Investigação das propriedades fotoluminescentes de pontos quânticos de carbono: aplicações como sensores físico-químicos, atividade antimicrobiana e bioimageamento

Doutor: Walter Muniz dos Santos Junior / Orientação: Prof. Dr. Italo Oliveira

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS
INSTITUTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA - DOUTORADO

Walter Muniz dos Santos Júnior

Investigação das propriedades
fotoluminescentes de pontos quânticos de
carbono: aplicações como sensores
físico-químicos, atividade antimicrobiana e
bioimageamento

Maceió - Brasil
Fevereiro - 2025

Walter Muniz dos Santos Júnior

Investigação das propriedades
fotoluminescentes de pontos quânticos de
carbono: aplicações como sensores
físico-químicos, atividade antimicrobiana e
bioimageamento

Tese apresentada no Instituto de Física da
Universidade Federal de Alagoas como requisito
necessário para obtenção do título de Doutor.

Orientador: Prof. Dr. Ítalo Nunes de Oliveira
Co-orientadora: Profa. Dra. Melissa Landell

Instituto de Física - UFAL

Catalogação na Fonte
Universidade Federal de Alagoas
Biblioteca Central
Divisão de Tratamento Técnico
Bibliotecário: Marcelino de Carvalho Freitas Neto – CRB-4 - 1767
S237i

Santos Júnior, Walter Muniz dos.
Investigação das propriedades fotoluminescentes de pontos quânticos de
carbono : aplicações como sensores físico-químicos, atividade antimicrobiana e
bioimageamento / Walter Muniz dos Santos Júnior. – 2025.
175 f. : il.
Orientador: Ítalo Nunes de Oliveira.
Co-orientadora: Melissa Landell.
Tese (doutorado em Física) – Universidade Federal de Alagoas. Instituto de
Física. Maceió, 2025.
Bibliografia: f. 152-175.
1. Nanopartículas. 2. Sensores físico-químicos. 3. Agentes antimicrobianos.
I. Título.
CDU: 535.37

PARECER DA BANCA EXAMINADORA DE DEFESA DE
TESE DE DOUTORADO

“Investigação das propriedades fotoluminescentes de pontos quânticos
de carbono: aplicações como sensores físico-químicos, atividade
antimicrobiana e bioimageamento”
por

Walter Muniz dos Santos Junior

A Banca Examinadora composta pelos professores Italo Marcos Nunes de Oliveira, como
presidente da banca examinadora e orientador, do Instituto de Física da Universidade Federal de
Alagoas; Melissa Fontes Landell, do Instituto de Ciências Biológicas e da Saúde da Universidade
Federal de Alagoas, como coorientadora; Camila Braga Dornelas, do Instituto de Ciências
Farmacêuticas da Universidade Federal de Alagoas; Maria Socorro Seixas Pereira, do Instituto de
Física da Universidade Federal de Alagoas; Adriano Mesquita Alencar, do Instituto de Física da
Universidade de São Paulo; e Emerson Rodrigo da Silva, da Universidade Federal de São Paulo;
consideram o candidato aprovado.
Maceió, 26 de fevereiro de 2025.

Profº Drº Italo Marcos Nunes de Oliveira

Profª Drª Maria Socorro Seixas Pereira

Profª Drª Melissa Fontes Landell

Profº Drº Adriano Mesquita Alencar

Profª Drª Camila Braga Dornelas

Profº Drº Emerson Rodrigo da Silva

Agradecimentos
Para você que, porventura, se interessar em ler esse manuscrito, essa parte não é a
mais importante ou interessante. Mas para mim, sem qualquer dúvida, é. Essa tese é a
culminância de um longo trabalho feito por várias mãos. . . e mentes. E não, não estou me
referindo aos resultados e discussões apresentados adiante (não somente), mas à minha
própria formação prossional. Então agora eu quero agradecer aos responsáveis por isso.
Em primeiro lugar, e esse lugar sempre será deles, quero agradecer aos meus pais, Walter
e Netinha, por serem o meu caminho, pelo amor e pela fortaleza. Por apoiar e respeitar
as minhas decisões, por oferecer apoio e refúgio incondicionais, por serem o signicado de

lar. Às minhas irmãs, Wanessa e Wivian, por acreditarem em mim sempre mais do que
eu mesmo. Minha vida tem valido a pena porque eu tive a sorte de crescer com elas e
viver plenamente esse tipo particular de amor que só existe entre irmãos.
E por falar em sorte, ela me agraciou com duas mães. Minha segunda mãe, tia Doda,
é a denição de amor altruísta, minha admiradora e defensora mais feroz. E pensando
de uma outra perspectiva, talvez o amor não seja sorte.

Talvez seja a constante da

vida que mantém todos os outros parâmetros em equilíbrio.

Uma força que prospera

na multiplicação. E, na minha vida, se multiplicou. O Manoel chegou quando eu ainda
estava na graduação e a Laura esperou até eu ser mestre.

São as duas crianças mais

importantes do mundo para mim e ocupam um lugar único e exclusivo no meu coração.
Ser tio e padrinho deles dois é um deleite diário e um lembrete de para quem tudo isso
está sendo feito.

E ao Thyago, meu cunhado, compadre e coqueteleiro pessoal, muito

obrigado. Quero agradecer também à tia Valdice e à Fábia por terem me dado uma casa
aqui em Maceió nos meus primeiros seis anos nessa cidade. Todo o suporte (que vai além
de um teto), carinho e amor foram fundamentais para que eu conseguisse me dedicar como
eu me dediquei à minha graduação. Um agradecimento especial ao Nilson, meu psicólogo
por ter me ensinado a me ler.
Mas a vida é parte herança e parte escolha. A família que construímos ao longo do
caminho é tão importante quanto aquela que já estava pronta esperando por nós. E eu
tenho ótimos exemplares disso.

Tháfyne e Vanessa, minhas colegas de quarto, sempre

foram o meu porto seguro contra as coisas feias da vida. Lucas é o irmão que eu nunca
tive (porque só tenho irmãs, veja bem) e que, mesmo com o pouco contato por causa da
vida adulta, sempre está lá. O Fábio é a fonte de sinceridade e suporte na mesma medida.
A Val e a Maria são as amizades de baixa manutenção que eu mais amo. Muitas outras
pessoas zeram e fazem parte desse domínio da minha vida que, para a minha própria
surpresa, é grande. Eu tenho muitos amigos e sou grato a todos por serem parte do meu
caminho.
E o obrigado aos amigos que a física me deu. Ter feito toda a minha formação acadêmica no mesmo lugar inseriu, de forma irreversível, pessoas incríveis na minha vida.
E tão natural (e triste) quanto fazer amigos é vê-los ir embora, as vezes sem despedidas

Tese de Doutorado

apropriadas. Por esse motivo, não podia começar por outra pessoa senão aquela que foi a
primeira amizade que eu z no IF. O Helton foi um amigo valioso que sempre me ofereceu
um ponto de vista diferente sobre a academia.

As conversas, com carinho, respeito e

humor, já fazem falta a quase um ano e sempre farão, mas as memórias são boas integralmente. Já nos primórdios da minha formação acadêmica, algumas pessoas entraram
e permaneceram. Professora Tereza, minha eterna mãe acadêmica, assumiu o trabalho
complicado de me transformar em algo parecido com um pesquisador. Eu não poderia
agradecer mais. Isa, Waléria e Cris foram meus irmãos acadêmicos durante a graduação
e meus modelos de cientistas em formação. As minhas espiãs, Steph e Mih, que sempre
foram o refúgio do ambiente caótico da academia, as melhores companhias para comer
coxinha e assistir lme, e para falar sobre Harry Potter e How to get away with murder.
A graduação trouxe pessoas para a minha vida que caram por um tempo e seguiram
outras rotas, que chegaram e estão por aqui até hoje, algumas somem e aparecem ao
sabor do tempo.

Mas todas contribuíram para a construção do

eu que escreve essas

palavras agora. Meu agradecimento é encaminhado a todas ela, mas algumas precisam
ser nomeadas aqui.

À Catarina, que me ensina constantemente que, às vezes, a vida

pode e deve ser vivida sem ensaio. À Débora, uma das pessoas mais destemidas que eu
conheço. Ao PV, o exemplo de resiliência e paciência que eu tento seguir todos os dias.
Ao Luciano, por ter sempre um abraço disponível e um carinho inesgotável. Ao Lucas,
por me ensinar a defender um ponto de vista, mesmo que ninguém concorde com ele. À
Lavínia, meu outro eu andando em outro corpo.
A pós-graduação foi tão frutífera quanto a graduação no que diz respeito a encontrar
pessoas.

E eu posso começar pelo minha orientação acadêmica.

O professor Ítalo é

uma pessoa única e é parte fundamental no meu entendimento do que é ser cientista.
A professora Melissa trouxe o mundo microbiológico de volta para a minha vida. Essa
dupla me ensina muito. No cotidiano da vida acadêmica, é indispensável cultivar bons
relacionamentos, e não existe lugar melhor que a sala 6 para isso. A Sala 6 de alunos de
pós-graduação do IF-UFAL é um paraíso perdido no meio de um oceano turbulento cheio
de peixes muito grandes. Na sala 6 conheci a Pam, a pessoa que mais lê livros no mundo
e que é exemplo de disciplina e dedicação. O Raul, aquele pra quem não existe tempo
ruim. A Ellena, que me lembrou algo sobre mim a muito esquecido. Ricardo e Rafael, a
duplinha do café que faz falta. Ana Maria, o espírito de felicidade da sala 6. Yure, Rayssa,
Matheus Oliveira, Adenilson, Uchôa, Lennon, Edna, Sam, Matheus Limeira, Elenilda e
muitos outros, não só da sala 6, mas do IF como um todo. As minhas ICs, Maria Duda
e Raycha, que me ensinaram um outro lado da prossão, o lado de ensinar e orientar, e
me mostram o quanto eu já caminhei desde os meus dias de IC.
E o grupo de pesquisa que me acolheu a quase seis anos. O GLAP é uma entidade em
si e só é assim porque as pessoas que fazem parte desse grupo são abundantemente massa.
A professora Socorro é a mãe de todos e a bússola da empatia e razão.

Instituto de Física - UFAL

O GLAP não

sobreviveria sem ela. A Rafaela foi uma amiga da graduação que o GLAP fez a proeza
de trazer de volta pra minha vida, só que melhor. Rafa me ensinou principalmente a ter
objetivos reais na vida e a lutar por eles com tudo que eu tenho. Agradecer também ao
LDBM que me acolheu durante o doutorado, e onde eu aprendi muito sobre microbiologia
e sobre amizades; em especial à Vitória, Júlio, Maurício, Gustavo e Max. Do IF, também
gostaria de agradecer ao seu Miguel, as duas Janes, a Gilza, Raíssa e Victor. O Instituto
de Física não seria o mesmo sem eles. Os agradecimentos nais vão para as instituições
que sempre nanciaram minha formação prossional: Capes, Fapeal, INCT-Fcx e UFAL.

Tese de Doutorado

vii

O amadurecimento é uma batalha cotidiana contra o orgulho. É entender que a
conquista de sonhos não é um ponto de chegada, mas um caminho com buracos e
declives. E que não ajuda ninguém carregar no coração as mágoas daquilo que não nos
compete controlar. Inevitavelmente, amadurecer é fazer as pazes com a vida.

Walter Muniz Júnior

Instituto de Física - UFAL

viii

Resumo

Pontos quânticos de carbono (PQCs) é um termo geral usado para designar nanopartículas carbônicas zero-dimensionais com uma estrutura núcleo-casca rica em domínios

π -conjugados e grupos funcionais na superfície.

Suas notáveis propriedades ópticas as

tornam apropriadas para diversas aplicações, tais como nanossensores, biomarcadores e
agentes antimicrobianos. Nesta pesquisa, utilizamos dois PQCs, CD-MR, derivado do azo
corante Vermelho de Metila, e CD-ANS derivado do ácido 5-amino-2-naftalenossulfônico
(CD-5ANS2). As características ópticas do CD-MR foram exploradas na microbiologia,
tornado-os potenciais agentes antimicrobianos e fotossensibilizadores para a Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana (TFA). O surgimento de microrganismos patogênicos resistentes
a medicamentos tornou-se uma preocupação de saúde pública, com demanda por estratégias para suprimir a sua proliferação nas unidades de saúde. A possibilidade de utilizar
o CD-MR para gerar espécies reativas de oxigênio (ROS) foi analisada e foi vericada
uma alta eciência quântica de geração de oxigênio singleto.

Além disso, a atividade

antimicrobiana do CD-MR foi analisada contra os microrganismos patogênicos Staphylo-

coccus aureus, Escherichia coli, Candida albicans e Cryptococcus neoformans. Os testes
de Kirby-Bauer mostram que o CD-MR possui atividade antimicrobiana apenas após fotoexcitação a 532 nm.

Os efeitos térmicos e de pH na fotoluminescência do CD-ANS

foram investigados, bem como sua sensibilidade à dopagem com íons metálicos, metanol
e o defensor agrícola Metomil. Os resultados indicam uma contribuição relevante de um
mecanismo termicamente ativado para a uorescência do CD-5ANS2. A sensibilidade à
variação no pH, aos íon metálicos, ao metanol e ao pesticida foi medida e a variação na
fotoluminescência está provavelmente ligada aos estados da superfície da nanopartícula.
O efeito de dopagem do CD-ANS com nitrogênio e enxofre foi vericado e constatamos
que a adição desses heteroátomos afeta as propriedades ópticas do CD-ANS sem causar
grandes modicações na sua estrutura. Por último, os dois PQCs aqui estudados também demonstraram potencial no uso como biomarcadores, conseguindo penetrar a parede
celular das leveduras Candida albicans e Cryptococcus neoformans e exibindo excelente
fotoluminescência no ambiente intracelular.

Palavras-chave

: 1. Nanopartícula 2. Sensor 3. Agente antimicrobiano

Tese de Doutorado

Abstract

Carbon quantum dots (CQDs) is a general term used to refer to zero-dimensional carbon nanoparticles with a core-shell structure rich in π -conjugated domains and functional
groups on the surface. Their remarkable optical properties make them suitable for various
applications, such as nanosensors, biomarkers, and antimicrobial agents. In this research,
we utilized two CQDs: CD-MR, derived from the azo dye Methyl Red, and CD-ANS,
derived from 5-amino-2-naphthalenesulfonic acid (CD-5ANS2). The optical characteristics of CD-MR were explored in microbiology, making it a potential antimicrobial agent
and photosensitizer for Antimicrobial Photodynamic Therapy (aPDT). The emergence
of drug-resistant pathogenic microorganisms has become a public health concern, creating a demand for strategies to suppress their proliferation in healthcare facilities. The
possibility of using CD-MR to generate reactive oxygen species (ROS) was analyzed,
and a high quantum eciency for singlet oxygen generation was observed. Additionally,
the antimicrobial activity of CD-MR was assessed against the pathogenic microorganisms
Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Candida albicans, and Cryptococcus neoformans.
Kirby-Bauer tests showed that CD-MR exhibits antimicrobial activity only after photoexcitation at 532 nm. The thermal and pH eects on the photoluminescence of CD-ANS
were investigated, as well as its sensitivity to doping with metal ions, methanol, and
the agricultural pesticide Methomyl. The results indicate a signicant contribution of a
thermally activated mechanism to the uorescence of CD-5ANS2. Sensitivity to variations in pH, metal ions, methanol, and the pesticide was measured, and the variation in
photoluminescence is likely related to the surface states of the nanoparticle. The doping
eect of CD-ANS with nitrogen and sulfur was veried, revealing that the addition of
these heteroatoms aects the optical properties of CD-ANS without causing signicant
structural modications. Finally, both CQDs studied here also demonstrated potential
as biomarkers, successfully penetrating the cell wall of the yeasts Candida albicans and
Cryptococcus neoformans and exhibiting excellent photoluminescence in the intracellular
environment.

Keywords

: 1. Nanoparticle . 2. Sensor. 3. Antimicrobial agent

Instituto de Física - UFAL

Lista de Figuras

2.1

Fotoluminescência dependente da excitação dos PQCs produzidos por Sun e
colaboradores em 2006. Em (a), as amostras foram submetidas a excitação
em 400 nm com diferentes ltros, enquanto na gura (b), as excitações
estão indicadas em cada foto.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2

Ilustração das quatro categorias de pontos quânticos de carbono

. . . . . .

2.3

2
(a) Ilustração de um núcleo amorfo polimérico com domínios sp embebidos.

5
6

2
3
(b) Representação das estrutura híbridas sp e sp . (c) Comportamento dos
orbitais HOMO e LUMO com o aumento do grau de cristalinidade através
do fator ν . (d) Diminuição do gap HOMO-LUMO com o aumento do grau

2
de hibridização sp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.4

Ilustração dos processos de síntese Top-down e Bottom-up

. . . . . . . . .

2.5

Ilustração dos processos de modicação supercial . . . . . . . . . . . . . .

2.6

(a) Esquema de formação do PQGs mostrando as etapas de desidratação e
carbonização da síntese adotada. (b) Espectros de absorção e emissão dos
B-CDs, G-CDs, Y-CDs e R-CDs. A ausência de deslocamento horizontal
nos espectros de emissão são comuns para todas as nanopartículas estudadas. 16

2.7

(a) Ilustração esquemática da síntese hidrotérmica seguida da separação
das nanopartículas usando cromatograa por coluna de sílica.

Imagens

da uorescência das oito amostras, bem como seus respectivos espectros
de emissão também são mostradas.

(b) As quatro amostras de trabalho

selecionadas são exibidas sob luz ambiente (primeira foto) e sob radiação
UV (segunda foto).

Os grácos de absorção e emissão de cada amostra

também são exibidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.8

I - (a) Espectros de absorção constantes com a temperatura no intervalo

o
o
de 10 C até 70 C .

(b) Taxas de recombinação radiativa e não radiativa

o
o
variando com a temperatura no intervalo de 2 C até 80 C . II - Mapa de
o
o
cores da fotoluminescência resolvida no tempo para (a) 2 C , (b) 50 C e (c)

80o C . (d) Mapa de cores para a uorescência resolvida no tempo observada
no pico da banda de emissão (421 nm) em função da temperatura.

. . . .

2.9

Diagrama de níveis de energia simplicado de pontos quânticos de carbono, onde os fenômenos de absorção (Abs), uorescência imediata (FL)
e uorescência atrasada (DF) ocorrem. Os processos de cruzamento intersistema (CIS) e cruzamento intersistema reverso (CISr) são representados,
bem como o gap de energia, ∆EST , entre os estado excitados singleto (S1 )
e tripleto (T1 ).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.10 (a) Resposta cinética da nanopartícula mostrando um abrupto decaimento

2+
na intensidade de uorescência com acréscimo de Cu .

(b) Diminuição

2+
da intensidade de uorescência com o aumento da concentração de Cu .
(c) Relação raciométrica entre as intensidades de uorescência em todas
as concentrações e o controle (sem íon). Gráco inserido: limite linear de
detecção de 1 a 25 µmol/L. (d) Resposta óptica da nanopartícula a outros
íons.
3.1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Diagrama esquemático de distribuição eletrônica para a ligação covalente
entre dois átomos de oxigênio formando uma molécula de oxigênio. . . . . .

3.2

Representação geral de uma célula (a) eucarionte e uma (b) procarionte.

3.3

Modelo da estrutura geral de paredes celulares de bactérias (a) Grampositivas (Gram+) e (b) Gram-negativas (Gram-). . . . . . . . . . . . . . .

3.4

Ilustrações (a) da reprodução de leveduras por brotamento e ssão [146]
e (b) das estruturas de fungos lamentosos septado e cenocítico [147]. (c)
Esporos negros germinando como hifas [148].

(d) Micrograa eletrônica

de varredura mostrando a divisão por brotamento em célula da levedura

Saccharomyces cereviseae [131]. (e) Imagens de MET da levedura Schizosaccharomyces pombe realizando ssão celular [149]. . . . . . . . . . . . . .
3.5

Ciclo de reprodução de fungo lamentoso mostrando a liberação de esporos
(esporulação) pelo corpo de fruticação e subsequente formação do micélio.

3.6

Esquema da formação de imagem dentro de um microscópio óptico.

. . . .

3.7

Esquema para Microscopia Confocal por Escaneamento a Laser

. . . . . .

3.8

(a) Microscopia confocal por escaneamento a laser dos patógenos S. Typhi-

murium (primeiro conjunto de imagens) e C. neoformans (segundo conjunto). (b) Microscopia de oito patógenos obtida sob três comprimentos de
onda (405nm, 488nm e 533 nm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1

Esquema para o arranjo experimental de medidas de absorção. . . . . . . .

4.2

Esquema para o arranjo experimental de medidas de emissão.

4.3

(a) Ilustração esquemática do sinal obtido a partir de técnica de Contagem

. . . . . . .

de Fótons Individuais Correlacionada com o Tempo. (b) Diferença de fase
entre as intensidades dos feixes de excitação e emissão como resultado da
modulação da fonte de luz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Instituto de Física - UFAL

xii

4.4

Feixe no infravermelho atravessando um interferômetro de Michelson-Morley
em um experimento típico de FTIR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.5

Espectro de FTIR de pontos quânticos de carbono derivados de Cloreto de
Dansila. Observe que o eixo y mede a porcentagem de transmitância do
feixe para cada número de onda. As bandas negativas, diminuição dessa
porcentagem, são as faixas absorvidas pelos átomos do material. . . . . . .

4.6

Ilustração de um aparato para medidas de XPS. . . . . . . . . . . . . . . .

4.7

Ilustração de um microscópio eletrônico mostrando as componentes desde
a formação do feixe até a detecção do sinal pela tela uorescente.

. . . . .

. . . . . . . .

4.8

Ilustração para o teste de difusão por disco de Kirby-Bauer.

5.1

(a) Esquema ilustrativo mostrando o método hidrotérmico para a síntese
do CD-5ANS2. Fotoluminescência com excitação em (b) 405 nm e (c) 532
nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.2

Espectro de XPS do CD-ANS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.3

Espectros de XPS de alta resolução de (a) C1s, (b) O1s, (c) N1s e (d) S2p.

5.4

Imagens de MET do CD-ANS para as escalas (a) 50 nm e (b) 5 nm. (c)
Distribuição de tamanhos das nanopartículas.

(d) Comparação entre os

espectros de FTIR do precursor 5ANS2 e da nanopartícula CD-ANS.
5.5

. . .

(a) Espectro de absorção do CD-ANS mostrando as fortes bandas características de pontos de carbono na região do ultravioleta e uma banda mais
fraca em torno de 490 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.6

(a) Espectros de emissão dependentes da excitação (300 nm - 500 nm). (b)
Curvas de tempo de vida para excitações em 454 nm e 366 nm com as
correspondentes emissões em 535 nm e 441 nm. (c) Diagrama de cromaticidade referente as áreas sob as curvas de emissão. . . . . . . . . . . . . . .

5.7

(a) Espectro de emissão do CD-ANS variando com a temperatura no intervalo de 30

◦

C a 60

◦

C (linha preta sólida), T = 40

◦

C (linha

C (linha azul pontilhada) e T = 60

◦

C (linha

C. T = 30

vermelha tracejada), T = 50
verde pontilhada-tracejada).

◦

(b) Razão entre as intensidades de emissão

correspondentes aos picos em 496 nm e 532 nm como função da temperatura. A linha azul representa o ajuste obtido a partir da função sigmoide
dada pela eq.(5.1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.8

(a)Dependência térmica do rendimento quântico do CD-ANS. A linha tracejada azul é a melhor regressão linear usando a eq.(5.4), com intervalo de
energia calculado em ∆EST = 159meV . (b) Diagrama de cromaticidade de
uorescência de CD-ANS mostrando variação na cor de emissão conforme

5.9

a aumento na temperatura da amostra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Espectros de absorção do CD-ANS para a solução com pH = 3 e pH = 12.

Tese de Doutorado

xiii

5.10 (a)Intensidade de emissão normalizada do CD-ANS sob fotoexcitação a 366
nm para diferentes valores de pH.(b) Tempo de vida da uorescência do
CD-ANS para diferentes valores de pH. As medições resolvidas no tempo
foram realizadas considerando os comprimentos de onda de excitação e
emissão de 366 nm e 441 nm, respectivamente.(c) Intensidade normalizada
da uorescência do CD-ANS em diferentes pH, com fotoexcitação a 454 nm.
(d) Intensidade de emissão transitória do CD-ANS em meio ácido (linha
preta) e alcalino (linha vermelha), considerando comprimentos de onda de
excitação e emissão de 454 nm e 535 nm, respectivamente.

. . . . . . . . .

5.11 Variação da cor de emissão do CD-ANS como resposta à variação de pH da
solução. Em (a) são exibidas fotos da emissão com excitação em 366 nm,
enquanto (b) apresenta um diagrama de cromaticidade para dois valores
de pH e dois de comprimento de onda de excitação, e (c) apresenta as fotos
da emissão sob excitação em 454 nm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.12 Efeito da adição de íons à solução aquosa de CD-ANS, com resposta na
intensidade de emissão. Em (a) são exibidos os espectros normalizados de
emissão do CD-ANS dopado com íons, enquanto em (b), são exibidas as
razões Cα /Ccontrole para cada curva em (a). Excitação em 405 nm

. . . . .

5.13 Espectros de emissão do CD-ANS para diferentes concentrações de (a) Fe

2+
e (b) Sn .

Atenuação na intensidade de emissão do CD-ANS acompa-

nhando aumento na concentração dos íons (c) Fe

2+
e (d) Sn . . . . . . . .

5.14 (a) Espectros de emissão do CD-ANS em solução, sob excitação em 405
nm, contendo o defensor agrícola Metomil.

São consideradas diferentes

cmet = 0, 0µM (linha preta sólida), cmet =
0, 5µM (linha vermelha tracejada), cmet = 1, 0µM (linha azul pontilhada)
e cmet = 2, 0µM (linha verde pontilhada-tracejada). A adição de metomil
concentrações de metomil:

leva a um aumento pronunciado na intensidade de emissão do CD-ANS. (b)
Intensidade de emissão normalizada em função da concentração de metomil.
Observa-se uma resposta linear.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5.15 (a) Variação no espectro de emissão do CD-ANS, sob excitação em 405 nm,
para diferentes frações volumétricas, Φν , de metanol:

Φν = 0, 0µM (linha
preta sólida), Φν = 1, 0µM (linha vermelha tracejada), Φν = 4, 0µM (linha
azul pontilhada) e Φν = 16, 0µM (linha verde pontilhada-tracejada). (b)
Relação raciométrica, I496 /I532 , das duas bandas principais de emissão em
função do volume de metanol

6.1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Imagens de MET das sínteses de CD-ANS com diferentes dopagens de
Tioureia: (a) 0 g/L, (b) 0,03 g/L, (c) 0,06 g/L, (d) 0,12 g/L, (e) 0,24 g/L
e (f ) 0,48 g/L. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Instituto de Física - UFAL

xiv

6.2

Espectros de (a) XPS e (b-e) XPS de alta resolução para o CD-ANSt3.

. .

6.3

Espectros de FTIR sem dopagem (0 g/L) e com duas dopagens (0,12 e

0,48 g/L) de Tioureia. Em (a), observa-se bandas de absorção nas mesmas
regiões, mas em (b) ca claro a diminuição na intensidade em algumas
bandas com o aumento da dopagem.
6.4

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Espectros de absorção do CD-ANS, CD-ANSt3 e CD-ANSt5. Observa-se
modicação na intensidade de todas as bandas, com um claro deslocamento
para o vermelho na região visível acompanhando o aumento na dopagem. .

6.5

Espectros de emissão do CD-ANS (a) sem dopagem e com (b) 0,12 g/l e
(c) 0,48 g/L de Tioureia incorporada na síntese. . . . . . . . . . . . . . . .

6.6

(a) Espectros de emissão do CD-ANS para diferentes concentrações de ti-

cT U = 0, 00 g/L (linha preta), cT U = 0, 03
g/L (linha tracejada vermelha), cT U = 0, 12 g/L (linha pontilhada azul), e
cT U = 0, 48 (linha ponto-traço verde). As amostras foram excitadas em 400

oureia incorporada na síntese:

nm. (b) Variação na cromaticidade da uorescência do CD-ANS quando a
concentração de tioureia na síntese é aumentada . . . . . . . . . . . . . . .
6.7

Curvas de tempo de vida para excitações em 454 nm e 366 nm com as
correspondentes emissões em 535 nm e 441 nm. (a) 0 g/L e (b) 0,12 g/L
de Tioureia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6.8

Espectros de emissão do CD-ANS variando com o pH para (a) 0 mg/L,
(b) 0,12 mg/L e (c) 0,48 mg/L de Tioureia incorporada na síntese.

dois regimes de pH, I - ácido e II - alcalino, são mostrados separadamente.
Todas as curvas foram normalizadas pela curva de pH 2 de cada dopagem.

7.1

(a) Representação esquemática da síntese de pontos quânticos de carbono
derivados do azocorante vermelho de metila (CDMR). Solução aquosa de
CDMR sob (b) luz ambiente e (c) fotoexcitação em 488 nm.

7.2

. . . . . . . .

Esquema de diluição do meio de cultura líquido (caldo) inoculado com o
microrganismo e tratado dentro dos parâmetros de cada um dos quatro
grupos. 1 mL do caldo é misturado a 9 mL de solução salina obtendo a
diluição de 10

−1

. As demais diluições são obtidas a partir da mistura de 1

mL da diluição anterior com 9 mL de solução salina.
7.3

. . . . . . . . . . . .

(a) Espectro de absorção do CD-MR em solução aquosa. (b) Espectros de
emissão do CD-MR para diferentes fotoexcitações. . . . . . . . . . . . . . . 100

7.4

Gráco 3D exibindo a evolução temporal do espectro de absorção de uma
solução de DPBF e CD-MR. A evidente extinção da banda de absorção do
DPBF, em torno de 413 nm, é uma consequência direta da formação de
oxigênio reativo na solução.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

Tese de Doutorado

7.5

Fotoestabilidade e estabilidade no escuro do composto DPBF, observadas
durante o tempo de trabalho adotado: 3 minutos. Observe que mesmo com
iluminação de luz laser em 532 nm e 6.4 mW/cm

de intensidade incidente,

o DPBF sofre um decaimento mínimo em torno de 12%.
7.6

. . . . . . . . . . 103

(a)Decaimento do pico de absorção ( 413 nm) do DPBF na presença do
CD-MR ou do Azul de metileno sob contínua excitação em 532 nm e 6.4

mW/cm2 de intensidade.

(b) Rendimento quântico de geração de ROS

obtido a partir da equação [7.2] para diferentes intensidades de excitação. . 104
7.7

Teste de Kirby-Bauer para vericar a ação fotodinâmica do CD-MR em
bactérias. Imagens das placas tratadas (a) no escuro e (b) com iluminação
LED (532nm, 10 mW). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

7.8

Teste de Kirby-Bauer para vericar a ação fotodinâmica do CD-MR em
leveduras. Imagens das placas tratadas (a) no escuro e (b) com iluminação. 106

7.9

(a) Leitura da Densidade Óptica em 600 nm (DO600 ) e (b) UFC/mL de
culturas de Cryptococcus neoformans sem e com adição de CD-MR (120 e
600 µg/mL) durante 72 horas de observação. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

7.10 Comparação entre os valores de Log(UFC/mL) dos quatro grupos tratados. 108
7.11 Imagens das placas dos quatro grupos de trabalho na avaliação da fotoatividade do CD-MR contra o C. neoformans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.12 Microscopia óptica de campo claro e uorescência de células de C. neofor-

mans tratadas com CD-MR. São exibidas células dos grupos (a) Controle
e (b) CD-MR analisadas via espectroscopia óptica, além da (c) análise via
espectroscopia por uorescência (λexc = 532 nm) do grupo CD-MR. As
microscopias por uorescência com excitação em 375 nm são exibidas para
o (d) Controle, (e) CD-MR e (f ) TFA, onde o corante Calcouor white foi
usado como uoróforo marcador de parede celular. . . . . . . . . . . . . . . 110

8.1

(a) Imagem de campo claro e (b-d) imagens de microscopia confocal de
células de C. neoformans incubadas com CD-MR. (b) O canal azul corresponde à coloração da membrana celular com Calcoúor White (CFW),
enquanto (c) o brilho alaranjado corresponde ao CD-MR. (d) As uorescências exibidas em (b) e (c) são combinadas.

8.2

. . . . . . . . . . . . . . . . 115

(a) Imagem de campo claro de células de C. albicans incubadas com CDMR. As imagens de microscopia confocal são exibidas nos demais quadros:
(b) uorescência azul indicando a marcação da membrana celular por Calcoúor White (CFW); (c) uorescência alaranjada corresponde ao CD-MR;
(d) A imagem combinada dessas duas uorescências.

Instituto de Física - UFAL

. . . . . . . . . . . . 116

xvi

8.3

Geração de ROS pelo CD-ANS e Azul de Metileno sob excitação laser em
532 nm durante 10 min. O gráco mostra o decaimento na intensidade da
banda de absorção do DPBF no escuro (quadrados azuis), sob fotoação do
CD-ANS (círculos roxos) e do Azul de Metileno (triângulos magentas).

8.4

. . 117

Teste de Kirby-Bauer para vericar a ação fotodinâmica do CD-ANS em
leveduras. Imagens das placas tratadas (a) no escuro e (b) com iluminação
LED (532nm, 10 mW). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

8.5

Microscopia de (a) campo claro e (b-d) confocal de células de C. albicans
incubadas com CD-ANS. (b) O canal azul corresponde à coloração da membrana celular com Calcoúor White (CFW), enquanto (c) a uorescência
verde corresponde ao CD-ANS dentro das células.

(d) Sobreposição das

imagens (b) e (c). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.6

(a) Imagem de microscopia de campo claro e (b-d) imagens de microscopia
confocal de células de C. neoformans incubadas com CD-ANS. (b) O canal
azul corresponde à coloração da membrana celular com Calcoúor White
(CFW), enquanto (c) o brilho esverdeado corresponde ao CD-ANS. (d)
A imagem combinada sugere que o CD-ANS pode penetrar a membrana
celular e acessar o ambiente intracelular.

A.1

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Representação do átomo de hidrogênio, com um próton ligado a um neutron
formando o núcleo, e a nuvem eletrônica ocupando um orbital ao redor desse
núcleo. Essa nuvem corresponde ao conjunto de possibilidades de ocupação
de apenas um elétron.

A.2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

Representação de orbitais tipo (a) s e (b) três orbitais degenerados tipo p.
Veja que cada orbital degenerado é perpendicular aos outros dois.

A.3

. . . . . 126

(a) Estrutura química da molécula de etanol, mostrando o arranjo formado
pelos seis átomos de hidrogênio (esferas azuis), os dois de carbono (esferas
rosas) e o átomo de oxigênio (esfera verde) (b) Cadeia de íons do composto
Cloreto de Sódio.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

A.4

Diagrama de distribuição eletrônica para o átomo de oxigênio.

De (a)

até (b), observamos o preenchimento dos orbitais disponíveis a partir do
menos energético (1s) até o mais energético (2p), como manda o Princípio
de Aufbau.

Em (c), o preenchimento segue a lei de Hund nos orbitais

degenerados 2p.

(d) E, por último, seguindo o Princípio de exclusão de

Pauli, os elétrons restantes são acomodados nos orbitais com apenas um
elétron, do menos energético ao mais energético, mas com orientação de
spin diferente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Tese de Doutorado

xvii

A.5

Esquema de formação do oxigênio molecular a partir de dois átomos de
oxigênio. O número de orbitais moleculares (σ e π ) é igual ao número de
orbitais atômicos

A.6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Esquema para a formação de uma orbital híbrido sp através da combinação
de características dos orbitais 2s e 2px . Aqui consideramos apenas a soma
das funções de onda.

A.7

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Esquema ilustrando os processos de (a) absorção, (b) emissão espontânea
e (c) emissão estimulada. A radiação incidente (seta curva) e a ocupação
do elétron nos estados preservam a energia do sistema nas três situações.

