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Universidade Federal de Pernambuco Centro de Ciências da Saúde Departamento de Ciências Farmacêuticas Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas Obtenção e Caracterização de Pontos Quânticos Fluorescentes de ZnSe:Mn Thiago Gomes da Silva Recife-PE, Brasil Fevereiro, 2011

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Universidade Federal de Pernambuco Centro de Ciências da Saúde

Departamento de Ciências Farmacêuticas Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas

Obtenção e Caracterização de Pontos Quânticos Fluorescentes de ZnSe:Mn

Thiago Gomes da Silva

Recife-PE, Brasil Fevereiro, 2011

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Universidade Federal de Pernambuco Centro de Ciências da Saúde

Departamento de Ciências Farmacêuticas Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas

Obtenção e Caracterização de Pontos Quânticos Fluorescentes de ZnSe:Mn

Thiago Gomes da Silva (Bolsista CNPq)

Orientadora: Profª. Dra. Beate Saegesser Santos Co-orientadora: Profa. Dra. Adriana Fontes

Recife-PE, Brasil Fevereiro, 2011

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas da UFPE como parte dos requisitos necessários para a obtenção de título de mestre.

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Silva, Thiago Gomes da Obtenção e caracterização de pontos quânticos fluorescentes de ZnSe:Mn / Thiago Gomes da Silva. – Recife: O Autor, 2011.

61 folhas: il., fig, ; 30 cm. Orientador: Beate Saegesser Santos Dissertação (mestrado) – Universidade Federal

de Pernambuco. CCS. Ciências Farmacêuticas, 2011.

Inclui bibliografia. 1. ZnSe:Mn. 2. Pontos quânticos fluorescentes. 3. Dopagem. 4. Fotoativação. I. Santos, Beate Saegesser. II.Título.

UFPE 615.1 CDD (20.ed.) CCS2011-070

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DEDICO ESTE TRABALHO

À minha mãe Rita Maria da Silva Gomes e a minha família, por todo amor, educação e estímulo durante a realização deste trabalho.

Ao meu pai, João Gomes da Silva Filho, que apesar da distância, sempre me incentivou aos estudos. À minha noiva e futura esposa Priscilla Sobreira Moreira por simplesmente existir. À João Paulo, por me apresentar ao laboratório e a Fabíola por contribuir valiosamente para a realização deste trabalho.

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AGRADECIMENTOS À Deus primeiramente, pelas contínuas bênçãos em minha vida. À minha mãe, por todo carinho, amor e paciência. Ao meu pai, pelos sábios ensinamentos e carinho. À minha família, por contribuir na minha formação como pessoa. À minha noiva, pelo amor, compreensão e paciência durante o desenvolvimento do trabalho. À professora Beate pela amizade, confiança, ensinamentos, compreensão e paciência durante estes anos de orientação. Um agradecimento em especial, pois sem o seu apoio e dedicação este trabalho seria apenas uma perspectiva. Aos professores Ricardo, Adriana e Cláudia pelos ensinamentos. À Breno, Aluízio, Clayton e Kilmara, pela parceria e contribuição no trabalho desenvolvido. Aos colegas do laboratório Profº. Ricardo Ferreira: Claudilene, Antônio, Denise, João Paulo, Rafael, Cida, Tony, Aline, Paulo, Cauêh e Diego. Ao Programa de Pós-Graduação em Ciências Farmacêuticas: Coordenador, Vice-coordenadora, professores e secretárias, Margareth e Rosa por toda atenção e dedicação. Ao grupo de Polímeros Não-Convencionais, do Departamento de Física pelos espectros de emissão. Ao CBPF e em especial ao professor Luiz Sampaio pelas análises de DRX. Ao Diogo do LNLS pelas imagens de MET. À Flávia Barros do ITEP pelas medidas de ICP. Ao CNPq pelo auxílio financeiro. A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a elaboração deste trabalho. Obrigado a todos!

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RESUMO

Nanocristais de semicondutores do tipo II-VI, dentro do regime de

confinamento quântico, conhecidos como pontos quânticos (quantum dots) surgiram

há mais de uma década e mostram-se como uma importante ferramenta de

marcação biológica. Atualmente busca-se, através da dopagem destes materiais

semicondutores, melhorias e mudanças em suas propriedades ópticas e

magnéticas. Neste trabalho, apresenta-se uma metodologia de obtenção de pontos

quânticos fluorescentes de seleneto de zinco (ZnSe) dopados e não dopados com

manganês (ZnSe:Mn). As reações empregaram técnicas de química coloidal em

meio aquoso e métodos pós-preparativos envolvendo fotoativação com radiação

ultravioleta. Foi realizado um planejamento fatorial tipo 22 para verificar as melhores

condições de reação de obtenção que resultam no aumento da intensidade da

emissão na região do vermelho (acima de 580 nm) para o nanocristal dopado,

variando a concentração do íon Mn2+ e a dose de radiação no processo de

fotoativação.

O tamanho médio dos nanocristais (d~3 nm), e sua cristalinidade foram

estimados utilizando-se as técnicas de espectroscopia de absorção eletrônica,

microscopia eletrônica de transmissão e pela técnica de difração de Raios-X. A

caracterização óptica foi realizada empregando-se espectroscopia de emissão e

excitação eletrônica determinando-se os processos ópticos envolvidos.

As suspensões de ZnSe não dopados, sob excitação entre 300 e 370 nm,

apresentam alta intensidade de luminescência com máximo observado na região do

azul (λmax = 400) e banda larga na região do verde (λmax =460 nm). Os nanocristais

dopados apresentaram a emissão típica do Mn2+ na região do vermelho (λmax = 580

nm) quando excitado em λexc= 400 nm. O planejamento fatorial realizado mostrou

que o fator que mais contribui na emissão do íon Mn2+ é sua concentração no

processo de síntese. A quantificação do Mn2+ nos nanocristais foi realizada por

técnica de Plasma Indutivamente Acoplado e mostrou que foi incorporado um valor

máximo de 0, 89% de íons Mn2+ nos nanocristais de ZnSe, o que representa 18% do

valor adicionado inicialmente na síntese.

Palavras-chaves: ZnSe:Mn, pontos quânticos fluorescentes, dopagem, fotoativação.

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ABSTRACT

II - VI semiconductor nanocrystals in the quantum confinement region, also

known as quantum dots, are being applied as potential tools as fluorescent

biomarkers. Recently there has been a search for doped semiconductor in order to

render new optical and magnetic properties. In the present work we present an

optimized methodology for the preparation of ZnSe and ZnSe:Mn fluorescent

quantum dots. The synthetic methodology applies easy colloidal chemical techniques

in aqueous medium which includes a photoactivation post procedure so to increase

the emission yield. A 22 factorial design has been employed to optimize the

experimental conditions ([Mn2+] and UV light dose radiation) taking into account to

optimize the d-d characteristic Mn2+ emission (λ = 580 nm).

The average ZnSe and ZnSe:Mn particle size was estimated as d = 3 nm

using X-ray diffractometry, transmission electronic microscopy and absorption

electronic spectra. The optical properties were studied using emission and excitation

electronic spectroscopy. The ZnSe suspensions show a high intensity band in the

blue region (λmax ~ 405 nm) and a less intense band in the green region (λmax ~

460 nm) when excited in the 300-370 nm region. The ZnSe:Mn particles show an

orange-red emission band characteristic of the Mn2+ ion (λmax ~ 580 nm). The

factorial design showed that the more important experimental condition in the

experiment is the [Mn2+]. The Mn2+ quantification was performed using Inductively

Coupled Plasma, showing that a maximum of 0, 89% of Mn2+ ions which represents

18% of the initial expected incorporation value.

Key-words: ZnSe:Mn, fluorescent quantum dots, doping, photoactivation.

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Å Angstrom

AMA Ácido Mercaptoacético

BC Banda de Condução

BV Banda de Valência

CBPF Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

CdS Sulfeto de Cádmio

CdSe Seleneto de Cádmio

CdTe Telureto de Cádmio

Cd(OH)2 Hidróxido de Cádmio

cps Contagens por segundo

DCCR Delineamento Composto Central Rotacional

DLVO Teoria de estabilidade cinética coloidal de Derjaguin e Landau e Verwey e Overbeek

DRX Difração de Raios-X

Eg Band gap

EPR Eletron Paramagnetic Resonance (Ressonância Paramagnética Eletrônica)

eV Elétron Volt

FA Fotoativação

FITC Fluorescein Isotiocianate (Isotiocianato de Fluoresceína)

FWHM Full Width at Half Maximum (Largura de Banda a Meia Altura)

H2Se Ácido Selenídrico

ICP-OES Espectometria de Emissão Ótica com Plasma Indutivo Acoplado

ITEP Instituto de Tecnologia de Pernambuco

JCPDS Joint Committee on Powder Diffraction Standards

kV Kilo Volt

LNLS Laboratório Nacional de Luz Síncroton

MET Microscopia Eletrônica de Transmissão

MnSO4 Sulfato de Manganês

NaBH4 Borohidreto de Sódio

NaOH Hidróxido de Sódio

PQs Pontos Quânticos

pK Constante de Dissociação

QY Quantum Yield (Rendimento Quântico)

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Seº Selênio Elementar

Se2- Selênio Reduzido

SeO2 Dióxido de Selênio

TeO2 Dióxido de Telúrio

THF Tetrahidrofurano

TOP Trioctil-fosfina

TOPO Óxido de Trioctil-fosfina

UV Ultravioleta

UV-Vis Ultravioleta Visível

VA Energia de Atração

VR Energia de Repulsão

VT Energia Total de Interação

XPS X-Rays Photoeletronic Spectroscopy (Espectroscopia Fotoeletrônica por Difração de Raios-X)

ZnS Sulfeto de Zinco

ZnSe Seleneto de Zinco

ZnSe:Mn Seleneto de Zinco dopado com Manganês

ZnSO4 Sulfato de Zinco

λ Comprimento de Onda

λabs Comprimento de Onda de Máxima Absorção

λem Comprimento de Onda de Máxima Emissão

λexc Comprimento de Onda de Máxima Excitação

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LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 - Espectros de absorção e emissão típicos de moléculas orgânicas e de pontos quânticos.

09

Figura 3.2 - Relação do tamanho de partículas semicondutoras dentro do regime de confinamento quântico.

10

Figura 3.3 - Diferença energética fundamental entre material isolante, condutor e semicondutor.

11

Figura 3.4 - Diagrama representativo dos estados de densidade de: condutor, isolantes, semicondutores e semicondutor dopado.

12

Figura 3.5 – Suspensões fluorescentes de nanopartículas coloidais de um mesmo ponto quântico (CdSe) de tamanhos diferentes, sob iluminação UV.

13

Figura 3.6 - Fotodegradação em função do tempo: antígenos nucleares corados com Alexa Fluor 488® e microtúbulos corados com PQ 605- CdSe (Tempos observados: 0s, 20s, 60s, 120s e 180s).

14

Figura 3.7 - (a) Energia potencial (V) de interação partícula-partícula em função da distância (d) de separação entre duas partículas coloidais (b)- Principais etapas envolvidas nas reações de obtenção de semicondutores nanocristalinos.

17

Figura 3.8 - Esquema ilustrativo das duas maneiras distintas de se realizar a dopagem com íons Mn2+ em nanocristais de ZnS.

19

Figura 3.9 - (a) Espectros de absorção e emissão para pontos quânticos de ZnSe, (b) ZnSe dopado com Mn2+ .

20

Figura 3.10 - Esquema ilustrativo da via de fotoativação em PQs em meio reacional de solventes orgânicos e alterações na intensidade de sua fotoluminescência (PL) sob diferentes condições atmosféricas.

22

Figura 4.1 - Esquema da obtenção de ZnSe e ZnSe:Mn. 32

Figura 4.2 - Câmara de fotoestabilidade desenvolvida por Azevedo et.al. e utilizada no processo de fotoativação dos nanocristais.

33

Figura 4.3 - Difratômetro de Raios X do CBPF. 34

Figura 4.4 - Esquema representativo de um Espectrômetro de Emissão Óptico com Plasma Indutivo Acoplado.

36

Figura 5.1 - Mudança de coloração da reação após a injeção de Se2- no meio contendo íons Zn2+. Em (a) solução inicial de Zn2+-AMA, (b) após adição de Se2- e (c) formação de ZnSe depois de 30 minutos de reação.

40

Figura 5.2 - Mudança na coloração inicial em (a) do sistema contendo íons Zn2+- AMA em pH=11,0 após a adição de íons Mn2+ em (b) e a formação do sistema final ZnSe:Mn incolor em (c), após adição de solução aquosa contendo Se2 -.

