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Relatório – Pós-Doutorado Júnior (PDJ)
Síntese e caracterização de nanopartículas luminescentes a
base ZnGa2O4 dopado com cromo para utilização em
bioimagem.
Bolsista: Dr. Marlon Nunes da Silva
Supervisora acadêmica: Dr(a). Marcia Carvalho de Abreu Fantini
Instituição sede: Instituto de Física/USP/São Paulo
São Paulo-janeiro de 2018
Projeto: 437953/2016-5
Processo: 150103/2017-4
Coordenadora: Marcia Carvalho de Abreu Fantini
Modalidade - Categoria: Pós-Doutorado Junior - PDJ
Vigência: De 01/03/2017 a 28/02/2018
RESUMO
O projeto proposto consistiu no desenvolvimento de uma nova rota de síntese e
a caracterização de nanopartículas de galato de zinco (ZnGa2O4) e galato de
zinco dopado com cromo (ZnGa2O4:Cr3+). Estes materiais têm atraído enorme
atenção devido às suas possibilidades de aplicações, dentre elas,
bioimageamento. O uso de bioimagens é de grande importância, pois permite
uma evolução tanto no diagnóstico, como no tratamento de patologias.
Portanto, ter o controle da síntese, a compreensão das propriedades ópticas,
elétricas e luminescentes, bem como suas características morfológicas e
estruturais é de grande interesse tecnológico. A metodologia de síntese
proposta neste estudo permitiu a obtenção de nanopartículas de ZnGa2O4:Cr3+
de forma rápida, com baixo custo e à temperatura ambiente. Além disso, é
possível modular a intensidade da luminescência, variando a quantidade de
cromo no meio reacional e o tamanho das partículas a partir de tratamentos
térmicos com temperatura específica.
Apresentamos aqui três parcerias com outros grupos de pesquisa, cujo
objetivo é aplicação do ZnGa2O4:Cr3+ sintetizado neste projeto.
Por fim, realizamos uma proposta e justificativa para a continuidade deste
projeto.
1 - RELATÓRIO DAS ATIVIDADES DE PESQUISA PROGRAMADAS E
EFETIVAMENTE REALIZADAS
A primeira etapa deste projeto consistiu no desenvolvimento de uma nova rota
de síntese e a caracterização de nanopartículas de galato de zinco (ZnGa2O4)
e galato de zinco dopado com cromo (ZnGa2O4:Cr3+).
Após algumas tentativas, alterando a metodologia, obtivemos o controle e a
reprodutibilidade da síntese.
Para caracterizar o material obtido foi utilizada a técnica de Difração de Raios X
(DRX), Espectroscopia de Fotoluminescência, Microscopia Eletrônica de
Varredura e Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios X (MEV-EDX),
1.1 - INTRODUÇÃO
Galato de zinco (ZnGa2O4) é um material semicondutor do tipo p e larga
energia de band gap (4,4 eV). É um espinel normal de fórmula genérica AB2O4
com Zn2+ ocupando os sítios tetraédricos A e Ga3+ ocupando os sítios
octaédricos B [1]. ZnGa2O4 apresenta emissão de luz azul, proveniente de
grupos Ga-O, quando irradiado com luz ultravioleta.
A adição de íons terras raras e íons metálicos na estrutura cristalina de
ZnGa2O4 permite modular eficientemente o comprimento de onda de emissão.
Portanto, ZnGa2O4 é um material hospedeiro interessante para diferentes íons
ativadores, por exemplo, Mn2+ para emissão de luz verde, Eu3+ para emissão
de luz vermelha e Cr3+ na região do infravermelho próximo [2-4].
Devido aos raios iônicos semelhantes (Ga3+ = 0,62 Å; Cr3+ = 0,64 Å) e mesma
valência (3+), Cr3+ pode substituir Ga3+ na rede cristalina de ZnGa2O4,
alterando assim, suas propriedades luminescentes [5, 6].
ZnGa2O4:Cr3+ tem recebido crescente interesse nos últimos anos devido à sua
luminescência persistente, também chamada de fosforescência de longa
duração, isto é, pode continuar a emitir luz durante horas após o fim de uma
excitação.
Sabe-se que o Ga3+ contém grande quantidade de “armadilhas” (trap) com
profundidade adequada para produzir luminescência persistente a temperatura
ambiente. O processo de interceptação dos portadores de carga é controverso
na literatura, o que tem sido aceito é que ocorre uma transferência a partir dos
centros luminescentes do Cr3+ através da banda de condução para os centros
de aprisionamento (Ga3+). Os materiais que emitem luz na faixa do vermelho e
infravermelho próximo têm aplicações promissoras em vários campos,
especialmente nanosondas para a bioimagem [7-10].
