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Universidade Federal de São João del-Rei Coordenadoria do Curso de Química
Potencialidades das nanopartículas contendo íons terras raras para aplicações como
biomarcadores fotoluminescentes
Daiane Helena Silva Reis
São João del-Rei – 2015
Potencialidades das nanopartículas contendo íons terras raras para aplicações como
biomarcadores fotoluminescentes
Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso, apresentada no 2° semestre do ano de 2015 ao Curso de Química, Grau Acadêmico Bacharelado, da Universidade Federal de São João del-Rei, como requisito parcial para obtenção do título Bacharel em Química. Autor: Daiane Helena Silva Reis Docente Orientador: Profª. Drª. Luciana Guimarães – Co-Orientador: Prof. Dr. Jefferson L. Ferrari Modalidade do Trabalho: Revisão Bibliográfica
São João del-Rei – 2015
RESUMO:
A nanotecnologia é um dos seguimentos em pesquisade mais rápido crescimento
nas últimas décadas e tornou-se uma área essencial para muitas aplicações biológicas.
Diante disso, as pesquisas tem se direcionado para o desenvolvimento de nanopartículas
biocompátiveis e com baixa toxidade para o uso de biomarcadores. Os biomarcadores são
indicadores que sinalizam alguma eventualidade em sistemas biológicos, sendo explorados
para marcar o alvo com estruturas químicas específicas e, assim, gerar sinais de
fluorescência durante a bioimagem. Os materiais fluorescentes para aplicações biológicas
devem, idealmente, satisfazerem algumas condições, como luz de excitação contínua,
compatibilidade com água, resistência a fotodegradação, alta intensidade de fluorescência e
tempo de vida de estado excitado longo (da ordem de ms). Portanto, as nanopartículas
inorgânicas fluorescentes contendo terras raras têm surgido como uma alternativa para
biomarcadores, devido às suas propriedades ópticas que superam as limitações dos
biomarcadores convencionais contendo corantes orgânicos, pontos quânticos e proteínas
fluorescentes. Em particular, as nanopartículas com conversão ascendente (UCNPs),
contendo íons terras raras (TR3+), foram consideradas candidatas promissoras para
aplicações biológicas, devido às suas excelentes características químicas e ópticas, e
excitação em uma faixa do espectroeletromagnético que possibilita uma profundidade de
penetração da luz nos tecidos biológicos. Nesta revisão, o desenvolvimento de
biomarcadores, bem como a avaliação e validação para sua utilização são descritos. Os
tipos de biomarcadores existentes, em especial os biomarcadores contendo os íons terras
raras, são abordados, destacando-se as propriedades destes íons para aplicação como
biomarcadores.
SUMÁRIO
1.0 INTRODUÇÃO pág. 1
2.0 BIOMARCADORES pág. 3
2.1 Definição pág. 3
2.2 Uso dos Biomarcadores pág. 4
2.3 Avaliação e Validação dos Biomarcadores pág. 4
2.4 Tipos de Biomarcadores pág. 6
3.0 NANOESTRUTURAS ORGÂNICAS FLUORESCENTES pág. 8
3.1 Nanopartículas Poliméricas dopadas com Corante pág. 8
4.0 NANOESTRUTURAS INORGÂNICAS FLUORESCENTES pág. 10
4.1 Terras Raras e suas propriedades gerais e espectroscópicas pág. 10
4.2 Processo de Luminescência pág. 13
4.3 Nanopartículas de conversão ascendente de energia (Up-conversion) pág. 17
4.4
4.5
Composição característica de nanopartículas luminescentes (UCNPs)
Aplicações das nanopartículas contendo íons terras raras
pág. 19
pág. 20
5.0 CONSIDERAÇÕES FINAIS pág. 21
6.0 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS pág. 23
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas devido ao surgimento e o rápido crescimento da nanociência e
da nanotecnologia, tem havido um grande interesse no desenvolvimento de nanopartículas
biocompatíveis para aplicações biológicas1,2. Desta forma, o uso de nanopartículas como
biomarcadores, , tem sido um grande avanço no desenvolvimento de técnicas mais
sensíveis na detecção de agentes químicos e biológicos3. Os biomarcadores são definidos
como indicadores que sinalizam alguma eventualidade em sistemas biológicos. Estes são
componentes celulares, estruturais e bioquímicos, que podem definir alterações celulares e
moleculares tanto em células normais quanto aquelas tumorais. Os biomarcadores podem
ser medidos quantitativamente e avaliados por meio de métodos bioquímicos, imunológicos
e moleculares nos fluidos ou nos tecidos corporais4,5. Na prática, eles incluem ferramentas e
tecnologias que podem auxiliar na compreensão da predição, causa, diagnóstico,
progressão, regressão, ou no resultado do tratamento de uma doença6. O sistema de
detecção pelo uso de biomarcadores se baseia no sucesso de duas etapas fundamentais,
sendo elas: (i) a funcionalização do biomarcador de modo a torná-lo específico; (ii) a forma
como ele irá marcar o alvo ativo e transmitir o sinal dessa marcação7.
Atualmente, os biomarcadores fluorescentes têm sido bastante estudados, devido
suas vantagens como sensibilidade, estabilidade, alta seletividade, melhorando assim a
qualidade de resolução das imagens geradas durante a análise biológica (bioimagem). Além
disso, esses biomarcadores são explorados para marcar o alvo com estruturas químicas
específicas e, assim, gerar sinais de fluorescência durante a aplicação da bioimagem. A
bioimagem é uma técnica importante usada na pesquisa biológica, porque oferece uma
abordagem única para visualizar os detalhes morfológicos das células8,9. Dentre os
biomarcadores fluorescentes, incluem as proteínas fluorescentes, corantes orgânicos,
complexos metálicos, semicondutores, nanocristais que apresentam o fenômeno de
conversão ascendente e nanofósforos8,10. Apesar dos recentes avanços tecnológicos, ainda
existe um número relativamente baixo de biomarcadores de rotina no uso clínico4. O grande
número de biomoléculas que são inicialmente consideradas como potenciais candidatas
para aplicação como biomarcadores são avaliadas por critérios de validação sobre a sua
especificidade e sensibilidade. Além disso, devem passar pela a aprovação da FDA (Food
and Drug Administration), que é o órgão governamental dos Estados Unidos da América
responsável por proteger a saúde pública, garatindo a segurança, eficácia e controle dos
medicamentos humanos e veterinários, produtos biológicos, dispositivos médicos, alimentos
para consumo humano e animal, suplementos alimentares e cosméticos. Em 2011, dos
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7.720 artigos publicados sobre o uso de biomarcadores, apenas 407 deles foram
patenteados, sendo que estes 407 não foram aprovados pelo FDA.11
Os materiais com propriedades fluorescentes devem satisfazer alguns requisitos
para serem utilizados em aplicações biológicas, como: luz de excitação ampla e contínua,
boa compatiblidade com água, alta resistência à fotodegradação, alta intensidade da
fluorescência com tempo de vida longo, elevado rendimento quântico de fluorescência
molar9. Além disso, para garantir a eficácia destes biomarcadores, eles devem
apresentaralta estabilidade coloidal, biocompatibilidade, baixa toxicidade, possuir grupos
funcionais desejáveis para a conjugação com biomoléculas específicas1,12,13, bandas de
excitação e emissão na região espectral no infravermelho próximo (NIR), especialmente na
região da “janela biológica”3,14-19. Diante destas características desejáveis para
biomarcadores, pesquisadores têm se direcionado no desenvolvimento de nanopartículas
não tóxicas ou biodegradáveis, com alta estabilidade química e fotoestabilidade, e emissão
na região do visível, e boa biocompatibilidade20.
