Relatório – Pós-Doutorado Júnior (PDJ)

Síntese e caracterização de nanopartículas luminescentes a

base ZnGa2O4 dopado com cromo para utilização em

bioimagem.

Bolsista: Dr. Marlon Nunes da Silva

Supervisora acadêmica: Dr(a). Marcia Carvalho de Abreu Fantini

Instituição sede: Instituto de Física/USP/São Paulo

São Paulo-janeiro de 2018

Projeto: 437953/2016-5

Processo: 150103/2017-4

Coordenadora: Marcia Carvalho de Abreu Fantini

Modalidade - Categoria: Pós-Doutorado Junior - PDJ

Vigência: De 01/03/2017 a 28/02/2018

RESUMO

O projeto proposto consistiu no desenvolvimento de uma nova rota de síntese e

a caracterização de nanopartículas de galato de zinco (ZnGa2O4) e galato de

zinco dopado com cromo (ZnGa2O4:Cr3+). Estes materiais têm atraído enorme

atenção devido às suas possibilidades de aplicações, dentre elas,

bioimageamento. O uso de bioimagens é de grande importância, pois permite

uma evolução tanto no diagnóstico, como no tratamento de patologias.

Portanto, ter o controle da síntese, a compreensão das propriedades ópticas,

elétricas e luminescentes, bem como suas características morfológicas e

estruturais é de grande interesse tecnológico. A metodologia de síntese

proposta neste estudo permitiu a obtenção de nanopartículas de ZnGa2O4:Cr3+

de forma rápida, com baixo custo e à temperatura ambiente. Além disso, é

possível modular a intensidade da luminescência, variando a quantidade de

cromo no meio reacional e o tamanho das partículas a partir de tratamentos

térmicos com temperatura específica.

Apresentamos aqui três parcerias com outros grupos de pesquisa, cujo

objetivo é aplicação do ZnGa2O4:Cr3+ sintetizado neste projeto.

Por fim, realizamos uma proposta e justificativa para a continuidade deste

projeto.

1 - RELATÓRIO DAS ATIVIDADES DE PESQUISA PROGRAMADAS E

EFETIVAMENTE REALIZADAS

A primeira etapa deste projeto consistiu no desenvolvimento de uma nova rota

de síntese e a caracterização de nanopartículas de galato de zinco (ZnGa2O4)

e galato de zinco dopado com cromo (ZnGa2O4:Cr3+).

Após algumas tentativas, alterando a metodologia, obtivemos o controle e a

reprodutibilidade da síntese.

Para caracterizar o material obtido foi utilizada a técnica de Difração de Raios X

(DRX), Espectroscopia de Fotoluminescência, Microscopia Eletrônica de

Varredura e Espectrometria de Energia Dispersiva de Raios X (MEV-EDX),

1.1 - INTRODUÇÃO

Galato de zinco (ZnGa2O4) é um material semicondutor do tipo p e larga

energia de band gap (4,4 eV). É um espinel normal de fórmula genérica AB2O4

com Zn2+ ocupando os sítios tetraédricos A e Ga3+ ocupando os sítios

octaédricos B [1]. ZnGa2O4 apresenta emissão de luz azul, proveniente de

grupos Ga-O, quando irradiado com luz ultravioleta.

A adição de íons terras raras e íons metálicos na estrutura cristalina de

ZnGa2O4 permite modular eficientemente o comprimento de onda de emissão.

Portanto, ZnGa2O4 é um material hospedeiro interessante para diferentes íons

ativadores, por exemplo, Mn2+ para emissão de luz verde, Eu3+ para emissão

de luz vermelha e Cr3+ na região do infravermelho próximo [2-4].

Devido aos raios iônicos semelhantes (Ga3+ = 0,62 Å; Cr3+ = 0,64 Å) e mesma

valência (3+), Cr3+ pode substituir Ga3+ na rede cristalina de ZnGa2O4,

alterando assim, suas propriedades luminescentes [5, 6].

ZnGa2O4:Cr3+ tem recebido crescente interesse nos últimos anos devido à sua

luminescência persistente, também chamada de fosforescência de longa

duração, isto é, pode continuar a emitir luz durante horas após o fim de uma

excitação.

Sabe-se que o Ga3+ contém grande quantidade de “armadilhas” (trap) com

profundidade adequada para produzir luminescência persistente a temperatura

ambiente. O processo de interceptação dos portadores de carga é controverso

na literatura, o que tem sido aceito é que ocorre uma transferência a partir dos

centros luminescentes do Cr3+ através da banda de condução para os centros

de aprisionamento (Ga3+). Os materiais que emitem luz na faixa do vermelho e

infravermelho próximo têm aplicações promissoras em vários campos,

especialmente nanosondas para a bioimagem [7-10].