Várias rotas químicas têm sido utilizadas para sintetizar ZnGa2O4 dopados e
não dopados, tais como método de estado sólido, precipitação, método
hidrotérmico e o método sol-gel. Essas rotas geram situações indesejáveis, tais
como: longo tempo de reação, reações secundárias, partículas de tamanho
micrométrico e tratamentos térmicos com temperaturas elevadas (1100 °C),
todas inadequadas para algumas aplicações, por exemplo, experiências in vivo
[11-19].
Maldiney et al. propôs uma via alternativa através do método sol-gel assistido
por irradiação de micro-ondas que permite menor temperatura de calcinação,
proporciona alta cristalinidade, pureza e reprodutibilidade [20, 21].
Apesar de todos os esforços, ainda existem muitos desafios na busca de novos
materiais que possam ser estáveis, morfologicamente controlados (tamanho e
forma) com alto rendimento quântico e baixa toxicidade [22].
Neste trabalho ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr3+ com estrutura de espinel e tamanho
nanométrico foram sintetizados pelo método sol-gel, além disso, suas
propriedades estruturais, ópticas e luminescentes foram investigadas. Esta rota
de síntese é uma alternativa viável para sintetizar ZnGa2O4 dopado e não
dopado. No melhor do nosso conhecimento, acreditamos que esta rota de
síntese ainda não tenha sido apresentada na literatura.
1.2 - EXPERIMENTAL
1.2.1 - Materiais
ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr3+ foram sintetizados a partir de Zn(CH3COO)2.2H2O,
Ga (NO3)3•xH2O, Cr(NO3)3•9H2O, etanol e água destilada. O procedimento
completo de síntese é descrito na seção 1.2.2.
1.2.2 - Métodos
No primeiro passo dissolveu-se 1.0 g de Zn(Ac)2.2H2O em 100 mL de etanol
em ebulição (76 oC) à pressão atmosférica sob forte agitação. Este
procedimento solubiliza e desidrata Zn(Ac)2.2H2O [23]. O segundo passo é
realizado após 60 minutos com a adição de água deionizada. Em seguida,
dissolve-se 1.0 g de Ga(NO3)3•xH2O para formar uma solução transparente. A
solução permaneceu vigorosamente agitada à temperatura ambiente por todo
esse período.
No passo três, após 30 minutos, adicionou-se 0.3 g de LiOH com agitação
contínua para formação e precipitação de um gel.
ZnGa2O4:Cr3+ foi sintetizado através da adição de x% de Cr(NO3)3•9H2O (x% =
0.01; 0.1; 1.0) imediatamente após a adição de Ga(NO3)3•xH2O.
A solução foi centrifugada durante 10 minutos a 7000 rpm para remover
solventes residuais (água, etanol) e subprodutos (moléculas que não reagiram).
Os produtos foram lavados com água deionizada; o processo de centrifugação
e lavagem foi repetido três vezes. As amostras foram secas no forno a 25 oC
durante 24 h. Os tratamentos térmicos foram realizados a 65, 350 e 700 oC.
1.2.3 - Caracterizações
As medidas de difração de raios X (DRX) foram realizadas com um
equipamento Bruker D8 Discover-DaVinci com um tubo de cobre (Kα λ =
1.5418 Â). As medidas foram registradas usando um passo 2θ de 0.05o, um
tempo de contagem de 5s e 2θ variando de 10o a 80o. A morfologia da
superfície foi examinada por microscopia eletrônica de varredura (MEV),
usando um FEG-MEV (modelo JEOL 7500F). As amostras foram depositadas
sobre substrato de silício e pulverizadas com ouro. Os espectros de
fotoluminescência foram registrados com um espectrofluorômetro HORIBA
Jobin Yvon - FLUORLOG 3-11 equipado com um monocromador de grade
dupla na posição de emissão (iHR320) e um detector CCD Synapse HORIBA
Jobin Yvon E2V CCD30 (1024x256 pixels). Uma lâmpada de xenônio de 450 W
foi utilizada como fonte de irradiação.
1.3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 1 mostra os difratogramas de ZnGa2O4 e ZnGa2O4:0.1%Cr3+ a
diferentes temperaturas de tratamento térmico. Todos os padrões de difração
são característicos de ZnGa2O4 com estrutura cristalina do tipo espinel, tanto
para a amostra dopada com cromo como para a não dopada.
10 20 30 40 50 60 70 80
1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0
Z n G a 2 O 4 (G e l)
Z n G a 2 O 4 (2 5 0C )
Inte
ns
ity
(a
rb.u
nit
s.)
