens de

microscopia eletrônica e das propriedades fotofísicas dos compostos e das combinações

propostas, por meio da espectroscopia de fluorescência fotoestacionária. Uma descrição das

técnicas principais empregadas é apresentada nas seções a seguir.

4.1- Detalhes operacionais da espectroscopia de fluorescência fotoestacionária

A técnica da espectroscopia de fluorescência em condições fotoestacionárias se baseia no

registro dos espectros de excitação e de emissão de fluorescência de um composto quando a luz

de excitação incide sobre ela. O equipamento usado para isso é o espectrofluorímetro, que possui

uma variedade de arranjos e componentes, dependendo das necessidades específicas de cada

estudo e das características das amostras. De modo geral, o espectrofluorímetro opera de forma

que sobre o analito incide um comprimento de onda selecionado (ou uma faixa de comprimentos

de onda) por um monocromador de excitação maneira contínua. Esta luz incidente, a luz de

excitação, é então absorvida pela amostra, que responde à excitação produzindo emissões de

radiações eletromagnéticas em decorrência do processo de fluorescência. Uma fotomultiplicadora

posicionada a 90° do porta-amostra e após um monocromador de emissão, detecta o sinal

radiativo emitido pela amostra. Por resultar em emissão de fluorescência que é detectada sem

considerar o tempo necessário para a excitação dos elétrons a um nível eletrônico de energia

maior e seu retorno a partir do estado eletrônico excitado de menor energia ao estado eletrônico

fundamental, é que a técnica é classificada como espectroscopia de fluorescência em condições

fotoestacionárias 134.

De forma geral o espectrofluorímetro contém uma fonte de luz policromática que pode ser

uma lâmpada de mercúrio ou de xenônio. Esta luz é decomposta por meio de uma rede de

36

difração ou por um monocromador, nos aparelhos mais modernos, que seleciona o comprimento

de onda que irá excitar a amostra. Dessa forma, a amostra é excitada pela incidência de uma

radiação com comprimento de onda selecionado. A absorção dessa energia pela amostra resulta

na promoção dos elétrons de valência do composto fotoativo da amostra a um estado eletrônico

de maior energia. A emissão de fluorescência ocorre após os elétrons excitados terem sofrido

outros processos não radiativos de desativação que diminuem a energia de modo que os elétrons

passem a popular o estado excitado de menor energia, de onde parte a fluorescência. Todos estes

processos são determinados por regras de seleção que dependem da simetria molecular e da

multiplicidade de spin dos estados eletrônicos envolvidos no processo. Na Figura 23 um

esquema do arranjo de um espectrofluorímetro é apresentado 134.

Figura 23: Esquema do arranjo de componentes de um espectrofluorímetro 133.

Na figura, um espelho semitransparente divide o feixe de excitação e uma parte dele passa

através de uma célula de referência e é detectada por uma fotomultiplicadora. Esta operação tem

por finalidade reduzir distorções na intensidade do sinal de fluorescência da amostra que sejam

causadas por flutuações da lâmpada.

O monocromador de emissão, posicionado a 90° da célula da amostra, tem por finalidade

registrar a intensidade da luz detectada em termos do comprimento de onda de emissão. Por fim,

os tubos fotomultiplicadores detectam as intensidades dos feixes de referência e da amostra e o

espectro é registrado.

37

4.2- Detalhes operacionais da espectroscopia de absorção região do ultravioleta-visível (UV-

VIS)

Segundo Freitas 2006 137 e Skoog 2002 136, a espectrometria molecular na região

ultravioleta-visível (UV-Vis) tem sido muito utilizada para quantificar amostras bioquímicas em

diferentes tipos de materiais e também diversas espécies molecular orgânica e inorgânica. Na

técnica a absorção de energia quantizada na região UV-Vis por meio da incidência de um feixe

de luz branca sobre a amostra resulta em uma quantidade de radiação emergente que corresponde

à luz que atravessou a amostra, sem ter sido absorvida.

De acordo com Neto 138, em 2008, comparada a outras técnicas espectrométricas a

espectrometria de absorção molecular na região do UV-Vis apresenta um baixo custo além de

outras aplicabilidades como:

Facilidade de operação;

Aplicabilidades diversas na química, física, biologia, ciências agrárias, farmácia,

geologia, entre outros;

Exatidão e aceitação – os erros relativos estão na faixa de 1 a 5 % em termos de

concentração e apresenta alta relação sinal-ruído – os limites de detecção estão na faixa de

10-4 a 10-5 mol L-1, podendo chegar a 10-7 mol L-1.

Em termos instrumentais, o espectrofotômetro de absorção tem uma constituição bastante

simples e equipamentos cada vez mais rápidos e precisos são produzidos a cada ano. Além disso,

pelas vantagens da técnica com respeito às necessidades analíticas, aparelhos simples, de baixo

custo, miniaturizados também têm sido produzidos.

De modo geral, o equipamento é constituído de uma fonte de luz UV/Vis, cuja potência

depende do tipo de amostra de interesse, do porta amostras, que pode ser adaptado para conter

amostras sólidas, líquidas ou gasosas, um monocromador posicionado a 180°, o detector, que

pode ser um arranjo de diodos que envia o sinal registrado à interface, resultando no espectro de

absorção UV/ Vis. Um esquema geral do equipamento é mostrado na figura 24.

38

Figura 24: Esquema de um espectrofotômetro de Absorção UV/ Vis 138.

4.3- Detalhes operacionais da microscopia eletrônica de varredura (MEV)

O microscópio eletrônico de varredura é um equipamento com capacidade de produzir

imagens de grande ampliação (de até 300.000 vezes) e alta resolução, uma vez que,

diferentemente dos microscópios ópticos comuns, utiliza-se de um feixe de elétrons de diâmetro

bastante pequeno ao invés de feixe de fótons, para explorar a amostra. As micrografias que

resultam da análise são obtidas da trans-codificação da energia emitida por elétrons da superfície

em exame 139. O feixe de elétrons que é produzido no MEV posssui alta energia e, portanto,

comprimentos de onda bastante curtos, o que lhes confere o alto poder de resolução. Geralmente,

o feixe de elétrons é produzido por filamentos de tungstênio (W) aquecidos com tensões de

aceleração de 1 a 50 kV. Com isso, surge uma tensão entre o filamento aquecido e o ânodo, que

gera o feixe de elétrons. Este feixe é focalizado sobre a amostra por meio de lentes

eletromagnéticas com ponto focal de largura de nanômetros.

Quando o feixe interage com a superfície em análise, elétrons e fótons são produzidos e

coletados por um detector apropriado, geralmente um cintilador polarizado positivamente, que

tem a capacidade de acelerar os elétrons sobre a área em exame e transmitir aos amplificadores e

processadores e, então, são convertidos em sinal de vídeo.

Um microscópio característico consiste de coluna opto-eletrônica (com um canhão de

elétrons e um sistema de lentes magnéticas), uma unidade de varredura, câmara de amostra,

sistemas de detectores e sistema de visualização de imagem. A versatilidade desses equipamentos

39

se deve principalmente às possiblidades de aumento de energia do feixe de elétrons e aos tipos de

elétrons que podem ser detectados.

Devido às interações existentes entre o feixe de elétrons e a superfície da amostra, sinais

distintos podem ser gerados, e, consequentemente, seletivamente detectados 140,141. Sinais de

espalhamento podem ser diferenciados, uma vez que são resultados de espalhamentos elásticos,

pelo fato de afetarem as trajetórias do feixe de elétrons dentro da amostra, porém sem alterar a

energia cinética do elétron (elétron retroespalhado); ou inelásticos, que resultam da transferência

de energia do feixe de elétrons até os átomos da amostra, resultando em elétrons secundários,

elétrons Auger, emissão de raios-X, pares elétron-buraco em semicondutores e isolantes, radiação

eletromagnética (na região do visível, ultravioleta, infravermelho), vibrações da rede (fônons) e

oscilações eletrônicas em metais (plasmons). A Figura 25 ilustra os efeitos que podem ocorrer da

interação do feixe de elétrons com a amostra.

O MEV vem se tornando um aliado instrumental imprescindível para o desenvolvimento

de novos materiais, uma vez que é possível predizer propriedades importantes da amostra através

da análise e interpretação da imagem gerada por ele, como: morfologia, diâmetro, espessura,

defeitos e orientação das fases 140. Este aparelho tem a capacidade de fornecer informações sobre

a morfologia e composição da amostra, uma vez que torna possível a identificação de elementos

químicos que a compõem. É utilizado nas mais variadas áreas da ciência e da tecnologia, como

biologia, química, odontologia, engenharia civil, farmácia, medicina, geologia, entre outras.

Alternativamente, dependendo da resolução que se necessita aplicar à amostra, microscópios de

alta resolução podem ser equipados com canhões FEG (Field electron gun), ou com emissão de

campo e os comuns. Os canhões FEG são aqueles que promovem alto vácuo e maior resolução.

40

Figura 25: Ilustração dos processos de espalhamento do feixe de elétrons promovidos da

interação do feixe eletrônico com a amostra e que são detectados pelo microscópio eletrônico de

varredura. As siglas significam: SE) elétrons secundários; BSE) elétrons retroespalhados; AE)

elétrons Auger; CL) Luz e calor; XR) Raios X; PE) feixe eletrônico incidente 69.

A imagem dos microscópios eletrônicos de varredura é formada essencialmente pelos

elétrons secundários (SE) e os retroespalhados (BSE). Os elétrons secundários são os de baixa

energia e, portanto, somente os elétrons produzidos próximos à superfície podem ser detectados.