A.8

Representação do diagrama de Jablonski exibindo as transições eletrônicas
desencadeadas a partir da absorção de um fóton por uma molécula.

A.9

. 135

. . . . 139

(a) Diagramas de energia potencial mostrando as transições verticais características do Princípio de Frankc-Condon.

(b) Espectros de absorção

exibindo as bandas referentes às transições mostradas nos diagramas.
A.10 Diagrama de Jablonski modicado.

. . . 140

A regra da imagem espelhada ca

evidente quando observamos que os espectros de uorescência (S1 → S0 ) e
fosforescência (T1 → S0 ) são simétricos do espectro de absorção (S0 → S1 )

146

A.11 Representação de estruturas nanométricas com diferentes dimensões. Nano
esferas em (a) representando estruturas 0D. Nanoestruturas 1D são exemplicadas por nanotubos de carbono em (b).

Em (c), folhas de grafeno

simbolizam nanoestruturas 2D, ao passo que sistemas 3D são exibidos em
(d) como um bloco cristalino.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

Instituto de Física - UFAL

xviii

Lista de Siglas

Carbon Dot

Single-walled Carbon Nanotube
Multi Walled Carbon Nanotube

Highest Occupied Molecular Orbital
Lowest Unoccupied Molecular Orbital

X-ray Photoelectron Spectroscopy
Fourier Transform Infrared
Atomic Force Microscopy
Intersystem Crossing
Reverse Intersystem Crossing

Photo-induced Electron Transfer
Föster Resonance Energy Transfer
Aggregation-Induced Emission
Reactive Oxygen Specie

Thermaly Activated Delayed Fluorescence

Methicillin-Resistant Staphylococcus aureus

NTC

Nanotubos de Carbono

SWNT

MWNT
PQG

Pontos Quânticos de Grafeno

PQC

Pontos Quânticos de Carbono

NPC

Nanopontos de Carbono

PPC

Pontos Poliméricos de Carbono

HOMO
LUMO
MET

Microscopia Eletrônica de Transmissão

XPS

FTIR
AFM
ISC

RISC
CI
RV

Conversão Interna

Relaxação Vibracional

CIS

Cruzamento Intersistema

CISr

Cruzamento Intersistema Reverso

PET

FRET
AIE

ROS
FL
SO

Fotoluminescência
Spin-órbita

TADF
DA

Defensor Agrícola

TFD

Terapia Fotodinâmica

TFA

Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana

IFD

Inativação Fotodinâmica

HpD

Derivado de Hematoporrina

MRSA

DMSO

Dimetilsulfóxido

Ultravioleta

Vis

Visível

Tese de Doutorado

xix

Laser Scanning Confocal Microscopy
Time Correlated Single Photon Counting

Continuous Wave
Brain Heart Infusion
Yeast Peptone Dextrose

Optical Density

American Type Culture Collection
Phosphate-Buered Saline
Calcouor White

Quantum dots
Molecular Orbital
Valence Bond
International Union of Pure and Applied Chemistry
Methyl Red

LSCM

TCSPC
MH

Mueller-Hinton

5ANS2

5-amino-2-nafnatalenosulfônico

DPBF

1,3-difenilisobenzofurano

BHI

YPD
AM
OD

Azul de Metileno

LED

Light Emitting Diode

ATCC
PBS

CFW
FS
QD

Fotosensibilizador

MO
VB

IUPAC
MR

Instituto de Física - UFAL

SUMÁRIO

Resumo

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii

Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Lista de Siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii

1 Introdução
1
2 Propriedades físico-químicas de pontos quânticos de carbono
3
2.1 Estado da arte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 Características estruturais e morfológicas de Pontos Quânticos de
Carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Rotas de síntese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Fotoluminescência de pontos quânticos de carbono . . . . . . . . 14
2.5 Pontos Quânticos de Carbono como nanossensores . . . . . . . . 18
2.5.1 Pontos quânticos de carbono na nanotermometria .

2.5.2 Pontos quânticos de carbono como sensores de poluentes orgânicos .

2.5.3 Pontos quânticos de carbono como sensores de pH .

3 Fundamentos da terapia fotodinâmica antimicrobiana e de bioimageamento
29
3.1 Terapia Fotodinâmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.1 Histórico

3.1.2 Mecanismos de ação .

3.1.3 Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana .

3.1.4 Fotossensibilizadores

3.1.5 Microrganismos .

3.2.1 Microscopia Óptica: História e evolução

3.2.2 Microscópio óptico

3.2 Pontos quânticos de carbono como marcadores uorescentes em
bioimageamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
.

3.2.3 Microscopia Confocal .

3.3 PQCs como biomarcadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
xx

xxi

4 Técnicas e procedimentos experimentais
55
4.1 Absorção e Emissão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Tempo de vida e ecência quântica . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3 Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier
(FTIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.4 Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS) . . . 62
4.5 Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET). . . . . . . . . . 63
4.6 Teste de Susceptibilidade de Kirby-Bauer (Difusão por disco) . . 65
5 Estudo das propriedades uorescentes de pontos quânticos de carbono
derivados do ácido 5-amino-2-naftalenosulfônico e seu uso como sensor
físico-químico
67
5.1 Metodologia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1.1 Síntese e Materiais

5.1.2 Métodos de Caracterização .

5.1.3 Espectroscopia UV-Vis

5.1.4 Resposta térmica .

5.1.5 Sensibilidade à variação de pH e adição de agentes químicos.

5.2.1 Caracterização: morfologia e composição química do CD-ANS .

5.2.2 Caracterização: assinatura óptica do CD-ANS.

5.2 Resultados e discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
.

5.2.3 Sensibilidade térmica do CD-ANS e processo de Fluorescência Atrasada Termicamente Ativada

5.2.4 Resposta óptica do CD-ANS a agentes químicos .

7.1.1 Síntese

7.1.2 Rendimento quântico de geração de oxigênio reativo .

7.1.3 Microrganismos e meios de cultura

5.3 Conclusões e perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 Estudo da dopagem com tioureia nas características do CD-ANS
87
6.1 Metodologia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Resultados e discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 Conclusões e perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7 Inativação microbiana promovida pela fotoação de pontos quânticos de
carbono derivados de vermelho de metila
96
7.1 Metodologia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
.

7.1.4 Teste Kirby-Bauer (teste de difusão de disco) .

7.1.5 Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana (TFA) .

Instituto de Física - UFAL

7.2 Resultados e discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.1 Geração de oxigênio reativo

. 101

7.3 Conclusões e Perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8 Bioimageamento de microrganismos
112
8.1 Metodologia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.2.2 Fotoação antimicrobiana do CD-MR .

. 103

8.1.1 Imageamento via microscopia confocal .

. 112

8.1.2 Rendimento quântico de geração de oxigênio reativo .

. 113

8.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
8.1.3 Teste Kirby-Bauer (teste de difusão de disco) .

. 114

8.2.1 Imageamento com CD-MR .

. 114

8.3 Conclusões e Perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9 Conclusões gerais e Perspectivas
122
A Natureza das interações entre luz e matéria
124
A.1 Estrutura da matéria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
A.2 Hibridização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.3 Interação entre luz e matéria . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.2.2 Imageamento com CD-ANS

. 117

A.3.1 Coecientes de Einstein .

. 133

A.4 Fotoluminescência. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
A.5 Nanomateriais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
B Azocorantes
150
Bibliograa
152
A.3.2 Transições eletrônicas e o Diagrama de Jablonski

xxii

. 137

1
Introdução
O presente trabalho tem como objetivo o estudo das propriedades fotoluminescentes
de pontos quânticos de carbono (PQC) e suas aplicações como sensor físico-químico, fotossensibilizador em Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana e biomarcador celular. Pontos
quânticos de carbono, ou apenas pontos de carbono (PC), são nanoestruturas orgânicas
descobertas em 2004 e que ganharam considerável espaço nas áreas de ciência e tecnologia por serem materiais com baixo custo de produção, contando com várias rotas de
síntese e precursores, e por possuir propriedades ópticas excelentes nas regiões espectrais
do ultravioleta e visível. O estudo e aplicação dos PQCs é de grande importância para o
desenvolvimento de técnicas e tecnologia que são aplicadas em campos variados de estudo,
desde o seu uso como sensores orgânicos, até aplicações na biomedicina. As pesquisas desenvolvidas nessa tese envolveram a síntese, caracterização e aplicação de PQCs derivados
de compostos ricos em nitrogênio, em especial do corante vermelho de metila e do ácido 5amino-2-naftalenosulfônico. As nanopartículas produzidas estão identicadas no decorrer
do manuscrito como CD-MR e CD-ANS.
No capítulo 2, uma revisão detalhada sobre as características, propriedades e aplicações de PQCs é apresentada, junto com o estado da arte para essa classe de materiais.
As teorias que explicam a origem das suas propriedades fotoluminescentes são discutidas,
as rotas de sínteses, assim como o desenvolvimento de pesquisas dentro das áreas estudadas durante o período de doutoramento. No capítulo 3, é apresentada a base teórica
para a Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana (TFA) e para o bioimageamento de células, com ênfase no uso de microscopia confocal como ferramenta de imageamento. Esses
dois campos de estudo foram fundamentais para diversas análises realizadas nesse trabalho. O capítulo 4 fornece um escopo geral das técnicas e procedimentos utilizados na
caracterização e análise das propriedades ópticas dos PQCs.
Os quatro últimos capítulos apresentam e discutem os resultados obtidos nos trabalhos
aqui apresentados.

O capítulo 5 faz um estudo completo, desde síntese, passando pela

caracterização até a aplicação como sensor físico-químico do PQC identicado como CDANS. Neste trabalho, a assinatura espectral de uorescência do CD-ANS foi utilizada
como parâmetro para avaliar a inuência de agentes externos nas propriedades do PQC;
agentes como temperatura, pH, íons e compostos orgânicos. O capítulo 6 estuda o efeito
da dopagem do CD-ANS com nitrogênio e enxofre, usando o composto tioureia como fonte

dopante. O efeito da dopagem foi estudado tanto do ponto de vista estrutural quanto do
ponto de vista óptico sobre as propriedades do CD-ANS. Seguindo para o capítulo 7, temos
as análises de aplicação do PQC identicado como CD-MR como fotosensibilizador em
TFA em células da levedura Cryptococcus neoformans. Além disso, a fotoação do CD-MR
também foi estudada para outra levedura (Candida albicans ) e as bactérias Staphylococcus

aureus e Escherichia coli. Por último, no capítulo 8, é investigado o possível uso dos dois
materiais, CD-ANS e CD-MR, como biomarcadores de células de leveduras.
Ao nal desse manuscrito, são apresentados quatro apêndices com informações complementares a esse trabalho. No apêndice 1, os conceitos físicos que embasam a estrutura
e fenômenos relacionados aos pontos quânticos de carbono são estudados, começando com
a estrutura básica da matéria, passando pelas interações entre a matéria e radiação eletromagnética, culminado na natureza de nanopartículas e como os PQCs se encaixam nesse
grupo de materiais. No apêndice 2 é realizada uma breve revisão sobre azocorantes, enfatizando sua estrutura química e importância industrial, e mostrando a relevância do seu
uso como precursor de PQCs. Os dois últimos apêndices exibem os artigos produzidos,
até o presente momento, a partir dos resultados obtidos durante o tempo de doutorado
que culminou nessa tese.

Tese de Doutorado

2
Propriedades físico-químicas de pontos
quânticos de carbono
Desde a segunda metade do século passado, a manipulação de átomos e moléculas para
a construção de estruturas maiores deixou o escopo das especulações para o desenvolvimento de técnicas experimentais que viabilizam a síntese de nanoestruturas, conforme
as propostas de Richard Feynman e Norio Taniguchi. Com crescente avanço em equipamento, material e precisão nas medidas, a nanociência sempre teve o intuito de promover o
suporte intelectual e material para o desenvolvimento de tecnologias cada vez mais avançadas, utilizando estruturas nanométricas. Dentro desse espaço, o estudo de nanoestruturas
de carbono se consolidou nas últimas décadas, produzindo materiais com propriedades
ópticas, térmicas, eletrônicas e físico-químicas excelentes. Fulerenos, nanodiamantes, nanotubos de carbono (NTC) e grafenos são algumas das nanoestruturas que tem carbono
como base.
Nanotubos de carbono são folhas de grafeno enroladas em formato cilíndrico, podendo
ocorrer como uma única folha (Single-walled carbon nanotube SWNT ) ou como múltiplas folhas (Multi-walled carbon nanotube MWNT ) enroladas concentricamente; o vetor
quiral da estrutura hexagonal dos NTC dene se o material terá caráter semicondutor ou
metálico [1]. Nanodiamantes, por outro lado, são nanoestruturas cristalinas com o padrão
carbônico do diamante se repetindo por todo o material. Podem ser produzidos como nanopartículas ou lmes, ou ainda formarem aglomerados e constituem nanomateriais com
notáveis fotoluminescência, biocompatibilidade e fotoestabilidade. Fulerenos são formas
alotrópicas do próprio átomo de carbono que possuem aplicações como nanossensores e
carregadores de fármaco. São arranjos moleculares compostos por átomos de carbono que
se ligam formando anéis, como grafenos [2].
Esses anéis se conectam formando poliedros fechados e esféricos que são usados para
estudo de supercondutores, dentre outras aplicações [3]. Também fazendo parte da família
de nanoestruturas de carbono, os pontos quânticos de carbono são os materiais mais
recentemente descobertos e já acumulam uma vasta literatura. Possuem as propriedades
ópticas das outras estruturas carbônicas, além de diversidade e baixo custo de produção.
O objeto de estudo principal das pesquisas apresentadas e discutidas nesse trabalho são
os pontos quânticos de carbono, e neste capítulo vamos discorrer com detalhes a respeito

da história, síntese, propriedades e aplicações dessa nanopartícula.

2.1 Estado da arte
Pontos Quânticos de Carbono (PQC) − referidos na literatura como Carbon

Dots

(CD) − é o termo usado para se referir a uma classe de nanopartículas de dimensão zero

2
3
que apresenta núcleo carbônico com domínios sp /sp , e casca rica em grupos funcionais
2
3
e defeitos de superfície. Os domínios sp /sp se referem a cadeias de carbonos formando
2
3
orbitais sp embebidos em uma matriz formada por híbridos sp carbonáceos. Isso cria
os domínios π , regiões preenchidas por elétrons ocupando orbitais π connados nos car-

2
bonos sp . Esses tipos de carbono resultam de processos de hibridização para formar as
ligações químicas com outros átomos; o processo de hibridização é discutido com detalhes
no apêndice 1.

Essas nanopartículas se destacam por sua excelente fotoluminescência

que abrange o ultravioleta médio e próximo e toda a região visível da luz.

Em geral,

essas nanopartículas são fotoestáveis e biocompatíveis e podem ser produzidas a partir de
inúmeras rotas de síntese e a partir de uma ampla variedade de precursores. O primeiro
relato da observação dos PQCs ocorreu em 2004 em um trabalho [4] desenvolvido por
Xu e sua equipe para puricação de nanotubos de carbono. O material residual continha
nanopartículas que uoresciam quando excitadas em 365 nm.
Nenhuma investigação foi feita a respeito da natureza e estrutura dos pontos quânticos de carbono até 2006, quando Sun e colaboradores sintetizaram as nanopartículas
a partir de grate em pó e cimento, via ablação por laser [5].

Eles caracterizaram os

PQCs produzidos, observando um amplo intervalo de luminescência dependente da excitação, que abrangia todo o espectro visível, como pode ser vericado na Figura (2.1). Os
autores propuseram no artigo que essa emissão dependente da excitação decorria da presença de éxcitons na superfície das nanopartículas que, como resultado do connamento
quântico, cria armadilhas de energia superciais. Atualmente, já se conhece bastante dos
mecanismos de fotoluminescência dos PQCs, um tópico que será discutido mais adiante.
No decorrer dos últimos vinte anos, pesquisas em diversas áreas consolidaram a riqueza de características e aplicações dessas nanopartículas.

Por possuírem excelentes

propriedades ópticas, como bom rendimento quântico de uorescência, emissão dependente/independente da excitação, além de características como biocompatibilidade, fotoestabilidade e facilidade em sintetização, os PQCs são largamente estudados e aplicados
como sensores químicos [6, 7, 8], nanotermômetros [9, 10, 11, 12], agentes antimicrobianos
[13, 14, 15], carregadores de fármacos [16, 17], usados em bioimageamento [18, 19, 20] e
fotocatálise [21, 22], para nomear algumas aplicações.
Em 2010, Pan et al sintetizou pontos quânticos de grafeno com dimensão menor que 10
nm (cerca de 9,6 nm) pela primeira vez, um feito para a época em que estruturas desse tipo
tinham tamanho médio em torno de 100 nm [23]. Os pesquisadores utilizaram folhas de

Tese de Doutorado

Fotoluminescência dependente da excitação dos PQCs produzidos por Sun e colaboradores em 2006. Em (a), as amostras foram submetidas a excitação em 400 nm com diferentes
ltros, enquanto na gura (b), as excitações estão indicadas em cada foto.
Figura 2.1:

Fonte: Modicado de [5], 2023.

grafeno como precursor em um processo hidrotérmico simples que produziu nanopartículas
com forte fotoluminescência azul, o que, de acordo com os autores, nunca havia sido
reportado por conta do tamanho dos pontos quânticos de grafeno até então produzidos.
Outro marco importante é o início das sínteses verdes em 2012, com o trabalho de Liu
e colaboradores que reporta pela primeira vez a síntese a partir de matéria natural [24].
Os autores adotaram um método hidrotérmico para transformar grama em nanopontos

2+
poliméricos de carbono ricos em nitrogênio e excelentes para detecção de íons Cu .
Esse trabalho foi pioneiro em adotar matéria natural como precursor e abriu as portas
para vários outros trabalhos, o que demonstrou ainda mais a versatilidade dessa classe
de nanopartículas, uma vez que, virtualmente, qualquer matéria orgânica é candidata em
potencial para produzir PQCs. Com o passar dos anos, os estudos em síntese e caracterização de PQCs enriqueceram a literatura nessa matéria e permitiram o desenvolvimento
de diversos processos de síntese.

Atualmente, tem sido dada grande atenção a síntese

inteligente de PQCs a partir de precursores com estruturas químicas que favoreçam uma
propriedade especíca, como emissão numa região especíca do espectro ou luminescência
sensível a algum agente presente num meio de interesse.

2.2 Características estruturais e morfológicas de Pontos Quânticos de Carbono
Desde 2004, o grande volume de trabalhos publicados a respeitos da síntese, caracterização, estudo das propriedades ópticas e aplicação de pontos quânticos de carbono
abrange uma diversidade de estruturas que apresentam comportamentos similares. Mais

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Figura 2.2:

Ilustração das quatro categorias de pontos quânticos de carbono

PQC

PQG

NPC

PPC

Fonte: Modicado de [25], 2025.

adiante serão discutidos os métodos de síntese adotados até hoje, mas é importante mencionar agora que, devido à grande disponibilidade tanto de precursores como de rotas
de síntese, as nanopartículas identicadas como Pontos Quânticos de Carbono não são
idênticas entre si.

É aceito que a estrutura geral é formada por um núcleo carbônico

composto de ligações duplas e triplas de hidrocarbonetos, podendo haver a presença de
nitrogênio nessa matriz, e uma superfície que consiste no acoplamento de grupos funcionais às estruturas externas do núcleo. São nanopartículas de formato esférico ou quase
esférico com distribuição de tamanho variando entre 2 e 10 nm, boa dispersão em solução
aquosa e com excelente fotoestabilidade e assinatura espectral. Essas são as características principais compartilhadas pelas nanopartículas identicadas como PQCs. Entretanto,
podemos agrupa-las em quatro categorias, a saber: pontos quânticos de grafeno (PQG),
nanopontos de carbono (NPC), pontos quânticos de carbono (PQC) e pontos poliméricos
de carbono (PPC). A Fig.(2.2) mostra uma ilustração dessas estruturas.
Para um esclarecimento de nomenclatura, escolhemos o termo ponto quântico de carbono para se referir às nanopartículas nesse trabalho, mas esse termo é geralmente utilizado para uma das categorias mencionadas acima. O termo geral utilizado na literatura
é carbon dots. A escolha do termo é irrelevante para o resto do trabalho, uma vez que as
propriedades ópticas estudadas são gerais para todas as categorias de carbon dtos. Deste
modo, manteremos o uso de pontos quânticos de carbono (PQC) no texto.

Com isso,

podemos começar com a descrição dos PQCs dentre as quatro categorias acima. PQCs
e NPCs são nanopartículas esféricas do tipo casca-núcleo que diferem entre si pelo grau
de cristalinidade do seu núcleo. As ligações atômicas no núcleo são formadas por orbitais

2
3
2
híbridos sp e sp se alternando em uma matriz carbônica com domínios sp isolados como
3
ilhas nas estruturas sp .
Essa mistura afeta o grau de cristalinidade no núcleo da nanopartícula e os efeitos
ópticos provenientes do núcleo.

2
Nos pontos quânticos de carbono, os orbitais sp de

carbono têm geometria trigonal e planar, que se organizam de maneira similar a estrutura
do grate, produzindo uma rede cristalina que é detectada em medidas de microscopia
eletrônica de transmissão, por exemplo. Desta forma, é comum identicar os parâmetros

Tese de Doutorado

de rede correspondentes aos planos ⟨100⟩ e ⟨002⟩ do grate, com espaçamento 24,5 e 3,35
, respectivamente. A presença de heteroátomos pode fazer com que o espaçamento das
camadas grafíticas do núcleo variem por conta da disordem turboestática, em que ocorre
uma rotação ou translação entre camadas adjacentes [26]. Os domínios de carbono com
hibridização sp

formam estruturas altamente conjugadas, com grande alternância entre

ligações σ e π .
Os carbonos com os orbitais sp
zação sp

só participam de ligações σ . Carbonos com hibridi-

apresentam orbitais com estrutura tetraédrica, o que diculta a formação de

um padrão cristalino a longas distâncias. Nanopontos de carbono apresentam um núcleo
com uma estrutura amorfa, formado predominantemente por carbono com hibridização

3
2
sp , e pequenas regiões compostas por carbonos sp citehousecroft12, hornback06. A organização do núcleo dos pontos quânticos de carbono tem papel relevante na absorção de
luz por essas nanopartículas. As transições eletrônicas envolvendo orbitais σ (σ → σ∗ e

n → σ∗) são muito energéticas, correspondendo ao ultravioleta distante (< 200 nm).
As transições envolvendo orbitais π (π → π∗ e n → π∗), por outro lado, tem energias
dentro do intervalo UV/Vis usual de métodos espectroscópicos (200 - 500 nm). Logo, sob
excitação nesse intervalo de energia, os elétrons nos orbitais π e não ligantes dos carbonos

2
sp tem liberdade de transição, enquanto os elétrons nas ligações σ cam connados aos
seus átomos. Essa estruturação cria os chamados domínios de conjugação π , as regiões
altamente cristalinas formadas por carbonos sp

com elétrons deslocalizados realizando

3
transições eletrônicas, imersas na estrutura não-interagente de carbonos sp . Um trabalho
semianalítico foi desenvolvido por Tepliakov e colaboradores em 2019 [27] para entender
a inuência dos domínios π conjugados na fotoluminescência dessas nanopartículas. Eles
usaram um núcleo carbônico polimérico com uma estrutura sp

amorfa no qual estavam

2
embebidos domínios sp , cujo tamanho era regulado pelo fator ν (porcentagem de carbono
2
sp ), como mostrado na Fig.(2.3).

Aumentando o valor de ν , ou seja, aumentando a

2
dimensão dos domínios sp e a quantidade de elétrons deslocalizados, eles observaram uma
diminuição no intervalo HOMO-LUMO, com consequente deslocamento para o vermelho
no espectro de emissão.

2
3
Com isso, os PQCs são característicos por terem altos valores de razão sp /sp , com
grandes domínios pi conjugados, o que deixa o núcleo fortemente cristalino.

Ao passo

que os NPCs contam com um núcleo quase todo amorfo, com baixíssima quantidade de

2
carbono sp . Por esse motivo, a fotoluminescência de NPCs está exclusivamente ligada à
sua superfície, enquanto PQCs pode apresentar uma contribuição nuclear. Atualmente,
alguns autores colocam os PQCs e NPCs na mesma categoria de pontos de carbono (PC),
tendo em vista que o grau de cristalinidade do núcleo varia bastante com a escolha de
precursor e do método de síntese [28].

Outra categoria similar aos PCs são os pontos

poliméricos de carbono (PPC). Eles também são esféricos com uma estrutura núcleocasca, mas se diferenciam pela sua estrutura molecular.

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Os PPCs são sintetizados a

(a) Ilustração de um núcleo amorfo polimérico com domínios sp2 embebidos. (b)
Representação das estrutura híbridas sp2 e sp3 . (c) Comportamento dos orbitais HOMO e
LUMO com o aumento do grau de cristalinidade através do fator ν . (d) Diminuição do gap
HOMO-LUMO com o aumento do grau de hibridização sp2 .
Figura 2.3:

(a)

(b)
(d)

(c)

Fonte: Modicado de [27], 2025.

partir de monômeros ou polímeros lineares em processos de carbonização, que formam
nanopartículas com um núcleo carbônico rico em polímeros e uma casca que consiste em
cadeias polimétricas partindo do núcleo. São nanopartículas que agregam as propriedades
intrínsecas dos pontos quânticos de carbono e dos polímeros usados na sua síntese. [28, 29]
Por último, os pontos quânticos de grafeno são as nanopartículas mais diferentes dessa
família. Não são esféricos como os anteriores, mas sua estrutura é formada pela sobreposição de camadas de grafeno paralelas, ligadas entre si por ligações covalentes e com um alto
grau de cristalinidade. Como são basicamente sintetizados a partir de grafeno e grate,
sua composição química é pobre em comparação às outras nanopartículas, mas os processos de modicação supercial conseguem acoplar grupos funcionais nas extremidades das
camadas de grafeno. As dimensões dessas camadas são menores que 20 nm e variam entre
si, disposta de maneira a parecer uma "esfera fatiada"com altura de aproximadamente
2,5 nm. [30, 31]
Independente das diferenças estruturais que essas nanopartículas apresentam, as análises realizadas na caracterização são as mesmas. As propriedades ópticas são investigadas através de espectroscopia UV/Vis, observando as assinaturas de absorção, emissão e
tempo de vida. Os espectros de absorção são característicos e apresentam formato geral
para todas as nanopartículas, com duas fortes bandas no ultravioleta correspondentes às
transições π

→ π∗ (com pico variando em torno de 220 nm) e n → π∗ (em torno de

300 nm). Além dessas bandas, o espectro de absorção dos PQCs apresenta uma cauda

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longa que pode se estender por toda região do visível, 400 e 700 nm. Esta cauda pode ou
não conter picos bem denidos e está associada aos chamados estados de superfície. Os
estados de superfície se originam da presença de fragmentos moleculares na superfície dos
PQCs ou de defeitos na superfície. Como consequência, os espectros de emissão podem
ser dependentes ou independentes da excitação. [32]
A morfologia dessas nanopartículas pode ser investigada por diversas técnicas como Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV)
e Microscopia de Força Atômica (MFA). As análises feitas permitem determinar a distribuição de tamanho, a dispersão em meio aquoso, além de identicar o núcleo grafítico
quando são usadas as variações de alta resolução dessas técnicas. O grau de cristalinidade
é facilmente determinado através de espectroscopia Raman, que identica regiões amor-

2
fas e ligações com carbono sp , e Difração por Raio-X (DRX), através da qual é possível
conhecer os parâmetros de rede, fase, periodicidade e orientação dos átomos.

A com-

posição química dos PQCs é comumente estudada via espectroscopia no Infravermelho
com Transformada de Fourier (FTIR), onde é possível identicar os modos de vibração
dos átomos predominantes no ponto quântico de carbono. A Espectroscopia Fotoeletrônica por Raio-X (XPS) também identica a composição a partir da resposta do material
(energia cinética e elétrons ejetados) à irradiação de raio-X. A combinação dessa e outras possíveis técnicas permite identicar completamente a estrutura do PQC produzido,
monitorar modicações de acordo com processos de sintonização adotados e identicar o
tipo de ponto quântico de carbono produzido [32, 33].

2.3 Rotas de síntese
Um dos grandes atrativos para a pesquisa e aplicação de pontos de carbono é a sua
variedade de precursores e de métodos de produção. A priori, qualquer material orgânico
é um candidato a precursor e, na literatura, já foram reportados diversos materiais como
clara de ovo [34], curcumina [35], ácido cítrico [36], dentre outros. Desde a puricação de
nanotubos de carbono de parede simples através de método eletroforético que resultou na
descoberta acidental dos pontos de carbono em 2004, diversos outros métodos de síntese
foram desenvolvidos nos últimos 20 anos. No início dos trabalhos com PQCs, as sínteses
envolviam exclusivamente o uso de materiais carbonáceos como pó de carbono, fuligem
de vela e grate, o que resultava em nanopartículas com baixo rendimento quântico e
estrutura química composta apenas por carbono, hidrogênio e oxigênio [37]. Apesar da
fotoluminescência evidente, as característica ópticas dos PQCs ainda não se equiparavam
a de outras estruturas já consolidadas, como pontos quânticos (inorgânicos) e nanotubos
de carbono.
O desenvolvimento de técnicas de modicação estrutural e aperfeiçoamento de protocolos de síntese foi aos poucos resolvendo essa questão. Inicialmente, o uso de polímeros

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Figura 2.4:

Ilustração dos processos de síntese Top-down e Bottom-up

Fonte: Modicado de [25], 2025.

como agentes dopantes (a dopagem é um processo de modicação estrutural que será
discutido adiante) permitiu inserir heteroátomos na estrutura carbônica dos PQCs, com
o nitrogênio sendo o primeiro reportado.

Observou-se, então, signicativa melhora nas

características ópticas dos pontos quânticos de carbono e outros heteroátomos foram colocados para teste, como o enxofre, boro e mercúrio [38, 39]. Com o passar dos anos, formas
de sintonização das propriedades ópticas dos PQCs foram desenvolvidas de modo que, atualmente, é possível selecionar nanopartículas com características especícas como maior
biocompatibilidade, adesão à parede celular, executar ou não processos de uorescência
atrasada termicamente ativada, maior ou menor sensibilidade a compostos orgânicos, dentre várias outras, de acordo com o objetivo do trabalho. Utilizando um amplo espectro de
precursores, podemos separar os tipos de síntese em duas grandes categorias:

bottom-up

e top-down − Fig.(2.5). A seguir, abordaremos separadamente suas características e os
processos de produção que se encaixam em cada categoria [29].
Nos processos de síntese bottom-up, a matéria prima utilizada são moléculas contendo
grupos funcionais formados por carbono, hidrogênio e oxigênio, majoritariamente, além de
nitrogênio, enxofre, cloro e outros heteroátomos, a depender do objetivo. Assim, grupos
como -OH, -COOH, -C=O, -NH2 estão comumente presentes.

Nas técnicas desse tipo,

as moléculas são submetidas a procedimentos químicos e físicos que promoverão uma
aglomeração e auto-organização dessas moléculas até formar a estrutura carbonácea nal.
Nas rotas de síntese dessa categoria, são formados comumente os pontos quânticos de
carbono e os pontos poliméricos de carbono com uma alto grau de organização e baixa
quantidade de defeitos [40, 41]. Sínteses hidrotérmicas, irradiação de micro-ondas, pirolise
e oxidação química são algumas das rotas de síntese mais utilizadas [42].
As sínteses hidrotérmicas ou hidrotermais consistem em submeter o precursor em solução aquosa a temperaturas da ordem de 150

C a 200

C por algumas horas dentro

de recipientes selados. O método é simples, barato, não poluente e produz nanopartícu-

Tese de Doutorado

las com excelente luminescência, solúveis em água e que não necessitam de tratamento
posterior, como modicações superciais ou lavagem com ácidos [43, 41]. Todas as nanopartículas sintetizadas como parte do presente trabalho foram produzidas por método
hidrotérmico. Nos processos de pirólise, alguma solução orgânica ácida ou alcalina é submetida a altas temperaturas e as estruturas moleculares da solução são decompostas e
reorganizadas nos PQCs. A síntese usando micro-ondas é um tipo de pirólise que acontece
durante curto tempo de duração.
A categoria top-down de síntese consiste em quebrar matérias em escalas de tamanho
superiores a nanômetros através de processos químicos e físicos até chegar nas nanopartículas. No geral, os processos envolvem a esfoliação e corte de materiais grafíticos como pó
de carbono, fuligem de carbono, grate e bra de carbono, o que produz majoritariamente
pontos quânticos de grafeno [40]. As técnicas dessa categoria utilizam exclusivamente materiais carbônicos como precursores, o que produz nanopartículas pobres em diversidade
de heteroátomos e, como resultado, com baixos valores de rendimento quântico de uorescência. Essa limitação é superada com processos de modicação supercial ou dopagem
posterior à síntese [44, 41].

São exemplos de técnicas

top-down a esfoliação química,

oxidação eletroquímica, ablação por laser, ultrasonicação e descarga por arco.
A esfoliação química consiste em submeter o material carbônico a um processo de
clivagem por ácido, ou seja, um tratamento com um ácido forte a altas temperaturas.
Isso promove a quebra de ligações químicas dos grupos éter do precursor, que são grupos
formados pela ligação de um oxigênio com dois carbonos, onde cada carbono faz parte de
um grupo alquil ou aril. A ablação por laser, de modo similar, produz uma quebra de
ligações químicas, mas mediada por incidência de laser. O processo de ablação consiste
em incidir um pulso laser de alta energia, concentrado em uma região alvo, o que vai
produzir altas temperatura e pressão local, levando o material a um estado de plasma
que cristaliza quando volta à temperatura ambiente, formando os PQCs.

A descarga

por arco, o primeiro processo utilizado de síntese de PQCs, utiliza duas hastes de grate
imersas em uma atmosfera inerte e ligadas a um sistema de corrente contínua. Quando a
corrente é liberada, as hastes funcionam como um par cátodo-ânodo e parte do carbono é
sublimada. Essa sublimação se condensa no eletrodo negativo formando as nanopartículas.
[45]. Observe que nesses processos, o intuito é quebrar a estrutura molecular do material
e depois promover uma reorganização dessas porções menores.
A história e desenvolvimento de métodos cada vez mais ecientes de produção de PQCs
está intrinsecamente ligada ao entendimento dos seus mecanismos de fotoluminescência.
Além da síntese, procedimentos de melhoramento ou modicação supercial e dopagem
são formas de modicar a estrutura eletrônica dos PQCs. Um dos primeiros trabalhos a
investigar as propriedades ópticas dessas nanoestruturas já demonstrou a necessidade de
melhorar suas formas de síntese. Sun e colaboradores [5], na tentativa de propor um material alternativo aos nanocristais de silício com oxidação supercial, sintetizaram pontos

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de carbono a partir de pó de grate e cimento. Eles observaram que as estruturas formadas não apresentavam luminescência detectável, mesmo depois de passar por tratamento
em solução de ácido nítrico. Entretanto, quando submetidas a um processo de passivação utilizando poli-(etilenoglicol)-H2NCH2(CH2CH2O)nCH2CH2CH2NH2 (PEG1500N ),
as novas nanopartículas apresentaram forte fotoluminescência, tanto em solução quanto
em estado sólido, cobrindo toda a região do visível e o início do espectro infravermelho.
É fato que os processos de síntese são diversos e impactam diretamente nas propriedades ópticas do material produzido. Apesar da facilidade em produzir pontos quânticos de
carbono e da disponibilidade e variabilidade de materiais orgânicos usados como precursores, nem todo material forma PQC. A formação dessas nanopartículas depende de vários
fatores, dentre os quais podemos citar o tipo de precursor utilizado, a rota de síntese, o
solvente, temperatura e tempo de reação. A sintonização desses fatores tem reexo direto
no tamanho do band gap entre os estados HOMO e LUMO dos centros fotoluminescentes
presentes nas estruturas dos PQCs.