Durante décadas a detecção de imagens celulares in vitro foi obtida utilizando a
marcação fluorescente por moléculas de corante21. No entanto, as propriedades físico-
químicas destes marcadores a base de corantes, possuem perfis de emissão com bandas
largas e pequeno deslocamento de Stokes. O deslocamento de Stokes é a diferença do
comprimento de onda entre as posições do máximo dos espectros de excitação e emissão,.
Pelo fato dos espectros de emissão dos corantes apresentarem uma banda larga, ocorre a
sobreposição de espectros, limitando a utilização de vários corantes para marcar diferentes
biomoléculas ou secções de células22-24. A fotoestabilidade destes materiais luminescentes,
conhecidos como fósforos, não prevê a monitorização de imagem a longo prazo21,
fotoluminescência com vida curta25, fotodegradação26, autofluorescência, fototoxicidade.
Além disso, a profundidade de penetração da radiação de excitação e emissão para dentro
do tecido biológico é limitada, devido os espectros de absorção e emissão dos corantes
convencionais, terem comprimentos de onda fora da região da “janela biológica”27. As
limitações dos corantes orgânicos implicam a necessidade de desenvolvimento de materiais
fotoluminescentes alternativos que possam ser utilizados na nova geração de
biomarcadores. Deste modo, vem sendo desenvolvidos biomarcadores fluorescentes, cujas
emissões são ativadas por dopagem com íons de terras raras (TR3+)25.
A aplicação de nanopartículas contendo TR3+, como biomarcadores fluorescentes,
tem sido amplamente utilizados em ambientes biológicos, devido suas propriedades e
características excelentes e desejáveis para aplicação como biomarcadores, em
comparação com os corantes orgânicos9,28,29. Essas nanopartículas contendo TR3+podem
ser resumidas em três tipos de acordo com as suas estruturas como: (i) nanopartículas
poliméricas de coordenação; (ii) complexo conjugado de nanopartículas, e (iii)
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nanopartículas com conversão ascendente (UCNPs) dopadas com TR3+30. Dentre estas, as
nanopartículas com conversão ascendente (UCNPs) dopadas com TR3+ têm um grande
potencial para se tornar uma nova geração de marcadores fotoluminescentes biológicos,
devido às suas excelentes características químicas e ópticas, como baixa toxicidade20,31,
emissões monocromáticas e estreitas, luminescência com tempo de vida de estado excitado
longo (ms)32-34, alta estabilidade química26,35, resistência à fotodegradação27,36, região de
excitação exatamente na janela biológica, permitindo assim uma maior profundidade da
radiação no sistema, melhorando a intensidade da fotoluminescência gerada, 37-39, grande
deslocamento Stokes e / ou anti-Stokes 12,28,30,40,41.
Em particular, o fenômeno da conversão ascendente (up-conversion) de energia
(UCL) em nanopartículas dopadas com TR3+ é um processo pelo qual, uma radiação
contínua (CW) de baixa energia na região do infravermelho próximo (NIR) (tipicamente 980
nm) promove a excitação de elétrons do sistema, havendo absorção de fótons múltiplos ou
transferência de energia entre os TR3+ envolvidos30,42. Tal mecanismo de luminescência
exclui os marcadores fluorescentes convencionais e substâncias fluorescentes endógenos.
Assim a imagem UCL torna uma ferramenta única de visualização sem autofluorescência de
amostras biológicas26,43.
Dentro deste contexto, esta revisão descreve o recente desenvolvimento de sondas
fotouminescentes contendo TR3+ para aplicação como biomarcadores.
2. BIOMARCADORES
2.1 Definição
Um biomarcador é uma substância que é introduzida no organismo com o intuído de
analisar a função de um órgão ou outros aspectos de saúde. Estes biomarcadores muitas
vezes são capazes de detectar anticorpos em uma meio biológico, que indique um estado
de uma doença em particular, e até mesmo uma infecção. Ele pode ser utilizado como um
indicador de um determinado estado de uma doença ou algum outro estado fisiológico de
um organismo. Os biomarcadores exibem um aumento na precisão do diagnóstico para a
caracterização mais exata de uma doença em um nível de diagnóstico ou prognóstico. Os
biomarcadores podem definir alterações celulares e moleculares tanto em células normais
quanto àquelas associadas a uma transformação maligna e podem ser usados para vários
propósitos, dependendo da finalidade do estudo de seu uso, podendo ser fotoluminescentes
ou não6,26.
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Em 1990, biomarcadores foram definidos por Hulka como uma substância que
permite detectar as “alterações bioquímicas celulares ou moleculares que são mensuráveis
em meios biológicos, tais como nos tecidos humanos, células, ou fluidos”. Na prática, os
biomarcadores incluem ferramentas e tecnologias que podem auxiliar na compreensão da
predição, causa, diagnóstico, progressão, regressão, ou no resultado do tratamento de
doenças.44,45
2.2 Uso dos biomarcadores
A utilização de biomarcadores tem uma grande importância, devido seu poder de
qualificar e quantificar uma exposição química a agentes nocivos à saúde, seus efeitos e a
suscetibilidade desses efeitos em um indivíduo exposto. Porém, quando se pretende utilizar
um biomarcador, alguns requisitos devem ser levados em consideração, como por exemplo,
devem ser fáceis de serem detectados por técnicas de análise, como exemplo a bioimagem,
apresentar alta precisão no diagnóstico e sua utilização deve ser minimamente invasiva no
meio biológico45.
