ESTUDO DAS PROPRIEDADES FOTOFÍSICAS DA ......Neste trabalho, as propriedades fotofísicas da SCC em...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO

DEPARTAMENTO DE FÍSICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA DOS MATERIAIS

ANA CLÁUDIA BATISTA ALMEIDA

ESTUDO DAS PROPRIEDADES FOTOFÍSICAS DA

CLOROFILINA CÚPRICA DE SÓDIO: INFLUÊNCIA DO

SOLVENTE, CONCENTRAÇÃO E pH

OURO PRETO-MG

2016

ANA CLÁUDIA BATISTA ALMEIDA

ESTUDO DAS PROPRIEDADES FOTOFÍSICAS DA

CLOROFILINA CÚPRICA DE SÓDIO: INFLUÊNCIA DO

SOLVENTE, CONCENTRAÇÃO E pH

Dissertação apresentada ao Programa

de Pós-Graduação em Ciências com

ênfase em Física de Materiais da

Universidade Federal de Ouro Preto

para obtenção de título de mestre.

Orientador: Prof. Dr Thiago Cazati

Departamento de Física/ICEB/UFOP

OURO PRETO-MG

2016

AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO DESTE TRABALHO, POR

QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE

ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.

______________________________________________________________________

Dedico este trabalho aos meus pais Maria Celeste e

Eliano, ao meu vovô e às minhas avós, aos meus

irmãos, aos meus lindos sobrinhos.

______________________________________________________________________

AGRADECIMENTOS

A Deus pela oportunidade de vida e por guiar todos os passos dados nessa minha

caminhada e durante toda minha vida.

Ao meu orientador Thiago Cazati pela paciência, dedicação e, principalmente,

pela confiança e oportunidades.

Aos colegas do Laboratório de Materiais Optoeletrônicos e Fotofísica

Molecular: a Jeilce e Júnnia, pela amizade, confissões, brincadeiras, a Tomás, por ter

me estendido a mão desde o início do meu trabalho no laboratório e pelo carinho, a

Cassiano, por me acompanhar em parte deste trabalho, a Sergio pelo respeito e amizade

e a Silvia pelo companheirismo.

Aos professores Bruna, Jaqueline e Jason pela contribuição em minha pesquisa e

pela amizade e à professora Taíse por ter cedido a amostra para análise.

A todos os amigos, técnicos e professores do FIMAT, em especial à secretária

Mariana, pela doçura e gentileza.

Aos meus queridos professores da graduação, em especial, ao professor Luís

Presley, que sempre me deu apoio e confiou em meu trabalho e ao professor Mariano

por disponibilizar seu laboratório para minhas horas vagas de estudos e pela amizade.

Aos meus colegas da graduação, em especial, a Nana, Aline, Daniel e Adriano.

Aos meus queridos cunhados pelo carinho e por terem colocados em minha vida

meus amores, meus sobrinhos.

Finalmente, agradeço às pessoas mais importantes de minha vida, minha família

linda, aos meus pais, Eliano e Maria Celeste, pelo amor, compreensão e confiança que

sempre tiveram em mim, aos meus irmãos que sempre me apoiaram e estiveram ao meu

lado em momentos de gargalhadas e de choros, em especial a minha irmã Rosângela,

que se dedicou a mim como uma mãe (apesar de ser muito chata), aos meus sobrinhos

que são minha inspiração, aos meus tios, em especial Edmilson, que sempre está junto à

minha família proporcionando muitas risadas, ao meu vovô, que considero como um pai

e às minhas vovós, que não estão mais presentes fisicamente, mas que carrego em meu

coração e pensamento.

______________________________________________________________________

"A Ciência não pode ser interrompida. O ser humano irá

acumular conhecimento, não importam quais sejam as

consequências - e não podemos prever quais serão."

LINUS PAULING

Químico norte-americano

______________________________________________________________________

RESUMO

Dentro da classe das metaloporfirinas, destaca-se a clorofilina cúprica de sódio

(SCC), que exibe forte absorção no visível (banda Soret) e no infravermelho próximo

(IV) (banda Q) região do espectro de luz solar. Esta molécula é derivada da clorofila,

obtida através da substituição do átomo central de Mg por um átomo de Cu e pela

reação de saponificação, tornando-a solúvel em água. A SCC recebe destaque por

apresentar propriedades optoeletrônicas interessantes em diferentes meios físicos e

principalmente pela sua solubilidade em água. Esta molécula vem sendo aplicada em

várias áreas como, por exemplo, na medicina, na indústria alimentícia e em sistemas

eletrônicos. Neste trabalho, as propriedades fotofísicas da SCC em solução foram

avaliadas conforme a influência da concentração, do pH e do solvente, incluindo água,

álcool etílico, álcool isopropílico, dimetilsulfóxido (DMSO) e a mistura álcool e água.

As características espectrais da SCC foram realizadas por absorção ótica na região do

ultravioleta e visível, espectroscopia de fluorescência e ainda foram investigados os

tempos de vida no estado excitado pela técnica de fluorescência resolvida no tempo. A

espectroscopia de absorção no infravermelho e a espectroscopia Raman foram utilizadas

como técnicas complementares para identificação estrutural química do material. Nas

caracterizações por absorção ótica na região do ultravioleta e visível, em função da

variação do pH, verificou-se a ocorrência de um deslocamento batocrômico, em meio

ácido, característico de um agregado do tipo J. Em meio básico, o deslocamento não foi

tão expressivo. Intensidades muito fracas de fluorescência foram obtidas a partir da

solução de SCC em diferentes solventes. Os decaimentos de fluorescência foram tri-

exponenciais, apresentando tempos de vida no estado excitado em torno de 5,00, 1,30 e

0,15 ns em todos os solventes estudados e em diferentes concentrações, exceto em água,

onde não foi detectada emissão. Para a SCC na mistura água/álcool, observou-se a

supressão estática da fluorescência com formação de complexos não fluorescentes e o

aumento da quantidade ou do tamanho dos agregados.

Plavras-chave:porfirinas; clorofilina cúprica de sódio; propriedades fotofísicas;

______________________________________________________________________

ABSTRACT

The sodium copper chlorophyllin (SCC) is one molecule of the class of

metalloporphyrins, which exhibits strong absorption in the visible (Soret band) and near

infrared (IR) (Q band) region of the solar light spectrum. This molecule is derived from

chlorophyll, obtained by substitution of the central Mg atom by an Cu atom and by

saponification process, making its soluble in water. SCC receives the highlighted by

presenting interesting optoelectronic properties in various environmental media and

especially by its solubility in water. This molecule has been applied in various fields

such as medicine, food industry and in electronic systems. In this work the

photophysical properties of SCC in solution were evaluated as the influence of

concentration, pH and solvent including water, ethyl alcohol, isopropyl alcohol,

dimethyl sulfoxide (DMSO), and the water and alcohol mixture. The spectral

characteristics of SCC were performed by optical absorption region in the ultraviolet

and visible, fluorescence spectroscopy and were also checked the lifetimes excited state

by time resolved fluorescence technique. The infrared absorption spectroscopy and

Raman spectroscopy were used as complementary techniques for identifying chemical

structural material. In the characterizations by optical absorption region in the

ultraviolet and visible as a function of change in pH, there was the occurrence of a

bathochromic shift in the acidic characteristic of type J aggregation. In an alkaline

medium, the shift was not as significant. Very weak fluorescence intensities were

obtained from the SCC solution in different solvents. The fluorescence decays were tri-

exponential, showing lifetime of excited singlet state around 5.00, 1.30 and 0.15 ns in

all solvents and at different concentrations, except water, where the SCC fluorescent

emission was undetectable. For SCC in water and alcohol mixture static suppression of

fluorescence was observed with formation of non-fluorescent complexes followed by

changes in size or amount of the aggregates.

Keywords: porphyrins; sodium copper chlorophyllin; photophysical properties;

______________________________________________________________________

LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Diagrama de Jablonski e os respectivos espectros de absorção,

fluorescênciae fosforescência.................................................................20

Figura 2: Gráficos para o efeito de supressão dinâmica: gráfico de Stern Volmer a

esquerda e a direita a curva de decaimento da fluorescência de uma

molécula na presença e na ausência do agente supressor. A mudança de

inclinação revela a variação do tempo de vida.......................................24

Figura 3: Representação esquemática da supressão estática em uma concepção de

esfera de supressão efetiva e para a formação de um complexo não

fluorescente do estado fundamental........................................................25

Figura 4: Gráficos para o efeito de supressão estática na formação de complexos

não fluorescentes: (a esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita) os

perfis das curvas de decaimento da fluorescência de uma molécula na

presença e na ausência de Q (a direita)...................................................26

Figura 5: Gráficos para o efeito de supressão estática na presença de uma esfera

de supressão efetiva: (a esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita)

perfis dos decaimentos de fluorescência da molécula na presença e na

ausência do agente supressor..................................................................27

Figura 6: Ilustração do teorema de Föster para o processo de transferência de

energia ressonante em que os elétrons 1 (verde) e 2 (amarelo) transferem

energia permanecendo no doador e no receptor, respectivamente.........29

Figura 7: Ilustração do modelo de Dexter para o efeito de transferência não

radiativa em que os elétrons 1 (verde) e 2 (amarelo) trocam de

molécula..................................................................................................30

Figura 8: Estrutura geral da porfirina.....................................................................33

Figura 9: Representação das estruturas de (a) grupo heme (protoporfirina IX) e (b)

clorofila ...............................................................................................35

Figura 10: Estrutura química e espectros de absorção da tetrakis (1-metilpiridínio-

4-il)-porfirina (H2TMPyP ) em azul e da 5,10,15,20-tetrakis (1-

metilpiridínio-4-il)-porfirina zinco (II) ( ZnTMPyP) em preto em

água.........................................................................................................36

______________________________________________________________________

Figura 11: Processo de obtenção da clorofilina cúprica de sódio a partir da clorofila

natural.....................................................................................................37

Figura 12: Estrutura química da clorofilina cúprica de sódio..................................37

Figura 13: Representação das formas de agregação: (a) face-a-face/tipo H; (b) entre

laterais/ tipo J; (c)face lateral/tipo HJ e (d) faces paralelas

deslocadas/tipo HJ..................................................................................39

Figura 14: Fatores que afetam o equilíbrio entre agregados e monômeros.............39

Figura 15: Excitação eletrônica para porfirinas monoméricas (a) agregadas do tipo J

(b) e agregadas do tipo H (c)..................................................................40

Figura 16: Espectrofotômetro de absorção UV-Vis de feixe único da Oceans Optics

modelo Red Tide-USB-650....................................................................45

Figura 17: (a) Espectrofluorímetro modelo RF-5301 PC e (b) suporte de cubeta e

amplificador da fluorescência.................................................................47

Figura 18: Fluotime 200 da PicoQuant, Laboratório de Fotofísica do Departamento

de Física da Universidade Federal de Ouro Preto..................................49

Figura 19: (a) Arranjo Experimental da técnica de TCSPC. (b) Histograma número

de fótons X tempo, que reproduz o comportamento temporal da emissão

da amostra...............................................................................................50

Figura 20: Mecanismos de espalhamento elástico e inelástico, onde 0, s e são,

respectivamente, as frequências da radiação de excitação, da radiação

espalhada e da transição vibracional.......................................................53

Figura 21: Espectros de absorção ótica da solução de SCC diluída em álcool etílico

em diferentes concentrações...................................................................56

Figura 22: Intensidade da absorção da banda Soret (a) e do respectivo pico

principal da banda Q (b) da SCC em função da concentração e do

solvente...................................................................................................56

Figura 23: Absorbância normalizada da banda Soret (a) e respectiva banda Q (b) da

SCC em diferentes solventes numa concentração de 0,028 mmol/L......58

Figura 24: Fluorescência normalizada e suas respectivas intensidades máximas de

fluorescência da SCC em função da concentração em diferentes

solventes, quando excitada em 401 nm..................................................59

Figura 25: Espectros de fluorescência da SCC em diferentes solventes a

concentração de 0,028 mmol/L quando excitada em 401 nm................61

______________________________________________________________________

Figura 26: Comportamento dos tempos de vida do estado excitado e as respectivas

amplitudes fracionais da SCC em (☐) álcool etílico, em (O) álcool

isopropílico e (△) em DMSO em função da concentração, quando

excitadas em 401 nm..............................................................................63

Figura 27: Espectro de absorção da SCC quando em diferentes pH (a) absorção

normalizada em relação à banda Q; (b) intensidade máxima de absorção

da banda Q..............................................................................................65

Figura 28: Solução de SCC a direita em pH ácido em que ocorre a precipitação da

SCC em solução aquosa e a esquerda em pH básico onde observa-se sua

total solubilidade.....................................................................................66

Figura 29: (a) Espectro de Absorção da SCC em diferentes porcentagens de água;

(b) Supressão de fluorescência da SCC em álcool etílico pela adição

diferentes concentrações de água, excitada em 401 nm; (c) Intensidade

de absorção da Banda Q e intensidade máxima de Fluorescência em

função da porcentagem de água; (d) Gráfico de Stern Volmer para a

SCC obtidas para comprimento máximo de emissão em 660 nm e ajuste

linear (linha vermelha). A solução foi mantida a uma concentração de

0,055 mmol/L.........................................................................................67

Figura 30: Curvas de decaimento de fluorescência nas soluções de SCC em

diferentes porcentagens de H2O (a) quando apresenta os mesmos tempos

de vida; (b) quando os tempos de vida variam em proporções de água

acima de 60%..........................................................................................68

Figura 31: SCC na mistura água e álcool etílico a concentração de 0,04 mol /L: (a)

tempo de vida do estado excitado; (b) amplitude fracional....................68

Figura 32: Ilustração de uma situação hipotética: molécula de SCC na presença de

água e a formação de um complexo não fluorescente (círculos

tracejados).……………...……...............................................................70

Figura 33: Intensidade máxima de RLS da SCC na mistura água/álcool com

diferentes porcentagens de água a concentração de 0,055

mmol/L...................................................................................................71

Figura 34 Espectro de absorção da clorofila a (verde) e da SCC em álcool

isopropílico (preto) a 0,1 g/L..................................................................72

______________________________________________________________________

Figura 35: Espectros de fluorescência da SCC e da clorofila a 0,1 g/L em álcool

etílico. Os espectros de emissão da SCC estão ampliados por motivos de

comparação.............................................................................................73

Figura 36 Espectros de absorção no infravermelho da clorofilina cúprica de sódio-

amostra KBr/SCC...................................................................................74

Figura 37: Espectros Raman de filmes casting da clorofilina cúprica de sódio sobre

substrato de vidro....................................................................................75

Figura B1: Espectros de absorção da SCC em água, álcool isopropílico e DMSO em

diferentes concentrações.........................................................................95

______________________________________________________________________

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Materiais utilizados e suas respectivas informações..........................42

Tabela 2: Proporções de álcool etílico e água utilizadas no preparo das amostras

de SCC para realização de caracterizações espectroscópicas.............43

Tabela 3: Coeficientes de absorção molar para a absorção em um comprimento

de onda fixo da banda Soret e do pico principal da banda Q em

diferentes solventes, momento dipolar dos solventes, máximos de

absorção e razão entre os coeficientes de absorção molar da banda

Soret e da banda Q..............................................................................57

Tabela 4: Comprimento de onda máximo de fluorescência, tempo de vida médio

e o rendimento quântico de fluorescência da SCC em diferentes

solventes, quando excitada em 401 nm..............................................64

Tabela 5: Tempo de vida do estado excitado, amplitude fracionada e eficiência

quântica de fluorescência da SCC em diferentes proporções de H2O,

quando excitada em 401 nm...............................................................69

Tabela 6: Deslocamento (em cm-1) e atribuição das principais bandas

observadas no espectro Raman do filme casting de SCC...................76

Tabela A1: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool etílico,

quando excitada em 401 nm...............................................................92

Tabela A2: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool

isopropílico, quando excitada em 401 nm..........................................93

Tabela A3: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em DMSO, quando

excitada em 401 nm.................................................... .......................94

______________________________________________________________________

LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS

OLEDs Diodos orgânicos emissores de luz (organic light-emitting

diode)

OPVs Orgânicos fotovoltaicos (organic photovoltaics)

TFD Terapia Fotodinâmica

Fs Fotossensores

PET Tomografia por Emissão de Pósitrons

SCC Corofilina cúprica de sódio (sodium cupric chlorophyllin)

pH Potencial hidrogeniônico

UV-Vis Ultravioleta e visível

RLS Espalhamento de Luz Ressonante

CI Conversão interna

CIS Cruzamento intersistema

S0 Estado fundamental

S1 Primeiro estado excitado

S2 Segundo estado excitado

Sn n-estado singleto

T1 Primeiro estado triplo

T2 Segundo estado tripleto

Tn n-estado tripleto

Comprimento de onda

ⱱ Frequência

h Constante de Planck

F Intensidade de fluorescência da molécula

Q Agente supressor de fluorescência

kq Constante de supressão bimolecular

KSV Constante de Stern-Volmer

Tempo de permanência da molécula no estado excitado

Eficiência quântica de fluorescência da molécula

M* Molécula fluorescente (na ausência do agente supressor)