Quando falamos em síntese, precisamos explicitar

três abordagens que podem ser adotadas com o intuito de produzir um ponto de carbono
eciente: dopagem, passivação supercial e funcionalização supercial [46].

2
3
Nos processos de dopagem, alguns átomos de carbono presentes nas estruturas sp /sp
do núcleo da nanopartícula são substituídos por outros átomos, tanto de metais quanto
de não metais. Essa substituição tem o intuito de reorganizar a conguração eletrônica
do ponto de carbono, oferecendo uma exibilidade de sintonização dos níveis eletrônicos
do núcleo, preservando a superfície da nanopartícula [47].

A dopagem com elementos

metálicos, apesar de constituir importante material de estudo, não tem tanta relevância
para aplicações em sistemas biológicos pelos riscos de contaminação. Dessa forma, pontos
quânticos de carbono dopados com heteroátomos (não metálicos) são vastamente produzidos e estudados e apresentam uma diversidade de aplicações. Diversos trabalhos reportam
o uso de nitrogênio (N) como o dopante mais utilizado por sua semelhança eletrônica com
o carbono, produzindo nanopartículas com alto rendimento quântico de uorescência. O
enxofre (S), o boro (B) e o fósforo (P) são outros elementos que vem sendo usados com
sucesso [48].
A variedade também se encontra na matéria prima disponível. Além de materiais sintéticos como corantes ou precursores de corantes, moléculas contendo os grupos químicos
amina e azo e materiais feitos de grate e grafeno, qualquer matéria orgânica pode ser
fonte abundante de precursores. Dos materiais já reportados, podemos citar folhas de coentro, banana, leite de soja, pétalas de rosa, ovos, chá verde, além de materiais de refugo
como resíduos de papel, cinzas de papel e até os de cabelo. Tanto em pontos quânticos de
carbono produzidos a partir das sínteses verdes como para aqueles produzidos a partir de
material sintético, o controle da dopagem (concentração e tipo do dopante), passivação e
funcionalização é feito com o intuito de controlar as suas características fotoluminescentes
[49].

Tese de Doutorado

Figura 2.5:

Ilustração dos processos de modicação supercial
PQC
Grupos

Funcionais

Heteroátomos

Funcionalização

Passivação

Dopagem

Fonte: Modicado de [41], 2025.

Alternativamente às alterações na estrutura eletrônica do núcleo dos PQCs, as modicações superciais também são utilizadas para melhorar a fotoluminescência dessas
materiais. A passivação supercial tem como objetivo criar uma na camada protetiva
que envolve toda a nanopartícula e impede que agentes externos interajam com a morfologia supercial [41]. A superfície dos PQCs podem apresentar domínios sp

incompletos

e outros defeitos superciais, como armadilhas de éxcitons, que, quando em contato com
o meio externo, acabam atuando como atenuadores ou bloqueadores dos centros luminescentes do núcleo. Isso diminui o rendimento quântico de fotoluminescência das nanopartículas. Nos processos de passivação, geralmente são usados polímeros ou compostos
orgânicos que não apresentam cromóforos sensíveis nas regiões do UV e visível (e, portanto, não vão inuenciar na luminescência do material) para isolar o ponto quântico de
carbono melhorando sua fotoluminescência [50].

O outro tipo de modicação supercial consiste em acoplar grupos funcionais à superfície da nanopartícula. Na funcionalização supercial, grupos funcionais como carboxilas,
hidroxilas e grupos amina são ligados às estruturas da superfície dos PQCs de forma covalente ou não covalente e isso resulta no aumento da densidade eletrônica da superfície, o
que altera e/ou melhora a fotoluminescência da nanopartícula. Assim como na dopagem,
é possível sintonizar as propriedades optoeletrônicas dos pontos quânticos de carbono a
partir do uso de grupos funcionais especícos [50, 51]. Essas três abordagens podem ser
utilizadas de forma concomitante para que se tenha um melhor controle da estrutura nal
do ponto de carbono e das suas propriedades eletro-ópticas.

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2.4 Fotoluminescência de pontos quânticos de carbono
A combinação entre as várias rotas de síntese, a larga disponibilidade de matériaprima e técnicas de controle estrutural de pontos quânticos de carbono fazem dessas
nanopartículas, estruturas versáteis em termos de fotoluminescência (FL). No entanto,
esse é também o motivo de existir tanta discordância a respeito de um modelo geral que
descreva essa característica tão importante. Por esse motivo, os mecanismos de ação têm
sido amplamente estudados e hoje já existem alguns modelos bastante consolidados que
consideram a estrutura, morfologia e composição dos PQCs.

A literatura propõe duas

origens gerais para a fotoluminescência dos pontos de carbono: a primeira tem relação
com o tamanho das nanopartículas, enquanto a segunda se atém à conguração da sua
superfície. Alterações na intensidade de uorescência, deslocamento para o vermelho ou
azul, aumento do rendimento quântico e tempo de vida são algumas das propriedades
fotoluminescentes que dependem das características morfológicas e estruturais dos PQCs.
Com relação aos modelos que consideram o tamanho das nanopartículas como fundamentais para as propriedades fotoluminescentes, temos que levar em conta o efeito de
connamento quântico (CQ). Esse efeito foi sugerido ainda por Sun [5] em 2006 e foi
muito adotado nos primeiros anos de pesquisa em pontos quânticos de carbono. Com o
passar dos anos e elaboração de outros modelos, o connamento quântico passou a ser
considerado por muitos pesquisadores um efeito secundário com pouca contribuição para
a fotoluminescência.

Mesmo assim, trabalhos ainda apontam esse efeito como o meca-

nismo de ação principal. Nesse cenário, precisamos distinguir entre duas interpretações
para "tamanho". Alguns trabalhos consideram não o tamanho físico do PQC, mas o seu

2
comprimento de conjugação π , o tamanho do seu domínio sp . O efeito de conjugação leva
em conta o tamanho do comprimento de conjugação associado aos domínios π -conjugados,
ou seja, a dimensão dos fragmentos de carbonos sp
carbonos sp

incorporados na matriz amorfa de

do núcleo [52, 28]. Esse efeito cria regiões de elétrons deslocalizados e domí-

nios π que inuenciam no tamanho da banda entre os estados HOMO e LUMO do núcleo
carbônico.

2
3
Dessa maneira, a medida que o comprimento de conjugação aumenta (a razão sp /sp
aumenta), o intervalo HOMO-LUMO diminui e é observada uorescência com deslocamento para o vermelho [53].

Alterar o tamanho dos domínios sp

pode ser conseguido

através de processos químicos que controlam a conguração carbônica do núcleo. Outra
forma de se conseguir um efeito de connamento quântico é alterar o tamanho físico da
nanopartícula [54]. O tamanho da nanopartícula, além de inuenciar diretamente o tamanho do comprimento de conjugação, ainda dita a razão superfície/volume, um importante
parâmetro para nanoestruturas. Os domínios π mantêm interações de acoplamento com
os estados de superfície, portanto, alterações no tamanho desses domínios contribuem com
alterações também na superfície; isso faz do tamanho da nanopartícula, um parâmetro

Tese de Doutorado

importante tanto para os mecanismos que tem origem no núcleo como para aqueles da
superfície.
O efeito de conjugação foi reportado por Ding e colaboradores [55] em 2018 através
da síntese de PQCs por processo solvotérmico que produziu oito pontos quânticos de
carbono, cada um com uorescência em uma cor diferente cobrindo todo o espectro visível.

Usando ácido l-glutâmico e o-fenilenodiamina como precursores e oito solventes,

os autores analisaram quatro das oito amostras produzidas, escolhidas pelas suas cores
de emissão: azul (B-CDs), verde (G-CDs), amarelo (Y-CDs) e vermelho (R-CDs), como
mostra a Fig.(2.6). As quatro amostras apresentaram espectros de absorção com formato
semelhante na região ultravioleta, mas na região visível, as bandas são claramente distintas, variando desde 389 nm até 634 nm, da amostra azul até a vermelha, o que aponta
diferentes estados de superfície.
As análises de MET mostraram que as nanopartículas possuem tamanhos diferentes
para os diferentes grupos, com valores em torno de 1,8, 3,1, 5,2 e 7,6 nm para os B-CDs,
G-CDs, Y-CDs e R-CDs, respectivamente. Além disso, as microscopias de força atômica e
os espectros Raman de cada amostra indicam a formação de pontos quânticos de grafeno
(PQG) com cerca de 5 a 6 camadas de grafeno sobrepostas, formando estruturas de 2,5
a 3 nm de espessura para todas as nanopartículas.

Essas análises também evidenciam

2
o aumento do grau de gratização (junto com aumento nos domínios sp ) à medida que
passamos dos B-CDs para os R-CDs. Os pesquisadores concluem que o deslocamento para
o vermelho observado entre os diferentes PQGs resultam simultaneamente do aumento no
tamanho das nanopartículas, junto com o aumento nos domínios conjugados e aumento
no conteúdo de nitrogênio grafítico, o que, além de ser uma efeito fortemente nuclear,
também afeta a formação dos estados de superfície.
Sob uma outra perspectiva, a FL dos pontos de carbono é atribuída aos estados de
superfície do material, o que signica que variações nos níveis de energia ao longo da
superfície cria regiões luminescentes, uoróforos.

Os estados de superfície resultam da

presença de grupos funcinais ricos em heteroátomos, como nitrogênio, oxigênio, enxofre e
fósforo, e à conguração supercial [52, 56]. Os estados que são formados tanto durante a
síntese, quanto em processos de passivação e funcionalização. Estes processos produzem
armadilhas de éxcitons (pares elétron-buraco) por toda a superfície que cam connados

2
em centros luminescentes. Os éxcitons se formam nos domínios π dos carbonos sp , tanto
do núcleo quanto da superfície [57].
A conguração supercial dos PQCs se refere à estruturação, composição e morfologia da casca que delimita o ponto quântico de carbono e inclui a presença de grupos
funcionais, de polímeros e fragmentos de carbono sp

3
e sp . A presença de grupos funci-

onais incorpora novos defeitos de superfície que, então, criam uma série de novos níveis
de energia [57, 58].

Essa característica é comum de grupos funcionais ricos em oxigê-

nio, tais como carboxilas, hidroxilas e carbonilas, que criam inúmeras possibilidades de

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(a) Esquema de formação do PQGs mostrando as etapas de desidratação e carbonização da síntese adotada. (b) Espectros de absorção e emissão dos B-CDs, G-CDs, Y-CDs e
R-CDs. A ausência de deslocamento horizontal nos espectros de emissão são comuns para todas
as nanopartículas estudadas.
Figura 2.6:

(a)

(b)

Fonte: Modicado de [55], 2024.

transição eletrônica, tendo a emissão dependente da excitação como resultado direto. Já
grupos como amina, piridina e pirrol, ricos em nitrogênio, aumentam a densidade eletrônica provocando uma reorganização dos elétrons na superfície. Isso resulta no surgimento
de novos estados que alteram o gap HOMO e o LUMO e maximizam o isolamento dos

2
centros luminescentes já existentes, como domínios sp , por exemplo.
Grupos nitrogenados podem se incorporar tanto na superfície como no núcleo dos
PQCs por conta das semelhanças entre os átomos de carbono e nitrogênio [28]. Um estudo realizado em 2015 por Ding e colaboradores [59] mostrou que a fotoluminescência
dependente da excitação dos PQCs resulta da formação de nanopartículas com diferentes
graus de oxidação supercial. Quanto maior o grau de oxidação, menor é o gap entre os
níveis HOMO-LUMO e maior é o comprimento de onda de emissão. Os autores utilizaram como precursores os compostos ureia e P-fenilenodiamina para sintetizar os pontos
quânticos de carbono com boa fotoluminescência amarelo-avermelhada, indicando que os
centros emissivos com uorescência no vermelho eram mais abundantes.
Para vericar a conexão entre o grau de oxidação supercial e o espectro de emissão,
Ding e colaboladores utilizaram o processo ltragem cromatográca por coluna de sílica
[59]. Esta técnica é usada para separar partículas de acordo com seu grau de oxidação
supercial, a partir do uso de solventes (eluentes) com diferentes polaridades.

Assim,

a amostra original foi separada em oito amostras diferentes, cada uma com sua própria
região de uorescência, como mostra o esquema na Fig.(2.7-a). Quatro dessas amostras
foram selecionadas por exibir uorescências azul, verde, amarela e vermelha independentes
da excitação (Fig.[2.7-b]) e várias técnicas de caracterização foram aplicadas. A micros-

Tese de Doutorado

(a) Ilustração esquemática da síntese hidrotérmica seguida da separação das nanopartículas usando cromatograa por coluna de sílica. Imagens da uorescência das oito amostras,
bem como seus respectivos espectros de emissão também são mostradas. (b) As quatro amostras de trabalho selecionadas são exibidas sob luz ambiente (primeira foto) e sob radiação UV
(segunda foto). Os grácos de absorção e emissão de cada amostra também são exibidos.
Figura 2.7:

Fonte: Modicado de [59], 2024.

copia eletrônica por transmissão (MET) identicou uma grande e uniforme distribuição
de tamanho entre as partículas dos quatro grupos, com tamanho médio em torno de 2,6
nm para todos, o que elimina o fator tamanho como fonte de diferentes emissões.
A microscopia Raman identicou uma pequena diminuição na cristalinidade acompanhando o deslocamento para o vermelho, mas os espectros de FTIR revelaram que
esse deslocamento acompanha um aumento da oxidação supercial, além de aumento na
quantidade de grupos hidroxilas na superfície da nanopartícula, o que a torna mais hidrofílica. Medidas de XPS corroboram os resultados do FTIR ao demonstrar um aumento
de 6% para 20,2% de oxigênio presente na superfície das amostras partindo do azul para
o vermelho.

Os autores concluem que a fotoluminescência dos PQCs é predominante-

mente governada pelos estados de superfície e que a cor de emissão sofre deslocamento
para o vermelho com o aumento da oxidação supercial das nanopartículas, que promove
uma diminuição no gap HOMO-LUMO. Outros trabalhos [60, 61] apontam essas mesmas
propriedades.
Os centros luminescentes, independentemente da sua origem, podem ser ativados ou
desativados sob diversas condições, fato que transforma os pontos de carbono em possíveis
sondas ou sensores. As propriedades fotoluminescentes dos PQCs são exploradas das mais
diversas formas, o que torna ainda mais importante o conhecimento dos seus mecanismos
de ação e formas de sintonização das suas características.

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As duas grandes origens da

FL discutidas nessa seção englobam vários modelos que oferecem explicações individuais.
No entanto, é comum a produção de pontos quânticos de carbono cuja luminescência é
o resultado da sinergia entre vários efeitos [55].

O núcleo e a casca não são entidades

separadas da nanopartícula e, portanto, suas contribuições para a fotoluminescência se
combinam em uma miríade de formas. Além disso, não existe um consenso na comunidade
cientíca a respeito do modelo mais correto, o que é, aliás, uma impossibilidade dada a
diversidade na produção dessas nanopartículas. No entanto, modelos diferentes podem ser
usados para explicar nanopartículas diferentes. Por exemplo, a contribuição dos efeitos
de conjugação dos domínios π são mais adequados para explicar a fotoluminescência de
pontos de carbono com alto grau de cristalinidade, como os pontos de grafeno.

Por

outro lado, pontos quânticos de carbono e pontos poliméricos de carbono se encaixam nos
modelos de estados superciais.

2.5 Pontos Quânticos de Carbono como nanossensores
A nanotecnologia é uma área multidisciplinar de estudos e desenvolvimento de dispositivos e sistemas que tem experimentado um grande avanço nas últimas décadas. Presente
em laboratórios de pesquisa, nos vários ramos da indústria, como informática, comunicações e alimentos, assim como na medicina, a criação e aprimoramento de nanoestruturas
tem se tornado cada vez mais comum. Como resultado, a criação de sensores cada vez
mais sosticados, com resolução sub-micrométrica e que não interferem com a estrutura
a qual se propõe investigar ganhou importante espaço na ciência e tecnologia.

Nesse

contexto, os pontos quânticos de carbono adquirem especial destaque tanto pela sua versatilidade em produção e aprimoramento, quanto pelas propriedades fotoluminescentes.
Nesta seção, serão abordadas as características de pontos quânticos de carbono que o
tornam excelentes candidatos a sensores fotoluminescentes.

2.5.1 Pontos quânticos de carbono na nanotermometria
O estudo das variações térmicas e a dinâmica de calor dos corpos é dominado pela
humanidade a milênios. O entendimento do que é temperatura passou por diversas interpretações, desde o misticismo em sociedades como a Mesopotâmia do século VI antes
da era moderna, até a padronização de escalas rudimentares e a criação de instrumentos,
como o termômetro de Galileu, no nal do século XVI [62, 10]. Além de Galileu, outros
como Daniel Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius e Thomas Johann Seebeck ajudaram a
desenvolver a termometria nos últimos séculos. No entanto, como toda área na ciência,
a termometria precisou se adaptar à evolução tecnológica e cientíca, que conseguiu chegar em escalas muito pequenas de tamanho.

Na nanociência, é comum a necessidade

de medições térmicas locais, com alta resolução e em estruturas bastante sensíveis. Na

Tese de Doutorado

nanotecnologia, o desenvolvimento de nanodispositivos e suas dissipações de calor precisam ser controlados para o seu efetivo funcionamento. Nesse contexto, pesquisadores do
mundo todo têm desenvolvido teorias e materiais com propriedades sensíveis a mudanças
térmicas e que enriquecem esse ramo relativamente novo da ciência, a nanotermometria
[63].
Um ponto crucial para a necessidade de nanotermômetros é a resolução espacial requerida em áreas como a micro/nanoeletrônica, microuídica, fotônica e biomedicina. A
sensibilidade de uma sonda térmica diz respeito à menor variação de temperatura que ela
consegue detectar e que causa alguma mudança no seu dispositivo ou leitor correspondente. A resolução espacial, nesse contexto, se refere à menor área coberta pela sonda (o
quanto se pode se deslocar) onde é possível detectar mudanças de temperatura maiores
que a sensibilidade da própria sonda [64]. Os termômetros convencionais não conseguem
suprir essa demanda, então é preciso desenvolver materiais e equipamentos que consigam.
Os nanotermômetros são materiais com propriedades sensíveis a variações térmicas do
meio, com resolução espacial sub-micrométrica. Muitas vezes, não há necessidade de contato direto entre a sonda propriamente dita e o equipamento que receberá a informação
local e em tempo real dessa sonda. Os nanotermômetros podem ser categorizados em três
conjuntos de técnicas: elétrica, mecânica e óptica [65].
Nanotermômetros com princípio elétrico de funcionamento se valem do fato de que
elétrons em condutores estão livres para se mover pela superfície do condutor, e essa
movimentação provoca mudanças térmicas locais ou globais. A medida térmica feita por
um nanotermômetro desse tipo usa a leitura da resistência, voltagem, condutividade ou
outra propriedade elétrica do condutor que tenha uma relação com a sua temperatura. O
princípio é parecido com uma medida de AFM: a sonda metálica possui uma ponta muito
na e encosta na superfície a ser medida. Entretanto, existem alguns pontos negativos
nesse tipo de dispositivo. Como é uma técnica de contato, a própria medição pode inserir
uxos de calor que não existem no sistema [66, 65]. Além disso, este método possui uma
característica bidimensional, uma vez que a interação é só na superfície, e possui um alto
custo de produção [66, 65].
Sondas com funcionamento mecânico têm o princípio básico de juntar dois materiais
com valores diferentes de resistência térmica formando um cantiléver, uma estrutura comprida presa em apenas uma extremidade e livre na outra.

Quando diferenças térmicas

são aplicadas, cada material sofrerá expansões ou contrações distintas e uma distorção
(entortamento) no cantiléver é observada. O grau da distorção é proporcional à resistência térmica dos materiais, o que é proporcional à temperatura do sistema. Esse tipo de
nanotermômetro sofre do mesmo problema das sondas elétricas e só conseguem fazer um
mapeamento supercial do sistema (da interface entre os dois materiais) [67].
A nanotermometria óptica, por m, utiliza as propriedades ópticas do sistema que são
sensíveis à mudança térmica. O índice de refração, por exemplo, é termicamente sensível

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e inuencia outros parâmetros como a reectância e o caminho óptico. O imageamento
térmico por espectroscopia Raman é uma técnica óptica que analisa os modos de vibração
do sistema sob inuência de algum agente externo, e converte essa leitura em dados
térmicos. Esse tipo de nanotermometria depende de uma interface entre os meios onde a
leitura será feita, caindo no mesmo limitante das técnicas anteriores, a bidimensionalidade
dos resultados [65].

Ainda dentro da abordagem óptica, a nanotermometria usando a

uorescência do sistema é uma alternativa bastante usada e de especial interesse para
esse trabalho.
Sem a necessidade de contato com a amostra, a análise térmica via uorescência se
vale dos espectros de emissão do material quando excitados por uma fonte de luz (normalmente LASER) e sob variação da temperatura. A mudança de temperatura de um
banho térmico tende a modicar a distribuição de níveis de energia das nanopartículas usadas como sondas, levando a alterações na intensidade e na distribuição espectral
da uorescência ou fosforescência, que podem ser acompanhado por algum processo termocrômico [68].

Nas últimas décadas, vários trabalhos foram desenvolvidos utilizando

materiais inorgânicos como sonda, tais como pontos quânticos e nanopartículas dopadas
com íons terra-raras [69, 70, 71, 72]. Embora apresentem grande precisão e sensibilidade,
a desvantagem principal do uso de nanopartículas contendo metais ou íons terra-raras é
a não biocompatibilidade, o que limita o seu uso a sistemas não biológicos.

Materiais

orgânicos como proteínas uorescentes, corantes ou nanopartículas poliméricas dopadas
com corantes e pontos quânticos de carbono são alternativas para superar essa limitação
[63, 64, 73].

Além disso, dependendo das condições experimentais, um resultado tridi-

mensional pode ser obtido, quando é possível fazer a leitura de uorescência do volume
estudado.
Apresentando as vantagens da biocompatibilidade, fotoestabilidade, facilidade de produção e alta solubilidade em água, os PQCs oferecem versatilidade para as medidas térmicas discutidas até aqui [10]. É possível modicar o espectro de emissão e a resposta
térmica dos PQCs a partir do processo de síntese, especialmente visando a aplicações
tanto na janela biológica de baixa atenuação de luz, como na faixa de temperatura de
viabilidade biológica. Os mecanismos que governam a sensibilidade térmica dos pontos
de carbono ainda não são claros, mas alguns trabalhos sugerem a presença de centros não
luminescentes [74, 75, 76]. Os elétrons da superfície dos PQCs decaem para o estado fundamental radiativamente. No entanto, com o aumento da temperatura, muitos centros ou
canais não-radiativos são ativados e os elétrons ali connados decaem sem emitir fótons.
Esses centros não luminescentes são grupos ou moléculas com intervalos de energia fora
do intervalo UV/vis ou cuja conguração de estados favorece a desativação eletrônica por
vibração molecular. Isso causa uma diminuição na intensidade de fotoluminescência.
Kalytchuk e colaboladores desenvolveram um ponto quântico de carbono a partir de
ácido cítrico e L-cisteína via síntese hidrotérmica para aplicação como nanotermômetro

Tese de Doutorado

em células [77]. As investigações espectroscópicas apontaram absorção independente da
variação térmica no intervalo de 2

◦

C até 80

◦

C (Fig.(2.8)-Ia), bem como a posição do pico

e a largura a meia altura da banda de emissão. Os autores observaram, no entanto, uma
diminuição de aproximadamente metade da intensidade de uorescência com o aumento
da temperatura, no mesmo intervalo − Fig.(2.8-II). O tempo de vida de fotoluminescência
também cai com o aumento da temperatura, de 11 ns para 5,3 ns. Eles atribuíram essa
resposta óptica à recombinação eletrônica em vários sítios de relaxação não radiativa
espalhados por todo o ponto de carbono. Avaliando as taxas de recombinação radiativa e
não radiativa, a partir dos dados de rendimento quântico de uorescência, foi observado
que a taxa radiativa permanece constante no intervalo térmico de 2

◦

C até 80

◦

C, mas a

taxa não radiativa cresce por um fator de 7 vezes − Fig.(2.8-Ib).

Figura 2.8:

I - (a) Espectros de absorção constantes com a temperatura no intervalo de 10o C

até 70o C . (b) Taxas de recombinação radiativa e não radiativa variando com a temperatura no

intervalo de 2o C até 80o C . II - Mapa de cores da fotoluminescência resolvida no tempo para (a)
2o C , (b) 50o C e (c) 80o C . (d) Mapa de cores para a uorescência resolvida no tempo observada
no pico da banda de emissão (421 nm) em função da temperatura.
(b)

Fonte: Modicado de [77], 2025.

Apesar da perda na intensidade de uorescência com o aumento da temperatura ser
uma característica comum em muitos trabalhos reportados, um grande número de outras
pesquisas mostra o comportamento oposto [78, 79, 80], com um aumento na intensidade
de emissão à medida que a amostra é aquecida. O aumento da intensidade é normalmente
explicado pelo processo de uorescência atrasada termicamente ativada nos PQCs (TADF
do inglês Thermally Activated Delayed Fluorescence ).

Como foi visto no diagrama de

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Diagrama de níveis de energia simplicado de pontos quânticos de carbono, onde os
fenômenos de absorção (Abs), uorescência imediata (FL) e uorescência atrasada (DF) ocorrem.
Os processos de cruzamento intersistema (CIS) e cruzamento intersistema reverso (CISr) são
representados, bem como o gap de energia, ∆EST , entre os estado excitados singleto (S1 ) e
tripleto (T1 ).
Figura 2.9:

Fonte: Modicado de [12], 2025.

Jablonski apresentado na Fig.(A.8) da seção [A.3.2], os processos de decaimento eletrônico
do estado singleto S1 para o estado fundamental S0 envolvem relaxações não radiativas,
conversões internas e uorescência. Quando há o processo de conversão interna (Sn → S1 )
e subsequente decaimento radiativo a partir do primeiro estado excitado (S1

→ S0 ), a

uorescência é chamada de uorescência imediata (Prompt Fluorescence ).
Concomitante a este processo, pode ocorrer o cruzamento intersistema (Sn → Tn ) em
decorrência do acoplamento spin-órbita, com a subsequente conversão interna (Tn → T1 ) e
um decaimento não radiativo para o estado S0 tende a ocorrer. Neste caso, a nanopartícula
perde energia para o ambiente por processos de transferência de energia, especialmente
quando o gap de energia entre os estados S1 e T1 é superior a 200 meV. Quando o gap
de energia entre os primeiros estados excitados singleto e tripleto, ∆EST , é baixo, pode
ocorrer o processo de cruzamento intersistema reverso (CISr), em que o estado
kB T
termicamente populado a partir do estado T1 (T1 −−→ S1 ).

S1 é

Como o tempo de vida do estado excitado T1 é mais longo, o cruzamento intersistema
reverso (CISr) popula o estado S1 num intervalo de tempo que é superior ao seu tempo de
vida. Como consequência, ocorre um decaimento radiativo (S1 → S0 ) atrasado em relação
à uorescência imediata, denominado de uorescência atrasada termicamente ativada. A
Fig.(2.9) mostra o diagrama de energia simplicado para o processo de TADF. A taxa de
transição eletrônica via CISr pode ser escrita na forma de uma distribuição de Boltzmann
para uma dada temperatura T [81, 82].

kcisr = Γe−∆EST /kB T

(2.1)

onde Γ é um fator que depende de características do sistema como o acoplamento spinórbita (SO), a sobreposição das funções de onda dos estados singleto e tripleto e a densi-

Tese de Doutorado

dade de estados na transição, ρ(E) [83].

Γ∝

|⟨S|HSO |T ⟩|2
ℏ

ρ(E)

(2.2)

Nessa relação, HSO é o Hamiltoniano do acoplamento spin-órbita e ⟨S|HSO |T ⟩ são os
elementos da matriz de transição entre os estados singleto e tripleto em decorrência do
acoplamento SO. Considerando a transição de apenas um elétron, podemos escrever a
energia dos estados S1 e T1 como

ES1 = Eorb + K + J
ET 1 = Eorb + K − J

(2.3)

∆EST = ES1 − ET 1 = 2J
Na eq.(2.3), Eorb é a energia de um elétron para o estado estacionário do núcleo, K
é uma correção de primeira ordem Coulombiana na energia de repulsão do elétron e J é
a energia de troca, a correção quantum-mecânica de primeira ordem que diz respeito à
repulsão elétron-elétron ditada pelo princípio de Pauli para dois elétrons não pareados,
mas em estados excitados diferentes (HOMO e LUMO). Como o elétron é inicialmente
excitado para estados singleto e termina sua desativação não radiativa no estado S1 , J
favorece a energia total de S1 , diminuindo a energia de T1 por conta da baixa probabilidade
de transição singleto-tripleto.
O intervalo típico de energia entre esses estados está em torno de 0,5 a 1 eV, o que é
muito grande para que essas transições aconteçam [84]. No entanto, em sistemas orgânicos
que conseguem realizar TADF, esse intervalo de energia oscila em torno de 0,1 eV, o que
é suciente para a transição eletrônica ativada pela energia térmica kB T .

Em pontos

quânticos de carbono que possuem espécies com baixa energia de troca J , o aumento
da temperatura induz o fenômeno de TADF através do acoplamento spin-órbita entre
os níveis vibracionais dos estados singleto e tripleto nos centros luminescentes.

Esse

acoplamento aumenta a extensão desses centros.
O fenômeno de TADF foi reportado em diferentes pontos quânticos de carbono. Usando
a síntese por micro-ondas, Hou et al sintetizou pontos de carbono usando apenas ácido
acético, água e ácido octadecenóico [85]. A nanopartícula resultante possuía um uorescência azulada independente da excitação e que aumentava de intensidade com o aumento
da temperatura, de 100 K para 250 K. Os pesquisadores identicaram um intervalo muito
pequeno de energia entre o menor estado singleto excitado (S1 ) e o menor estado tripleto
excitado (T1 ).
Após quanticar esse intervalo de energia em ∆EST

= 0.16eV e analisar as curvas

de tempo de vida para quatro valores de temperatura, os autores determinaram que o
aumento na intensidade de uorescência era devido ao fenômeno de TADF realizado por

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grupos funcionais oxigenados submetidos a um forte acoplamento spin-órbita na superfície
do PQC. Eles ainda identicaram uma fosforescência com duração de alguns segundos e
que podia ser facilmente vista a olho nu.

O fenômeno foi observado ainda em pontos

quânticos de carbono ricos em oxigênio, nitrogênio e enxofre [86, 87, 88, 89, 90, 12].

2.5.2 Pontos quânticos de carbono como sensores de poluentes
orgânicos
Se os avanços tecnológicos das últimas décadas trouxeram ferramentas para melhorar
a qualidade de vida humana, o preço que está sendo pago é devastador em vários cenários.
O despejo de rejeitos industriais em cursos hídricos, os agentes poluentes pulverizados em
vários hectares de plantaçõe e a liberação de gases de efeito estufa são alguns exemplos da
agressão ecológica colateral ao progresso cientíco e tecnológico. Em especial, a poluição
de ecossistemas, principalmente de rios, lagos, lagoas e mares, por rejeitos contendo íons
metálicos e outras formas de metais pesados é um problema grave e ainda em curso. Íons
metálicos estão por toda parte e é impossível evitar a ingestão indireta desses elementos.
A própria construção de cidades e a inerente produção e incineração de lixo são fontes
abundantes de poluição por íons [91].

Em vários cursos hídricos já foram detectados

2+
2+
3+
2+
3+
íons metálicos, tais como Pb , Hg , Fe , Cd
e Al .

Estes elementos não sofrem

degradação ou decomposição, permanecendo e se acumulando no leito dos rios enquanto
houver atividade do foco de poluição [92].

Esses contaminantes se inltram na cadeia

alimentar local, colocando em perigo muitos espécimes que compõem a fauna e ora,
nalmente chegando nos artigos de alimentação humana.
A saúde humana depende, dentre vários fatores, das corretas concentrações de alguns
metais pesados como ferro, zinco e manganês para funcionar corretamente. Entretanto,
em altas doses, os íons se acumulam em órgãos como coração, cérebro, rins, ossos, etc, e
provocam um desequilíbrio dos minerais naturais do corpo humano, afetando atividades
biológicas e causando diferentes doses de envenenamento e doenças como disfunção renal,
dermatite, aumento na pressão arterial, desordem gastrointestinal e dano ao sistema nervoso [91]. Frente a toxicidade exibida contra organismos vivos e o alto fator poluente, a
detecção de íons metálicos em diversos sistemas é pauta de muitas pesquisas por todo o
mundo. Técnicas como espectroscopia de absorção atômica, voltametria de decapagem
anódica e análises eletroquímicas estão entre os métodos mais tradicionais já desenvolvidos para detecção de íons [93]. De acordo com Anas et al [92], esses métodos possuem
desvantagens como instabilidade, baixa seletividade e baixa compatibilidade com sistemas
aquosos. Os métodos ópticos, por outro lado, além de não possuírem essas desvantagens,
ainda são de baixo custo. As análises ópticas estudam variações em diversos parâmetros
como reectância, absorbância e eciência quântica de uorescência que podem sofrer
variações a partir das interações entre os íons e as sondas.

Tese de Doutorado

Na categoria de materiais ópticos usados como sensores, os pontos quânticos de carbono são explorados por conta das suas características morfológicas, suas propriedades
ópticas e facilidade de síntese que tornam essa nanopartícula um atrativo para muitas
pesquisas. Existem vários modelos para explicar os mecanismos de ação que permitem
aos PQCs apresentarem sensibilidade óptica na interação com íons metálicos. No escopo
geral, a natureza dessa sensibilidade está na anidade dos elétrons, pertencentes aos vários tipos de estados de superfície dos PQCs, com os íons metálicos [94]. Grupos como
-OH, -COOH e C=O, além de grupos contendo heteroátomos como N, S e B atuam como
doadores de pares de elétrons na formação de complexos de coordenação onde os íons são
rodeados por átomos desses grupos numa ligação covalente. Existe ainda uma seletividade
resultante da conguração eletrônica dos estados de superfície, onde cada estado apresenta
anidade maior ou menor para diferentes tipos de íons. O efeito geral obtido quando os
íons se ligam a grupos funcionais no ponto de carbono é que os elétrons fotoexcitados nas
nanopartículas passam para os íons e decaem sem emitir radiação. A sensibilidade óptica
de pontos de carbono para íons é eciente, além de ser seletiva e passível de sintonização
para aumentar o espectro de detecção [95].
Por exemplo, Rong e colaboradores [96] sintetizaram pontos de carbono ricos em nitrogênio e boro a partir de ácido aminofenilborônico utilizando um método por combustão.
As nanopartículas foram ecientes em detectar Cu

com um limite mínimo de concen-

tração de 0,3 µmol/L, apresentando um comportamento linear entre a concentração e
intensidade de uorescência até 25 µmol/L, como pode ser vericado na Fig.(2.10). Esse
valor cobria o limite de concentração desse íon em água para beber determinado pela
Agência de Proteção Ambiental dos EUA no ano de publicação do trabalho (2016). Os
autores atribuíram a sensibilidade de detecção à maior anidade de ligação entre os íons
de cobre e os grupos nitrogenados, em detrimento dos outros grupos na superfície do
PQC, diminuindo a população de espécies uorescentes.
No que diz respeito a aplicação de pontos de carbono como sensor, a detecção de poluentes é pauta sensível e urgente. Ainda no contexto de agentes químicos, a contaminação
de ecossistemas pelo uso abusivo de defensores agrícolas (DA) na agroindústria é um sério
problema que encontra barreiras econômicas e de mercado para ser minimizado. Defensores agrícolas ou pesticidas se refere a um conjunto de compostos que inclui herbicidas,
fungicidas, bactericidas, inseticidas, nematicidas e rodenticidas.