Várias rotas químicas têm sido utilizadas para sintetizar ZnGa2O4 dopados e

não dopados, tais como método de estado sólido, precipitação, método

hidrotérmico e o método sol-gel. Essas rotas geram situações indesejáveis, tais

como: longo tempo de reação, reações secundárias, partículas de tamanho

micrométrico e tratamentos térmicos com temperaturas elevadas (1100 °C),

todas inadequadas para algumas aplicações, por exemplo, experiências in vivo

[11-19].

Maldiney et al. propôs uma via alternativa através do método sol-gel assistido

por irradiação de micro-ondas que permite menor temperatura de calcinação,

proporciona alta cristalinidade, pureza e reprodutibilidade [20, 21].

Apesar de todos os esforços, ainda existem muitos desafios na busca de novos

materiais que possam ser estáveis, morfologicamente controlados (tamanho e

forma) com alto rendimento quântico e baixa toxicidade [22].

Neste trabalho ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr3+ com estrutura de espinel e tamanho

nanométrico foram sintetizados pelo método sol-gel, além disso, suas

propriedades estruturais, ópticas e luminescentes foram investigadas. Esta rota

de síntese é uma alternativa viável para sintetizar ZnGa2O4 dopado e não

dopado. No melhor do nosso conhecimento, acreditamos que esta rota de

síntese ainda não tenha sido apresentada na literatura.

1.2 - EXPERIMENTAL

1.2.1 - Materiais

ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr3+ foram sintetizados a partir de Zn(CH3COO)2.2H2O,

Ga (NO3)3•xH2O, Cr(NO3)3•9H2O, etanol e água destilada. O procedimento

completo de síntese é descrito na seção 1.2.2.

1.2.2 - Métodos

No primeiro passo dissolveu-se 1.0 g de Zn(Ac)2.2H2O em 100 mL de etanol

em ebulição (76 oC) à pressão atmosférica sob forte agitação. Este

procedimento solubiliza e desidrata Zn(Ac)2.2H2O [23]. O segundo passo é

realizado após 60 minutos com a adição de água deionizada. Em seguida,

dissolve-se 1.0 g de Ga(NO3)3•xH2O para formar uma solução transparente. A

solução permaneceu vigorosamente agitada à temperatura ambiente por todo

esse período.

No passo três, após 30 minutos, adicionou-se 0.3 g de LiOH com agitação

contínua para formação e precipitação de um gel.

ZnGa2O4:Cr3+ foi sintetizado através da adição de x% de Cr(NO3)3•9H2O (x% =

0.01; 0.1; 1.0) imediatamente após a adição de Ga(NO3)3•xH2O.

A solução foi centrifugada durante 10 minutos a 7000 rpm para remover

solventes residuais (água, etanol) e subprodutos (moléculas que não reagiram).

Os produtos foram lavados com água deionizada; o processo de centrifugação

e lavagem foi repetido três vezes. As amostras foram secas no forno a 25 oC

durante 24 h. Os tratamentos térmicos foram realizados a 65, 350 e 700 oC.

1.2.3 - Caracterizações

As medidas de difração de raios X (DRX) foram realizadas com um

equipamento Bruker D8 Discover-DaVinci com um tubo de cobre (Kα λ =

1.5418 Â). As medidas foram registradas usando um passo 2θ de 0.05o, um

tempo de contagem de 5s e 2θ variando de 10o a 80o. A morfologia da

superfície foi examinada por microscopia eletrônica de varredura (MEV),

usando um FEG-MEV (modelo JEOL 7500F). As amostras foram depositadas

sobre substrato de silício e pulverizadas com ouro. Os espectros de

fotoluminescência foram registrados com um espectrofluorômetro HORIBA

Jobin Yvon - FLUORLOG 3-11 equipado com um monocromador de grade

dupla na posição de emissão (iHR320) e um detector CCD Synapse HORIBA

Jobin Yvon E2V CCD30 (1024x256 pixels). Uma lâmpada de xenônio de 450 W

foi utilizada como fonte de irradiação.

1.3 - RESULTADOS E DISCUSSÃO

A Figura 1 mostra os difratogramas de ZnGa2O4 e ZnGa2O4:0.1%Cr3+ a

diferentes temperaturas de tratamento térmico. Todos os padrões de difração

são característicos de ZnGa2O4 com estrutura cristalina do tipo espinel, tanto

para a amostra dopada com cromo como para a não dopada.