2 (d e g re e )
Inte
nsi
ty (
arb
. u
nits
)
ZnGa2O4
gel
25 0C
(440)(511)
(422)(400)
(222)
(311)
(220)(111)
Standard
60 0C
350 0C
700 0C
2 (degree)
(a)
10 20 30 40 50 60 70 80
ZnGa2O4 :0.1%Cr
(440)(511)
(422)(400)
(222)
(311)
(220)
(111)
2 (degree)
Inte
nsi
ty (
arb
. u
nits
)
Standard
60 0C
350 0C
700 0C
(b)
Figura 1 - DRX do galato de zinco obtido via método sol-gel após tratamento térmico a várias temperaturas: (a) ZnGa2O4; (b) ZnGa2O4:Cr
3+.
A natureza nanocristalina das amostras foi indicada a partir dos picos
alargados e a baixa intensidade dos mesmos, o que foi confirmado através do
cálculo de tamanho de cristalito (Tabela 1) utilizando da equação 1 proposta
por Scherrer:
D = 0.9 λ/βcosθ (1)
onde λ é o comprimento de onda dos RaiosX, β é largura a meia altura no
principal pico de difração deconvoluído o alargamento instrumental e θ é o
ângulo de difração.
Tabela 1 – Tamanho médio de cristalitos de ZnGa2O4 e ZnGa2O4 :Cr3+
obtidos a partir de DRX .
Amostra ZnGa2O4 ZnGa2O4:Cr (0.1%) Temperatura (0C) 65 350 700 65 350 700
Tamanho (nm) 2.5 6.7 19.0 2.1 4.7 16.0
Os cálculos mostraram que os tamanhos médios de cristalitos aumentam com
o aumento da temperatura do tratamento térmico. Sendo que os cristalitos
apresentam um tamanho médio aproximado de 2 nm para as amostras tratadas
termicamente a 65 oC e aproximadamente 20 nm para as amostras tratadas
termicamente a 700 oC. O gráfico inserido na Figura 1(a) mostra o XRD do gel
ZnGa2O4 (amorfo) e seco a 25°C.
A Figura 2 mostra as morfologias do ZnGa2O4 e ZnGa2O4:0.1%Cr3+ nas
imagens de MEV.
(a) (b)
100 nm
(c) (d)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
0
200
400
600
800
1000
1200
0
10
20
30
40
50
O Si Zn Ga Au
Ato
mic
(%
)
ZnGa2O4 (3500C)
ZnGa2O4(7000C)
ZnGa2O4:0.1% Cr(3500C)
ZnGa2O4:0.1% Cr(7000C)
Zn
Ga
Si Au
Counts
Energy (KeV)
ZnGa2O4:0.1% Cr(700 0C)
O
(e)
Figura 2 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) mostrando as morfologias e tamanho de: (a) ZnGa2O4-350
oC; (b) ZnGa2O4-700
oC; (c) ZnGa2O4:0.1%Cr-350
oC; (d)
ZnGa2O4:0.1%Cr-700oC (e) Espectro de EDS (Espectroscopia por Energia Dispersiva) de
ZnGa2O4:0.1%Cr-700oC.
As amostras preparadas a 350 oC são compostas por nanopartículas esféricas
com ligeira aglomeração (Figuras 2(a) e (c)). As Figuras 2(b) e (d) revelam que
os agregados são formados por partículas menores e possuem morfologia
irregular. As imagens sugerem que o dopante amplifica a irregularidade
morfológica (Figuras 2(c) e (d)). As partículas tornam-se maiores e a superfície
mais densa com o aumento da temperatura de tratamento térmico [24].
A espectroscopia EDS mostrada na Figura 2(f) revelou que além dos
elementos Si (superfície utilizada como suporte) e Au (cobertura da amostra),
apenas três elementos (Zn, Ga e O) foram detectados. O gráfico inserido na
Figura 2(f) detalha a porcentagem atômica de cada espécie presente nas
amostras. A relação entre os átomos de Zn/Ga/O são aproximadamente 1:2:4
respectivamente, concordando com a fórmula química de ZnGa2O4. A presença
do dopante (Cr3+) por ser em pequena quantidade não foi detectada nos
espectros EDS.
A Figura 3 exibe os mapas de contorno das medidas de fotoluminescência
(excitação e emissão) e suas respectivas perspectivas em três dimensões
(excitação, emissão e intensidade), onde a, b e c correspondem à amostra
ZnGa2O4:0.1%Cr3+ tratado termicamente a 65, 350 e 700 oC, respectivamente.