Comumente utilizados

na forma de aerossol ou líquida aplicada diretamente no solo, os defensores agrícolas são
liberados na natureza, se espalhando rapidamente pelo ecossistema e se inltrando na
cadeia alimentar [97].
A bioacumulação de defensores agrícolas no organismo humano e de outros animais
podem dar origem a diversos problemas de saúde, cujos efeitos dependem do tipo de composto e da defesa do organismo. O maior problema na contaminação por esses compostos
é que suas moléculas podem se incorporar em vários processos biológicos, desencadeando

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(a) Resposta cinética da nanopartícula mostrando um abrupto decaimento na
intensidade de uorescência com acréscimo de Cu2+ . (b) Diminuição da intensidade de uorescência com o aumento da concentração de Cu2+ . (c) Relação raciométrica entre as intensidades
de uorescência em todas as concentrações e o controle (sem íon). Gráco inserido: limite linear
de detecção de 1 a 25 µmol/L. (d) Resposta óptica da nanopartícula a outros íons.
Figura 2.10:

Fonte: Retirado de [96], 2025.

uma série de casos clínicos se atingirem altas doses acumuladas. A principal via de contaminação é através da comida, mas pesticidas podem entrar no corpo humano através de
contato com a pele, com os olhos e via respiração, podendo causar dores de cabeça e no
estômago, vômito, diculdade para respirar e irritação nos olhos. Dependendo do grau de
exposição, defensores agrícolas podem induzir um coma ou mesmo à morte ao hospedeiro
[98].
As alterações na fotoluminescência dos pontos de carbono interagindo com moléculas
de pesticidas têm início com a ligação entre estados superciais especícos das nanopartículas e as moléculas dos defensores agrícolas [99].

Essa ligação favorece a transição

eletrônica entre os dois compostos, o que pode desencadear alguns fenômenos, tais como
transferência eletrônica fotoinduzida (PET, Photo-induced

Electron Transfer ), transferência de energia por ressonância de Föster (FRET, Föster Resonance Energy Transfer )
e emissão induzida por agregação (AIE, Aggregation-Induced Emission ). Os meios de
detecção de DA por pontos de carbono podem ser diretos ou indiretos, dependendo da
estrutura desses dois compostos [100].

Na literatura, é reportado que nem todo PQC

produzido mostrou sensibilidade a presença de defensores agrícolas, sendo necessário o
uso de compostos intermediários como enzimas e íons metálicos. Dessa maneira, a detecção é indireta, dependendo, além das concentrações de PQC e DA, da dose de composto
intermediário adotado.

Tese de Doutorado

Assim como íons metálicos, alguns defensores agrícolas tem a habilidade de formar
complexos com grupos químicos na superfície dos pontos de carbono. A interação direta
entre o PQC e as moléculas do DA geralmente ocorre através de ligações de hidrogênio
ou do empilhamento π − π , que conecta paralelamente as ligações π presentes em anéis
aromáticos nos dois compostos. Um vez ligados, a transferência de elétrons pode acontecer
dos estados excitados de energia do PQC para o DA (PET oxidativo) ou no sentido inverso,
do DA para o PQC (PET redutivo). Quando existe uma sobreposição entre o espectro
de emissão do PQC e o de absorção do defensor agrícola, pode ocorrer a transferência de
energia, via FRET, dos estados excitados do ponto de carbono para o estado fundamental
das moléculas do defensor agrícola.
Essa transferência não radiativa costuma acontecer a distâncias curtas (1-10 nm) entre
os dois compostos.

Outro efeito também observado é a AIE, que está relacionado à

formação de aglomerados contendo as nanopartícula e as moléculas de DA. Isso resulta
na restrição dos estados superciais do ponto de carbono, limitando a movimentação da
própria nanopartícula e as rotações e vibrações de moléculas e grupos químicos no PQC.
Diferentemente do efeito FRET, que vem acompanhado de uma diminuição de intensidade
de uorescência, a AIE provoca um aumento de intensidade, uma vez que impede a
ativação de centros não luminescentes e estabiliza os estados de superfície luminescentes
[44].
A transferência de elétrons fotoinduzida (PET) foi apontada como mecanismo de ação
por Deka e colaboradores no uso de pontos de carbono sintetizados a partir da planta
jacinto-de-água na detecção do herbicida pretilacloro [101]. A pesquisa apontou um aumento na intensidade de fotoluminescência acompanhando aumento na concentração do
pretilacloro. Os átomos de cloro presentes na estrutura do herbicida desequilibram a distribuição de elétrons, deixando algumas partes das moléculas eletronicamente decientes.
Quando o pretilacloro se liga ao ponto de carbono, os elétrons excitados da nanopartícula passam para as moléculas do herbicida e causam uma reorganização nas armadilhas
emissivas do PQC, aumentando a intensidade de uorescência.
Em outro trabalho, o efeito de emissão induzida por agregação foi reportado por
Mohapatra e colegas [102] no uso de pontos de carbono dopados com nitrogênio para
detecção do herbicida atrazina. A nanopartícula sintetizada por método hidrotérmico a
partir de o-fenilenodiamina demonstrou crescimento na intensidade de emissão em 490
nm em resposta ao crescimento na concentração de artrazina. Os pesquisadores atribuem
esse efeito a dois fatores: primeiro, os grupos amina presentes na estrutura do ponto de
carbono foram protonados com a estabilização da solução em pH 5. Segundo, com a adição
da artrazina, ocorre a agregação das nanopartículas e do herbicida através de ligações de
hidrogênio formando aglomerados. Com isso, foi vericado um aumento signicativo no
tempo de vida e intensidade de uorescência.

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2.5.3 Pontos quânticos de carbono como sensores de pH
Outra possível aplicação como sensor envolve o uso de pontos de carbono para monitorar o pH de vários tipos de sistemas.

Em sistemas biológicos, como o crescimento

de cultura de células ou modelagem de tecidos ou órgãos, muitas atividades siológicas
acontecem sob controlado espectro de pH. Alterações nesses valores podem levar a má
funcionalidade de várias atividades celulares como o transporte de nutrientes para dentro
ou para fora da célula, crescimento e divisão celular, além de afetar os mecanismos de
morte, como apoptose [103]. Os mecanismos de ação atribuídos à resposta de PQCs ao
pH do substrato está relacionado a ativação e desativação de sítios ácidos e básicos na
superfície do ponto de carbono. Esses sítios são grupos funcionais, comumente amidas,
grupos carboxílicos e grupos ureia (N-H, C=O), que sofrem processos de protonação e de-

+
+
protonação, alterando a quantidade de átomos de H /[H3 O] na sua estrutura. Isso afeta
a densidade eletrônica local, o que pode ter como resposta um aumento ou diminuição na
resposta óptica do PQC, como na sua uorescência ou tempo de vida [104, 105, 106].
We e colaboradores [107] investigaram a sensibilidade de pontos de carbono derivados
de dicianodiamida e ácido cítrico, via síntese hidrotérmica, à variação de pH em células
Hep-2 (linhagem celular presente em tecido epitelial humano). Os pesquisadores observaram que, sob excitação em 365 nm, a intensidade de fotoluminescência do ponto quântico
de carbono aumentou signicativamente quando o pH da solução foi variado de 1,81 para
8,95. Além disso, a reversibilidade da resposta óptica foi investigada com a execução de
5 ciclos de variação entre os valores 2 e 9 de pH. A sensibilidade do ponto de carbono à
variação do pH foi atribuída a protonação e deprotonação de grupos carboxílicos e grupos
amida na superfície da nanopartícula, ativando sítios ácido e básico com diferentes respostas ópticas. Outros tipos de pontos de carbono já foram investigados, demonstrando
respostas diferentes, de acordo com sua composição supercial. Os sítios básicos e ácidos
identicados em cada nanopartícula são ativados ou desativados quando a variação de pH

+
altera a proporção de íons de hidrogênio ou íons hidrônio ([H3 O] ) nas estruturas responsáveis pela fotoluminescência. Assim, alguns pontos de carbono apresentam sensibilidade
a apenas meios alcalinos, apenas a meios ácidos ou possuem um amplo espectro que cobre
toda a escala do potencial hidrogeniônico [8].

Tese de Doutorado

3
Fundamentos da terapia fotodinâmica
antimicrobiana e de bioimageamento
A versatilidade dos pontos quânticos de carbono se estende às diversas áreas dentro da
biologia, onde suas propriedades físico-químicas são exploradas com uma série de nalidades. Particularmente, na microbiologia, as suas características fotoluminescentes já foram
avaliadas em ensaios de inativação microbiana e bioimageamento em diversos modelos de
microrganismos.

A estrutura eletrônica supercial desses materiais pode conter certos

grupos funcionais que interferem com a integridade celular de alguns microrganismos, o
que confere um caráter antimicrobiano a essas nanopartículas.
PQC apresenta toxicidade natural.

No entanto, nem todo

Nesse caso, a sua viabilidade como antimicrobiano

pode ser ativada por radiação eletromagnética. Nesse caso, eles contam com intervalos
de energia entre estados excitados singleto e tripleto que permitem transições eletrônicas
intersistema.
Essa característica favorece o acúmulo de elétrons no estado tripleto e a subsequente
transferência de energia para o oxigênio molecular endógeno ao substrato que contem o
PQC. Isso signica grande capacidade de geração de espécies reativas de oxigênio (ROS),
que são agentes altamente oxidantes e danosos para qualquer tipo de célula.

Dada a

diversidade de nanopartículas inclusas na categoria pontos quânticos de carbono, algumas dessas nanoestruturas não apresentam toxicidade a células e são fracas geradoras de
ROS, mas são dotadas de características que lhe permitem agregação e internalização em
diversos tipos de células. Isso pode ser largamente explorado em ensaios de bioimageamento, fazendo uso das assinaturas fotoluminescentes dos PQCs dentro das células. No
presente capítulo, serão exploradas as características de pontos quânticos de carbono que
os colocam em diversos tipos de procedimentos envolvendo microrganismos.

3.1 Terapia Fotodinâmica
A Terapia Fotodinâmica (TFD) é uma modalidade terapêutica conhecida pela ciência a
mais de um século e usada para tratar uma série de tumores e neoplasias [108, 109]. Como
alternativa ao uso convencional de antibióticos, antifúngicos e outros antimicrobianos, a
TFD também é aplicada para inativar microrganismos. Nesse contexto, é apropriado se

referir a essa técnica como Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana (TFA) ou Inativação
Fotodinâmica (IFD). A TFD/TFA utiliza a interação de algum fármaco fotossensível com
a radiação incidente no meio tratado. A radiação deve possuir frequência ressonante com a
região de absorção do fármaco. Essa ação induz a geração de espécies reativas de oxigênio
(ROS, Reactive Oxygen Species ), a partir do oxigênio molecular endógeno ao substrato,
que, por sua vez, desencadearão processos oxidativos nas células-alvo, matando-as.

efeitos isolados do fármaco, da luz e do oxigênio molecular não são danosos para as células
nas quantidades utilizadas na TFD, mas o sucesso da técnica depende exclusivamente do
efeito sinergético desses três elementos.

3.1.1 Histórico
A associação de certas plantas e luz solar para tratar algumas doenças de pele é
conhecida pela humanidade há muitos séculos. O conhecimento de que a luz pode ativar
certas propriedades em determinados materiais é tão antigo quanto a própria civilização.
Há mais de 4000 anos, os egípcios já se valiam dos benefícios de conjugar a luz do sol
e alguma substância fotossensível para tratar doenças como o vitiligo.

O tratamento

era realizado via administração oral de plantas que continham psoralenos e, então, o
paciente era exposto à luz solar.

Apesar dessa prática popular tão antiga, os efeitos

fotossensibilizantes de certas moléculas só foram submetidos ao método cientíco no nal
do século XIX [110].
Oscar Raab, então estudante de medicina da Universidade Ludwig-Maximillian em
Munique, observou, no nal de 1897, o que ele chamou de ação fotodinâmica. Orientado
pelo professor Hermann von Tappeiner, chefe do Departamento de Farmacologia Experimental, Raab estudava os efeitos do corante acridina em alguns protozoários, dentre eles
o Paramecium caudatum, para determinar a dose limiar de toxicidade do corante. Depois
de mais de 800 ensaios, variando a concentração da acridina, Raab e von Tappeiner foram
confrontados com resultados incoerentes. O crescimento do fungo não variava de forma
lógica com a variação de concentração do corante.

Um parâmetro não cogitado pelos

pesquisadores durante a execução do experimento, foi a conclusão surpreendente a qual
eles chegaram depois de muita discussão: a quantidade de luz solar que entrava no laboratório e chegava até as amostras inuenciava na toxicidade do corante e no crescimento
do protozoário [111].
A dupla realizou experimentos utilizando outros corantes como eosina e quinina, chegando a mesma conclusão: a toxicidade do composto dependia da sua exposição à luz.
Esses resultados foram publicados em Janeiro de 1900, culminando em uma série de
trabalhos executados em outros laboratórios que atestavam o sucesso da combinação luzfármaco para matar microrganismos.

Entretanto, as explicações para o mecanismo de

ação da técnica eram pontos fortes de dissidência entre os pesquisadores.

Tese de Doutorado

Von Tappei-

ner estava certo de que o efeito antimicrobiano observado era decorrente da propriedade
uorescente do corante [112]. Ele especulava que a ação fotodinâmica resultava da interação entre íons no substrato com os uoróforos do corante. Outras ideias faziam oposição
à teoria de von Tappeiner pois argumentavam que muitos corantes testados apresentavam grande uorescência, mas baixa ação fotodinâmica. Os pesquisadores que traziam
esses argumentos não acreditavam que a uorescência fosse a responsável pela ação fotodinâmica, mas que algum outro tipo de sensibilização (não radiativa) era ativada pela
incidência da luz.

Ainda no começo do século XX, a comunidade cientíca começou a

esboçar uma teoria mais condizente com o mecanismo de ação bastante conhecido hoje
em dia. O oxigênio presente no substrato era o ingrediente nal [112, 113].
Não demorou para que o alvo mudasse de microrganismos para células tumorais, e os
primeiros resultados positivos foram apresentados ainda nos primeiros anos da década de
1900. O próprio von Tappeiner, em 1903, tratou uma lesão causada por câncer de pele utilizando o corante eosina e luz apropriada. Em 1912 Friedrich Meyer-Betz, físico austríaco,
se submeteu a um experimento arriscado.

Nos seus trabalhos, já havia observado com

frequência o efeito fotodinâmico em ratos, então, decidiu injetar em si mesmo 200 mg do
que ele acreditou ser hematoporrina (Hp) pura. Dias depois, observou uma reação de fotossensibilização em partes do seu corpo expostas ao sol, com sintomas como o surgimento
de eritema (vermelhidão) e edema (inchaços). A reação fotossensibilizante levou semanas
para desaparecer, tempo que o fotossensibilizador levou para ser totalmente eliminado
do corpo. Na metade do século passado, Schwartz mostrou que o composto que causou
sensibilidade prolongada no experimento de Meyer-Betz não era hematoporrina, que é
eliminada do organismo rapidamente, mas substâncias oligoméricas presentes na síntese
da Hp. Ele utilizou essas substâncias para criar um composto que chamou de derivado de
hematoporrina (HpD), dando início à primeira geração de fármacos utilizados em TFD
[110, 114].

3.1.2 Mecanismos de ação
Os excelentes resultados obtidos com a TFD em diversos tratamentos são produto
da transferência de energia entre três elementos indispensáveis: um fotossensibilizador
(FS), luz e oxigênio molecular. A ação fotodinâmica começa com a aplicação da molécula
fotossensibilizadora na região a ser tratada. Em tratamentos tumorais, o fármaco (fotossensibilizador) é aplicado topicamente sobre a lesão e é absorvido preferencialmente pelas
células neoplásicas, já que, por serem células mutantes, geralmente não possuem os mecanismos de defesa de uma célula sadia [115, 116]. Em ensaios de inativação microbiana,
o fotossensibilizador pode ser aplicado a uma cultura (em placa ou caldo) de células de
microrganismos.
Bactérias, fungos e outros microrganismos geralmente possuem em sua estrutura ce-

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lular uma camada protetora chamada de parede celular, que diculta a entrada de macromoléculas e outras partículas no interior da célula. Assim, a anidade do FS com as
células em tratamento é um parâmetro importante. Do mesmo jeito que nas células tumorais, existe a absorção do fármaco pelas células microbianas [117]. Em qualquer aplicação
da técnica, uma vez em contato com a célula-alvo, as moléculas do fotossensibilizador
poderão ou não atravessar a parede celular, ação que depende, dentre outras coisas, da
carga elétrica na parede da célula e na molécula do fármaco.

Quando existe um alto

grau de anidade entre a parede celular e o FS, as moléculas atravessam a estrutura porosa da parede, passam facilmente pela membrana plasmática e chegam até o citoplasma
[118, 119].

Em seguida, a região em tratamento é irradiada por luz no intervalo visível e infravermelho próximo e, para isso, normalmente se utiliza fontes de luz LED ou laser.

comprimento de onda da radiação é ressonante com a região de absorção do fotossensibilizador previamente aplicado. Os fótons provenientes da luz incidente serão absorvidos
pelas moléculas do FS e os seus elétrons de valência serão excitados para níveis mais energéticos [108]. No processo de decaimento para o estado fundamental, os elétrons excitados
chegam ao menor estado excitado S1 , de onde podem realizar cruzamento intersistema
entre estados singleto e tripleto (S1 → T1 ).

É importante que a taxa de transferência eletrônica em um cruzamento intersistema
seja considerável para que uma molécula obtenha efeitos signicativos como FS. Os fenômenos envolvidos na interação entre luz e matéria foram discutidos detalhadamente na
seção A.3 (Apêndice A). Uma vez ocupando T1 , esses elétrons podem decair para o estado
fundamental singleto S0 , depois de realizar outro cruzamento intersistema. No entanto,
o sucesso da TFD depende da transferência da energia armazenada nos elétrons em T1
para os elétrons das moléculas de oxigênio (O2 ) ao redor. O oxigênio excitado se torna
uma molécula reativa, com alto poder de oxidação.

Os fenômenos que resultam da interação do FS com a luz e o oxigênio molecular podem
ser separados em dois tipos. Na fotossensibilização do tipo 1, as moléculas excitadas do
FS encontram as moléculas do substrato e retiram ou adicionam elétrons e átomos de
hidrogênio às suas estruturas.

Essas moléculas se transformam em radicais livres, que

têm grande facilidade em participar de diversos tipos de reações químicas [108, 114]. As
equações 3.1 descrevem as transferências de elétrons entre uma molécula do FS no estado
excitado tripleto, T1 , para uma molécula do substrato,

M . O FS pode ser um doador

ou receptor de elétrons, teoricamente. Igualmente, em uma transferência de átomos de
hidrogênio, tanto o FS quanto o substrato podem atuar como receptores ou doadores de
hidrogênio, como mostrado nas equações 3.2.

Tese de Doutorado

T1 + 1 M → F •− + M •+
T1 + 1 M → F •+ + M •−

T1 H + 1 M → F • + 1 M H •
T1 + 1 M H → F H • + 1 M •

(3.1)

(3.2)

Na ausência de oxigênio molecular, os radicais formados das moléculas do substrato e
do FS se ligam covalentemente, formando adutos, novas moléculas que contêm todos os
átomos das suas moléculas formadoras. Quando o substrato é rico em oxigênio, por outro
lado, os radicais interagem com o O2 para formar espécies reativas de oxigênio (ROS)

•−
como peróxido de hidrogênio (H2 02 ), ânion radical superóxido (02 ) e radical hidroxila
(•OH ). Essas espécies de oxigênio tem alto poder oxidativo contra biomoléculas [108].
Na fotossensibilização do tipo 2, assim como no tipo 1, a presença do oxigênio molecular
é indispensável. Nesse cenário, a interação entre o FS e o oxigênio molecular é direta e
acontece através de transferência de energia. O O2 é uma molécula especial para a TFD
porque além de ser abundante na natureza, correspondendo a 21% da composição gasosa
da atmosfera terrestre, é indispensável nos ciclos de respiração celular de organismos
aeróbicos, além de fazer parte da composição química de compostos orgânicos e possuir
estado fundamental do tipo tripleto [111].
A molécula de oxigênio surge da ligação covalente entre dois átomos de oxigênio,

2 2
2
que possuem distribuição eletrônica 1s 2s 2p , a partir dos orbitais atômicos 2s e 2p; o
diagrama eletrônico mostrando a formação do oxigênio molecular a partir de dois oxigênios
atômicos é exibido na Fig.(3.1). O estado fundamental do O2 é constituído de dois elétrons

∗
desemparelhados, cada um em um orbital antiligante degenerado π , característica de um
estado tripleto e com caráter paramagnético.
Quando o oxigênio molecular é excitado, seus dois elétrons desemparelhados nos orbitais π

∗

sofrem uma reorganização e podem, temporariamente, mudar de orbital ou de

orientação de spin. Um acréscimo de 94,7 kJ/mol induz a mudança de orbital e spin em
um dos elétrons, do seu orbital degenerado para o outro, fazendo com que os dois elé-

∗
trons de valência ocupem o mesmo orbital π , e tenham diferentes orientações de spin. Já
158 kJ/mol faz com que eles permaneçam separados, mas promove a inversão de spin de
um deles [120]. Essas duas congurações violam as leis de seleção para o preenchimento
eletrônico de orbitais moleculares e, portanto, têm tempos de vida muito curtos.
No entanto, apresentam características diamagnéticas e de níveis de energia do tipo
singleto. Por serem de curta duração, esses estados liberam a energia absorvida quase que
imediatamente por vibração e aquecimento do seu entorno imediato. Por esse motivo, o

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Diagrama esquemático de distribuição eletrônica para a ligação covalente entre dois
átomos de oxigênio formando uma molécula de oxigênio.
Figura 3.1:

Fonte: Autor, 2024.

oxigênio molecular excitado, conhecido como oxigênio singleto tem alto poder oxidativo,
mas com um curto alcance.

Assim como os produtos da fotossensibilização Tipo 1, o

oxigênio singleto é uma espécie reativa de oxigênio.

A equação de taxa (3.3) mostra a

transferência de energia do estado tripleto do FS para o estado tripleto do O2 , resultando
na molécula do FS decaindo para o estado fundamental e na formação do oxigênio singleto
[108, 110].

T1 + 3 O2 → S0 + 1 O2

(3.3)

Quando a TFD é realizada, a maximização do dano celular por ação fotodinâmica
ocorre quando as moléculas do FS entram nas células-alvo. Essas moléculas se acoplam
às organelas das células eucariontes, principalmente à mitocôndria, e a estruturas internas presentes em células procariontes, como o próprio DNA. Quando a luz é incidida, as
transferências de energia mencionadas ocorrem e rapidamente as espécies reativas de oxigênio se formam, funcionando como bombas celulares, liberando toda a energia absorvida
e causando dano nas estruturas em que estão acopladas. O resultado é a disrupção da
morfologia e funções vitais da célula e sua subsequente morte via necrose ou apoptose
[110].

3.1.3 Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana
Apesar de originalmente ter sido observada em microrganismos, os primeiros anos de
estudo da Terapia Fotodinâmica foram voltados, em sua maior parte, ao tratamento de

Tese de Doutorado

câncer. Isso se deve ao fato de que, por muitos anos depois da descoberta da penincilina,
não se sentiu a necessidade de outros materiais ou técnicas com ação desinfetante ou antimicrobiana. A penicilina foi descoberta em 1928 por Alexander Fleming completamente
por acidente, quando ele notou uma contaminação cruzada entre a bactéria Staphylococ-

cus aureus e o fungo Penicillium notatum que culminou na inativação da bactéria [117].
Seus estudos identicaram que a morte da bactéria havia sido causada por compostos
químicos produzidos pelo fungo. Antes de Fleming, os cientistas Sahachiro Hata e Paul
Ehrlich já haviam desenvolvido um medicamento para combate à sílis e tripanossomíase
em 1910 [121]. Conhecido comercialmente como Salvarsan, a arsfenamina foi o primeiro
antibiótico e foi utilizado por muitas décadas.
Essas descobertas da primeira metade do século XX iniciaram a era de ouro dos antibióticos, um período de aproximadamente duas décadas em que a medicina evoluiu
consideravelmente no combate a infecções. Entretanto, a década de 60 foi marcada com
um aumento preocupante de cepas de microrganismos cada vez mais resistentes.

Isso

aconteceu em decorrência da evolução natural de microrganismos, que desenvolveram técnicas para superar as ações antimicrobianas, e do uso indiscriminado de antibióticos e
desinfetantes sem observar as recomendações dos fabricantes [122]. Com isso, a comunidade cientíca começou a procurar alternativas para o tratamento de infecções e a TFD
voltou a ser aplicada em microrganismos [123, 124].
A vantagem da TFA ao uso de antibióticos e antifúngicos tradicionais é a não seletividade a processos ou estruturas especícas dos microrganismos. Isso signica que, diferente
dos antimicrobianos, a geração de ROS durante a TFA pode acontecer em qualquer parte
da célula desde que o oxigênio molecular esteja presente e a luz consiga penetrar no meio.
É sabido que bactérias possuem mecanismos de defesa contra estresse oxidativo, uma vez
que a produção de radicais livres faz parte do seu ciclo de vida, mas não existe proteção
contra a ação de oxigênio singleto.

Ou seja, a produção de ROS durante a TFA e seu

efeito antimicrobiano depende unicamente do fotossensibilizador escolhido, sua capacidade de entrar na célula e de transferir energia para o oxigênio molecular presente [125].
Sendo assim, é importante conhecer as propriedades ópticas de um fotossensibilizador,
bem como suas características citotóxicas para determinar seu uso como fármaco de TFA.

3.1.4 Fotossensibilizadores
Elementos indispensáveis para a realização da TFD, os fotossensibilizadores vêm sendo
aperfeiçoados por décadas com o intuito de maximizar os efeitos positivos da terapia e
minimizar efeitos colaterais. FS são moléculas com a particularidade de possuir o intervalo
de energia entre o estado fundamental e seus estados excitados correspondente à energia
característica de radiação visível e no infravermelho próximo. Para o sucesso da técnica,
existem características essenciais em um FS para que ele seja considerado eciente e

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possa ser aplicado como fármaco em Terapia Fotodinâmica [115, 108]. Abaixo, listamos
as principais. As características abaixo descritas serviram para guiar o aperfeiçoamento de
fármacos usados em TFD desde a década de 70. No entanto, elas levam em consideração a
aplicação mais comum da técnica, o tratamento de câncer. Para tratamento de infecções

in vivo, esses pré-requisitos são também indispensáveis, no entanto, ensaios in vitro são
menos exigentes, uma vez que não existe um hospedeiro a ser preservado.

Tempo de vida prolongado no estado tripleto T
1

Um longo tempo de vida

do estado tripleto das moléculas do FS signica contato com o maior número possível
de oxigênio molecular do substrato, produzindo um grande número de oxigênio
singleto;

Seletividade

O acúmulo do FS deve ocorrer exclusivamente nas células-alvo,

preservando a integridade das células sadias no entorno quando ocorrer a iluminação
da região tratada;

Farmacodinâmica e farmacocinética

A farmacodinâmica estuda os efeitos

siológicos e bioquímicos de um fármaco depois de administrado no hospedeiro.
A farmacocinética estuda o caminho que o fármaco realiza dentro do hospedeiro
desde sua administração até sua excreção. Um FS eciente precisa ter pouquíssimo
tempo de retenção no hospedeiro, com efeitos colaterais, como fotossensibilidade
prolongada, mínimos ou nulos;

Estabilidade química e pureza

O FS precisa ser uma formulação pura, sem

contaminantes, especialmente agentes tóxicos. Além disso, não pode sofrer nenhum
tipo de modicação físico-química, depois de administrado, que degrade suas propriedades ou desencadeie uma resposta toxicológica no hospedeiro;

Citotoxicidade

A ação fotodinâmica é a única esperada para um FS eciente;

ou seja, sem a irradiação de luz, ele não deve apresentar toxicidade ao hospedeiro,
ou desencadear processos danosos;

Propriedade anfílica

Para facilitar o transporte do FS através das estruturas

da célula e sua acomodação no citoplasma, as moléculas precisam possuir uma
parte hidrofóbica. Entretanto, elas também necessitam ter alguma parte hidrofílica
para garantir a biocompatibilidade.

Sendo assim, fotossensibilizadores anfílicos

(apresentam características tanto hidrofóbicas quanto hidrofílicas) são ideais [109].

Moléculas que atendem a todos esses requisitos são praticamente impossíveis de se
produzir, mas categorias de fotossensibilizadores já demonstraram ecácia em diversos
tratamentos desde a década de 70. A primeira geração era composta por derivados de hematoporrina (HpD) [126], com o Photofrin

® (Axcan, Quebec, Canadá) sendo o primeiro

Tese de Doutorado

FS distribuído comercialmente para uso clínico. Os produtos dessa geração possuíam algumas características que limitavam bastante o seu uso mais comum, o tratamento de
câncer. A alta retenção no corpo do hospedeiro, espalhando-se para regiões além da região de tratamento, o tempo de meia vida de várias semanas e os baixos índices de pureza
são algumas das características que fazem dos fotossensibilizadores de primeira geração
tão pobres.
Na década de 80, formulações puramente sintéticas de derivados de hematoporrina
que apresentavam um macrociclo aromático na sua estrutura guraram como fotossensibilizadores de segunda geração. Essas moléculas corrigiam as desvantagens da primeira
geração, tendo menor tempo de retenção no corpo do hospedeiro, possuindo energia de
ativação com banda entre 600 nm e 800 nm, além de ter melhor especicidade para células tumorais. Foscan

® (Biolitec, Gina, Alemanha) é um dos fármacos disponíveis para

testes clínicos e que, assim como os outros dessa geração, apresenta baixa solubilidade em
água. Essa última característica enfraquece o uso desses FS uma vez que, em sistemas
biológicos, é muito comum a formação de aglomerado moleculares, em decorrência da sua
hidrofobicidade, diminuindo o rendimento quântico de geração de oxigênio reativo. Esse
limitante deu início a busca pelos fotossensibilizadores de terceira geração [127].
As alternativas para superar os desaos das primeiras gerações foi pensar em materiais com maior especicidade para as células-alvo e maximização da farmacocinética
e farmacodinâmica.

Isso signica agregar tecnologias a materiais já existentes ou criar

novos materiais com características sintonizáveis.

Nesse contexto, são considerados fo-

tossensibilizadores de terceira geração a conjugação de FS de segunda geração ou de
corantes fotossensíveis com nanopartículas biodegradáveis, biomoléculas ou agentes-alvo.
Essa conjugação permite o encapsulamento do FS por macromoléculas com características
especícas para ligação com receptores determinados nas células-alvo. Com isso, há o carregamento de forma mais eciente do FS para o local exato de tratamento. Outra classe
de materiais inclui fotossensibilizadores que já possuem as características adequadas para
ligação com as células-alvo [127, 126].
Os pontos quânticos de carbono entram nessa categoria como fotossensibilizadores
completos, na maioria das vezes, sem necessidade de conjugação. As suas características
ópticas são versáteis e facilmente sintonizáveis através de processos simples e econômicos
de síntese e modicação supercial.

A simplicidade em sintonizar essas características

permite a arquitetura mais precisa de partículas fotossensíveis que serão usadas em tratamentos especícos. Além disso, a quase totalidade de PQCs reportados apontam para
um tipo de material com baixíssima citotoxidade, o que facilita ensaios in vivo, alto grau
de hidrolicidade e excelente fotoestabilidade, demonstrando não sofrer fotodegradação
depois de exposto à luz [128]. Assim, pontos quânticos de carbono conguram um tipo de
fotossensibilizador completo, com fotoluminescência ajustável, características estruturais
e morfológicas que permitem adaptação a diversos tipos de ambiente, energia de ativação

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dentro da região visível do espectro eletromagnético, atóxico nas concentrações adequadas, grande possibilidade de gerar ROS e com baixo custo de produção. Por último, sua
aderência à parede celular de fungos e bactérias tem sido reportada para várias cepas de
microrganismos, fator importante para que haja um efeito completo de ROS na estrutura
celular [129, 128].

3.1.5 Microrganismos
Esta seção será dedicada a conceitos de microbiologia, especialmente sobre bactérias e
fungos, uma vez que um dos trabalhos desenvolvidos e apresentados nessa tese teve esses
microrganismos como alvo de aplicações. O planeta Terra é casa para um número absurdamente grande de seres vivos, número esse que está em contínua atualização, a medida
que algumas espécies são extintas, enquanto outras são descobertas. A riqueza natural
da biosfera se deve ao fato de que a vida é a perfeita organização das partículas certas.
Átomos realizam ligações químicas para formar moléculas, cuja miríade de estruturas
viabiliza a formação de macromoléculas.

Do ponto de vista biológico, macromoléculas

são compostos orgânicos estraticados em quatro grandes famílias, a saber: carboidratos,
lipídeos, proteínas e ácidos nucléicos [130].

Esses compostos se combinam de maneiras

especícas formando a unidade fundamental da vida, a célula. Com formatos e funções
variadas, as células compõem todos os organismos vivos, desde os mais complexos como
animais e plantas, até aqueles mais simples como bactérias. Em escala microscópica, a
vida ocorre em uma variedade de tamanhos, formatos, cores e organização e compreende
seres vivos de classicações taxonômicas distintas.
Microrganismos são o maior grupo de organismos existente na Terra, constituindo a
maior parte da biomassa do planeta [131].

Incluindo bactérias, fungos, protozoários e

algas, esses organismos apresentam uma diversidade estrutural grande, podendo ocorrer
na forma unicelular ou pluricelular [130]. Do ponto de vista celular, microrganismos são
indivíduos muito mais simples que outros seres, mas muito mais especializados em viver
em todo tipo de ambiente e com grande adaptação à mudanças externas.

A estrutura

geral de uma célula inclui uma membrana citoplasmática, a barreira externa da célula que
envolve e protege o seu interior gelatinoso, o citoplasma. A maioria dos microrganismos
e plantas possuem ainda uma camada de proteção extra, que animais normalmente não
possuem; a parede celular é uma estrutura externa à membrana, rígida e que confere
formato e proteção à célula. No citoplasma, várias estruturas responsáveis por manutenção
e reprodução podem ser encontradas [132].
A vida acontece através da diversidade e, portanto, é preciso um sistema de classicação que leve em conta as diferenciações entre os seres vivos. A taxonomia é a ciência que
separa os seres em grupos ou táxon de acordo com semelhanças entre eles. A primeira
grande divisão diz respeito a estrutura da célula. A microbiologia reconhece a existência

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de dois tipos de células, as procariontes e as eucariontes que apresentam diferenças fundamentais entre si (ver Fig.(3.2)). Células eucariontes são grandes e complexas, contendo
estruturas no citoplasma chamadas de organelas; compartimentos envoltos em membrana
com funções vitais para a manutenção da célula. O núcleo celular, que contém o DNA
do indivíduo, bem como a mitocôndria e o complexo de Golgi são exemplos de organelas.
Células procariontes, por outro lado, são menores e mais simples e se diferenciam das
eucariontes por não possuírem organelas. As estruturas internas dessas células não são
delimitadas por membranas e estão dispersas no citoplasma [133].
Figura 3.2:

Representação geral de uma célula (a) eucarionte e uma (b) procarionte.

(a)
Ribossomo
Citoplasma
DNA Plasmidial
DNA Cromossômico
Fímbria
Membrana Citoplasmática
Parede Celular
Flagelo

Citoplasma

(b)

Mitocôndria
Ribossomo
Núcleo
Retículo Endoplasmático
Liso
Retículo Endoplasmático
Rugoso
Membrana Citoplasmática
Cílios
Parede Celular

Fonte: Autor, 2024.
O primeiro e mais inclusivo táxon que separa os seres vivos são os domínios [134]. De
acordo com as diferenças genéticas, atualmente é aceito um sistema com três domínios. Os
domínios Bacteria e Archea são compostos por organismos microscópicos e procariontes,
ao passo que os organismos eucariontes (que são todos os demais organismos vivos do
planeta) compõem o domínio Eukarya.