Os elétrons retroespalhados, possuem maior energia, bastante próximas às energias dos elétrons

primários e, por serem resultantes das interações com regiões de maior profundidade da amostra,

têm a capacidade de fornecerem imagem da topografia da superfície da amostra, além de

informações relativas à variação da composição (contraste em função do número atômico dos

elementos presentes na amostra) 139-141.

Também raios-X podem ser detectados no microscópio eletrônico de varredura, uma vez

que o feixe de elétrons incidente tem energia suficiente para excitar elétrons mais internos das

amostras. Com sua detecção, por exemplo, por dispersão de energia (EDS), é possível determinar

os elementos presentes na amostra. A técnica de EDS baseia-se no princípio de que a energia de

um fóton (E) está relacionada à frequência da energia eletromagnética (ν) da seguinte maneira:

Eq. 1

Em que h é a constante de Planck.

41

4.4- Detalhes operacionais da difratometria de raios-X (DRX)

De acordo com Gomes, em 2007, a radiografia é a mais difundida aplicação dos Raios X,

que é utilizada para observar regiões internas do corpo. A descoberta dos Raios X se deu em

1895 por Wilhelm Conrad Röentgen, com a qual ganhou um prêmio Nobel em 1901, quando ele

estava utilizando o tubo de raios catódicos para experimentos utilizando descargas elétricas

aplicadas em gases rarefeitos 142.

Silva 143, em 2009, relata que em 1912, Max Von Laue discutindo o modelo teórico da sua

tese de doutorado com Ewald propôs pela primeira vez a aplicação dos Raios X na Física através

do fenômeno de difração de cristais, utilizando pequenos osciladores tridimensionais espaçados

periodicamente, com distâncias da ordem de 10-10 m. Ele considerava o cristal como sendo uma

grade ideal para a difração de raios X. Dessa forma ele propôs a primeira teoria sobre difração de

raios X e obteve também o primeiro difratograma, o que lhe rendeu em 1914 o prêmio Nobel de

Física.

Uma teoria mais prática sobre a difração de raios X e sua utilização como forma de

análise estrutural de materiais foi proposta em 1915 W.H.Bragg e seu filho W.L.Bragg, o que lhes

rendeu o prêmio Nobel daquele ano. A teoria propõe que os feixes de raios-X são difratados pelos

cristais e também que são ondas eletromagnéticas com comprimento de onda, λ, da mesma ordem

das distâncias interatômicas, (~10-10 m=1Å) 142.

Nos dias atuais, a técnica conhecida como difratometria de raios X encontra emprego na

análise de partículas microscópicas, preparadas em forma de pó, sendo fundamental na

identificação de materiais policristalinos. Ela tem como base o fenômeno de difração resultante

da reflexão dos raios X de mesmo comprimento de onda por planos dos átomos e/ou moléculas

que formam o cristal, como ilustrado na Figura 26. O comprimento de onda utilizado começa na

ordem de 5 pm e se estende até 1 nm 144.

42

Figura 26: Ilustração do fenômeno de difração de raios-X em cristais, em que λ é o comprimento

de onda da radiação incidente, dhkl é a distancia interplanar característica de uma família de

planos (hkl) e θ o ângulo entre a direção do feixe incidente e a direção de observação 142.

A forma como ocorre à produção de figuras de difração, segundo Santos 144, em 2004,

considera a natureza da interação entre as ondas de radiação eletromagnética e a matéria o

principal fator que resulta na difração. A amostra sólida é constituída de átomos que são, em

primeira aproximação, considerados estacionários e pertencem a uma estrutura cristalina

organizada em planos reticulares. De acordo com ele ainda, a lei de Bragg é utilizada para

verificar a ocorrência de uma interferência construtiva, na qual os raios são difratados na direção

2θ, ângulo entre a direção do feixe incidente e a direção de observação. Esta lei é proposta pela

equação a seguir:

em que λ é o comprimento de onda da radiação incidente, dhkl é a distancia interplanar

característica de uma família de planos (hkl) e n a ordem de interferência.

A geração da radiação eletromagnética ocorre, novamente por meio do aquecimento de

um filamento metálico que geram o feixe de elétrons de alta energia. Uma diferença de potencial

(da ordem de kV) são direcionados em alta velocidade sobre uma placa de metal. O choque dos

elétrons nesta placa resulta na produção da radiação eletromagnética de raios-X, como está

ilustrado na Figura 27.

Eq. 2

43

Figura 27: Ilustração da produção de radiação de raios-X, onde: W) Entrada e saída de água;

U) Fonte elétrica; A) Placa de metal; C) Ânodo de cobre; X) Raios X; K) filamento de tungstênio 142.

A análise de um difratograma de raios X fornece informações sobre a estrutura cristalina,

a constante de rede e diâmetro médio da nanopartícula, que pode ser estimado por meio da

relação de Scherrer, em que se utiliza a largura de linha a meia altura do pico de reflexão mais

intenso 145.

Em que 0,9 é um fator de correção considerando a forma da partícula; λ é o comprimento de onda

do raio X incidente, θ é o ângulo de maior reflexão e B é a largura à meia altura 145.

Eq. 3

44

CAPÍTULO 5- METODOLOGIA EXPERIMENTAL

5.1- Reagentes e equipamentos

A seguir serão apresentados os materias e equipamentos utilizados neste trabalho.

5.1.1- Reagentes

A seguir, estão apresentados os reagentes utilizados neste trabalho:

- 1,1,1,3,3,3- hexaflúor-2-propanol (Sigma-Aldrich)

- Tetrahidrofurano (Tedia, grau espectroscópico)

- Acetona (Tedia, grau espectroscópico)

- L-Difenilalanina (Sigma-Aldrich)

- Quantun dot Cd-Te – disperso em água na concentração de 5% (American Dyes Source, Inc.)

- Cloreto de ferro III hexa-hidratado (FeCl3.6H2O) (Aldrich)

- Cloreto de ferro II tetra-hidratado (FeCl2.4H2O) (Aldrich)

- Hidróxido de sódio (NaOH) (Merk, PA)

- Ácido nítrico (HNO3) (Merk, PA)

- Nitrato de ferro III nona-hidratado (Fe(NO3)3.9H2O) (Aldrich)

O Quantum dot (QD) empregado neste trabalho apresenta, segundo o fabricante,

fluorescência na faixa de 550 a 670 nm, com máximo de fluorescência em 620 nm. Sua

composição tem fórmula mínima Na8C8O16S8 e sua estrutura se baseia em um núcleo central

formado por telúrio revestido por sais de cádmio, como o CdS, envoltos por grupos carbonila que

tornam o composto solúvel em água. O tamanho do QD é da ordem de 5,5 nm. Sua representação

esquemática está apresentada na figura 28. Na figura 29, os espectros de emissão de fluorescência

e de excitação, conforme disponibilizados pelo fabricante, estão mostrados.

45

Figura 28: Representação esquemática do QD utilizado no trabalho.

Figura 29: Espectro de emissão (vermelho) e absorção (azul) do QD utilizado no trabalho

fornecido pela empresa que o produz.

A) B) C) D)

Figura 30: Fórmulas e estruturas dos solventes e reagentes orgânicos utilizados no trabalho: A)

1,1,1,3,3,3- hexaflúor-2-propanol, B) Tetra-hidro-furano, C) Acetona, D) L-difenilalanina.

46

5.1.2- Equipamentos

As microscopias eletrônicas de varredura foram obtidas em um Microscópio Eletrônico de

Varredura Jeol, JSM – 6610, equipado com EDS, Thermo scientific NSS Spectral Imaging. Antes

porém, as amostras passam por um sistema para deposição de filmes de ouro, Denton Vacuum,

Desk V, equipado com o acessório de carbono. Estes equipamentos estão alocados no Laboratório

Multiusuário de Microscopia de alta resolução do Instituto de Física da Universidade Federal de

Goiás (LABMic).

A medida da absorbância de cada solução preparada para determinação do teor de ferro do

fluido magnético produzido foi realizada utilizando-se Cubetas de quartzo em um

espectrofotômetro Lambda 45 da PerkinElmer localizado no laboratório da Profa. Dra. Patrícia

Sartoratto no Instituto de Química 2 da Universidade Federal de Goiás.

Para determinas o tamanho das nanoparrtículas de ferro presentes no fluido magnético

produzido utilizou-se um difratograma de raios-X obtido em um equipamento Shimadzu, modelo

XRD 6000, utilizando-se radiação Cu-Ka (1,54056 Å), 40 kV e 30 mA, lozalizado na Central

analítica do Instituto de Química 1 da Universidade Federal de Goiás.

As medidas de fluorescência em condições fotoestacionárias foram realizadas utilizando

um espectrofluorímetro Fluorog-3 da Horiba presente no Grupo de Ciências de Materiais

localizado no Instituto de Física da UFG.

5.2- Metodologia para obtenção de nanoestruturas a partir da via líquida

As estruturas auto-organizadas de difenilalanina foram preparadas exclusivamente por

metodologias que emprega a via líquida como estratégia supramolecular. Os procedimentos

detalhados estão apresentados a seguir.

5.2.1- Preparação de estruturas peptídicas em síntese de fase líquida

A preparação das nanoestruturas peptídicas contendo quantum dots e nanopartículas

magnéticas foi realizada em fase líquida, baseando-se na propriedade que o dipeptídeo eleito

possui de se auto-organizar em soluções. Em água, nanotubos com estrutura hexagonal e que se

47

aglomeram de modo a resultar em microtubos com as mesmas características, são esperados 42.