Os mapas de contorno sugerem que ZnGa2O4:0.1% Cr3+ pode ser excitado
pela radiação UV, mas também pela luz azul (425 nm) e laranja-vermelha (575
nm).
650 675 700 725 750 775200
250
300
350
400
450
500
550
600
EX
Wavele
ngth
( nm
)
EM Wavelength( nm )
1000
1875
2750
3625
4500
5375
6250
7125
8000
8875
9750
1.063E4
1.150E4
650 675 700 725 750 775
599
559
519
479
439
399
359
319
279
239
EM-Wavelength (nm)
Inte
nsity (
arb
. u
nits)
EX
-Wave
length
(nm
)
(a)
650 675 700 725 750 775200
250
300
350
400
450
500
550
600
EX
Wa
ve
len
gth
(n
m)
EM Wavelength (nm)
1000
4167
7333
1.050E4
1.367E4
1.683E4
2.000E4
2.317E4
2.633E4
2.950E4
3.267E4
3.583E4
3.900E4
650 675 700 725 750 775
596
556
516
476
436
396
356
316
276
236
EX
-Wave
length
(nm
)
EM-Wavelength (nm)
Inte
nsity (
arb
. u
nits)
(b)
650 675 700 725 750 775200
250
300
350
400
450
500
550
600
EX
Wa
ve
len
gth
( n
m )
EM Wavelength( nm )
960.0
1450
1940
2430
2920
3410
3900
4390
4880
5370
5860
6350
6840
650 675 700 725 750 775
596
556
516
476
436
396
356
316
276
236
Inte
nsity (
arb
. u
nits)
EX
-Wave
length
(nm
)
EM-Wavelength (nm)
(c)
Figura 3 – Mapas de contorno obtidos a partir da fotoluminescência (excitação x
emissão) de ZnGa2O4:0.1%: (a) 65 oC; (b) 350
oC and (c) 700
oC.
A Figura 4 mostra à esquerda o espectro de Fotoluminescência de Excitação
(PLE), obtido a partir do corte transversal (linha tracejada na Figura 3) em λ =
696 nm e à direita os espectros Fotoluminescência de Emissão (PL), excitados
a 254 nm. As amostras apresentam banda de excitação nos comprimentos de
onda correspondentes a 290 nm, 420 nm e 550 nm. Estes picos são
característicos a transferência de carga entre oxigênio e gálio (O2- →Ga3+), e as
transições d-d (4A2-4T1,
4A2-4T2) do íon Cr3+, respectivamente. A banda de
excitação em torno de 290 nm é uma convolução de duas bandas, em 270 nm
originária das transições entre O2- → Ga3+ e 305 nm com origem nas transições
entre O2- → Cr3+ [25-29]. Essas bandas se sobrepõem entre elas dificultando a
sua distinção. Além disso, há um deslocamento de aproximadamente 20 nm
em direção ao azul no espectro de ZnGa2O4:Cr3+ (65 °C) em comparação com
a banda de excitação, por isso, essa banda é centrada em 270 nm. Este
deslocamento pode ocorrer por vários fatores (tamanho, presença de dopantes
ou impurezas) [4,8,16,30].
Uma intensa banda de emissão na faixa de 680-720 nm foi observada quando
as amostras foram excitadas a 254 nm. Essa emissão é característica das
transições eletrônicas (3d) de íons Cr3+, o que confirma a presença de Cr3+ na
rede cristalina ZnGa2O4.
200 300 400 500 600 700 800
ZnGa2O
4:Cr-65
oC
ZnGa2O
4:Cr-350
oC
ZnGa2O
4:Cr-700
oC
Em.ex
nm)
R
N2
PSB
(S)
PSB
(AS)
2
4
4
4
4
4
Cr-O
Ga-O
Exc.em
nm)
Wavelength (nm)
PL Inte
nsity (
arb
. units)
PL(E
) In
tensity (
arb
. units)
Figure 4 – Espectros de fotoluminescência de excitação (PLE) excitado a 254 nm (esquerda) e fotoluminescência de emissão monitorado a 695 nm (direita) de ZnGa2O4:(0.1%)Cr
3+ tratado termicamente a várias temperaturas.
A amostra ZnGa2O4:Cr3+ termicamente tratada a 700 oC exibe várias linhas
estreitas emissão características da emissão de íons Cr3+ em sítios
octaédricos. A 688 nm são observadas as linhas R, que são acompanhadas
por suas Stokes (S) e anti-Stokes (AS) Phonon Side Bands (PSB) centrado em
708 nm e 715 nm, por um lado (S) e 663 nm, 670 nm e 680 nm, no outro (AS).