Outras divisões menos inclusivas se organizam

de forma hierárquica dentro desses três domínios. Os microrganismos estão distribuídos

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em diversos

táxon por todo o sistema taxonômico e incluem indivíduos eucariontes e

procariontes. No resto dessa seção, focaremos nossa atenção em apenas dois grupos de
microrganismos, os fungos (eucariontes) e as bactérias, uma vez que foram os objetos-alvo
do presente trabalho [130, 131].

Domínio Bacteria
Contando com mais de 5000 espécies registradas, o domínio Bacteria é composto exclusivamente por microrganismos. Atualmente, é aceito na ciência que as primeiras formas
de vida eram organismos procariontes e surgiram na Terra há cerca de 3,5 bilhões de anos.
As arqueas foram as primeiras células a se formarem nos oceanos primordiais, mas as bactérias vieram logo em seguida [130]. Apesar de ocorrerem em formatos diversos, bactérias
apresentam a mesma estrutura celular geral, com pequenas diferenciações, dependendo da
espécie [135]. A região interna é o citoplasma, uma solução gelatinosa composta majoritariamente por água e que contém nutrientes como açucares, sais e amino ácidos. A falta de
organelas é a característica mais marcantes das células procariontes. No entanto, bactérias
possuem algumas estruturas como ribossomos e grânulos dispersos no citoplasma, além
do cromossomo bacteriano, que consiste em uma longa ta de DNA encolhida em uma
região sem delimitações chamada nucleóide. Os componentes do citoplasma, apesar de
não desempenharem funções especícas como as organelas, funcionam como ingredientes
para a síntese de material celular e para o armazenamento de energia [133].
O envelope celular, a estrutura externa que dá formato à célula, é formado por três
camadas principais: o glicocá¨ice é uma capa viscosa de polímeros (polissacarídeos e/ou
polipetídeos) que é secretada pela célula e recobre toda a parede celular. Quando está
rmemente ligado à parede, o glicocálice é chamado de cápsula e oferece grande proteção
contra agentes externos como fagócitos

, o que confere à bactéria uma característica

patogênica. O glicocálice é chamado de camada viscosa quando sua aderência à parede
celular é fraca.

No geral, essa estrutura, além de proteger a célula, funciona como um

agente aderente, permitindo que a bactéria se xe em superfícies.
Imediatamente abaixo do glicocálice, encontramos a parede celular, que é responsável
por dar sustentação e formato ao envelope celular [136]. A grande maioria das bactérias
possui paredes celulares ricas em peptidoglicano, uma macromolécula responsável pela
rigidez da parede. Essa é uma característica essencial para evitar que a célula exploda ou
imploda em decorrência da diferença de pressão entre os meios interno e externo durante a
osmose. A presença de peptidoglicano é uma grande característica que diferencia arqueas
de bactérias, uma vez que arqueas não possuem essa macromolécula na sua estrutura. A
terceira camada do envelope celular é a mais interna, uma na película que envolve todo

1 Células especializadas em fagocitar ou ingerir células mortas, microrganismos e partículas. No corpo
humano, as células brancas fazem o papel de fagócitos e atuam como segunda linha de defesa do sistema
imunológico [133].

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o citoplasma. A membrana plasmática ou membrana celular tem como principal função
o transporte de nutrientes a partir do meio externo para dentro da célula e a excreção de
resíduos. Além disso, é responsável por funções vitais à bactéria como a metabolização
de nutrientes.

Externo ao envelope celular, pode-se encontrar algumas estruturas que

funcionam como apêndices:

os agelos - que desempenham funções de locomoção; as

fímbrias - que atuam na xação; e os pili - que atuam na transferência de DNA [133].
No processo evolutivo, as bactérias seguiram dois caminhos distintos em relação à
constituição da parede. O teste de coloração de Gram foi criado pelo médico Hans Christian Gram em 1884 e até hoje é utilizado para categorizar as bactérias em Gram-positivas
e Gram-negativas de acordo com a composição estrutural das suas paredes celulares. A
parede celular de bactérias Gram-positivas é a sobreposição de várias camadas de peptidoglicano formando uma grossa camada (20-80 nm) que envolve a membrana celular
(Fig.(3.3-a)).

Em algumas bactérias, a parede e a membrana estão coladas, mas em

outras, existe um espaço entre essas duas estruturas chamado periplasma.
No caso de Gram-negativas (Fig.(3.3-b)), a parede celular é mais complexa, apresentando uma membrana externa, que tem estrutura similar à membrana plasmática, e um
largo periplasma que contém uma na camada de peptidoglicano [130]. Essa membrana
externa oferece uma proteção extra às bactérias Gram-negativas, o que as torna mais
resistentes a desinfetantes e antibióticos. Ao mesmo tempo, por possuírem menos peptidoglicano que as gram-positivas, sua parede celular é menos rígida e mais propensa a
processos de lise (ruptura do envelope celular). O teste de coloração de Gram não fornece
informação sobre a estrutura da parede, mas usa diferentes corantes que reagem de formas especícas com cada componente da parede celular. Assim, bactérias gram-positivas
adquirem coloração roxo/violeta, enquanto as gram-negativas cam rosa ao nal do teste
[135].

Modelo da estrutura geral de paredes celulares de bactérias (a) Gram-positivas
(Gram+) e (b) Gram-negativas (Gram-).
Figura 3.3:

Fonte: Autor, 2024.

Uma espécie de bactéria muito utilizada como modelo de célula procarionte Gram+

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é a Staphylococcus aureus. Pertencente ao grupo dos cocos, é uma bactéria esférica e que
pode ocorrer sozinha ou em grupo, formando colônias que, microscopicamente, parecem
cachos de uva.

São comumente encontradas nas fossas nasais e na pele de humanos

saudáveis, podendo existir também em outras partes do corpo.

No entanto, apesar do

relacionamento pacíco que tem com humanos, a S. aureus pode se tornar vetor de várias
infecções e doenças, especialmente em ambiente hospitalar [137]. Por produzir certos tipos
de proteínas de superfície na parte externa da parede celular, além de secretar toxinas, a
patogenicidade dessa bactéria é altíssima.
Seus fatores de virulência resultam da sua grande capacidade de se aderir a superfícies no hospedeiro, desenvolver imunoevasão, ou seja, a capacidade de escapar do sistema
imunológico, além da rápida formação de colônias.

Dentre as doenças que a S. aureus

pode causar, podemos citar acnes, furúnculos, terçol (hordéolo), impetigo, foliculite, meningite e síndrome do choque tóxico [137, 138]. É também um microrganismo resistente a
muitos antibióticos, desenvolvendo cepas cada vez mais perigosas como a cepa resistente à
meticilina (MRSA, do inglês Methicillin-Resistant S. aureus ) [139]. Além da pele e trato
respiratório, é comum o crescimento da S. aureus em implantes médicos e cateteres, o
que a torna uma bactéria de importância hospitalar, sendo uma das maiores fontes de
infecção nesses ambientes [140].
Como modelo de bactéria Gram-, normalmente utiliza-se o bacilo Escherichia coli, um
microrganismo nativo da ora intestinal humana.

Essa bactéria infecta o bebê recém-

nascido (durante a primeira amamentação), com poucas horas de vida, e desenvolve uma
relação mutualística pelo resto desse indivíduo. A bactéria E. coli se aloja no intestino
e não apresenta virulência ou perigo ao hospedeiro, sendo uma das bactérias comensais
mais comuns no intestino [141]. Entretanto, se houver qualquer tipo de lesão, condições
de imunossupressão ou outro tipo de condição que afete o trato gastrointestinal, uma série
de infecções podem surgir. Assim como a S. aureus, a bactéria E. coli desenvolveu vários
fatores de virulência que permitem a sua evasão do sistema imunológico e a torna imune
a inúmeros antibióticos. Uma vez que deixa o intestino, é capaz de causar infecções em
todas as partes do corpo, desencadeando doenças no trato urinário, além de diarréria,
sepsis e meningite [142, 143].

Reino Fungi
Microbiologistas costumam dividir o domínio Eukarya em cinco Reinos, incluindo os
reinos Fungi, Animalia e Plantae que, apesar de abrangerem organismos tão distintos,
apresentam a mesma estrutura celular geral.

O reino Fungi é composto por fungos -

lamentosos, leveduras e cogumelos em variedades de cor, formato e organização. Como
todas as células eucarióticas, as células fúngicas apresentam um citoplasma que abriga
uma série de organelas e possui um núcleo delimitado por membrana, dentro do qual
se encontra o material genético.

Envolvendo o citoplasma, a membrana plasmática é

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uma estrutura bicamada composta por camadas de lipídio intercaladas por proteínas e
glicoproteínas, além de serem ricas em ergosterol.
Na região mais externa, a parede celular é uma estrutura rígida, mas com uma organização que se modica e se adapta como resposta à mudanças externas.

A rigidez

característica da parede celular decorre da presença de celulose, quitina e glucanos, polissacarídeos que, junto a lipídeos, glicoproteínas e outras macromoléculas formam uma
matriz extracelular que conserva o formato da célula e a protege de lise osmótica e agentes externos [144, 145]. Assim como procariontes, células eucariontes podem contar com
apêndices externos ao envelope celular.

Os agelos são projeções longas, enquanto os

cílios são mais curtos e em maior quantidade, mas ambas as estruturas tem função de
locomoção.
De acordo com a morfologia e crescimento celular, os fungos se distribuem em duas
grandes categorias:

leveduras e lamentosos.

Leveduras ocorrem na forma unicelular.

Cada célula apresenta todas as características eucarióticas e representa um indivíduo da
espécie. A reprodução de leveduras pode ocorrer de duas maneiras distintas, dependendo
da espécie. A reprodução por brotamento consiste no enfraquecimento local da parede
celular seguido pelo crescimento de uma estrutura externa (o broto) exatamente nesse
local, como mostrado na Fig.(3.4-a). O citoplasma faz pressão nessa região, culminando
no seu rompimento e subsequente preenchimento da nova estrutura. O broto terá a mesma
composição da célula-mãe e, quando estiver desenvolvido o suciente se tornará uma nova
célula, podendo se separar ou não da célula antiga. A reprodução por ssão, por outro
lado, acontece quando uma célula inicia a produção de um septo interno, que começa nas
paredes celulares e avança até o centro da célula dividindo o meio intracelular em dois
compartimentos iguais. As duas celulas-lhas se formam a partir do crescimento dos dois
lados, agora separados, da célula-mãe − Fig.(3.4-a).
Os fungos lamentosos, ou bolores, são organismos multicelulares que possuem como
unidade fundamental (célula), a hifa. Essas células fúngicas são arcabouços tubulares que
apresentam crescimento apical, ou seja, a partir das suas extremidades, e são preenchidos
pelo citoplasma contendo o núcleo celular e as demais organelas. O envelope celular é a
estrutura externa que inclui a parede e a membrana, delimitando a hifa e crescendo de
acordo com a disponibilidade de nutrientes. Algumas espécies de fungos produzem hifas
seccionadas ou septadas, onde o citoplasma é dividido, comumente a intervalos regulares,
por membranas internas chamadas septos. Cada compartimento contém um núcleo e todas
as organelas de uma célula eucarionte, funcionando, na prática, como uma unidade celular
do fungo. Por outro lado, os fungos aseptados ou cenocíticos possuem hifas sem divisórias,
sendo, então, grandes células multinucleadas − Fig.(3.4-b). Uma mesma espécie de fungo
pode desenvolver os dois tipos de hifa, dependendo das condições externas as quais está
submetida [135, 130].
As hifas se desenvolvem em todas as direções, formando uma teia de os microscópicos

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Ilustrações (a) da reprodução de leveduras por brotamento e ssão [146] e (b)
das estruturas de fungos lamentosos septado e cenocítico [147]. (c) Esporos negros germinando
como hifas [148]. (d) Micrograa eletrônica de varredura mostrando a divisão por brotamento
em célula da levedura Saccharomyces cereviseae [131]. (e) Imagens de MET da levedura Schizosaccharomyces pombe realizando ssão celular [149].

Figura 3.4:

(b)

(a)

Fissão

(d)

(e)

(c)

Fonte: Modicado de [147, 146, 148, 131, 149], 2024.

que constitui o corpo do fungo: o micélio (Fig.(3.4-c)).
tipos de micélios.

Comumente, reconhece-se dois

Os micélios vegetativos ocorrem dentro do substrato, permeando a

sua estrutura, espalhando suas hifas em todas as direções com o objetivo de absorver
todos os nutrientes disponíveis e se xar.

Os micélios aéreos, por outro lado, crescem

para fora do substrato, formando estruturas que podem ser vistas a olho nu. Têm como
principal função produzir os corpos de fruticação, as estruturas reprodutivas do fungo.
Os corpos de fruticação produzem os esporos, novas células fúngicas que serão liberadas
no ambiente em um fenômeno conhecido como esporulação. Quando conseguem se aderir
a alguma superfície com boa disponibilidade de água e nutrientes, esses esporos iniciam
um novo corpo fúngico (germinação), com as hifas crescendo no substrato, formando o
micélio e continuando o ciclo [130]. A Fig.(3.5) ilustra esse processo.
A espécie Cryptococcus neoformans é uma levedura encapsulada de formato esférico
que é comumente encontrada em árvores, no solo e em dejetos de vários tipos de aves
[151]. Seu crescimento normalmente ocorre na forma de levedura, com reprodução por
brotamento, mas em condições especícas de nutrientes, esse fungo pode desenvolver
crescimento por esporulação (formação de basidiósporos). As contaminações em humanos
são chamadas de criptococoses e acontecem via respiração, com o fungo se alojando nos
alvéolos, iniciando um quadro de pneumonia [152]. A levedura pode deixar os pulmões
e infectar outras regiões do corpo, chegando ao sistema nervoso central, onde desenvolve
meningoencefalite, infecção nas meninges (a membrana que envolve todo o sistema nervoso

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Ciclo de reprodução de fungo lamentoso mostrando a liberação de esporos (esporulação) pelo corpo de fruticação e subsequente formação do micélio.
Figura 3.5:

Liberação
de esporos
Germinação

Corpo
de frutiﬁcação
Crescimento
micelial
Micélio
Fonte: Modicado de [150], 2025.

central); essa meningite criptocócica tem alto fator de mortalidade, mas afeta comumente
pessoas que vivem com HIV ou sob efeito de fármacos imunossupressores, motivo pelo
qual o C. neoformans é considerado um fungo oportunista [153, 154].

Dos fatores de

virulência dessa levedura, o mais proeminente é a formação da cápsula que envolve toda
a célula e é composta de polissacarídeos[152]. As criptococoses, apesar de serem infecções
graves, não são comuns em pessoas com estilo de vida saudável.
A espécie C. albicans apresenta a célula em formato esférico a ovalado, que vive em
equilíbrio com hospedeiros humanos. Ela habita o intestino, a pele e o trato geniturinário,
que envolve os órgãos com funções genital e urinária. Entretanto, um sistema imunológico
comprometido ou um desequilíbrio na microbiota do hospedeiro fornece as condições propícias para as infecções ocorrerem [155]. Nessas situações, o fungo modica sua morfologia
e passa a se desenvolver na forma de pseudohifas, que são patogênicas. Essa habilidade de
mudar de forma é chamada de polimorsmo e é um grande fator de virulência da C. albi-

cans, bem como a aderência às células do hospedeiro através de glicoproteínas secretadas
por esse fungo [156]. Além da candidíase, muito comum na região vaginal, outra forma
da infecção pode tomar curso, com fator de mortalidade alto (30 − 50%): a candidemia
ocorre quando as células do fungo contaminam a corrente sanguínea, sendo transportada
para diversos órgãos. Sua origem pode ser qualquer órgão já infectado ou mesmo lesões
causadas por cateteres que expõem a corrente sanguínea a locais colonizados pelo fungo

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[157].
Como exemplo de fungo lamentoso, a espécie Fusarium oxysporum f.

sp. cubense

cresce radialmente em meio de cultura sólido, formando círculos concêntricos e com micélio aéreo esbranquiçado ou arroxeado. É o patógeno que causa a Doença do Panamá ou
murcha do Fusarium, uma doença que afeta plantações de banana e causou perdas econômicas graves em cultivos de banana nas Américas Central e do Sul no século passado, em
especial no Panamá, de onde a doença ganhou seu nome [158].Os indivíduos dessa espécie
podem ser divididos em quatro raças, de acordo com a especicidade do hospedeiro. Cada
raça infecta algumas espécies de bananeiras, mas são inofensivas para outras.
O fungo se aloja no solo e inicia a infecção nas raízes da bananeira, se espalhando
pelo rizoma (o tronco subterrâneo) e chegando ao pseudocaule (o tronco externo).

fungo provoca uma obstrução no xilema, o sistema vascular responsável pela circulação
de água e nutrientes da planta.

A doença se manifesta com o escurecimento marrom

avermelhado desde a raiz até o sistema de vascularização nos pseudocaules, apresenta
também folhas murchas e amareladas ou com rompimentos longitudinais nas suas bases,
começando com as mais antigas até atingir as mais novas. O fungo é espalhado quando
porções do solo contaminado são movidas para lugares sem contaminação, e usa também
cursos hídricos subterrâneos.

Além disso, sobrevive no solo por cerca de 30 anos sem

hospedeiro [159, 160].

3.2 Pontos quânticos de carbono como marcadores uorescentes em bioimageamento
O bioimageamento de células in vitro compreende uma série de técnicas de alta resolução para a produção de imagens de estruturas celulares, bem como o monitoramento
da atividade biológica intra e extra-celular. Uma bioimagem é a visualização de um sistema biológico através de algum sistema óptico, como o olho ou um microscópio. Dessa
denição, inúmeras porções do espectro eletromagnético podem ser utilizadas para produzir uma imagem, desde que acompanhadas com seu detector apropriado. Por exemplo,
o intervalo 700-1000 nm, correspondente ao infravermelho próximo, é bastante usado
no imageamento de tecidos biológicos por apresentar pouquíssimo espalhamento. Desta
forma, a radiação infravermelha consegue penetrar em regiões mais profundas que a luz
visível. Imageamento por raio-X é utilizado para mostrar tecidos duros do corpo. A interação de matéria com radiação eletromagnética de diferentes partes do espectro resulta
em respostas diferentes que carregam informações únicas do objeto em estudo [161].
Aqui, nos ateremos ao bioimageamento feito com luz visível e análises exclusivamente
microscópicas.

A visualização de uma amostra biológica depende também dos biomar-

cadores utilizados, uma vez que a maioria das estruturas em estudo são transparentes

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para a luz visível. Uma série de cromóforos e uoróforos é utilizada como biomarcadores, compostos que se ligam a partes especícas da célula e permitem a visualização da
estrutura através de um microscópio. Biomarcadores precisam ter estabilidade química
e biocompatibilidade para não interferir com os processos biológicos ou com a própria
estrutura celular.

Sondas uorescentes, além dessas características, precisam ter exce-

lente luminescência, fotoestabilidade e não desencadear processos fotodestrutivos, como
fotobranqueamento (photobleaching ) ou geração de espécies reativas de oxigênio [162].
Atualmente, tem-se empregado corantes orgânicos, proteínas uorescentes, pontos
quânticos (quantum dots - QD) e pontos quânticos de carbono como biomarcadores uorescentes. Dentre esses, os corantes orgânicos são os mais utilizados por apresentar alto
brilho de uorescência [163, 164, 165, 166].

No entanto, as moléculas desses corantes

passam por processos de fotodegradação, o que diculta seu uso em microscopias com
exposição contínua à luz [167].

Alternativa a esse obstáculo é a fabricação e sintoni-

zação de nanopartículas biocompatíveis e complexos de nanopartículas com corantes ou
biomoléculas (como anticorpos e aptâmeros) [167, 168].
Em termos de nanopartícula, os pontos quânticos também são utilizados em vários ensaios por possuir excelente luminescência e fotoestabilidade. Por outro lado, a presença de
metais pesados nas suas estruturas limita bastante seu uso [169, 170, 171]. Os PQCs não
sofrem com esses obstáculos e apresentam valores promissores de rendimento quântico de
uorescência e biocompatibilidade, dentre todas as propriedades já mencionadas no texto.
Características que tornam essas nanopartículas atrativas para uso como biomarcadores.
Além da qualidade do marcador escolhido, a técnica de imagem também precisa atender as necessidades da investigação em curso.

A microscopia óptica é a abordagem de

imageamento mais comum e foi a técnica utilizada nas pesquisas dessa teses.

3.2.1 Microscopia Óptica: História e evolução
O primeiro microscópio ocialmente registrado data do nal do século XVI, quando
dois holandeses fabricantes de óculos, Hans e Zacharias Janssen, usaram duas lentes dentro
de um tubo para ampliar a imagem de objetos. Apesar de ser impreciso datar os primeiros
usos de lentes, registros apontam para a produção desses artefatos ainda na era do bronze
no Mediterrâneo oriental. Alguns textos da Roma antiga (23-79 A.C.) fazem referência a
vidros usados como lentes; é um dos poucos registros que descreve o efeito de ampliação
de objetos como globos de vidro cheios de água [172, 173].
A óptica das lentes só começou a ser entendida cerca de um milênio depois desses
registros, e foi um passo importante para chegarmos próximo do seu uso atual. Credita-se
aos árabes Ibn Sahl e Ibn al-Haytham, por volta do nal do século X D.C. e início do século
XI D.C., os primeiros registros de análise teórica das propriedades ópticas de lentes. Ibn
al-Haytham, também conhecido como Alhazem, publicou um importante tratado sobre

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o funcionamento de lentes e a anatomia do olho humano. Em 1280 D.C., em Florença,
um protótipo de óculos é utilizado para corrigir problemas de visão, algo que se espalha
rapidamente pela Europa.
Nos séculos seguintes, a popularização dos óculos de grau e o estudo das propriedades
ópticas de lentes foram indispensáveis para a fabricação do primeiro microscópio.

Al-

guns estudiosos creditam essa invenção à dupla holandesa de fabricantes de óculos, mas
outros registros apontam Galileu como o responsável, em 1609, por criar um microscópio composto, similar ao criado por Hans e Zacharias [174]. Em 1625, Giovanni Faber,
amigo pessoal de Galileu, cunha o nome microscópio, a partir das palavras gregas micron
(pequeno) e skopein (olhar para), para o aparato criado por Galileu.
Em 1667, Robert Hook publica seu famoso Micrographia [175], onde descreve o uso de
um microscópio composto formado por três lentes para observar sementes, plantas e insetos. Nessa obra, Hook se referiu às estruturas de uma rolha, observadas sob microscópio,
como células. Esta foi a primeira vez que a palavra foi usada e as observações de Hook
revolucionaram a biologia da época. Em 1675, Anton van Leeuwenhoek foi o primeiro a
observar bactérias utilizando um microscópio simples [176]. Nos séculos seguintes, inúmeras técnicas foram desenvolvidas para observar objetos em escala microscópica, mas o
funcionamento geral de um microscópio óptico é o mesmo até hoje. A seguir, trataremos
da física de funcionamento de um microscópio óptico.

3.2.2 Microscópio óptico
Um microscópio óptico é um instrumento utilizado para ampliar a imagem de amostras (corpos, objetos, estruturas biológicas) menores que o limite de resolução da visão
humana (cerca de 0,15 mm). Esse tipo de microscópio utiliza luz visível para a formação
da imagem, por isso é designado como óptico.

Para entender o funcionamento de um

microscópio, é preciso entender a geometria envolvida no caminho da luz, ou seja, no
caminho que a luz faz dentro do instrumento desde a sua fonte até o anteparo nal de
projeção da imagem. Aqui, é importante ressaltar que microscópios ópticos podem ser
simples ou compostos e isso depende da quantidade de lentes envolvidas. Um microscópio simples, ou uma lupa, é formado por apenas uma lente e, portanto, forma imagens
com aberrações esféricas e sem ajuste no de foco. Um microscópio composto, por outro lado, apresenta uma estrutura mais complexa contando com conjuntos de lentes com
funcionalidades especícas [177, 176].
Em um microscópio convencional, temos três tipos de lentes: as lentes do condensador,
as lentes da objetiva e as lentes da ocular [178]. A Fig.(3.6) mostra o caminho da luz desde
a amostra ou objeto até a formação da imagem nal. A fonte de luz tem diversas naturezas
e a escolha de qual usar depende do objetivo da microscopia. Nos primeiros microscópios,
era comum a utilização de espelhos para reetir e focalizar a luz ambiente na amostra,

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o que limitava muito a qualidade da imagem nal. Com a evolução do microscópio e da
ciência em si, outras fontes foram incorporadas, como lâmpadas incandescentes, LEDs
e lasers [178]. Além disso, a iluminação pode ser incorporada diretamente no corpo do
microscópio (iluminação interna) ou ser um equipamento separado que é acoplado ao
microscópio (iluminação externa) [179].
Figura 3.6:

Esquema da formação de imagem dentro de um microscópio óptico.

Fonte: Modicado de [176], 2024.

O primeiro conjunto de lentes tem por objetivo focalizar a luz gerada na fonte diretamente na amostra a ser analisada. O condensador ca localizado na parte de baixo da
platina (plataforma onde se coloca a amostra), em microscópios convencionais, e acima
da platina, em microscópios invertidos e são conjugados com diafragmas para o controle
de quantidade de luz que chega na amostra.
tamente aquilo que seu nome sugere.

No geral, um condensador vai fazer exa-

A luz produzida na fonte (lâmpada, LED, laser)

é "condensada"em um cone de luz cujo plano focal coincide com o plano da amostra.
Isso permite uma iluminação homogênea sobre toda a amostra [178]. O ajuste do foco e
abertura do cone sobre a amostra é feito de acordo com a objetiva em uso. O cone de luz
produzido pelo condensador e focalizado na amostra se transforma em um cone invertido
(divergente) depois de passar pela amostra, e é interceptado pela lente objetiva. O ajuste
da intensidade de luz executado pelo condensador e diafragma devem ser maximizados
para que a luz entre com o ângulo correto para cada conjunto de objetivas [180, 177].
Do outro lado da amostra, encontramos uma segunda categoria de lentes, as objetivas.
Diferente do condensador, cuja função é controle de iluminação, uma lente objetiva tem
a função de captar a luz que interage com a amostra, por reexão ou transmissão, e
produzir uma imagem real dessa amostra no ponto focal da objetiva.

Assim como em

todas as lentes, cada feixe de luz sofre deecçao do seu caminho de propagação uma vez
que atravessa a lente. Um feixe de luz branca, nesse processo, é decomposto em diferentes
componentes uma vez que cada comprimento de onda sofre refração com ângulo diferente,
com os feixes de menor comprimento de onda possuindo os maiores ângulos de refração

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[181]. Essa característica física de lentes introduz um problema na formação de imagens
chamado aberração cromática. Os feixes próximos da extremidade vermelha do espectro
visível são refratados com ângulos diferentes dos feixes na outra extremidade, o que produz
imagens com bordas coloridas, normalmente com contornos azuis e vermelhos, além da
perda de profundidade e contraste. Por esse motivo, cada objetiva em um microscópio é
formada por uma quantidade de lentes com formatos especícos e montadas de maneira
a minimizar ou excluir esse efeito [176, 182].
Outros efeitos como aberrações esféricas também são solucionados com a combinação
de diferentes tipos de lentes. Em microscópios modernos, é usual existir um quarto par de
lentes, que ca localizado entre a objetiva e a ocular. São as lentes do tubo, que trabalham
junto com a objetiva para formar a imagem da amostra no plano intermediário.

Nos

primeiros microscópios, a objetiva recebia a luz da amostra e convergia os feixes em pontos
no mesmo plano, formando uma imagem real. Objetivas modernas são construídas para
colimar os feixes que recebem da amostra [178]. Esses feixes paralelos são interceptados
pela lente do tubo e convergidos no plano da imagem. Essa conguração é chamada de
correção innita (uma vez que os feixes que saem da objetiva são colimados) e permite a
adição de ltros, polarizadores e outros artefatos ópticos no caminho entre a objetiva e a
lente do tubo. E, por m, a imagem formada no plano intermediário dentro do microscópio
é captada pelas lentes da ocular e projetada no plano nal da imagem, ou seja, na retina
do observador ou no detector da câmera acoplada no microscópio.
Essa conguração clássica de microscópio é o princípio da microscopia wideeld, ou
campo amplo.

Ela se caracteriza, fundamentalmente, pela sua área de iluminação na

amostra. A iluminação uniforme e simultânea sobre toda a amostra, apesar de ser útil
para imagens em tempo real, não produz alta resolução uma vez que ilumina planos de
imagem fora do plano focal das lentes. A microscopia de campo claro (a mais antiga e
tradicional) é o exemplo mais comum. Nesse tipo de microscopia, a amostra é iluminada
por luz branca ou luz LED, caso seja uorescente, e a luz que atravessa a amostra ou
é reetida acaba sendo completamente captada pelos detectores.

A imagem formada

mostra riqueza de detalhes do plano focal da lente objetiva, mas apresenta sombras ou
transparências associadas aos planos fora de foco.

A sobreposição desses elementos de

imagem diminuem a resolução da imagem nal [176]. A microscopia confocal, no entanto,
soluciona esse tipo de problema por usar uma iluminação pontual.

Discutiremos essa

categoria a seguir.

3.2.3 Microscopia Confocal
Com o intuito de superar os obstáculos de resolução da microscopia wideeld, Marvin Minsy desenvolveu em 1955, uma arranjo óptico para microscopia que substituía a
iluminação uniforme e simultânea de toda amostra por uma iluminação pontual que po-

Tese de Doutorado

deria ser varrida ao longo da amostra [183].

Para esse feito, ele utilizou uma lâmpada

de zircônio como fonte de iluminação, um pinhole e uma objetiva entre a lâmpada e a
amostra. Dessa maneira, a iluminação era reduzida a um ponto de luz pelo pinhole que
era, então, focalizado pela objetiva na amostra.

A luz que atravessava a amostra era

coletada por outra objetiva, atravessava um segundo pinhole e era detectada por uma
fotomultiplicadora. O principal feito desse arranjo é que a luz focalizada pelo pinhole e
pela objetiva iluminava apenas um ponto da amostra, evitando a exposição simultânea
de vários planos fora do plano focal e eliminando a luz espúria proveniente desses planos.
Uma característica fundamental e que deu nome ao tipo de microscopia é que os pontos
focais dos dois pinholes coincidem, ou seja, são confocais [183, 184]. A Fig.(3.7) é uma
ilustração do caminho que a luz faz desde a fonte até a fotomultiplicadora.
Na gura, a luz (verde) é gerada lateralmente ao corpo do microscópio, atravessa um
pinhole e é expandida por uma lente. Esse feixe atravessa um divisor de feixes, onde uma
porção da luz é reetida para a objetiva.

A objetiva focaliza o feixe em um ponto na

amostra e uma série de espelhos galvanômetros (não mostrados na ilustração) permitem
o deslocamento desse ponto de luz por toda a amostra nas direções x e y. A uorescência
produzida pela amostra (em laranja) é captada pela lente objetiva e transmitida pelo
mesmo divisor de feixes até um segundo pinhole. A objetiva e o divisor de feixes captam
fótons fora do ponto focal do feixe incidente, de modo que o segundo pinhole é fundamental
para deixar chegar até a fotomultiplicadora apenas os fótons do foco. Filtros podem ser
inseridos entre o divisor de feixes e o segundo pinhole para excluir certos comprimentos
de onda [176].
Microscópios confocais modernos utilizam a mesma óptica básica desenvolvida por
Minsky, mas as fontes e a forma de iluminação se adaptaram aos avanços tecnológicos. O
principal objetivo da microscopia confocal é produzir um ponto de luz, cujo diâmetro é
limitado apenas pelas imperfeições nas lentes e pela difração do feixe. Esse ponto é varrido
pela amostra e elimina a iluminação fora do plano focal, aumentando bastante a razão
sinal/ruído e melhorando a resolução da imagem formada. Para isso, atualmente utiliza-se
laser como fonte de luz, o que elimina a necessidade de ltros para separar os comprimentos
de onda, e espelhos galvanômetros que permitem a translação do ponto de luz sobre toda
a amostra. Essa técnica é chamada de Microscopia Confocal por Escaneamento a Laser,
ou LSCM (Laser Scanning Confocal Microscopy ): a varredura (em todas as coordenadas
x,y do plano focal) pode ser feita mantendo-se a amostra xa e percorrendo o feixe laser
por toda a área de interesse, ou deixando a parte óptica xa e movendo a plataforma que
contém a amostra.
Esse tipo pontual de microscopia permite a construção de imagens tridimensionais
(Z-stack ) uma vez que o foco pode ser movido ao longo de todo o eixo z da amostra e em
cada plano a varredura é realizada. A técnica LSCM normalmente se refere à varredura
com apenas um ponto de luz, mas múltiplos pontos podem ser usados. Isso é possível com

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Figura 3.7:

Esquema para Microscopia Confocal por Escaneamento a Laser

Fonte: Autor, 2024.

o auxílio de um disco de Nipkow, um disco perfurado contendo buracos de diâmetros xos
e dispostos de forma espiralada de dentro para fora. Com o arranjo correto do disco, dos
espelhos galvanômetros e do laser, cada buraco no disco funciona como uma fonte pontual
de luz.

Assim, o escaneamento é feito da mesma maneira, mas utilizando mais de um

ponto de luz simultaneamente, o que aumenta consideravelmente a resolução da imagem
[184]. Essas técnicas aqui discutidas foram utilizadas no presente manuscrito e, por isso,
foram tratadas com mais detalhes.

No entanto, a microscopia óptica é ampla e várias

modalidades são ferramentas de bioimageamento. O outro elemento fundamental para a
aquisição de imagens é o biomarcador, composto rico em uoróforos utilizado para marcar
regiões especícas da célula. Os pontos quânticos de carbono são promissores candidatos
à essa aplicação, como veremos a seguir.

3.3 PQCs como biomarcadores
Nos últimos anos, tem se estudado a possibilidade de uso de pontos quânticos de
carbono como biomarcadores.

Muitos estudos reportam a baixa toxicidade dessas na-

noestruturas que possuem excelentes propriedades ópticas com uorescência facilmente
sintonizável e grande fotoestabilidade [162]. Sua assinatura espectral de emissão é ampla
e, em muitas estruturas, dependente da excitação, o que permite o desenvolvimento de

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sensores multicores. Alguns PQCs produzidos apresentaram uorescência por conversão
ascendente [185, 186], uma característica importante para sistemas biológicos porque permite a excitação em regiões de baixa energia. Dessa maneira a penetração no sistema é
maior e não corre o risco de danos celulares. A uorescência por conversão ascendente
é um fenômeno anti-stokes onde um átomo absorve um fóton com dada energia e emite
outro fóton com energia maior [187].
A estrutura supercial dos PQCs também é um atrativo para sua aplicação em bioimagemaneto. A diversidade de grupos funcionais acoplados na superfície da nanopartícula
é fundamental tanto para garantir sua solubilidade em água, quanto para ter aderência
em interfaces biológicas. Dada a quase inesgotável fonte de precursores e as várias rotas
de síntese, em conjunto com as modicações superciais, os PQCs podem ser sintonizados para apresentar anidade com diferentes componentes celulares. Esse fato aliado ao
tamanho dos PQCs também favorecem a sua aplicação como sensor intracelular [188].
Ainda em termos de anidade, grupos funcionais ricos em oxigênio deixam a superfície
do PQC mais negativa, enquanto que os grupos nitrogenados formam uma carga líquida
positiva. A carga supercial dos PQCs é importante para determinar a anidade elétrica
com a parede/membrana celular de microrganismos, que é negativamente carregada (em
pH siológico) [189].
Figura 3.8: (a) Microscopia confocal por escaneamento a laser dos patógenos S. Typhimurium
(primeiro conjunto de imagens) e C. neoformans (segundo conjunto). (b) Microscopia de oito
patógenos obtida sob três comprimentos de onda (405nm, 488nm e 533 nm)

(a)

(b)

Fonte: Modicado de [190], 2025.
Das e colaboradores utilizaram pontos quânticos de carbono, sintetizados a partir de
grão de bico por pirólise, como biomarcadores da bactéria Gram- Escherichia coli e anali-

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saram as amostras via microscopia por uorescência [191]. Eles observaram um aumento
na uorescência captada na membrana celular quando o volume do PQC aumentou de 50
para 150 µL e o tempo de incubação aumentou de 30 para 60 minutos. Wang e colegas
[190] conseguiram identicar oito microrganismos patogênicos utilizando PQCs sintetizados a partir de ácido cítrico, monoetanolamina e dimetilsulfóxido (DMSO). As análises
foram feitas através de microscopia confocal por escaneamento a laser e as imagens são
mostradas na Fig.(3.8). Os autores reportam a diferença na uorescência da nanopartícula
entre os diferentes patógenos, dada as diferenças na permeabilidade da parede celular, pH
do citoplasma e concentração de íons no interior das células.
Bioimageamento é uma forma poderosa de conhecer o intricado funcionamento de
microrganismos e requer instrumentação e materiais igualmente robustos para uma alta
qualidade de imagem. Nesse contexto, os pontos quânticos de carbono se encaixam em
todos os pré-requisitos que um biomarcador deve atender. As características estruturais,
morfológicas e ópticas tornam essas nanopartículas versáteis ao ponto de serem usadas
tanto como agente antimicrobianos como biomarcadores atóxicos. As investigações conduzidas no presente trabalho foram fundamentadas nas características de PQCs discutidas
até aqui.