M Molécula não fluorescente (na presença do agente supressor)

______________________________________________________________________

KS Constante de associação

Vq Volume da esfera efetiva

Na Constante de Avogadro

PI Potencial de ionização

AE Afinidade eletrônica

A-* Espécie dissociada

AH* Espécie não dissociada excitada

F’ Área do espectro de fluorescência

N Índice de refração

H2TMPyP Tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina

ZnTMPyP 5,10,15,20 – tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina zinco (II)

HOMO Orbital molecular ocupado de maior energia (highest occupied

molecular orbital)

LUMO Orbital molecular desocupado de menor energia

(lowest unoccupied molecular orbital)

DMSO Dimetilsulfóxido

C34H31CuN4Na3O6 Clorofilina cúprica de sódio

D Momento dipolar

IV Infravermelho

T Transmitância

I Intensidade de luz irradiada

L Caminho ótico

C Concentração da espécie absorvente

Coeficiente de absorção molar

IF Intensidade de fluorescência

K Fator de proporcionalidade

TCSPC Contagem de fótons únicos com correlação temporal (Time

Correlated Single Photon Counting)

MCP Detector de placa de microcanais (Micro Channel Plate)

IRF Função resposta do equipamento (Instrument Response

Function)

αi Fator pré-exponencial (amplitude)

______________________________________________________________________

SUMÁRIO

PREFÁCIO ..................................................................................................................... 18

CAPÍTULO 1: FOTOFÍSICA MOLECULAR .............................................................. 19

1.1. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTRAMOLECULARES .............................. 19

1.2. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTERMOLECULARES .............................. 23

1.2.1. Supressão de Fluorescência ...................................................................... 23

1.2.2. Transferência de energia ........................................................................... 28

1.2.3. Transferência de elétrons .......................................................................... 30

1.2.4. Transferência de prótons .......................................................................... 30

1.2.5. Formação de excímeros e de exciplexos .................................................. 31

1.3. RENDIMENTO QUÂNTICO ......................................................................... 31

CAPÍTULO 2: COMPOSTOS PORFIRÍNICOS ........................................................... 21

2.1. PORFIRINAS .................................................................................................. 21

2.1.1. Metaloporfirinas ....................................................................................... 34

2.1.2. Absorção e Luminescência de porfirinas de base livre e de

metaloporfirinas ...................................................................................................... 35

2.1.3. Clorofilina Cúprica de Sódio (SCC) ......................................................... 36

2.2. AGREGAÇÃO EM MOLÉCULAS PORFIRÍNICAS .................................... 38

CAPÍTULO 3: OBJETIVOS .......................................................................................... 34

3.1. GERAL ................................................................................................................ 34

3.2. ESPECÍFICOS .................................................................................................... 34

CAPÍTULO 4: MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ................... 42

4.1. MATERIAIS ....................................................................................................... 42

4.2. PREPARAÇÃO DO MATERIAL ...................................................................... 42

CAPÍTULO 5: CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL .............................................. 45

5.1. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO ÓTICA NA REGIÃO DO

ULTRAVIOLETA E VISÍVEL (UV-VIS) ................................................................ 45

5.2. ESPECTROSCOPIA DE FOTOLUMINESCÊNCIA ESTACIONÁRIA .......... 47

5.3. ESPALHAMENTO DE LUZ RESSONANTE ................................................... 48

5.4. FLUORESCÊNCIA RESOLVIDA NO TEMPO ............................................... 49

5.5. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO

(IV) ............................................................................................................................. 51

5.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN ........................................................................... 52

CAPÍTULO 6: RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................... 46

6.1. INFLUÊNCIA DO SOLVENTE E DA CONCENTRAÇÃO ............................. 46

6.1.1. Espectroscopia de Absorção Ótica na região do Ultravioleta e visível (UV-

Vis) ......................................................................................................................... 46

______________________________________________________________________

6.1.2. Espectroscopia de fotoluminescência ........................................................... 59

6.1.3. Fluorescência Resolvida no Tempo .............................................................. 62

6.2. EFEITO DO pH NO ESPECTRO DE ABSORÇÃO DA SOLUÇÃO AQUOSA

DE SCC ...................................................................................................................... 65

6.3. SCC NA MISTURA ÁLCOOL ETÍLICO E ÁGUA .......................................... 66

6.4. EFEITO DO CENTRO METÁLICO NO ANEL PORFIRÍNICO ..................... 72


(IV) DA SCC .............................................................................................................. 74

6.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN DA SCC ............................................................ 75

CAPÍTULO 7: CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................ 56

REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 79

GLOSSÁRIO .................................................................................................................. 91

APÊNDICE .................................................................................................................... 92

PREFÁCIO

Os materiais orgânicos conjugados têm despertado enorme interesse de estudo

devido à capacidade que têm de apresentar propriedades eletrônicas, elétricas,

magnéticas e ópticas semelhantes às dos metais, porém com um diferencial que é a

flexibilidade e facilidade de processamento 99. As porfirinas, em particular, pertencem a

uma classe dos materiais orgânicos conjugados que possuem características específicas,

como intensa absorção óptica na região do ultravioleta e do visível, alta afinidade com

estruturas biológicas, ação catalítica, alta estabilidade química e fotoquímica. Essas

características são dependentes do meio físico em que se encontram5, 40. Tais

características atribuem a esses materiais potenciais aplicações tecnológicas na área da

indústria de laser, em displays de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs, do inglês

organic light-emitting diode) e dispositivos orgânicos fotovoltaicos (OPVs, do inglês

organic photovoltaics), limitadores ópticos, sensores. Destaca-se ainda sua aplicação no

tratamento de câncer através da Terapia Fotodinâmica (TFD),no qual são utilizadas

como drogas fotossensibilizadoras (Fs) e ainda vem sendo estudado seu uso potencial

em Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET)4, 8, 20, 32, 41, 54, 56, 86, 93, 95, 97.

As porfirinas estão presentes em diversos processos biológicos, nos quais

apresentam funções metabólicas de sítios ativos, como a hemoglobina e mioglobina,

atuando no transporte do oxigênio. Tem-se ainda um importante exemplo, a clorofila,

que tem a capacidade de transformar a energia da luz solar em energia química através do processo

de fotossíntese5, 39. Um fator bastante interessante nesses materiais é a possibilidade deles

terem sua estrutura química modificada, como por exemplo, a inserção ou a substituição

do centro metálico do anel porfirínico, bem como alteração dos grupos laterais (as

ramificações do anel), surgindo assim diversos derivados dessa classe17, 32. A clorofilina

cúprica de sódio, mais conhecida como SCC (do inglês sodium copper chlorophyllin), é

uma porfirina metalada derivada da clorofila pela substituição do magnésio (Mg) pelo

cobre (Cu) e modificação de suas cadeias laterais através da reação de saponificação, o

que confere a ela solubilidade em água.As modificações feitas em um anel porfirínico

alteram significativamente suas propriedades optoeletrônicas como intensidade de

fluorescência, coeficiente de absortividade molar, tempo de vida do estado excitado da

molécula, rendimento quântico, entre outras. Estas mudanças são interessantes quando

se pretende aprimorar as propriedades fotofísicas de um material para aplicações

Prefácio 19

específicas 2, 17, 41. Desta forma, é importante ressaltar que as propriedades fotofísicas de

um material são determinadas pela natureza e pela energia de seus estados

eletronicamente excitados 24. No caso das porfirinas, sua aplicação requer o

conhecimento de suas propriedades fotofísicas e semicondutoras.

O meio físico em que a porfirina se encontra também influencia

significativamente suas propriedades fotofísicas, como é o exemplo da concentração,

solvente, pH e temperatura. Um dos efeitos propiciados por esses meios é o processo de

agregação, no qual é promovido um equilíbrio entre o monômero e o agregado. Esse

equilíbrio pode ser controlado durante o preparo das amostras 3, 72.

A SCC é tomada como destaque neste estudo por não ter suas características

espectrais modificadas, mesmo quando solubilizada em água e por apresentar

propriedades que lhe conferem uma gama de aplicações. Além disso, ainda não se tem

na literatura informações sobre as propriedades fotofísicas desta molécula, como

coeficiente de absortividade molar, rendimento quântico de fluorescência e tempo de

vida. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo caracterizar as

propriedades optoeletrônicas da SCC em diferentes meios físicos como solvente,

concentração e pH, utilizando diferentes técnicas de caracterização como absorção ótica

na região do ultravioleta e visível (UV-Vis), fluorescência estacionária e resolvida no

tempo, espalhamento de luz ressonante (RLS), espectroscopia na região do

infravermelho e espectroscopia Raman.

Nesta dissertação, os conceitos teóricos sobre os processos fotofísicos, a

estrutura das porfirinas, a clorofilina cúprica de sódio e os processos de agregações são

abordados no capítulo 1. No capítulo 2 são apresentados os materiais utilizados e a

forma como as soluções com diferentes solventes, diferentes concentrações e diferentes

valores de pH foram preparadas. Os detalhes das técnicas de caracterização estão

apresentados no capítulo 3. No capítulo 4 são discutidos os resultados da SCC em

diferentes meios físicos e a influência do centro metálico do anel porfirínico em suas

propriedades eletrônicas e ainda são apresentados os espectros de absorção na região do

infravermelho e Raman para confirmação de sua estrutura química. O capítulo 5 traz as

considerações finais desta pesquisa e as perspectiva para trabalhos futuros.

CAPÍTULO 1: FOTOFÍSICA MOLECULAR

A fotofísica é compreendida como o estudo dos mecanismos físicos que resultam

da interação entre matéria e a radiação eletromagnética na faixa do

ultravioleta/visível, permitindo compreender e explorar as propriedades de uma

molécula26, 28. Este capítulo faz uma abordagem dos processos de excitação (absorção

de energia) e desativação do estado excitado de uma molécula orgânica semicondutora

e as transições eletrônicas que dão origem à fluorescência e fotoluminescência serão

detalhadas a seguir.

______________________________________________________________________

1.1. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTRAMOLECULARES

O diagrama de Jablonski (Fig.1) é convenientemente utilizado para a explicação

dos possíveis processos fotofísicos de uma molécula. Nele são descritos os seguintes

processos: absorção de fóton, fluorescência, fosforescência, cruzamento inter-sistema,

conversão interna e fluorescência atrasada 93.

Figura 1: Diagrama de Jablonski e os respectivos espectros de absorção, fluorescência e fosforescência 93.

Capítulo 1: Fotofísica Molecular 21

Os estados eletrônicos singletos são chamados de S0 (estado eletrônico

fundamental), S1, S2,... (estados eletrônicos excitados) e os estados tripletos são

denotados T1, T2,....Os níveis vibracionais são associados com cada estado eletrônico 37.

As transições eletrônicas entre os estados são indicadas por linhas verticais, ilustrando a

natureza quase instantânea da absorção e a posterior emissão de luz 64.

Durante o processo de excitação de uma molécula através da absorção de

radiação, esta molécula passa de um nível energético mais baixo para um nível

energético mais elevado. Esse estado mais energético do elétron é muito instável com

relação ao seu estado inicial (estado fundamental) e, por isso, essa energia é dissipada

através de diferentes processos de decaimentos, radiativos ou não-radiativos, transitando

o elétron para estados excitados de menor energia ou para seu estado fundamental28.

Desta forma, quando um fóton com energia suficiente para excitar um elétron do estado

fundamental (S0) para um nível eletrônico de maior energia Sn (n = 1, 2, ...) é absorvido

pela molécula, ocorre uma transição eletrônica de um estado para outro. Cada um desses

níveis eletrônicos é ainda caracterizado por vários níveis vibracionais (ⱱ = 0, 1, 2...)

para os quais transições ópticas diretas podem ocorrer. O fóton de menor energia

absorvido pelo material tem uma energia igual à diferença de energia entre os níveis S0

e S1 e, quando fótons com energia maior que essa diferença são absorvidos resultam em

transições eletrônicas para níveis de maior energia (S2, S3...) 93.

A desativação do estado excitado de uma molécula pode ocorrer por diferentes

caminhos, onde alguns processos poderão ser mais favorecidos que outros, dependendo

da natureza da molécula, dos estados excitados envolvidos no processo e do solvente,

dentre outros meios físicos. Essa desativação ocorre por processos radiativos e não-

radiativos. Os processos radiativos são comumente classificados como

fotoluminescência, pelos quais os elétrons retornam ao nível fundamental emitindo luz

(radiação eletromagnética). A fluorescência e a fosforescência são os fenômenos

radiativos envolvidos neste processo, ainda tendo um terceiro que é a fluorescência

atrasada 28, 37, 64, 93.

Fluorescência

A radiação emitida durante o decaimento a partir do primeiro nível vibracional

no primeiro estado eletrônico excitado (S1) para o estado eletrônico fundamental (S0) é

chamada de fluorescência. O processo de fluorescência parte do pressuposto de que no

estado excitado, o elétron preserva a multiplicidade que tinha quando no estado


fundamental, permitindo que o seu retorno ao estado fundamental ocorra rapidamente,

emitindo um fóton com um tempo de vida entre 10 -10 a 10 -7 s 93.

Fosforescência

A fosforescência é a emissão de luz a partir do estado excitado tripleto, onde

temos decaimento radiativo de T1 para S0 como mostrado no diagrama de Jablonski.

Sendo a multiplicidade deste estado diferente ao do estado fundamental, com tempo de

vida consideravelmente mais longo comparado ao estado excitado singleto, variando de

10 -6 a 1s 93, 20.

Fluorescência Atrasada

A fluorescência atrasada é ativada termicamente, ocorrendo, assim, um

cruzamento inter-sistema inverso, T1 S1. Isto ocorre quando a diferença de energia

entre S1 e T1 é menor e quando o tempo de vida de T1 é bastante longo. Este processo

resulta em espectro de emissão bem similar ao da fluorescência, porém com um tempo

de vida do estado excitado mais longo do que ao da fluorescência, devido a sucessivas

conversões inter-sistemas (CIS) 93.

Conversão interna

Este processo consiste na desativação da espécie excitada para estados de mesma

multiplicidade. Este processo é seguido por um relaxamento vibracional para o menor

nível de vibração dos estados eletrônicos finais sem emissão de radiação. O excesso de

energia vibracional pode ser induzidamente transferido para o solvente durante colisões

da molécula excitada com a molécula do solvente circundante 76, 93.

A conversão interna de S1 para S0 é possível, mas é menos eficiente do que a

conversão de S2 para S1, porque o gap de energia entre S1 e S0 é muito maior, podendo

competir com a fluorescência e com o cruzamento inter-sistema para o estado tripleto 93.

Cruzamento inter-sistemas (CIS)

Este processo envolve transições não-radiativas entre estados eletrônicos de

diferentes multiplicidades, de um estado singleto para tripleto e vice-versa. O

cruzamento inter-sistemas pode ser rápido o suficiente (10 -10 a 10 -8s) para competir

com outros processos de desativação de S1 (fluorescência e conversão interna S S0) 76,

93.


1.2. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTERMOLECULARES

Na seção 1.1 foram abordados os processos fotofísicos intramoleculares. No

entanto, estes não são unicamente suficientes para detalhar as propriedades fotofísicas

de uma molécula. É necessário uma caracterização mais ampla, onde se verifique os

processos fotofísicos intermoleculares, os quais envolvem a interação de uma molécula

doadora (*D) com outras moléculas idênticas ou não (receptora, A) que se encontram no

estado fundamental, contribuindo para a desativação da molécula 5, 93.

Dentre os processos fotofísicos que contribuem para a desativação de uma

molécula, podemos destacar: ação de agentes supressores, transferência de energia

(radiativa e não-radiativa), transferência de elétrons e de prótons, formação de

excímeros e formação de exciplexos 93.

1.2.1. Supressão de Fluorescência

O termo supressão de fluorescência se refere a qualquer processo que diminua a

intensidade de fluorescência de um cromóforo. Esse processo pode ser resultado de uma

variedade deefeitos como concentração, solvente e efeito de filtro interno (primário ou

secundário) e interações intermoleculares. Dentre essas interações, destacam-se a

supressão estática e supressão dinâmica. Para ambos efeitos de supressão é necessário

que haja interação entre o cromóforo e o agente supressor e, consequentemente, estes

tipos de supressão nos fornecem informações importantes sobre esse cromóforo 55, 76, 93.

Supressão dinâmica ou colisional

Esse processo consiste na desativação do estado excitado através da colisão do

cromóforo com o agente supressor durante o tempo de vida do estado excitado.

Geralmente, após a colisão, o cromóforo regressa ao estado fundamental sem emissão

de fóton e sem haver qualquer alteração química das moléculas envolvidas. A

magnitude dessa desativação é proporcional à concentração do agente supressor e da sua

capacidade de difusão no meio 55, 93.