A detecção de biomoléculas é essencial para muitas aplicações em biomedicina, biologia
celular e molecular, in vitro ou em células e organismos vivos. Porém, essas aplicações
muitas vezes são limitadas, quando os biomarcadores não fluorescentes são utilizados, visto
que suas propriedades ópticas são restritas nas aplicações em bioimagem. A imagem
biológica (bioimagem) é uma ferramenta poderosa, devido sua abordagem única para
visualizar os detalhes morfológicos das células. Logo, o desenvolvimento de biomarcadores
para melhorar a eficiência de detecção tornou-se assim essencial. Nesse sentido, a fim de
melhorar a sensibilidade dos dispositivos analíticos, pesquisas são desenvolvidas com o
intuito de auxiliar no desenvolvimento de biomarcadores fluorescentes, para aplicação em
bioimagem, devido esta técnica possuir superioridades inerentes, como alta sensibilidade,
alta seletividade, caráter não-destrutivo, entre outras8,46.
2.3 Avaliação e validação dos biomarcadores
Ao longo dos últimos vinte anos, os biomarcadores mostraram promessa significativa
no mecanismo de como tornar mais acessível e viável o tratamento de um paciente. Porém,
há relativamente uma pequena quantidade de biomarcadores que estão em uso clínico.
Diante disso, foi desenvolvido pelo Instituto Nacional do Câncer, um diagrama para a
avaliação e validação de biomarcadores, definido como "Rede de Pesquisa de Detecção
Precoce (EDRN)", apresentado na Figura 1. Este diagrama mostra as cinco fases para o
desenvolvimento e para a utilização de biomarcadores. As biomoléculas que são
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consideradas potenciais para tal uso, após ser avaliadas nas cinco fases, passam pela
aprovação da FDA (Food and Drug Administration)4,11.
Figura 1: Fases do desenvolvimento de biomarcadores para a detecção de câncer desenvolvido pelo
Instituto Nacional do Câncer. Figura adaptada na referência 11.
De acordo com o diagrama apresentado na Figura 1, a fase 1 é a classificação e a
seleção dos biomarcadores a partir de suas características, sendo esta uma fase importante
para designar a aplicação do biomarcador. Já na fase 2, é estabelecido o uso clínico
pretendido do biomarcador. Nesta fase o biomarcador é analisado, verificando a validade,
portabilidade e reprodutibilidade em várias amostras de vários laboratórios e clínicas. A
sensibilidade e a especificidade determinada durante esta fase avalia a qualidade do
biomarcador, designado para uso clínico. Na fase 3, é avaliada a sensibilidade e a
especificidade do biomarcador em várias outras doenças, para verificar seu potencial de
prevenir a ocorrência da doença. Após passar por essas três fases o biomarcador já é
considerado como um potencial para uso clínico, sendo assim avaliado na fase 4. Nesta
fase, a sensibilidade e especificidade são determinadas, avaliando a extensão e as
características da doença no momento da detecção. Este processo avalia os recursos de
diagnóstico do biomarcador, por exemplo, a definição, o estágio, o grau e o tipo de
tumor. Na fase 5, os benefícios globais e os riscos de realizar o novo teste de diagnóstico do
biomarcador em uma população rastreada e controlada são analisados11.
Em 2011, havia 7.720 publicações sobre o uso de biomarcadores, mas apenas 407
deles foram realmente patenteados7. A partir desses 407 biomarcadores patenteados,
nenhum deles foram aprovados pela FDA. Este fato reflete como muitos estudos relatam a
descoberta de diferentes biomarcadores potenciais, mas a maioria deles não cumprem os
critérios de alta sensibilidade e especificidade, necessárias para entrar no ambiente clínico.
Além disso, há uma escassez de amostras para os estudos de validação, sendo este um
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obstáculo que impede a aprovação de biomarcadores. Em conclusão, a padronização de
quantificação para a qualidade e a validação de um candidato a ser aplicado como
biomarcador precisa ser urgentemente melhorado para diminuir os recursos econômicos
excessivos para a aprovação de novos biomarcadores11. De fato, é necessário que exista
uma severa avaliação destesbiomarcadores, pois após sua aprovação, serão aplicados em
meio biológico, e inseridos in vivo. O fato dos biomarcadores serem reprovados devido a
ausência de amostras para os estudos de validação e os altos custos para a aprovação
destes marcadores, novos testes necessitam ser realizados de modo a avaliar as
potencialidades de novos materiais para essas aplicações.
2.4 Tipos de biomarcadores
Diante da necessidade de novos biomarcadores com maior eficiência para aplicação
em bioimagem, marcadores fluorescentes são os mais explorados, devido suas vantagens
como sensibilidade, estabilidade e capacidade de multiplexação de sinal. As nanoestruturas
fluorescentes (NFs) que são mais exploradas para aplicação em bioimagem incluem as
proteínas fluorescentes, corantes orgânicos, complexos de metais, semicondutores,
nanocristais de conversão ascendente e nanofósforos47. De acordo com a composição e
estrutura da nanopartícula, as NFs são classificadas, conforme a Figura 2. Com base na
classificação de NFs os mecanismos de fluorescência e propriedades ópticas são
dependentes do tamanho da nanopartícula, e dos métodos de preparação8.
Figura 2: Classificação das nanostruturas fluorescentes (NFs) com base em suas composições
químicas e estruturais diferentes. Figura adaptada da referência 8.
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Materiais fluorescentes para aplicações clínicas devem, idealmente, satisfazerem os
seguintes requisitos: (I) uma luz de excitação contínua e ampla; (II) compatibilidade em
água; (III) alta resistência à fotodegradação; (IV) alta intensidade da fluorescência e à
estabilidade; (V) tempo de vida de estado excitado longo (ms); e (VI) elevado rendimento
quântico de fluorescência molar; (VII) região de excitação na janela biológica permitindo alta
profuncidade de penetração da excitação4,9. Este último requisito é muito importante, uma
vez que a “janela biológica”, conhecida também como janela óptica, foi definida a partir do
espectro de absorção das moléculas presentes nos tecidos, como hemoglobina, mioglobina,
melanina e citocromos, conforme a Figura 3. O perfil de absorção dessas moléculas é
limitado a região do vermelho visível ao infravermelho próximo, aproximadamente em 600
nm < λ < 1000 nm. No tecido humano, os comprimentos de onda menores da região visível
do espectroeletromagnéticosão quase totalmente absorvidos pela melanina da pele. Já no
infravermelho, a radiação eletromagnéticas atravessam a pele e são significativamente
absorvidas pela água (~ 1200 nm), por estas razões, existe a chamada “janela óptica”.