41

Figura 5.3 - Luminescência característica de ZnSe em (a) e de ZnSe:Mn em (b). 41

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Figura 5.4 - Difratogramas de Raios X de pó representativas de (a) ZnSe e (b) ZnSe:Mn.

42

Figura 5.5 - Estrutura da blenda de zinco. 42

Figura 5.6 - Imagens de Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) de ZnSe:Mn (a) Barra = 20 nm, (b) Barra = 10 nm, (c) e (d) Barra de escala = 5 nm.

43

Figura 5.7 - Espectros de absorção eletrônica representativos de suspensão de partículas de ZnSe (a) e ZnSe:Mn (b) antes e depois do processo de fotoativação.

44

Figura 5.8 - Espectros de emissão de ZnSe em diferentes tempos de exposição a radiação UV e o respectivo espectro de excitação da suspensão FA por 35 min.

46

Figura 5.9 – Esquema das principais vias de decaímento do elétron populando a banda de condução do ZnSe:Mn em (a). Em (b) diagrama de Tanabe-Sugano mostrando a transição eletrônica do íon Mn2+.

47

Figura 5.10 - Esquema dos possíveis mecanismos de fotoativação de ZnSe em meio aquoso.

48

Figura 5.11 - Espectro de emissão do ZnSe:Mn em diferentes tempos de exposição a radiação UV e o respectivo espectro de excitação da suspensão FA por 35 min.

49

Figura 5.12 – Evolução temporal (2 a 132 h após o preparo) da banda de emissão do ZnSe:Mn.

50

Figura 5.13 - Espectros de emissão das suspensões de ZnSe:Mn do estudo quimiométrico tipo DCCR em crescentes concentrações de Mn2+ e doses de radiação UV. Em (a) DCCR 1 - 0,145 mMols, em (b) DCCR 2 - 0,500 mMols, em (c) DCCR 3 - 0,854 mMols e (d) DCCR 4 - 1,000 mMol.

52

Figura 5.14 – Gráfico da Superfície de Resposta para a intensidade de emissão de fluorescência em 580 nm em função da quantidade de Mn2+ (em mMol) e dose de luz ultravioleta (em Wh/m2).

55

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LISTA DE TABELAS Tabela 4.1 - Materiais utilizados para a obtenção do ZnSe e de ZnSe:Mn, utilizando-se AMA como estabilizante.

31

Tabela 4.2 - Valores da concentração de manganês dopante no estudo de DCCR. 37

Tabela 4.3 - Variáveis utilizadas no planejamento fatorial. 37

Tabela 5.1 – Valores codificados e respostas da intensidade de emissão para λem =580 nm).

53

Tabela 5.2 – Estimativas por ponto, por intervalo e testes de hipóteses para os efeitos.

53

Tabela 5.3 – Estimativas por ponto, por intervalo e testes de hipóteses para os coeficientes.

53

Tabela 5.4 – Análise de variância para os resultados do estudo DCCR.

54

Tabela 5.5 – Resultado da análise de ICP expressando a quantidade de Mn2+ e Zn2+ em média.

56

Tabela 5.6 – Cálculo da porcentagem de incorporação de Manganês. 56

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SUMÁRIO Capítulo 1: Introdução

1 Introdução............................................................................

2

1.1 Pontos Quânticos.......................................................................................... 2

1.2 Referências. 5

Capítulo 2: Objetivos

2. Objetivos

7

2.1 Objetivos Gerais.................................................................................. 7

2.2 Objetivos Específicos................................................................................... 7

Capítulo 3: Revisão Bibliográfica .........................................

3. Revisão Bibliográfica

9

3.1 Pontos Quânticos como Marcadores Fluorescentes para Sistemas Biológicos....................................

9

3.2 Um pouco de Química dos Colóides.................................................. 15

3.3 Seleneto de Zinco (ZnSe) .............................................. 17

3.4 Dopagem de Semicondutores e Seleneto de Zinco dopado com Manganês.................................................................................

18

3.5 Fotoativação.............................................................. 20

3.6 Referências........................................................................... 26

Capítulo 4: Metodologia................................................

4. Metodologia

4.1 Obtenção de Nanopartículas de ZnSe:Mn ...........

31

31

4.2 Experimento de Fotoativação.............................................. 32

4.3 Caracterização Óptica e Estrutural ..................................... 33

4.4 Análise em Plasma Indutivo Acoplado (ICP) ............................... 35

4.5 Estudo Quimiométrico do Tipo Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) ...................................................

36

4.6 Referências........................................................... 38

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Capítulo 5: Resultados e Discussões...........................

5. Resultados e Discussões

5.1 Obtenção de Nanopartículas de ZnSe e ZnSe:Mn .......................................

40

40

5.2 Caracterização Estrutural do Sistema ....................................... 42

5.3 Estudo Espectroscópico das Suspensões de ZnSe e ZnSe:Mn ......... 44

5.4 Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR) ........................ 51

5.5 Análises com Plasma Acoplado Indutivo ....... 55

5.6 Referências................................................. 58

Capítulo 6: Conclusões e Perspectivas..........

6. Conclusões e Perspectivas

6.1 Conclusões.........................................

60

60

6.2 Perspectivas..................................................... 61

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Capítulo 1 Introdução

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1. INTRODUÇÃO

1.1- Pontos Quânticos

Pontos quânticos (PQs) são partículas inorgânicas nanométricas, baseadas

em materiais semicondutores que apresentam características especiais pelo fato de

estarem em regime de confinamento quântico. Tratando-se de pontos quânticos de

material semicondutor, uma dessas características é a capacidade de sintonizar

suas propriedades óticas (principalmente seus espectros de emissão), a partir do

controle do tamanho das partículas. A primeira aplicação de pontos quânticos como

marcadores em sistemas biológicos foi relatada em 1998, onde foram utilizados

nanocristais, tipo core/shell (caroço/casca), na forma de suspensões coloidais de

seleneto de cádmio (core) recobertos com sulfeto de zinco (shell) revestidas com

sílica e CdSe/ZnS revestido com camadas de ácido tioglicólico, e ambos os grupos

apresentaram marcação específica por acoplamento covalente de ligantes para

essas superfícies [1]. Posteriormente, vários autores relataram marcação de células

e cortes de tecido usando pontos quânticos conjugados a diferentes biomoléculas

[2].

Esse novo método de marcação apresenta grandes vantagens em relação

aos métodos convencionais de marcação celular e de diagnóstico: (i) emissão em

diversos comprimentos de onda para um mesmo material, (ii) elevada

fotoestabilidade; (iii) baixa citotoxidade; (iv) possibilidade de marcação simultânea de

diversos componentes biológicos e estruturas celulares em células vivas ou fixadas,

além do fato de que (v) os resultados podem ser obtidos com tempo de incubação

da ordem de alguns minutos [3].

No entanto, a maioria dos pontos quânticos preparados desde sua descoberta

vêm utilizando principalmente semi-metais (Cd, Se e Te) e solventes orgânicos

(trioctil-fosfina e óxido de trioctil-fosfina) tóxicos. Tal fato tem mostrado algumas

desvantagens, como a elevada toxicidade do elemento Cd, além de mostrarem

regiões de fluorescência espectral, em geral, abaixo de 540 nm, limitando assim

suas aplicações em outras regiões [4]. Em contraste, os nanocristais de ZnSe são

bem menos tóxicos, visto que o zinco está presente em diversas formas de vida e no

homem participa de processos relacionados à imunidade, formação óssea,

cicatrização e ativador de diversas enzimas, já o selênio participa nos processos

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biológicos como importante elemento nas vias redutoras de estresse oxidativo

(atividade antioxidante). Além do que sua emissão é na região do UV-azul. Além

disso, o intervalo energética entre a Banda de Valência e a Banda de Condução

(band gap) do ZnSe é maior, cerca de 2,7 eV (460 nm) em temperatura ambiente, o

que os torna materiais de fácil passivação [4]. Devido a suas propriedades únicas, os

PQs de ZnSe têm grande potencial como marcador fluorescente de materiais

biológicos, motivo da investigação da obtenção dessas suspensões coloidais

altamente fluorescentes nos últimos dez anos [5].

A dopagem com outros elementos é uma forma eficiente de manipular os

espectros de emissão dos PQs de semicondutores. Nesse sentido, muitos grupos de

pesquisa têm desenvolvido procedimentos para a dopagem de materiais de alto

band gap como seleneto de zinco com outros íons de metais de transição, tais como:

Fe2+, Cu2+, Tb3+ e Mn2+. Essa dopagem resulta em nanocristais que fluorescem na

região do visível em regiões distintas da emissão dos cristais originais. A presença

de íons Mn2+, por exemplo, dentro da estrutura cúbica do ZnS, que apresenta

emissão na região do azul, pode apresentar uma banda na região do vermelho

(λ~580 nm) e além disso, podem ser redispersas em água, dessa forma também

podem ser utilizados como marcadores fluorescentes em estruturas biológicas [6]. O

interesse no Mn em particular é também devido ao seu comportamento

paramagnético, sendo esta uma característica indispensável na pesquisa por novos

agentes de contraste para imagens por ressonância magnética [7].

Este manuscrito tem a finalidade de apresentar o desenvolvimento de uma

rota de obtenção de nanocristais fluorescentes de seleneto de zinco, dopados com

Manganês (ZnSe:Mn) em meio aquoso, na forma de uma suspensão coloidal, além

da realização de um método quimiométrico para o estudo das melhores condições

de reação de obtenção, bem como as caracterizações necessárias do material em

questão, e para isso conta com a seguinte estrutura:

Capítulo 2 – Revisão bibliográfica: Neste capítulo abordamos os temas de

interesse para o presente trabalho.

Capítulo 3 – Objetivos: Exposição do enfoque deste trabalho.

Capítulo 4 – Metodologia: Aqui apresentamos os métodos utilizados para a

obtenção de seleneto de zinco dopado com manganês e não dopado, para a

caracterização óptica e estrutural, aém de um planejamento fatorial realizado.

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Capítulo 5 – Resultados e Discussões: Abordamos e interpretamos os

resultados obtidos e conflitamos com a nossa hipótese.

Capítulo 6 – Conclusões e Perspectivas: Apresentamos brevemente as

contribuições deste trabalho e ainda indicamos quais questões precisam ser mais

esclarecidas em estudos futuros.

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1.2- Referências

[1] FARIAS, P. M. A.; SANTOS, B. S.; MENEZES, F. D.; CESAR, C. L.; FONTES, A.; LIMA, P. R. M.; BARJAS-CASTRO, M. L.; CASTRO, V.; FERREIRA, R. CdS Quantum dots, efficient fluorescent markers for red cells, J. Microscopy, 219 (3) 103-168, (2005).

[2] MENEZES, F. D.; BRASIL JR., A. G.; MOREIRA, W. L.; BARBOSA, L. C.; CESAR, C. L.; FERREIRA, R.; FARIAS, P. M. A.; SANTOS, B. S. CdTe/CdS core shell quantum dots for photonics applications, Microelectronics Journal, 36 (11) 989-991, (2005). [3] SANTOS, B. S.; FARIAS, P. M. A.; FONTES, A.; BRASIL JR., A. G.; JOVINO, C. N.; NETO, A. G. C.; SILVA, D. C. N.; MENEZES, F. D.; Ferreira, R. Colloidal semiconductor quantum dots: Potencial tools for new diagnostics methods Applied Surface Science, 255 (3) 796-798, (2008). [4] FENG Z.; REN, J. Significant improvement in photoluminescence of ZnSe(S) alloyed quantum dots prepared in high pH solution, Luminescence, 25 (5) 378-383, (2009). [5] REISS P. ZnSe based colloidal nanocrystals: synthesis, shape control, core/shell, alloy and doped systems, New. J. Chem., 31 (11) 1843-1852, (2007). [6] SNEE, P. T.; THAKAR, R.; CHEN, Y. Efficient Emission from Core/(Doped) Shell Nanoparticles: Applications for Chemical Sensing, Nano Lett. 7 (11), 3429-3432, (2007). [7] ZHANG, X.; ATANASIJEVIC, T.; LIPPARD, S. J.; JASANOFF, A. MRI Sensing Based on the Displacement of Paramagnetic Ions from Chelated Complexes, Inorg. Chem., 49 (6) 2589-2591, (2010).

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Capítulo 2 Objetivos

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2. OJETIVOS

2.1 Objetivo Geral

• Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma metodologia de

obtenção em meio aquoso de nanopartícluas fluorescentes tipo II-VI de

seleneto de zinco dopado com manganês (ZnSe:Mn), visando

disponibilizar um marcador fluorescente para estruturas biológicas

menos tóxico.