A supressão dinâmica de fluorescência é descrita pela equação de Stern-Volmer:

𝐹0

𝐹= 1 + 𝑘𝑞 . 0[𝑄] = 1 + 𝐾𝑆𝑉[𝑄] =

Φ0

Φ=

0

Eq. 1


onde F0 e F representam, respectivamente, a intensidade de fluorescência na ausência e

na presença do agente supressor, kq é a constante bimolecular de supressão, 0 é o tempo

de vida na ausência do agente supressor e [Q] é a concentração do agente supressor. A

constante de Stern Volmer, KSV, é dada por 0.kq. A constante bimolecular (kq) reflete a

eficiência da supressão ou acessibilidade do cromóforo ao supressor. Em geral, o

gráfico de Stern Volmer é linear indicando que os fluoróforos presentes em solução são

igualmente acessíveis ao supressor (Fig. 2). O coeficiente angular da reta é atribuído ao

valor da constante de Stern-Volmer (KSV). É importante reconhecer que a linearidade de

um gráfico de Stern-Volmer não prova que a supressão da fluorescência é dinâmica.

Alguns casos de supressão estática podem estar ocorrendo, porém podemos diferir esses

dois processos, principalmente, a partir das medidas de tempo de vida, da dependência

da temperatura e da viscosidade da amostra 55, 93. No caso da supressão dinâmica, o

tempo de vida da molécula é alterado na presença do agente supressor, como mostra os

perfis de decaimentos de tempo de vida da Fig. 2.

Figura 2: Gráficos para o efeito de supressão dinâmica:gráfico de Stern Volmer a esquerda e a direita

acurva de decaimento da fluorescência de uma molécula na presença e na ausência do agente supressor 93.

A mudança de inclinação revela a variação do tempo de vida.

Supressão estática

A supressão estática pode ocorrer de duas formas diferentes. Uma implica na

concepção de uma esfera de supressão efetiva, região onde ocorre a difusão entre a

molécula (M*) e o agente supressor (Q) durante o tempo de vida no estado excitado.

Este é um processo dependente do tempo. O outro implica na formação de um

complexo não fluorescente entre a molécula (M) e o agente supressor (Q) quando

ambos estão no estado fundamental. Quando este complexo absorve luz, ele

imediatamente retorna ao estado fundamental sem a emissão de fóton (Fig. 3) 93.


Figura 3: Representação esquemática da supressão estática em uma concepção de esfera de supressão

efetiva e para a formação de um complexo não fluorescente do estado fundamental 93.

Supressão Estática por formação de complexo não fluorescente

Considera-se a formação de um complexo não fluorescente na proporção de 1:1

(fluoróforo mais o agente supressor) de acordo com o equilíbrio:

M +Q MQ

Em um processo de supressão estática por formação de complexos não

fluorescentes, a intensidade de fluorescência diminui com a adição de um agente

supressor. Usando a relação para a constante de estabilidade do complexo (constante de

associação kS), tem-se:

KS = [𝐹𝑄]

[𝐹][𝑄] Eq. 2

e a lei de conservação de massa

[F] 0 = [F] + [FQ] Eq. 3

onde [F] 0 é a concentração total de M. A fração de complexos não fluorescentes podem

se obtidas por:

[𝑀]

[𝑀]0=

1

1+𝐾𝑆[𝑄] Eq. 4


Considerando-se que a intensidade de fluorescência é proporcional a

concentração (considerando apenas soluções bem diluídas), esta relação pode ser

reescrita como:

𝐹0

𝐹= 1 + 𝐾𝑆[𝑄] Eq. 5

A Eq. 5 mostra que a dependência de F0/F em relação a [Q] é linear e é idêntica

à observada para supressão dinâmica, exceto que a constante de supressão Kq é agora a

constante de associação KS. A Fig. 4 ilustra o perfil do gráfico de Stern Volmer e o

decaimento radiativo na presença e ausência do agente supressor. Neste caso, embora o

gráfico de Stern Volmer seja semelhante ao caso da supressão dinâmica, o tempo de

vida da molécula (M) não se altera na presença do agente supressor (Q).

Figura 4: Gráficos para o efeito de supressão estática na formação de complexos não fluorescentes: (a

esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita)os perfis das curvas de decaimento da fluorescência de

uma molécula na presença e na ausência de Q(a direita) 93.

Supressão estática por esfera de supressão efetiva

Quando a molécula no estado excitado (M*) e o agente supressor (Q) não podem

mudar suas posições em um espaço relativo para nem um outro durante o tempo de vida

de M* no estado excitado, Perrin propôs um modelo em que a supressão de uma

amostra é assumida ser completa se o agente supressor Q estiver localizado dentro de

uma esfera (chamado de efeito de esfera efetiva) de volume Vq em torno da molécula

M*. O caso em que o agente supressor estiver fora da esfera, ele não terá efeito sobre

M*. Portanto, a intensidade de fluorescência da solução é diminuída pela adição de Q e

o decaimento da fluorescência após o pulso de excitação não é afetado 55, 93.


O modelo de Perrin para a esfera de supressão efetiva mostra que:

𝐹0

𝐹= exp (𝑉𝑞𝑁𝑎[𝑄]) Eq. 6

Em contraste a equação de Stern Volmer (Eq. 1) a relação F0/F não é linear e

mostra uma exponencial positiva quando em altas concentrações de agentes supressores

(Fig. 5), enquanto para baixas concentrações tem-se que exp (VqNa[Q]) ≈ 1 + VqNa[Q],

a razão de F0 /F tem um comportamento linear. Portanto, neste caso particular de

supressão estática, o tempo de vida da molécula M não se altera na presença do agente

supressor e o gráfico de Stern Volmer tem comportamento linear apenas para baixas

concentrações do agente supressor.

Figura 5: Gráficos para o efeito de supressão estática na presença de uma esfera de supressão efetiva: (a

esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita) perfis dos decaimentos de fluorescência da molécula na

presença e na ausência do agente supressor 93.

Assim, a linearidade do gráfico de Stern-Volmer pode estar relacionada tanto à

uma supressão dinâmica quanto à uma estática. A medida de tempo de vida é o método

mais definitivo para a distinguir tais processos. Desta forma, temos que para a supressão

estática 0 / = 1, ou seja o tempo não muda, em contrapartida, para a supressão

dinâmica F0 /F = 0 / 55, 93.


1.2.2. Transferência de energia

A transferência de energia radiativa consiste em duas etapas ocorrendo

consecutivamente, sendo a absorção da emissão de uma molécula doadora no estado

excitado (D*) pela molécula receptora (A)93. Este processo ocorre entre o doador e o

receptor após a excitação do primeiro, de acordo com o mecanismo:

D*→ D + h

A + h→ A*

A eficiência deste processo depende da sobreposição espectral entre os espectros

de emissão do doador e absorção do receptor, do coeficiente de absorção molar do

receptor (ɛA), da concentração do receptor e do rendimento quântico de fluorescência do

doador (D). Para o estudo da transferência radiativa entre moléculas idênticas, Birks 11

propôs um simples modelo cinético, as quais apresentam tempo de permanência no

estado excitado mais longo devido as sucessivas reabsorções e remissões. Portanto, tem-

se que o tempo de permanência da molécula no estado excitado () é mais longo que o

tempo de permanência da molécula no estado excitado na ausência de transferência

radiativa (0) e o rendimento quântico de fluorescência da molécula (F) tende a ser

menor que o rendimento quântico de fluorescência da molécula na ausência de

transferências radiativas (0) 89, 93.

A transferência de energia não radiativa consiste basicamente em envolver

simultaneamente a desativação da molécula doadora do estado excitado (D*) causando

a excitação da molécula receptora (A) como segue a expressão sendo:

D* + A → D + A*

Esse processo influencia tanto no rendimento da emissão do doador quanto no

tempo de decaimento de ambos 89.Os trabalhos teóricos pioneiros de Förster e Dexter

estabeleceram as bases para a compreensão desse fenômeno 47.

O modelo proposto por Förster consiste na transferência não radiativa da

energia de um doador no estado excitado (D*) para um para um receptor, devido a

interações de tipo dipolo-dipolo de longo alcance entre o doador e o receptor (A), não


envolvendo colisões entre as moléculas, efeito de filtro interno ou transferência de

elétrons (Fig. 6). Para que haja essa transferência de energia não-radiativa, o par doador-

receptor deve satisfazer alguns requisitos: (i) estar a uma distância específica (entre 10 e

100 nm) um do outro; (ii) o momento de dipolo entre o doador (D*) e do receptor (A)

deve estar orientado de maneira adequada e (iii) deverá haver certa sobreposição das

densidades de estados de fluorescência do doador com a de absorção do receptor 33, 75, 89.

Figura 6: Ilustração do teorema de Föster para o processo de transferência de energia ressonanteem que os

elétrons 1 (verde) e 2 (amarelo) transferem energia permanecendo no doador e no receptor,

respectivamente 75.

Dexter expandiu o modelo de Förster para os fenômenos onde há troca de

elétrons ou interação multipolar entre uma molécula doadora no estado excitado (D*) e

uma molécula receptora (A) (Fig. 7). Assim, a transferência de elétrons de Dexter é

observada quase que exclusivamente em distâncias muito curtas e onde há sobreposição

orbital entre as espécies envolvidas apresentando, assim, conjugação (requer moléculas

suficientemente próximas, entre 8-12 A 29, 60. Esse tipo de transferência não permite a

formação de radicais livres, pois as cargas da molécula são conservadas, o que a difere

este processo do modelo de transferência de carga. A teoria proposta por Dexter requer

que o sistema doador receptor, mantenham a multiplicidade de spin, não permitindo

transferência de energia entre estados eletrônicos diferentes 25, 75, 89.


Figura 7: Ilustração do modelo de Dexter para o efeito de transferência não radiativa em que os elétrons 1

(verde) e 2 (amarelo) trocam de molécula 75.

1.2.3. Transferência de elétrons

A transferência de elétrons é considerada processo de oxi-redução, na qual as

moléculas doadoras (D) de elétrons e as moléculas receptoras (A) estão no estado

excitado. Os processos de transferência eletrônica são controlados, em grande parte,

pelo potencial de ionização (PI) da espécie doadora, e pela afinidade eletrônica da

espécie receptora. As moléculas ao serem excitadas, diminuem seu potencial de

ionização e a energia para retirar o elétron é menor, porém a afinidade eletrônica (AE)

também aumenta o valor absoluto. Portanto, pode-se afirmar que a excitação da

molécula favorece os processos de transferência eletrônica 55, 93. Diferentemente da

transferência de energia proposta por Dexter, ao longo do mecanismo de transferência

de elétrons, há mudança na carga dos reagentes e produtos.

1D* + A D+ + A-

1A* + D A- + D+

1.2.4. Transferência de prótons

Quando ocorre a excitação eletrônica da molécula suas características ácido e

base dos sítios próximos aumenta, envolvendo assim, a troca rápida do próton na

superfície do estado excitado. Muitos compostos apresentam alteração no seu pKa

(constante de acidez) quando excitados, podendo sofrer a desprotonação na presença de

espécies básicas, como o solvente. Para que o processo de transferência de prótons


ocorra, é necessário que se dê condições para que outro componente do par ácido-base

esteja próximo da molécula excitada, permitindo que a transferência protônica aconteça

durante o curto tempo de vida da molécula no estado excitado. Por ocorrer em temo de

vida curto, este processo compete com o processo de emissão e/ou supressão. No

processo de transferência de próton, parte das moléculas excitadas é transformada em

sua forma protonada ou dissociada 55, 71, 93.

AH* + B A-* + BH

B* + AH B+* + A-

1.2.5. Formação de excímeros e de exciplexos

Excímeros (palavra resultante da contração de ‘dímero excitado’) são dímeros

no estado excitado, formados a partir da interação entre uma molécula ativada e outra

idêntica, porém não-excitada. Assim, temos que:

1M* + 1M 1(MM)*

A representação simbólica (MM)* mostra que a energia de excitação é

deslocalizada para as duas moléculas.

Exciplexos são complexos do estado excitado formados a partir da interação

entre uma molécula excitada e uma molécula diferente desativada 55, 71, 93.

1D* + A 1(DA)*

1A* + D 1(DA)*

1.3. RENDIMENTO QUÂNTICO

O rendimento quântico de fluorescência (ΦF) é um parâmetro que quantifica a

capacidade de uma molécula emitir radiação, sendo a razão entre o número de fótons

emitidos por fluorescência e o número de fótons absorvidos. Uma molécula será

significativamente fluorescente se seu rendimento quântico tiver magnitude

considerável (entre 0,1 e 1) 55, 76, 93.


Existem diferentes métodos para determinar a rendimento quântico de

fluorescência. O método comparativo de Williams é um dos mais empregados para se

obter ΦF 26. Este método utiliza dados de uma amostra de referência com ΦF conhecido

para se obter Φ da amostra em estudo, para isso é fundamental considerar alguns

parâmetros experimentais (concentração, instrumentação, etc.) que devem ser iguais

para ambas amostras. Os índices de refração dos solventes, tanto da amostra em estudo,

quanto da referência, devem ser considerados nos cálculos; a configuração do

equipamento de fluorescência deve ser a mesma para a amostra e para a referência e as

soluções devem estar bem diluídas, evitando efeitos que não estão de acordo com a Lei

de Beer-Lambert (efeito de filtro, por exemplo). A Eq. 7 possibilita calcular a

rendimento quântico de uma dada amostra, como se segue:

ɸ = ɸ𝑅𝐴𝑅𝐹𝐴

′ 𝑛𝐴2

𝐴𝐴𝐹𝑅′ 𝑛𝑅

2 Eq. 7

onde ɸ é a rendimento quântico da amostra em análise, ɸR é a rendimento quântico da

referência, AAe AR, são, respectivamente, a absorção da amostra e da referência, FA’ e

FR’, são, respectivamente, a área do espectro de fluorescência da amostra e da referência

e n representa os índices de refração dos solventes utilizados na amostra e na referência.

CAPÍTULO 2: COMPOSTOS PORFIRÍNICOS

As porfirinas são uma classe de moléculas orgânicas com uma estrutura geral

de macrociclo tetrapirrólico (formado por quatro anéis pirrólicos), ligados por

ligações metínicas (-CH-) e possuem propriedades semicondutores devido à alta

conjugação do anel. Neste capítulo são apresentadas as estruturas químicas, principais

conceitos, propriedades e aplicações das porfirinas, em especial da clorofilina cúprica

de sódio. Em seguida são abordados os processos de agregação nestas moléculas.

______________________________________________________________________

2.1.PORFIRINAS

As porfirinas são compostos macrocíclicos que contêm quatro anéis pirrólicos

ligados entre si por átomos de carbono. A disposição alternada das ligações simples e

duplas constitui um sistema eletrônico altamente conjugado e transições eletrônicas

ocorrem na faixa do visível e ultravioleta do espectro eletromagnético 19, 67. A palavra

Porfirina vem do grego “porphura” que significa púrpura. Elas compreendem uma

importante classe de moléculas presentes na natureza exercendo diversas funções

biológicas e de grande interesse em diversas áreas como oncologia, física de materiais,

entre outros 35.

As porfirinas são compostos aromáticos macrocíclicos e apresentam 22 elétrons

π, sendo apenas 18 ressonantes, de acordo com a regra de Huckel e são constituídas de

quatro anéis pirrólicos planares, com aproximadamente 9 Å de diâmetro externo e 4 Å

de diâmetro interno. Essa molécula apresenta baixa solubilidade em solventes orgânicos

e em água, devido à sua ampla nuvem π 32. A Fig. 8 mostra a estrutura geral da classe

das porfirinas.

Figura 8: Estrutura geral da porfirina 64.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Composto_org%C3%A2nico

https://pt.wikipedia.org/wiki/Pirr%C3%B3licos

Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 34

As porfirinas possuem elevado rendimento quântico de formação de estados

tripletos e, consequentemente, a geração de oxigênios singletos 73, além de alta

biocompatibilidade 16. Tais propriedades são interessantes para o uso das porfirinas em

sistemas biológicos, como por exemplo, como fotossensibilizantes na terapia

fotodinâmica-TFD (PDT, do inglês photodynamic therapy), utilizada em tratamento de

cânceres 3, 12, 13, 19, 32.

2.1.1. Metaloporfirinas

As porfirinas têm a propriedade de se combinarem prontamente com metais,

formando quelatos ou complexos muito estáveis, as metaloporfirinas. É sob esta forma

que os pigmentos pirrólicos exercem as suas funções mais importantes nos organismos

vivos. Praticamente todos os metais têm possibilidade de se combinarem, in vitro, com

os átomos de nitrogênio centrais das porfirinas, em um espaço com cerca de 3,7 Å de

diâmetro. Os íons metálicos divalentes substituem os 2 átomos de H dissociáveis do

núcleo porfirínico, através de ligações iónicas e coordenadas, dentro do mesmo plano,

com os 4 átomos de nitrogênio. Alguns complexos metálicos divalentes, como Fe (II),

Co (II), Mn (II), ao se oxidarem em trivalentes, ocasionam a libertação de um excesso

de carga positiva prontamente neutralizada por ânions. Quando os metais são

monovalentes, por exemplo, Na +, K +, Ag +, diminuem a estabilidade termodinâmica

própria das metaloporfirinas; enquanto que um dos cátions fica levemente acima do

plano do núcleo, o outro se situa um pouco abaixo. A incorporação de um átomo de

metal, no centro do núcleo porfirínico, altera as propriedades de ambos, em especial, no

espectro de absorção, fluorescência e solubilidade das porfirinas e respectivos

complexos metálicos. As metaloporfirinas biologicamente importantes utilizam o ferro

(hemoproteínas), magnésio (clorofilas) e cobalto (Vit. B12)43, 74, 82. A Fig. 9 traz a

estrutura química de algumas metaloporfirinas.