10 20 30 40 50 60 70 80

1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

Z n G a 2 O 4 (G e l)

Z n G a 2 O 4 (2 5 0C )

Inte

ns

ity

(a

rb.u

nit

s.)

2 (d e g re e )

Inte

nsi

ty (

arb

. u

nits

)

ZnGa2O4

gel

25 0C

(440)(511)

(422)(400)

(222)

(311)

(220)(111)

Standard

60 0C

350 0C

700 0C

2 (degree)

(a)

10 20 30 40 50 60 70 80

ZnGa2O4 :0.1%Cr

(440)(511)

(422)(400)

(222)

(311)

(220)

(111)

2 (degree)

Inte

nsi

ty (

arb

. u

nits

)

Standard

60 0C

350 0C

700 0C

(b)

Figura 1 - DRX do galato de zinco obtido via método sol-gel após tratamento térmico a várias temperaturas: (a) ZnGa2O4; (b) ZnGa2O4:Cr

3+.

A natureza nanocristalina das amostras foi indicada a partir dos picos

alargados e a baixa intensidade dos mesmos, o que foi confirmado através do

cálculo de tamanho de cristalito (Tabela 1) utilizando da equação 1 proposta

por Scherrer:

D = 0.9 λ/βcosθ (1)

onde λ é o comprimento de onda dos RaiosX, β é largura a meia altura no

principal pico de difração deconvoluído o alargamento instrumental e θ é o

ângulo de difração.

Tabela 1 – Tamanho médio de cristalitos de ZnGa2O4 e ZnGa2O4 :Cr3+

obtidos a partir de DRX .

Amostra ZnGa2O4 ZnGa2O4:Cr (0.1%) Temperatura (0C) 65 350 700 65 350 700

Tamanho (nm) 2.5 6.7 19.0 2.1 4.7 16.0

Os cálculos mostraram que os tamanhos médios de cristalitos aumentam com

o aumento da temperatura do tratamento térmico. Sendo que os cristalitos

apresentam um tamanho médio aproximado de 2 nm para as amostras tratadas

termicamente a 65 oC e aproximadamente 20 nm para as amostras tratadas

termicamente a 700 oC. O gráfico inserido na Figura 1(a) mostra o XRD do gel

ZnGa2O4 (amorfo) e seco a 25°C.

A Figura 2 mostra as morfologias do ZnGa2O4 e ZnGa2O4:0.1%Cr3+ nas

imagens de MEV.

(a) (b)

100 nm

(c) (d)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

0

200

400

600

800

1000

1200

0

10

20

30

40

50

O Si Zn Ga Au

Ato

mic

(%

)

ZnGa2O4 (3500C)

ZnGa2O4(7000C)

ZnGa2O4:0.1% Cr(3500C)

ZnGa2O4:0.1% Cr(7000C)

Zn

Ga

Si Au

Counts

Energy (KeV)

ZnGa2O4:0.1% Cr(700 0C)

O

(e)

Figura 2 – Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) mostrando as morfologias e tamanho de: (a) ZnGa2O4-350

oC; (b) ZnGa2O4-700

oC; (c) ZnGa2O4:0.1%Cr-350

oC; (d)

ZnGa2O4:0.1%Cr-700oC (e) Espectro de EDS (Espectroscopia por Energia Dispersiva) de

ZnGa2O4:0.1%Cr-700oC.

As amostras preparadas a 350 oC são compostas por nanopartículas esféricas

com ligeira aglomeração (Figuras 2(a) e (c)). As Figuras 2(b) e (d) revelam que

os agregados são formados por partículas menores e possuem morfologia

irregular. As imagens sugerem que o dopante amplifica a irregularidade

morfológica (Figuras 2(c) e (d)). As partículas tornam-se maiores e a superfície

mais densa com o aumento da temperatura de tratamento térmico [24].

A espectroscopia EDS mostrada na Figura 2(f) revelou que além dos

elementos Si (superfície utilizada como suporte) e Au (cobertura da amostra),

apenas três elementos (Zn, Ga e O) foram detectados. O gráfico inserido na

Figura 2(f) detalha a porcentagem atômica de cada espécie presente nas

amostras. A relação entre os átomos de Zn/Ga/O são aproximadamente 1:2:4

respectivamente, concordando com a fórmula química de ZnGa2O4. A presença

do dopante (Cr3+) por ser em pequena quantidade não foi detectada nos

espectros EDS.

A Figura 3 exibe os mapas de contorno das medidas de fotoluminescência

(excitação e emissão) e suas respectivas perspectivas em três dimensões

(excitação, emissão e intensidade), onde a, b e c correspondem à amostra

ZnGa2O4:0.1%Cr3+ tratado termicamente a 65, 350 e 700 oC, respectivamente.