Com base nisso, preparou-se as nanoestruturas, que são objetivos deste trabalho da maneira

descrita a seguir:

O ponto de partida foi a preparação da solução-mãe, que é constituída da dissolução de 20

mg de L-difenilalanina (L-FF) em 0,2 mL de 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol (HFP) em um

frasco de vidro âmbar, sob agitação manual por 1 minuto, resultando em uma solução na

concentração de concentração de 100 mg/mL. A solução-mãe foi conservada em geladeira para

evitar a evaporação do solvente. Esta solução-mãe está designada neste trabalho por solução 1.

Observa-se que a solução obtida é homogênea.

Em seguida, foi realizada a diluição de uma alíquota de 0,01 mL da solução 1 com 0,5

mL de água deionizada (18 MΩ) em um frasco ependorf , obtendo-se assim uma solução na

concentração de 2 mg/mL de L-FF. Esta está designada neste trabalho por solução 2. Observa-se,

nesta solução, a formação de um sólido branco.

5.2.2- Preparação de estruturas peptídicas contendo quantum dot

A solução em água do quantum dot baseado em telúrio e cádmio foi utilizada conforme

recebida.

Para a preparação da solução de QD na concentração ideal para a adição às estruturas

peptídicas auto-organizadas, utilizou-se uma alíquota de 50 µL da solução mãe de QD para

diluição em 10 mL de água deionizada (18 MΩ). A solução foi mantida sob agitação por 2

minutos. Esta solução consiste na solução 3 e é a solução diluída 200 vezes de quantum dot

utilizada nos procedimentos que se seguem.

Em seguida, adicionou-se a uma alíquota de 0,01 mL da solução 1 0,4 mL de água

deionizada (18 MΩ) e 0,1 mL da solução 3 em um ependorf . A solução final apresentava uma

concentração de 2 mg/mL de F-F e consiste na solução 4. A tabela 1 apresenta as composições

das soluções empregadas nesta fase de preparação das amostras.

48

Tabela 1: Identificação das soluções empregadas nesta fase.

Soluções utilizadas Composição

Solução 1 F-F + HFP

Solução 3 QD diluído 200 vezes

5.2.3- Preparação das nanopartículas magnéticas

Em fase aquosa, nano e microtubos são obtidos e, durante sua formação, podem interagir

com um composto fluorescente ou com compostos magnéticos para apresentar também

propriedades luminescentes e/ou magnéticas desejáveis.

O procedimento de preparação de nanopartículas magnéticas na forma de um fluido de

maguemita está descrito a seguir e foi adaptado do trabalho de Sun 146, em 2004, em um

procedimento desenvolvido pelo grupo de pesquisas da Profa. Dra. Patrícia Sartoratto IQ/UFG.

O passo inicial para a obtenção do fluido de maguemita para adição às estruturas

peptídicas é a formação da magnetita (Fe3O4). Esta foi obtida por coprecipitação de íons Fe+2 e

Fe+3, em proporções estequiométricas e em meio ácido com adição de solução básica.

Para isso, dissolveu-se 20,27g de cloreto férrico hexa-hidratado (FeCl3.6H2O) e 7,45 g de

cloreto ferroso tetra-hidratado (FeCl2.4H2O) em uma mistura de 100 mL de água deionizada (18

MΩ) e 4 mL de ácido clorídrico (HCl) concentrado, que é adicionado para evitar a hidrólise dos

sais. A esta solução foram adicionados 200 mL de NaOH 1,5 mol L-1 sob agitação por 5 minutos.

Um precipitado na coloração preta foi obtido, coloração característica da magnetita.

A solução obtida foi lavada por 20 vezes com água deionizada (18 MΩ) e, após as

lavagens, uma alíquota de 50 μL foi retirada, transferida para um vidro relógio e levada até a

estufa à 600C para a remoção do solvente e o material sólido obtido foi reservado para

caracterização por difração de raios X. O restante da magnetita não foi completamente seco,

sendo mantido em solução. As nanopartículas de maguemita são obtidas da oxidação da magnetita assim preparadas.

A preparação da maguemita, portanto, foi realizada pela adição de 80 mL de HNO3 4 mol L-1 ao

sólido umedecido de magnetita, sob agitação magnética por 5 minutos. Em seguida, adicionou-se

120 mL de uma solução de nitrato férrico nona hidratado (Fe(NO3)3.9H2O) na concentração de

0,7 mol/L e a mistura foi aquecido a 100 0C por 2 horas.

49

Durante aquecimento, o sólido adquiriu cor marrom-avermelhada, alteração característica

da formação de maguemita. Após o resfriamento, o material foi lavado 2 vezes com uma mistura

de água deionizada (18 MΩ) e acetona na proporção de 1:1. O fluido formado recebeu 70 mL de

água deionizada e sofreu tombamento por 24 horas em agitador mecânico.

Após as 24 h de tombamento o fluido foi colocado em diálise com água deionizada (18

MΩ, e agitação magnética por 5 dias. A água foi trocada diariamente para evitar a coagulação do

fluido e retirar o excesso de íons presentes. O fluido preparado, designada neste trabalho por

solução 5, apresentou uma concentração final de 0,1153 mol L-1 ou 18,448 g L-1 . A figura 31

apresenta o fluxograma da preparação do fluido magnético.

50

FeCl3.6H2O(aq) /H+ FeCl2.4H2O(aq)/H+

+ NaOH

Agitação

SuspensãoFe3O4

(coloração preta)

HNO3(aq)+

Fe(NO3)3.9H2O(aq)Δ

-Fe2O3(coloração marrom)

Solução 5

diálise

Figura 31: Fluxograma da preparação do fluido de maguemita (solução 5).

5.2.4- Preparação de estruturas peptídicas contendo maguemita

A uma alíquota de 10 µL da solução mãe de fluido de maguemita (solução 5), em um

béquer de vidro de 10 mL, foi adicionada 9.990 µL de água deionizada (18 MΩ) sob agitação por

2 minutos. O resultado foi a simples diluição para a produção da solução diluída 1000 vezes do

fluido de maguemita, identificada como solução 6 e que é a preparação que será adicionada à

estrutura peptídica, durante sua formação na próxima etapa.

Em seguida, adicionou-se 0,4 mL de água deionizada (18 MΩ) e 0,1 mL da solução 6 a

uma alíquota de 0,01 mL da solução 1 em um ependorf para que a difenilalanina esteja presente

51

no meio a uma concentração de 2 mg/mL. Manteve-se o sistema sob agitação manual por 1

minuto e o produto, uma solução contendo flocos embranquecidos foi identificado como solução

7. A tabela 2 apresenta as composições das soluções empregadas nesta fase de preparação das

amostras.

Tabela 2: Identificação das soluções empregadas nesta fase.

Soluções utilizadas Composição

Solução 1 F-F + HFP

Solução 3 QD diluído 200 vezes

Solução 5 Fluido de maguemita (0,92 mg L-1)

Solução 6 Fluido diluído 1000 vezes

5.2.5- Preparação das estruturas peptídicas contendo maguemita e quantum dot.

A uma alíquota de 0,01 mL da solução 1 foram adicionados 0,4 mL de água deionizada

(18 MΩ), 0,08 mL da solução 6 e 0,02 mL da solução 3 em um ependorf de modo que a

concentração final do dipeptídeo fosse 2 mg mL-1, mantendo-se sob agitação manual por 1

minuto . O resultado deste preparo foi designado como solução 8.

Figura 32: Fluxograma do preparo das estruturas peptídicas contendo aditivos.

52

5.2.6- Preparação das estruturas peptídicas em acetona como solvente.

Um volume de 0,01 mL da solução 1 foi adicionado a 0,5 mL de acetona (Act) grau

espectroscópico em um ependorf, de modo que a concentração final do dipeptídeo fosse 2 mg

mL-1. Esta preparação foi designada solução 9.

5.2.7- Preparação das estruturas peptídicas em tetra-hidro-furano como solvente.

Um volume de 0,01 mL da solução 1 foi adicionado a 0,5 mL de tetra-hidro-furano

(THF), grau espectroscópico, em um ependorf, de modo que a concentração final do dipeptídeo

em solução fosse 2 mg mL-1. Esta preparação foi designada solução 10. O fluxograma

representando estas preparações está na figura 33.

Figura 33: Fluxograma da preparação das estruturas peptídicas nos solventes escolhidos, sem

aditivos (soluções 2, 9 e 10), a partir da difenilalnina dissolvida em HFP.

5.2.8 – Preparação das amostras sólidas

As amostras sólidas foram preparadas por duas técnicas distintas. A primeira técnica é a

simples remoção da nanoestrutura formada no frasco eppendorf quando da preparação das

soluções conforme descritas anteriormente, transferindo-se 10 μL de cada uma das soluções a

lamínulas de vidro e mantidas em estufa a 60 0C para completa remoção do solvente. A segunda

técnica se assemelha à condição de auto-organização promovida em eppendorf, mas diretamente

53

no substrato de vidro, com adição de um volume de 10 μL da solução 1 a cada lamínula de vidro,

seguida da adição instantânea do mesmo volume dos solventes água, THF ou acetona. Ainda,

amostras com os aditivos foram preparadas, adicionando-se ao substrato 10 μL da solução 1 em

cada lamínula e 10 μL de cada solução de aditivo (solução 3 e solução 6) e ainda uma lamínula

similar à amostra designada solução 8, com adição de 10 μL das soluções 3 e 6 simultaneamente

sobre os 10 μL de solução 1 já sobre o substrato.