(a)

(b)

Figura 9: Representação das estruturas de (a) grupo heme (protoporfirina IX) e (b) clorofila 43.

As metaloporfirinas apresentam, além de propriedades semicondutoras, alta

estabilidade química e fácil processabilidade na formação de filmes finos. Tais

propriedades fazem com que as metaloporfirinas sejam consideradas alternativas de

grande potencial de aplicação na eletrônica e na optoeletrônica molecular 30, 98. Além

disso, apresentam elevados coeficientes de extinção para absorção próxima de 650 nm,

região em que ocorre o máximo fluxo de fótons da radiação solar, resultando em uma

eficiente captação de fótons, tornando-as adequadas para a integração de sistemas de

conversão de luz em corrente elétrica 22. Algumas metaloporfirinas, quando modificadas

de forma a serem solúveis em água, como é o caso da clorofilina cúprica de sódio, não

têm suas características espectrais modificadas 78, 80.

2.1.2. Absorção e Luminescência de porfirinas de base livre e de metaloporfirinas

As porfirinas, em geral, apresentam características óticas espectrais com

transições mais energéticas na região do azul (entre 410 e 450 nm), conhecida como

banda Soret, e na região do vermelho (entre 500 e 650 nm), conhecida com banda Q 64.

A metalação das porfirinas de base livre causa alterações significantes no

comportamento dos níveis de energia, sendo essas alterações fortemente dependentes do

metal a elas complexadas. Na maioria dos casos a estrutura da porfirina deixa de ser

planar (dependendo do metal, ligante e do meio). Essa alteração estrutural se reflete na

simetria da molécula, que passa de D2h devido aos dois hidrogênios em posições opostas

no centro do anel, para D4h em que todos os átomos de nitrogênio são equivalentes.

Essas alterações levam a reorientação dos orbitais moleculares da porfirina e são

responsáveis pelas modificações observadas nos espectros de absorção e de emissão. O


número de bandas Q da porfirina de base livre, que é quatro é reduzido normalmente

para duas e a banda Soret sofre um deslocamento batocrômico (para o vermelho) 45. A

Fig. 10 representa simplificadamente, as mudanças nas características espectrais na

porfirina com a inserção de um metal.

Figura 10: Estrutura química e espectros de absorção da tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina

(H2TMPyP ) em azul e da 5,10,15,20 – tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina zinco (II) ( ZnTMPyP)

em preto em água 17.

Tanto porfirinas quanto metaloporfirinas, apresentam, em sua maioria,

fotoluminescência. As porfirinas apresentam emissão predominantemente fluorescente e

geralmente apresentam fosforescência a baixas temperaturas 42.

A luminescência das metaloprofirinas foi primeiramente investigada no estudo

feito por Becker e Kasha 10, no qual complexos de Zn (II), Cu (II), Ni (II) e Mg (II),

clorofilas, dentre outros compostos foram estudados a baixa temperatura (77 K). Outros

estudos confirmaram que a fotoluminescência de metaloporfirinas está correlacionada

com a eletronegatividade do metal 9.

2.1.3. Clorofilina Cúprica de Sódio (SCC)

A clorofilina cúprica de sódio (SCC) (Fig. 12) é uma porfirina comercial de

baixo custo, quando comparada as demais porfirinas comerciais, têm uma de suas

posições meso substituída por um sal de ácido carboxílico, mais especificamente, esses

sais aparecem nas posições 13, 15 e 17. Na região de maiores comprimentos de onda,


apresenta uma banda Q intensa em torno 630 nm. A SCC é produzida a partir de

extratos contendo a clorofila natural (Fig. 11), o qual é inicialmente tratado com

hidróxido de sódio, ou seja, é realizada a reação de saponificação, resultando na

hidrólise das duas ligações éster da molécula da clorofila, transformando-a num diácido.

Um dos grupos liberados após o processo é o fitol e ainda se tem o rompimento do anel

isocíclico E da clorofila, que dá origem a um terceiro grupo ácido. Em seguida, o átomo

de magnésio que se encontra no centro do anel da clorofila é substituído, em meio

ácido, por H+ e, posteriormente tem-se a inserção de um novo metal ao anel, o cobre,

que atribui a molécula um complexo estável (Cu) 32, 49, 53. Devido a formação de novos

grupos na cadeia lateral do anel (os sais de ácido carboxílico), a molécula passa a

apresentar solubilidade em água. Esta molécula tem sido aplicada em várias áreas, como

na medicina 27, na indústria alimentícia 38 e em sistemas eletrônicos 6, 27, 38, 54, 97.

Figura 11: Processo de obtenção da clorofilina cúprica de sódio a partir da clorofila natural96.

Figura12: Estrutura química da Clorofilina cúprica de sódio (SCC).


A interação entre o Cu2+ e o anel porfirínico é relativamente estável, embora

possa ser eliminado por protonação com ácidos fortes, como documentado na literatura.

Esta molécula, em alguns trabalhos, é tomada como estudo devido a possibilidade de

sua modificação para obtenção de fotossensibilizantes (Fs) que absorvam na janela

terapêutica para aplicação em TFD (Terapia Fotodinâmica) e pelo fato de ser solúvel em

água e apresentar compatibilidade com o corpo humano 32. As modificações da SCC são

necessárias porque ela não apresenta propriedades de um bom fotossensibilizante, pois

ela não forma tripleto e o estado excitado singleto apresenta tempo de vida muito curto,

o que está associado a decaimentos não radiativos através dos níveis vibracionais dos

orbitais d vazios do cobre que é paramagnéticos 9, 12, 17.

2.2.AGREGAÇÃO EM MOLÉCULAS PORFIRÍNICAS

Em moléculas porfirínicas as interações moleculares podem provocar fenômenos

de agregação, que é a auto-associação de moléculas em solução. A agregação é também

um modelo fundamental para muitos tipos de interações moleculares, como a formação

de micelas e a união de pequenas moléculas orgânicas, formando macroestruturas

complexas em solução, e que, dependendo da concentração, alteram pouco ou muito as

propriedades físico-químicas da solução 66, 72.

As interações soluto-soluto propiciam a formação de espécies agregadas,

podendo estas serem de dois tipos, a hetero-agregação e a auto-agregação 38. A estrutura

química do composto contribui significativamente para o os mecanismos que regem a

agregação dessas moléculas, tendo destaque as forças intermoleculares como ponte de

hidrogênio, interações eletrostáticas, incluindo interações entre o sistema , forças de

van der Waals e interações hidrofóbicas. Os substituintes, força iônica, temperatura e

pH também podem ser considerados nesse fenômeno 36, 50.

De acordo com as interações intermoleculares, os agregados são também

classificados em duas importantes classes conhecidas como agregados lineares ou do

tipo J (Fig. 13 b), formados por interações dipolares, ocasionando o deslocamento do

máximo de absorção para o vermelho (batocrômico) abaixando o nível de energia das

transições proibidas por simetria, devido a um decréscimo de energia entre o estado

fundamental e o excitado (Fig. 15). Os agregados paralelos ou do tipo H (Fig. 13 a), que

ocasiona um distanciamento entre os níveis de energia do estado fundamental e

excitado, conduzindo a um deslocamento do máximo de absorção para o azul


(hipsocrômico) (Fig. 15). Ainda, em muitos casos, podem ser observados os agregados

mistos HJ, onde o contato face-a-face não é completo (Fig. 13 c, Fig. 13 d) 1, 69, 72.

Figura 13: Representação das formas de agregação: (a) face-a-face/tipo H; (b) entre laterais/ tipo J; (c)

face lateral/tipo HJ e (d) faces paralelas deslocadas/tipo HJ 32.

As espécies agregadas e as monoméricas, geralmente se encontram em

equilíbrio, ou seja, estão em condições reversíveis, em que alguns fatores como

temperatura, concentração e fração molar do solvente contribuem ou para a formação do

produto de agregação ou do monômero como mostra a Fig. 14 3, 50.

Figura 14: Fatores que afetam o equilíbrio entre agregados e monômeros 50.

Com o aumento da temperatura e aumento da fração molar do solvente, no qual

o soluto é bastante solúvel, a tendência para a formação de monômero é bem maior do

que a formação de agregado. No entanto, este processo pode ser invertido quando é

alterado o sistema, isto é, se e ocorrer diminuição da temperatura ou até mesmo

alteração do solvente, sendo este de diferente polaridade em relação à molécula em

estudo (soluto).As transições eletrônicas apresentam diferenças entre espécies

monoméricas e agregadas. Quando comparado ao monômero, tem-se um decréscimo no

ΔE HOMO-LUMO (do inglês highest occupied molecular orbital


elowest unoccupied molecular orbital, respectivamente) para agregados do tipo J (Fig.

15 b) e um incremento para agregados do tipo H (Fig. 15 c) 1, 69.

Figura 15: Excitação eletrônica para porfirinas monoméricas (a); agregadas do tipo J (b) e agregadas do

tipo H (c) 32.

Algumas propriedades como solubilidade, espectro eletrônico, baixo rendimento

quântico de fluorescência, diminuição dos rendimentos de formação de tripletos e de

geração de oxigênio singleto são modificadas quando ocorre a formação de espécies

agregadas, o que torna importante o conhecimento deste fenômeno. A identificação

deste fenômeno é possível quando se observa, na caracterização da molécula, desvios da

lei de Lambert- Beer, alargamento dos picos dos espectro de absorção, decréscimo do

coeficiente de absorção molar e deslocamento do comprimento máximo de absorção.

Pode-se ainda identificá-los’’ através do espectro de H-RMN, por variações no δ em

função da concentração e alargamento dos sinais com deformação da multiplicidade e

pelo Espalhamento de luz ressonante 1, 3, 5, 69.

CAPÍTULO 3: OBJETIVOS

3.1. GERAL

Investigar a influência do solvente, da concentração, do pH e do centro metálico

nas propriedades fotofísicas da clorofilina cúprica de sódio, e ainda verificar o a

supressão da fluorescência dessa molécula em álcool etílico, quando adicionadas

diferentes porcentagens de água.

3.2. ESPECÍFICOS

Identificar os processos de decaimento de fluorescência da SCC em função da

concentração, do solvente e da mistura água/álcool etílico;

Verificar os tempos de vida da SCC em solução para diferentes solventes e

diferentes concentrações;

Calcular o coeficiente de absorção molar da SCC em diferentes solventes;

Determinar o rendimento quântico de fluorescência da SCC em álcool etílico,

em álcool isopropílico e em DMSO para uma concentração específica;

Verificar a absorção da SCC em função do pH;

Avaliar o processo de supressão de fluorescência da SCC no sistema envolvendo

a mistura água/álcool etílico;

Compreender a influência do centro metálico do anel porfirínico nas

propriedades fotofísicas da SCC;

Contribuir para o estudo de sua aplicação.

CAPÍTULO 4: MATERIAIS E PROCEDIMENTOS

EXPERIMENTAIS

Neste capítulo estão apresentados os materiais e a descrição dos procedimentos

utilizados na preparação de cada amostra para caracterizações espectroscópicas. As

soluções estudadas, foram preparadas em diferentes concentrações, solventes e pH.

___________________________________________________________________

4.1. MATERIAIS

A Tabela 1 apresenta a fórmula química dos principais materiais utilizados neste

trabalho e suas informações gerais como sigla/nomenclatura utilizada, nome completo,

fornecedor, concentração e funcionalidade.

Tabela 1: Materiais utilizados e suas respectivas informações.

Materiais Fórmula química Função Momento

Dipolar (D)

Massa molar

(g/mol)

SCC C34H31CuN4Na3O6 Analito - 724,15

Água destilada H2O Solvente 1,85 18,02

Etanol C2H6O Solvente 1,69 46,07

Isopropanol C3H80 Solvente 1,66 60,10

DMSO (CH3)2SO Solvente 3,96 78,13

Ácido sulfúrico H2SO4 Ajuste de pH 2,90 98,08

Hidróxido de sódio NaOH Ajuste de pH - 39,00

Ácido nítrico HNO3 Limpeza de vidrarias - 63,01

4.2. PREPARAÇÃO DO MATERIAL

Neste trabalho foram preparadas soluções de SCC em diferentes solventes,

concentrações e valores de pH para análises espectroscópicas.

No estudo da SCC em função do solvente e da concentração, primeiramente,

preparou-se soluções de SCC matrizes (soluções bases com concentração igual a 0,28

mmol/L para obtenção de soluções mais diluídas) para cada um dos solventes: água

destilada, álcool etílico, álcool isopropílico e DMSO. A partir da solução matriz,

obtiveram-se soluções com um intervalo de concentração variando entre 0,28 mol /L e

Capítulo 4: Materiais e Procedimentos Experimentais 43

0,28 mmol /L. As soluções foram agitadas por ultrassom (modelo Bandelin Sonorex

Super RK 106) por 5 minutos e mantidas em repouso por aproximadamente 24 horas

antes das medidas.

Na realização das medidas de absorção na região do ultravioleta e visível das

soluções aquosas de SCC em função do pH, foram utilizadas uma solução alcalina e

uma ácida, respectivamente hidróxido de sódio (NaOH) e ácido sulfúrico (H2SO4)

ambos à concentração de 0,1 g /L. Estas soluções foram adicionadas à soluções de SCC

de concentração igual a 0,1 g/L, a fim de se obter uma escala de pH, entre os valores 2 e

13. Estas soluções foram agitadas manualmente. O controle do pH foi feito utilizando-

se um pHmetro de bancada modelo pHS-3B.

Nas caracterizações espectrais da SCC na mistura álcool e água, preparou-se,

primeiramente, uma solução matriz de SCC em álcool etílico de concentração igual a

0,55 mmol/L e, a partir desta solução, foram obtidas outras10 amostras pelo processo de

diluição (Tabela 2). Estas novas amostras foram diluídas em diferentes proporções de

água e álcool etílico, mantendo uma concentração de 0,055 mmol /L para todas as

soluções.

Tabela 2: Proporções de álcool etílico e água utilizadas no preparo das amostras de SCC para realização

de caracterizações espectroscópicas.

Solução matriz + álcool etílico + H2O

0 % água 200 L + 1800 L + 0 L

1’’0 % água 200 L + 1600 L + 200 L

20 % água 200 L + 1400 L + 400 L

30 % água 200 L + 1200 L + 600 L

40 % água 200 L + 1000 L + 800 L

50 % água 200 L + 800 L + 1000 L

60 % água 200 L + 600 L + 1200 L

70’ % água 200 L + 400 L + 1400 L

80 % água 200 L + 200 L + 1600 L

90 % água 200 L + 0 L + 1800 L

Estas soluções foram agitadas no equipamento ultrassônico durante 5 minutos e

mantidas em repouso por aproximadamente 24 horas.

Para obtenção do rendimento quântico da SCC em álcool etílico, álcool

isopropílico e DMSO, foram preparadas soluções a uma concentração de 2,8 mol/L

Capítulo 4: Materiais e Procedimentos Experimentais 44

(para evitar efeito de filtro). Nesta etapa, utilizou-se o método comparativo de Williams

(Eq. 9), tomando como molécula referência a Rodamina B em ácido acético, cujo

rendimento quântico era conhecido, ɸ = 0,44 68. Seguindo as regras do método

comparativo, os parâmetros experimentais para as medidas de fluorescência (incluindo

slites, concentração e porta amostra) de ambas amostras, bem como da molécula

referência foram iguais. Destaca-se ainda que nesta etapa não foi utilizado porta amostra

com amplificador de sinal d’e fluorescência para nem uma das amostras.

Para a análise estrutural da SCC, utilizou-se a espectroscopia de absorção na

região do infravermelho e a espectroscopia Raman. Para as medidas de IV, preparou-se

pastilhas de SCC com KBr. Para a realização do Raman, a amostra foi medida em filme

casting.

Na realização das medidas espectroscópicas citadas acima, com exceção da

espectroscopia Raman e espectroscopia de absorção na região do infravermelho,

utilizou-se uma cubeta de vidro de 1 cm de espessura, que após cada processo passava

por uma limpeza com solução de ácido nítrico a 13%.

CAPÍTULO 5: CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL

Neste capítulo estão descritas as técnicas de caracterização utilizadas neste

trabalho para verificação das propriedades fotofísicas da SCC. Essas caracterizações

foram realizadas por espectroscopia de absorção na região do ultravioleta e visível,

espectroscopia de fluorescência estacionária, fluorescência resolvida no tempo e

espalhamento de luz ressonante. Além das técnicas de caracterização ópticas, utilizou-

se a espectroscopia no Infravermelho (IV) e a espectroscopia Raman como técnicas

complementares para identificação dos principais grupos funcionais da molécula.