A linha N2 a 695 nm é atribuída aos íons Cr3+ na presença de defeitos antisítios
[8,31].
A Figura 5(a) mostra os tempos de decaimento de ZnGa2O4:Cr3+ tratado
termicamente a 65, 350 e 700ºC. O decaimento cinético foi monitorado a 695
nm (comprimento de onda de emissão) após excitação a 290 nm durante 5
minutos.
A amostra ZnGa2O4:Cr3+ (700 oC) exibiu propriedades de luminescência
persistente, a intensidade da luminescência permaneceu ativa após 100
segundos de decaimento. A amostra tratada termicamente a 350 oC
apresentou um tempo de decaimento ligeiramente mais rápido e a amostra
tratada termicamente a 65 oC não apresentou propriedades de luminescência
persistente, respectivamente.
(a)
0 20 40 60 80 100
290 nm
420 nm
550 nm
Fit
Time (sec)
Inte
nsity (
arb
.un
its)
(b)
Figura 5 - Curvas de decaimento da intensidade de luminescência em função do tempo (a) ZnGa2O4:0.1%Cr
3+ tratado termicamente a várias temperaturas e monitorado a 695 nm
(a figura inserida mostra a fotografia do pó irradiado com uma luz ultravioleta (254 nm ); (b) ZnGa2O4:0.1%Cr
3+ com tratamento térmico a 700
oC monitorado a diferentes
comprimentos de onda.
A fotografia inserida na Figura 5(a) é da amostra de ZnGa2O4:0.1%Cr3+ (700
oC) iluminada por fonte de luz ultravioleta com o comprimento de onda de 254
nm e a mesma amostra sob luz ambiente. Sob a luz ultravioleta é possível
observar a emissão de luz vermelha com brilho intenso.
A Figura 5(b) apresenta as curvas de decaimento das amostras ZnGa2O4:0.1%
de Cr3+(700 oC) monitoradas a 695 nm após excitação durante 5 min a três
diferentes comprimentos onda 290, 420 e 550 nm, que são os três principais
pontos de excitação obtidos na Figura 5.
O decaimento é mais lento para as excitações mais energéticas, ou seja, 290
nm > 420 nm > 550 nm.
As curvas experimentais de decaimento podem ser bem ajustadas para a
função de duplo decaimento exponencial:
I(t) α A1exp (-t/τ1) + A2exp (-t/τ2)
Onde I(t) é a intensidade, A1 e A2 são constantes e os parâmetros τ1 e τ2 são
constantes de decaimento que descrevem a taxa dos componentes de
decaimento exponencial rápido e lento, respectivamente.
Este modelo é usado quando o resultado é a soma de um decaimento
exponencial rápido e lento. Os resultados são mostrados na Tabela 2.
Tabela 2 – Curvas de decaimento em função da temperatura de tratamento térmico de
ZnGa2O4:(0.1%)Cr3+
e seus respectivos ajustes.
Comprimento de onda de excitação
290 nm 420 nm 550 nm
Amostra
(ZnGa2O4:0.1%Cr3+)
τ1/(s) τ2/(s) τ1/(s) τ2/(s) τ1/(s) τ2/(s)
700 0C 6.65 31.20 15.36 1.30 23.35 1.90
350 0C 15.62 1.65 --- --- --- ---
65 0C 4.94 4.94 --- --- --- ---
O tempo de decaimento mais lento é relativo às transições de Cr3+ em sítios
coordenados octaedricamente, enquanto os mais rápidos em sítios distorcidos
de pouca simetria.
Quando excitado a 290 nm ZnGa2O4:0.1%Cr3+(700oC) exibe melhores
propriedades de luminescência persistente. O aumento da temperatura de
tratamento térmico induz aumento da cristalinidade do material (suportado
pelos resultados de DRX) proporcionando, assim, melhores resultados de
fotoluminescência, provavelmente devido à remoção de moléculas de água e
resíduos orgânicos provenientes dos precursores da síntese. A presença de
impurezas resulta em perda não-radioativa e menor tempo de decaimento. A
energia não-radioativa se transfere da emissão do íon Cr3+ para os estados de
defeito. Bressière et al. mostraram que defeitos antisítios na estrutura cristalina
de ZnGa2O4 são os responsáveis pela luminescência persistente de
ZnGa2O4:0.1%Cr3+[8].