Os mapas de contorno sugerem que ZnGa2O4:0.1% Cr3+ pode ser excitado

pela radiação UV, mas também pela luz azul (425 nm) e laranja-vermelha (575

nm).

650 675 700 725 750 775200

250

300

350

400

450

500

550

600

EX

Wavele

ngth

( nm

)

EM Wavelength( nm )

1000

1875

2750

3625

4500

5375

6250

7125

8000

8875

9750

1.063E4

1.150E4

650 675 700 725 750 775

599

559

519

479

439

399

359

319

279

239

EM-Wavelength (nm)

Inte

nsity (

arb

. u

nits)

EX

-Wave

length

(nm

)

(a)

650 675 700 725 750 775200

250

300

350

400

450

500

550

600

EX

Wa

ve

len

gth

(n

m)

EM Wavelength (nm)

1000

4167

7333

1.050E4

1.367E4

1.683E4

2.000E4

2.317E4

2.633E4

2.950E4

3.267E4

3.583E4

3.900E4

650 675 700 725 750 775

596

556

516

476

436

396

356

316

276

236

EX

-Wave

length

(nm

)

EM-Wavelength (nm)

Inte

nsity (

arb

. u

nits)

(b)

650 675 700 725 750 775200

250

300

350

400

450

500

550

600

EX

Wa

ve

len

gth

( n

m )

EM Wavelength( nm )

960.0

1450

1940

2430

2920

3410

3900

4390

4880

5370

5860

6350

6840

650 675 700 725 750 775

596

556

516

476

436

396

356

316

276

236

Inte

nsity (

arb

. u

nits)

EX

-Wave

length

(nm

)

EM-Wavelength (nm)

(c)

Figura 3 – Mapas de contorno obtidos a partir da fotoluminescência (excitação x

emissão) de ZnGa2O4:0.1%: (a) 65 oC; (b) 350

oC and (c) 700

oC.

A Figura 4 mostra à esquerda o espectro de Fotoluminescência de Excitação

(PLE), obtido a partir do corte transversal (linha tracejada na Figura 3) em λ =

696 nm e à direita os espectros Fotoluminescência de Emissão (PL), excitados

a 254 nm. As amostras apresentam banda de excitação nos comprimentos de

onda correspondentes a 290 nm, 420 nm e 550 nm. Estes picos são

característicos a transferência de carga entre oxigênio e gálio (O2- →Ga3+), e as

transições d-d (4A2-4T1,

4A2-4T2) do íon Cr3+, respectivamente. A banda de

excitação em torno de 290 nm é uma convolução de duas bandas, em 270 nm

originária das transições entre O2- → Ga3+ e 305 nm com origem nas transições

entre O2- → Cr3+ [25-29]. Essas bandas se sobrepõem entre elas dificultando a

sua distinção. Além disso, há um deslocamento de aproximadamente 20 nm

em direção ao azul no espectro de ZnGa2O4:Cr3+ (65 °C) em comparação com

a banda de excitação, por isso, essa banda é centrada em 270 nm. Este

deslocamento pode ocorrer por vários fatores (tamanho, presença de dopantes

ou impurezas) [4,8,16,30].

Uma intensa banda de emissão na faixa de 680-720 nm foi observada quando

as amostras foram excitadas a 254 nm. Essa emissão é característica das

transições eletrônicas (3d) de íons Cr3+, o que confirma a presença de Cr3+ na

rede cristalina ZnGa2O4.

200 300 400 500 600 700 800

ZnGa2O

4:Cr-65

oC

ZnGa2O

4:Cr-350

oC

ZnGa2O

4:Cr-700

oC

Em.ex

nm)

R

N2

PSB

(S)

PSB

(AS)

2

4

4

4

4

4

Cr-O

Ga-O

Exc.em

nm)

Wavelength (nm)

PL Inte

nsity (

arb

. units)

PL(E

) In

tensity (

arb

. units)

Figure 4 – Espectros de fotoluminescência de excitação (PLE) excitado a 254 nm (esquerda) e fotoluminescência de emissão monitorado a 695 nm (direita) de ZnGa2O4:(0.1%)Cr

3+ tratado termicamente a várias temperaturas.

A amostra ZnGa2O4:Cr3+ termicamente tratada a 700 oC exibe várias linhas

estreitas emissão características da emissão de íons Cr3+ em sítios

octaédricos. A 688 nm são observadas as linhas R, que são acompanhadas

por suas Stokes (S) e anti-Stokes (AS) Phonon Side Bands (PSB) centrado em

708 nm e 715 nm, por um lado (S) e 663 nm, 670 nm e 680 nm, no outro (AS).