2.2 Objetivos Específicos

• Obter nanocristais de seleneto de zinco dopados com manganês

(ZnSe:Mn) utilizando água como meio reacional;

• Realizar as caracterizações óptcas e estruturais das nanopartículas

obtidas;

• Estudar o mecanismo de fotoativação que envolve o nanocristal em

questão;

• Utilizar procedimentos de quimiometria do tipo Delineamento Composto

Rotacional Central (DCCR) afim de melhorar os parâmetros envolvidos

na síntese;

• Quantificar o teor manganês presente no nanocristal utilizando técnica

de Plasma Acoplado Indutivo (ICP).

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Capítulo 3 Revisão Bibliográfica

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3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Pontos Quânticos Como Marcadores Fluorescentes para Sistemas

Biológicos

Nas últimas décadas a utilização de nanopartículas, com ênfase na química

coloidal e o uso de técnicas microscópicas têm dado grande contribuição para

visualização e caracterização de materiais biológicos. O uso de diferentes técnicas

físicas e a obtenção de novos marcadores luminescentes têm aumentado bastante a

capacidade de visualização, manipulação e posterior caracterização de sistemas

biológicos e como ferramenta em imunofluoroensaios [1].

Os pontos quânticos, nanocristais de semicondutores, apresentam várias

vantagens em relação aos marcadores baseados em moléculas orgânicas. Além de

serem altamente luminescentes, apresentam larga faixa de comprimento de onda

para excitação, picos de fluorescência simétricos e um comprimento de

fluorescência ajustável pelo tamanho da partícula, a Figura 3.1 mostra espectros de

absorção e de emissão típicos de pontos quânticos e moléculas orgânicas. Dessa

forma, um único laser pode excitar a luminescência em diferentes comprimentos de

onda nos pontos quânticos com tamanhos diferentes enquanto que, cada corante

orgânico precisa ser excitado num comprimento de onda único, o mesmo

acontecendo com os compostos de íons lantanídeos [2].

Figura 3.1 - Espectros de absorção e emissão típicos de moléculas orgânicas em (a) e de pontos quânticos em (b) (Adaptado de CHAVES, 2006) [3].

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As características físico-químicas de um semicondutor variam com a redução

do seu tamanho somente quando estes atingem dimensões de alguns nanômetros e

encontram-se em regime de confinamento quântico. A partir daí, propriedades como

temperatura de transição de fase, condutividade elétrica, absorção eletrônica dentre

outras, tornam-se dependentes do tamanho do material. Dessa forma, os grandes

fatores responsáveis pela dependência das propriedades com o tamanho dos pontos

quânticos são os efeitos termodinâmicos de superfície e efeitos quânticos. A

redução do tamanho do ponto quântico resulta numa variação sistemática da

densidade de ocupação de níveis de energia eletrônicos. As dimensões da partícula

tornam-se comparáveis ao comprimento de onda de Fermi dos elétrons. Os

portadores de carga, gerados pela absorção de radiação e que se movem livremente

no material macrocristalino, são afetados pelas paredes das nanopartículas. O

confinamento quântico descreve sua mudança de níveis de energia contínuo para

um conjunto de níveis discretos, com a diminuição da dimensão das partículas. Em

semicondutores convencionais (macroscópicos), a excitação de elétrons da banda

de valência (BV) para banda de condução (BC), separados pelo band gap (energia

de banda proibida), resulta em largas bandas no espectro de absorção. À medida

que as partículas diminuem de tamanho a diferença energética aumenta alterando

as propriedades optico-eletrônicas do material, Figura 3.2 [3]

Figura 3.2 - Relação do tamanho de partículas semicondutoras dentro do regime de confinamento quântico (Eg= energia de banda proibida (band gap); BC= banda de condução e BV= banda de valência).

Dessa forma a diferença fundamental entre material isolante, semicondutor e

condutor, é que o primeiro possui um band gap maior entre as bandas de valência e

a banda de condução, já os materiais condutores têm uma sobreposição natural

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entre os elétrons da banda de valência e da banda de condução. Os semicondutores

têm um band gap intermediário entre os dois níveis de energia (Figuras 3.3 e 3.4).

Na prática os elétrons de materiais condutores são capazes de suportar (conduzir)

uma corrente elétrica em qualquer condição, já a capacidade condutora dos

semicondutores depende do emprego de energia, essa energia promove elétrons da

banda de valência para a banda de condução, aumentando a oferta de elétrons

disponíveis para a condução no material. Essa energia vem geralmente na forma de

calor, é por isso que os semicondutores são capazes de conduzir de forma mais

eficaz à medida que têm a sua temperatura aumentada [3].

Figura 3.3 - Diferença enegértica fundamental entre material isolante (a), condutor (b) e semicondutor (c).

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Figura 3.4 - Diagrama representativo dos estados de densidade de: condutor (a), isolantes (b), semicondutores (c) e semicondutor dopado (d) Adaptado de http://www.answers.com/topic/n-type-semiconductor-2#ixzz1AplEpIcV [4].

Os pontos quânticos apresentam diâmetros na escala de 10 a 100 Å. Por

serem tão pequenos, os elétrons e buracos, sofrem um forte confinamento quântico,

modificando as propriedades ópticas desses materiais. Uma nanopartícula de

semicondutor encontra-se em regime de confinamento quântico, quando suas

dimensões são reduzidas a ponto de a diferença entre os valores de energia entre a

banda de valência (BV) e a banda de condução (BC), sejam próximos ou menores

do que as dimensões do raio de Bohr do seu éxciton.

O confinamento quântico pode ser interpretado de forma simples utilizando-se

o modelo de partícula na caixa. Segundo o modelo, um elétron encontra-se

confinado dentro de uma caixa virtual, onde as funções de onda do elétron se

restringem ao interior da caixa, não permitindo ao elétron que se desloque para além

das limitações de suas paredes. Quanto menor forem as dimensões da caixa, maior

a separação energética entre os diferentes níveis. Fazendo-se uma analogia ao

cristal de um semicondutor e definindo as BVs e BCs por funções de onda

apropriadas, quando as dimensões do cristal se reduzem a poucos nanômetros, há

um distanciamento energético entre as bandas, que se reflete no aumento do valor

energético de seu band gap (Eg). Além disso, ocorre uma discretização das BV e da

BC, podendo ocorrer o surgimento de novas bandas durante o processo de

quantização[5].

A sintonização do comprimento de onda de emissão para um mesmo

material, controlando-se o tamanho dos pontos quânticos, ocorre devido ao fato de

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que as diferenças entre os estados energéticos da BV e da BC (Energia do Band

gap: Eg), variam de acordo com o tamanho da partícula, para um mesmo material.

Assim, quanto menor a partícula de um dado semicondutor, maior a diferença de

energia entre os estados da BV e BC, ou seja, maior o band gap (Eg). Assim, nesse

caso, partículas menores tendem a emitir luz em regiões próximas ao azul, enquanto

as maiores devem apresentar luminescência em regiões mais próximas ao vermelho

[1, 6]. A Figura 3.5, ilustra emissão no visível obtida para amostras contendo

diferentes tamanhos de um mesmo ponto quântico, excitadas através de fonte de

radiação eletromagnética na região do ultra-violeta.

Figura 3.5 – Suspensões fluorescentes de nanopartículas coloidais de um mesmo ponto quântico (CdSe) de tamanhos diferentes, sob iluminação UV. (Retirado de http://uwnews.org/uweek/article.aspx?id=42599) [7].

Os primeiros trabalhos que exploraram as características dos pontos

quânticos de semicondutores para fins de utilização como marcadores biológicos,

foram publicados em 1998 [8]. Desde então, surgiram diversas aplicações dessa

classe de materiais como marcadores de estruturas biológicas. Esses novos

métodos vêm apresentando algumas vantagens em relação aos métodos

convencionais para marcação celular e diagnóstico [8]. Dentre elas podem ser

citadas: emissão sintonizável em diversos comprimentos de onda, para um mesmo

material, variando apenas o tamanho da partícula; elevada fotoestabilidade; baixa

toxidade; marcação múltipla simultânea de diversos componentes e estruturas

celulares; além do fato de que os resultados podem ser obtidos com tempos de

incubação da ordem de alguns minutos e o material biológico pode ser analisado no

próprio meio de cultura [8].

Estudos e aplicações dos pontos quânticos de semicondutores revelaram-se

como novas sondas luminescentes para finalidades diagnósticas bastante eficazes.

O direcionamento bem sucedido da partícula para marcar um determinado tipo de

biomolécula, inclui a habilidade de alcançar tecidos e tipos específicos de células.

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Assim, surge um grande interesse na correta funcionalização destas nanopartículas

para que elas consigam transpor os sistemas de filtragem celular, como o sistema

retículo endotelial [9].

Diversos autores mostraram marcações de células e de tecidos inteiros

usando diferentes modificações na superfície de diferentes pontos quânticos. Dentre

os marcadores biológicos fluorescentes atuais utilizam-se corantes orgânicos,

compostos de coordenação de íons lantanídeos e proteínas fluorescentes. As

principais desvantagens envolvidas nestes tipos de marcação são a rápida

fotodegradação (Figura 3.6), alta toxicidade que leva a indução de processos

celulares indesejados [10].

Figura 3.6 - Fotodegradação em função do tempo: antígenos nucleares corados com Alexa Fluor 488® e microtúbulos corados com PQ 605- CdSe (Tempos observados: 0s, 20s, 60s, 120s e 180s). Adaptado de Medintz, 2005 [10].

Utilizando nanopartículas de semicondutores como marcadores biológicos é

possível obter imagens luminescentes de células vivas e estudar suas interações

com os receptores de membrana e possíveis afinidades. Elas também podem ser

utilizadas como biosensores para investigação de processos celulares como, por

exemplo, a endocitose (processo pelo qual as células vivas internalizam materiais,

através da membrana celular). Estudos de materiais vivos ou fixados, utilizando

nanopartículas de semicondutores também são destacados em marcações de

células, tecidos, órgãos e investigação de tumores ou lesões [11].

3.2 Um pouco de química dos colóides

Sabendo que os PQs são preparados a partir de suspensões coloidais

definiremos colóides como misturas heterogêneas de pelo menos duas fases

diferentes, fase dispersa (matéria finamente dividida podendo ser sólido, líquido ou

gás), misturada com o meio de dispersão (também podendo ser sólido, líquido ou

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gás). A ciência dos colóides está relacionada com o estudo dos sistemas nos quais

pelo menos um dos componentes dispersos da mistura apresenta uma dimensão no

intervalo de 1 a 1000 nanômetros (1 nm = 10-9 m). As interações entre partículas

coloidais governam as propriedades dos colóides e dependem do material (carga),

da distância de separação e da quantidade de partículas coloidais dispersas. As

forças externas devido ao campo da gravidade ou ao cisalhamento também

influenciam a interação e as colisões entre partículas. Essas forças de interação

entre as superfícies das partículas coloidais advêm da natureza eletromagnética das

interações presentes na matéria. Nas dispersões coloidais aquosas podem haver: 1)

interação repulsiva de duplas camadas de cargas, 2) interação atrativa de Van der

Waals, 3) interação estérica repulsiva de cadeias de polímeros adsorvidos nas

partículas, 4) interação atrativa de polímeros, 5) interação de moléculas de solvente

(solvatação) e 6) interação hidrofóbica [12].

As partículas coloidais adquirem cargas elétricas na superfície, quando

expostas ao contato com solvente polar, por diferentes mecanismos, tais como:

dissociação de grupos da superfície e adsorção ou dissolução de íons da superfície.

Por isso o equilíbrio químico entre os prótons e a superfície de óxidos é relevante

para compreender o comportamento de dispersões aquosas. A carga da superfície

da partícula influencia a distribuição dos íons da solução na vizinhança, atraindo e

repelindo contraíons e co-íons, respectivamente. Essa distribuição de íons desde a

superfície da partícula até o interior da solução (meio de dispersão) gera diferentes

potenciais [12].

O potencial da interface entre a superfície da partícula e o interior da solução

do meio de dispersão diminui mais rapidamente à medida que aumenta a força

iônica, porque a dupla camada de cargas que se forma ao redor da partícula é

comprimida em direção à superfície pela concentração de íons da solução. Portanto,

as propriedades elétricas dos colóides são governadas pelas interações repulsivas

Coulombianas. No entanto, essa energia de repulsão entre as partículas não garante

a estabilidade das partículas dispersas. Por isso na prática, dispersões coloidais

podem agregar-se e os agregados sedimentam-se rapidamente, como por exemplo

no caso da dispersão de argila em água [12].