5.2.8.1- Teor de ferro

A determinação do teor de ferro do fluido de maguemita foi realizada utilizando-se o

método espectrofotomético da ortofenantrolina proposto por Jeffery e colaboradores 147. Para tal,

uma curva de calibração das absorções de radiação UV/Vis de soluções do complexo formado

com ferro foi construída utilizando soluções contendo íons ferro bivalentes. As concentrações das

soluções usadas foram 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 e 3,5 mg L-1. Em seguida, a absorção das

soluções empregadas no estudo foi obtida.

As amostras para analíse foram preparadas adicionando-se 5 mL de ácido clorídrico (HCl)

concentrado a 1 mL da solução de fluido de maguemita foi adicionada em um balão de 100 mL.

Esta adição é necessária para promover a dissolução do óxido de ferro de ocasionalmente tenha

se formado. Em seguinda, uma alíquota de 500 μL da solução contida neste balão foi transferida

para outro balão volumétrico de 100 mL e procedeu-se a adição de 8 ml de solução aquosa de

acetato de sódio (0,1 g L-1), 1 mL de solução aquosa de fenantolina (0,1 g L-1), 5 mL de solução

aquosa de hidroxilamina (1 g L-1) e, por fim, adicionou-se água deionizada para completar os 100

mL de solução. Esta mistura permaneceu em repouso por 15 minutos.

5.2.9 – Determinação das dimensões das partículas magnéticas

As nanopartículas obtidas foram caracterizadas por DRX. A amostra, previamente

triturada em almofariz de ágata e peneirada em peneira de aço de 100 mesh, foram suportadas em

vidro e o ângulo de varredura, 2θ, variou entre 10 e 80 graus a velocidade de 2 graus min-1.

54

5.2.10 – Análise elementar por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS)

Uma gota das soluções 3, 6 e 8 foi colocada sobre substratos de vidro diferentes e estes

levados à estufa a 60 °C para completa evaporação do solvente. Em seguida a lamínula com

material nanoestruturado seco passou pelo processo de metalização em um equipamento Denton

Vacuum e em seguida analisado no Microscópio Eletrônico de Varredura Jeol-6610, a voltagens

de aceleração entre 10 e 12 kV.

55

CAPÍTULO 6- ANÁLISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

6.1- Determinação do teor de ferro.

A absorbância da solução final preparada segundo o método descrito no item 5.2.8 foi

medida em 510 nm e o teor de ferro na dispersão coloidal foi calculado a partir da curva de

calibração. O teor de ferro encontrado no fluido preparado foi de 0,92 mg L-1 .

6.2- Determinação do tamanho das nanopartículas magnéticas.

O difratograma de raios-X mostrado na figura foi obtido de amostras na forma de pó das

nanopartículas presentes na solução 5.

1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 7x105 8x105

100

200

300

400

500

Inte

nsid

ade

(CP

S)

2θ Figura 34: Difratograma de Raios-X obtido para o pó da maguemita sintetizada.

A Figura 34 mostra o difratograma de raios-X dos cristais e indica a presença de

maguemita quando comparado aos dados da ficha ASTM. As medidas permitiram observar que

as estruturas cristalinas dos cristais estudados são comparáveis com os valores da ficha padrão da

ASTM (D934 - 13). Os picos correspondentes às reflexões (220), (311) e (400), obtidos

56

experimentalmente, apresentam pequenos desvios (posição e intensidade relativa) em relação aos

valores da ficha ASTM (Tabela 3).

Tabela 3: Posição dos picos de difratograma de raios-X comparados com a ficha padrão ASTM

(D934 - 13).

Amostra Dados experimentais ASTM (D934 - 13)

Intensidade 2θ hkl Intensidade 2θ

30 30,120 220 30 30,122

100 35,800 311 100 35,455

Maguemita

28 43,080 400 20 43,099

Através da relação de Scherrer, Eq.(3) 145, apresentada na seção 4.4, é possível obter o

tamanho médio dos domínios cristalinos da ferrita sintetizada. Utilizamos o ângulo de difração e

a largura a meia altura do pico referente ao plano de reflexão (311) do sólido sintetizado para

obter o tamanho dos domínios cristalinos utilizando o silício cúbico como padrão.

O tamanho médio das partículas de maguemita sintetizadas e utilizadas no procedimento

experimental foi determinado utilizando o difratograma e a equação 3, encontrando um diâmetro

de 7 nm.

6.3- Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

6.3.1- Estruturas auto-organizadas em água

A mistura de solventes à solução de difenilalanina em HFP e a adição de solventes dá

lugar ao processo supramolecular da auto-organização das unidades de difenilalanina em

estruturas mais complexas. Esta auto-organização e as peculiaridades de cada estrutura obtida de

acordo com as variações dos métodos de preparo podem ser exploradas por meio da obtenção de

imagens de microscopia eletrônica de varredura.

Desta forma, neste trabalho, a estruturação da difenilalanina na presença e na ausência dos

agentes dopantes foi caracterizada por microscopia eletrônica de varredura. A seguir, as imagens

57

obtidas são apresentadas e discutidas. Nas figuras 35 e 36 estão apresentadas imagens de

microscopia obtidas para as amostras 1, 2, 4 e 5, identificadas conforme a tabela abaixo:

Tabela 4: Identificação das amostras de MEV

Amostra Soluções utilizadas Composição

1 Solução 2 F-F auto-organizada

2 Solução 4 F-F + QD diluído 200 vezes

4 Solução 7 F-F + Fluído diluído 1000 vezes

5 Solução 8 F-F + Fluído diluído + Qd diluído

A figura 35 apresenta as imagens de microscopia eletrònica de varredura obtidas, portanto,

para amostras preparadas diretamente nas lamínulas de vidro, ao aplicar um volume de

detereminada solução sobre o substrato e a remoção do solvente.

A) B)

C) D)

58




Magnificação de 200 vezes.

Observa-se, pelas imagens, que a auto-organização gerou estruturas tubulares, o que

indica que as interações predominantes entre unidades de difenilalanina são de interação entre os

anéis aromáticos vizinhos, conhecida como π- stacking, mesmo nos sistemas contendo os

aditivos de características distintas. Ainda, observa-se que as dimensões das estruturas tubulares

obtidas variam com a composição de cada amostra e que a situação em que se obteve esruturas

auto-organizadas em maior quantidade foi a que continha o fluido magnético e o quantum dot

como dopantes, simultaneamente.

Em água, o crescimento dos tubos é radial, partindo de uma região em que se forma a

semente de crescimento e se desenvolvendo em todas as direções. O crescimento é interrompido

no ponto em que estruturas com origens em regiões distintas se encontram. Há também o

crescimento diametral, que ocorre com a associação de tubos paralelos, mas de maneira a

conservar a estruturação hexagonal que é observada nas estruturas iniciais.

Comparando-se as imagens apresentadas nas figuras 35A e 35B observa-se que em água e

sem dopantes, a difenilalanina se auto-organiza em tubos de dimensões homogêneas e que a ação

do QD é a de favorecer a auto-organização e a associação de estruturas tubulares de menores

dimensões para fornecer os microtubos das imagens, que aparecem em maior quantidade e com

maiores dimensões. Na figura 35C, em que se pode sugerir a ação das nanopartículas de ferro na

auto-organização e que o emprego do fluido magnético como dopante único dificulta o

crescimento das estruturas tubulares, mas permite a associação das estruturas encurtadas para que

se tornem estruturas de maior diâmetro.

Imagens com maior magnificação para estas amostras são apresentadas na figura 36.

Nelas, observa-se que, na realidade, as estruturas tubulares que se observa são resultado da

associação de nanotubos para fornecer estruturas diametralmente maiores, na ordem de

micrômetros, mas que conservam a organização hexagonal, seguindo o padrão de crescimento

dos nanotubos de origem.

59

Nota-se que este padrão de crescimento é respeitado em qualquer que seja a composição

do fluido de origem, quer seja apenas água, quer seja as soluções de quantum dot e/ou fluido

magnético. No entanto, as diferenças das nanoestruturas obtidas permitem inferir sobre a natureza

das interações entre os dopantes e o peptídeo constituinte do nanotubo e que corroboram com as

hipóteses trabalhadas quando da avaliação das características ópticas peculiares a cada amostra.

Com isso, sugere-se que as interações dominantes entre o QD e a nanoestrutura de L-FF é

de natureza eletrostática e envolve as carbonilas que compõem ambos compostos, pois a auto-

organização é favorecida na presença do QD, uma vez que nanotubos mais numerosos e

homogêneos são obtidos neste sistema quando comparado ao resultado obtido do crescimento

somente em água e na ausência do QD. A interação entre o QD e a nanoestrutura se dá, portanto,

preferencialmente entre as terminações carbonílicas e não por interações entre as nuvens

eletrônicas dos anéis aromáticos que compõem ambos compostos, uma vez que as interações

prioritárias na formação do nanotubo são a π-stacking. Qualquer inserção de QD na nanoestrutura

prejudicaria a auto-organização ou mesmo a inibiria.

Nas amostras que contêm maguemita, em que as interações do nanotubo de L-FF e as

nanopartículas de Ferro são entre as terminações carregadas negativamente, as associações entre

nanotubos para gerar estruturas maiores diametralmente são favorecidas. No entanto, as

estruturas obtidas na presença do fluido apresentam comprimentos mais curtos (figura 35C).

Provavelmente, isto ocorre devido à sua dispersão pelos nanotubos, conforme evidenciado na

figura 36C, e pela forte interação entre as nanopartículas de Ferro e as terminações carregadas do

peptídeo.