A linha N2 a 695 nm é atribuída aos íons Cr3+ na presença de defeitos antisítios

[8,31].

A Figura 5(a) mostra os tempos de decaimento de ZnGa2O4:Cr3+ tratado

termicamente a 65, 350 e 700ºC. O decaimento cinético foi monitorado a 695

nm (comprimento de onda de emissão) após excitação a 290 nm durante 5

minutos.

A amostra ZnGa2O4:Cr3+ (700 oC) exibiu propriedades de luminescência

persistente, a intensidade da luminescência permaneceu ativa após 100

segundos de decaimento. A amostra tratada termicamente a 350 oC

apresentou um tempo de decaimento ligeiramente mais rápido e a amostra

tratada termicamente a 65 oC não apresentou propriedades de luminescência

persistente, respectivamente.

(a)

0 20 40 60 80 100

290 nm

420 nm

550 nm

Fit

Time (sec)

Inte

nsity (

arb

.un

its)

(b)

Figura 5 - Curvas de decaimento da intensidade de luminescência em função do tempo (a) ZnGa2O4:0.1%Cr

3+ tratado termicamente a várias temperaturas e monitorado a 695 nm

(a figura inserida mostra a fotografia do pó irradiado com uma luz ultravioleta (254 nm ); (b) ZnGa2O4:0.1%Cr

3+ com tratamento térmico a 700

oC monitorado a diferentes

comprimentos de onda.

A fotografia inserida na Figura 5(a) é da amostra de ZnGa2O4:0.1%Cr3+ (700

oC) iluminada por fonte de luz ultravioleta com o comprimento de onda de 254

nm e a mesma amostra sob luz ambiente. Sob a luz ultravioleta é possível

observar a emissão de luz vermelha com brilho intenso.

A Figura 5(b) apresenta as curvas de decaimento das amostras ZnGa2O4:0.1%

de Cr3+(700 oC) monitoradas a 695 nm após excitação durante 5 min a três

diferentes comprimentos onda 290, 420 e 550 nm, que são os três principais

pontos de excitação obtidos na Figura 5.

O decaimento é mais lento para as excitações mais energéticas, ou seja, 290

nm > 420 nm > 550 nm.

As curvas experimentais de decaimento podem ser bem ajustadas para a

função de duplo decaimento exponencial:

I(t) α A1exp (-t/τ1) + A2exp (-t/τ2)

Onde I(t) é a intensidade, A1 e A2 são constantes e os parâmetros τ1 e τ2 são

constantes de decaimento que descrevem a taxa dos componentes de

decaimento exponencial rápido e lento, respectivamente.

Este modelo é usado quando o resultado é a soma de um decaimento

exponencial rápido e lento. Os resultados são mostrados na Tabela 2.

Tabela 2 – Curvas de decaimento em função da temperatura de tratamento térmico de

ZnGa2O4:(0.1%)Cr3+

e seus respectivos ajustes.

Comprimento de onda de excitação

290 nm 420 nm 550 nm

Amostra

(ZnGa2O4:0.1%Cr3+)

τ1/(s) τ2/(s) τ1/(s) τ2/(s) τ1/(s) τ2/(s)

700 0C 6.65 31.20 15.36 1.30 23.35 1.90

350 0C 15.62 1.65 --- --- --- ---

65 0C 4.94 4.94 --- --- --- ---

O tempo de decaimento mais lento é relativo às transições de Cr3+ em sítios

coordenados octaedricamente, enquanto os mais rápidos em sítios distorcidos

de pouca simetria.

Quando excitado a 290 nm ZnGa2O4:0.1%Cr3+(700oC) exibe melhores

propriedades de luminescência persistente. O aumento da temperatura de

tratamento térmico induz aumento da cristalinidade do material (suportado

pelos resultados de DRX) proporcionando, assim, melhores resultados de

fotoluminescência, provavelmente devido à remoção de moléculas de água e

resíduos orgânicos provenientes dos precursores da síntese. A presença de

impurezas resulta em perda não-radioativa e menor tempo de decaimento. A

energia não-radioativa se transfere da emissão do íon Cr3+ para os estados de

defeito. Bressière et al. mostraram que defeitos antisítios na estrutura cristalina

de ZnGa2O4 são os responsáveis pela luminescência persistente de

ZnGa2O4:0.1%Cr3+[8].