1.4 - CONCLUSÕES PARCIAIS
Neste trabalho, galato de zinco com estrutura cristalina do tipo espinel e galato
de zinco dopado com cromo foram sintetizados com sucesso pelo método sol-
gel à temperatura ambiente. As partículas obtidas têm entre 2 e 20 nm,
dependendo do tratamento térmico realizado. O método representa uma
alternativa viável para a obtenção de ZnGa2O4 com tamanho nanométrico.
Os espectros PLE mostram três picos de excitação a 290 nm o que é atribuído
às transições eletrônicas de O2- → Ga3+ e pelas transições eletrônicas de O2-
→ Cr3+ e também pode ser excitado a 420 e 550 nm devido aos íons Cr3+
presentes nos sítios tetraédricos e octaédricos, respectivamente. Os ensaios
de fotoluminescência mostraram que ZnGa2O4:0.1%Cr3+ é um material fósforo
com luminescência persistente e que pode ser excitado tanto por luz
ultravioleta como por luz visível. O tempo de decaimento é drasticamente
aumentado com o aumento da temperatura de tratamento térmico realizado
nas amostras.
1.5 – ATIVIDADES REALIZADAS
Após obtermos o controle e reprodutiblidade da síntese de ZnGa2O4:0.1%Cr3+,
bem como as caracterizações pertinentes, nós estabelecemos três parcerias
com outros grupos de pesquisa a fim de estudarmos possíveis aplicações do
material. A primeira foi com o Grupo de Ciências dos Materiais Aplicado a
Farmácia (CMAF) da Faculdade de Ciências Farmacêuticas UNESP
Araraquara, coordenado pela Profa. Dra. Leila A. Chiavacci, onde vem sendo
realizados estudos recentes sobre a funcionalização de nanopartículas
luminescentes para utilização em bioimagem. A segunda parceria foi
estabelecida com a Dra. Eloísa Berbel Manaia que defendeu recentemente a
sua tese de doutorado: “Pontos quânticos a base de óxido de zinco (ZnO) para
aplicação em bioimagem de nanocarreadores lipídicos”. Atualmente ela realiza
um estágio pós-doutoral na Faculté de Pharmacie da Université Paris-Sud
localizada em Châtenay-Malab/França sob a supervisão da Doutora Claudie
Bourgaux trabalhando com nanocápsulas lipídicas para utilização em
nanotransportadores. A terceira parceria se deu com o Prof. Dr. Hudson
Wallace Pereira de Carvalho do Centro de Energia Nuclear na Agricultura
(CENA/USP). Conforme foi mostrado nos resultados ZnGa2O4:0.1%Cr3+ pode
ser excitado com luz ultravioleta e azul e com isso emitir luz vermelha. A ideia é
aplicar esse material sobre plantas e observar se ocorrere alguma alteração
nos mecanismos de fotossíntese da planta. Isso porque para realizar o
processo fotossintético a planta utiliza a luz azul e a vermelha. Embora esta
parceria se distancie das duas primeiras cujo os objetivos são a utilização de
ZnGa2O4:0.1%Cr3+ para fins farmacêuticos, ela abre um novo campo de
estudos bastante interessante.
A Tabela 3 apresenta um resumo das atividades inicialmente propostas no
projeto. Em verde foram marcadas as atividades realizadas, em amarelo as
atividades que estão em seu início e em vermelho as atividades ainda não
realizadas. A etapa “Funcionalização da superfície” aparece em amarelo
porque os primeiros testes na tentativa de modificar a superfície
ZnGa2O4:0.1%Cr3+ já estão sendo realizados tanto pela Profa. Dra. Leila A.
Chiavacci como pela Dra. Eloísa Berbel Manaia. Os Links para os Currículos
Lattes das pessoas envolvidas nos projetos parceiros:
Profa. Dra. Leila A. Chiavacci
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4791977D5
Prof. Dr. Hudson Wallace Pereira de Carvalho
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4745172T0
Dra. Eloísa Berbel Manaia
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4250986H4
Tabela 3 - Cronograma de atividades.
Atividades Bimestre
1° 2° 3° 4° 5° 6°
Revisão bibliográfica X X X X X X
Preparação de nanopartículas
de ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr X X
Caracterização de nanopartículas
De ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr X X X
Funcionalização da superfície X X X
Caracterização de superfície X X X
Tratamento de dados X X X X X
Redação de relatório X
Redação de artigos X X X
* Este cronograma é para a execução de 1 ano de projeto.