______________________________________________________________________

5.1. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO ÓTICA NA REGIÃO DO

ULTRAVIOLETA E VISÍVEL (UV-VIS)

O espectrofotômetro de absorção na região do ultravioleta e visível de feixe

único (Hitachi, modelo U-2001 – USB-650 Red Tide da Ocean Optics (Fig. 16))

previamente calibrado foi utilizado para estudar as transições eletrônicas (promoção de

um elétron para um orbital de maior energia) da clorofilina cúprica sódico (SCC).

Através deste equipamento obtém os espectros de absorção 49. Através da análise dos

espectros de absorção óptica, obtêm-se informações sobre modificações na estrutura e

interação das moléculas com o meio 87.

Figura 16: Espectrofotômetro de absorção ótica na região do ultravioleta e visível (UV-Vis) de feixe

único da Oceans Optics modelo Red Tide-USB-650.

Esta técnica envolve a atenuação da intensidade de luz, devido ao processo de

absorção de luz pela amostra, seja ela filme ou solução. A quantidade de luz absorvida é

a diferença entre a quantidade de radiação incidente I0 e a radiação transmitida I. A

Capítulo 5: Caracterização do Material 46

quantidade de luz transmitida pode ser expressa em absorbância ou transmitância. Desta

forma temos que a transmitância é definida pela razão:

T= 𝐼

𝐼0 Eq. 8

onde I0 e I são respectivamente a intensidade incidente e a intensidade transmitida

através da amostra.

A absorbância se relaciona com a transmitância como mostra a Equação 9:

A=log𝐼

𝐼0= –logT Eq. 9

A intensidade da luz pode ser melhor expressa pela lei de Lambert-Beer, a qual

propõe que em um determinado comprimento de onda, a absorbância depende da

concentração de espécies absorventes no meio em que a luz atravessa (Eq. 10).

A()=ε()lc = log [𝐼0

𝐼] Eq. 10

ondeA é a absorbância, ε() é o coeficiente de absorção molar, l é o caminho ótico e c é

a concentração da espécie absorvente. Vale destacar que o símbolo ε é chamado de

coeficiente de absorção molar, quando a concentração é expressa em mol/L, tendo,

assim a unidade de ε como: L/mol.cm. Todavia quando a concentração é expressa em

g/L, o símbolo passa a ser chamado de α (absorção específica)21. A lei de Lambert-Beer

será expressa, portanto:

A= αlc Eq. 11

sendo agora a unidade expressa em: L/g.cm.


5.2. ESPECTROSCOPIA DE FOTOLUMINESCÊNCIA ESTACIONÁRIA

Os espectros de fluorescência da clorofilina cúprica de sódio em diferentes

solventes e concentrações foram obtidos, utilizando-se o espectrofluorímetro modelo

RF-5301 PC da marca Shimadzu (Fig. 17 a) equipado com uma lâmpada de Xe. A

emissão de fluorescência da molécula SCC foi monitorada em três comprimentos de

onda de excitação (exc): 401 nm, 580 nm e 630 nm. Os espectros de emissão da

amostra com concentrações abaixo de 1,35 mol/L foram obtidos, utilizando-se um

filtro para bloquear comprimentos de ondas abaixo de 600 nm, já que o comprimento de

interesse era a partir de 630 nm. Para melhorar a resolução dos espectros e aumentar a

intensidade dos sinais de fluorescência, utilizou-se um porta amostra com amplificador

de sinal de fluorescência (Fig. 17 b).

Figura 17: (a) Espectrofluorímetro modelo RF-5301 PC e (b) suporte de cubeta e amplificador da

fluorescência.

A intensidade de fluorescência pode sofrer interferência devido a diferentes

fatores. A concentração da solução influencia significativamente neste processo,

mostrando-se desfavorável quando em alto valor 55, 93. A Equação 12 mostra

matematicamente a relação da intensidade com diferentes fatores:

𝐼𝐹(𝐸 ,𝐹) = 𝑘𝐹(𝐹)𝐼0(𝐸){1 − exp [−2.3ɛ(𝐸)𝑙𝑐]} Eq. 12

onde IF é a intensidade de fluorescência, E e F são, respectivamente, comprimentos de

onda de emissão e de excitação, k é um fator de proporcionalidade que depende de

vários parâmetros experimentais como configuração ótica e largura da banda do


monocromador, F é a fluorescência resultante da amostra, I0 é a intensidade inicial de

fluorescência, ɛ denota o coeficiente de absortividade molar, l caminho ótico percorrido

pela amostra e c concentração da amostra. Nota-se, nessa Eq. 12 que a variação da

intensidade de fluorescência como uma função de F, para E fixo, reflete a variação em

F(E) e assim é fornecido o espectro de fluorescência 93.

5.3. ESPALHAMENTO DE LUZ RESSONANTE

As medidas de espalhamento de luz ressonante para a clorofilina cúprica de

sódio na mistura água / álcool etílico foram realizadas utilizando o espectrofluorímetro

modelo RF-5301 PC da marca Shimadzu.

A técnica de espalhamento de luz ressonante (do inglês, Resonant Light

Scattering – RLS) consiste no espalhamento da radiação pela molécula. Essa técnica é

mostrada em estudos recentes como uma ferramenta valiosa na detecção e

caracterização de espécies agregadas, pois apresenta alta sensibilidade e seletividade no

monitoramento dessas espécies e ainda se mostra muito promissora na determinação do

tamanho e forma dos agregados. Pasternack e colaboradores observaram em seus

estudos que oaumento do sinal de espalhamento na região espectral de absorção indica a

presença de espécies agregadas. O espectro experimental de RLS das moléculas

monoméricas se diferencia do espectro de moléculas agregadas por apresentar um

mínimo local devido à “perda de fótons” via absorção superpondo-se a qualquer sinal de

espalhamento 14, 52, 70.

A extensão com que o agregado absorve ou espalha luz é dependente do seu

tamanho, da forma e do índice de refração do meio. O espalhamento causado por

pequenas partículas esféricas muito menores do que o comprimento de onda da radiação

incidente é conhecido como espalhamento de Rayleigh. Desta forma, podemos prever a

intensidade de luz espalhada da solução na ausência de absorção óptica pela lei de

Rayleigh (I) dada por:

𝐼 ~ 1

𝜆4 Eq. 13

A lei de Rayleigh é utilizada na correção da intensidade do espectro de RLS da

solução na ausência de espécies agregadas por não absorver na região espectral da


amostra e devido à dependência da sensibilidade do espectrofluorímetro com o

comprimento de onda (). Sendo o espalhamento real da solução na ausência de

agregados descrito pela lei de Rayleigh, a função sensibilidade do espectrofluorímetro

(K) pode ser calculada por:

𝐾 =𝐼𝑆𝐴

𝑅, Eq. 14

ondeR é o espectro de Rayleigh normalizado, ISA é o espectro de espalhamento da

solução sem o agregado. Utilizando o espectro de espalhamento de luz da amostra

(Imedido) e dividindo pela função sensibilidade do espectrofluorímetro, obtém-se a curva

de espalhamento de luz corrigido (Icorrigido):

𝐼corrigido =𝐼𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜

𝐾. Eq. 15

5.4. FLUORESCÊNCIA RESOLVIDA NO TEMPO

A fluorescência resolvida mede intensidades e tempos de decaimentos de

fluorescência, determina o tempo de vida de permanência da molécula no estado

excitado e pode oferecer informações como a formação de dímeros, excímeros,

transferência de energia e distâncias moleculares. Para a realização das medidas de

tempo de vida, utilizou-se o equipamento modelo Fluotime 200 da Picoquant (Fig. 18).

Todas as medidas foram realizadas a temperatura ambiente utilizando duas fontes de

excitação, sendo um laser de diodo pulsado com emissão centrada em 401 nm outro em

636,5 nm, referente aos seus picos de absorção.

Figura 18: Fluotime 200 da PicoQuant, Laboratório de Fotofísica do Departamento de Física da

Universidade Federal de Ouro Preto.


Este equipamento utiliza a técnica de Contagem de fótons únicos com correlação

temporal (TCSPCdo inglês “Time Correlated Single Photon Counting”) (Fig. 19 a), no

qual o tempo de vida de permanência da molécula no estado excitado é determinado

pela diferença de tempo entre a produção do pulso de medição e a detecção dos fótons

de emissão. O processo de medição de tempo de vida para um elevado número de

pulsos de excitação sobre a amostra resulta na acumulação de um histograma de número

de contagens em função dos endereços de memória do MCP (Micro Channel Plate),

como mostra a Fig. 19b.

(a)

(b)

Figura 19: (a) Arranjo Experimental da técnica de TCSPC. (b) Histograma número de fótons X tempo,

que reproduz o comportamento temporal da emissão da amostra.

No procedimento experimental realizado com o laser pulsado com radiação

centrada em 401 nm, utilizou-se um filtro para bloquear comprimentos de ondas

menores que este citado. Os fótons emitidos foram coletados no comprimento máximo

de emissão das amostras estudadas.

Antes de serem iniciadas as medições da amostra, mediu-se a função resposta do

equipamento (IRFdo inglês, Instrument Response Functio), usualmente chamado “pulso

do laser”. O IRF é adquirido na ausência da amostra, por uma solução espalhadora e

representa a curva de decaimento mais curta que pode ser medida com esse

equipamento. No procedimento de análise das curvas de decaimento de fluorescência

utilizou-se o software FluoFit® fazendo a deconvolução entre a função reposta (IRF) do

equipamento e a curva de decaimento de fluorescência do material em estudo. O


equipamento FluoTime 200 foi ajustado com uma frequência de repetição dos pulsos de

emissão no laser em 20 MHz e uma contagem de 1000 fótons.

Os ajustes das curvas de decaimento foram feitos utilizando funções

multiexponenciais com (n) componentes:

𝐼(𝑡) = ∑ 𝛼𝑖𝑛𝑖=1 𝑒

−𝑡

𝜏𝑖 Eq. 16

Onde i é o fator pré-exponencial (amplitude) e i é o tempo de vida do estado excitado.

A qualidade dos ajustes foi confirmada através de ², o qual deve estar o mais próximo

possível de 1.


Os espectros obtidos na região do infravermelho (IV) da clorofilina cúprica de

sódio foram realizados em um espectrômetro da Perkin Elmer modelo BX-FTIR, e as

amostras foram preparadas em pastilhas de KBr. As análises foram realizadas a fim de

comprovar a composição química do material em estudo. As medidas foram realizadas

no Laboratório de Espectroscopia no Infravermelho do Departamento de Química da

UFOP.

A radiação infravermelha corresponde à parte do espectro eletromagnético

situado entre as regiões do visível e micro-ondas, sendo a região do infravermelho

médio localizada na faixa entre 4000 a 400 cm-1 65. A radiação infravermelha não tem

energia suficiente para excitar os elétrons e provocar transições eletrônicas, como ocorre

para as medidas de absorção na região do ultravioleta e visível, porém ela faz com que

os átomos ou grupos de átomos vibrem com amplitude em torno das ligações covalentes

que os unem em comparação com seus estados fundamentais. Essas vibrações são

quantizadas e, quando ocorrem, os compostos absorvem energia em comprimentos de

onda do espectro infravermelho. Nas vibrações, as ligações covalentes comportam-se

como se fossem pequenas molas unindo os átomos, com os átomos vibrando apenas em

certas frequências, e as ligações sofrem várias deformações. Na realização de medidas

de absorção no infravermelho, um feixe de radiação infravermelha passa pela amostra e

a quantidade de energia transmitida é registrada 85.


A frequência de uma vibração de estiramento no espectro de absorção no

infravermelho pode se relacionar com dois fatores: as massas dos átomos ligados

(átomos mais leves vibram com frequências maiores) e a rigidez relativa da ligação. As

ligações triplas vibram com frequências mais altas que as duplas e estas com

frequências mais altas que as simples. Isto porque enquanto uma ligação simples, sendo

mais maleável, permite um estiramento mais longo, as duplas e triplas tem menor

capacidade de se alongar. Desta forma, tem-se que uma ligação simples sofre um

estiramento máximo, enquanto que as ligações duplas e triplas sofrem estiramentos

menores. Os estiramentos menores são possibilitados de ocorrerem por mais vezes em

um mesmo intervalo de tempo 58, 85, 88.

A condição para que uma vibração ocorra a partir da absorção de energia no

infravermelho é que tenha a variação do momento de dipolo elétrico da molécula como

consequência de seu movimento vibracional ou rotacional. Somente nessas condições, o

campo elétrico alternante da radiação incidente interage com a molécula, originando os

espectros. Como o espectro de absorção no infravermelho tem muitos picos de

absorção, a possibilidade de dois compostos terem o mesmo espectro é praticamente

inexistente, por isso, o espectro de IV é tomado como a "impressão digital" das

moléculas.As análises de IV geralmente são representadas por gráficos da transmitância

ou absorbância da amostra em função do número de onda 85, 88.

5.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN

As medidas Raman foram realizadas no Departamento de Química (DEQUI-

UFOP) no laboratório do pesquisador Anderson Dias em colaboração com a professora

Jaqueline Soares do Departamento de Física (DEFIS-UFOP).As medidas foram obtidas

usando um espectrômetro HORIBA (Jobin Yvon)- LABRAM-HR, excitado com a linha

632,8 nm de um laser de He-Ne, com potência em torno de 11 mW.

Em 1928 foi observado, experimentalmente, por Chandrasekhara Venkata

Raman, que ao incidir uma luz monocromática sobre um determinado tecido ou

estrutura, a radiação sofria espalhamento (mudança de direção). Raman verificou ainda

que além da linha de radiação incidente haviam outras com pequenos deslocamentos no

comprimento de onda. No primeiro caso havia um espalhamento elástico ou

espalhamento Rayleigh, onde os fótons da radiação incidente somente mudavam de

direção, no segundo caso havia um espalhamento inelástico ou espalhamento Raman,


onde além da mudança de direção, ocorria variação do comprimento de onda, ou seja,

da energia, podendo esta ser maior ou menor que a energia incidente (espalhamento

anti-Stokes e Stokes, respectivamente) (Fig. 20)79. Para o espalhamento Rayleigh a

radiação é forte e tem frequência igual à frequência do feixe incidente (𝜈0), já o

espalhamento Raman é muito fraco (aproximadamente 10-5 do feixe incidente). Na

prática, um feixe de radiação monocromática de laser de baixa potência é usado para

iluminar pequenas áreas da amostra, ao incidir sobre a área definida, é espalhado em

todas as direções, em que uma pequena parcela dessa radiação é espalhada

inelasticamente, ou seja, com frequência (ou comprimento de onda) diferente da

incidente (E = hν ou E = h.c.λ-1) 31, 51, 84.

Figura 20: Mecanismos de espalhamento elástico e inelástico, onde 0, se são, respectivamente, as

frequências da radiação de excitação, da radiação espalhada e da transição vibracional 63.

A espectroscopia Raman é uma técnica vibracional não destrutiva que permite o

estudo de espécies orgânicas e minerais em resolução microscópicas, oferece a

possibilidade de trabalhar com tecidos “in vivo” ou “in vitro”, além de requerer pouca

ou nenhuma preparação da amostra e pode ser feita de forma localizada, não sendo

necessário qualquer tipo de preparação especial e, após a realização da análise, esse

material não sofre alterações superficiais nem estruturais 57.

O espalhamento Raman pode ser descrito como a transição de uma molécula do

estado fundamental para um estado vibracional excitado, acompanhada por uma

absorção simultânea de um fóton incidente e emissão de um fóton espalhado. O

espectrofotômetro coleta a luz espalhada e a intensidade da radiação é apresentada em

função de sua mudança de frequência- deslocamento Raman). É possível obter espectros


Raman característicos para cada molécula porque cada amostra molecular possui seu

próprio conjunto vibracional e, desta forma, torna-se possível a identificação do

material estudado. O deslocamento Raman é, frequentemente, medido em comprimento

de onda (cm-1), uma unidade conveniente para relacionar a mudança de frequência da

luz espalhada em relação à frequência da luz incidente 61, 81, 90.

CAPÍTULO 6: RESULTADOS E DISCUSSÕES

As técnicas de caracterização de espectroscopia de absorção ótica na região do

UV-Vis, fluorescência estacionária, a técnica RLS, as medidas de tempo de vida, FTIR

e Raman foram fundamentais no estudo das propriedades fotofísicas e estruturais da

clorofilina cúprica de sódio em diferentes meios físicos. Este capítulo traz os resultados

obtidos e as discussões.

______________________________________________________________________

6.1. INFLUÊNCIA DO SOLVENTE E DA CONCENTRAÇÃO

Quando se trata de porfirinas, o estudo do meio (solvente e concentração) em

que a esta molécula é analisada, é de suma importância. Alguns parâmetros podem

fornecer processos não-radiativos, que competem com a fluorescência e da mesma

forma influenciam no rendimento quântico de fluorescência (ɸF) e no tempo de vida do

estado excitado dessa molécula 93. As características espectrais obtidas neste estudo,

trazem informações importantes a SCC.