1.4 - CONCLUSÕES PARCIAIS

Neste trabalho, galato de zinco com estrutura cristalina do tipo espinel e galato

de zinco dopado com cromo foram sintetizados com sucesso pelo método sol-

gel à temperatura ambiente. As partículas obtidas têm entre 2 e 20 nm,

dependendo do tratamento térmico realizado. O método representa uma

alternativa viável para a obtenção de ZnGa2O4 com tamanho nanométrico.

Os espectros PLE mostram três picos de excitação a 290 nm o que é atribuído

às transições eletrônicas de O2- → Ga3+ e pelas transições eletrônicas de O2-

→ Cr3+ e também pode ser excitado a 420 e 550 nm devido aos íons Cr3+

presentes nos sítios tetraédricos e octaédricos, respectivamente. Os ensaios

de fotoluminescência mostraram que ZnGa2O4:0.1%Cr3+ é um material fósforo

com luminescência persistente e que pode ser excitado tanto por luz

ultravioleta como por luz visível. O tempo de decaimento é drasticamente

aumentado com o aumento da temperatura de tratamento térmico realizado

nas amostras.

1.5 – ATIVIDADES REALIZADAS

Após obtermos o controle e reprodutiblidade da síntese de ZnGa2O4:0.1%Cr3+,

bem como as caracterizações pertinentes, nós estabelecemos três parcerias

com outros grupos de pesquisa a fim de estudarmos possíveis aplicações do

material. A primeira foi com o Grupo de Ciências dos Materiais Aplicado a

Farmácia (CMAF) da Faculdade de Ciências Farmacêuticas UNESP

Araraquara, coordenado pela Profa. Dra. Leila A. Chiavacci, onde vem sendo

realizados estudos recentes sobre a funcionalização de nanopartículas

luminescentes para utilização em bioimagem. A segunda parceria foi

estabelecida com a Dra. Eloísa Berbel Manaia que defendeu recentemente a

sua tese de doutorado: “Pontos quânticos a base de óxido de zinco (ZnO) para

aplicação em bioimagem de nanocarreadores lipídicos”. Atualmente ela realiza

um estágio pós-doutoral na Faculté de Pharmacie da Université Paris-Sud

localizada em Châtenay-Malab/França sob a supervisão da Doutora Claudie

Bourgaux trabalhando com nanocápsulas lipídicas para utilização em

nanotransportadores. A terceira parceria se deu com o Prof. Dr. Hudson

Wallace Pereira de Carvalho do Centro de Energia Nuclear na Agricultura

(CENA/USP). Conforme foi mostrado nos resultados ZnGa2O4:0.1%Cr3+ pode

ser excitado com luz ultravioleta e azul e com isso emitir luz vermelha. A ideia é

aplicar esse material sobre plantas e observar se ocorrere alguma alteração

nos mecanismos de fotossíntese da planta. Isso porque para realizar o

processo fotossintético a planta utiliza a luz azul e a vermelha. Embora esta

parceria se distancie das duas primeiras cujo os objetivos são a utilização de

ZnGa2O4:0.1%Cr3+ para fins farmacêuticos, ela abre um novo campo de

estudos bastante interessante.

A Tabela 3 apresenta um resumo das atividades inicialmente propostas no

projeto. Em verde foram marcadas as atividades realizadas, em amarelo as

atividades que estão em seu início e em vermelho as atividades ainda não

realizadas. A etapa “Funcionalização da superfície” aparece em amarelo

porque os primeiros testes na tentativa de modificar a superfície

ZnGa2O4:0.1%Cr3+ já estão sendo realizados tanto pela Profa. Dra. Leila A.

Chiavacci como pela Dra. Eloísa Berbel Manaia. Os Links para os Currículos

Lattes das pessoas envolvidas nos projetos parceiros:

Profa. Dra. Leila A. Chiavacci

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4791977D5

Prof. Dr. Hudson Wallace Pereira de Carvalho

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4745172T0

Dra. Eloísa Berbel Manaia

http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4250986H4

Tabela 3 - Cronograma de atividades.

Atividades Bimestre

1° 2° 3° 4° 5° 6°

Revisão bibliográfica X X X X X X

Preparação de nanopartículas

de ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr X X

Caracterização de nanopartículas

De ZnGa2O4 e ZnGa2O4:Cr X X X

Funcionalização da superfície X X X

Caracterização de superfície X X X

Tratamento de dados X X X X X

Redação de relatório X

Redação de artigos X X X

* Este cronograma é para a execução de 1 ano de projeto.