Portanto, nesta região, há baixa absorção de luz no tecido, desta forma a luz consegue
penetrar de alguns milímetros a alguns centímetros no tecido, o que permite aos estudos de
espectroscopia óptica no infravermelho próximo inferir diversos dados sobre a região do
tecido estudado15-19.
Figura 3: Espectro de absorção de algumas moléculas presentes nos tecidos biológico 48
.
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3. NANOESTRUTURAS ORGÂNICAS FLUORESCENTES
3.1 Nanopartículas poliméricas dopadas com corante
A primeira classe de nanoestruturas fluorescentes utilizadas como biomarcadores
são constituídas por moléculas orgânicas, como exemplo a isotiocianato de fluoresceína
(FITC), as rodaminas, dentre outras. As principais limitações, desta primeira classe de
nanoestruturas fluorescentes utilizadas como biomarcadores estão associadas à sua baixa
fotoestabilidade. Por outro lado, apenas um número restrito de moléculas orgânicas
luminescentes podem ser ligadas às biomoléculas sem interferir em seu funcionamento no
sistema biológico. Para aumentar o número de centros fotouminescentes ligados a essas
moléculas orgânicas, tem-se procurado associá-las a partículas de polímeros ou de sílica,
como observado na Figura 4. Os corantes são ligados à superfície da nanopartícula ou
incorporados em seu interior49, para atingir a fluorescência e serem mais estáveis. Assim,
nanopartículas poliméricas (NPs) dopadas com corante são esferas poliméricas reticuladas
em que os corantes fluorescentes são ligados covalentemente ou fisicamente aprisionadas.
Estas nanoestruturas fluorescentes são sintetizadas a partir da copolimerização de
monómeros fluorescentes com outros monómeros funcionais50-53 ou o encapsulamento de
corante orgânico fluorescente no interior da molécula ou sobre a matriz 54,55.
Figura 4: Duas estratégias em relação à nanopartículas poliméricas fluorescentes: (a) polimerização
de monómeros fluorescentes; (b) encapsulamento de fosfóros (material fluorescente) dentro ou
anexando (ligação) fósforos sobre as nanopartículas poliméricas. Figura adaptada da referência 8.
No entanto, são necessários grupos funcionais especiais para a integração entre a
NP e centro fotoluminescente (corante). Essa interação é muito importante, pois sem a
ligação covalente entre o centro fotoluminescentee a matriz polimérica, as moléculas de
corante podem ser dissociadas das partículas ao longo do tempo, o que diminui o brilho da
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9
emissão. Comopode ser observado, a Figura 5 (a) e (b), faz a comparação da fluorescência
e da estabilidade entre as nanopartículas dopadas com corante e apenas a molécula de
corante dissociada8. Certamente, estas NFs podem expor os materiais fluorescentes em
ambiente externo, provocando a oxidação destes centros fotoluminescentes ou
fotodegradação, assim, a sua fotoestabilidade não poderia ser melhorada8. Além disso,
outras desvantagens como fotobranqueamento, banda de emissão larga, pequeno
deslocamento Stokes decorrente da sobreposição dos espectros de excitação e de
emissão22,56, tempo de vida de luminescência curto4, alta fotodegradação e fototoxicidade26,
podem ocorrer. Outro ponto que deve ser considerado é que a profundidade de penetração
da radiação de excitação e a emissão visível para dentro do tecido biológico são limitadas,
devido os comprimentos de onda de absorção e emissão destes materiais não atingirem a
“janela biológica”. Essa é outra desvantagem no que diz respeito a sua aplicação in vivo
para aplicação em bioimagem27.
Figura 5: O processo de marcação específica e a comparação da intensidade de fluorescência (a)
entre uma única molécula de corante e nanopartículas poliméricas dopadas com corante, e (b)
estimativa da estabilidades in vivo. Figura adaptada da referência 8.
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4. NANOESTRUTURAS INORGÂNICAS FLUORESCENTES
A busca por novos biomarcadores com alta sensibilidade óptica, seletividade, não
tóxicos e biocompatíveis, e que supera as limitações dos marcadores convencionais, levou o
desenvolvimento de marcadores luminescentes inorgânicos contendo TR3+, nos últimos 10
anos, como alternativa para tal aplicação, devido às suas propriedades ópticas promissoras
para aplicações biológicas.1,26,46,57-61
As propriedades atrativas de nanopartículas contendoTR3+ incluem, bandas de
emissão extremamente estreitas30,33, grande deslocamento Stokes e/ou anti-Stokes, o que
evita a auto-absorção do ligante e redução dos sinais espontâneos, boa intensidade de
fotoluminescência com longo tempo de vida de estado excitado (ms). O tempo de vida de
estado excitado longo é extremamente vantajoso. Em sistemas convencionais de
biomarcadores à base de moléculas orgânicas, o espaço de tempo de excitação até a
emissão de fotoluminescência, ocorrem os efeitos de espalhamento de luz e de
fluorescência de fundo, que muitas vezes acabam sobrepondo a emissão do biomarcador,
diminuindo assim a resolução da bioimagem62-64. O fato do biomarcador apresentar um
tempo de vida de estado excitado longo, possibilita que após a excitação, todas as
moléculas do meio biológico emitem, e na sequência o biomarcador de tempo de vida longo,
promove a fotoluminescência monocromática, melhorando a qualidade da bioimagem. Além
disso, sistemas como esse, promovealta fotoestabilidade30,46,65, biocompatibilidade30, baixa
fotodegradação, baixa toxicidade, e alta estabilidade química36.
Várias nanopartículas à base de TR3+ têm sido relatadas como marcadores
luminescentes para moléculas biológicas, que podem ser resumidas em três tipos de acordo
com as suas estruturas: (i) nanopartículas poliméricas coordenadas aos TR3+ 66, (ii)
nanopartículas conjugado com complexo de TR3+ 30 e (iii) nanopartículas de conversão
ascendente dopado com TR3+ 67. Diferentes mecanismos dependentes de estruturas dos
marcadores são utilizados para a síntese destes três tipos de biomarcadores
fotoluminescentes à base de nanopartículas de TR3+.
4.1. Terras raras e suas propriedades gerais e espectroscópicas
Os terras raras, para os quais se utiliza o símbolo TR, correspondem aos elementos
do lantânio (La, Z = 57) ao lutécio (Lu, Z = 71), entre os quais se incluem o ítrio (Y, Z = 39) e
o escândio (Sc, Z = 21). Mas, segundo recomendações da IUPAC (International Union of
Pure and Applied Chemistry), usam-se os termos lantanídeos para designar os elementos
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do La ao Lu e terras raras quando aos lantanídeos são incluídos o Sc e o Y, como pode-se
observar na Figura 668.