6.1.1. Espectroscopia de Absorção Ótica na região do Ultravioleta e visível (UV-Vis)

A Fig. 21 mostra os espectros de absorção da SCC em diferentes concentrações

em álcool etílico. Os espectrosevidenciaram duas bandas características de compostos

porfirínicos metalados, a banda de absorção na região do azul (Banda Soret),

compreendido entre 401 e 415 nm e a banda de absorção na região do vermelho (Banda

Q) em torno de 550 e 700 nm, a qual apresenta um pico principal em torno de 630 nm e

outro em torno de 580 nm. Estas medidas também foram realizadas em álcool

isopropílico, água e em DMSO (APÊNDICE B), e ambos apresentaram espectros

semelhantes.

Capítulo 6: Resultados e Discussões 56

Figura 21: Espectros de absorção ótica da solução de SCC diluída em álcool etílico em diferentes

concentrações.

O espectro da SCC em álcool etílico mostra que a intensidade de absorção

aumenta proporcionalmente com o aumento da concentração. Este comportamento é

evidenciado na Fig. 22, onde são apresentados os espectros de intensidade de absorção

em função da concentração para os diferentes solventes.

Figura 22: Intensidade da absorção da banda Soret (a) e do respectivo pico principal da banda Q (b) da

SCC em função da concentração e do solvente.

Observa-se na Fig. 22a uma linearidade entre a intensidade de absorção da

Banda Soret e a concentração apenas para soluções mais diluídas, isto é, inferiores a

0,028 mmol/L. A linearidade da curva de intensidade de absorção indica que a solução

está de acordo com a lei de Lambert-Beer, ou seja, a absorbância é diretamente

proporcional a concentração da amostra. Para as concentrações mais elevadas, acima de

400 450 500 550 600 650 700 750

0

1

2

3

4

Ab

sorb

ância

(u.a

.)

(nm)

0,0003

0,0011

0,0028

0,0100

0,0300

0,0700

0,1100

0,1400

0,2800

Banda Soret

Banda Q

[mmol/L]

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Inte

ns. m

ax. de A

bsorç

ão (

u.a

.)

Concentraçao (mmol/L)

H2O

Alc. etilico

Alc. isopropilico

DMSO

(a)

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12

0,0

0,5

1,0

1,5

Inte

ns. m

ax. d

e A

bso

rçã

o (

u.a

.)

Concentraçao(mmol/L)

(b)


0,028 mmol/L, observa-se uma perda desta linearidade, ou seja, ocorre desvio à Lei de

Lambert-Beer, o que é devido a inúmeros fatores (em especial ao aumento da

concentração)76, 93. Na Fig. 22b, nota-se linearidade entre a intensidade de absorção do

pico principal da Banda Q (em torno de 630 nm) versus a concentração, no intervalo de

concentração de 0,28 mol/L à 0,103 mmol/L.

Observa-se, também, que a intensidade de absorção, tanto na banda Soret,

quanto na banda Q, varia conforme o solvente utilizado, apresentando maior intensidade

em DMSO e menor, em álcool isopropílico. De acordo com Ballschmiter e Katz 7, para

porfirinas de base livre, a absorção e emissão são pouco dependentes do meio em

relação à forma do espectro e aos comprimentos de onda de seus máximos devido ao

baixo momento dipolar dessas moléculas, no entanto as metaloporfirinas, tal como a

SCC, são exceções a esse fato, devido à coordenação axial de moléculas de solvente ao

átomo central. As alterações no espectro de absorção da molécula evidenciam mudanças

na distinção eletrônica.

A partir do ajuste da região linear do gráfico da Fig. 22, calculou-se o

coeficiente de absorção molar (ɛ) na região de absorção da banda Soret e da banda Q,

tomando um comprimento de onda fixo de absorção para cada um dos solventes (sendo

para água, álcool etílico e álcool isopropílico, 404 nm e para DMSO, 409 nm). Na

Tabela 3 estão descritos os valores de ɛ para a SCC em função do solvente, calculados

através da Equação 10, e os respectivos máximos de absorção.

Tabela 3: Coeficientes de absorção molar para a absorção em um comprimento de onda fixo da banda

Soret e do pico principal da banda Q em diferentes solventes, momento dipolar dos solventes, máximos

de absorção e razão entre os coeficientes de absorção molar da banda Soret e da banda Q.

Solventes/momento

dipolar (D)

ɛ (103 L/mol.cm) Absmax (nm) ɛSoret/ɛQ

Banda Soret Banda Q Banda Soret Banda Q

Água 1,85 26,2 8,7 401-420 629 3,0

Álcool etílico 1,69 27,5 10,3 401-415 629 2,6

Álcool isopropílico 1,66 11,8 4,5 404 631 2,6

DMSO 3,96 37,9 12,6 405-420 633 3,0

*Coeficientes de absorção molar obtidos a partir do ajuste linear da banda Soret e da banda Q para um

comprimento de onda fixo.


A SCC apresentou maior coeficiente de absorção molar quando diluída em

DMSO e menor, quando diluída em álcool isopropílico. Observa-se também que para os

solventes álcool etílico e álcool isopropílico a razão entre o coeficiente de absorção

molar da Banda Soret e o coeficiente de absorção molar da Banda Q é de 2,6 e para os

solventes água e DMSO, essa razão é igual a 3,0. Portanto, nota-se que quanto maior o

momento dipolar do solvente, neste caso a água e o DMSO, maior a razão entre os

coeficientes de absorção molar da banda Soret e da banda Q.

Os espectros de absorção das soluções em diferentes solventes foram

normalizados em relação à banda Soret (Fig. 23 a) e à banda Q (Fig. 23 b), a fim de se

verificar eventuais deslocamentos na posição das bandas de absorção com a mudança

dos solventes. A concentração das soluções tomada para análise foi a de 0,028 mmol/L.

Figura 23: Absorbância normalizada da banda Soret (a) e respectiva banda Q (b) da SCC em diferentes

solventes numa concentração de 0,028 mmol/L.

Nota-se na Fig. 23, que tanto a banda Soret quanto a banda Q apresentam

pequenos deslocamentos. Colocando-se como parâmetro de comparação, a banda Soret

da SCC em água, que apresenta um pico de absorção máximo em 401 nm, observa-se

que a única solução que apresenta características similares é a de SCC em álcool etílico,

que apresenta o mesmo pico máximo de absorção, porém uma banda mais estreita. A

banda Soret da SCC em DMSO foi a que apresentou maior deslocamento (7 nm), sendo

este batocrômico (deslocamento para o vermelho). Os demais também apresentaram

deslocamento para o vermelho, porém menores (em torno de 3 nm).

As diferenças e/ou similaridades podem estar associadas à polaridade das

moléculas. A SCC apresenta total solubilidade em água devido aos grupos laterais que

são constituídos por hidroxilas. A SCC em álcool etílico foi a solução que obteve,

400 450 500 550

0,0

0,5

1,0

1,5

H2O

Alc etilico

Alc isop

DMSO

Ab

sorb

ância

(u.a

.)

/ nm

(a)

550 600 650 700 750

0,0

0,5

1,0

1,5

A

bsorb

ância

(u.a

.)

/ nm

(b)


visivelmente, uma dissolução mais similar à SCC em água, o que pode estar associado à

fórmula química destes solventes. As características espectrais da amostra em água e

etanol podem estar associadas à essas semelhanças estruturais químicas.

6.1.2. Espectroscopia de fotoluminescência

Para uma análise mais bem elaboradadas propriedades optoeletrônicas da SCC

em função da concentração e do solvente, realizou-se medidas de fluorescência. A Fig.

24 mostra os espectros de fluorescência da SCC normalizados e o máximo de

intensidade de fluorescência em diferentes solventes e concentrações.

Figura 24: Fluorescência normalizada e suas respectivas intensidades máximas de fluorescência da SCC

em função da concentração em diferentes solventes, quando excitada em 401 nm.


Nos espectros normalizados, observa-se que o deslocamento do máximo de

emissão para cada solvente é mínimo, quase inexistente. Em DMSO não há menor

ocorrência desse deslocamento (Tabela 4). Nos gráficos de máximo de intensidade de

fluorescência em função da concentração, observa-se a linearidade para as soluções

mais diluídas (entre 0,28mol/L e 0,014 mmol/L). A medida que a concentração

aumenta, a linearidade não é mais verificada, notando-se, portanto, uma saturação da

intensidade de fluorescência (entre 0,014 mmol /L e 0,02 mmol /L), e, posteriormente

uma diminuição acentuada da intensidade para concentrações superiores a 0,02 mmol/L.

A concentração é um fator fundamental na determinação da intensidade de

fluorescência da amostra como mostrado pela Equação 12. Quando as medidas são

realizadas para amostras em baixas concentrações, tem-se que:

1 − exp(2.3ɛ𝑙𝑐) = 2.3ɛ𝑙𝑐 −1

2(2.3ɛ𝑙𝑐)2 + ⋯ Eq.17

Quando as soluções são altamente diluídas, os termos de ordem superior

(concentração) da Eq. 17 podem ser desprezados e a Eq. 12 pode ser reescrita como:

𝐼𝐹(𝐸 , )𝐹 ≅ 𝑘𝐹(𝐹)𝐼0(𝐸)[2.3ɛ(𝐸)𝑙𝑐] Eq.18

Esta relação mostra que a intensidade de fluorescência é proporcional à

concentrações para soluções diluídas, o que explicaria a linearidade da intensidade de

fluorescência no intervalo de concentração entre 0,28mol/L e 0,014 mmol/L. Para

concentrações acima de 0,02 mmol/L, alguns fatores contribuem para a diminuição de

fluorescência, como o efeito de filtro interno primário, que ocorre devido a acentuada

atenuação da radiação por um excesso de concentração do fluoróforo com alto

coeficiente de absorção molar ou pela presença de outras espécies que absorvam em

solução, o efeito de filtro interno secundário, onde parte da fluorescência emitida é

reabsorvida pela molécula vizinha (transferência de energia radiativa) e a formação de

agregados, devido ao aumento da densidade molecular e. O efeito de filtro interno

secundário é proporcional à área da intersecção entre o espectro de absorção e o

espectro de fluorescência e ocasiona aumento de tempo de vida da molécula 11, 55, 93.


A Fig. 25 mostra os espectros de fluorescência das soluções de SCC em

diferentes solventes a concentração de 0,028 mmol/, excitadas em comprimentos de

onda de 401 nm, com base no seu máximo de absorção da banda Soret.

Figura 25: Espectros de fluorescência da SCC em diferentes solventes a concentração de 0,028 mmol/L,

quando excitada em 401 nm.

Os espectros mostram a ocorrência da variação da intensidade de fluorescência

da SCC com o solvente, sendo que esta apresentou maior intensidade em álcool

isopropílico. O mesmo comportamento foi observado ao excitar as soluções de SCC em

comprimentos de onda de 580 nm e 630 nm. Quando solubilizada em água, a SCC não

apresentou emissão para nem um comprimento de onda de excitação citado.

O rendimento quântico de fluorescência (ɸF) da SCC em cada um dos solventes

estudados, exceto em água, obtidos pelo cálculo, utilizando a Eq. 7 foi muito baixo,

sendo de 0,43 x 10-3, quando solubilizada em álcool etílico, 0,12 x 10-3, quando em

álcool isopropílico e 1,51 x 10-3, quando em DMSO. Esses valores são

significativamente inferiores ao rendimento quântico de fluorescência da molécula da

qual a SCC deriva, a clorofila, tendo esta, um rendimento quântico de fluorescência,

conforme encontrado na literatura, igual a 0,33 15.

Estes resultados mostram que mesmo sendo da mesma família de moléculas

orgânicas, as propriedades fotofísicas do material podem ser alteradas em função de

mudanças em sua fórmula ou estrutura química. Nos estudos de Becker e Allisson 9, no

qual um dos complexos metálicos de porfirinas, foi o cobre, eles identificaram que as

mudanças das propriedades fotofísicas entre os grupos de porfirinas metaladas estão

640 660 680 700 720

0

2

4

6

8

Inte

nsid

ade d

e F

luore

scência

(u.a

.)

/ nm

H2O

Alc. etilico

Alc. isopropilico

DMSO


associadas à natureza do metal, como será discutido mais detalhadamente no item 6.4.

Além da contribuição do metal, tem-se ainda a contribuição dos grupos substituintes nas

posições meso, que, como investigado por Harriman 46, podem provocar diminuição do

tempo de vida da molécula no estado excitado, o rendimento quântico de fluorescência e

um aumento nas constantes não radiativas de desativação do estado excitado conforme

sua natureza química. A SCC apresenta no interior do anel o cobre, que apresenta

atribui à molécula baixo rendimento quântico de fluorescência por ser um metal de

transição paramagnético.Em contribuição ao efeito do centro metálico (cobre), os

grupos substituintes nas posições meso, os carboxilatos, da SCC também podem exercer

um papel expressivo na diminuição da luminescência e rendimento quântico dessa

molécula, pois na presença de alguns solventes, pode estar ocorrendo a separação de

cargas na cadeia lateral e, consequentemente, induzindo para a formação de agentes

supressores.

6.1.3. Fluorescência Resolvida no Tempo

A Fig. 26 mostra a variação dos tempos de vida do estado excitado da solução de

clorofilina cúprica de sódio em álcool etílico, álcool isopropílico e DMSO em função da

concentração quando excitadas em 401 nm e as respectivas amplitudes fracionais

obtidos a partir do ajuste dos decaimentos radiativos (Eq. 16).


Figura 26: Comportamento dos tempos de vida do estado excitado e as respectivas amplitudes fracionais

da SCC em (☐) álcool etílico, em (O) álcool isopropílico e (△) em DMSO em função da concentração,

quando excitadas em 401 nm.

Os decaimentos radiativos da SCC em diferentes solventes e concentração,

foram melhor ajustados com uma função tri-exponencial, apresentando três tempos de

vida para a fluorescência, sendo o mais longo em torno de 5 ns, o intermediário, em

torno de 1,5 ns e o mais curto, em torno de 0,15 ns (APÊNDICE A). De acordo com

Andrade e colaboradores 23 em seus estudos sobre formações de agregados da Chl-α,

esses tempos são característicos da coexistência de fases distintas, em que tempos curtos

0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15

0

1

2

3

4

5

6

Tem

po d

e V

ida (

ns)


1

2

3

0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,1510

20

30

40

50

60

70

Am

plit

ud

e F

racio

na

l (%

)

Concentraçao (mmol)

A1

A2

A3

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Te

mp

o d

e V

ida

(n

s)


1

2

3

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,3010

20

30

40

50

60

70

Am

plit

ude F

racio

nal (%

)


A1

A2

A3

0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15

0

1

2

3

4

5

6

Tem

po d

e V

ida (

ns)


1

2

3

0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Am

plit

ude F

racio

nal (%

)


A1

A2

A3


(1 – 2 ns e 0,1 – 0,2 ns) são atribuídos ao tempo de vida da molécula na fase agregada e

os tempos longos (~5ns) são referentes ao tempo de vida da molécula na fase

monomérica. Partindo desta hipótese, pode-se afirmar que a SCC apresentou a

coexistência da fase monomérica e da fase agregada em todo o intervalo de

concentração estudado. Os tempos de vida do estado excitado, como observado na Fig.

26, não apresentaram variação significante com a variação da concentração,

evidenciando que a supressão da fluorescência desta molécula não está associada ao

efeito de filtro interno secundário, pois seria necessário o aumento expressivo dos

tempos de vida para as soluções de concentrações maiores. Supõe-se, portanto, que a

diminuição da intensidade de fluorescência observada para soluções concentradas

(acima de 0,02 mmol L-1) na Fig. 21 seja devido ao efeito de filtro interno primário,

intensificado pelo alto coeficiente de absorção molar da Banda Soret para o

comprimento de onda de excitação em 401 nm.

As amplitudes fracionárias (Fig. 26) mostram as contribuições dos tempos no

decaimento radiativo da molécula. Para o tempo de vida mais longo (A1), a fase

monomérica apresenta maior contribuição (50-60 %) para a maioria das concentrações,

exceto em DMSO. O tempo intermediário (A2) é o que menos contribui, sendo uma

amplitude média em torno de 15-18 %. A contribuição do tempo mais curto (A3) é

intermediária a A1 e A2 nos solventes álcool etílico e álcool isopropílico. Em DMSO, a

participação do tempo mais longo e do tempo mais curto, a partir da concentração de

0,0028 mmol/L passam a contribuir em proporções semelhantes. Os tempos de vida

médio da SCC em função da concentração estão apresentados na Tabela 4.

Tabela 4: Comprimento de onda máximo de fluorescência, tempo de vida médio e o rendimento quântico

de fluorescência da SCC em diferentes solventes, quando excitada em 401 nm.

Solvente máx(nm) 1

(ns)

2

(ns)

3

(ns) ²

ɸ (10-3)

Banda Soret

Álc.

Etílico 663-670 4,99 0,02 1,23 0,06 0,13 0,02 0,963 0,43

Álc.

Isopropílico 663-666 5,20 0,01 1,53 0,03 0,16 0,02 0,969 0,12

DMSO 663 4,93 0,01 1,13 0,02 0,10 0,01 0,956 1,51

* No cálculo do rendimento quântico de fluorescência utilizou-se como amostra referência, a rodamina B.