**Execução das atividades: X realizadas X início X não realizada
2 - PROPOSTA DE PESQUISA PRÓXIMO PERÍODO (2018)
2.1 – Revisão da literatura
Os resultados obtidos até este momento mostram que o ZnGa2O4:Cr3+
sintetizado neste projeto, através de uma nova metodologia de síntese,
apresenta um potencial de aplicação como material teranóstico. Estes
componentes unem duas aplicações num único sistema, as terapêuticas,
graças à vetorização de um princípio ativo e as diagnósticas, graças à imagem,
o que permite realizar o diagnóstico, a administração de medicamentos e o
monitoramento da resposta ao tratamento em um mesmo momento. Dessa
forma é possível que um agente terapêutico seja direcionado unicamente
contra células doentes e não contra todas as células do organismo [22].
Alguns dos materiais utilizados para produzir sistemas teranósticos
funcionando como suporte e transportador de medicamentos e/ou agentes de
contrastes para imagens são listados a seguir e esquematizados na Figura 6,
adaptada da referência [32]:
a) nanopartículas poliméricas são matrizes poliméricas sólidas.
b) lipossomas são vesículas formadas a partir de uma bicamada de fosfolípidos
imitando a estrutura uma de membrana celular.
c) nanopartículas lipídicas e as nanoemulsões normalmente contêm uma fase
de óleo interna cercada por tensoativos.
d) micelas são associadas supramoleculares de surfactantes formando um
núcleo lipofílico interno.
e) ciclodextrinas são oligossacarídeos cíclicos com uma cavidade lipofílica
interna para “hospedagem” da droga.
f) dendrímeros são moléculas ramificadas que geralmente apresentam a
pequena molécula de fármaco associada em suas extremidades.
g) nanotubos de carbono.
h) nanopartículas inorgânicas, como nanopartículas de ouro.
Embora o aprisionamento de medicamentos e outros materiais possa ser
alcançado por encapsulação nos nanotransportadores de a)-e), é possível a
associação em nanotubos carbono e partículas inorgânicas por adsorção e em
dendrímeros através de ligações químicas.
Figura 6 - Estruturas esquemáticas dos materiais usualmente utilizados como
teranósticos: (a) nanopartículas poliméricas, (b) Lipossomas, (c) nanopartículas
lipídicas e nanoemulsões, (d) micelas, (e) ciclodextrinas, (f) dendrímeros, (g)
nanotubos de carbono, (h) nanopartículas de ouro [32]
Uma das limitações desses nanotransportadores é a sua capacidade de
transporte bastante baixa, portanto, um desafio a ser solucionado.
Nanotransportadores modificam as interações com o meio biológico, podendo
assim melhorar a eficácia e reduzir os efeitos colaterais de medicamentos,
facilitar a distribuição a um sítio-alvo e aumentar seu índice terapêutico [33].
Apesar dos esforços continua a ser um desafio produzir nanopartículas
luminescentes com um elevado rendimento quântico, biocompatíveis, baixa
toxicidade, com tamanho apropriado (entre 5 e 50 nm) e ao mesmo tempo com
longos tempos de circulação sanguínea [22].
O grande trunfo de ZnGa2O4:Cr3+ é a possibilidade de fixar o comprimento de
onda da emissão dentro do infra-vermelho próximo pelo ajuste da sua
composição e do seu tamanho. Na verdade, a absorção dos tecidos biológicos
é mínima dentro da região do infra-vermelho próximo (650-900nm). Todo o
detalhamento teórico da importância da emissão nessa região do espectro
eletromagnético está descrito no projeto original.
Recentemente foi apresentado um sistema híbrido formado por um core-shell
entre galato de zinco (core) e sílica mesoporosa (shell) que apresenta
biocompatibilidade. O fármaco doxorrubicina, medicamento quimioterápico,
foi utilizado como molécula modelo nos testes de transporte e liberação.
Esse tipo de sistema é considerado uma nova geração de nanopartículas
multifuncionais que possuem a capacidade de servir de material teranóstico
para aplicações in vivo. O material se mostrou eficiente tanto no transporte e
liberação de fármacos como para o teste de citotoxicidade contra células
U87MG. Além dos fins terapêuticos, o núcleo (core) apresenta luminescência
persistente no infra-vermelho próximo, o que permite sua detecção através dos
tecidos in vivo. Isso permite que o material seja monitorado,fornecendo
valiosas informações sobre a localização da área na qual o medicamento está
sendo liberado [34].
Outra estratégia utilizada por este mesmo grupo é a funcionalização de
ZnGa2O4:Cr3+ com Polietileno Glicol e Fosfanato (PEG-PO). PO oferece a
estabilização das nanopartículas devido à sua afinidade a superfícies metálicas
e PEG promove a biodistribuição das partículas quando estas são utilizadas
para testes in vivo [21]
Estes avanços destacam não só a versatilidades destes materiais com
luminescência persistentes como também dá acesso a um grande campo de
pesquisa em aplicações biomédicas no campo de terapia e diagnósticos [9].