Figura 6: Tabela periódica destacando a localização dos terras raras
69.
Os terras raras, apesar de sua denominação sugestiva, não são terras e nem raros,
pois estão distribuídos em toda a crosta terrestre, como por exemplo, o túlio e lutécio, os
quais são os terras raras menos abundantes, são mais encontrados na crosta terrestre que
a prata e o bismuto68. Devido ao número grande de reservas, existe grandes interesses no
valor potencial nos depósitos das terras raras e no desenvolvimento de projetos para sua
utilização no fornecimento de tecnologia. De acordo com dados da TMR (Pesquisa de
metais de tecnologia), existem 58 recursos minerais de terras raras, associados com 53
projetos avançados em 49 empresas, localizadas em 35 regiões de 16 países70. Os TR
receberam esta denominação porque foram inicialmente encontrados na forma de óxidos,
que se assemelham aos materiais conhecidos como terras. Os elementos terras raras
ocorrem como constituintes de mais de cem diferentes minerais. Por constituírem uma
família que apresenta propriedades físicas e químicas semelhantes, têm-se dificuldade em
separá-los e obtê-los como espécies relativamente puras, devidos as suas similaridades
químicas e físicas. O primeiro elemento TR, o Cério, foi descoberto em 1751 pelo
mineralogista suíço A. F. Cronstedt. Este grupo de elementos foi pouco explorado durante
muitos anos, pelo fato do mineral encontrado ter sido confundido com cálcio, por apresentar
características avermelhadas e ser denso. Somente em 1907 o último TR (o Lutécio) foi
isolado e assim os terras raras naturais foram conhecidos71.
As características espectroscópicas e magnéticas peculiares dos elementos terras
raras os tornam eficientes em várias aplicações72. As propriedades químicas e físicas dos
terras raras são muito semelhantes pelo fato dos elétrons destes elementos serem
distribuídos nos orbitais f. Todos os átomos neutros possuem configuração eletrônica em
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comum 6s2 e número de elétrons variáveis nos orbitais f. Como o raio médio dos orbitais 4f
são menores que dos orbitais 5d e 6s, a designação de transição interna f-f é usada para
esses elementos. Já para os TR3+observa-se um aumento crescente na configuração 4fn (n
= 1 - 14)1.
Dentre esses elementos, apenas o escândio e o ítrio não derivam da configuração do
gás nobre Xenônio (Xe). Os demais elementos possuem a configuração base do Xe seguida
do preenchimento sequencial da camada 4f, resumida por [Xe] 4fn 5s2 5p6 5d0-1 6s2. Por meio
desta configuração, observa-se que os orbitais 4f são protegidos do ambiente químico, uma
vez que estão localizados mais internamente, protegidos pelos elétrons dos orbitais 5s e 5p
e ainda 5d, 6s, provocando blindagem aos orbitais f. Assim, os orbitais que participam das
ligações químicas do elemento, são os orbitais externos 5d e 6s, e os elétrons nos orbitais
4fn, tem uma fraca interação com os ligantes e efetivamente não sofrem influência do
ambiente químico ao seu redor68. O efeito de blindagem observado nesses elementos faz
com que as bandas de emissão e de absorção sejam extremamente finas e bem definidas,
tornando-se uma das maiores vantagens da utilização de terras raras em materiais que
necessitam de emissão monocromática1.
Os TR3+apresentam a contração lantanídica. A medida que a carga do núcleo
aumenta, os elétrons de valência são atraídos para mais próximo do núcleo. Como pode ser
visto na Figura 7, os átomos tendem a ficar menores, devido a diminuição progressiva dos
raios atômicos e iônicos73.
Figura 7: Distribuição Radial dos elétrons 4f, 5s, 5p e 6s. Densidade de probabilidade (eixo y) em
função da distância (eixo x)74
.
Nos compostos contendo TR3+ a fotoluminescência em geral é devida às transições
f-f. Essas transições intraconfiguracionais f-f são proibidas pela regra de Laporte. Esta regra
de seleção afirma que uma transição eletrônica só ocorre via mudança de paridade, ou seja,
quando L= 1. Logo, para explicar as transições intraconfiguracionais dos TR3+, em 1962,
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13
B Judd73 e G. Ofelt75, mostraram que as transições são resultantes de uma mistura dos
níveis 4fn, com os estados de configurações opostas, como os níveis 4fn-1 5d, tornando-se
possíveis quando o campo cristalino não apresenta centros de inversão36. As transições 4f-
4f dos TR3+, dependendo da natureza de cada íon, ocorrem na região ultravioleta passando
pelo visível indo até o infravermelho. Essas transições, são definidas e facilmente
reconhecíveis, como podem ser observadas na Figura 8, pelo fato de serem finas. Além
disso, como estas transições são formalmente e igualmente proibidas, os tempos de vida
dos estados excitados são longos (da ordem de ms), os quais permitem o uso em diversos
sistemas que necessitam de uma resposta com tempo mais longo, como por exemplo
biomarcadores fotoluminescentes13.
Figura 8: Espectros de luminescência de complexos de alguns TR3+, sob excitação no UV-visível
13.
4.2 Processo de Luminescência
A luminescência é o fenômeno de emissão de radiação eletromagnética a partir de
algumas espécies tradicionalmente conhecidas como fósforos, sob excitação de diferentes
formas. A luminescência pode ocorrer de várias maneiras: (i) a fotoluminescência, que é
obtida a partir de absorção de fótons, sendo a mais utilizada frequentemente a luz
ultravioleta (UV); (ii) a catodoluminescência, obtida a partir da excitação com raios X na
superfície de alguns materiais; (iii) a eletroluminescência, a partir da passagem de corrente
elétrica através do material; (iv) e a quimioluminescência, que durante uma reação química,
o composto libera a energia absorvida em forma de luz, dentre outras 76.
Materiais fotoluminescentes podem ser considerados eficientes quando apresentam
uma absorção de luz em uma região do espectroeletromagnético desejada, geralmente na
região do UV, do raio x, do infravermelho como exemplo na Figura 9. Após a absorção de
luz, o material possui uma estabilidade química e uma alta eficiência de conversão, para
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14
converter a luz absorvida para o estado excitado luminescente, geralmente na região do
visível, com um longo tempo de vida de luminescência 77.
FIGURA 9: Diagrama ilustrando a energia absorvida por um material luminescente (esquerda), que
então é transformada em luz emitida de menor energia (direita)78
.