Os tempos de vida médios foram calculados pela média aritmética dos tempos e os erros foram obtidos

através desvio padrão dos erros, ambos utilizaram o intervalo de concentração estudado (APÊNDICE A).


As amplitudes fracionárias e o tempo de vida para cada concentração nos

respectivos solventes estão apresentados nas tabelas 7, 8 e 9 do Apêndice 1.

6.2. EFEITO DO pH NO ESPECTRO DE ABSORÇÃO DA SOLUÇÃO AQUOSA DE

SCC

O espectro eletrônico de absorção de uma molécula é primariamente

determinado pela estrutura química desse material. Entretanto, um grande número de

fatores relacionados ao meio produz mudanças detectáveis no pico de absorção máximo

e no coeficiente de absorção molar. O pH, por exemplo, pode provocar mudanças na

estrutura da molécula, pois ele determina o estado de ionização dos materiais ionizáveis

(protonação e desprotonação pelo H+). A Fig. 27 mostra os espectros de absorção ótica

para a SCC em solução aquosa em diferentes valores de pH.

Figura 27: Espectro de absorção da SCC quando em diferentes pH (a) absorção normalizada em relação à

banda Q; (b) intensidade máxima de absorção da banda Q.

Na Fig. 31a, nota-se que em pH abaixo de 7,0 a molécula sofre um deslocamento

batocrômico (deslocamento para a região do vermelho) de aproximadamente 10 nm em

relação ao pH neutro, pH = 7,6. Este deslocamento pode estar associado à formação de

agregados. A maioria das porfirinas tem o seu ponto isoelétrico situado entre pH 3 e 4,5,

em contrapartida, as metaloporfirinas, de metais fortemente ligados à porfirina, por

perderem suas funções nitrogenadas, tornam-se insolúveis em pH ácido, apesar de

manterem a solubilidade em meios alcalinos e solventes orgânicos 44, 77. No caso da

SCC, essa insolubilidade também ocorre devido a presença do grupo de sal de ácido

580 600 620 640 660 680 700

Ab

so

rbâ

ncia

No

rma

liza

da

nm

2,3

2,5

2,7

4,1

7,6

9,7

10,8

11,5

12,3

SCC (aq) [0,14 mol/L](a) pH

2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,00,4

0,8

1,2

1,6

2,0

Inte

ns.

ma

x.

de

Ab

so

rça

o (

u.a

.)

pH

Pico (630-637 nm) (b)


carboxílico na cadeia lateral. A SCC em solução aquosa ácida, portanto, tem suas

espécies agregadas intensificadas, favorecendo a precipitação (Fig. 28).

Figura 28: Solução de SCC a direita em pH ácido em que ocorre a precipitação da SCC em solução

aquosa e a esquerda em pH básico onde observa-se sua total solubilidade 97.

O deslocamento batocrômico é característico de um agregado do tipo J, seguido

do alargamento tanto da banda Soret quanto da banda Q. Em meio básico não

consideramos que tenha ocorrido formação de agregado, mesmo que seja percebido um

leve deslocamento hipsocrômico (deslocamento para a região do azul), pois para ser

designado este fenômeno, o deslocamento teria que ser de aproximadamente 10 nm em

relação ao pH neutro 62, 72.

Para os estudo da SCC em função do pH foi realizado apenas a espectroscopia

de absorção ótica na região do UV-Vis. A fluorescência estacionária e tempo de vida

não foram utilizados neste estudo para comprovar a agregação, pois a molécula não

apresentou luminescência em solução aquosa em função do pH.

6.3. SCC NA MISTURA ÁLCOOL ETÍLICO E ÁGUA

No estudo da molécula de SCC, verificou-se que quando solubilizada em água, a

intensidade de fluorescência não foi detectada. Com base nesses dados, analisou-se o

comportamento das propriedades fotofísicas dessa molécula em função da proporção de

água na mistura álcool e água (Tabela 2). Os espectros de absorção, de fluorescência e o

gráfico de Stern Volmer da SCC nessas condições são apresentados na Fig. 29.


Figura 29: (a) Espectro de Absorção da SCC em diferentes porcentagens de água; (b) Supressão de

fluorescência da SCC em álcool etílico pela adição diferentes concentrações de água, excitada em 401

nm; (c) Intensidade de absorção da Banda Q e intensidade máxima de Fluorescência em função da

porcentagem de água; (d) Gráfico de Stern Volmer para a SCC obtidas para comprimento máximo de

emissão em 660 nm e ajuste linear (linha vermelha). A solução foi mantida a uma concentração de 0,055

mmol/L.

Embora o estudo da SCC na mistura álcool e água tenha sido realizado em uma

mesma concentração (0,055 mmol/L) é notado que as intensidades de absorção são

alteradascom o aumento da concentração de água, principalmente para concentrações

acima de 60 %. Esse efeito pode ser devido ao material estar solubilizado na mistura de

dois solventes que apresentam momentos dipolares (D) diferentes (Tabela 1), induzindo

a uma diminuição da absorção bem como a supressão da luminescência como mostra a

Fig. 29b.

Na Fig. 29b, nota-se que os espectros de emissão têm comprimento de onda

máximo em 660 nm e é observado uma diminuição na intensidade de fluorescência da

SCC com o aumento da porcentagem de água. O gráfico de Stern Volmer (Fig. 29.d)

mostra uma certa linearidade para menores porcentagens do agente supressor (0-70 %),

para porcentagem acima de 80 % de água, ocorre um desvio dessa linearidade. A partir

400 450 500 550 600 650 700 7500,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5 (a) [H2O %]

Ab

sorb

ância

(u.a

.)

(nm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Banda Soret

Banda Q

620 640 660 680 7000

10

20

30

40

50

Inte

nsid

ad

e d

e F

luo

rescê

ncia

(u

.a.)

(nm)

(b) % H2O

0 20 40 60 80 1000,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Absmax

(629 nm)

PLmax

(660 nm)

H2O (%)

(c)

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Inte

nsid

ade m

áx. de A

bsorç

ão (

u.a

.)

Inten

s. max

de Flu

orescê

ncia (

u.a.)

Inten

s. max

de Ab

sorção

(u.a.)

0 20 40 60 80 100

1

2

3

4

5

6

F0/F

H2O (%)

R2=0,97

(d)


do ajuste da região linear da curva de Stern Volmer,o valor da constante de associação

(KS) para a supressão de fluorescência da SCC na mistura água/etanol de acordo com

Equação 5, foi de KS=52,92 L/mol.

Como já descrito no capítulo 1 (item 1.2.1), o gráfico de Stern Volmer não é

suficiente para distinguir se está ocorrendo um efeito de supressão estática ou supressão

dinâmica. Uma comprovação mais bem elaborada pode ser feita com a medida de tempo

de vida. As curvas de decaimento de fluorescência da SCC em diferentes porcentagens

de água mostradas na Fig. 30a apresentam o mesmo perfil, comprovando a não

ocorrência de variação de tempo de vida no intervalo entre 0% e 60% de água, porém

acima desse valor é verificado, pela inclinação da curva (Fig. 30 b), a alteração desse

tempo, o que pode estar associado ao aumento do fenômeno de agregação das moléculas

de SCC.

Figura 30: Curvas de decaimento de fluorescência nas soluções de SCC em diferentes porcentagens de

H2O (a) quando apresenta os mesmos tempos de vida; (b) quando os tempos de vida variam em

proporções de água acima de 60%.

Figura31: SCC na mistura água e álcool etílico a concentração de 0,04 mol /L: (a) tempo de vida do

estado excitado; (b) amplitude fracional.

0 10 20 30 40 50

1

10

100

1000

Conta

ge

m d

e F

óto

ns

(ns)

0

30

60

[H2O %] (a)

0 10 20 30 40 50

1

10

100

1000

Conta

ge

m d

e F

oto

ns

(ns)

0

30

60

80

[H2O %] (b)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

Tem

po d

e V

ida (

ns)

H2O (%)

1

2

3

(a)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

Am

plit

udes (

%)

H2O (%)

A1

A2

A3

(b)


Os decaimentos foram tri-exponenciais, correspondentes a três tempos de vida,

os quais pouco variaram no intervalo de 0% e 60% de água (Fig. 31a). Neste intervalo,

as medidas de tempo de vida e o perfil dos decaimentos evidenciaram, portanto, que a

supressão é estática e ocorre formação de complexos não fluorescentes (ver item 1.2.1).

Dessa forma, a molécula não complexada permanece luminescendo e o tempo de vida

no estado excitado não é alterado, sendo /0 = 1. Os Tempos de vida do estado excitado

da SCC em diferentes concentrações de água estão descritos na Tabela 5.

Tabela 5: Tempo de vida do estado excitado, amplitude fracionada e eficiência quântica de fluorescência

da SCC em diferentes proporções de H2O, quando excitada em 401 nm.

H2O (%) 1 (ns) A1 (%) 2 (ns) A2 (%) 3 (ns) A3 (%) 2

0 4,9 0,1 51,1 1,7 0,2 16,0 0,16 0,05 33,0 0,94

10 5,0 0,1 42,3 1,6 0,2 18,0 0,14 0,04 39,8 0,99

20 4,7 0,1 31,3 1,1 0,1 16,9 0,11 0,02 51,6 0,92

30 4,7 0,1 27,0 1,1 0,1 16,7 0,10 0,02 56,3 0,92

40 4,6 0,1 19,6 1,1 0,1 15,4 0,09 0,02 65,0 0,94

50 4,6 0,1 18,7 1,3 0,1 15,5 0,13 0,02 65, 8 1,00

60 4,6 0,1 12,9 1,3 0,1 11,5 0,08 0,01 75,6 0,91

70 3,8 0,1 5,8 0,5 0,1 9,1 0,04 0,01 85,1 0,87

80 3,5 0,2 3,7 0,5 0,1 6,7 0,03 0,01 89,7 0,92

A Fig. 32 esquematiza a molécula de SCC na presença de água e a formação de

um complexo não fluorescente. A supressão da luminescência da molécula de SCC

pode ter ocorrido devido a formação de pontes de hidrogênio nos grupos ramificados,

pela presença de água. A formação de complexo não fluorescente é confirmada a partir

do gráfico de Stern Volmer (Fig. 29d) que apresenta comportamento linearidade no

intervalo entre 0% e 60% de água, a qual está agindo como um agente supressor.


Figura 32: Ilustração de uma situação hipotética: molécula de SCC na presença de água e a formação de

um complexo não fluorescente (círculos tracejados).

As amplitudes A1, A2 e A3(Fig. 32 b) representam, respectivamente, as

contribuições dos tempos 1, 2 e 3. Na solução com 0 % de água, a contribuição do

tempo mais longo é superior as demais contribuições. Acima de 10 % de água a

contribuição desse tempo (o mais longo) diminui e a contribuição do tempo mais curto

aumenta, alcançando 90 % de contribuição quando em 80 % de água. É notável a

inversão das amplitudes A1 e A3 quando a porcentagem de água aumenta, evidenciando

o aumento de formação (tamanho ou quantidade) de espécies agregadas na mistura

água/etanol na solução de SCC. Acima de 60% de concentração de água, observa-se a

diminuição do tempo de vida mais longo e do tempo de vida intermediário (Fig. 31 a)

da SCC, o que pode estar ocorrendo devido à intensificação de espécies agregadas na

solução com o aumento da porcentagem de água.

As medidas de espalhamento de luz ressonante (RLS) foram realizadas para

verificação da presença de agregados nas soluções de SCC na mistura água/álcool.

Foram obtidos espectros de RLS para estas soluções com diferente concentração de

água (0-90 %) para cada amostra de SCC com concentração total de 0,055 mmol/L

(Tabela 2). Na Fig. 33 está apresentado gráfico de intensidade máxima de RLS com o

aumento da porcentagem de água.


Figura 33: Intensidade máxima de RLS da SCC na mistura água/álcool com diferentes porcentagens de

água a concentração de 0,055 mmol/L.

Nesse gráfico, observa-se quea partir de 60 % de água, a intensidade de

espalhamento aumenta, indicando o aumento da quantidade ou do tamanho das

partículas agregadas da molécula de SCC. Essa observação pode ser comparada ao

gráfico de Stern Volmer (Fig. 29d) e às amplitudes fracionais (Fig. 31b) em que o efeito

de supressão a partir dessa porcentagem foi associado à intensificação de espécies

agregadas.

Portanto, no estudo da SCC na mistura álcool e água, nota-se que diferentes

ocorrências em específicos intervalos de concentração de água, sendo que em 0%, esta

molécula apresenta fluorescência devido a presença majoritária de espécies

monoméricas,no intervalo de 10-60%, sua fluorescência diminui significativamente e

que, pelo gráfico de Stern Volmer e medidas de tempo de vida, possibilitou-se atribuir o

efeito à supressão estática com formação de complexos não fluorescentes. Acima de 60

%, o fenômeno de agregação assim como a sua contribuição nos decaimentos é

intensificado, causando a diminuição dos tempos de vida e da intensidade de

fluorescência.

A não fluorescência da SCC em solução aquosa (100 % de água), deve-se ao

aumento e/ou intensificação do número de agregados, ou ainda pode estar ocorrendo

total agregação da molécula, como pode ser percebido na Fig. 31b em que a

contribuição dos tempos mais curtos (atribuídos a espécies agregadas) para os

decaimentos aumenta significativamente, alcançando contribuição de 90 % para a

solução em 80 % de água, podendo alcançar uma contribuição de 100% quando a SCC

estiver completamente em meio aquoso.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

50

100

150

200

250

300

Inte

ns.

de

RL

S m

ax

H2O (%)


6.4. EFEITO DO CENTRO METÁLICO NO ANEL PORFIRÍNICO

As porfirinas de base livre e as metaladas têm suas propriedades fotofísicas

diferenciadas como já citadas no capítulo 2(item 2.1.2). A identificação do metal

presente no centro do anel porfirínico é fundamental na compreensão das características

espectrais da molécula, como é o caso dos espectros de absorção e de fluorescência 18,

91. A natureza do metal influencia significativamente nas características, tanto físicas

como químicas de um material, mesmo quando se tratar de moléculas de uma mesma

família, por exemplo, a clorofila e a clorofilina cúprica de sódio.

O estudo das propriedades fotofísicas da SCC possibilitou a sua comparação

com a molécula da qual ela é derivada, a clorofila, verificando que as propriedades das

duas sofrem variações significativas que estão associadas a mudança do centro metálico,

bem como aos grupos substituintes da cadeia lateral. A Fig. 34 mostra o espectro de

absorção destas moléculas em álcool isopropílico, em que a SCC apresenta dois picos

na banda Q, enquanto que a clorofila apresenta 4 picos para essa mesma banda.

Figura 34: Espectro de absorção da clorofila a (verde) e da SCC em álcool isopropílico (preto) a 0,1 g/L.

Na Fig. 34, nota-se que tanto o espectro da SCC quanto da clorofila apresenta

picos de absorção bem definidos na região do visível, sendo a Banda Soret na região do

azul e a Banda Q na região do vermelho. A clorofila apresenta picos de absorção mais

intensos comparados aos da SCC, o que pode estar associado à maior solubilidade da

clorofila em álcool isopropílico.As conformações do anel e a ligação do centro metálico

400 500 600 700 800

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

Ab

so

rbâ

ncia

(u

.a)

(nm)

Chl a

SCC

em alcool isopropilico


ao composto porfirínico também colaboram para a determinação desses espectros,

sendo o magnésio ligado menos rigidamente ao anel, a clorofila tem seu espectro de

absorção deslocados para maiores comprimentos de onda. As metaloporfirinas têm sua

Banda Q reduzida comparada à das porfirinas de base livre (ver item 2.1.2.), porém a

clorofila é uma exceção, devido ao magnésio não estar rigidamente ligado ao anel.

A Fig. 35 apresenta os espectros de fluorescência da SCC e da clorofila em

etanol a 0,1 g/L excitadas na região do azul (405 nm) e na região do vermelho (625-660

nm). Verifica-se que o máximo de emissão ocorre em comprimentos de onda próximos,

sendo 666 nm para a SCC e 670 nm para a clorofila, porém a intensidade de

fluorescência da SCC é bastante inferior à da clorofila independentemente do

comprimento de onda de excitação.

Figura 35: Espectros de fluorescência da SCC e da clorofila a 0,1 g/L em álcool etílico. Os espectros de

emissão da SCC estão ampliados por motivos de comparação.

Em virtude da fluorescência pode ser mascarada por alguns solventes orgânicos

e vários compostos biológicos e ainda por meio de parâmetros experimentais como

configurações do equipamento (slit de entrada e de saída, porta amostra com

amplificador da intensidade de fluorescência, por exemplo), concentração das amostras

em análise18, as condições experimentais para a medidas espectroscópicas foram as

mesmas para as duas moléculas. Assim como a absorção, a fluorescência da porfirina

também é influenciada pela natureza do metal a ela complexado, considerando-se que

algumas complexadas com metais como o cádmio, o chumbo, o zinco e o magnésio,

emitem quando dissolvidas em alguns solventes, enquanto que quando complexadas aos

640 660 680 700 720 740 7600

50

100

150

200

250

300

350

400

Inte

nsid

ade

de F

luo

rescên

cia

(u.a

.)