A distribuição das nanopartículas de ferro pelo corpo do nanotubo é também sugerida nas

amostras que contém também o QD (figura 36D). A hipótese do favorecimento do crescimento

dos nanotubos na presença dos dois aditivos se dá pela forte interação eletrostática do nanotubo

com o fluido magnético. O QD, embora também interaja preferencialmente por meio de

interações eletrostáticas, tem a possibilidade de interagir por meio dos grupamentos amina-

terminal da nanoestrutura, que permanece disponível, direcionando o crescimento e favorecendo

o prolongamento dos nanotubos. Exclui-se a possibilidade de interação entre duas moléculas de

QD, quer seja no estado eletrônico fundamental quer seja no estado eletrônico excitado, por não

se observar evidências de agregação na análise dos dados espectroscópicos (seção 6.3.1). Ainda,

60

nenhuma das interações da estrutura com os agentes dopantes impede a interação diretora da

auto-organização que é a interação π-stacking.

A) B)

C) D)




Magnificação de 3.000 a 3.700 vezes.

Para validar as observações e as diferenças encontradas na produção dos sistemas auto-

organizados, é necessário realizar a análise elementar dessas estruturas discutidas até o momento

por meio da espectroscopia por energia dispersiva (EDS), técnica disponível no microscópio

eletrõnico de varredura empregado em todas estas análises.

Obteve-se, portanto, as imagens de eletrônicas de varredura por EDS para as

nanoestruturas auto-organizadas na presença de QD diluído 200 vezes (amostra 2), na presença

de fluido magnético na diluído 1000 vezes (amostra 4) e na presença dos dois aditivos (amostra

5) foram tratadas pela técnica de espectroscopia por energia dispersiva (EDS), disponível no

61

microscópio eletrônio de varredura do LABMic/ UFG. As figuras 37, 38 (1 e 2) e 39 (1 e 2)

apresentam as regiões de cada amostra investigadas, combinadas aos espectros de energia

dispersiva que apresenta os elementos mais abundantes nas amostras.

De maneira geral, em todas as amostras analisadas observa-se a presença de átomos de

nitrigênio (N), oxigênio (O), carbono (C), além de ouro (Au), sódio (Na), silício (Si) e cloro (Cl).

Os principais elementos formadores das estruturas peptídicas são C, O e N, no entanto, como

estas estruturas foram formadas sobre um substrato de vidro, a presença de Si, Na e Cl no

espectro pode ter relação com a detecção dos elementos da composição do substrato.

Analisando o espectro de energia dispersiva presente na figura 37 B, com respeito à

amostra 2, não se observa a presença de qualquer elemento que estaria constituindo unicamente

este composto, e, portanto, não há evidência da presença do QD, talvez por sua baixa

concentração na amostra. No entanto, a presença deste composto na estrutura formada é

evidenciada por espectroscopia de fluorescência, como será mostrado mais adiante.

62

A)

B)

Figura 37: A) Imagem de microscopia eletrônica de varredura obtida para a amostra 2 em que


registrada no ponto 1.

As figuras 38-1 e 38-2 apresentam a região da amostra 4 em que se realizou a análise por

EDS. Observando-se os espectros presentes nestas figuras, foi possível identificar traços de ferro

na composição das estruturas formadas, evidenciando sua presença nas estruturas auto-

organizadas de NT-FF. Devido à baixa concentração, no entanto, não é possível quantificá-los,

pois a incerteza na instensidade dos picos referentes aos átomos de ferro presentes na região da

amostra analisada é grande.

63

A)

B)

Figura 38-1: A) Imagem de microscopia eletrônica de varredura obtida para a amostra 4 em que


registrada no ponto 6.

64

A)

B)

C)

Figura 38-2: A) Imagem de microscopia eletrônica de varredura em que são evidenciadas as

regiões investigadas e B) o espectro de energia dispersiva registrado no ponto 1 e C) espectro de

energia dispersiva registrado no ponto 2.

65

As figura s 39-1 e 39-2 apresentam as regiões analisadas e os respectivos espectros de

EDS obtidos para a amostra 5. A análise dos espectros evidencia a presença de átomos de ferro

distribuídos ao longo da nanoestrutura formada. Porém, também neste caso, não há evidência

referente à composição em relação à presença do QD na amostra 5. Apesar dos átomos de Na,

magnésio (Mg) e cálcio (Ca) estarem presentes e tendo em vista as informações sobre a

composição do QD fornecidas pelo fabricante,havia a possibilidade de se relacionar estes

componentes à presença do QD na amostra. No entanto, é importante ter em mente que estas

estruturas foram formadas sobre substratos de vidro que podem, também, apresentar estes

elementos. Deste modo, não se pode relacionar a presença destes elementos à efetiva presença do

QD na amostra. Sua presença e a forma de sua dispersão sobre o material estruturado, portanto,

só é possível por meio da avaliação por espectroscopia de fluorescência.

66

A)

B)

C)


são evidenciadas as regiões investigadas e B) o espectro de energia dispersiva registrado no

ponto 9 e C) espectro de energia dispersiva registrado no ponto 1.

67

A)

B)



registrado no ponto 2.

A auto-organização também foi explorada em condições experimentais distintas, com o

objetivo de verificar sua ocorrência, a possibilidade de se obter estruturas distintas moduladas

pelas condições do meio e obter mais informações sobre o balanço das forças de interação

responsáveis pelas associações e estruturas possíveis nesses sistemas. Assim, nas figuras 40 e 41

estão apresentadas as imagens de MEV obtidas para as amostras preparadas em solventes

disntintos que não a água, a saber, soluções 9 e 10 em que empregou-se acetona e THF,

respectivamente.

68

6.3.2-Estruturas auto-organizadas em tetrahidrofurano (THF) e acetona.

Observa-se na figura 40 que em acetona, microtubos também se formam a partir da

associação de nanotubos originados da organização em hexágonos das moléculas de

difenilalanina. No entanto, quando estas estruturas são comparadas às obtidas em água (figura

35A), elas apresentam dimensões mais heterogêneas, o que sugere que, em água, há um maior

controle do processo de auto-organização e nanoestruturação que em acetona. O fato de se obter

nanotubos mesmo em solventes com características tão distintas é bastante interessante por

indicar que a interação π-stacking pode ser modulada com a escolha do solvente adequado para

uma dada aplicação. Isto também é indicação de que, por meio da escolha do solvente, podem-se

favorecer outros tipos de interações que se sobressaem à π-stacking, de modo que outros tipos de

estruturas possam ser obtidos.

A) B)


Acetona. A) magnificação de 650 vezes e B) magnificação de 2.000 vezes.

Com isto em mente, procuramos variar mais uma vez o solvente de auto-organização e

um protocolo de preparo das amostras agora em THF foi desenvolvido. As estruturas obtidas

estão apresentadas na figura 41.

69

A) B)


THF; A) magnificação de 1500 vezes e B) magnificação de 2000 vezes.

Na figura 41, as estruturas observadas têm a forma de lamelas, em meio a nanotubos de

comprimentos bastante mais curtos que os obtidos por meios dos demais protocolos. Isto

evidencia que as interações intermoleculares que predominam neste sistema são de outra natureza

que as predominantes nos solventes água e acetona. Aqui, é evidente que as forças de interação

π-stacking são subjugadas pelas forças de interação eletrostática entre as terminações com carga

do peptídeo e que ocorrem também na água e são responsáveis pela agregação entre nanotubos e

pela obtenção de túbulos com maiores diâmetros. É importante salientar que o equilíbrio entre

esses mesmos tipos de interação podem levar à formação de outros tipos de estruturas.

Obtiveram-se aqui as lamelas, estrutura resultante da predominância das forças eletrostáticas e

que passam direcionar a auto-organização. Li e colaboradores 148 mostraram que em solventes em

que predominam forças de London ou Van der Waals, espera-se obter esferas e vesículas, mas

neste trabalho, estas estruturas não foram observadas.

De fato, as propriedades físico-químicas dos solventes empregados nas metodologias de

preparação desenvolvidas neste trabalho podem afetar significativamente o processo de auto-

organização, considerando-se que diferentes propriedades levam a diferentes balanços de forças

de interação. Por meio da polarizabilidade, obtida da equação de Lippert e que é empregada para

relacionar efeitos gerais e específicos de solventes sobre o deslocamento Stokes observado em

espectros de excitação e de emissão de fluorescência obtidos para soluções contendo fluoróforos,

é possivel correlacionar as características individuais dos solventes empregados nestes

70

procedimentos de auto-organização com o balanço de forças de interação e que geram

nanoestruturas distintas. A polarizabilidade é, portanto, obtida por meio da expressão abaixo:

Eq.4

A tabela 5 apresenta as polarizabilidades dos solventes empregados neste estudo.

Tabela 5: Indices de refração (n), Cosntantes dielétricas (ε) e polarizabilidades (Δf) para os

solventes empregados neste trabalho.

ɛ n Δf

THF 7.58 1.407 0,21

agua 80 1.333 0,32

acetona 20.7 1.359 0,28

HFP 16.75 1.275 0,21

Comparando-se os valores de polarizabilidade, observa-se que a L-difenilalanina é solúvel

no solvente que apresenta o menor valor e se auto-organiza, formando nanotubos, nos solventes

com maiores valores de polarizabilidade. Disso conclui-se que os solventes com maiores Δf

interagem com o peptídeo por meio, principalemtne, de interações eletrostáticas e favorecem o π-

stacking, enquanto que os solventes de menor Δf favorecem outros mecanismos de interação. No

caso do HFP, há apenas a dissociação do pepdídeo, nas concentrações utilizadas neste trabalho,

enquanto no THF, há a auto-organização em lamelas. Esta diferença pode ser devida à alta

densidade eletrônica no HFP, por conter diversos átomos de flúor em sua estrutura, resultando em

interações específicas distintas das existentes em THF.