2.2 - JUSTIFICATIVA
O bolsista trabalhou no desenvolvimento de ZnGa2O4 e ZnGa2O4 dopadas com
Cr3+. Os resultados obtidos até aqui são promissores, pois tratam de um tema
que está na ordem do dia das principais revistas científicas do mundo,
relacionadas a ciência dos materiais. O projeto continuará sendo desenvolvido
sobre a supervisão professora doutora Marcia C. A. Fantini com ampla
experiência em ciência dos materiais e com sílica mesoporosa para a produção
de vacinas orais, além de contar com a infraestrutura do Laboratório de
Cristalografia do Instituto de Física da USP/SP. Vários trabalhos foram
publicados e patentes internacionais foram concedidas, em colaboração com o
Instituto Butantan, neste tema de pesquisa [35-41]
Sílica mesoporosa tem atraído grande interesse para liberação de fármacos
nos últimos tempos devido às suas propiedades únicas que incluem estrutura
mesoporosa estável, alta área de superfície específica, possibilidade de
modificação de superfície e excelente biocompatibilidade [42].
2.3 - OBJETIVOS
Os objetivos gerais desse projeto estão voltados à síntese e caracterização de
nanopartículas com luminescência persistente para aplicação como
marcadores para biomagem. Além disso, espera-se realizar a funcionalização
da superfície de forma que ele possa ser utilizado em sistemas teranósticos.
Objetivos Específicos:
*Sintetizar nanopartículas baseadas em ZnGa2O4 dopadas com Cr3+.
*Caracterizar as nanopartículas quanto à estrutura cristalina e à
morfologia.
*Funcionalizar a superfície das nanopartículas com sílica mesoporosade
modo que sejam aptas a serem utilizadas in vivo para testes de bioimagem.
* Caracterizar o sistema sílica mesoporosa/galato de zinco.
2.4 – METODOLOGIA
A síntese de nanopartículas de ZnGa2O4 dopadas com Cr3+ será realizada
através do método sol-gel. Para funcionalização da superfície serão utilizadas
sílicas mesoporosas ordenadas (SMO). As caracterizações serão feitas quanto
à estrutura, morfologia e propriedades ópticas, através das seguintes técnicas:
- Difração de Raios X: será utilizada para estudos quanto à formação das fases cristalinas.
- Análise Térmica Simultânea (TG-DTA): permitirá determinar a natureza dos
eventos térmicos sofridos durante tratamentos com temperaturas elevadas.
- Fotoluminescência: será utilizada com o objetivo de identificar as principais
transições ópticas quando o material é excitado com radiação ultravioleta e
visível.
- Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectrometria de Energia
Dispersiva de Raios X (MEV-EDX): será utilizada para estudar morfologia e
composição química das amostras.
- Isotermas de adsorção: caracterização textural e análises de área de
superfície.
- Espalhamento de Raios X a baixo angulo (SAXS): será utilizado para
analisar a morfologia e porosidade do material.
- Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS): será empregada com o
objetivo de estudar o ambiente químico do Ga3+ e as alterações provocadas
pelo Cr3+.
- Espectroscopia de Infravermelho: aplicada para investigar a composição
das amostras.
2.5 - CRONOGRAMA DE EXECUCÃO
As atividades previstas para serem realizadas neste projeto de pesquisa estão
descritas na Tabela 4, que apresenta o cronograma de execução.
Tabela 4. Cronograma de atividades para 2018.
Atividades Bimestre
1° 2° 3° 4° 5° 6°
Revisão bibliográfica X X X X X X
Preparação de nanopartículas
de ZnGa2O4:Cr X X X X
Caracterização de nanopartículas
ZnGa2O4:Cr X X X X
Funcionalização da superfície com SMO X X X X
Caracterização de superfície X X X X
Tratamento de dados X X X X X X
Redação de relatório X
Redação de artigos X X X
* Este cronograma é para 1 ano de projeto.
2.6 - CONSIDERAÇOES FINAIS
O desenvolvimento do projeto será realizado no Laboratório de Cristalografia
do Instituto de Física da USP/SP, onde existe toda a infraestrutura para síntese
dos materiais em estudo. Na USP há laboratórios que possuem equipamentos
relacionados às técnicas experimentais que permitem as caracterizações das
propriedades óticas, elétricas e luminescentes, bem como suas características
morfológicas e estruturais, sob supervisão da Profa. Dra. Marcia A. C. Fantini.
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