Para entender o mecanismo de luminescência em um material fotoluminescente
pode ser usado o diagrama de coordenadas configuracionais, Figura 10. O mecanismo
envolve o ativador que é excitado a partir do seu estado fundamental (A) para um nível de
mais alta energia (B). Parte dessa energia é perdida via mecanismos não radiativos, e o íon
ativador relaxa para um estado excitado de mais baixa energia (C) Em seguida ele retorna
ao estado fundamental (A), emitindo energia na forma de luz14,78.
No entanto, para muitos materiais luminescentes a situação é mais complicada que a
descrita neste mecanismo. Os TR3+ possuem baixa absortividade molar em função das
transições proibidas. Portanto, o TR3+ por si só não apresenta eficiência por excitação direta
deste íon, o que leva a fotoluminescência por excitação direta do TR3+ ser pouco
eficiente41,14. Sendo assim, uma das saídas é a utilização de um ligante que absorve
eficientemente a radiação ultravioleta e transfere a energia absorvida do estado excitado
para o estado excitado do TR3+, ocorrendo a fotoluminescência na região do visível79. A
transferência de energia intramolecular do ligante para o TR3+, é um processo de conversão
de energia, chamado efeito antena. O ligante é utilizado como sensibilizador de
fotoluminescência, e deve apresentar alto coeficiente de absortividade molar, e estados
excitados de menor energia em ressonância com os níveis emissores dos TR3+ na posição
favorável para a transferência de energia eficiente do ligante para o TR3+.
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15
Figura 10: Diagrama de coordenadas configuracionais. Excitação do estado fundamental (A) para o
estado excitado (B), relaxação para um estado de excitação menor energia (C) e retorno ao estado
fundamental com emissão de luz78
.
A Figura 11, apresenta o mecanismo de luminescência, que envolve a transferência
de energia do ligante para o TR3+. Durante o processo de absorção na região do ultravioleta,
na primeira etapa, a energia de excitação é absorvida fortemente pelo ligante. Esta
absorção de luz corresponde a uma transição do estado fundamental (S0), para estados
excitados do ligante, o estado singleto (S1) de alta energia, o qual decai não radiativamente
para o estado tripleto (T1), que pode decair de forma radiativa ou não radiativa para o estado
fundamental (S0) ou transferir a energia intramolecular do estado excitado do ligante, de
forma não radiativa, para os níveis energeticamente excitados do íon lantanídeo que emite
na região do visível. A eficácia desta transferência depende da posição entre o nível
excitado do ligante e os níveis energeticamente excitados do íon, resultado de interações
fortes entre o metal e os grupos cromóforos do ligante. A emissão de radiação pelo íon
metálico corresponde à desativação do seu nível excitado. As transições radiativas que
ocorrem sem mudança de multiplicidade, S1→S0, referem-se à fluorescência de tempo de
vida curto, enquanto que aquelas com mudança de multiplicidade, T1→S0, estão
relacionadas à fosforescência com tempo de vida longo79,80.
Pode-se observar que a diferença dos dois mecanismos, fluorescência e
fosforescência é a perda de energia por emissão espontânea de radiação quando um
cromóforo (ligante) volta do estado excitado, para o estado fundamental, de mesma
multiplicidade de spin (ΔS = 0), ocorrendo na fluorescência. Já no caso da fosforescência,
ocorre o mesmo processo, no entanto com espécies com multiplicidades diferentes de spin
(ΔS ≠ 0). De forma mais clara, a fosforescência possui o estado excitado com maior tempo
de vida em relação à fluorescência81.
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16
FIGURA 11: Mecanismo de transferência de energia do ligante para o TR3+ (III)
79.
As transições características dos TR3+ são permitidas por mecanismos de dipolo
elétrico forçado entre os níveis multipletos, os quais são resultantes das transições
intraconfiguracionais 4fn. Tais transições podem ser observadas nas linhas de emissão e
absorção destes íons. No entanto, para que haja transferência eficiente de energia dos
ligantes para o TR3+ central, os níveis de energia do estado tripleto do ligante ou algum de
seus níveis populados devem estar ressoantes com o nível emissor do TR3+ ou localizado
logo acima do nível emissor deste TR3+ 82. Desta forma, com os dados espectrais dos
compostos dos TR3+ é possível quantificar as energias dos níveis fundamentais e excitados
destes íons, conforme Figura 12.
Figura 12: Diagrama parcial dos níveis de energia de alguns íons terras raras83
.
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17
4.3 Nanopartículas de conversão ascendente de energia (Up-conversion)
Nanopartículas fotoluminescentes que apresentam conversão ascendente (UCNPs,
do inglês Upconverting Nanoparticles) dopado com TR3+são materiais fluorescentes que
têm sido propostos como uma alternativa de uma geração de biomarcadores
fotoluminescentes. Devido às suas características químicas e ópticas atraentes, como baixa
toxicidade28, espectros de absorção e de emissão com linhas finas, tempo de vida de estado
excitado longo, estabilidade química, alta fotoestabilidade e permite uma penetração mais
profunda nos tecidos, devido a excitação estar na região do infravermelho próximo que está
na região da janela biológica, sendo esta a região onde os tecidos são transparentes.13,84,85.
Comparado com corantes orgânicos, as UCNs dopado TR3+, possuem propriedades
que superam as limitações mencionadas dos biomarcadores fotoluminescentes
convencionais. As UCNs tem sido sintetizadas86-91, com morfologia e tamanho diferente,
controlando a fase da superfície do material obtido de maneira que frequentemente é
modificado para ser aplicado no ambiente hidrofílico, que é uma característica importante
para aplicações biológicas. Basicamente, a modificação da superfície é frequentemente
realizada usando qualquer superfície de revestimento inorgânico, ou ligantes orgânicos ou
revestimento com polímero, como exemplo a nanopartícula NaYF4:Yb3+/Er3+ revestida com o
polímero orgânico polivinilpirrolidona (PVP)36.
Diante da Figura 13 (a), pode-se observar o mecanismo de conversão descendente
de energia (do inglês downconversion), obtido por materiais fluorescentes quando o TR3+
absorve um fóton na região de maior energia (ultravioleta), e em seguida estes íons emitem
fótons na região de menor energia, geralmente no visível ou infravermelho. Diferentemente
do downconversion, o mecanismo de conversão ascendente de energia (do inglês
upconversion), foi definido como um processo óptico não linear no qual a absorção
sequencial de dois ou mais fótons de menor energia na região do infravermelho próximo é
convertida em um comprimento de onda curto, correspondente na região do visível, sendo
esta uma região de maior energia. Uma característica importante deste processo é a
radiação de absorção na região do infravermelho próximo ser menos danosa aostecidos,
comparada à radiação utilizada para excitar a maioria dos outros materiais luminescentes
28,92,93. Portanto, desde a descoberta do processo de upconversion em 196094, UCNPs
demonstraram grandes vantagens para serem aplicadas em imagem biológica95-106.