As interações atrativas de curto alcance de Van der Waals induzem à

agregação do sistema à medida que as superfícies das partículas se aproximam

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umas das outras. Essas forças de curto alcance são as mesmas provenientes da

polarização de átomos e moléculas (dipolos) constituintes dos sólidos dispersos no

meio polar que separa as partículas. Portanto, a energia total de interação (VT) é a

soma resultante das energias de repulsão (VR) e de atração (VA) indicada na Figura

3.7a [12].

Esta é base da teoria DLVO, desenvolvida independentemente por Derjaguin

e Landau e Verwey e Overbeek, no final da década de 40, para explicar a

estabilidade cinética coloidal. A partir dos modelos e da formulação dessa teoria, o

estudo dos colóides passou a ser considerado com maior rigor científico [12].

A obtenção de nanopartículas coloidais ocorre por reações que permitem

controlar a nucleação e o crescimento das partículas. Os precursores são moléculas

íons ou complexos que contém um ou mais átomos necessários para o crescimento

do nanocristal. Uma vez que os precursores são introduzidos na reação eles se

decompõem, dando forma a uma nova espécie reativa chamada de aglomerado

(cluster). Este irá gerar a nucleação e o crescimento das nanopartículas, este

crescimento é controlado por vários fatores, tais como tempo de reação,

concentração dos reagentes e também pela presença de um surfactante, exemplos,

alquil tióis, fosfinas, fosfatos, fosfonatos, amidas, aminas, ácidos carboxílicos e

compostos aromáticos contendo nitrogênio [12], Figura 3.7b.

(a) (b) Figura 3.7 (a)- Energia potencial (V) de interação partícula-partícula em função da distância

(d) de separação entre duas partículas coloidais (Adap. De QUIM. NOV. NA ESCOLA, 1999) [12]. (b)- Principais etapas envolvidas nas reações de obtenção de semicondutores nanocristalinos Murray et al (Adap. de Quim. Nov., 2010) [13].

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3.3 - Seleneto de Zinco (ZnSe)

Seleneto de zinco é um semicondutor tipo II-VI de band gap, Eg = 2,7 eV, com

emissão azul, prevista para os processos de recombinação elétron-buraco. O ZnSe

é um material constituído de elementos que são naturalmente presentes nos seres

vivos: o selênio é um elemento essencial à saúde humana que atua como a vitamina

na proteção das células contra danos oxidativos; o zinco é um componente

essencial do sítio ativo de muitas enzimas, sendo necessário até mesmo para o

funcionamento adequado do sistema imunológico. Essa baixa citotoxicidade torna

esse material ideal para ser utilizado na forma de nanocristais, como marcadores

luminescentes em processos de biodetecção [14, 15].

Encontram-se descritas algumas metodologias sintéticas para a obtenção de

nanocristais de ZnSe por via coloidal. Uma vertente de autores relata protocolos

embasados em solventes organometálicos de alta toxicidade, especialmente o óxido

de trioctil-fosfina (TOPO) e o estabilizante trioctil-fosfina (TOP). O maior problema

com esse método é que os nanocristais precisam ser extraídos do meio orgânico por

precipitação e em seguida redispersados em meio aquoso antes de serem utilizados

nas amostras alvo. Isso resulta numa modificação na qualidade do ponto quântico,

com a conseqüente redução da qualidade da emissão. Outra desvantagem são as

altas temperaturas dos protocolos sintéticos, da ordem de 300º C [15, 16].

Outros métodos descritos são reações de obtenção executadas em meio

aquoso as quais também têm limitações: baixa luminescência dos PQs obtidos; uso

de precursores tóxicos, a exemplo do H2Se (gerado in situ) ou de hidrazina, como

agente anti-oxidante; implementação de metodologias que exijam aparelhagem

especializada, como por exemplo, ambiente de atmosfera inerte, o que prejudica a

obtenção de material em larga escala [16].

3.4- Dopagem de Semicondutores e Seleneto de Zinco Dopado com

Manganês

A dopagem de semicondutores nanocristalinos corresponde à introdução de

uma pequena quantidade de “impurezas” dentro da rede cristalina do material,

apresentando-se como uma estratégia que tem sido investigada visando a

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otimização das propriedades ópticas dos semicondutores nanocristalinos. Um

exemplo, comumente relatado na literatura, é a dopagem de semicondutores II-VI

com íons paramagnéticos como o Mn2+ (S = 5/2), o que faz com que esses materiais

sejam estáveis e também apresentem interessantes propriedades magnéticas [17].

Bhargava et al. [17] foram os primeiros a relatarem a obtenção de

nanopartículas de ZnS dopados com manganês, que apresentaram excelentes

propriedades de emissão, mesmo quando os nanocristais de ZnS não eram de alta

qualidade. Peng e colaboradores [18], descreveram algumas rotas sintéticas para a

produção de ZnSe dopados com Cu e Mn, que apresentaram um aumento no

rendimento quântico de fotoluminescência de até 70%, quando comparados com os

sistemas sem o dopante.

No processo de dopagem, é de fundamental importância que os íons

adicionados apresentem a mesma valência e, além disso, possuam raios iônicos

semelhantes aos íons hospedeiros, a fim de se evitar a migração dos dopantes para

a superfície, muitas vezes realizada pelos próprios hospedeiros como um processo

natural de purificação. Murphy et al [19] e mais recentemente Erwin et al [20]

relataram um estudo envolvendo as mudanças das propriedades ópticas de

nanopartículas de ZnS, quando as mesmas foram submetidas à dopagem com íons

Mn2+ “pelo lado de fora” e “pelo lado de dentro” da rede cristalina desse material. O

esquema ilustrativo apresentado na Figura 3.8 ilustra esses diferentes tipos de

dopagem. Os autores verificaram que a localização dos íons Mn2+ determina as

propriedades ópticas do material hospedeiro, uma vez que as nanopartículas de ZnS

apresentaram emissões nas regiões laranja e ultravioleta do espectro, quando a

adição do íon foi realizada “pelo lado de fora” e “pelo lado de dentro” da rede

cristalina, respectivamente.

Figura 3.8 - Esquema ilustrativo das duas maneiras distintas de se realizar a dopagem com íons Mn2+ em nanocristais de ZnS. Adaptado de Barghava et al. [17].

Além disso, tempos de vida de decaimento de fotoluminescência mais curtos

foram obtidos quando a dopagem foi realizada “pelo lado de fora” dos nanocristais.

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Isso ocorre devido a uma reorganização dos estados emissores, que é verificada

apenas quando os íons Mn2+ estão localizados na superfície do material hospedeiro,

Erwin et al [20] relataram um estudo cinético para o entendimento do processo de

dopagem em nanocristais semicondutores. O modelo propõe que somente as

impurezas remanescentes, na superfície dos nanocristais, por um período de tempo

comparável à taxa de crescimento dos mesmos, devem ser incorporadas dentro

desses materiais. Vale ressaltar que a morfologia da superfície, a forma dos

nanocristais e a natureza dos ligantes são alguns fatores que influenciam o tempo

de residência das impurezas na superfície dos nanocristais e, portanto, são de

fundamental relevância para o processo de dopagem [21].

Nanocristais de ZnSe dopados com manganês (ZnSe:Mn) são termicamente

estáveis, apresentam espectros de absorção e emissão característicos. Espectros

de absorção e emissão de ZnSe:Mn estão ilustrados na Figura 3.9, onde é possível

observar que o método de dopagem é eficiente, produzindo 100% de nanocristais

dopados, sem sinais de emissão do ZnSe. Além disso, é possível verificar que o

sistema ZnSe:Mn apresenta uma grande separação entre a absorção e emissão, o

que o torna bastante interessante do ponto de vista tecnológico.

Figura 3.9- Espectros de absorção e emissão para pontos quânticos de ZnSe (a) e ZnSe dopado com Mn2+ (b), adap. de química nova [13].

Do ponto de vista sintético, as reações para produção do ZnSe:Mn apresenta

problemática semelhante a obtenção de ZnSe, onde são utilizados solventes

organometálicos de alta toxicidade, exemplo, TOP (trioctil-fosfina) e THF

(tetrahidrofurano), além de atmosfera inerte de hélio e elevadas temperaturas

(310°C), tornando esse processo de alto custo e poluente [22].

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3.5 - Fotoativação

O processo denominado Fotoativação (photoactivation) corresponde à ação

de luz UV-Vis sobre PQs para resultar em aumento de sua luminescência produzida

quando os pontos quânticos (PQs) são irradiados com luz. É também conhecido

como Foto-Melhoramento (photoenhancement) ou Foto-Brilho (photobrightening).

Não muito tempo atrás, os relatórios sobre o aumento do rendimento quântico como

resultado de irradiação de luz surgiu primeiramente nos estudos de Cordeiro et al

[23], que mostrou os efeitos da irradiação de luz no TOP/TOPO-CdSe. Em seguida,

Jones et al [24], também relataram o aumento da fotoluminescência de CdS e CdSe.

Nos anos subseqüentes, o mesmos resultados foram obtidos por outros que

trabalham com o mesmos sistemas PQs (CdSe, CdSe/CdS, CdSe/ZnS em solventes

orgânicos não-polares). Este fenômeno também foi observado em diferentes tipos

de PQs, exemplo, Bol et al. [25] observou o aumento no rendimento quântico em

PQs de ZnS:Mn após irradiação por luz UV. Paralelamente a isso, outros trabalhos

observaram que este fenômeno também ocorre em PQs solúveis em água, como o

citrato-CdSe, cisteína CdSe, ácido tioglicólico-CdSe, ácido mercaptopropionico-

CdSe, ácido mercaptosulfonico-CdSe e ácido tioglicólico-CdTe [26].

Todos os grupos de pesquisa trabalharam com diferentes PQs e em

diferentes meios e obtiveram resultados experimentais semelhantes, o que significa

que todos esses experimentos de fotoativação tiveram pontos comuns. As pesquisas

mostraram que a luz promovia deslocamentos espectrais para comprimentos de

onda mais curtos, tanto na absorção e luminescência, e esses picos característicos,

deslocamento para o azul (blue shift) indica uma diminuição no tamanho das

partículas durante a irradiação. Além disso, alguns autores observaram que os

tempos exposição a irradiação (PQs em meio aquoso) presença de água e oxigênio,

eventualmente, levou a uma diminuição na eficiência quântica de luminescência [27].

Para explicar este fenômeno experimental, vários mecanismos, têm sido

propostos, a existência de diferentes mecanismos relatados dá origem a uma série

de perguntas. Os pesquisadores notaram que o mecanismo de ação do processo de

fotoativação não é necessariamente o mesmo para todos esses sistemas, e que a

principal razão para o melhoramento da luminescência é a suavização da superfície

do núcleo dos PQs e a eliminação dos defeitos de superfície. No entanto, Carrion et.

al. [27] diz que é possível distinguir diferentes tipos de fotoativação de acordo com a

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estratégia seguida. Ao passivar os defeitos de superfície dos PQs, verificamos um

processo de reconstrução ou reorganização da camada de átomos de uma

determinada superfície do nanocristais. Baseado em suas pesquisas, propuseram

quatro vias principais para o fenômeno fotoativação:

• Fotoativação devido à indução de calor pela luz (Fotoaquecimento-

Photoannealing)

A luz transmite calor e produz um aumento da temperatura da solução, o que

induz a reconstrução dos átomos da superfície dos nanocristais. Luz e calor

aquecem a superfície dos pontos quânticos, removendo ligações insaturadas

associadas a enxofre, selênio e telúrio (átomos presentes na superfície de CdSe e

CdTe, respectivamente). Logo após o tratamento térmico da luz, o aumento

rendimento quântico (QY) pode ser obtido, isto é observado em PQs que possuem

solventes orgânicos apolares (como clorofórmio, hexano, tolueno) como meio

reacional [28]. O mecanismo para esse fenômeno encontra-se ilustrado na Figura

3.10.

Figura 3.10 - Esquema ilustrativo da via de fotoativação em PQs em meio reacional de solventes orgânicos e alterações na intensidade de sua fotoluminescência (PL) sob diferentes condições atmosféricas. Em (A) Fotoaquecimento, em (B) Fotoaquecimento + Fotooxidação, no início e Fotocorrosão no término. (Adap. de CARRION, 2009) [27].