Ainda no contexto dos efeitos do controle dos procedimentos sobre a auto-organização

das unidades de difenilalanina, é interessante analisar o crescimento das estruturas quando ela

ocorre diretamente sobre o substrato porque, como a evaporação do solvente, em baixo volume,

se dá de forma rápida, infere-se que o crescimento no substrato difere do crescimento das

estruturas em frasco eppendorf por ocorrer em dimensões limitadas. Enquanto no frasco, a

71

estrutura pode crescer por tempo indeterminado e em todas as direções do frasco, no substrato de

vidro, o crescimento somente ocorre enquanto houver solvente sobre o substrato. Mesmo assim, o

crescimento não pode se dar em todas as direções, considerando-se então, que no substrato o

crescimento ocorre em um ambiente bidimensional, no frasco eppendorf, ocorre em um espaço

tridimensional. Portanto, comparam-se os resultados de microscopia das amostras preparadas em

eppendorf e no substrato de vidro nas figuras 42 A e B. A figura 42 apresenta imagens que nos

permite ter uma melhor analise deste fato.

A) B)


água e sem aditivos diretamente no eppendorf, B) difenilalanina auto-organizada diretamente

sobre o substrato. Magnificação de 200 vezes.

As imagens mostram que os crescimentos dos microtubos são pronunciados quando

permitida em três dimensões, enquanto que em duas dimensoões, o crescimento é

prematuramente interrompido ou pela rápida evaporação do solvente ou pelo encontro de

estruturas que se originaram de sítios de crescimento formados bastantes próximos uns dos

outros.

6.4- Espectroscopia de fluorescência

A caracterização das propriedades fotofísicas dos sistemas de interesse deste trabalho

foram realizadas em condições fotoestacionárias, com o objetivo de verificar a eficácia das

dopagens e as características que essas dopagens forneceram ao sistema. Morfologicamente,

72

evidenciou-se por meio do registro de imagens de MEV, que as dopagens irromperam em

melhorias. No entanto, novas propriedades, se existentes, no sistema, necessitam ser

evidenciadas.

6.4.1- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas

A difenilalanina, em sua estrutura (figura 43), apresenta anéis aromáticos que interagem

entre si e que desempenham uma importante função no processo de auto-organização, uma vez

que são responsáveis para interações do tipo π- stacking que ocorrem neste tipo de sistema.

Diversos estudos mostraram que estas interações direcionam a auto-organização dos peptídeos,

por resultar em estruturas energeticamente favoráveis. Vale ressaltar que nestas associações os

grupos carbonila e amina primária estão dispostos de modo a participarem de interações do tipo

ligações de hidrogênio entre estruturas vizinhas ou moléculas do solvente, sendo direcionadas

para a parte externa ou interna da estrutura do nanotubo auto-organizado, dependendo das

propriedades físicas do solvente em que se formam. Os anéis aromáticos, no entanto, estão

sempre envolvidos na associação β-pregueada que dá origem aos nanotubos e se torna uma

região propicia a conjugação eletrônica e que pode ser explorada por técnicas de espectroscopia

eletrônica, em especial, pela espectroscopia de fluorescência.

Figura 43: Fórmula estrutural da L-difenilalanina (L-FF).

A figura 44 apresenta os espectros de excitação e a figura 45 apresenta os espectros de

emissão de fluorescência relacionados aos NT-F-F auto-organizados em água deionizada, obtidos

com excitação em comprimentos de onda distintos.

73

A 280 300 320 340 360

2

4

6

8

10

12

14

Em λ (336 nm) Em λ (400 nm)

Inte

nsid

ade

x 10

5 (u.a

.)

λ (nm) B 280 300 320 340 360

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)

em λ (336 nm) em λ (400 nm)

Figura 44: Espectros de excitação de fluorescência obtidos com diferentes comprimentos de

onda de emissão referentes à NT-F-F em água. A) intensidade versus comprimento de onda e B)

intensidade normalizada versus comprimento de onda.

Pela figura 44 observa-se que os comprimentos de onda máximos de excitação para esta

amostra estão em torno de 270 e 330 nm. Na literatura avaliada encontra-se que a difenilalanina

dissociada apresenta fluorescência na região de 190 a 222 nm. Já no material estruturado

observam-se picos de emissão em 336, 396 e 410 nm que tem suas intensidades relativas

dependentes do comprimento de onda utilizado na excitação. Com isso, observa-se que a

organização da difenilalanina em nanotubos promove um deslocamento espectral, o que é

evidência da conjugação efetiva entre as estruturas e da efetiva formação de um novo material.

Ainda, verifica-se que a excitação em comprimentos de onda de maior energia leva à observação

de uma maior intensidade do pico de fluorescência em 410 nm e com excitação em comprimentos

de onda com energia menor, o pico em 330 nm é favorecido. Nesta região há, portanto, uma

sobreposição entre os máximos de excitação e de emissão. Quanto à forma espectral, observam-

se bandas largas e desestruturadas, com emissão ocorrendo na faixa de 320 a 490 nm e que

conservam informação vibracional.

74

A)320 360 400 440 480 520

0

4

8

12

16

20

24 λexc = 286 nm λexc = 338 nm λexc= 272 nm

Inte

nsid

ade

x 10

5 (u.a

.)

λ (nm) 320 360 400 440 480 520

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)

λexc= 286 nm λexc = 338 nm λexc = 272 nm

B)

Figura 45: Espectros de emissão de fluorescência obtidos com diferentes comprimentos de onda

de excitação referentes à NT-F-F em água: A) intensidade versus comprimento de onda e B)

intensidade normalizada versus comprimento de onda.

Na figura 45 observam-se os espectros de emissão de fluorescência obtidos para a

nanoestrutura preparada em água. Nota-se que a intensidade da fluorescência é maior quando a

amostra é excitada no comprimento de onda mais energético. A banda de emissão de

fluorescência mais importante tem seu máximo em torno de 410 nm, mas uma banda de

intensidade moderada também é observada nos comprimentos de onda mais energéticos e o

máximo está em 330 nm. A excitação a comprimentos de onda menos energéticos resulta na

fluorescência também em 396 nm, no entanto, a fluorescência tem baixa intensidade e a banda é

bastante alargada.

6.4.2- Estudo espectroscópico do quantum dot (QD)

O QD utilizado neste trabalho emite fluorescência na região do vermelho, o comprimento

de onda de 620 nm quando se procede a excitação a 465 nm. Foram registrados espectros de

excitação e de emissão de fluorescência de soluções do quantum dot em concentrações diferentes.

Na figura 46 estão apresentados os espectros de excitação obtidos para soluções diluídas do QD

(diluição de 20 a 200 vezes da solução de QD obtida do fabricante).

75

A)350 400 450 500

0

2

4

6

8

10

Inte

nsid

ade

x 10

4 (u.a

.)

λ(nm)

λem = 620 nm

B)350 400 450 500

0

2

4

6

8

10

Inte

nsid

ade

x 10

4 (u.a

.)

λ(nm)

λem= 620 nm

Figura 46: espectros de excitações com intensidades absolutas das soluções de quantum dot (A)

diluída 200 vezes e (B) diluída 20 vezes a partir da solução-mãe.

Observa-se, pelo espectro apresentado na figura 46A, que a solução diluída 200 vezes do

QD fornece um espectro de excitação com uma banda bastante larga e desestruturada, com

excitação máxima na faixa de 360 a 440 nm. Este comportamento é similar à solução-mãe, no

entanto, esta apresenta um pico proeminente em torno de 440 nm (figura 46B).

Na figura 47 estão apresentados os espectros de emissão de fluorescência obtidos da

solução diluída 200 vezes com excitação procedida em diferentes comprimentos de onda e na

figura 48 estão os espectros de emissão de fluorescência de uma solução diluída 20 vezes da

solução-mãe QD.

A)550 600 650 700 750

0

10

20

Inte

nsid

ade

x 10

4 (u.a

.)

λ (nm)

λexc=378 nm λexc=380 nm λexc=385 nm λexc=415 nm λexc=511 nm

B)500 550 600 650 700 750

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

λexc

=378 nm λexc=511 nm λ

exc=415 nm

λexc=385 nm λ

exc=380 nm

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)

Figura 47: Espectros de fluorescência obtidos para a solução diluída 200 vezes do QD, com

excitação procedida em diferentes comprimentos de onda. A) com intensidades absolutas e B)

com intensidades normalizadas.

76

A)500 550 600 650 700 750

0

2

4

6

8

10 λ exc

=450 nm λ exc = 386 nm λ exc = 512 nm

Inte

nsid

ade

x104 (u

.a.)

λ (nm) B)

500 550 600 650 700 7500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ (nm)

λ exc

=450 nm λ exc = 386 nm λ exc = 512 nm

Figura 48: Espectros de fluorescência obtidos para a solução diluída do QD 20 vezes, com

excitação procedida em diferentes comprimentos onda. A) com intensidades absolutas e B) com

intensidades normalizadas.

Comparando-se os espectros apresentados nas figuras 47A e 48A observa-se que as

emissões de fluorescência da solução-mãe (5%) em relação a diluída 1000 vezes são detectadas

na mesma região espectral, com máximo em 620 nm e um ombro em 675 nm. Ainda observa-se

que os espectros de fluorescência para a solução diluída 20 vezes e para a diluída 200 vezes são

similares, no entanto, há um aumento da intensidade de fluorescência com a diluição. Ainda,

observa-se que há uma inversão da intensidade máxima dos picos de 620 e 675 nm com a

diluição. Este efeito pode estar relacionado com formação de agregados no estado eletrônico

fundamental na solução diluída 20 vezes, o que é corroborado pelo fato de os espectros de

excitação das soluções serem distintos.