Dentre os cinco mecanismos básicos de conversão ascendente, os dois
mecanismos mais prováveis são identificados na Figura 13 (b): (i) Absorção Sequencial de
dois fótons (ESA) e (ii) Conversão Ascendente por Transferência de Energia (ETU)20,36,107,108.
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18
Figura 13: Representações esquemáticas de diferentes mecanismos de luminescência (a) ilustrando
a fluorescência de nanopartículas convencionais, com baixa conversão de energia; (b) processo
Upconversion de materiais dopados com lantanídeos, ETU: conversão ascendente de transferência
de energia, e ESA: a absorção estado animado. Figura adaptada da referência 20.
No processo de conversão ascendente por transferência de energia (ETU) há o
envolvimento de dois íons distintos, sendo que cada íon absorve separadamente um fóton
de excitação, a fim de preencher o mais elevado estado metaestável.
Inicialmente os elétrons do estado fundamental, GSA, são promovidos para o
primeiro estado excitado metaestável, E1, e volta para o estado fundamental GSA. O íon
(referido como ativador) pode então ser ainda promovido para um estado excitado
metaestável superior, E2, mediante da transferência de energia não radiante de um íon
vizinho (referido como um sensibilizador), que relaxa de volta ao estado fundamental GSA.
O processo não-radioativo de transferência de energia ocorre de duas formas. Se a
diferença de energia entre o estado do sensibilizador GSA e E1 é ressonante com o estado
E1 para E2, sendo a transição do ativador, em seguida, a transferência de energia pode
ocorrer antes do sensibilizador voltar radiativamente ao estado GSA36,98,109.
A absorção sequencial ressonante de dois fótons (ESA), ou também denominado
absorção de estado excitado (ESA) é o processo caracterizado pela absorção sucessiva de
pelo menos dois fótons por um único íon, durante a aplicação do pulso do laser, sendo que
o primeiro fóton popula um estado intermediário e o segundo promove a excitação para um
nível emissor de maior energia98.
Os elétrons do íon estão inicialmente no estado fundamental GSA, e são promovidos
para o primeiro estado excitado metaestável, E1. A longa duração deste estado excitado
metaestável permite a absorção de um segundo fóton que através da absorção de energia,
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19
promove ainda mais o elétron excitado para o estado excitado superior, E2. O processo de
ralaxação radioativa desse elétron excitado volta para o estado GSA, através da emissão do
fóton que é de energia mais elevada (comprimento de onda mais curto) do que qualquer um
dos fótons que foram absorvidos. 36,57,108,110,111.
Experimentalmente, observa-se que alguns sistemas apresentam simultaneamente
os dois processos de conversão ascendente mais prováveis (ESA e ETU), entretanto, uma
característica importante deixa clara a diferença entre eles. No processo de absorção de
estado excitado (ESA) o tempo de excitação é instantâneo e coincide com o tempo de
bombeamento que é da ordem de nanossegundos para um laser pulsado. Já no processo
de conversão ascendente por transferência de energia (ETU), o tempo de excitação ocorre
em escalas mais longas, da ordem de microssegundos, já que envolve uma transferência de
energia entre dois íons excitados. Pode-se ressaltar que, nos sistemas que apresentam
esses dois processos, o tempo de excitação é composto pelas duas componentes temporais
(ns e μs)109.
4.4 Composição característica de nanopartículas luminescentes de conversão
ascendente de energia (UCNPs)
Com base na função dos TR3+ dopados nas UCNPs, esses íons são chamados
sensibilizadores e ativadores, sendo os sensibilizadores que absorvem a luz de excitação e
os ativadores emitem a luz absorvida20. UCNPs luminescentes são constituídas por uma
rede hospedeira cristalina inorgânica. Geralmente, os TR3+são incorporados em baixas
concentrações no material hospedeiro opticamente transparente na gama de interesse, ou
seja, para aplicação como biomarcadores, deve ser transparente na região da “janela
biológica”. Essa matriz serve principalmente para posicionar adequadamente os íons
luminescentes no espaço tridimensional57. Além disso, a estrutura da nanopartícula é
obrigada a ter baixas energias de fônons, caso contrário, as perdas de energia não-
radiativos irá aumentar, levando a uma baixa eficácia de conversão ascendente57,112. Neste
ponto, fluoretos, tais como NaYF4 e LaF3 tem a estabilidade química necessária para
aplicações aquosas (biológicos), bem como as energias de fônons bastante baixas (~350
cm -1) para garantir uma elevada eficiência de fotoluminescência20,58,111. Energias de fônon
de materiais hospedeiros utilizados, e os TR3+utilizados como dopantes, encontram-se
resumidos na Tabela 136. Hoje em dia, novos materiais utilizados como hospedeiros para
os TR3+estão sendo descobertos e avaliados, e oferecem mais possibilidade de desenvolver
novos tipos de UCNPs.
Monografia de TCC – Química – Bacharelado – UFSJ - 2015
20
Tabela 1: Energias de fônon de materiais utilizados como rede hospedeira para UCNPs, e
alguns TR3+utilizados como sensibilizadores e ativados36.
Material Dopante Energia de fônon Referência
Vidro de Silica Eu3+
, Tb3+
1100 [113]
LaPO4 Ce 3+
/ Tb 3+
1050 [113]
Y3Al5O12 Er3+
860 [113,114,115]
Gd2O3 Eu3+
700 [113,116]
YVO4 Eu3+
600 [113,117]
Y2O3 Yb 3+
e Er 3+
600 [113, 114, 115]
LiYF4 Yb 3+
/ Er 3+
Ho3+
, Tm3+
e Er3+
425 [118]
b-NaGdF4 Yb3+
, Er3+
400 [113, 119,120]
NaYF4 Yb / Tm
Tm 3+
, Er 3+
, e Ho 3+
370 [8,121,122,123,124,125]
LaF3 Ce 3+
, Tb 3+
350 [126]
4.5 Aplicações das nanopartículas contendo íons terras raras
Os TR3+, devido às suas propriedades fotoluminescentes, são utilizados em várias
aplicações, dentre elas, dispositivos geradores de imagens, conversores de radiação,
sondas espectroscópicas, marcadores químicos e biológicos. Devido o interesse crescente
da utilização dos TR3+ como sistemas fotoluminescentes em biomarcadores, houve a
possibilidade das nanopartículas fluorescentes à base de terras raras serem aplicadas em
diferentes áreas biológicas, abrangendo a biologia molecular e celular, in vitro e ensaios in
vivo. Estas nanopartículas contendo TR3+, portanto, são uma alternativa interessante
comparadas aos marcadores convencionais existentes46.