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• Fotoativação devido à adsorção de moléculas de água sobre a superfície

do PQs

Este rota é o resultado do efeito estabilizador da água em coordenação com

a superfície. Esse mecanismo tem sido observado em meio aquoso ou em solventes

orgânicos em presença de O2. Este fenômeno divide-se em duas etapas: na primeira

etapa foi observado que as moléculas de água adsorvidas à superfície do ponto

quântico passivam as armadilhas presentes nesta superfície, o que significa que as

moléculas de água são responsáveis pelo aumento da luminescência inicial. Quando

o oxigênio está presente na solução aquosa, a ativação da fotoluminescência é

acelerada, porque induz uma lenta fotocorrosão, resultando na liberação de Cd2+ de

acordo com as seguintes reações:

CdS + 2H2O + O2 → Cd2+ + SO42- + 4H+

CdSe + H2O + O2 → Cd2+ + SeO32- + 2H+

Na segunda etapa foi observado que houve uma redução no tamanho das

nanopartículas, esse fato foi verificado através da mudança no espectro de emissão

(blue shift). Posteriormente os pesquisadores citam a formação de Cd-OH, essa

produção acarreta em um aumento significativo da fotoluminescência. Isto sugere

que a formação de uma camada de CdOH ou Cd(OH)2 auxilia na eliminação de

defeitos de superfície. A formação de Cd-OH é facilmente obtida em uma solução

com um pH muito elevado, no entanto, os longos tempos de exposição à luz criam

novos defeitos na camada de hidróxido na superfície dos PQs que vão

“amortecendo” a emissão dos éxcitons, resultando em um menor rendimento

quântico e assim diminuição da luminescência [29].

Isto significa que há uma competição entre a passivação de defeitos

superficiais por moléculas de água adsorvidas, o que aumenta a luminescência, e a

fotooxidação (ou seja, um processo de oxidação catalisada pela luz) da camada de

hidróxido formada em uma etapa anterior a essa fase, o que diminui a eficiência da

luminescência [26].

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• Fotoativação devido à estabilização com moléculas surfactante ou passivação de ligantes de superfície

Este caminho consiste na fotoindução do rearranjo de

moléculas de surfactantes (como o TOPO/TOP, hexadecilamina em solventes

orgânicos) ou outras moléculas, tais como ácido mercaptoacético, ácido

mercaptopropiônico, ácido mercaptosulfônico, citrato, cisteína, etc, em meio aquoso.

Eles estabilizam (passivam) os defeitos na superfície do ponto quântico,

resultando em aumento da luminescência. Sabe-se que os pontos quânticos obtidos,

geralmente CdSe, têm uma camada exterior apolar, composta principalmente por

TOPO, este composto possui afinidade para se ligar ao cádmio, dessa forma,

deixando átomos de selenio parcialmente expostos na superfície, induzindo assim a

vias de decaimento não-radiativos, e com isso ocorre a diminuição do rendimento

quântico com a prolongada exposição à luz [24, 30, 32] .

• Fotoativação devido à fotooxidação

Em alguns casos, o mecanismo do processo de fotoativação é claramente

relacionada com a fotooxidação da superfície do nanocristal, que é bem conhecido

por afetar nanopartículas formadas por calcogenetos em água na presença de

oxigênio, levando a uma transferência de elétrons para o oxigênio dissolvido na

água. Uma vez que estes elétrons são removidos, a luminescência é muito maior

[33, 34, 35].

O mecanismo desse processo segue da seguinte forma: espécies aceptoras de

carga resultantes da adsorção de luz são presas na superfície dos PQs, devido à

desigual topografia. O éxciton estimula as reações com o oxigênio presente no

ambiente aumentando a produção de espécies reativas de oxigênio (O2→O2-),

exemplo, o oxigênio singleto (1O2). Como resultado, os átomos aderidos à superfície

(ex.: S, Se e Te) também são oxidadas (SO42-, SeO2 e TeO2, respectivamente).

Como resultado principal da fotooxidação, temos a gradual erosão dos defeitos de

superfície e com isso redução dos decaimento não-radiativo dos éxcitons,

aumentando o rendimento quântico, fato observado após fotoativação, onde verifica-

se a emissão em comprimentos de onda menores (blue shift) e a ampliação do

espectro de emissão PQs (devido a diminuição do diâmetro das partículas). Assim,

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neste caso, é possível concluir que o aumento da intensidade de luminescência

ocorre somente após um certo grau de modificação da superfície, além disso, foi

verificado que a exposição ao ar (Oxigênio), sem luz não é suficiente para ativar a

luminescência mesmo em temperaturas elevadas [27].

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3. 6- Referências [1] BRUCHEZ, JR.; MORONNE, M.; GIN, P.; WEISS, S.; ALIVISATOS, A. P. Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels. Science, 281 (5385) 2013-2016, (1998). [2] BALLOU, B.; LAGERHOLM, B. C.; ERNST, L. A.; BRUCHEZ, M. P.; WAGGONER, A. S.. Noninvasive Imaging of Quantum Dots in Mice. Bioconjugate Chem., 15 (1) 79-86, (2004). [3] CHAVES, C. R. Síntese e caracterização de nanopartículas de sulfeto de cádmio: aplicação biomédicas. 2006. 111 f. Dissertação de Mestrado em Ciências de Materiais. Recife: Universidade Federal de Pernambuco - UFPE, (2006). [4] N-type semiconductor, disponível em: <http://www.answers.com/topic/n-type-semiconductor-2#ixzz1AplEpIcV> Acesso em: 11 de Fevereiro de 2011. [5] WU, A. M.; GAMBHIR, S. S.; WEISS, S. Quantum Dots for Live Cells, in Vivo Imaging and Diagnostics. Science, 307 (5709) 538-544, (2005). [6] CHAN, W. C.; NIE S. Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection. Science, 281 (5385) 2016-2018, (1998). [7] University week, disponível em: <http://uwnews.org/uweek/article.aspx?id=42599> Acessado em: 03 de Fevereiro de 2011. [8] FARIAS, P. M. A.; SANTOS, B. S.; MENEZES F. D.; CESAR C. L.; FONTES, A.; LIMA, P. R. M.; BARJAS-CASTRO, M. L.; CASTRO, V.; FERREIRA, R. CdS Quantum dots, efficient fluorescent markers for red cells, J. Microscopy, 219 (3) 103-108, (2005). [9] ÅKERMAN, M. E.; CHAN, W. C. W.; LAAKKONEN, P.; BHATIA, S. N.; RUOSLAHTI, E. Applied Biological Sciences, Nanocrystal Targeting In Vivo, 99 (20) 2617–12621, (2002). [10] MEDINTZ, I. L.; UYEDA, H. T.; GOLDMAN, E. R.; MATTOUSSUI, H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing, Nature Materials, 4, 435-446 (2005) [11] MENEZES, F. D.; BRASIL JR., A. G.; MOREIRA, W. L.; BARBOSA, L. C.; CESAR, C. L.; FERREIRA, R.; FARIAS, P. M. A.; SANTOS, B. S. CdTe/CdS core shell quantum dots for photonics applications, Microelectronics Journal, 36 (11) 989-991, (2005). [12] JUNIOR, M. J.; VARANDA, L. C. O mundo dos colóides, Química Nova na Escola, 9, 9-13, (1999).

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Capítulo 4 Metodologia

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4. METODOLOGIA 4.1- Obtenção de nanopartículas de ZnSe:Mn

Em linhas gerais, pode-se dizer que os nanocristais de ZnSe:Mn aqui

desenvolvidos foram obtidos dentro de uma abordagem de crescimento tipo bottom-

up, partindo-se da nucleação de unidades [ZnSe]n a partir dos íons Zn+2 e Se-2

gerados no próprio meio reacional a partir da dissolução do sal ZnSO4.7H2O e da

redução do selênio metálico, respectivamente. A dopagem com íons manganês

ocorreu através da adição de MnSO4.H2O ao meio reacional contendo Zn2+(aq).

Numa reação de obtenção representativa colocou-se 8,36 mmols de uma

solução 4,9% de ácido mercaptoacético (AMA) em um balão de duas bocas com

fundo redondo (100 mL) e elevou-se o pH para 11 utilizando soluções aquosas

diluídas de NaOH. Em seguida adicionou-se 2,2 mmol de uma solução de

ZnSO4..7H2O à 0,04 M, totalizando um volume de 55 mL. Montou-se um sistema de

refluxo utilizando uma manta aquecedora, condensador, septo de látex e gás

Argônio.

Na Tabela 4.1 estão todos os reagentes que foram utilizados na obtenção.

Utilizou-se água ultra-pura (Milli-Q) com resistividade de 18,2MΩ/cm no preparo de

todas as soluções aquosas e como meio reacional.

Tabela 4.1 - Materiais utilizados para a obtenção do ZnSe e de ZnSe:Mn, utilizando-se AMA como estabilizante.

Reagentes Utilizados Descrições adicionais

Selênio em pó ~100 mesh, 99.5+ %, Aldrich

Ácido mercapto-acético 98%, Acros organics

Borohidreto de sódio 98%, em grânulos, Sigma-Aldrich

Sulfato de Zinco hepta-hidratado P.A. Dinâmica Reagentes Analíticos

Hidróxido de sódio 99%, Dinâmica Reagentes Analíticos

Sulfato de Manganês Mono-hidratado 98%, em pó, Sigma-Aldrich

A próxima etapa consistiu na preparação da fonte de íons seleneto (Se2-):

adicionou-se 0,0788 g (1 mmol) de selênio metálico (Se0) em um balão seco e em

seguida adicionou-se a este 0,0800 g (2,1 mmol) do agente redutor borohidreto de

sódio (NaBH4). Os pós foram misturados à seco, até formarem uma massa

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homogênea de cor acinzentada. Em seguida, utilizando a capela, foi adicionado

lentamente cerca de 8 mL (4 mmol) de NaOH 0,5 M, mantendo-se o sistema sob

constante agitação e em temperatura ambiente. O processo de redução do selênio

dura cerca de 30 minutos sendo evidenciada pela coloração de um tom acastanhado

característico de selênio reduzido.

Após o início do refluxo, injetou-se, por meio de uma seringa a solução, Se2-

gerado pelo método de redução anteriormente mencionado na solução contendo

Zn2+ e AMA para os PQs de ZnSe e na solução contendo Zn2+, AMA e Mn2+ para o

ZnSe:Mn. O tempo total de refluxo foi de 90 minutos (Figura 4.1). As dispersões

obtidas foram armazenadas em atmosfera não-inerte, a 4ºC e ao abrigo da luz. Em

seguida alíquotas de 3 mL foram coletadas e submetidas à fotoativação.

Figura 4.1 - Esquema da obtenção de ZnSe e ZnSe:Mn.

4.2 - Experimentos de Fotoativação

Utilizou-se uma câmara de fotoestabilidade, contendo uma lâmpada com

emissão no ultravioleta cuja dose de irradiação foi mensurada através de

radiometria, dose por hora = 14,48 W/m2 [1]. Foram coletadas 25 amostras de 3 mL

cada das suspensões recém preparadas. Uma amostra de cada reação de obtenção

foi recoberta com papel alumínio e foi para a câmara de fotoativação servindo como

controle. Após o início da incidência da radiação UV, a cada intervalo de tempo

determinado pela dose de irradiação de luz UV do estudo de DCCR, as amostras

foram retiradas da câmara e envolvidas em papel alumínio e guardadas a 4ºC, para

serem posteriormente analisadas por espectroscopia de absorção, emissão e

quantificação dos íons Mn e Zn através de ICP.

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Figura 4.2- Câmara de fotoestabilidade desenvolvida por Azevedo et. al.[1] utilizada no processo de fotoativação dos nanocristais.

4.3- Caracterização óptica e estrutural

Realizou-se caracterização por espectroscopia de absorção eletrônica no UV-

Vis, com intuito de se confirmar a formação das nanopartículas de ZnSe:Mn através

das bandas de absorção das mesmas, em solução com água Milli-Q (1:20), bem

como ter uma estimativa do tamanho médio das mesmas, através da equação de

Brus (Eq. 4.1) [2]. Neste procedimento, utilizou-se um espectrofotômetro de alta

resolução modelo Cary 50 Bio (Varian – USA).