No próximo capítulo, um discussão teórica será desenvolvida a respeito das

técnicas aplicadas e no restante do manuscrito, os resultados serão apresentados.

Tese de Doutorado

4
Técnicas e procedimentos experimentais
Neste capítulo, serão abordados os conceitos físicos e instrumentação das técnicas
utilizadas nessa tese. Algumas dessas técnicas, como absorção e emissão, foram utilizadas
tanto na caracterização das nanopartículas, quanto na análise de aplicações.

4.1 Absorção e Emissão
Absorção
A fenomenologia dos processos de absorção e emissão de luz estão discutidas em detalhes na seção [A.3], então o objetivo desta seção será apenas a instrumentação para
medidas desses dois fenômenos. Rapidamente, absorção e emissão de luz estão associadas
a transições eletrônicas que acontecem simultaneamente entre estados de energia e níveis
vibracionais, resultantes da interação entre luz e matéria. A incidência de luz sobre um
objeto desencadeia uma série de fenômenos. Na absorção, a transferência de energia dos
fótons incidentes para os átomos ou moléculas do objeto induz a transição eletrônica entre
o estado fundamental e os estados excitados. O fenômeno de emissão segue o caminho
inverso, tomando parte nos processos de desativação eletrônica.

Os elétrons em esta-

dos excitados eliminam o excesso de energia de forma radiativa para retornar ao estado
fundamental [192].
Para o estudo do fenômeno de absorção, o aparato de medida é constituído essencialmente por quatro elementos, como pode ser visto na Fig.(4.1). A fonte de luz precisa ser
estável e emitir em um amplo espectro de comprimentos de onda, com uniformidade na
intensidade ao longo do espectro. Para espectroscopia no intervalo UV/Vis, comumente
se usa lâmpadas de deutério, na região ultravioleta, de 180 nm a 350 nm, enquanto que
a região do visível e nal do UV (de 330 nm a 900 nm) é alimentada por lâmpadas de
halogênio e lamentos de tungstênio [193]. A cubeta utilizada precisa ser transparente
para todos os comprimentos de onda adotados. Cubetas de vidro óptico e quartzo são geralmente utilizadas, sendo recomendado o uso de cubetas de quartzo para detecção dentro
da região ultravioleta. A razão para isso é que o vidro absorve em regiões de λ < 360
nm, o que abrange um grande intervalo de importância no ultravioleta próximo e médio,
enquanto o quartzo só absorve comprimentos de onda menores que 185 nm [194].

Figura 4.1:

Esquema para o arranjo experimental de medidas de absorção.
Cubeta
Detector

Fonte de luz

Monocromador
Gráﬁco

Fonte: Autor, 2025.

O elemento de dispersão, também chamado de monocromador, tem a função de decompor a luz branca que atravessa a amostra nos seus comprimentos de onda correspondentes.
Esses elementos podem ser prismas, grades de difração ou interferômetros. Grades de difração são um conjunto de sulcos paralelos gravados em uma placa metálica ou de vidro
com espaçamento entre eles de poucos micrômetros. A luz incidente difrata nas grades ou
no prisma e cada componente viaja com um ângulo diferente. A difração da luz em todos
os comprimentos de onda do intervalo adotado é possível girando levemente o monocromador de modo que a luz incidente atinja os elementos de difração em ângulos diferentes
[193]. A radiação que chega até o monocromador não possui os λ absorvidos pela amostra, de maneira que a decomposição dessa radiação em comprimentos de onda permite
identicar quais estão faltando.
A radiação difratada pelo monocromador é captada pelo detector que, normalmente
é um fotomultiplicador.

Nesses equipamentos, o sinal é amplicado a partir do efeito

fotoelétrico (ver seção 4.4) quando os fótons que passaram pelo monocromador atingem
uma placa metálica, ejetando elétrons.

Um campo elétrico acelera esses elétrons que

atingem uma segunda superfície metálica, ejetando mais elétrons e repetindo o processo
até atingir a última superfície.

O sinal amplicado é interpretado por um software e

exibido como um gráco, onde o eixo x se refere aos comprimentos de onda ou frequência,
e o eixo y corresponde à intensidade de cada λ.

Emissão
Os instrumentos usados para medir o sinal de emissão de uma amostra são uorímetros
e espectrouorômetros. Em qualquer um dos instrumentos, a leitura da emissão é feita
seguindo um caminho geral que é apresentado na Fig.(4.2).

O objetivo da medida é

produzir um espectro de intensidades de emissão que variam em um intervalo amplo de
energia, para um comprimento de onda de excitação (λexc ) xo. Dessa maneira, a fonte de
excitação precisa ser monocromática. A fonte de luz, no entanto, pode cobrir um grande
intervalo de comprimentos de onda, o que permite construir espectros de emissão variando
com a excitação. Para cada λexc , um gráco de emissão é gerado. Essa distribuição de

Tese de Doutorado

λexc pode ser obtida usando-se uma lâmpada acoplada a um monocromador como fonte
de luz, ou um laser em conjunto com ltros de cor ou ltros passa-faixa. Arranjos mais
simples contam com apenas uma fonte de luz monocromática, como lasers [195, 196].
Figura 4.2:

Esquema para o arranjo experimental de medidas de emissão.
Cubeta

Gráﬁco

Fonte de luz

Espectroﬂuorômetro

Fonte: Autor, 2025.

Ensaios espectroscópicos de absorção e emissão são complementares entre si e são
ferramentas poderosas para determinar a estrutura eletrônica de compostos. No entanto,
são técnicas com aplicações distintas.

Uma medida de absorção consiste na leitura da

luz que atravessou a amostra e sofreu modicações.

Nesse cenário, essa técnica é útil

para medir a concentração de compostos dispersos em solução, tendo em vista que a
luz coletada interagiu diretamente com os centros absorvedores da amostra.

Em uma

medida de emissão, por outro lado, a assinatura espectral pode não ter uma ligação
direta com a concentração de uoróforos, mas é sensível a variações no ambiente. A luz
de emissão coletada é diferente da luz de excitação e depende apenas dos intervalos de
energia das moléculas presentes na amostra, e não, em primeira instância, da quantidade
dessas moléculas. Assim, esse tipo de medida pode ser útil na caracterização de sondas
[195].

4.2 Tempo de vida e ecência quântica
Seguindo a absorção de energia por átomos e moléculas, vários processos de desativação
levam os elétrons para o menor estado excitado, onde ele permanece ocupado por um curto
período de tempo antes dos elétrons decaírem para o estado fundamental. O tempo médio
de população do estado excitado é o tempo de vida τ de uorescência do uoróforo. O
tempo de vida é um parâmetro importante porque ele informa o tempo médio no qual
o uoróforo no estado excitado para interagir com o ambiente.

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Uma molécula pode

comportar mais de um uoróforo, de modo que o tempo de vida de uorescência da
molécula leva em conta a contribuição dos tempos de vida de cada uoróforo. E mesmo
em cada uoróforo, nem todos os elétrons decaem exatamente em t = τ , levando em conta
que o processo de uorescência é aleatório [196]. A expressão matemática para o tempo
de vida é

τ=

1
1
=
k
kr + kcis + kα

(4.1)

Na eq.(4.1), vericamos que o tempo de vida de uorescência depende do inverso das
taxas relacionadas aos processos competitivos de desativação do estado excitado.
a taxa de desativação por uorescência,

kr é

kcis é a taxa de transição do estado singleto

para o tripleto, enquanto que kα diz respeito aos processos externos de desativação como
interação da molécula com moléculas vizinhas e dissipação da energia por vibração e calor
[197, 192]. O tempo de vida radiativo ou intrínseco, τr =

1
, é o verdadeiro tempo médio
kr

de uorescência, mas os processos competitivos de desativação são simultâneos, então é
impossível medir separadamente o valor de τr . No entanto, é possível calculá-lo usando
os valores medidos de τ e do rendimento quântico de uorescência, que é dado por.

kr
kr
=
k
kr + kcis + kα

(4.2)

O rendimento quântico mede a porcentagem de elétrons excitados que decaem por
uorescência, ou, sob outra perspectivas, a razão entre a quantidade de elétrons emitidos
e absorvidos (eemi /eabs ). Assim,

τr =

τ
Q
1

kr + kcis + kα
1
=
kr

)∗(

kr + kcis + kα
)
kr

(4.3)

Podemos entender melhor o tempo de vida analisando a variação na população do
estado excitado com o tempo. Seja N0 o número de elétrons ocupando o estado excitado
e N (t), a quantidade variando com o tempo durante a depopulação, então a taxa de
diminuição dessa população é

−

dN (t)
= k ∗ N (t)
dt

(4.4)

Reorganizando essa equação, obtemos

dN (t)
= −k ∗ dt
N (t)
Tese de Doutorado

(4.5)

Integrando os dois lados da eq.(4.5), obtemos

N (t)
N0

= −k ∗ t

N (t) = N0 ∗ e−k∗t

(4.6)

N (t) = N0 ∗ e−t/τ
onde utilizamos a eq.(4.1).

A eq.(4.6) nos fornece duas informações importantes.

primeira é que a uorescência é um processo de decaimento exponencial [192]. A segunda
é que, quando t = τ , então N(τ ) =N0 e, ou seja, o tempo de vida de uorescência é o
tempo médio que leva para a população do estado excitado diminuir para 1/e do seu valor
inicial. Em geral, τ pode ser uma função de uma ou múltiplas exponenciais, dependendo
de quantos uoróforos contribuem para a desativação da molécula. Para tempos de vida
de uma exponencial, cerca de 63% das moléculas em um composto decaem com t < τ ,
enquanto as outras 37% decaem com tempos superiores ao tempo de vida [196].
As técnicas para medir o tempo de vida de um composto são divididas em duas categorias: domínio temporal e domínio de frequência. A técnica de Contagem de Fótons
Individuais Correlacionada com o Tempo (do inglês Time Correlated Single Photon Coun-

ting - TCSPC ) é uma medida no domínio temporal que consiste em incidir um pulso de
luz na amostra e detectar os fótons emitidos como resposta. O pulso precisa ser muito
curto, mais curto que τ , de preferência, e todo o aparato é ajustado para que seja detectado um fóton por vez [197]. Assim, o tempo começa a ser medido quando o primeiro
fóton atinge o detector e, durante o experimento, o decaimento da intensidade é medido
a partir do acúmulo de contagens individuais de cada fóton. Esse tipo de medida permite
uma visualização direta do decaimento de uorescência com o tempo. Um perl do sinal
obtido com uma medida de TCSPC é mostrado no esquema da Fig.(4.3-a)
Nas técnicas no domínio da frequência, o parâmetro medido é o deslocamento de fase
da emissão. Nesse caso, a amostra é irradiada com luz de intensidade modulada por uma
função sinusoidal.

Isso quer dizer que a intensidade da luz varia com uma frequência

xa em torno de 100 MHz [196]. A emissão da amostra tende a seguir essa frequência,
populando e despopulando os estados excitados de acordo com a variação na intensidade
da luz incidente. Entretanto a modulação da fonte é feita para que a frequência seja muito
maior que a frequência de emissão, já que o tempo de ativação e desativação dos estados
excitados depende do tempo de vida.

Esse atraso na emissão com relação à excitação

provoca um deslocamento de fase na intensidade de emissão. Esse deslocamento de fase é
usado para calcular o tempo de vida [197]. A Fig.(4.3-b) mostra o deslocamento de fase
entre as intensidades de excitação e emissão.

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(a) Ilustração esquemática do sinal obtido a partir de técnica de Contagem de
Fótons Individuais Correlacionada com o Tempo. (b) Diferença de fase entre as intensidades dos
feixes de excitação e emissão como resultado da modulação da fonte de luz.

Figura 4.3:

(a)

(b)

Fonte: Modicado de [197], 2025.

4.3 Espectroscopia no Infravermelho por Transformada
de Fourier (FTIR)
Figura 4.4: Feixe no infravermelho atravessando um interferômetro de Michelson-Morley em
um experimento típico de FTIR.

Fonte: Modicado de [198], 2025.
Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR) é um técnica
interferométrica bastante utilizada para identicar grupos funcionais e moléculas em sistemas complexos sólidos, líquidos e gasosos. Um interferômetro de Michelson-Morley é
utilizado para dividir um feixe no infravermelho em dois feixes com intensidades semelhantes (50/50), como pode ser vericado na Fig.(4.4). Um desses feixes é direcionado a

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um espelho xo, enquanto o outro incide em um espelho móvel que oscila com frequência
denida. Os dois feixes são recombinados e direcionados à amostra, que interage com a
radiação absorvendo frequências determinadas, ressonantes com as ligação vibracionais
das suas moléculas. O feixe atravessa a amostra e é capturado por um fotodetector, onde
é produzido um interferograma do feixe nal. O padrão sinusoidal produzido pela combinação dos dois feixes no interferômetro carrega informações sobre todas as frequências
contidas no feixe incidente inicial e como foram modicados pela amostra. Esse processo
de interferometria permite uma análise simultânea dessas frequências e a modulação do
espelho oscilatório faz com que o padrão observado varie com o tempo [198].

Espectro de FTIR de pontos quânticos de carbono derivados de Cloreto de Dansila.
Observe que o eixo y mede a porcentagem de transmitância do feixe para cada número de onda.
As bandas negativas, diminuição dessa porcentagem, são as faixas absorvidas pelos átomos do
material.
Figura 4.5:

Fonte: Modicado de [12], 2025.

Um interferograma é uma escrita dos padrões de interferência dos dois feixes que saem
do interferômetro, ou seja, é uma função da diferença de caminho óptico entre eles variando
com o tempo [193]. Como a amostra é colocada na saída do interferômetro, o padrão de
difração é modicado de forma única para cada amostra.

Assim, um interferograma

carrega informações sobre as frequências absorvidas e transmitidas pela amostra, bem
como suas amplitudes. A transformada de Fourier, que pode ser escrita como na eq.(4.7), é
usada para converter as informações de caminho óptico versus intensidade em intensidade
de transmissão versus número de onda (dado em cm

Z ∞
F (ν) =

−1

I(x)e−i2πνx dx

(4.7)

−∞
onde ν é o número de onda, x é a diferença de caminho óptico entre os feixes e I(x) é
a intensidade da luz em cada x. O intervalo infravermelho do espectro abrange impor-

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tantes energias de vibração de ligações atômicas, o que torna esse tipo de espectroscopia
fundamental para determinar a composição química de compostos [193]. Como os átomos
da amostra absorvem energias especícas do feixe incidente, um gráco típico de FTIR
(Fig.(4.5)) é formado por bandas negativas (apontando para baixo) correspondentes aos
comprimentos de onda absorvidos.

4.4 Espectroscopia de fotoelétrons excitados por raiosX (XPS)
Utilizando raios-X como radiação incidente, a técnica de XPS é baseada no efeito
fotoelétrico descrito por Albert Einstein e que lhe rendeu um prêmio Nobel em 1922.
O efeito fotoelétrico consiste em remover um elétron de um material utilizando fótons
de alta energia. Em um material, os elétrons estão presos aos seus átomos e moléculas
pelas forças coulombianas e podem estar em níveis mais internos de energia, como os
elétrons nucleares, ou mais externos, como os de valência.

Para cada elétron, existe

uma certa quantidade de energia, chamada de função trabalho (Φ), que corresponde a
energia necessária para que o elétron abandone seu átomo de origem e seja ejetado do
material. Quando a superfície desse material é irradiada por radiação eletromagnética em
frequência especíca, se a energia hν associada a essa frequência for maior que Φ, então
um elétron é ejetado.

Um ponto importante na teoria do efeito fotoelétrico é que esse

efeito é independente da intensidade da radiação incidente [199].
Esse fato não pode ser explicado classicamente, mas somente sob a formalização da luz
como pacotes de energia, fótons, ou do ponto de vista quântico. Cada fóton possui uma
quantidade especíca de energia e, portante, está associado e uma frequência especíca
de radiação. Quando incidimos um material com radiação monocromática, por exemplo,
uma quantidade n de fótons atinge a superfície, mas todos possuem a mesma energia. Se

hν < Φ, então não importa o quanto aumentamos a intensidade da radiação (ou o número
de fótons), não existe energia suciente para retirar elétrons do material. A frequência
de corte, f0 , representa o limite de observação do efeito fotoelétrico. Se a luz incidente
possuir frequência menor que f0 , o efeito fotoelétrico não é observado [199].
A espectroscopia XPS permite a análise não só dos elétrons de valência, mas também
dos elétrons nucleares já que os raios-X constituem radiação de alta energia, com compri-

−9
−12
mentos de onda variando entre 10
nm a 10
nm. Comumente, se utiliza radiação de
raios-X produzidas por átomos de alumínio (1486,6 eV) e magnésio (1253,6 eV) correspondentes a transições eletrônicas entre os níveis 2s ou 2p e 1s desses átomos. Essas energias
são sucientes para ionizar (retirar) elétrons nucleares dos seus estados de energia.

conservação de energia é descrita matematicamente pela eq.(4.8) e pode ser usada para
calcular a energia de ligação de cada elétron ejetado [200, 201].

Tese de Doutorado

hν = Ek + Eb + Φ

(4.8)

onde hν é a energia do fóton incidente, Ek é a energia cinética do elétron depois de ser
ejetado do material, Eb é a energia de ligação do elétron no seu orbital de origem e Φ
é a função trabalho.

Dessa maneira, uma medida de XPS promove a retirada de um

elétron do seu átomo a partir da excitação do material por raio-X de alta energia.

elétrons ejetados são coletados e suas respectivas energias cinéticas são medidas. Cada
elemento possui energias de ligação especícas, de modo que, com o auxílio da eq.(4.8),
e conhecendo Ek e Φ, é possível calcular as energias de ligação do composto analisado e
determinar sua composição química [202, 203]. Uma ilustração do aparato é mostrada na
Fig.(4.6).
Figura 4.6:

Ilustração de um aparato para medidas de XPS.

Fonte: Retirado de [204], 2025.

4.5 Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET)
Essa categoria de microscopia foi proposta e executada na primeira metade do século
passado depois do trabalho teórico (1925) de Louis de Broglie, que estabelecia que a
matéria possuía comportamento simultâneo de onda e de partícula. Em 1927 Davisson e
Germer, e Thompson e Reid, independentemente, comprovaram esse comportamento em
experimentos de fenda dupla usando elétrons. A ideia de um microscópio que utiliza feixe
de elétrons no lugar de feixe de luz foi proposta menos de uma década depois e a principal
motivação era a resolução limitada que os microscópios ópticos convencionais possuíam
na época. A resolução de qualquer microscópio está limitada sicamente ao comprimento
de onda do seu feixe incidente.

Assim, para microscópios ópticos que usam luz visível

(400 − 700 nm), a resolução média da imagem é de aproximadamente 200 − 350 nm, o
que, apesar de muito pequeno, corresponde ao diâmetro de várias centenas de átomos.
Como elétrons são menores que átomos, a resolução típica de um microscópio eletrônico

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está entre 0,25 e 0.30 nm, com microscópios de alta resolução chegando a menos de 0,10
nm [205].
A teoria de de Broglie e a determinação do comprimento de onda de matéria do elétron
propiciaram o desenvolvimento da Microscopia Eletrônica de Transmissão, que consiste
na transmissão de um feixe focalizado de elétrons através de uma amostra ultra na
(cerca de 100 nm) e a formação da imagem em um anteparo apropriado.

Atualmente,

a técnica tem um amplo regime de detecção, que vai desde a escala atômica até objetos
micrométricos [205]. De um modo geral, um microscópio eletrônico funciona similar a um
microscópio óptico. Um feixe de elétrons é gerado por uma arma de elétrons e focalizado
por lentes magnéticas (condensador) sobre a amostra, passa por outro conjunto de lentes
magnéticas (objetivas) e é projetado em um anteparo.

Um esquema mais detalhado é

exibido na Fig.(4.7). A arma de elétrons é um aparato que contém um lamento metálico
extremamente no que pode ser aquecido ou submetido a um campo elétrico e é apontado
para a amostra [177].

Ilustração de um microscópio eletrônico mostrando as componentes desde a formação do feixe até a detecção do sinal pela tela uorescente.
Figura 4.7:

Fonte: Retirado de [206], 2025.

No zero absoluto ou em equilíbrio térmico, os elétrons no metal ocupam os estados de
menor energia. Quando excitados, seja termicamente ou por campo externo, esses elétrons
passam a ocupar estados maiores de energia até atingirem o limite da função trabalho, Φ,
a partir do qual eles possuem energia suciente para serem ejetados do metal. Um uxo
constante e uniforme de ejeção de elétrons forma um feixe de elétrons. O objetivo de uma
arma de elétrons é oferecer energia suciente ao lamento para que o feixe seja estável,
com uma alta densidade eletrônica e uniformidade na distribuição de energia cinética.
Além disso, o arranjo precisa ser disposto de maneira que o feixe eletrônico não tenha
deecção apreciável do eixo óptico, ou eixo z, perpendicular à superfície da ponta do
lamento [207].

Tese de Doutorado

As lentes em um microscópio eletrônico, assim como em um microscópio óptico, têm a
função de focalizar o feixe de entrada, mas não são objetos feitos de vidro. Uma corrente
elétrica circular passando por uma bobina gera um campo magnético que é axial ao
centro da bobina. O feixe eletrônico ejetado da arma de elétrons deve passar exatamente
pelo centro dessa bobina, sendo direcionado pela campo magnético.

Esse princípio é o

mesmo tanto para a lente do condensador, que focaliza o feixe na amostra, como da
objetiva, que coleta o feixe transmitido pela amostra e focaliza no detector.

As lentes

são acompanhadas por aberturas ou diafragmas para eliminar os elétrons fora do eixo de
propagação, melhorando a resolução da imagem formada. Isso diminui a quantidade de
elétrons que interagem com a amostra, motivo pelo qual a densidade eletrônica gerada
na arma de elétrons precisa ser alta. Outros conjuntos de lentes intermediárias podem
ser introduzidas entre a objetiva e o anteparo para um melhor controle do foco do feixe
[207, 205].
Quando os elétrons atravessam a amostra, são submetidos aos campos e interações
coulombianas dos núcleos atômicos e das correspondentes nuvens eletrônicas. Fenômenos
como espalhamento elástico e inelástico que surgem dessas interações são responsáveis pelo
contraste observado nas imagens de TEM. Uma parte dos elétrons pode ser transmitida
sem sofrer qualquer alteração, e isso pode indicar regiões mais nas da amostra. Além
disso, elétrons sofrem difração em amostras cristalinas, o que resulta em contraste suciente para a visualização da rede cristalina do material. O feixe nal atinge um anteparo
revestido com sulfeto de zinco (ZnS), que uoresce em torno de 450 nm quando incidido
pelo feixe. Isso é fundamental para a formação da imagem, uma vez que não conseguimos
enxergar um feixe de elétrons [205]. A microscopia eletrônica é uma ferramenta poderosa
para o entendimento de estruturas nanométricas e sub-nanométricas, e é fundamental na
análise morfológica de pontos quânticos de carbono.

4.6 Teste de Susceptibilidade de Kirby-Bauer (Difusão
por disco)
Esse teste semi-quantitativo avalia a susceptibilidade de organismos patogênicos a
agentes antimicrobianos. Inicialmente, o patógeno (crescido em meio de cultura líquido
ou resuspenso em solução) é inoculado em uma placa de ágar Mueller-Hinton (MH).
Imediatamente após o inóculo, um disco de papel de 0,5-0,6 cm de diâmetro, que foi
previamente embebido no agente antimicrobiano, é colocado sobre a superfície do ágar.
Atualmente já são vendido discos contendo antibióticos e outros fármacos com concentrações especícas para avaliação em clínicas e hospitais. Os discos também podem ser
produzidos em laboratório como parte da execução do teste [208].
Ao entrar em contato com o ágar, o disco absorve umidade do meio e as moléculas do

Instituto de Física - UFAL

agente antimicrobiano começam a se difundir pelo ágar. A taxa de difusão depende de
alguns fatores como o peso molecular das moléculas do antimicrobiano e a sua solubilidade
no meio.

Moléculas maiores tendem a se difundir mais lentamente.

O meio também

inuencia, já que a difusão acontece de forma radial a partir do disco, tanto na superfície
do ágar, quanto no interior. Assim, meios mais nos produzem zonas de inibição maiores,
fazendo com que o agente se difunda mais na superfície do que no interior do ágar. Além
disso, a concentração de antimicrobiano no meio imediatamente ao redor do disco é maior
do que em regiões mais distantes porque a taxa de difusão através do ágar é mais rápida
que a liberação de moléculas do antimicrobiano pelo disco [209, 208].
O crescimento do patógeno acontece simultaneamente com a difusão do antimicrobiano
pelo disco, de modo que o efeito inibidor do material é observado como um círculo ou halo
ao redor do disco onde não acontece crescimento do microrganismo. Depois de algumas
horas de observação, o patógeno atinge sua massa crítica de crescimento e a quantidade
de células supera a quantidade de moléculas do agente antimicrobiano até certa distância
do disco. Nesse ponto, o halo de inibição é um círculo bem denido que pode ser grande,
caso o antimicrobiano tenha grande poder inibitório, pequeno ou não existir, indicando
alta resistência patogênica [208]. Uma ilustração do teste é mostrada na Fig.(4.8).
Figura 4.8:

Ilustração para o teste de difusão por disco de Kirby-Bauer.

...

Fonte: Autor, 2025.

Tese de Doutorado

5
Estudo das propriedades uorescentes
de pontos quânticos de carbono
derivados do ácido
5-amino-2-naftalenosulfônico e seu uso
como sensor físico-químico
Neste capítulo serão discutidos a caracterização e estudo das propriedades ópticas de
pontos quânticos de carbono sintetizados por método hidrotérmico, usando o composto
ácido 5-amino-2-naftalenossulfônico (5ANS2) como precursor. Sua viabilidade como sensor físico-químico foi investigada a partir da resposta uorescente à mudanças no meio,
como variações térmicas e de pH, além da sensibilidade a poluentes orgânicos, como o
inseticida carbamato Metomil, o solvente metanol e a presença de íons metálicos na solução aquosa. A nanopartícula, identicada como CD-ANS, demonstrou alta variabilidade
no comportamento espectral de emissão para cada parâmetro testado, apontando seu uso
como multisensor.

O ácido 5-amino-2-naftalenossulfônico é um composto orgânico pertencente à família
dos ácidos naftalenosulfônicos, cuja principal aplicação na indústria é como intermediário
na produção de corantes azo.

Possui uma estrutura nitrogenada e sulfonada onde o

anel de naftaleno é substituído pelo grupo sulfonato −SO3 H na posição 2 e pelo grupo
amino −N H2 na posição 5. Sua fórmula molecular é C10 H9 N O3 S , o que lhe confere alta
solubilidade em água, uma vez que o grupo sulfonato atribui caráter polar à molécula. A
presença de nitrogênio (N) e enxofre (S) faz do 5ANS2 um excelente candidato à precursor
de pontos quânticos de carbono, tendo em vista que muitas das excelentes propriedades
fotoluminescentes desse tipo de nanopartícula são atribuídas à incorporação desses átomos
na sua matriz supercial.

No presente estudo, as técnicas de caracterização adotadas

atestam a presença de nitrogênio e enxofre na estrutura das nanopartículas sintetizadas
e a assinatura óptica resultante é amplamente investigada.

5.1 Metodologia
5.1.1 Síntese e Materiais
O ácido 5-amino-2-nafnatalenosulfônico (5ANS2), composto base para a fabricação
de diversos tipos de corante, foi usado como precursor do ponto quântico de carbono
CD-ANS. O 5ANS2 foi obtido da Sigma-Aldrich e usado como fornecido. O CD-ANS foi
sintetizado por método hidrotérmico, ilustrado na Fig.(5.1-a), e o procedimento segue: 30
mg de 5ANS2 foram adicionadas a 10 mL de água destilada. A mistura foi, então, acondicionada em recipiente de teon, que foi selado em autoclave de aço inoxidável. O sistema
foi mantido em forno a 200

◦

C por 6 horas. A solução resultante foi centrifugada a 15000

rpm durante 10 minutos e, em seguida, ltrada através de membrana com porosidade de
0.22 µm. Como resultado, foi obtida uma solução marrom-escura. Vericou-se a fotoluminescência do material sob excitação em 405 nm (Fig.(5.1-b)) e 532 nm (Fig.(5.1-c)).
Outros tempos de síntese foram testados e o tempo de 6 horas foi selecionado, depois de
análise das características espectrais, como o tempo ótimo.

(a) Esquema ilustrativo mostrando o método hidrotérmico para a síntese do CD5ANS2. Fotoluminescência com excitação em (b) 405 nm e (c) 532 nm.
Figura 5.1:

(b)

(a)

(c)

Fonte: Autor, 2023.

Para mensurar a massa do CD-ANS, foi adotado processo de liolização. O volume
resultante da síntese (10 mL) foi reduzido para 5,5 mL através de evaporação da água. Um
tubo vazio, previamente pesado, foi preenchido com o CD-ANS (5.5 mL) e estocado em
nitrogênio líquido (-195.8

◦

C). A liolização promove a sublimação da água no material

congelado, de maneira que, depois do processo, obtivemos apenas a massa do CD-ANS
dentro do tubo.

Comparando a pesagem dos tubos sem e com a massa liolizada, a

concentração foi estimada em 3.3 mg/mL para a solução aquosa de CD-ANS.

Tese de Doutorado

5.1.2 Métodos de Caracterização
As características estruturais do CD-ANS foram caracterizadas através das técnicas
MET (Microscopia Eletrônica por Transmissão ), XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy ),
AR-XPS (High-Resolution X-ray Photoelectron Spectroscopy ) e ATR-FTIR (Attenuated

Total Reectance-Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Para determinar a morfologia
e o tamanho das nanopartículas, foi utilizado um microscópio eletrônico de transmissão
JEM-2100 (JEOL, Tóquio, Japão) operando a 200 kV. As amostras sintetizadas foram
diluídas em água (200 vezes) e colocadas em banho ultrassônico por 15 min. A solução
resultante foi depositada em grades de Cu revestidas com carbono de malha 400 (Ted
Pella Inc., Redding, CA), que foram posteriormente secas ao ar antes das medições.
A análise química da superfície da nanopartícula foi realizada por espectroscopia de
fotoelétrons de raios-X (XPS) e XPS de alta resolução (AR-XPS), utilizando um espectrômetro convencional (ScientaOmicron ESCA+) com analisador hemisférico de alto
desempenho (EAC2000) e radiação monocromática Al Kα (hν = 1486,6 eV) como fonte
de excitação.

Durante a análise, a pressão operacional na câmara de ultra-alto vácuo

(UHV, do inglês Ultra-High Vacuum ) foi em torno de 10

−9

Pa. Os espectros de AR-XPS

foram registrados a uma energia de passagem constante de 20 eV com 0,05 eV por passo.
Um neutralizador de carga (CN10) foi usado para excluir os efeitos de carga supercial.
Os espectros obtidos foram corrigidos, assumindo 284,8 eV para carbono provenientes de
outras fontes. A análise dos espectros XPS foi realizada utilizando o software CASA XPS.
A espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier de reetância total
atenuada (ATR-FTIR) foi utilizada para determinar os grupos funcionais presentes no
CD-ANS. 2 mL de solução do material foram aquecidos sob vácuo até a água evaporar e
as nanopartículas foram ressuspensas em 200 µL de acetona. A solução foi então colocada
no cristal ATR (ZnSe) e as medições foram realizadas após a evaporação do solvente. O
espectro foi registrado usando um espectrômetro Shimadzu IR Prestige-21 operando entre
4000 e 400 cm

−1

, com resolução espectral de 4 cm

−1

e 70 varreduras.

5.1.3 Espectroscopia UV-Vis
Usando um espectrômetro USB2000 (Ocean Optics) e uma fonte de luz DH2000 (Ocean
Optics), os espectros de absorção UV-Vis do CD-ANS foram obtidos em diferentes condições ambientais, incluindo variações de pH, presença de contaminantes na água e temperatura da amostra. Em todas as medições, a solução original de CD-ANS foi diluída
em água (50 vezes), e os espectros de absorção foram registrados na faixa de 200 a 800
nm. Quanto à fotoluminescência do CD-ANS, os espectros de emissão das nanopartículas
foram registrados em um espectrouorímetro NanoLog TM (HORIBA), equipado com
uma lâmpada de xenônio (450 W contínuos) como fonte de excitação. O sistema NanoLog também possui um detector fotomultiplicador (modelo R928P) e utiliza uma grade

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de difração Horiba com 600 linhas/mm e comprimento de onda de otimização (blaze) em
1000 nm.
Os decaimentos de uorescência resolvidos no tempo foram analisados com o mesmo
espectrouorímetro, usando um laser de diodo pulsado em picossegundos (Delta Diodes)
com comprimento de onda de excitação em 366 nm.

O detector fotomultiplicador foi

congurado no modo TC-SPC (Contagem de Fótons Correlacionada ao Tempo). Todas
as medições de tempo de vida foram realizadas à temperatura ambiente, utilizando os
mesmos parâmetros instrumentais. Os espectros foram corrigidos utilizando a intensidade
da lâmpada em um fotodiodo como sinal de referência.

5.1.4 Resposta térmica
O comportamento térmico da fotoluminescência do CD-ANS foi analisado com o auxílio de um espectrômetro UV-VIS (USB2000, Ocean Optics).

A solução diluída (50

vezes) foi excitada usando um laser de diodo CW (FB03 - DZT Store) em 405 nm e a
temperatura do sistema foi variada de 25

◦

C até 60

◦

C em intervalos de 5

◦

C. Em cada

temperatura alvo, foi adotado um tempo de 5 minutos para garantir a termalização do
sistema antes da coleta do espectro de emissão correspondente.