6.4.3- Estudo espectroscópico das nanopartículas magnéticas

As nanopartículas de maguemita (γ-Fe2O3) foram estudadas na forma de fluido iônico,

que consiste um fluído magnético iônico em que sua carga superficial é definida pelo pH da

solução.

As análises foram realizadas em pH ácido (1,0) o que atribui uma carga superficial

positiva para as nanopartículas de maguemita. Seu diâmetro médio foi determinado conforme

descrito anteriormente (Seção 5.2.9) e é próximo de 7,0 nm quando no estado sólido.

77

Por difração de raios- X foi possível determinar que elas apresentem uma estrutura de

espinélio inversa com uma distorção de sub-rede tetragonal e pode ser entendida como uma

magnetita com deficiência em ferro.

Para as análises o fluido preparado foi diluído com adição de água para atingir uma

concentração 1000 vezes diluída e os espectros de excitação e de emissão foram registrados.

A figura 49 apresenta o espectro de excitação do fluido de maguemita diluído e a figura

50, os espectros de emissão de fluorescência. Pelas figuras pode-se observar que o fluido

apresenta um máximo de excitação em torno de 350 nm e um pico de fluorescência de

intensidade máxima em 436 nm, quando a excitação é procedida em 350 nm, porém com

intensidade muito baixa. Dessa forma concluímos que o fluido não apresenta fluorescência a ser

considerada.

300 350 4000

1

2

3

4

5

diluida concentrada

Inte

nsid

ade

103 (u

.a.)

λ(nm)

λexc = 450 nm

Figura 49: Espectros de excitação do fluido de maguemita diluído 1000 vezes: A) Intensidade

absoluta e B) normalizada.

A)400 440 480 520

4

6

8

10

12

14

16

18 λexc =350 nm λexc =350 nm λexc =366 nm λexc =366 nm

Inte

nsid

ade

x102 (u

.a.)

λ(nm) B)400 440 480 520

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 λexc =366 nm λexc =366 nm λexc =350 nm λexc =350 nm

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)

78

Figura 50: Espectros de emissão do fluido maguemita diluído 1000 vezes. A) Intensidade

Absoluta e B) Intensidade normalizada.

6.4.4- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas contendo quantum dot

As nanoestruturas peptídicas foram produzidas na presença do quantum dot, utilizando-se,

para isso, uma solução diluída de quantum dot (diluição de 20 vezes da solução-mãe de QD) e

outra solução diluída (diluição de 200 vezes com relação à concentrada) que foram produzidas e

tiveram suas características luminescentes determinadas e, seguida, as amostras das

nanoestruturas resultantes da adição de cada uma dessas soluções também tiveram suas

características fotofísicas determinadas por meio da espectroscopia de fluorescência em

condições fotoestacionárias.

A figura 51 apresenta o espectro de excitação obtido para a amostra produzida com adição

da solução diluída de QD. Observa-se um máximo de excitação a 320 nm, com ombros de menor

intensidade em 378 e 394 nm, portanto, estes comprimentos de onda também serão utilizados

para a excitação da amostra nas análises subsequentes.

Na figura 52 estão apresentados os espectros de emissão de fluorescência obtidos com

excitação em diferentes comprimentos de onda. Analisando-se o espectro de fluorescência,

observa-se que o máximo de fluorescência está a 438 nm e que há um ombro de baixa intensidade

em torno de 530 nm, ou seja, bandas de emissão que são reconhecidas tanto na amostra que

contém somente a nanoestrutura peptídica quanto na solução de QD diluída 200 vezes.

Comparando este espectro de emissão com o espectro de emissão da NT-F-F observou um

considerável aumento da intensidade de emissão. A emissão de fluorescência pode ter sua

intensidade aumentada em decorrência da natureza da interação entre os QD e os nanotubos, que

se dá principalmente por meio de forças de dipolo permanente entre as carbonilas do QD e da L-

FF, dando origem a um complexo de transferência de carga que fornece a luminescência

deslocada para a região do azul. O alargamento dos picos que ocorre de forma bastante simétrica

é evidência de que a luminescência é proveniente de estados excitados relaxados, em que há a

acomodação dos componentes que formam o complexo de transferência e, portanto, é um

processo de agregação espontâneo. Os ombros observados nos comprimentos de 527 e 533 nm

denotam a presença de QD no meio, indicando que os estados menos energéticos de onde parte a

79

emissão de fluorescência do quantum dot não estão totalmente envolvidos na formação do

complexo de carga, o que se torna mais uma evidência da formação do complexo através de

interações entre as terminações carregadas ao invés das interações entre os sistemas aromáticos

conjugados. A baixa intensidade, no entanto, revela que grande parte da energia de excitação é

usada para popular os novos estados excitados originados da formação do complexo.

300 350 400

10

15

20

25

30

35

λem = 435 nm

Inte

nsid

ade

x 10

4 (u.a

.)

λ (nm)

Figura 51: Espectro de excitação da amostra de NT-F-F contendo quantum QD diluído 200

vezes a partir da solução-mãe.

80

A)350 400 450 500 550 600

0

10

20

30

40

50

λexc= 378 nm λexc= 322 nm λexc= 394 nm

Inte

nsid

ade

x 10

4 (u.a

.)

λ (nm)

B) 350 400 450 500 550 600

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)

λexc= 378 nm λexc= 322 nm λexc= 394 nm


vezes a aprtir da solução-mãe. A) Intensidade absoluta e B) normalizada.

As figuras 53 e 54 apresentam, respectivamente, os espectros de excitação e de emissão

obtidos para os NT-F-F contendo QD, mas produzidos utilizando-se a solução de QD diluída 20

vezes. Analisando-se os espectros de excitação, observa-se que o comprimento de onda de

máxima excitação é 325 nm. O registro do espectro monitorando-se a luminescência em 530 nm

apresenta um espectro desestruturado e de muito baixa intensidade.

A)300 350 400 450

5

10

15

20

25

30

35

λem = 531 nm λem = 403 nm

Inte

nsid

ade

x104 (u

.a.)

λ (nm) B)

300 350 400 4500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0


Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)

Figura 53: Espectros de excitação da amostra de NT-F-F contendo quantum QD diluído 20

vezes a aprtir da solução-mãe. A) Intensidade absoluta e B) normalizada.

Os espectros de fluorescência apresentados na figura 54 apresentam bandas sem estrutura

vibracional com máximo em 406 nm. Pode-se também distinguir ombros de baixa intensidade a

499 e 530 nm. Um ombro também é observado em aproximadamente 390 quando se procede a

excitação em comprimentos de onda mais energéticos. Estes espectros são bastante similares aos

81

espectros obtidos para as estruturas produzidas na presença da solução diluída 200 vezes, o que

indica que neste procedimento não se formam agregados de QD.

A)350 400 450 500 550 600

0

10

20

30 λexc = 450 nm λexc = 325 nm λexc = 315 nm

Inte

nsid

ade

x 10

4 (u.a

.)

λ (nm) B)350 400 450 500 550 600

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 λexc = 450 nm λexc = 325 nm λexc = 315 nm

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)


vezes. A) Intensidade absoluta e B) normalizada.

As amostras produzidas com QD diluído 200 vezes ou com a solução diluída 20 vezes

apresentam resposta óptica bastante semelhante. Os máximos de excitação das amostras ocorrem

no na região do UV em torno dos 320 nm e os espectros são bastante semelhantes. Os espectros

de fluorescência também são bastante semelhantes entre si, ocorrendo na região de 360 a 500 nm.

No entanto, esta região de emissão é bastante distinta da observada da análise das soluções de

QD.

Também é importante observar que a intensidade relativa dos espectros de fluorescência

obtidos para as nanoestruturas peptídicas contendo QD proveniente da solução diluída é 1,4 vezes

mais intensa que os obtidos para as estruturas contendo QD proveniente da solução concentrada,

enquanto que a intensidade de fluorescência da solução diluída de QD é 2,5 vezes maior para a

solução diluída em comparação com a intensidade de fluorescência da solução-mãe.

A região de emissão das amostras é bastante similar à das estruturas peptídicas sem

aditivos, com o máximo de fluorescência deslocado de 396 para 406 nm. Ainda, um incremento

substancial da intensidade da fluorescência foi observado nas amostras aditivadas pelo QD. Estas

observações indicam que há a formação de um complexo que apresenta fluorescências distintas

daquela observada para os componentes quando isolado.

82

6.4.5- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas contendo partículas magnéticas

Nas figuras 55 e 56 estão apresentados os espectros de excitação e de emissão de

fluorescência obtidos para a amostra de nanoestrutura de peptídeo contendo partículas magnéticas

de ferro. É importante ter em mente que, para a formação dessas estruturas na presença das

nanopartículas magnéticas, a conjugação entre NT-F-F e as partículas de maguemita se dá através

de ligações com caráter iônico e deve envolver os íons de ferro da maguemita e as terminações

carregadas negativamente dos NT-F-F. O fluido magnético usado como aditivo destes sistemas é

uma preparação diluída conforme explicitado na seção 5.2.4.

300 320 340 360

2

3

4


Inte

nsid

ade

x105 (u

.a.)

λ (nm) Figura 55: Espectros de excitação da amostra de NT-F-F contendo partículas magnéticas

provenientes do fluido diluído 1000 vezes.