Eq. 4.1

Onde:

E*= energia máxima absorvida

Eg= energia de band gap (2,8 eV para ZnSe)

h= constante de Planck

R= raio do nanocristal

e= carga elementar

me= massa efetiva do elétron

mh= massa efetiva da lacuna

ε= permissividade

Os espectros de emissão e excitação dos pontos quânticos, foram realizadas

em um espectrofluorímetro ISS K2 com uma lâmpada de xenônio de 300W como

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fonte de excitação. Durante a varredura foi aplicado passo de 1 nm e empregadas

fendas de excitação e emissão de 1.0 mm. Pretende-se por meio dos espectros de

emissão, observar em que região do espectro eletromagnético os pontos quânticos

apresentam o máximo de emissão (fluorescência). Os espectros de excitação nos

fornecem informações relativas às transições excitônicas, exibindo as regiões

espectrais nas quais se devem excitar as nanopartículas para se ter um máximo de

emissão.

Os difratogramas de Raios-X foram utilizados para calcular o tamanho médio

das nanopartículas, além de fornecerem informações relativas ao arranjo estrutural

do material e perfil de cristalinidade. As amostras de ZnSe:Mn preparadas para

análise de DRX foram precipitadas com álcool isopropílico absoluto como agente

desestabilizante do meio coloidal, seguido de centrifugação.

Figura 4.3 - Difratômetro de Raios X do CBPF (retirado de http://www.cbpf.br/~raiox/) [3].

Estas análises foram realizadas no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas

(CBPF) em um aparelho Seifert, modelo ID 3000 com difratômetro de alta resolução

(Zeiss HZG$), com biblioteca cristalográfica e radiação incidente Kα(Cu)= 1,542 Å.

Por meio dos difratogramas obtidos estimou-se o tamanho médio dos pontos

quanticos, utilizando a equação de Scherrer (Eq. 4.2) [4]:

0,9× λ = d × β ×cos θ (4.1)

onde:

d = diâmetro médio das nanopartículas (em nm);

λ = comprimento de onda dos Raios-X incidentes (λ = 0,1542 nm);

β = largura da meia banda do máximo de intensidade em radianos;

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θ = centro angular do pico mais intenso.

Foram obtidas imagens de microscopia eletrônica de transmissão (MET)

utilizando um microscópico de alta resolução 300 kV (JEOL 3010 URP, resolução de

até 1,7 Å) no Laboratório Nacional de Luz Síncroton (LNLS).

4.4- Análises em Plasma Indutivo Acoplado (ICP)

A quantificação do manganês presente nas amostras foi realizada no Instituto

de Tecnologia de Pernambuco (ITEP) por meio da técnica de ICP em equipamento

ICP-OES (Espectometria de Emissão Ótica com Plasma Indutivo Acoplado), marca

Spectro, modelo Spectro CirosCCD.

Esta é uma técnica de análise quimica instrumental que faz uso de uma fonte

de excitação de plasma de argônio à alta temperatura (7.000 - 10.000 K) para

produzir, em uma amostra introduzida sob forma de neblina no centro do plasma,

átomos excitados que emitem radiação em comprimentos de onda na faixa de 125 a

950 nm, característicos dos elementos nela presentes. As radiações emitidas, após

conveniente separação de seus comprimentos de onda por sistemas ópticos, têm

suas intensidades respectivas medidas por meios de detectores de radiação

específicos (fotomultiplicadores-PMT ou detectores de estado sólido-CCD) e

correlacionadas às concentrações correspondentes através de curvas de calibração

obtidas pela medição prévia de Padrões Certificados de Referência (CRM -

Certificate Reference Material) [5, 6].

Foram separadas 5 mL de cada uma das 6 amostras para análises, todas as

amostras foram enviadas em triplicata, totalizando 18 (dezoito) amostras. As

amostras foram separadas e codificadas de acordo com a quantidade de Mn2+

calculado empiricamente.

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Figura 4.4- Esquema representativo de um Espectrômetro de Emissão Óptico com Plasma Indutivo Acoplado. Adaptado de: http://www.aandb.com.tw/Page0001/icp_oes_01_optima_7x00_dv.html [7].

4.5 - Estudo quimiométrico do tipo Delineamento Composto Central

Rotacional (DCCR)

Foi proposto um planejamento fatorial com a finalidade de analisar a

intensidade de emissão na região do vermelho (580 nm) das nanopartículas

sintetizadas. O planejamento fatorial é uma ferramenta estatística na qual se pode

variar mais de um fator, em determinado experimento, e observar os efeitos

causados por essa variação no sistema [8]. Foi realizado um planejamento fatorial

completo 22, incluindo quatro pontos axiais e três repetições no ponto central foi

realizado totalizando 11 ensaios. As Tabelas 4.2 e 4.3 apresentam as variáveis

utilizadas bem como os valores das concentrações de Mn2+ utilizados no

planejamento.

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Tabela 4.2- Valores da concentração de manganês dopante no estudo de DCCR

Código Volume (µL)* Concentração (mmol)

DCCR 0 0 0

DCCR 1 7,25 0,145

DCCR 2 25,00 0,500

DCCR 3 42,70 0,854

DCCR 4 50,00 1,000

* Esse volume foi retirado de uma solução estoque de MnSO4 à 0,2 M

Tabela 4.3- Variáveis utilizadas no planejamento fatorial

Variáveis Código -1,41 -1 0 1 +1,41

Quantidade de manganês

(mMol) x1

0 0,145 0,5 0,854 1

Dose de radiação

ultravioleta (Wh/m2) x2

0 3,147 10,83 18,58 21,67

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4.6- Referências [1] AZEVEDO FILHO, C. A.; Construção da câmara de fotoestabilidade, estudo da fotodegradação da vitamina A e ação antioxidante do polifosfato de sódio em misturas de nutrição parenteral. Dissertação de Mestrado em Ciências Farmacêuticas, Universidade Federal de Pernambuco: Recife, (2008).

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Capítulo 5 Resultados e Discussões

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5 RESULTADOS E DISCUSSÕES 5.1- Obtenção de nanopartículas de ZnSe e ZnSe:Mn

A reação de formação das suspensões de nanopartículas de ZnSe ocorre

segundo as Equações 5.1 e 5.2 e de partículas ZnSe:Mn segundo a Eq. 5.3:

Inicialmente ocorre a desprotonação dos grupamentos carboxilatos (pKCOOH=

3,6) e sulfidrilas (pKSH= 10,55) do ácido mercaptoacético, com a solução mantida

num pH acima do valor do pKa de ambos, garantindo uma maior concentração da

forma ionizada no meio reacional. Isto deslocará o equilíbrio para a formação dos

produtos mantendo o estabilizante preferencialmente complexado ao íon Zn2+.

Observa-se também, após a injeção do Se2-, a presença de uma coloração amarela

no sistema nos primeiros 30 minutos de reação (Figura 5.1). Essa cor vai

desaparecendo com o decorrer da reação e, ao final, o meio volta a apresentar-se

totalmente incolor.

(a) (b) (c)

Figura 5.1- Mudança de coloração da reação após a injeção de Se2- no meio contendo íons Zn2+. Em (a) solução inicial de Zn2+-AMA, (b) após adição de Se2- e (c) formação de ZnSe depois de 30 minutos de reação.

Durante a adição da solução de Mn2+(aq) no sistema contendo os íons Zn2+

observa-se a mudança de coloração do incolor (transparente) para o verde e

posteriormente retornando ao incolor após a adição de Se2-(aq), Figura 5.2.

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(a) (b) (c)

Figura 5.2- Mudança na coloração da reação de obtenção de ZnSe:Mn. (a) Coloração inicial incolor do sistema contendo íons Zn2+ + AMA em pH=11,0, (b) coloração verde após a adição de íons Mn2+ e (c) retorno à coloração inicial incolor após adição de solução aquosa contendo Se2- seguido do aquecimento por 90 minutos.

Após a reação de obtenção das nanopartículas os sistemas apresentam-se

visualmente homogêneos incolores, porém quando submetidas à luz ultravioleta (λ=

365 nm) evidenciam-se suas propriedades luminescentes: emissão na região do

azul do ZnSe e a emissão no laranja-vermelho do ZnSe:Mn, Figura 5.3. Tais

partículas são estáveis a T = 4°C e ao abrigo da luz por pelo menos 2 meses, após

esse período as mesmas apresentam sinais de alteração na estabilidade inicial

como a presença de precipitados, estes comprometem suas propriedades ópticas e

luminescentes [1].

(a) (b)

Figura 5.3 - Luminescência característica de ZnSe em (a) e de ZnSe:Mn em (b). 5.2 – Caracterização estrutural dos sistemas

Observando os difratogramas (Figura 5.4) verifica-se que o pó analisado

apresenta um alargamento das linhas correspondentes aos planos cristalinos,

sugerindo que se tratam de materiais de tamanho nanométrico (ou seja, no limite de

detecção). Utilizando cartões de identificação da biblioteca cristalográfica JCPDS

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(Joint Committee on Powder Diffraction Standards), confirmamos que os picos mais

intensos correspondem ao sistema cristalino cúbico do ZnSe, do tipo blenda de

zinco (Figura 5.5). Essa estrutura é esperada para estes tipos de compostos [2].

Empregando a equação de Scherrer (Seção 4.3), estimou-se que as NPs analisadas

apresentam diâmetro médio entre 2 – 3 nm.

10 20 30 40 50 600

100

200

300

400

500

(331)(220)

Inte

nsid

ade

(u.a

.)

2 θ

(a)

(100)

Figura 5.4 - Difratogramas de Raios X de pó representativas de (a) ZnSe e (b) ZnSe:Mn.

Figura 5.5 - Estrutura da blenda de zinco, em vermelho os átomos de Zinco e em dourado os átomos de Selênio [3].

10 20 30 40 50 600

100

200

300

400

500

Inte

nsi

dade (

u.a

.)

(b)(100)

(220)

(331)

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(a) (b)

(c) (d)

Figura 5.6 - Imagens de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) de ZnSe:Mn (a) Barra = 20 nm, (b) Barra = 10 nm, (c) e (d) Barra de escala = 5 nm. Círculos evidenciam partículas.

Os resultados das microscopias (Figura 5.6) foram corroborados com o

cálculo teórico da estimativa do tamanho médio das partículas por meio da equação

de Scherrer (Seção 4.3) e encontram-se de acordo com os dados da literatura [4].

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5.3 Estudo espectroscópico das suspensões de ZnSe e ZnSe:Mn

● Espectroscopia de absorção eletrônica

Através dos espectros de absorção é possível verificar qualitativamente a

homogeneidade de tamanho das partículas, além de estimar sua dispersão de

tamanho [4]. A Figura 5.7 mostra espectros de absorção representativos dos pontos

quânticos de ZnSe e ZnSe:Mn. O início da banda λ < 400 nm evidencia que os

sistemas se encontram dentro do regime de confinamento quântico [4]. O primeiro

máximo da banda (banda de menor energia) encontra-se pouco definido em alguns

espectros, porém melhor evidenciados em outros (Figs. 5.7(a) e (b) respectivamente.

A estimativa do máximo de absorção para a Figura 5.7(b) demonstra λ = 313 nm.

Este valor inserido na Equação 4.1 resulta numa estimativa de tamanho de

partículas de diâmetro d = 3,2 nm, valor que se aproxima das estimativas obtidas na

análise por difratometria de raios-X e por MET.

Figura 5.7 - Espectros de absorção eletrônica representativos de suspensão de partículas de ZnSe (a) e ZnSe:Mn (b) antes (em preto) e depois do processo de fotoativação (em vermelho). A seta indica a posição referente ao bandgap do ZnSe macroscópico (> 10 nm).

Com relação à dispersão de tamanho dos nanocristais, analisando-se a

banda de absorção do espectro de ZnSe, verifica-se um máximo de absorção pouco

definido na região entre 350 e 300 nm (Figura 5.7a) indicando que o sistema

apresenta uma razoável dispersão de tamanho. Já o espectro de absorção do

ZnSe:Mn apresenta um máximo de absorção bem definido em 313 nm, mostrando

250 300 350 400 450 500 550 600 650 7000,0

0,5

1,0

Ab

sorç

ão (

u.a

.)

Comprimento de Onda (nm)

ZnSe:Mn controleZnSe:Mn FA 90'

(b)

2,7 eV (460 nm)

(3,96 eV (313 nm)

250 300 350 400 450 500 550 600 650 7000,0

0,5

1,0

Ab

sorç

ão

(u

.a.)

Comprimento de Onda (nm)

ZnSe ControleZnSe FA 90'

(a)

2,7 eV (460 nm)

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dispersão de tamanho inferior ao do ZnSe, mostrado na Figura 5.7b. Para ambos

nanocristais verifica-se que o máximo de absorção encontra-se bem acima do valor

do band gap do ZnSe (Eg = 2,7 eV) indicando que as partículas encontram-se em

forte regime de confinamento quântico [4 e 5].