(nm)

ChL exc 405 nm

ChL exc 660 nm

SCC exc 405 nm

SCC exc 625 nm

x 10

x70


metais Cobalto, níquel, ferro e cobre, emitem pouco ou não 18, 91. Becker e Allison 9 em

seus estudos sobre a fotoluminescência de compostos metaloporfirínicos concluíram

que as propriedades de emissão estão relacionadas com o número atômico, raio iônico,

configuração eletrônica e eletronegatividade do metal coordenado, os quais podem

provocar possíveis distorções no anel e, consequentemente, deslocamentos no espectro

eletrônico.

Quanto maior o raio atômico e a eletronegatividade do metal, menor será sua

intensidade de fluorescência9. O magnésio tem seu número atômico bem menor que o

cobre, sendo, respectivamente, 12 e 29, além disso, apresenta eletronegatividade mais

baixa. A baixa eletronegatividade do magnésio origina uma ligação de caráter

essencialmente iônico, o que ocasiona uma ligação não-rígida ao anel, enquanto que o

cobre por ser mais eletronegativo, apresenta maior rigidez em sua ligação com a cadeia

porfirínica, originando distorções geométricas e, consequentemente, diminuição da

intensidade de fluorescência.


(IV) DA SCC

A interpretação do espectro (Fig. 36) na região do infravermelho foi realizada

pelo perfil do espectro e presença de bandas características principais dos grupos

funcionais da molécula.

Figura 36: Espectros de absorção no infravermelho da clorofilina cúprica de sódio- amostra KBr/SCC

1000 2000 3000 4000

0

50

100

150

Tra

nsm

itância

(%

)

Numero de onda (cm-1)

SCC/KBr

3400

29

24

15

60

14

00


O espectro de absorção na região do infravermelho da SCC em pó mostra uma

larga banda próximo a 3400 cm-1 de estiramento de grupos carboxílicos e em 2924 cm-1,

estiramento das ligações carbono sp3 – carbono sp2. Em 1560 cm-1 é mostrado um

estreito e intenso pico de estiramento das ligações (C=O) de carbonilas de grupos

ésteres e próximo a 1400 cm-1, observa-se um pico de estiramento das ligações C=C do

anel porfirínico. Esses resultados comprovam presença dos grupos funcionais

correspondentes à estrutura química da molécula estudada, a SCC.

6.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN DA SCC

A Espectroscopia Raman mostra as vibrações moleculares e identifica os

possíveis grupos químicos presentes na molécula (identifica as ligações). Espectros

Raman foram obtidos a fim de se confirmar a estrutura química da SCC (Fig. 37).

Figura 37: Espectros Raman de filmes casting da clorofilina cúprica de sódio sobre substrato de vidro.

A partir dessa medida, os principais picos observados do espectro Raman foram

atribuídos a alguns grupos como apresentados na Tabela 6.

600 800 1000 1200 1400 16000

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

16

33

15

93

15

54

13

93

13

50

12

7012

30

11

439

93

89

2

75

3

Inte

nsid

ade (

u.a

.)

Deslocamento Raman (cm-1)

Filme Casting de SCC

65

5


Tabela 6: Deslocamento (em cm-1) e atribuição das principais bandas observadas no espectro Raman do

filme casting de SCC.

Atribuição Raman (cm-1)

Respiração macrocíclica [59,100] 655

C-H sacudindo[34] 753

C=C torcido fora do plano [48] 892

Respiração pirrol [92] 993

Deformação C-H [100] 1143

C-C (-COO) [48] 1230

Interação Cu - Anel [83] 1270

C-N pirrol [92] 1350

CH3 torcido [9] 1393

Estiramento pirrólico C=N [100] 1554

Estiramento C-C [48] 1593

C=C no plano [48, 94] 1633

De forma bem geral, percebe-se que a SCC apresenta picos intensos em 753

referentes aos modos vibracionais das ligações C-H sacudindo, em 993 atribuídos ao

modo vibracional de respiração do grupo pirrol, em 1230 os modos vibracionais

dosgrupos carboxilatos (os sais de ácido carboxílico), em 1554, referente ao estiramento

C=N no grupo pirrólico e em 1270, no qual a tribuição é feita aos modos de vibração da

interação do metal com o anel porfirínico. Assim como o espectro de absorção na região

do infravermelho, o espectro Raman está coerente com a estrutura química da

clorofilina cúprica de sódio, pois apresenta os grupos funcionais constituintes da

molécula.

CAPÍTULO 7: CONSIDERAÇÕES FINAIS

O estudo da clorofilina cúprica de sódio em diferentes meios físicos mostrou que

essa molécula sofre algumas alterações nos espectros eletrônicos, e, consequentemente,

nas propriedades fotofísicas como absortividade molar, rendimento quântico e tempo de

vida. Apesar da dificuldade na realização das medidas espectroscópicas, principalmente,

a de fluorescência, pelo fato dessa molécula apresentar baixa luminescência, foi

possível obter os dados pretendidos neste trabalho. Com a variação da concentração, os

máximos de absorção e de fluorescência da SCC apresentaram linearidade para soluções

mais diluídas, porém em altas concentrações, essa linearidade deixa de ocorrer,

causando uma diminuição na intensidade de absorção, o que foi associado ao efeito de

filtro interno primário. Em diferentes solventes, pode-se constatar que a SCC tem suas

propriedades fotofísicas alteradas, como é o caso do coeficiente de absorção molar, do

rendimento quântico de fluorescência e intensidade de fluorescência, com exceção dos

tempos de vida do estado excitado que não sofreram mudanças significativas. Nestes

solventes a SCC exibiu três tempos de vida, sendo o tempo de vida mais longo atribuído

à fase monomérica e os tempos mais curtos atribuídos à fase agregada, tendo essas duas

fases coexistindo em todo intervalo de concentração estudado. Quando solúvel em água,

esta molécula não apresentou fluorescência, o que foi associado ao fenômeno de

supressão estática, em decorrência da formação de complexos não fluorescentes com a

água.

O aumento da formação de agregados também foi apontado como contribuinte

para a diminuição e a extinção da fluorescência da molécula quando em solução aquosa.

As medidas de tempo de vida, o gráfico de Stern Volmer e o gráfico de RLS evidenciam

estas conclusões. Além da influência do meio, o metal ligado ao anel porfirínico tem

destaque significativo nas características espectroscópicas da molécula porfirínica,

como mostrado no comparativo entre a clorofila e a SCC, em que suas propriedades

fotofísicas não apresentaram similaridades, ou seja, a SCC apresentou baixa intensidade

de fluorescência e consequentemente baixo rendimento quântico. Desta forma, conhecer

a natureza química do metal é fundamental para a compreensão deste fenômeno.

Um dos principais interesses no estudo dessas moléculas é seu uso na Terapia

Fotodinâmica, visto que para isso é necessário que elas apresentem um elevado

rendimento quântico de fluorescência. A clorofilina cúprica de sódio surge como uma

Capítulo 7: Considerações Finais 78

boa alternativa devido a sua solubilidade em água, mas apresenta baixo rendimento

quântico de fluorescência e a alta formação de agregados em meio aquoso, o que

dificulta sua utilização nesse tratamento. Nesse aspecto a clorofila é uma boa indicação,

porém não se solubiliza em solventes compatíveis ao corpo humano.

Como perspectiva para trabalhos futuros, pretende-se realizar rotas sintéticas

para obtenção de novas moléculas derivadas da SCC, mantendo-se sua solubilidade em

água e aprimorar as propriedades fotofísicas a fim de intensificar sua aplicação nas

diversas áreas tecnológicas.

79

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91

GLOSSÁRIO

Absorbância: é a capacidade intrínseca dos materiais em

absorver radiações em frequência específica.

Agregados: Podem ser de origem atômica ou molecular. Os átomos ou moléculas,

quando se apresentam na forma agregada têm suas estruturas e, consequentemente, suas

propriedades diferenciadas de quando estão na forma isolada. Essas propriedades são

evoluídas com o aumento gradual do tamanho das espécies agregadas.

Fotofísica: estuda os mecanismos de desativação do estado excitado de uma molécula,

que por sua vez retorna ao seu estado fundamental sem modificação de sua estrutura.

Regra de Huckel: em química orgânica, a regra de Hückel estima se uma molécula em

anel planar terá propriedades aromáticas. Portanto, o físico-químico alemão, Erick

Huckel desenvolveu essa regra, informando que para um composto cíclico e planar seja

de fato aromático, o número dos seus elétrons π é igual a 4n+2, onde n é zero ou inteiro

positivo.

https://pt.wikipedia.org/wiki/Radia%C3%A7%C3%A3o

https://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia

https://pt.wikipedia.org/wiki/Qu%C3%ADmica_org%C3%A2nica

https://pt.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula

https://pt.wikipedia.org/wiki/Plano_(geometria)

https://pt.wikipedia.org/wiki/Aromaticidade

https://pt.wikipedia.org/wiki/N%C3%BAmero_inteiro

92

APÊNDICE

APÊNDICE A: TEMPOS DE VIDA E AMPLITUDES FRACIONÁRIAS DA

CLOROFILINA CÚPRICA DE SÓDIO

Tabela A 1: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool etílico, quando excitada em

401 nm.

Concentração

mmo/L 1 (ns) 2 (ns) 3 (ns)

A1

(%)

A2

(%)

A3

(%) 2

0,00028 5,42 ±0,10 1,01 ± 0,08 0,11 ± 0,02 17,06 21,90 61,04 0,960

0,00055 5,03 ± 0,09 0,94 ± 0,08 0,09 ± 0,02 17,99 21,59 60,42 0,932

0,00083 5,01 ± 0,09 0,92 ± 0,08 0,10 ± 0,02 19,83 21,03 59,15 0,993

0,00106 5,00 ± 0,09 0,91 ± 0,09 0,10 ± 0,01 19,84 19,41 60,75 0,971

0,00131 5,03 ± 0,08 1,03 ± 0,10 0,10 ± 0,02 22,72 19,02 58,26 0,949

0,00280 5,01 ± 0,07 1,32 ± 0,16 0,18 ± 0,05 45,65 20,59 33,76 0,957

0,00550 5,00 ± 0,06 1,23 ± 0,18 0,11 ± 0,03 42,56 15,70 41,74 0,996

0,00830 4,93 ± 0,06 1,16 ± 0,19 0,14 ± 0,05 50,55 16,62 32,83 0,973

0,01060 4,93 ± 0,06 1,18 ± 0,19 0,12 ± 0,04 49,10 15,88 35,02 0,972

0,01310 4,97 ± 0,06 1,32 ±0,19 0,13 ± 0,05 51,37 16,85 31,78 0,945

0,02800 4,93 ± 0,06 1,28 ± 0,22 0,13 ± 0,05 53,13 15,50 31,37 0,974

0,05500 4,93 ± 0,06 1,31 ± 0,21 0,13 ± 0,06 55,99 16,21 27,80 0,971

0,07200 5,01 ± 0,06 1,88 ± 0,25 0,24 ± 0,08 58,11 15,96 25,92 0,967

0,10400 4,84 ± 0,05 1,13 ± 0,23 0,14 ± 0,07 60,22 20,06 24,72 0,925

0,14000 4,87 ± 0,06 1,40 ± 0,25 0,16 ± 0,06 56,50 14,15 29,35 0,957

Apêndice 93

Tabela A 2: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool isopropílico, quando excitada

em 401 nm.

Concentração

mmo/L 1 (ns) 2 (ns) 3 (ns)

A1

(%)

A2

(%)

A3

(%) 2

0,00028 5,07 ± 0,06 1,15 ± 0,24 0,12 ± 0,06 58,02 15,11 26,87 0,961

0,00055 5,12 ± 0,06 1,40 ± 0,25 0,12 ± 0,05 52,22 13,74 34,04 0,972

0,00083 5,02 ± 0,06 1,02 ± 0,21 0,10 ± 0,07 49,4 13,59 37,00 0,936

0,00106 5,28 ± 0,08 1,31 ± 0,21 0,13 ± 0,04 44,19 17,24 38,56 1,014

0,00131 5,24 ± 0,07 1,30 ± 0,20 0,13 ± 0,04 44,59 16,34 39,07 0,931

0,00280 5,35 ± 0,06 1,44 ± 0,28 0,19 ± 0,07 59,63 14,24 26,13 0,958

0,00550 5,43 ± 0,06 2,14 ± 0,27 0,15 ± 0,08 58,45 16,29 25,25 0,96

0,00830 5,41 ± 0,06 2,20 ± 0,28 0,20 ± 0,09 59,52 16,00 24,48 1,004

0,01060 5,33 ± 0,06 1,96 ± 0,29 0,23 ±0,08 59,04 14,74 26,22 0,968

0,01310 5,32 ± 0,06 2,04 ± 0,28 0,22 ± 0,09 60,12 15,30 24,58 0,95

0,02800 5,15 ± 0,06 1,48 ± 0,28 0,25 ± 0,07 60,23 13,77 26,00 0,955

0,05500 5,11 ± 0,06 1,24 ± 0,25 0,19 ± 0,07 60,17 14,66 25,17 0,983

0,07200 5,07 ± 0,06 1,09 ± 0,24 0,15 ± 0,06 59,66 14,26 26,10 0,974

0,10400 5,11 ± 0,06 1,38 ± 0,27 0,12 ± 0,08 63,30 13,39 23,31 0,974

0,14000 5,13 ± 0,05 1,72 ± 0,31 0,17 ± 0,09 64,88 13,28 21,83 0,969

Apêndice 94

Tabela A 3: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em DMSO, quando excitada em 401

nm.

Concentração

mmo/L 1 (ns) 2 (ns) 3 (ns)

A1

(%)

A2

(%)

A3

(%) 2

0,00028 4,83 ± 0,09 0,82 ± 0,13 0,04 ± 0,01 10,48 7,04 82,47 0,905

0,00055 4,84 ± 0,07 0,73 ± 0,11 0,04 ± 0,01 18,49 11,46 70,05 0,979

0,00083 4,86 ± 0,07 0,77 ± 0,12 0,03 ± 0,01 17,36 9,64 73,00 0,96

0,00106 4,87 ± 0,07 0,82 ±0,13 0,04 ± 0,01 20,73 10,71 68,56 0,952

0,00131 4,87 ± 0,07 0,87 ±0,14 0,04 ± 0,01 23,10 10,7 66,20 0,95

0,00280 5,06 ± 0,07 1,36 ± 0,18 0,13 ± 0,03 40,04 17,1 42,86 0,962

0,00550 5,13 ± 0,07 1,55 ± 0,17 0,12 ± 0,03 38,45 16,89 44,66 0,948

0,00830 5,07 ± 0,06 1,41 ± 0,17 0,12 ± 0,03 40,49 17,36 42,15 0,952

0,01060 5,06 ± 0,07 1,54 ± 0,19 0,14 ± 0,04 41,85 17,03 41,12 0,962

0,01310 4,94 ± 0,06 1,28 ± 0,18 0,12 ± 0,03 41,91 16,09 42,00 0,978

0,02800 5,02 ± 0,06 1,40 ± 0,17 0,12 ± 0,03 40,56 16,76 42,68 0,954

0,05500 4,81 ± 0,06 0,99 ± 0,15 0,09 ± 0,03 40,81 16,16 43,02 0,964

0,07200 4,88 ± 0,06 1,10 ± 0,16 0,10 ± 0,03 41,45 16,43 42,13 0,953

0,10400 4,87 ± 0,06 1,08 ± 0,16 0,10 ± 0,03 41,51 16,46 42,03 0,953

0,14000 4,85 ± 0,06 1,15 ± 0,16 0,13 ± 0,03 42,53 16,90 40,58 0,950

Apêndice 95

APÊNDICE B: ESPECTROS DE ABSORÇÃO ÓTICA DA SCC EM SOLUÇÃO

EM DIFERENTES SOLVENTES E DIFERNTES CONCENTRAÇÕES.

Figura B 1: Espectros de absorção da SCC em água, álcool isopropílico e DMSO em diferentes

concentrações.

400 450 500 550 600 650 700 7500,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Banda Q

Banda Soret

Ab

sorb

ância

(u.a

.)

(nm)

0,0003

0,0008

0,0028

0,0083

0,0280

0,0550

0,1040

0,1400

Água [mmol/L]

400 450 500 550 600 650 700 7500,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Banda Q

Ab

sorb

ância

(u.a

.)

(nm)

0,0003

0,0008

0,0028

0,0083

0,0280

0,0550

0,1040

0,1400

Banda Soret

[mmol/L]Alcool isopropílico

400 450 500 550 600 650 700 7500,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Banda Q

Ab

sorb

ância

(u.a

.)

(nm)

0,0003

0,0008

0,0028

0,0083

0,0280

0,0550

0,1040

0,1400

Banda Soret[mmol/L]DMSO

ESTUDO DAS PROPRIEDADES FOTOFÍSICAS DA ......Neste trabalho, as propriedades fotofísicas da SCC em...

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