Observando-se os espectros de excitação e de fluorescência, nota-se que os picos de

fluorescência de maior intensidade ocorrem na mesma região que os observados para as

nanoestruturas sozinhas (figuras 44 e 45) ou dopadas com QD diluído 1000 vezes (figuras 53 e

54), no entanto, se apresentam mais alargados. O máximo de excitação observado para esta

amostra

Assim como o observado com a adição de QD diluído 1000 vezes, também para essas

amostras verifica-se um aumento na intensidade de fluorescência dos nanotubos de devido à

complexação com os cátions de ferro, os quais apresentam orbitais de maior energia (d)

incompletos, que podem ser usados na formação do complexo.

83

A)400 450 500 550 600

1

2

3

4 λexc = 350 nm λexc = 325 nm λexc = 315 nm

Inte

nsid

ade

x 10

5 (u.a

.)

λ(nm)

B

400 450 500 550 6000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 λexc= 350 nm

λexc= 315 nm

λexc= 325 nm

Inen

sida

de N

orm

aliz

ada

λ (nm)

Figura 56: Espectros de fluorescência da amostra de NT-F-F contendo partículas magnéticas

privenientes do fluido diluído 1000 vezes. A) Intensidade absoluta e B) normalizada.

6.4.6- Estudo espectroscópico das nanoestruturas peptídicas contendo partículas magnéticas e

quantum dot

Nas figuras 57 e 58 estão apresentados, respectivamente, os espectros excitação e de

emissão de fluorescência para o sistema completo: NT-F-F contendo QD e fluido magnético

como aditivos preparados nas condições de diluições na ordem de 200 e 1000 vezes,

respecivamente.

O espectro de excitação se apresenta desestruturado e com o máximo na região de 325

nm. Ombros se apresentam nos comprimentos de onda de 330, 373 e 395 e espectros de emissão

de fluorescência foram registrados com excitação nestes comprimentos de onda.

84

300 320 340 360 380 400

2

3

4 λem = 435 nm

Inte

nsid

ade

x105 (u

.a.)

λ (nm) Figura 57: Espectros de excitação da amostra de NT-F-F contendo QD diluído 200 vezes e

nanopartícula magnéticas provenientes do fluido diluído 1000 vezes.

Os espectros de emissão de fluorescência apresentados na figura 58 apresentam-se com

perfil distinto dos obtidos até o momento. A excitação a comprimentos de onda maiores resulta

em espectros de fluorescência mais resolvidos vibracionalmente e deslocados para comprimentos

de onda maiores. Eles também apresentam a intensidade dependente do comprimento de onda de

excitação, sendo os de maior intensidade aqueles cuja excitação se procedeu a comprimentos de

onda mais curtos e, portanto, mais energéticos.

De modo geral, os comprimentos de onda máximos de fluorescência se apresentam nos

comprimentos de onda de 396, 409, 417 e 438 nm. O pico de 409 é similar ao obtido para as

amostras de nanotubos de F-F sem aditivos, mas em comprimento de onda levemente deslocada

para a região do vermelho, assim como o observado quando da adição de QD diluído 200 vezes

ou nanopartículas magnéticas diluídas 1000 vezes. Isto indica que pode haver um efeito de

conjugação que favorece os processos luminescentes que partem de estados relaxados de menor

energia nos sistemas contendo a partícula magnética e o quantum dot como aditivos, não só

isoladamente, mas também simultaneamente. Além disso, verifica-se que conforme a excitação

do sistema é procedida em comprimentos de onda maiores, o espectro se torna mais estruturado,

indicando que os estados de onde parte luminescência do quantum dot são preferencialmente

populados e a luminescência deste composto são favorecidos. A excitação em comprimentos de

onda menores favorece a excitação dos estados da estrutura organizada e complexada. O espectro

mais alargado é evidência da formação do complexo com as nanopartículas e com o QD.

Observa-se ainda que a excitação em comprimento de onda bastante longo (395 nm) leva

à detecção de um pico de fluorescência de baixa intensidade, mas que ocorre em região onde não

85

se observava mais atividade, a 650 nm. Esta luminescência é devida as unidades de QD presentes

no meio e que não devem estar associadas à nanoestrutura peptídica. O fato de haver emissão de

fluorescência característica do QD isolado indica que há um deslocamento das moléculas de QD

de suas posições de interação com os NT-F-F pelo fato das carbonilas da L-FF prioritariamente

serem empregadas nas interações com os cátions ferro, assim como a banda a 650 nm, que é

deslocada para o vermelho, também denota interação do QD com a maguemita, já que nele

também temos carbonilas.

A) 350 400 450 500 550 600 650

0

2

4

6 λexc = 350 nm λexc = 325 nm λexc = 373 nm λexc = 395 nm λexc = 337 nm

Inte

nsid

ade

x105 (u

.a.)

λ (nm) B)

350 400 450 500 550 600 6500.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 λexc = 350 nm λexc = 325 nm λexc = 373 nm λexc = 395 nm λexc = 337 nm

Inte

nsid

ade

Nor

mal

izad

a

λ(nm)

Figura 58: Espectros de fluorescência da amostra de NT-F-F contendo QD diluído 200 vezes e

nanopartícula magnéticas provenientes do fluido diluído 1000 vezes. A) Intensidade absoluta e

B) Normalizada.

Nas amostras contendo ambos aditivos, ainda observa-se que a presença do quantum dot

aumenta ainda mais a intensidade da fluorescência do sistema completo em relação aqueles que

continham como aditivo apenas as partículas magnéticas. A resposta óptica do sistema resultante

é observada numa faixa maior de comprimentos de onda e com intensidade bastante adequada, o

que sugere que este sistema possa encontrar uso em situações que necessitem de um amplo

espectro de atuação ou em situações em que seja necessária a sintonização da resposta óptica,

como, por exemplo, terapias fotodinâmicas, uma vez que a dependência dos espectros de emissão

com os comprimentos de onda usados para a excitação foi evidenciada.

CAPÍTULO 7- CONSIDERAÇÕES FINAIS

86

Neste trabalho, desenvolveu-se procedimentos de preparação de NT-F-F contendo

aditivos com propriedades distintas como quantum dot, que é fluorescente e partículas

magnéticas. Os procedimentos foram desenvolvidos tomando como base a produção de estruturas

auto-organizadas por via úmida, utilizando a água deionizada com solvente. Também a formação

de estruturas auto-organizadas distintas foi desenvolvida em solventes com propriedades físico-

químicas distintas como acetona e THF.

Com respeito às estruturas obtidas em água e aditivadas, apresentaram melhores

características morfológicas, além de os aditivos terem conferido características distintas a elas.

As características morfológicas e funcionais das estruturas resultantes foram avaliadas por

Microscopia eletrônica de varredura e por espectroscopia de fluorescência em condições

fotoestacionárias. Por meio das imagens de microscopia eletrônica, observou-se que a adição das

nanopartículas magnéticas foi realizada, uma vez que as imagens mostram as partículas dispersas

sobre a superfície dos micro e nanotubos obtidos. Esta dispersão das partículas magnéticas pode

ser comprovada através da técnica de EDS do próprio MEV. Devido a esta adição, as estruturas

peptídicas resultantes devem apresentar características magnéticas pelo fato de ter em sua

composição nanopartículas magnéticas associadas às estruturas, embora nenhuma análise tenha

sido conduzida.

A adição do QD fluorescente também conferiu ao sistema resultante a propriedade

luminescente distinta do aditivo de partida, conferindo a ele características ópticas únicas e

sintonizáveis, com atuação em ampla faixa espectral desde o UV próximo e além da faixa da

janela terapêutica (em torno de 621 nm), o que faz desta estrutura passível de ser usada em

terapias fotodinâmicas ou magnéticas, uma vez que se podem explorar ambas as características

do material.

Ainda, o fato de nano e micro estruturas serem também obtidas em meio orgânico

(lamelas foram obtidas em THF e túbulos foram obtidos em acetona) é interessante do ponto de

vista de aplicação, uma vez que, por exemplo, para a aplicação em dispositivos como sensores ou

dispositivos luminescentes em que possam ser empregadas, é desejável que se utilize solventes

mais voláteis. Portanto, estas estruturas podem ser pensadas para uma maior gama de aplicação,

se observadas nelas às propriedades desejadas.

CAPÍTULO 8- PERSPECTIVAS

87

O presente trabalho contém ainda aspectos que necessitam ser elucidados em estudos

posteriores, como, por exemplo, a elucidação do processo de trasnferência de carga nos sistemas

propostos, sua eficiência e suas possíveis aplicações científicas e tecnológicas. Esta elucidação é

possível através da realização de um estudode espectroscopia de fluorescência com resolução

temporal, uma vez que por esta técnica, é possível acessar os níveis eletrônicos excitados e

caracterizá-los em comparação aos estados excitados dos compostos empregados na formação

destes sistemas. A Microscopia de fluorescência também pode ser empregada com o intuito de

evidenciar as áreas de interação entre nanotubos, identificar as regiões de interface e de

intercomunicação e a dispersão dos QDs e das nanopartículas magnéticas sobre as estruturas

peptídicas. A Microscopia confocal Raman pode ser empregada para obter informações sobre as

formas de interações no interior e exterior das estruturas. Com respeito à aplicação, testes que

venham a comprovar a biocompatibilidade e a propriedade magnética do material estruturado são

necessários. Este, portanto, é um estudo carente de aprofundamento, mas com grandes

perspectivas de desenvolvimento tanto científico quanto tecnológico e que merece ser continuado

em nível de doutorado.

CAPÍTULO 9- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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