Outra informação interessante é o fato de o perfil da banda de absorção das

partículas contendo Mn2+ ser muito similar ao das partículas não dopadas, indicando

que a quantidade de dopante não foi suficiente para mudar o espectro.

Como descrito na Seção 4.2, as amostras foram levadas ao processo de

fotoativação (FA) por diferentes intervalos de tempo em uma câmara de

fotoestabilidade com dose controlada de radiação. A Figura 5.7 apresenta os

espectros de absorção dos sistemas dopados e não dopados após FA de 90

minutos. Comparando-se os espectros de absorção do ZnSe fotoativado e não

fotoativado (Figura 5.7 a), verifica-se que houve uma discreta alteração do padrão

de absorção no espectro principalmente na diminuição da intensidade. Como os

máximos e a faixa da banda permaneceram essencialmente os mesmos

compreende-se que não houve alteração do tamanho dos nanocristais durante o

processo de FA, conseqüência natural dos processos oxidativos avançados que

podem ocorrer na superfície das partículas induzindo sua corrosão.

● Espectroscopia de emissão e excitação eletrônica do ZnSe

De uma forma geral, observa-se que as suspensões de ZnSe apresentam

emissão azul fraca e as suspensões de ZnSe:Mn podem ou não apresentar emissão

de coloração laranja avermelhada assim que preparados. O processo de

fotoativação destes sistemas demonstrou-se eficiente para aumentar a emissão

original observada para estes materiais. A Figura 5.8 apresenta o espectro de

emissão e excitação de uma suspensão de ZnSe após ser submetida ao processo

de FA até 35 min. Observa-se que os espectros de emissão ZnSe apresentam

máximo de excitação em λexc = 368 nm para emissão observada em λem = 408 nm.

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300 350 400 450 500 550 600

0

30000

Inte

nsi

dade

Comprimento de Onda (nm)

35 min 0 min

5 min 10 min 15 min 25 min Excitação

Exc

Em

Figura 5.8 - Espectros de emissão de ZnSe em diferentes tempos de exposição a radiação UV e o respectivo espectro de excitação da suspensão FA por 35 min. Em = emissão; Exc = excitação. Fotografia da suspensão sob excitação em 365 nm.

A largura de banda a meia altura (FWHM) da banda de emissão de maior

intensidade da Figura 5.8 é FWHM = 26 nm. Esta largura é relativamente fina e

característica de emissão originada pela recombinação excitônica do elétron da

banda de condução com o buraco na banda de valência (Seção 3.1). A banda larga

com máximo em torno de 460 nm já foi observada em outros sistemas e é

caracterizada como sendo emissão originada nos defeitos existentes na estrutura do

cristal, principalmente defeitos inerentes da rede cristalina [4, 5 e 6].

A Figura 5.9 descreve os possíveis mecanismos de decaimento do elétron

excitado da banda de condução para a banda de valência.

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Figura 5.9 – Esquema das principais vias de decaímento do elétron populando a banda de condução do ZnSe:Mn em (a). Em (b) diagrama de Tanabe-Sugano mostrando a transição eletrônica do íon Mn2+ [7].

A Figura 5.8 evidencia que durante a FA, ocorre um aumento da intensidade

de emissão da banda em 408 nm proporcional ao aumento da dose de exposição à

radiação UV. O mecanismo pelo qual esse processo ocorre ainda não está bem

esclarecido, mas CARRION et. al. tentam explicar esse mecanismo da seguinte

forma (esquematizado na Figura 5.10):

Etapa (1) Foto-oxidação dos grupos tióis presente na superfície do nanocristal,

produzindo moléculas de dissulfeto, que são solúveis em água. Como resultado, a

superfície hidrofóbica do PQs é exposta ao ambiente aquoso.

Etapa (2) Ocorre adsorção de moléculas de H2O ou moléculas de ZnS na superfície

PQ. Estas moléculas são responsáveis pela diminuição dos defeitos de superfície

pois elas têm a função de passivar a superfície do nanocristal, e dessa forma

aumentar a luminescência do semicondutor.

Etapa (3) Foto-oxidação da superfície do PQ, este processo ocorre pela presença de

oxigênio (Eq. 5.4), o mesmo resultará na formação de dióxido de selênio (SeO2) e

este funciona também como agente de passivação, diminuindo os defeitos de

superfície e assim contribuindo para o aumento da luminescência.

Com a exposição excessiva dos nanocristais à radiação UV, verifica-se o

processo de fotocorrosão (Eq. 5.5) dos mesmos, onde em presença de água e

oxigênio resulta na formação do ânion trióxido de selênio (SeO3-) que pode se

aglomerar e formar precipitados. Este processo desestabiliza o colóide e

conseqüentemente diminui a intensidade de luminescência dos mesmos. De fato,

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para tempos de exposição acima de 40 minutos em nossos experimentos foi

verificado a presença de precipitados.

ZnSe + O2 → Zn2+ + SeO2 Eq. 5.4

ZnSe + H2O + O2 → Zn2+ + 2H+ + SeO3- Eq. 5.5

Figura 5.10 - Esquema dos possíveis mecanismos de fotoativação de ZnSe em meio aquoso, adaptado de CARRION, 2009 [1].

Um artigo recente de LAN et. Al. [8], demonstrou através da técnica de

Espectroscopia Fotoeletrônica por Difração de Raios-X (XPS) que a FA em

nanocristais de ZnSe preparados em meio aquoso e estabilizados com diferentes

grupos alquil-tióis, resultam na formação de ligações Zn-S (Eq. 5.6 e 5,7) na

superfície do nanocristal, esse composto recém formado deve atuar como um

agente de passivação na camada superficial dos PQs, dessa forma diminuindo os

defeitos de superfície existentes e aumentando assim a fluorescência da

nanopartícula, corroborando com a nossa hipótese sobre um possível de formação

de camada de passivação de ZnS sobre a nanopartícula de ZnSe [1, 8].

Eq. 5.6 Eq. 5.6

Eq. 5.7

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● Espectroscopia de emissão e excitação eletrônica do ZnSe:Mn

Observando o espectro de emissão do composto dopado ZnSe:Mn (Figura

5.11) verifica-se inicialmente que houve êxito no processo de dopagem.O

deslocamento (red shift) do espectro de emissão saindo da região do azul do

espectro visível característico do ZnSe, para a região do laranja-vermelho (λmáx= 580

nm) é característico de emissão de transições do íon Mn2+ (4T1→ 6A1) [2, 7]. A fraca

emissão na região do azul (450-470 nm) pode ser resultante de emissão da matriz

ZnSe original, com nenhuma ou uma baixa concentração de íons dopantes

(processos esquematizados na Figura 5.9).

Com o intuito de verificar se o aumento da intensidade de emissão dos

nanocristais dopados é mantido com o passar do tempo do processo, uma análise

temporal da fluorescência dos sistemas foi efetuada e encontra-se evidenciada na

Figura 5.12

.

Figura 5.11 - Espectro de emissão do ZnSe:Mn em diferentes tempos de exposição a radiação UV e o respectivo espectro de excitação da suspensão FA por 35 min.

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Inte

nsi

dad

e (

u.a

.)

Comprimento de Onda (nm)

Controle5 min15 min25 min35 min

Page 64: Obtenção e Caracterização de Pontos Quânticos ... · azul (λmax = 400) e banda larga na região do verde (λmax =460 nm). Os nanocristais dopados apresentaram a emissão típica

(a) (b)

(c) (d)

Figura 5.12 – Evolução temporal (2 a 132 h após o preparo) da banda de emissão do ZnSe:Mn.

Observando os espectros de emissão verifica-se que nas primeiras 2 horas

após o processo de fotoativação há um aumento linear na intensidade de emissão

de acordo com o tempo de exposição a radiação UV, provavelmente devido a

minimização dos defeitos de superfície provenientes do processo de fotoadsorção

de moléculas de H2O ou de ZnS, que agem como passivadores. Esse efeito se

mantém nas 24 horas seguintes. Mas nas 114 horas seguintes, a amostra

apresenta-se turva, indicando que houve desestabilização da suspensão coloidal,

fato este que acarreta a diminuição na intensidade da luminescência no espectro de

emissão. Porém com a adição de AMA e posterior agitação, verifica-se a que a

suspensão volta a sua apresentação inicial (ausência de turbidez). Esse retorno à

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Inte

nsid

ade (

u.a

.)

Comprimento de Onda (nm)

(Zn,Mn)Se Controle

24h5 Minutos

15 Minutos

25 Minutos

35 Minutos

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Inte

nsi

dade

(u.a

.)

Comprimento de Onda (nm)

(Zn,Mn)Se Controle

114h5 Minutos

15 Minutos

25 Minutos

35 Minutos

400 450 500 550 600 650 700400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700400 450 500 550 600 650 700400 450 500 550 600 650 700

5 Minutos15 Minutos25 Minutos35 Minutos

132h

Comprimento de Onda (nm)

(Zn,Mn)Se Controle

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 450 500 550 600 650 700

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000In

ten

sid

ad

e (

u.a

.)

Comprimento Onda (nm)

2h

(Zn,Mn)Se Controle

5 Minutos15 Minutos

25 Minutos

35 Minutos

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coloração inicial é acompanhado pelo aumento na intensidade da luminescência,

como observado no espectro após 132 horas de fotoativação.

Após o período de 114 horas, houve provavelmente houve um diminuição na

camada de passivação da amostra, favorecendo a formação de SeO3- e

consequentemente diminuição da intensidade da luminescência, esse mecanismo

de reação é revertido pela adição de AMA extra, onde provavelmente, este deve

atuar na formação da camada de passivação, como observado e na Figura 5.12d.

Para o composto obtido nesse estudo podem ser observadas possibilidades

da inserção do manganês em sua estrutura: (i) o Mn2+ está inserido

preferencialmente dentro da rede cristalina do nanocristal [2] e/ou (ii) os íons

encontram-se adjacentes à rede cristalina ocupando uma possível camada de

passivação de ZnS, formando o composto ZnSe/(Zn,Mn)S [9]. Para comprovar

experimentalmente estas possibilidades verifica-se a necessidade de análise de

Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) para a confirmação da localização do

Mn2+, pois apenas os dados espectroscópicos e estruturais são insuficientes.

5.4 - Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR)

Sabendo da influência na intensidade da luminescência exercida pela

quantidade de manganês dopante e da dose de radiação UV nos espectros de

emissão de ZnSe:Mn , foi proposto um estudo quimiométrico utilizando estas duas

variantes para se obter as condições ideais da reação de obtenção. Este estudo

também fornece a equação de predição de resposta, uma importante ferramenta no

estudo geral das condições de reação de obtenção. O estudo utilizado foi o

Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR).

Inicialmente foi adicionado alíquotas de manganês dopante na forma de

solução de MnSO4.H2O de acordo com a concentração desejada do mesmo nos

estudos de DCCR, (Tabela 4.2, Seção 4.5), totalizando 5 (cinco) concentrações

diferentes.

Os resultados das análises dos espectros de emissão deste estudo

encontram-se na figura 5.13.

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Figura 5.13 - Espectros de emissão das suspensões de ZnSe:Mn do estudo quimiométrico tipo DCCR em crescentes concentrações de Mn2+ e doses de radiação UV. Em (a) DCCR 1 - 0,145 mMols, em (b) DCCR 2 - 0,500 mMols, em (c) DCCR 3 - 0,854 mMols e (d) DCCR 4 - 1,000 mMol.

Conforme a variação da quantidade de Mn2+ utilizado na obtenção e a dose

de radiação ultravioleta (em Wh/m2), os valores da intensidade de fluorescência,

relativa a cada reação de obtenção, variou entre 185 e 18500 cps (para λem = 580

nm). Os pontos centrais para a resposta apresentaram variação pequena, o que

indica uma boa repetibilidade do processo.

400 450 500 550 600 650 7000

60000

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)

Comprimento de Onda (nm)

DCCR1 ControleDCCR2 13 min

DCCR1 45 minDCCR1 77 minDCCR1 90 min

(a)

400 450 500 550 600 650 7000

60000

(b)

Inte

nsid

ad

e (

u.a

.)

Comprimento de Onda (nm)

DCCR 2 controleDCCR 2 13 minDCCR 2 45 minDCCR 2 77 minDCCR 2 90 min

400 450 500 550 600 650 7000

60000

Inte

nsi

dade (

cps)

Comprimento de Onda (nm)

DCCR 3 controleDCCR 3 13 minDCCR 3 45 minDCCR 3 77 minDCCR 3 90 min

(c)

400 450 500 550 600 650 7000

60000

Inte

nsi

da

de

(cp

s)

Comprimento de Onda (nm)

DCCR 4 controleDCCR 4 13 minDCCR 4 45 minDCCR 4 77 minDCCR 4 90 min

(d)

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Tabela 5.1 – Valores codificados e respostas da intensidade de emissão para λem =580 nm).