**Execução das atividades: X realizadas X início X não realizada

2 - PROPOSTA DE PESQUISA PRÓXIMO PERÍODO (2018)

2.1 – Revisão da literatura

Os resultados obtidos até este momento mostram que o ZnGa2O4:Cr3+

sintetizado neste projeto, através de uma nova metodologia de síntese,

apresenta um potencial de aplicação como material teranóstico. Estes

componentes unem duas aplicações num único sistema, as terapêuticas,

graças à vetorização de um princípio ativo e as diagnósticas, graças à imagem,

o que permite realizar o diagnóstico, a administração de medicamentos e o

monitoramento da resposta ao tratamento em um mesmo momento. Dessa

forma é possível que um agente terapêutico seja direcionado unicamente

contra células doentes e não contra todas as células do organismo [22].

Alguns dos materiais utilizados para produzir sistemas teranósticos

funcionando como suporte e transportador de medicamentos e/ou agentes de

contrastes para imagens são listados a seguir e esquematizados na Figura 6,

adaptada da referência [32]:

a) nanopartículas poliméricas são matrizes poliméricas sólidas.

b) lipossomas são vesículas formadas a partir de uma bicamada de fosfolípidos

imitando a estrutura uma de membrana celular.

c) nanopartículas lipídicas e as nanoemulsões normalmente contêm uma fase

de óleo interna cercada por tensoativos.

d) micelas são associadas supramoleculares de surfactantes formando um

núcleo lipofílico interno.

e) ciclodextrinas são oligossacarídeos cíclicos com uma cavidade lipofílica

interna para “hospedagem” da droga.

f) dendrímeros são moléculas ramificadas que geralmente apresentam a

pequena molécula de fármaco associada em suas extremidades.

g) nanotubos de carbono.

h) nanopartículas inorgânicas, como nanopartículas de ouro.

Embora o aprisionamento de medicamentos e outros materiais possa ser

alcançado por encapsulação nos nanotransportadores de a)-e), é possível a

associação em nanotubos carbono e partículas inorgânicas por adsorção e em

dendrímeros através de ligações químicas.

Figura 6 - Estruturas esquemáticas dos materiais usualmente utilizados como

teranósticos: (a) nanopartículas poliméricas, (b) Lipossomas, (c) nanopartículas

lipídicas e nanoemulsões, (d) micelas, (e) ciclodextrinas, (f) dendrímeros, (g)

nanotubos de carbono, (h) nanopartículas de ouro [32]

Uma das limitações desses nanotransportadores é a sua capacidade de

transporte bastante baixa, portanto, um desafio a ser solucionado.

Nanotransportadores modificam as interações com o meio biológico, podendo

assim melhorar a eficácia e reduzir os efeitos colaterais de medicamentos,

facilitar a distribuição a um sítio-alvo e aumentar seu índice terapêutico [33].

Apesar dos esforços continua a ser um desafio produzir nanopartículas

luminescentes com um elevado rendimento quântico, biocompatíveis, baixa

toxicidade, com tamanho apropriado (entre 5 e 50 nm) e ao mesmo tempo com

longos tempos de circulação sanguínea [22].

O grande trunfo de ZnGa2O4:Cr3+ é a possibilidade de fixar o comprimento de

onda da emissão dentro do infra-vermelho próximo pelo ajuste da sua

composição e do seu tamanho. Na verdade, a absorção dos tecidos biológicos

é mínima dentro da região do infra-vermelho próximo (650-900nm). Todo o

detalhamento teórico da importância da emissão nessa região do espectro

eletromagnético está descrito no projeto original.

Recentemente foi apresentado um sistema híbrido formado por um core-shell

entre galato de zinco (core) e sílica mesoporosa (shell) que apresenta

biocompatibilidade. O fármaco doxorrubicina, medicamento quimioterápico,

foi utilizado como molécula modelo nos testes de transporte e liberação.

Esse tipo de sistema é considerado uma nova geração de nanopartículas

multifuncionais que possuem a capacidade de servir de material teranóstico

para aplicações in vivo. O material se mostrou eficiente tanto no transporte e

liberação de fármacos como para o teste de citotoxicidade contra células

U87MG. Além dos fins terapêuticos, o núcleo (core) apresenta luminescência

persistente no infra-vermelho próximo, o que permite sua detecção através dos

tecidos in vivo. Isso permite que o material seja monitorado,fornecendo

valiosas informações sobre a localização da área na qual o medicamento está

sendo liberado [34].

Outra estratégia utilizada por este mesmo grupo é a funcionalização de

ZnGa2O4:Cr3+ com Polietileno Glicol e Fosfanato (PEG-PO). PO oferece a

estabilização das nanopartículas devido à sua afinidade a superfícies metálicas

e PEG promove a biodistribuição das partículas quando estas são utilizadas

para testes in vivo [21]

Estes avanços destacam não só a versatilidades destes materiais com

luminescência persistentes como também dá acesso a um grande campo de

pesquisa em aplicações biomédicas no campo de terapia e diagnósticos [9].