5.1.5 Sensibilidade à variação de pH e adição de agentes químicos
Visando a aplicação como sensor químico, analisamos os efeitos do pH, metanol e
metomil na fotoluminescência do CD-ANS, bem como adição de diferentes íons. As condições de pH foram investigadas utilizando soluções de Britton-Robinson (B-R). B-R é
uma solução tampão universal de pH preparada com a mistura de 0,4 M de ácido acético,
0,4 M de ácido fosfórico e 0,4 M de ácido bórico; MET ampla faixa de pH, de 2 a 12 (Ver
metodologia de [210, 211]). Resumidamente, um medidor de pH foi usado para ajustar o
valor do pH das soluções de Britton-Robinson, empregando ácido clorídrico (HCl - 0,1 M)
ou hidróxido de sódio (NaOH - 0,1 M). Para a detecção do pesticida carbamato, foi preparada uma solução estoque de (E,Z)-metil N-[(metilamino)carbonil]oxietanimidotiolato
(metomil) em água destilada, com concentração de 2,6 µM . Em todas as análises de quimiossensoriamento, 100 µL da solução de CD-ANS previamente obtida foram dispersos
nas amostras analisadas, mantendo uma razão volumétrica de 1:9 (CD-ANS:amostra). A
sensibilidade a íons metálicos foi analisada com a adição de vários cloretos à solução de
CD-ANS na concentração de 1 mM para cada cloreto. Usando o cloro (Cl) como elemento
base, os íons utilizados foram Hg

2+
2+
2+
2+
+
+
2+
2+
2+
, Sn , Cd , Sr , Ba , K , Na , Ni , Cu , Mn

2+
e Fe . Além disso, os espectros de absorção foram registrados utilizando um espectrômetro USB2000 (Ocean Optics), enquanto os espectros de uorescência foram medidos
com o espectrouorímetro NanoLog TM (Horiba).

Tese de Doutorado

5.2 Resultados e discussões
5.2.1 Caracterização: morfologia e composição química do CDANS
A investigação da composição química supercial do CD-ANS foi realizada via espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). A Fig.(5.2) exibe o espectro XPS do CD-ANS,
revelando a presença de carbono (C 1s, 284,8 eV) na superfície, como esperado, além de
três heteroátomos em proporções diferentes. O espectro indica a forte presença de oxigênio (O 1s, 531,8 eV) e, em menores quantidades, nitrogênio (N 1s, 399,3 eV) e enxofre
(S 2p, 168,0 eV). Com o intuito de identicar os principais grupos químicos responsáveis
pelos sinais dos quatro átomos identicados pelo XPS, foram realizadas medidas de XPS
de alta resolução (AR-XPS) para cada elemento. A deconvolução do espectro de AR-XPS
do C1s revela a contribuição de cinco grupos funcionais, com energias de ligação diferentes, como exibido na Fig.(5.3-a), a saber: C−C/C−H (284.7 eV, 69.1%), C−N (285.9
eV, 20.1%), C=O (287.1 eV, 5.0%), COOH (288.8 eV, 4.1%) e ligações π − π (290.1 eV,
1.6%). Para o O 1s, o espectro de AR−XPS mostrado na Fig.(5.3-b) resulta da combinação de três grupos oxigenados, C=O (531.6 eV), C−O−C (532.9 eV) e C−OH (534.2
eV). A curva do N 1s, Fig.(5.3-c), é a combinação de duas contribuições: grupos amida
[N−(C=O)]/grupos amina [C−NR2], (399.6 eV, 22%), onde R são átomos de carbono ou
hidrogênio, e C-NH3 (401.9 eV, 78%), correspondendo, respectivamente, aos nitrogênios
pirrólico e grafítico.

Por último, a análise do espectro de S2p (Fig.(5.3-d)), mostra a

combinação de duas bandas centralizadas em 2p3/2 (168.0 eV) e 2p1/2 (169.2 eV).
Figura 5.2:

Espectro de XPS do CD-ANS.

Contagem

C1s
O1s

N1s
S2s
800

700

600

500

400

300

S2p

200

100

Energia de ligação (eV)
Fonte: Autor, 2023.
A distribuição, tamanho e formato do CD-ANS foram analisados através de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e os resultados estão exibidos na Fig.(5.4). As ima-

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Figura 5.3:

Espectros de XPS de alta resolução de (a) C1s, (b) O1s, (c) N1s e (d) S2p.

_
_
=

=
_ _

(a)

(b)

(c)

(d)

Fonte: Autor, 2023.

gens representativas revelam o formato esférico da nanopartícula e a Fig.(5.4-a) mostra
que elas são homogêneas e bem dispersas, sem formação de aglomerados. Na Fig.(5.4-b),
é exibida uma imagem de MET de alta resolução, onde vericamos a estrutura cristalina
interna bem denida do CD-ANS com espaço médio entre as franjas igual a 0,21 nm, o
que é consistente com a estrutura do grafeno. Com essa análise, conrmamos o processo
de gratização e a formação de domínios sp

provenientes da hibridização do carbono

no núcleo do CD-ANS durante a síntese hidrotérmica. Esses resultados corroboram com
vários outros [212, 213, 214, 215] reportados na literatura referentes a pontos quânticos
de carbono sintetizados a partir de moléculas conjugadas. Com a análise das imagens de
TEM, foi realizada uma estimativa de tamanho das nanopartículas. A Fig.(5.4-c) mostra
o gráco de distribuição de tamanho, que varia desde 2 nm até 6 nm, com diâmetro médio
em torno de 3,5 nm, que está dentro do intervalo aceito para esse tipo de material (entre
2 e 10 nm).
Ainda analisando a composição química do CD-ANS, os grupos funcionais da superfície
foram identicados por ATR-FTIR. Os espectros exibidos na Fig.(5.4-d) correspondem
à assinatura química do precursor 5ANS2 e da nanopartícula produzida a partir dele,
CD-ANS. Os espectros obtidos evidenciam a mudança na estrutura química resultante
da síntese hidrotérmica. O ponto de carbono produzido (linha magenta) apresenta uma
banda larga característica, que é atribuída às ligações de estiramento dos grupos O−H e

Tese de Doutorado

Imagens de MET do CD-ANS para as escalas (a) 50 nm e (b) 5 nm. (c) Distribuição
de tamanhos das nanopartículas. (d) Comparação entre os espectros de FTIR do precursor
5ANS2 e da nanopartícula CD-ANS.
Figura 5.4:

(d)

Fonte: Autor, 2023.
−1
−1
N−H em 3394 cm
e 3217 cm , respectivamente. Além disso, o espectro vibracional
exibe um pico em 1630

cm−1 associado à ligação de estiramento C=C em estruturas

conjugadas.

−1
O pico em 1587 cm
corresponde à ligação de dobramento do grupo N−H, enquanto o
−1
−1
pico em 1435 cm
é atribuído à ligação de dobramento do C−H. Os picos em 1170 cm
e
1110 cm

−1

são identicados como provenientes das ligações de estiramento no grupo SO2 ,

−1
−1
ao passo que os picos em 1020 cm
e 670 cm
estão relacionados a ligação de estiramento
do grupo C−S. As análises da nanopartícula, realizadas a partir dos resultados de XPS,
AR-XPS, MET e FTIR, permitem concluir que a metodologia adotada nesse trabalho
levou à produção de nanopartículas com formato esférico, diâmetro variando entre 2 nm
e 6 nm, possuindo um núcleo cristalino, o que indica alto grau de formação dos domínios

2
sp , e grupos funcionais acoplados à superfície ricos em oxigênio, nitrogênio e enxofre.

5.2.2 Caracterização: assinatura óptica do CD-ANS
Uma vez que a composição e morfologia do CD-ANS foram determinadas, é preciso
conhecer suas propriedades ópticas.

As análises espectroscópicas foram realizadas com

o CD-ANS disperso em solução aquosa neutra (pH 7).

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As nanopartículas apresentam

assinatura de absorção típica de pontos quânticos de carbono, como pode ser vericado

∗
na Fig.(5.5). A banda larga no ultravioleta resulta das transições π → π , centralizada
∗
∗
em 240 nm, e n → π , em 290 nm. As ligações π → π são realizadas no núcleo grafítico
2
do CD-ANS, nos domínios π -conjugado correspondentes aos carbonos sp , enquanto que
as transições n → π

∗

estão associadas a orbitais não ligantes de heteroátomos presos às

2
3
extremidades da matriz carbônica sp /sp do núcleo.

(a) Espectro de absorção do CD-ANS mostrando as fortes bandas características
de pontos de carbono na região do ultravioleta e uma banda mais fraca em torno de 490 nm.
Figura 5.5:

2.0

Absorbância

1.6

π → π*

1.2
n → π*

0.8
0.4
0.0
200

300

400

500

600

700

Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor, 2023.
O espectro ainda se prolonga pela região de radiação visível, com bem menos intensidade, apresentando uma banda de absorção centralizada em 490 nm e se estendendo
até aproximadamente 660 nm, associada a estados de superfície. A análise estrutural do
CD-ANS revelou a presença dos grupos funcionais como hidroxila, carboxila, sulfonila e
amina na superfície das nanopartículas, que são responsáveis pela formação dos estados
de superfície.

Os estados de superfície são resultado da ação coletiva de vários centros

fotoluminescentes que podem ter diversas origens e distintas energias de ativação. Assim,
quando submetido a radiação eletromagnética, o CD-ANS pode emitir uorescência com
diferentes frequências como resposta à um espectro de energias de excitação, cada uma
correspondente às absorções dos estados de superfície.
A emissão dependente da excitação é uma propriedade comum em PQCs e foi vericada
para o CD-ANS, como pode ser constatado na Fig.(5.6-a).

Os espectros de emissão

sofrem um pronunciado deslocamento de 125 nm para o vermelho quando a excitação
sai de 300 nm para 500 nm, corroborando a existência de diversos estados de superfície
com diferentes graus de oxidação. Além disso, três bandas principais são observadas no
espectro de emissão de CD-ANS quando excitado em 300 nm (linha sólida preta): 404
nm, 426 nm e 516 nm, com uma quarta banda bastante sutil em torno de 450 nm. Com a
diminuição na energia de excitação, a distribuição espectral de CD-ANS é gradualmente

Tese de Doutorado

(a) Espectros de emissão dependentes da excitação (300 nm - 500 nm). (b) Curvas
de tempo de vida para excitações em 454 nm e 366 nm com as correspondentes emissões em 535
nm e 441 nm. (c) Diagrama de cromaticidade referente as áreas sob as curvas de emissão.
Figura 5.6:

(a)

(b)

(c)

Fonte: Autor, 2023.

modicada, apresentando uma redução da intensidade de emissão e clara modicação no
formato do espectro. Para λexc = 450nm, a uorescência de CD-ANS exibe uma única
banda centrada em 533 nm.
Já para excitação em 500 nm, é possível observar uma diminuição nessa banda e a
contribuição de outra banda em 560 nm, formando uma espécie de platô que abrange cerca
de 30 nm. O tempo de vida de uorescência (Fig.(5.6-b))foi avaliado para excitações em
454 nm e 366 nm com as respectivas emissões em 535 nm e 441 nm.

Como pode ser

observado, as duas curvas apresentam decaimento multiexponencial, o que corrobora a
presença de mais de um centro luminescente contribuindo com a uorescência do CD-ANS.
Com os espectros de emissão, foi possível construir um diagrama de cromaticidade do CDANS. O diagrama é apresentado na Fig.(5.6-c) e nele é possível vericar que a emissão
do material cobre toda a região do visível a medida que a excitação sai de 300 nm, no
ultravioleta, até 600 nm, no nal do intervalo visível. Cada centro luminescente responde
de forma distinta a estímulos externos, de maneira que, variando parâmetros na solução
aquosa de CD-ANS, é esperado que os espectros de emissão também variem quando os
intervalos de energia de cada centro sofram modicações. A seguir, essas variações serão

Instituto de Física - UFAL

investigadas para uma série de parâmetros.

5.2.3 Sensibilidade térmica do CD-ANS e processo de Fluorescência Atrasada Termicamente Ativada
Tendo caracterizado a nanopartícula produzida, verica-se agora suas possíveis aplicações em nanotermometria. A diversidade de grupos funcionais integrados a estrutura da
superfície torna o PQC opticamente sensível a variações no substrato onde está inserido.
Mudanças nas propriedades ópticas, como alterações de formato e intensidade nos espectros de absorção e emissão, deslocamento para o vermelho ou azul, alteração no tempo de
vida de uorescência, dentre outros, podem ser usadas para construir escalas que associem
os valores dos parâmetros óticos do CD-ANS com valores associados ao meio externo. As
análises realizadas nesse trabalho levaram em conta as variações nos espectros de emissão
do CD-ANS quando submetido a uma série de estímulos externos. Um parâmetro muito
importante para o controle de reações químicas, desempenho de atividades biológicas e
estudo de fenômenos físicos é a temperatura.

A aplicação de pontos de carbono como

nanotermômetro MET sido reportada para diversos sistemas e seu sucesso e precisão se
devem à miríade de estados superciais. [74, 75, 78, 80]
Na Fig.(5.7-a) é exibido o gráco da resposta luminescente do CD-ANS à variação
de temperatura na solução aquosa (pH7), desde 30

◦

C até 60

◦

C. Note que além do

aumento de intensidade, ocorre também uma mudança na distribuição espectral, com o
pico em torno de 496 nm se tornando mais pronunciado à medida que a temperatura
aumenta.

Observando a mudança nas bandas de emissão em torno de 496 nm e 532

nm, é possível fazer uma análise raciométrica do comportamento do CD-ANS quando
sob variação térmica do ambiente. A Fig.(5.7-b) mostra a razão I496 /I532 entre esses dois
picos variando com a temperatura. Para 30

◦

unidade quando a temperatura chega em 60

◦

C, essa razão é menor que 1, mas atinge a
C. O ajuste (linha azul tracejada) mostra

que a dependencia raciométrica de emissão do CD-ANS pode ser descrita por uma funcão
sigmoide, dada por

a1
I496
= a0 +
−a
I532
1 + e 2 (x−a3 )

(5.1)

onde os parâmetros a0 = 0, 85, a1 = 0, 15, a2 = 0, 26 e a3 = 41, 47 são parâmetros de
ajuste, com coeciente de correlação igual a R

= 0, 998.

Tipicamente, há dois tipos de processos termicamente induzidos que afetam a uorescência de sistemas orgânicos: (1) supressão térmica da uorescência (quenching), onde
os processos não radiativos conectados à agitação térmicas tornam-se mais ecientes; (2)
uorescência termicamente ativada, onde o primeiro estado excitado S1 é populado termicamente e há um subsequente aumento na intensidade da luminescência. O aumento
na intensidade da emissão do CD-ANS quando a amostra é aquecida indica a ocorrência

Tese de Doutorado

Figura 5.7:

(a) Espectro de emissão do CD-ANS variando com a temperatura no intervalo

de 30 ◦ C a 60 ◦ C. T = 30 ◦ C (linha preta sólida), T = 40 ◦ C (linha vermelha tracejada), T
= 50 ◦ C (linha azul pontilhada) e T = 60 ◦ C (linha verde pontilhada-tracejada). (b) Razão

entre as intensidades de emissão correspondentes aos picos em 496 nm e 532 nm como função
da temperatura. A linha azul representa o ajuste obtido a partir da função sigmoide dada pela
eq.(5.1)

Fonte: Autor, 2023.

de um processo de repopulação do estado S1 . Como foi visto nos grácos de XPS, o CDANS é rico em nitrogênio e enxofre, o que favorece o cruzamento intersistemas (Sn → Tn ).
Como discutido no capítulo 2, um cruzamento intersistema reverso (RISC) pode ocorrer
em alguns pontos quânticos de carbono, em decorrência de um baixo gap de energia ∆EST
entre o primeiro estado excitado tripleto T1 e o primeiro estado excitado singleto. Com
isso, há repopulação do estado S1 a partir do estado T1 , num tempo muito superior ao
processo de conversão interna (Sn → S1 ).
A taxa de transição eletrônica envolvendo RISC segue uma distribuição de Boltzmann,
e como a temperatura MET relação direta com a probabilidade dessa transição acontecer, o rendimento quântico de uorescência sofre diretamente com a variação térmica do
material. É possível associar o rendimento quântico de uorescência de uma amostra a
uma dada temperatura com a sua intensidade máxima de emissão através da equação 5.2.

Imax (T ) = γ · c · Iexc · Φ(T )

(5.2)

O parâmetro γ está associado a características de detecção do aparato, c representa
a concentração do uoróforo e Iexc é a intensidade de excitação. Se tivermos uma temperatura referência, podemos usar a eq.(5.2) para associar as intensidades e rendimentos
quânticos do material em duas temperaturas diferentes. Isso nos permite escrever a relação.

Φ(T )
Imax (T )
=
Imax (T0 )
Φ(T0 )

(5.3)

Dessa maneira, é possível escrever uma relação matemática para Φ(T ), conhecida como

Instituto de Física - UFAL

relação de Arrhenius. Essa relação, representada pela eq.(5.4), permite calcular o valor
de ∆EST :

Imax (T )
∆EST 1
1
Φ(T )
= ln
=
−
ln
Φ(T0 )
Imax (T0 )
kB
T0 T

(5.4)

−5
◦
onde kB = 8.617 · 10 eV é a constante de Boltzmann e T0 = 25 C (298 K) é a temperatura referência. A Fig.(5.8-a) exibe a dependencia térmica do rendimento quântico de
uorescência. Observa-se que Φ(T ) desvia da lei de Arrhenius à medida que a temperatura
aumenta devido a mudanças na distribuição espectral de CD-ANS. A Fig.(5.8-b) conrma
que existe uma mudança cromática no espectro de emissão com o aumento da temperatura.

Esse efeito termocrômico sugere que os níveis de energia são afetados quando a

amostra é aquecida. No entanto, a lacuna de energia entre os estados excitados singleto
e tripleto ainda pode ser estimada a partir da lei de Arrhenius, com ∆EST

= 159meV .

Este valor está dentro da faixa estimada para a uorescência termicamente ativada [216].
Com isso, o cruzamento intersistemas reverso aumenta a densidade eletrônica do estado
S1 , o que resulta em aumento na intensidade de uorescência.

(a)Dependência térmica do rendimento quântico do CD-ANS. A linha tracejada
azul é a melhor regressão linear usando a eq.(5.4), com intervalo de energia calculado em ∆EST =
159meV . (b) Diagrama de cromaticidade de uorescência de CD-ANS mostrando variação na
cor de emissão conforme a aumento na temperatura da amostra.
Figura 5.8:

Fonte: Autor, 2023.

5.2.4 Resposta óptica do CD-ANS a agentes químicos

Efeitos de pH

Os efeitos do pH nas propriedades espectroscópicas do CD-ANS foram analisados e
os espectros de absorção, sob condições ácidas e alcalinas, estão exibidos na Fig.(5.9).
A variação do pH parece ter um impacto mínimo no espectro de absorção do CD-ANS,
com uma leve redução na intensidade das bandas de absorção quando aumenta-se o pH

Tese de Doutorado

de 3 para 12.

Além disso, a cauda ampla atribuída aos estados de superfície diminui

em condições alcalinas, sugerindo que a protonação/desprotonação pode afetar os estados
eletrônicos associados aos grupos funcionais da superfície.

Embora esse cenário possa

sugerir que a fotoluminescência do CD-ANS seja independente do pH, o comportamento
de uorescência desses pontos quânticos de carbono é avaliado sob diferentes condições
de fotoexcitação e pH.
Figura 5.9:

Espectros de absorção do CD-ANS para a solução com pH = 3 e pH = 12.
1.2
pH value:

Absorbância

1.0

3
12

0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
200

300

400

500

600

700

Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor, 2023.

Para um comprimento de onda de excitação de 366 nm, a distribuição espectral do
CD-ANS é fortemente modicada à medida que as condições ambientais mudam de ácidas para alcalinas, com um deslocamento batocrômico ocorrendo para pH > 7, conforme
apresentado na Fig.(5.10-a). Em particular, o pico de emissão se desloca de 454 nm para
504 nm, indicando que a desprotonação das nanopartículas ocorre de forma mais efetiva
no estado excitado em comparação com o estado fundamental. Esse comportamento pode
estar relacionado à presença do grupo sulfônico na superfície do CD-ANS, conforme observado na Fig.(5.3-d). Além disso, a análise de uorescência resolvida no tempo revela
um aumento no tempo de vida do estado excitado quando os pontos de carbono estão
dispersos em um meio alcalino, conforme exibido na Fig.(5.10-b). O decaimento da uorescência do CD-ANS segue uma tendência multiexponencial, com o tempo de vida médio
do estado excitado mudando de 3,5 ns (pH = 3) para 5,6 ns (pH = 12).
A modicação na distribuição espectral da uorescência do CD-ANS também ocorre
quando a amostra é excitada em 454 nm, como mostrado na Fig.(5.10-c). No entanto,
um deslocamento para o azul ocorre na uorescência do CD-ANS à medida que o pH
aumenta. O CD-ANS apresenta uma emissão dupla em um ambiente ácido, com picos
em 547 e 578 nm. Por outro lado, uma única banda de emissão é observada quando a
amostra está dispersa em condições alcalinas, com um pico de emissão em 524 nm. Esse

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(a)Intensidade de emissão normalizada do CD-ANS sob fotoexcitação a 366 nm
para diferentes valores de pH.(b) Tempo de vida da uorescência do CD-ANS para diferentes
valores de pH. As medições resolvidas no tempo foram realizadas considerando os comprimentos
de onda de excitação e emissão de 366 nm e 441 nm, respectivamente.(c) Intensidade normalizada
da uorescência do CD-ANS em diferentes pH, com fotoexcitação a 454 nm. (d) Intensidade
de emissão transitória do CD-ANS em meio ácido (linha preta) e alcalino (linha vermelha),
considerando comprimentos de onda de excitação e emissão de 454 nm e 535 nm, respectivamente.

Figura 5.10:

(a)

(b)

(c)

(d)

Fonte: Autor, 2023.

resultado indica uma redução na desprotonação do CD-ANS após a fotoexcitação a 454
nm. Embora o transiente da intensidade da fotoluminescência do CD-ANS ainda exiba
um decaimento multiexponencial, a taxa de emissão permanece inalterada com a variação
das condições de pH, conforme observado na Fig.(5.10-d). Para um comprimento de onda
de excitação de 454 nm, o tempo de vida médio do estado excitado muda de 3,4 ns para
3,9 ns.
Finalmente, as mudanças na cromaticidade de emissão do CD-ANS são mostradas na
Fig.(5.11-b), considerando as excitações a 366 nm e 454 nm. Uma variação signicativa
na cromaticidade da uorescência do CD-ANS ocorre quando o líquido carreador muda
de ácido para alcalino, especialmente para o CD-ANS fotoexcitado a 454 nm. À medida
que o meio se torna alcalino, a fotoluminescência amarela do CD-ANS muda para verde.
As fotos exibidas na mesma gura apresentam a diferença na cor de luminescência para
os pH 3 e 12 quando a excitação é em 366 nm (Fig.(5.11-a)) e 454 nm (Fig.(5.11-c))

Tese de Doutorado

Variação da cor de emissão do CD-ANS como resposta à variação de pH da
solução. Em (a) são exibidas fotos da emissão com excitação em 366 nm, enquanto (b) apresenta
um diagrama de cromaticidade para dois valores de pH e dois de comprimento de onda de
excitação, e (c) apresenta as fotos da emissão sob excitação em 454 nm.
Figura 5.11:

pH3

pH12

pH3

(b)

(a)

pH12

Efeitos de íons metálicos
A resposta óptica do CD-ANS à interação com íons metálicos também foi investigada,
como mostra a Fig.(5.12). Na Fig.(5.12-a), os espectros de emissão apontam para uma
diminuição na intensidade com a adição de vários íons à solução aquosa de CD-ANS.
Observe que para os íons de ferro (Fe) e estanho (Sn), essa diminuição atingiu quase 50%
do seu valor no controle. Entretanto, os demais íons provocaram um redução entre 5% e
15% na intensidade de emissão, sem mudança signicativa na relação entre os picos. O
gráco circular exibido na Fig.(5.12-b) mostra uma relação raciométrica entre os picos
de emissão do CD-ANS em 454 nm e 503 nm, quando as amostras são excitadas em
405 nm.

O controle é a solução referência, sem adição de íons e com pH neutro.

relação raciométrica foi investigada a partir das intensidades relativas desses dois picos
de emissão em cada curva usando Cα /Cc , onde Cα , o coeciente raciométrico para cada
íon, foi calculado usando a eq.(5.5).

Cα =

I454 − I503
I503

(5.5)

I454 e I503 correspondem aos dois picos de emissão de cada curva exibida na Fig.(5.12a). Note que a fatia correspondente ao Controle no gráco circular diz respeito a relação

Cc /Cc , ou seja, o gráco está normalizado pela relação raciométrica da curva controle.
A redução na intensidade de emissão está associada à ocorrência dos grupos sulfonila
na superfície dos pontos quânticos de carbono.

O cloreto de ferro (FeCl2 ) mostrou ser

o melhor agente supressor, provocando uma diminuição de mais de 80% na intensidade
relativa de emissão. O cloreto de estanho (SnCl2 ) também demonstrou uma forte ação

Instituto de Física - UFAL

supressora, induzindo cerca de 50% de diminuição na intensidade, considerando a relação
raciométrica. Os demais cloretos apresentaram baixa inuência no espectro de emissão do
CD-ANS, com frações de extinção variando entre 0.06% e 24%, com exceção do potássio
(K) que não causou alteração signicativa no espectro. O mecanismo de ação que leva
a esses resultados pode ser atribuído aos grupos químicos embebidos na matriz amorfa
da superfície do CD-ANS. Está bem estabelecido na literatura que a interação de íons
metálicos com a superfície de PQCs promove a transição dos elétrons excitados no ponto
de carbono para os orbitais de valência dos íons.

Em especial, a sensibilidade a íons

de ferro é atribuída a presença de grupos hidroxilas (-OH) [92, 217].

As análises do

espectro de FTIR do CD-ANS revelou a forte presença de grupos -OH formando ligações
de estiramento em 3394 cm

−1

−1
e 3217 cm .

Efeito da adição de íons à solução aquosa de CD-ANS, com resposta na intensidade
de emissão. Em (a) são exibidos os espectros normalizados de emissão do CD-ANS dopado com
íons, enquanto em (b), são exibidas as razões Cα /Ccontrole para cada curva em (a). Excitação
em 405 nm
Figura 5.12:

(b)
(a)

Fonte: Autor, 2023.

Similar ao processo de protonação, a presença dos cátions metálicos afeta os centros
emissivos do CD-ANS a partir da formação de um complexo não uorescente, de acordo
com o modelo de Perrin [192]. Em particular, a supressão da uorescência é total quando
o agente supressor (íon) está localizado no interior de um dado volume esférico Vq em
torno da nanopartícula, também conhecido como volume esférico de supressão efetiva.
Considerando que a probabilidade de encontrar um íon num dado volume obedece à
distribuição de Poisson, a probabilidade P0 de um íon Q não estar no interior da esfera
de supressão efetiva é dada por:

P0 = exp (−Vq Na [Q]) ,

(5.6)

onde Na é o número de avogadro e [Q] é a concentração molar do agente supressor.
Suponde que a intensidade de emissão é proporcional à P0

Tese de Doutorado

I ([Q]) ∝ P0 ,

(5.7)

I
= exp (−Vq Na [Q]) .
I0

(5.8)

temos que a

Aqui I0 é a intensidade de emissão do controle, com [Q] = 0.

A equação acima é

conhecida como modelo de Perrin e dene que a supressão da uorescência ocorre de
forma estática, com a formação de um complexo não uorescente entre o agente supressor
e a nanopartícula. O efeito da variação de concentração dos íons Fe e Sn é exibido na
Fig.(5.13).

2+
Como esperado, os íons de Fe
promovem um efeito supressor na emissão

do CD-ANS, como exibido na Fig.(5.13-a). Para a dopagem com o íon estanho, também
foi observada diminuição na intensidade de emissão (Fig.(5.13-b)) com o aumento da
concentração. Estes dois comportamentos estão de acordo com o modelo de Perrin. As
Fig.(5.13-c e d) mostram uma queda signicativa nos picos de emissão com o aumento da
concentração dos íon Fe

e Sn

, respectivamente.

Espectros de emissão do CD-ANS para diferentes concentrações de (a) Fe2+
e (b) Sn2+ . Atenuação na intensidade de emissão do CD-ANS acompanhando aumento na
concentração dos íons (c) Fe2+ e (d) Sn2+ .
Figura 5.13:

Fonte: Autor, 2023.

Instituto de Física - UFAL

Contaminantes orgânicos
Finalmente, a aplicação do CD-ANS como sensor químico para detecção de contaminantes de água foi investigada.

A sensibilidade foi avaliada através da mudança na

assinatura espectral de emissão da nanopartícula quando na presença do defensor agrícola metomil e do solvente metanol.

A Fig.(5.14-a) mostra os espectros de emissão do

CD-ANS para diferentes concentrações de metomil em água, com fotoexcitação a 405 nm.
Um aumento pronunciado na intensidade de emissão ocorre quando uma pequena quantidade de metomil é adicionada, indicando uma boa resposta fotoluminescente a baixas
concentrações desse pesticida. Comumente, a aplicação de defensores agrícolas na terra
ou no próprio vegetal é realizada depois de grande diluição do produto em água, tendo
em vista a sua alta toxicidade.

Dessa maneira, a sensibilidade a baixas concentrações

desse tipo de material em água é importante para a detecção e prevenção de casos mais
graves de contaminação em cursos d'água como rios e lagoas. Como referência, utilizamos
a recomendação do próprio produtor do metomil utilizado de diluir 100 mL do produto
em 100 L de água antes da aplicação.

(a) Espectros de emissão do CD-ANS em solução, sob excitação em 405 nm,
contendo o defensor agrícola Metomil. São consideradas diferentes concentrações de metomil:
cmet = 0, 0µM (linha preta sólida), cmet = 0, 5µM (linha vermelha tracejada), cmet = 1, 0µM
(linha azul pontilhada) e cmet = 2, 0µM (linha verde pontilhada-tracejada). A adição de metomil
leva a um aumento pronunciado na intensidade de emissão do CD-ANS. (b) Intensidade de
emissão normalizada em função da concentração de metomil. Observa-se uma resposta linear.
Figura 5.14:

(a)

(b)

Fonte: Autor, 2023.

A distribuição espectral da emissão do CD-ANS varia com a concentração de metomil,
mostrando que a intensidade de emissão em 496 nm se iguala à de 532 nm. Embora uma
modicação signicativa na razão I496 /I532 ocorra quando a concentração de metomil é
não nula, essa razão se torna quase constante à medida que a concentração do pesticida

cmet aumenta. Em particular, I496 /I532 < 1 para cmet = 0, enquanto I496 /I532 ≈ 1 quando
cmet ̸= 0. Consequentemente, a uorescência do CD-ANS pode ser utilizada como um
quimiossensor de intensidade para traços de metomil na água. A intensidade de emissão

Tese de Doutorado

normalizada do CD-ANS apresenta uma dependência linear em relação à concentração
de metomil, como mostrado na Fig.(5.14-b). As intensidades foram normalizadas usando
como referência a emissão do CD-ANS para cmet

= 0.

Os dados podem ser ajustados

utilizando a função linear 5.9.

I = Γ0 + Γ1 cmet
com Γ0 = 1, 45, Γ1 = 0, 23 e R

(5.9)

= 0, 996.

A Fig.(5.15) exibe a modicação na uorescência do CD-ANS quando uma fração
volumétrica Φν de metanol é adicionada à água. Similarmente ao metomil, a adição de
metanol induz um aumento signicativo na intensidade de emissão, acompanhado por
uma alteração na distribuição espectral da uorescência do CD-ANS. A banda de emissão
centrada em 496 nm torna-se mais proeminente em comparação à banda de emissão em 532
nm, indicando que a razão I496 /I532 pode ser explorada como um parâmetro raciométrico
para metanol na água. Tomando a emissão do CD-ANS para Φν

= 0 como referência,

a razão I496 /I532 aumenta linearmente à medida que a fração volumétrica de metanol é
incrementada, de acordo com a eq.(5.10).

I496 /I532 = Λ0 + Λ1 Φν
A regressão linear fornece Λ0

(5.10)

= 0, 998 e Λ1 = 0, 003, com coeciente de regressão

R = 0, 961.

(a) Variação no espectro de emissão do CD-ANS, sob excitação em 405 nm, para
diferentes frações volumétricas, Φν , de metanol: Φν = 0, 0µM (linha preta sólida), Φν = 1, 0µM
(linha vermelha tracejada), Φν = 4, 0µM (linha azul pontilhada) e Φν = 16, 0µM (linha verde
pontilhada-tracejada). (b) Relação raciométrica, I496 /I532 , das duas bandas principais de emissão
em função do volume de metanol
Figura 5.15:

(b)
(a)

Fonte: Autor, 2024.

Instituto de Física - UFAL

5.3 Conclusões e perspectivas
Em resumo, o presente estudo investigou a morfologia e as propriedades espectrais de
pontos quânticos de carbono derivados do ácido 5-amino-2-naftalenosulfônico. A análise
morfológica revelou a presença de grupos funcionais remanescentes do precursor carbonáceo, com a superfície dos pontos de carbono apresentando grupos amina e ácido sulfônico.
Em relação às propriedades espectrais, nossos resultados mostraram que o CD-ANS exibe
um espectro de emissão amplo com múltiplas bandas, sensíveis a pequenas modicações
na composição ambiental. Dependendo do comprimento de onda de excitação, a uorescência do CD-ANS apresenta bandas de emissão bem denidas, tornando-o adequado para
aplicações em sensores raciométricos. Além disso, exploramos a uorescência de ativação
em diferentes aplicações de quimiossensores, incluindo o monitoramento de pH e a detecção de metanol e metomil em água. A análise dos efeitos do pH revelou que o processo de
desprotonação/protonação afeta os estados fundamental e excitado do CD-ANS. Como
resultado, pode ocorrer um deslocamento hipsocrômico ou batocrômico nos espectros de
emissão com a variação do pH, dependendo do comprimento de onda de excitação. Na
investigação de metomil e metanol como poluentes, observamos um aumento pronunciado
na intensidade de emissão do CD-ANS, acompanhado por alterações na distribuição espectral. Em ambos os casos, a uorescência do CD-ANS apresentou dependência linear em
relação à concentração desses compostos orgânicos, permitindo a detecção raciométrica
de metanol. Quanto aos efeitos térmicos, vericamos a ocorrência de uorescência ativada
termicamente no CD-ANS, indicando um pequeno intervalo energético entre os estados
excitados singlete e triplete mais baixos. Esse comportamento térmico já foi relatado em
outros pontos de carbono, sugerindo que a reversão da transição intersistemas pode ser
um mecanismo efetivo nesses nanomateriais. Esses achados demonstram que os pontos
de carbono derivados do ácido 5-amino-2-naftalenossulfônico são nanomateriais robustos
e versáteis, podendo ser utilizados em métodos analíticos rápidos e de baixo custo para
controle e monitoramento de condições ambientais e processos físico-químicos. O artigo
produzido por esse trabalho está em estágio de submissão até o momento do envio desse
manuscrito para a biblioteca da universidade.

Tese de Doutorado

6
Estudo da dopagem com tioureia nas
características do CD-ANS
O presente capítulo se destina a analisar as características ópticas e estruturais do CDANS depois da adição de nitrogênio (N) e enxofre (S) na sua composição. A dopagem
com heteroátomos modica a estrutura eletrônica de PQCs, alterando suas propriedades
espectroscópicas [48]. Assim, o efeito de dopagem foi avaliado tanto na estrutura (morfologia e composição química) quanto nas características ópticas do CD-ANS. Foi utilizado
o composto orgânico Tioureia como fonte de N e S, conforme protocolo utilizado em trabalhos anteriores [218, 219]. Outros trabalhos realizaram a dopagem dos PQCs com enxofre
a partir de aminoácidos, como a L-cisteína [75, 220, 221]. Estes estudos observaram que
a co-dopagem com nitrogênio e enxofre modica os estados de superfície, induzindo um
aumento da eciência quântica de uorescência dos pontos quânticos.

Entretanto, não

há informações sobre como o aumento gradual no percentual desses heteroátomos afeta
as propriedades espectroscópicas dos pontos quânticos de carbono. O CD-ANS já possui em sua estrutura tanto nitrogênio como enxofre, remanescentes da estrutura química
do precursor utilizado (ver capítulo 5). Portanto, o objetivo desse capítulo é estudar as
modicações provenientes do aumento na porcentagem de N e S.