Ensaio

Níveis

Resposta: Intensidade da Emissão em 580 nm

(em cps) 1 -1 -1 1300 2 +1 -1 8400 3 -1 +1 3400 4 +1 +1 15800 5 0 +1,41 5000 6 0 -1,41 900 7 +1,41 0 18500 8 -1,41 0 185 9 0 0 6000

10 0 0 5972 11 0 0 6050

Através dos resultados obtidos foram calculados os efeitos e os coeficientes

de regressão apresentados nas Tabelas 5.2 e 5.3, respectivamente.

Tabela 5.2 – Estimativas por ponto, por intervalo e testes de hipóteses para os efeitos.

Fatores Efeitos Erro

Padrão tCalc p – valor

Estimativas por Intervalo (95%)

Limite Inferior

Limite Superior

Média 6007.33 22.81325 263.3265 0.000014 5909.18 6105.49 x1 (L) 11350.33 27.94041 406.2335 0.000006 11230.11 11470.55 x1 (Q) 3874.54 33.25574 116.5074 0.000074 3731.45 4017.63 x2 (L) 3824.57 27.94041 136.8830 0.000053 3704.35 3944.79 x2 (Q) -2517.96 33.25574 -75.7150 0.000174 -2661.05 -2374.87 x1 x2 2650.00 39.51371 67.0653 0.000222 2479.99 2820.01

Tabela 5.3 – Estimativas por ponto, por intervalo e testes de hipóteses para os coeficientes.

Fatores Coeficientes de

Regressão Erro

Padrão tCalc p – valor

Estimativas por Intervalo (95%)

Limite Inferior

Limite Superior

Média 6007.33 22.81325 263.3265 0.000014 5909.18 6105.49 x1 (L) 5675.17 13.97021 406.2335 0.000006 5615.06 5735.27 x1 (Q) 1937.27 16.62787 116.5074 0.000074 1865.73 2008.81 x2 (L) 1912.28 13.97021 136.8830 0.000053 1852.18 1972.39 x2 (Q) -1258.98 16.62787 -75.7150 0.000174 -1330.52 -1187.44 x1 x2 1325.00 19.75686 67.0653 0.000222 1239.99 1410.01

Todos os termos das variáveis foram estatisticamente significativos para a

resposta ao nível de significância de 5% (p < 0,05), os valores de p foram muito

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inferiores ao preconizado de 5%. A Equação 5.8 descreve um modelo de previsão

(Y) de quantidade de manganês e dose de radiação ultravioleta em função das

variáveis codificadas, no modelo reparametrizado que contém todos os termos

estatisticamente significativos.

Y = 6007,33 + 5675,17.x1 + 1912,28.x2 + 1937,27.x1

2 - 1258,98.x22 + 1325,00 Eq.5.8

Na Tabela 5.4 verifica-se a porcentagem de variação explicada de 97,34%

para a resposta Y. Porém, existe uma falta de ajuste significativa, o que quer dizer

que o modelo não reproduz os dados o bastante, apesar de a média quadrática da

falta de ajuste ser de duas vezes menor do que as dos efeitos mais importantes (os

dois primeiros).

Tabela 5.4 – Análise de variância para os resultados do estudo DCCR.

Fator SS df MS F calc p

x1 (L) 257659998 1 257659998 165025.6 0.000006

x1 (Q) 21193515 1 21193515 13574.0 0.000074

x2 (L) 29254655 1 29254655 18737.0 0.000053

x2 (Q) 8950749 1 8950749 5732.8 0.000174

x1 x2 7022500 1 7022500 4497.8 0.000222

Falta de Ajuste 9162363 3 3054121 1956.1 0.000511

Erro Puro 3123 2 1561

Total SS 344970505 10

% variação explicada (R2) = 97,34%; F 5;5;0,05 = 5,05

De acordo com a tabela de análise de variância (Tabela 5.4), verifica-se que o

fator que mais contribui para o aumento na intensidade da luminescência é a

concentração de manganês (X1), pois o Fcalc. (165025,6) mostra-se muito superior

ao da dose de radiação UV (X2) [10].

A Intensidade da Emissão de fluorescência dos QDs obtidos foi afetada por

todas as variáveis independentes. O aumento da quantidade de Mn2+ (x1) e da dose

de luz ultravioleta (x2) respondem pelo aumento fluorescência. A superfície de

resposta e curvas de contorno está representada na Figura 5.14.

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Figura 5.14 – Gráfico de Superfície de Resposta para a intensidade de emissão de fluorescência em 580 nm em função da quantidade de Mn2+ (em mMol) e dose de luz ultravioleta (em Wh/m2).

5.5 – Análises com Plasma Acoplado Indutivo (ICP)

Através dos resultados obtidos no DCCR, observou-se que a quantidade de

manganês é o fator que mais contribui para a luminescência do ZnSe:Mn, desta

forma, foi realizado uma análise em ICP para quantificar o Mn2+ presente nas

amostras, bem como relacionarmos com a quantidade de zinco presente. Os

resultados obtidos com a análise de ICP encontram-se na Tabela 5.5.

Tabela 5.5 – Resultado da análise de ICP expressando a quantidade de Mn2+ e Zn2+

em média.

Identificação da amostra Média de Mn (mg/L) Média de Zn (mg/L)

DCCR 0* <0, 10 250, 66

DCCR 1 0, 15 196, 66

DCCR 2 0, 65 190, 00

DCCR 3 1, 31 188, 33

DCCR 4 1, 82 206,41

DCCR 5† 1126,50 <0, 10

* Essas amostras foram de ZnSe sem dopante; † Essas amostras foram de uma solução contendo apenas MnSO4 à 0,2 M

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A partir desses resultados foi calculada a porcentagem de incorporação de

íons Mn2+ dopantes nos PQs (Tabela 5.6). Observando os resultados apresentados

verifica-se que a quantidade de manganês utilizada nesse estudo está em níveis de

dopagem similares a resultados observados na literatura para dopagem de ZnSe e

ZnS com íons Mn2+ [2,6]. Norris et al, sugere que a concentração final de manganês

nos PQs é de no máximo um Mn2+ para cada nanocristal para concentrações iniciais

de Mn2+ entre 1-5% [2]. Esta sugestão também foi afirmada posteriormente por

Bhargava et. al [6], que cita que para se incorporar um único dopante num cristal

menor que 5 nm, é necessário efetuar mudanças drásticas nas soluções precursoras

que contém os elementos dopantes. Isto se deve ao fato de que a probabilidade de

incorporação do dopante no nano-hospedeiro é controlada por estatística e que

diminui rapidamente a medida que o hospedeiro diminui de tamanho abaixo de 10

nm.

No presente trabalho conseguimos aumentar essa incorporação em mais de 4

vezes (em torno de 0,89%), o que representa algo em torno de 50 íons de Mn2+ por

nanocristal de ZnSe, assumindo que o número total de átomos de um nanocristal é

em torno de 300. O presente trabalho demonstra um rendimento de incorporação de

Mn2+ em mais de 400%, com relação aos trabalhos anteriores descritos na literatura.

Tabela 5.6 – Cálculo da porcentagem de incorporação de Manganês

Identificação da

amostra

[Mn]

adicionado

(mg/L)

[Mn]

quantificado

(mg/L)

Diferença em

% [Mn]

quantificado/

adicionado

% de Mn

incorporado*

DCCR 1 0,80 0,15 18,75 0,08

DCCR 2 3,57 0,65 18,20 0,34

DCCR 3 7,20 1,31 18,19 0,70

DCCR 4 10,01 1,82 18,18 0,89

* Esses valores são baseados na relação Mn : Zn quantificados por ICP. A Tabela 5.6 demonstra que a diferença em porcentagem de Mn2+ adicionado

na reação e o quantificado por ICP-OES, foi em torno de 18% para todas as

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quantidades de dopantes inseridos na obtenção dos nanocristais. Essa tendência

ainda não foi esclarecida, porém o trabalho de Bhargava et. al. menciona que para

inserir um íon Mn2+ em um nanocristal de ZnS é necessário introduzir um excesso de

18% de íons Mn2+ na solução inicial, o que representa um valor duas vezes maior do

que o máximo que se adiciona para dopar ZnS macrocristalino [6]. A semelhança

destes resultados sugere que deve haver um fator limitante para a incorporação do

Mn2+ dopante nos nanocristais.

Esta tendência de incopração precisa ser aprofundada em estudos futuros.

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5.6- Referências

[1] CARRIÓN, C. C.; CÁRDENAS, S.; SIMONET, B. M.; VALCÁRCEL, M. Quantum dots luminescence enhancement due to illumination with UV/Vis light, Chem. Commun., 35, 5214-5226, (2009). [2] ZU, L.; NORRIS, D. J.; KENEDDY, T. A.; ERWIN, S. C.; EFROS, A. L. Impact of Ripening on Manganese-Doped ZnSe Nanocrystals, Nano Letters, 6 (2) 3334-340, (2006). [3] WebElements: the periodic table on the web, disponível em: <http://www.webelements.com/compounds/zinc/zinc_selenide.html> Acessado em: 11 de Fevereiro de 2011. [4] SUYVER, J. F. Synthesis, Spectroscopy and Simulation of Doped Nanocrystals, Ph. D thesis, Physics and Chemistry of Condensed Matter, Debye Institute: Ultrecht, (2003). [5] SANTOS, B. S.; DONEGÁ, C. M. ; PETROV, D. V. ; PEREIRA, G. A. L. Size and Band-Gap dependences of the First Hyperpolarizability of CdxZn1-xS, Journal of Physical Chemistry. B, 106 (21) 5325-5334 (2002). [6] BHARGAVA, R. N.; HARANATH, D.; MEHTA, A. Bandgap Engineering and Doping of ZnO and ZnOS Nanocrystals, Journal of the Korean Physical Society, 53 (5) 2847-2851, (2008). [7] TANABE, Y.; SUGANO, S. On the absorption spectra of complex ions II, Journal of the Physical Society of Japan, 9 (5) 766-779, (1954). [8] LAN, G. Y.; LIN, Y. W.; HUANGA, Y. F.; CHANG, H. T. Photo-assisted synthesis of highly fluorescent ZnSe(S) quantum dots in aqueous solution, Journal of Materials Chemistry, 17 (26) 2661-2666, (2007). [9] THAKAR, R.; CHEN, Y.; SNEE, P. Efficient Emission from Core/(Doped) Shell Nanoparticles: Applications for Chemical Sensing, Nano Letters, 7 (11) 3429-3432, (2007). [10] BARROS NETO, B.; SCARMINIO, I. S.; BRUNS, R. E. Como fazer experimentos, Pesquisa e desenvolvimento na ciência e na indústria. 2 ed. Campinas: UNICAMP, 401 p. (2002).

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Capítulo 6 Conclusões e Perspectivas

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6. CONCLUÕES E PERSPECTIVAS

6.1- CONCLUSÕES

Durante o desenvolvimento deste trabalho foi possível obtermos, as seguintes

conclusões:

• Foi realizado com êxito uma rota de obtenção inédita em meio aquoso para o

processo de dopagem de selento de zinco com manganês, viabilizando este

como marcador fluorescente para pesquisas com estruturas biológicas;

• O processo de fotoativação de ZnSe e do ZnSe:Mn mostra-se como uma

importante fonte de aumento na intensidade de fluorescência destes compostos

devido o processo de fotoadsorção;

• Através de um procedimento quimiométrico, verificou-se que tanto a dose de

radiação UV, como a quantidade de manganês dopante, aumentam a

intensidade de fluorescência do composto ZnSe:Mn, porém este último

influencia essa luminescência de maneira mais expressiva;

• A quantificação do manganês dopante, realizado por plasma acoplado indutivo,

no composto ZnSe:Mn expressou-se em até 0,89%, isso significa um aumento

de mais de 400% sobre outras rotas de obtenção.

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6.2- PERSPECTIVAS

• Realizar a Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) e Espectroscopia

Fotoeletrônica por Difração de Raios-X (XPS) nas amostras dopadas de

ZnSe:Mn para a confirmação da localização do íon Mn2+ no nanocristal;

• Repetir os procedimentos quimiométricos de DCCR no intuito de validar a

equação de predição de respota;

• Melhorar a intensidade de luminescência do ZnSe:Mn para que seja possível

diponibilizá-lo como marcador de estruturas biológicas fluorescentes.