A utilização dos corantes orgânicos em biomarcadores está bem estabelecida em
uso clínico, uma vez que é convencional sua utilização como biomarcadores. Porém suas
desvantagens levaram ao interesse e utilização das nanopartículas fotoluminescentes que
apresentam conversão ascendente (UCNPs) como biomarcadores. Devido sua baixa
toxicidade, tempo de vida do estado excitado longo e a radiação do infravermelho próximo
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21
ser usada para excitar as UCNPs, sendo esta radiação, menos destrutiva nos tecidos
biológicos, em comparação com a radiação UV que é muitas vezes usada para excitar
outros sistemas fotoluminescentes103. Suas potencialidades como biomarcadores foram
estabelecidos, levando suas aplicações como exemplo na Tabela 2.
Tabela 2: Aplicação de alguns biomarcadoresbiomarcadores compostos de nanopartículas
fluorescentes contendo TR3+.
Alvo do marcador biológico Biomarcador contendo TR Referência
Detecção da hibridação do DNA NaYF4: Tm3+
, Er3+
e Ho3+
[103]
Detecção simultânea de aflatoxina B 1 e ocratoxina A NaYF4: Tm3+
, Er3+
, e Ho 3+
[103]
Detecção de uma proteína do HIV NaGdF4: Er3+ [103]
Detecção e monitoramento do metilmercúrio in vivo
NaYF4: Yb3+
, Er3+
, Tm3+
[12]
Detecção de avidina-biotina NaYF4: Yb3+
, Er 3+
- biotina
LiLuF4: Yb3+
, Er3+
[37]
Iidentificação das sequências e estruturas de oligonucleotídeos curtos
(DNA / RNA)
NaYF4:Yb3+
,Er3+
[37]
Detecção seletiva da glutationa (GSH) NaYF4: Yb3+
, TM3+
[37]
Detecção de Cu2+
, Fe3+
NaYF4: Yb 3+
-Er 3+
LaF3: Ce3+
, Tb3+
[37]
Detecção antigénios específicos da próstata em células e secções de
tecidos
Y2O2S: Yb3+
/ Er3+
NaScF4 : Yb3+
/ Er3+
[01]
Detecção do sistema digestivo do verme Caenorhabditis elegans
Y2O3: Yb3+
, Er3+
[46]
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os biomarcadores são uma alternativa de diagnóstico ou prognóstico promissora
para uma caracterização mais precisa de uma eventualidade em sistemas biológicos. A
utilização destes biomarcadores pode auxiliar na compreensão da predição, causa,
diagnóstico, progressão, regressão, ou na detecção precoce de doenças, e assim, aumentar
a expectativa de vida tanto em humanos, quanto em animais.
Apesar da grande importância dos biomarcadores no meio de detecção de agentes
químicos e biológicos, a sua utilização é ainda limitada em uso clínico, devido as etapas de
aprovação para sua utilização. Como exemplo dessa limitação, em 2011 um grande número
de artigos sobre biomarcadores foram publicados. Logo após, estes biomarcadores
desenvolvidos nesses artigos, serem analisados e avaliados, foram inicialmente
considerados potenciais para a tal aplicação de acordo com as etapas e processos de
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22
avaliação. Porém, estes biomarcadores após passar por estas avaliações, devem passar
pelo processo de análise do órgão governamental dos Estados Unidos da América
responsável por proteger a saúde pública (FDA), para uso clínico. Diante dessa última
etapa de avaliação estes biomarcadores inicialmente considerados potenciais para
utilização desenvolvidos em 2011, não foram aprovados pelo FDA. O rigoroso método de
aprovação deste órgão resulta em um número relativamente baixo de biomarcadores
aprovados para uso clínico.
A primeira classe de nanoestruturas fluorescentes utilizadas como biomarcadores é
constituída por moléculas orgânicas. As principais limitações, de modo geral, desta primeira
classe de nanoestruturas fluorescentes provêm de sua baixa fotoestabilidade,
fotobranqueamento, banda de emissão larga, pequeno deslocamento Stokes decorrente da
sobreposição dos espectros de excitação e de emissão, tempo de vida de fotoluminescência
curto, alta fotodegradação e fototoxicidade. Outro ponto que deve ser considerado é que a
profundidade de penetração da radiação de excitação e a emissão visível para dentro do
tecido biológico são limitadas, devido os comprimentos de onda de absorção e emissão
destes materiais não atingirem a “janela biológica”. Essa é uma outra desvantagem no que
diz respeito a sua aplicação in vivo para aplicação em bioimagem.
Por outro lado, a possibilidade de utilização de nanopartículas inorgânicas
fluorescentes contendo TR3+tem sido demonstrada para aplicações como biomarcadores.
Estes biomarcadores são uma alternativa interessante, pelo fato de apresentarem
propriedades vantajosas, que superam as limitações dos marcadores convencionais serem
utilizados, como exemplo, os biomarcadores contendo corantes orgânicos e pontos
quânticos. Dentre estas propriedades, incluem bandas de emissão extremamente finas,
grande deslocamento Stokes, boa intensidade de fotoluminescência com longo tempo de
vida (até milissegundos). O tempo de vida longo é extremamente vantajoso, pois no espaço
de tempo excitação até a emissão de fotoluminescência, ocorrem os efeitos de
espalhamento de luz e de fluorescência de fundo, que acabam dissipando sem maiores
interferências na detecção. Além de alta fotoestabilidade, biocompatibilidade, resistência a
fotodegradação, baixa toxicidade que o esperado, e alta estabilidade química.
Em especial, as nanopartículas inorgânicas fluorescentes com conversão
ascendente de energia (UCNPs), além de apresentarem todas as propriedades
mencionadas acima, exibem uma característica importante para atuarem como
biomarcadores. A utilização das UCNPs permite uma penetração mais profunda nos tecidos,
devido o comprimento de excitação estar na região do infravermelho próximo,
especificamente na região da janela biológica. Nesta região os tecidos são transparentes,
pois o perfil de absorção destes tecidos, como exemplo a melanina, hemoglobina, é limitado
na região do vermelho visível ao infravermelho próximo, aproximadamente em 600 nm < λ <
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23
1000 nm. Logo, as (UCNPs) contendo íons terras raras, são promissoras para a aplicação
em biomarcadores.
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