2.2 - JUSTIFICATIVA

O bolsista trabalhou no desenvolvimento de ZnGa2O4 e ZnGa2O4 dopadas com

Cr3+. Os resultados obtidos até aqui são promissores, pois tratam de um tema

que está na ordem do dia das principais revistas científicas do mundo,

relacionadas a ciência dos materiais. O projeto continuará sendo desenvolvido

sobre a supervisão professora doutora Marcia C. A. Fantini com ampla

experiência em ciência dos materiais e com sílica mesoporosa para a produção

de vacinas orais, além de contar com a infraestrutura do Laboratório de

Cristalografia do Instituto de Física da USP/SP. Vários trabalhos foram

publicados e patentes internacionais foram concedidas, em colaboração com o

Instituto Butantan, neste tema de pesquisa [35-41]

Sílica mesoporosa tem atraído grande interesse para liberação de fármacos

nos últimos tempos devido às suas propiedades únicas que incluem estrutura

mesoporosa estável, alta área de superfície específica, possibilidade de

modificação de superfície e excelente biocompatibilidade [42].

2.3 - OBJETIVOS

Os objetivos gerais desse projeto estão voltados à síntese e caracterização de

nanopartículas com luminescência persistente para aplicação como

marcadores para biomagem. Além disso, espera-se realizar a funcionalização

da superfície de forma que ele possa ser utilizado em sistemas teranósticos.

Objetivos Específicos:

*Sintetizar nanopartículas baseadas em ZnGa2O4 dopadas com Cr3+.

*Caracterizar as nanopartículas quanto à estrutura cristalina e à

morfologia.

*Funcionalizar a superfície das nanopartículas com sílica mesoporosade

modo que sejam aptas a serem utilizadas in vivo para testes de bioimagem.

* Caracterizar o sistema sílica mesoporosa/galato de zinco.

2.4 – METODOLOGIA

A síntese de nanopartículas de ZnGa2O4 dopadas com Cr3+ será realizada

através do método sol-gel. Para funcionalização da superfície serão utilizadas

sílicas mesoporosas ordenadas (SMO). As caracterizações serão feitas quanto

à estrutura, morfologia e propriedades ópticas, através das seguintes técnicas:

- Difração de Raios X: será utilizada para estudos quanto à formação das fases cristalinas.

- Análise Térmica Simultânea (TG-DTA): permitirá determinar a natureza dos

eventos térmicos sofridos durante tratamentos com temperaturas elevadas.

- Fotoluminescência: será utilizada com o objetivo de identificar as principais

transições ópticas quando o material é excitado com radiação ultravioleta e

visível.

- Microscopia Eletrônica de Varredura e Espectrometria de Energia

Dispersiva de Raios X (MEV-EDX): será utilizada para estudar morfologia e

composição química das amostras.

- Isotermas de adsorção: caracterização textural e análises de área de

superfície.

- Espalhamento de Raios X a baixo angulo (SAXS): será utilizado para

analisar a morfologia e porosidade do material.

- Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS): será empregada com o

objetivo de estudar o ambiente químico do Ga3+ e as alterações provocadas

pelo Cr3+.

- Espectroscopia de Infravermelho: aplicada para investigar a composição

das amostras.

2.5 - CRONOGRAMA DE EXECUCÃO

As atividades previstas para serem realizadas neste projeto de pesquisa estão

descritas na Tabela 4, que apresenta o cronograma de execução.

Tabela 4. Cronograma de atividades para 2018.

Atividades Bimestre

1° 2° 3° 4° 5° 6°

Revisão bibliográfica X X X X X X

Preparação de nanopartículas

de ZnGa2O4:Cr X X X X

Caracterização de nanopartículas

ZnGa2O4:Cr X X X X

Funcionalização da superfície com SMO X X X X

Caracterização de superfície X X X X

Tratamento de dados X X X X X X

Redação de relatório X

Redação de artigos X X X

* Este cronograma é para 1 ano de projeto.

2.6 - CONSIDERAÇOES FINAIS

O desenvolvimento do projeto será realizado no Laboratório de Cristalografia

do Instituto de Física da USP/SP, onde existe toda a infraestrutura para síntese

dos materiais em estudo. Na USP há laboratórios que possuem equipamentos

relacionados às técnicas experimentais que permitem as caracterizações das

propriedades óticas, elétricas e luminescentes, bem como suas características

morfológicas e estruturais, sob supervisão da Profa. Dra. Marcia A. C. Fantini.

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