6.1 Metodologia
A dopagem com Tioureia foi realizada através de uma modicação do protocolo de
síntese do CD-ANS (ver metodologia do capítulo 5).

Brevemente: 30 mg de 5ANS2 e

diferentes concentrações de tioureia foram adicionadas a 10 mL de água destilada.
mistura foi aquecida a 200

◦

C por 6 horas. A solução resultante foi centrifugada a 15000

rpm durante 10 minutos e, em seguida, ltrada através de membrana com porosidade de
0.22 µm.

Todas as análises e caracterizações realizadas para esse capítulo seguiram os

mesmos protocolos adotados para o CD-ANS (seção 5.1). As concentrações de dopagem
de tioureia foram 0,03 g/L (CD-ANSt1), 0,06 g/L (CD-ANSt2), 0,12 g/L (CD-ANSt3),
0,24 g/L (CD-ANSt4) e 0,48 g/L (CD-ANSt5).
A tioureia e seus derivados formam uma classe de compostos orgânicos similares a
ureia, mas com um átomo de enxofre no lugar do átomo de oxigênio. A estrutura química

básica das tioureia é (R1 R2 N)(R3 R4 N)C=S, onde R podem ser átomos de hidrogênio ou
grupos funcionais como alquilas e arilas.

No nosso trabalho foi usada a tioureia, com

fórmula molecular (NH2 )2 C=S. Este composto e seus derivados possuem vasto campo de
aplicações, fazendo parte composição de inseticidas e herbicidas, de compostos usados na
indústria têxtil e na produção de corantes[222, 223, 224]. Alguns derivados da tioureia
ainda apresentam atividade antibacteriana [225].

6.2 Resultados e discussões
O estudo dos efeitos de dopagem do CD-ANS começam com a análise morfológica
das nanopartículas a partir da microscopia eletrônica de transmissão, como mostra a
Fig.

(6.1).

Mais especicamente, são mostradas seis imagens de MET referentes ao

CD-ANS (Fig.(6.1-a)) e às cinco formulações do CD-ANSt (Fig.(6.1-a-f )).

Para todas

as formulações, observam-se nanopartículas com um formato próximo de uma esfera.
O diâmetro médio das nanopartículas em cada uma das formulações é similar ao do
CD-ANS, da ordem 3,4 nm.

Na totalidade de amostras, a microscopia eletrônica de

transmissão revelou a presença de um núcleo grafítico nos prontos quânticos de carbono
sintetizados, que é caracterizado pela observação das franjas de difração da rede. O espaço
médio entre as franjas varia de 0,21 nm para 0,23 nm com o aumento da concentração,
sendo compatível com o parâmetro de rede no plano ⟨100⟩ do grate. Este aumento no
espaçamento das ligações do plano grafítico é comum em amostras dopadas com enxofre
e é atribuído à desordem turbostática [26], onde a presença de um heteroátomo induz
rotações e translações aleatórias nos átomos que compõem a célula unitária da estrutura
cristalina.

Imagens de MET das sínteses de CD-ANS com diferentes dopagens de Tioureia:
(a) 0 g/L, (b) 0,03 g/L, (c) 0,06 g/L, (d) 0,12 g/L, (e) 0,24 g/L e (f) 0,48 g/L.
Figura 6.1:

1
0.2

nm (a)

0.22

(b)

5 nm
(d)
0.2

5 nm

(e)

nm
0.23

(f)
0.23 nm

5 nm

5 nm
Fonte: Autor, 2023.
Tese de Doutorado

5 nm

A composição química supercial do CD-ANSt foi investigada por meio da técnica de
XPS para apenas uma dopagem: 0,12 g/L de tioureia. A Fig.(6.2) exibe os espectros XPS
e XPS de alta resolução (AR-XPS) do CD-ANSt3. Novamente, as energias de ligação do
carbono (C 1s, 284,8 eV)), oxigênio (O 1s, 531,8 eV), nitrogênio (N 1s, 399,3 eV) e enxofre
(S 2p, 168,0 eV) foram identicadas. Com o auxílio do AR-XPS foi possível identicar os
grupos químicos responsáveis pelo sinal de cada um dos quatro elementos. A deconvolução
do espectro do C1s do CD-ANSt3 mostra a inuência de quatro grupos químicos no sinal
do elemento: C-C/C-H (284.7 eV, 69.1%), C-N (285.9 eV, 20.1%), C=O (287.1 eV, 5.0%),
COOH (288.8 eV, 4.1%). Para o N 1s, foram identicados os grupos pirrólico (399,5 eV,
21.6%) e grafítico (401,7 eV, 78.4%) com nitrogênio incorporado. O oxigênio O 1s recebeu
contribuição dos grupos C=O (531.6 eV), O-C-O (532.5 eV, 30,5%) e C-OH (534.2 eV,
14.2%). E o espectro de S 2p recebeu contribuição dos grupos 2p3/2 (167,8 eV) e 2p1/2
(169 eV), correspondentes aos SO3 H. Com isso, podemos concluir que o CD-ANSt3 possui
uma estrutura supercial similar ao CD-ANS, rico em grupos COOH, R-NH e R-SO3 H.

Espectros de (a) XPS e (b-e) XPS de alta resolução para o CD-ANSt3.
Dados
Ajuste
Fundo
C _ C/C _ H
C_ N
C= O
COOH

Contagem

C1s

O1s

(a)
800

(b)

N1s

700

600

500

400

S2s
300

200

100

294

292

290

288

Dados
Ajuste
Fundo
Pirrólico
Grafítico

(d)

408

286

284

282

280

540

406

404

402

400

398

Energia de Ligação (eV)

396

538

536

534

532

530

528

Energia de Ligação (eV)

Contagem

(c)

S2p

Energia de Ligação (eV)

410

Dados
Ajuste
Fundo
C =O
O_C _O
COOH

Contagem

Figura 6.2:

Dados
Ajuste
Fundo
S2p C _ SO3 _ H
3/2

S2p

1/2

C _ SO3 _ H

(e)

176

174

172

170

168

166

Energia de Ligação (eV)

Fonte: Autor, 2023.

Observe que, com relação ao CD-ANS (Fig.(5.3)), a dopagem não afetou signicativamente as ligações químicas dos principais elementos identicados na matriz do CD-ANSt.
Para corroborar com esse resultado, a técnica de ATR-FTIR foi utilizada. Os espectros
exibidos na Fig.(6.3) fazem uma comparação entre as assinaturas do CD-ANS, CD-ANSt3
e CD-ANSt5. Na Fig.(6.3-a), é evidente que as nanoestruturas com ou sem dopagem apresentam a mesma assinatura química, identicada pelas ligações que são comuns aos três
espectros. No entanto, quando os grácos são sobrepostos (Fig.(6.3-b)), percebe-se uma
diminuição na intensidade de absorção no intervalo correspondente às ligações de estira-

−1
−1
mento dos grupos O-H e N-H em 3394 cm
e 3217 cm , respectivamente. As demais

Instituto de Física - UFAL

bandas permanecem sem alterações signicativas. Essas análises atestam que a dopagem
com tioureia não inuenciou signicativamente na estrutura e composição química do
CD-ANS, além de enfraquecer levemente algumas ligações de estiramento. O CD-ANSt
é, também, uma nanopartícula com alto grau de cristalinidade no seu núcleo, indicando

2
que os domínios sp são preservados, além de possuir grande distribuição de grupos nitrogenados e sulfurados na superfície.

Espectros de FTIR sem dopagem (0 g/L) e com duas dopagens (0,12 e 0,48 g/L)
de Tioureia. Em (a), observa-se bandas de absorção nas mesmas regiões, mas em (b) ca claro
a diminuição na intensidade em algumas bandas com o aumento da dopagem.
Figura 6.3:

(a)

(b)

Fonte: Autor, 2023.

Agora serão investigadas as propriedades espectroscópicas do CD-ANSt. Os espectros
de absorção do CD-ANS, CD-ANSt3 e CD-ANSt5 são mostrados na Fig.(6.4).

→ π , n → π∗
∗
A banda característica das transições π → π permanece

as amostras apresentam bandas de absorção atribuídas às transições π
e aos estados de superfície.

Todas

∗

centrada em 240 nm para todas as formulações. Isto demostra que a estrutura de domínios
de carbono com hibridização sp

não é signicativamente alterada pela dopagem, em

concordância com resultados de XPS e FTIR. Em relação à banda de absorção associada

∗
às transições n → π , observa-se um alargamento da banda à medida que a concentração
de tioureia é aumentada no processo de síntese. No entanto, a banda permanece centrada
em 290 nm.

Este aumento na intensidade dessa banda é compatível com a dopagem

com tioureia, uma vez que o aumento nas frações de nitrogênio e enxofre aumenta a
probabilidade de transições eletrônicas envolvendo os orbitais não ligados (n) desses dois
átomos. No que diz respeito à cauda longa no espectro de absorção atribuída aos estado
de superfície, percebe-se que há um deslocamento para vermelho quando a concentração
de tioureia cresce, com o surgimento de uma pequena banda centrada em torno de 550
nm para o CD-ANSt5.
Apesar da análise estrutural não indicar mudança signicativa com a dopagem, o espectro de absorção aponta que houve alteração nos níveis de energia das nanopartículas.
Como resultado, espera-se uma modicação signicativa no espectro de emissão do CD-

Tese de Doutorado

Espectros de absorção do CD-ANS, CD-ANSt3 e CD-ANSt5. Observa-se modicação na intensidade de todas as bandas, com um claro deslocamento para o vermelho na região
visível acompanhando o aumento na dopagem.
Figura 6.4:

2.0

Absorbância

1.6

0 g/L
0,12 g/L
0,48 g/L

π → π*

1.2
n → π*

0.8
0.4
0.0
200

300

400

500

700

600

Comprimento de onda (nm)
Fonte: Autor, 2023.

ANS à medida que a concentração de tioureia aumenta.

Para vericar essa hipótese,

a Fig.(6.5) exibe os espectros de emissão para o CD-ANS (6.5-a), CD-ANSt3 (6.5-b) e
CD-ANSt5 (6.5-c). Foram consideradas as fotoexcitações nos comprimentos de onda relacionados às três regiões observadas no espectro de absorção das amostras. É possível
observar que a adição de tioureia tende a modicar a luminescência dos pontos quânticos de carbono, especialmente para excitações muito acima de 400 nm. Em particular,
nota-se que a dopagem tende a suprimir a emissão das amostras sob fotoexcitação em 480
nm, correspondente aos estados de superfície. Este resultado é oposto ao reportado para
outros pontos quânticos de carbono co-dopados com nitrogênio e enxofre, em que a dopagem induz um aumento da eciência quântica de emissão [75, 220, 221]. A supressão da
uorescência indica que a dopagem usando tioureia desativa os centros responsáveis pela
emissão do CD-ANS sob fotoexcitação em longos comprimentos de onda. Para fotoexcitações com λexc < 400nm, observa-se uma mudança na densidade espectral da uorescência.
As duas bandas predominantes (400 nm e 425 nm) no CD-ANS referentes à excitação em
300 nm são modicadas de formas distintas com o aumento da dopagem.

A primeira

banda não sofre deslocamento apreciável, mas apresenta uma queda de quase metade da
sua intensidade, enquanto que a segunda banda sofre um deslocamento para o vermelho
de mais de 30 nm.
Os efeitos da dopagem cam claros quando os espectros dos PQCs de diferentes formulações são apresentados juntos, como mostra a Fig.(6.6-a). As amostras foram excitadas
em 400 nm, sob as mesmas condições. Aqui ca evidente que, embora um pequeno aumento na uorescência seja observado, há uma modicação drástica na densidade espectral da uorescência, com um estreitamento signicativo das bandas de emissão quando

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Espectros de emissão do CD-ANS (a) sem dopagem e com (b) 0,12 g/l e (c) 0,48
g/L de Tioureia incorporada na síntese.

Figura 6.5:

(a)

(b)

(c)

Fonte: Autor, 2023.

a concentração de tioureia é superior a 4% (cT U = 0,12 g/L) no processo de síntese. Esse
estreitamento do espectro modica a cromaticidade da emissão, que migra para a região
azul, como mostra a Fig.(6.6-b).
As modicações nos grupos superciais também foram vericadas em medidas de
tempo de vida de uorescência, como exibido na Fig.(6.7).

O decaimento foi avaliado

para excitações em 454 nm e 366 nm, com as respectivas emissões em 535 nm e 441
nm.

A comparação foi feita entre o CD-ANS e o CD-ANSt3 e foi vericado que, para

as duas nanopartículas, ambas as curvas apresentam decaimento multiexponencial, o que
indica a contribuição de diferentes centros luminescentes na uorescência do CD-ANS.
Em ambas as amostras, verica-se que o tempo de vida médio dos estados excitados
em 366 nm é ligeiramente menor do que o tempo de vida dos estados excitados em
454 nm.

É importante salientar que o processo de síntese hidrotérmica gera frações

de nanopartículas com diferentes graus de oxidação supercial, de forma que espectro
resultante é a combinação das emissões das dessas frações, cada uma delas com um grau
de oxidação supercial e um gap HOMO-LUMO próprios.
Com essas análises, foi vericado que o efeito de dopagem do CD-ANS por tioureia
não é apreciavelmente quanticável do ponto de vista estrutural, mas a conguração eletrônica, tanto do núcleo, quanto dos estados de superfície são claramente alteradas. Com

Tese de Doutorado

(a) Espectros de emissão do CD-ANS para diferentes concentrações de tioureia incorporada na síntese: cT U = 0, 00 g/L (linha preta), cT U = 0, 03 g/L (linha tracejada vermelha),
cT U = 0, 12 g/L (linha pontilhada azul), e cT U = 0, 48 (linha ponto-traço verde). As amostras
foram excitadas em 400 nm. (b) Variação na cromaticidade da uorescência do CD-ANS quando
a concentração de tioureia na síntese é aumentada
Figura 6.6:

Fonte: Autor, 2023.
Figura 6.7: Curvas de tempo de vida para excitações em 454 nm e 366 nm com as correspondentes emissões em 535 nm e 441 nm. (a) 0 g/L e (b) 0,12 g/L de Tioureia.

(a)

(b)

Fonte: Autor, 2023.

o intuito de entender a resposta óptica dessas alterações à estímulos externos, foi investigado como os espectros de emissão são afetados sob diferentes condições de pH. Com
excitação em 405 nm, as curvas de emissão exibidas na Fig.(6.8) indicam que as nanopartículas dopadas apresentam respostas diferentes à variação de pH. Assim como o CD-ANS,
o espectro de emissão dos CD-ANSt3 e CD-ANSt5 não apresentam diferenças signicativas na intensidade de emissão em meio ácido. Um comportamento distinto é observado
quando as nanopartículas estão em meio alcalino, onde há um aumento signicativo na
intensidade da emissão. Nas amostras dopadas, não foi possível notar uma modicação
na densidade espectral, quer o meio seja ácido ou básico. A análise é feita normalizando
as curvas de cada nanopartícula pela sua curva de pH2 correspondente.
Uma característica importante de notar é a inversão nos espectros de emissão para o

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Espectros de emissão do CD-ANS variando com o pH para (a) 0 mg/L, (b) 0,12
mg/L e (c) 0,48 mg/L de Tioureia incorporada na síntese. Os dois regimes de pH, I - ácido e II
- alcalino, são mostrados separadamente. Todas as curvas foram normalizadas pela curva de pH
2 de cada dopagem.
Figura 6.8:

(a)

(b)

(c)

Fonte: Autor, 2023.

CD-ANSt5 em comparação aos outros dois. No regime ácido, a intensidade do espectro
aumenta com o pH, enquanto que há uma diminuição dessa intensidade a medida que
o meio se torna mais alcalino. Já para o CD-ANS e CD-ANSt3, o comportamento é o
oposto. Essa análise aponta para uma reestruturação dos sítios radiativos e não radiativos
superciais que respondem de formas distintas à protonação e desprotonação induzida pela
acidez do meio.

6.3 Conclusões e perspectivas
Concluímos, com os resultados apresentados, que a tioureia é uma fonte de nitrogênio
e enxofre interessante para processos de dopagem de PQCs nitrogenados. A incorporação
desse composto orgânico na síntese do CD-ANS teve pouca inuência nas características
físicas da nanopartícula.

As análises microscópicas e espectroscópicas revelaram a pre-

sença dos mesmos elementos e grupos funcionais em todas as dopagens utilizadas.

entanto, as propriedades ópticas foram grandemente afetadas, com aumento signicativo
de todo o espectro de absorção, e deslocamento para o vermelho nos espectros de emissão.

A caracterização óptica indicou grande modicação dos intervalos HOMO-LUMO

dos uoróforos espalhados pela superfície, bem como da estrutura grafítica do núcleo.
Além disso, foi possível vericar como as nanopartículas dopadas respondem aos níveis
de acidez e alcalinidade. Mesmo com comportamentos diferentes, o CD-ANS e os CD-

Tese de Doutorado

ANSt possuem excelente sensibilidade a ambientes alcalinos, mas sofrem pouca variação
de emissão em ambientes ácidos. A sensibilidade ao pH, de modo geral, parece diminuir
com o aumento na concentração de dopagem, o que pode signicar arranjos moleculares
menos propensos a perder ou ganhar prótons. Outras investigações serão realizadas com
o intuito de sintonizar as propriedades ópticas do CD-ANS para outras aplicações além
das apresentadas nessa tese.

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7
Inativação microbiana promovida pela
fotoação de pontos quânticos de
carbono derivados de vermelho de
metila
O emprego de pontos quânticos de carbono como fotossensibilizadores em Terapia
Fotodinâmica Antimicrobiana (TFA) é uma importante aplicação dessas nanopartículas
dadas suas características fotofísicas. A ocorrência do fenômeno de conversão intersistema
e a subsequente transferência de energia para o ambiente fazem dos PQCs alternativas
viáveis e de baixo custo para aplicações de TFA. No presente capítulo, serão discutidos
alguns aspectos ópticos da nanopartícula CD-MR sintetizada a partir do azocorante vermelho de metila e sua fotoatividade na inativação de leveduras e bactérias.

A síntese,

caracterização e avaliação de toxicidade do CD-MR foram realizadas em outro trabalho de doutorado do grupo de pesquisa [204]. Vericou-se um alto rendimento quântico
de geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) pelo CD-MR sob fotoexcitação ressonante com sua região espectral de absorção ( 530 nm), o que confere ao material uma
das características essenciais para a aplicação como fármaco em Terapia Fotodinâmica
Antimicrobiana (TFA).
O desenvolvimento de técnicas, como a TFA, para o combate de microrganismos e infecções é um movimento global de vários grupos de pesquisa e órgãos governamentais para
resolver um problema silencioso que cresce todos os anos: a resistência de microrganismos
à antimicrobianos. O uso irresponsável de antibióticos e antifúngicos, além de pesticidas
e outros defensores agrícolas são vias para o desenvolvimento de resistência em inúmeras
espécies de microrganismos. Estima-se que até 2050, a resistência a antimicrobianos se
tornará a causa principal de mortes no mundo, causando também problemas econômicos
que podem afetar outras áreas da vida humana [226, 227]. A TFA é uma técnica alternativa para o combate a infecções [128], e nesse trabalho avaliamos os efeitos fotoativos
do CD-MR na inativação fotodinâmica das leveduras C. albicans e C. neoformans e das
bactérias S. aureus (Gram-positiva) e E. coli (Gram-negativa). As descobertas apresentadas nesse capítulo colocam o CD-MR como excelente candidato a fotosensibilizador em

TFA para inativação de leveduras e bactérias.

No Apêndice 2, é realizada uma breve

revisão sobre os azocorantes, que permitirá entender a principal motivação para o uso
desses materiais na síntese de nanopartículas.

7.1 Metodologia
7.1.1 Síntese
Figura 7.1: (a) Representação esquemática da síntese de pontos quânticos de carbono derivados
do azocorante vermelho de metila (CDMR). Solução aquosa de CDMR sob (b) luz ambiente e
(c) fotoexcitação em 488 nm.

H2O
200 °C,10 Hrs

(a)

(b)

(c)

Fonte: Autor, 2023.

O CD-MR foi sintetizado usando o método hidrotérmico, conforme representado na
Fig.(7.1-a).

De forma resumida, 30 mg do corante vermelho de metila foram dispersos

em 10 mL de água destilada, com a mistura sendo submetida a 200

◦

C por 10 horas.

Neste caso, foi usado uma autoclave de aço inoxidável, contendo uma câmara de Teon.
Após o resfriamento da solução obtida, o material foi centrifugado por 10 min a 15000
rpm, sendo subsequentemente ltrado através membrana de 0,22 µm. Como resultado,
foi obtida uma solução avermelhada, como mostra a Fig.(7.1-b).

Usando a técnica de

liolização, vericou-se que a concentração de pontos quânticos na solução é de 800 µg/ml.
A solução de CD-MR apresenta pH = 7 e uma boa luminescência sob excitação entre 300
e 550 nm. A Figura(7.1-c) mostra a uorescência do CD-MR sob excitação em 488 nm.
Maiores detalhes sobre a morfologia, estrutura química e propriedades espectroscópicas
do CD-MR estão disponíveis em um dos artigos anexados à tese.

7.1.2 Rendimento quântico de geração de oxigênio reativo
Para vericar a geração de espécies reativas de oxigênio (ROS) pelo CD-MR após
fotoexcitação, o 1,3-difenilisobenzofurano (DPBF) foi utilizado como sinalizador de ROS.
Tal composto exibe uma banda de absorção característica em 413 nm, que desaparece à
medida que o DPBF se decompõe na presença de oxigênio singleto. O DPBF foi adquirido
da Sigma Aldrich e foi utilizado sem puricação adicional. Uma solução estoque de DPBF
foi preparada, dispersando o composto em etanol (0,1 mM), e armazenada em frasco âmbar

Instituto de Física - UFAL

escuro a 4°C. A solução estoque foi usada para preparar uma solução de trabalho de DPBF
em 50/50 (v/v) de etanol (EtOH) e H2 O para as medições de geração de ROS. Com isso,
uma mistura 90/10 (v/v) de soluções de trabalho de DPBF e CD-MR foi excitada com um
laser de diodo CW e λexc = 532 nm (Verdi-V6, Coherent). Para irradiação homogênea da
cubeta, o feixe laser polarizado linearmente foi expandido usando uma lente convergente
com distância focal de 5 cm.

A distância entre o ponto focal da lente e a cubeta era

de 40 cm. O tempo de excitação variou entre 10 s e 3 min. Um espectrômetro UV-vis
(USB2000, Ocean Optics) foi usado para registrar espectros de absorção em tempo real
usando uma fonte de luz halógena (HL 2000, Ocean Optics). A eciência de geração de
ROS, Φ∆ , pelo CD-MR após fotoexcitação foi determinada utilizando Azul de Metileno
como amostra padrão, uma vez que esse corante apresenta eciência de geração de ROS
em torno de 57%.

7.1.3 Microrganismos e meios de cultura
Para estudar a ecácia do CD-MR como fotossensibilizador, foram testados quatro
microrganismos: as bactérias S. aureus ATCC 25904 e E. coli ATCC 25922, e as leveduras C. albicans ATCC 90028 e C. neoformans ATCC 208821.

Para cada ensaio, as

concentrações de células de bactérias e leveduras foram medidas a 530 nm usando um
espectrofotômetro UV-1600. Os valores adequados de densidade óptica (DO) variaram de
0,11 a 0,15 para o padrão 0,5 de McFarland. Para a realização do teste de difusão Kirbybauer utilizou-se o meio de cultura Mueller-Hinton (Alere) - MH - suplementado com ágar
2%. Os testes de TFA foram realizados utilizando o meio BHI ágar (Brain Heart Infusion
- Prodimol Biotecnologia) para bactérias e YPD (Yeast Peptone Dextrose - peptona 1%,
glicose 2%, extrato de levedura 0,5% e agar 2%) para as células de leveduras. BHI e YPD
também foram utilizados na forma líquida em ambos os testes.

7.1.4 Teste Kirby-Bauer (teste de difusão de disco)
As bactérias e leveduras foram cultivadas em placas de petri com BHI e YPD, respectivamente, e incubadas a 25-28 ºC por 48 h antes do teste de Kirby-Bauer. O teste
foi realizado em ágar Mueller-Hinton. A suspensão do patógeno foi feita utilizando caldo
BHI para bactérias e caldo YPD para leveduras, dispersando em cada caldo as colônias
coletadas das placas previamente inoculadas. Após a medição de DO532 , um suábe estéril
foi embebido na suspensão, o excesso de líquido foi removido pressionando suavemente o
suábe no lado interno do tubo e, em seguida, o suábe foi esfregado no ágar Mueller-Hinton
em quatro direções para garantir um crescimento uniforme. Discos de papel com 0,5 cm
de diâmetro contendo 150µL de CD-MR foram cuidadosamente colocados no centro de
cada placa e incubados a 35

C por 48h. As amostras foram divididas em dois grupos:

aquelas que foram deixadas no escuro e aquelas que foram expostas à iluminação cons-

Tese de Doutorado

tante de um conjunto de LEDs com excitação centralizada em 532 nm e potência de 10
mW.

7.1.5 Terapia Fotodinâmica Antimicrobiana (TFA)
Esquema de diluição do meio de cultura líquido (caldo) inoculado com o microrganismo e tratado dentro dos parâmetros de cada um dos quatro grupos. 1 mL do caldo é misturado
a 9 mL de solução salina obtendo a diluição de 10−1 . As demais diluições são obtidas a partir
da mistura de 1 mL da diluição anterior com 9 mL de solução salina.
Figura 7.2:

Fonte: Autor, 2023.

Para estudar a eciência da TFA, o ensaio foi realizado utilizando quatro grupos de
investigação, comparando o efeito isolado de cada componente da TFA. No grupo controle,
o C. neoformans foi cultivado no escuro e sem pontos quânticos de carbono adicionados.
No grupo CD-MR, 0,5 mL de CD-MR (0,8 mg/mL) foram adicionados a 2 mL de caldo
inoculado resultando em uma concentração de 0,2 mg/mL; nestes dois primeiros grupos,
os microrganismos foram cultivados no escuro. Os outros dois grupos foram colocados sob
iluminação constante (LEDs - 532 nm, 10 mW). No grupo LUZ não foi adicionado o CDMR. O efeito sinérgico da luz e do CD-MR (0,2 mg/mL) foi observado no grupo TFA. Para
cada grupo, o tratamento foi realizado cultivando C. neoformans em caldo YPD (com ou
sem CD-MR), ajustando a concentração celular via DO532 e em seguida estocando as
soluções por 24h a 35

C (com ou sem luz). Após o tratamento de 24 horas, a viabilidade

das células foi investigada. Para isso, realizou-se uma diluição seriada em solução salina,

−4
com fator de diluição D = 10
das amostras tratadas (Fig.(7.2)); alíquotas da solução
diluída de cada grupo foram inoculadas em placas YPD em triplicata e incubadas por 48h
a 25-28 oC. Em seguida, foram contadas as colônias em cada placa e a equação

N ∗ D−1
UF C
=
mL
V
Instituto de Física - UFAL

(7.1)

100

foi utilizada para calcular as unidades formadoras de colônias por mililitro (UFC/mL).

−1
N é o número de colônias por placa, D
é o inverso da diluição e V é o volume de solução
inoculada e espalhada na placa; aqui, V = 0,1mL.

7.2 Resultados e discussões
Nesta seção, apresentaremos e discutiremos os resultados do presente trabalho. Como
mencionado em seção anterior, toda a caracterização do CD-MR foi desenvolvida em outro trabalho, e nos ateremos aqui apenas as suas aplicações em terapia fotodinâmica. No
entanto, é importante dar alguns detalhes sobre suas características. As análises de microscopia eletrônica de transmissão revelaram que as nanopartículas possuem um diâmetro
médio de 3,3 nm, com espaçamento de rede igual a 0,33 nm, indicando a cristalinidade
do núcleo, e uma distribuição de tamanhos estreita. As análises estruturais por FTIR e
XPS mostraram a presença de grupos amina, carboxila e hidroxila na superfície das nanopartículas. Uma característica interessante vericada nos espectros de XPS do CD-MR
é que há uma presença signicativa de nitrogênio grafítico na estrutura química dessas
nanopartículas, o que tende a favorecer o fenômeno de cruzamento intersistema por conta
da forte contribuição do nitrogênio grafítico para o acoplamento spin-órbita [204].

(a) Espectro de absorção do CD-MR em solução aquosa. (b) Espectros de emissão
do CD-MR para diferentes fotoexcitações.
Figura 7.3:

Fonte: Autor, 2023.

Para o estudo da aplicabilidade do CD-MR em terapia fotodinâmica, é importante as
características espectrais dessas nanopartículas.

Na Fig.(7.3-a), é apresentado o espec-

tro de absorção do CD-MR, onde é possível identicar três bandas de absorção: banda
centrada em λ = 230 nm, correspondente às transições eletrônicas π

→ π ∗ associadas

2
aos domínios de carbono sp do núcleo; banda com pico em λ = 280 nm, referente às
transições eletrônicas n → π

∗

associadas aos heteroátomos conectados ao núcleo; e uma

Tese de Doutorado

101

banda centrada em λ = 520 nm, decorrente dos estados de superfície. Neste caso, é possível excitar o CD-MR em comprimentos de onda ressonantes com a absorção dos estados
de superfície, fora da região de ressonância (200 e 400 nm) da maioria das moléculas de
interesse biológico. O espectro de emissão do CD-MR é mostrado na Fig.(7.3-b), considerando diferentes comprimentos de onda de excitação. Como é possível notar, o CD-MR
apresenta uma emissão dependente da excitação, similar à maioria dos pontos quânticos
de carbono. Para uma fotoexcitação em 532 nm, vericou-se que a eciência quântica de
emissão do CD-MR é da ordem de 5,2%, considerada baixa se comparada ao de outros
pontos quânticos de carbono.

7.2.1 Geração de oxigênio reativo
A síntese hidrotérmica utilizada para produzir o CD-MR criou nanopartículas ricas em
nitrogênio e oxigênio, como pode ser evidenciado através da caracterização via XPS [204].
Com relação ao nitrogênio, em particular, o espectro de alta resolução do XPS exibe a
contribuição de três grupos dopantes nitrogenados: nitrogênio piridínico, pirrólico e grafítico. Isso é uma característica importante, uma vez que a presença de nitrogênio facilita
a excitação do oxigênio molecular a partir do estado tripleto do CD-MR. Na Fig.(7.4),
é exibido um gráco tridimensional que representa a evolução temporal do decaimento
do DPBF na presença de ROS. A solução aquosa de DPBF dopado com CD-MR cou
sob fotoexcitação constante de luz laser em 532 nm por três minutos e intensidade de

2
1.6 mW/cm .

A banda de absorção centralizada em 413 nm, característica do DPBF,

sofre um decaimento completo durante o tempo de observação, enquanto observamos que
a banda refente ao CD-MR, com pico em 520 nm, permanece inalterada.
A ativação de ROS via fotosensibilização depende intimamente da capacidade do uoróforo em realizar cruzamento intersistema, transferindo elétrons do estado singleto para
o tripleto, e de se ligar a moléculas de oxigênio no seu entorno. Uma vez que o DPBF é
um sinalizador de oxigênio, sofrendo processos oxidativos que destroem sua banda de absorção quando entra em contato com ROS, pode-se armar que o decaimento de absorção
do DPBF se deve a geração de oxigênio reativo, na solução, pelo CD-MR. Para vericar a estabilidade do DPBF tanto no escuro como sob iluminação, observa-se a evolução
temporal da sua banda de absorção sem adição do CD-MR. Na Fig.(7.5), são mostrados
os valores refentes ao máximo de absorção do DPBF, dos espectros coletados a cada 10
s, durante 3 min de observação.

O dois conjuntos de pontos, concernentes às medidas

2
no escuro e sob iluminação (λexc = 532 nm; I = 6.4 mW/cm ), mostram a existência
de uma degradação/fotodegradação mínima de aproximadamente 12%. Essa degradação
pode estar associada à mistura de etanol (solvente original do DPBF) e água destilada, o
que causa uma reação fracamente exotérmica quando as moléculas dos dois solventes se
ligam.

Instituto de Física - UFAL

102

Gráco 3D exibindo a evolução temporal do espectro de absorção de uma solução
de DPBF e CD-MR. A evidente extinção da banda de absorção do DPBF, em torno de 413 nm,
é uma consequência direta da formação de oxigênio reativo na solução.
Figura 7.4:

Fonte: Autor, 2023.

A fotodegradação observada do DPBF se deve, portanto, à formação de ROS pelo
CD-MR. Com o intuito de determinar o seu rendimento quântico de geração de ROS,
foi utilizado o Azul de metileno (AM) como corante referência.

Para isso, as medidas

foram repetidas dopando a solução de DPBF com AM e a evolução temporal da banda de
absorção do DPBF foi observada. A Fig.(7.6-a) mostra o decaimento do pico de absorção
(413 nm) do DPBF quando dopado, separadamente, com o CD-MR ou o AM durante 3

2
min de observação e excitação em 532 nm (6,4 mW/cm ). O decaimento provocado pelo
CD-MR é claramente mais pronunciado, com a completa extinção da banda de absorção
do DPBF acontecendo em torno de 100 s de exposição à luz. Considerando as taxas de
degradação dos dois uoróforos, calculamos o rendimento quântico de geração de ROS,

Φ∆ , do CD-MR utilizando a equação

Φ∆ = ΦAM

kCD−M R · FAM
kAM · FCD−M R

(7.2)

onde ΦAM

= 0, 57 é o rendimento do azul de metileno, kCD−M R e kAM são as taxas
de decomposição do CD-MR e do AM, respectivamente. Os parâmetros FCD−M R e FAM
são fatores de correção associados aos espectros de absorção das amostras.

Os testes

de fotodegradação do DPBF foram realizados para um conjunto de intensidades da luz
incidente e a Fig.(7.6-b) mostra os valores de

Φ∆ para essas intensidades, calculados

Tese de Doutorado

103

Fotoestabilidade e estabilidade no escuro do composto DPBF, observadas durante
o tempo de trabalho adotado: 3 minutos. Observe que mesmo com iluminação de luz laser em
532 nm e 6.4 mW/cm2 de intensidade incidente, o DPBF sofre um decaimento mínimo em torno
de 12%.

Figura 7.5:

1,1
Escuro
40 mW

A(λ)

1,0

0,9
λ = 413 nm
0,8

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Tempo (s)
Fonte: Autor, 2023.

usando a eq.(7.2). O rendimento quântico de geração de ROS pelo CD-MR foi estimado
em aproximadamente 0,34, ou 34%.

7.2.2 Fotoação antimicrobiana do CD-MR
A geração de espécies reativas de oxigênio por uoróforos mediada por radiação eletromagnética é o princípio da TFA. Com os resultados obtidos para a geração de ROS
pelo CD-MR, investigamos a possibilidade do seu uso como fármaco em TFA. O teste
de Kirby-Bauer, usado para vericar as propriedades microbianas de fármacos e compostos antimicrobianos, foi realizado para quatro microrganismos: as bactérias S. aureus e

E. coli, e as leveduras C. albicans e C. neoformans. A Fig.(7.7) mostra as imagens das
placas tratadas para as duas bactérias incubadas no escuro [7.7-a] e sob iluminação de
um conjunto de LEDs emitindo no verde, com centro da banda em torno de 532 nm (10
mW) [7.7-b]. O teste foi conduzido em triplicata. Cada triplicata foi repetida três vezes
para assegurar a repetibilidade e conabilidade do experimento. Cada disco de papel foi
impregnado com 120 µg de CD-MR e colocado no centro das placas recém inoculadas com
as bactérias.
Os grupos de tratamento (no escuro e sob iluminação) caram sob observação por 24
horas, tempo no qual o conteúdo dos discos se difundiu pelo meio de cultura, interagindo
com as células bacterianas. Pode-se observar que o teste foi positivo para a cultura de

S. aureus quando as placas cavam sob constante irradiação de luz verde, como pode
ser evidenciado pelo halo de inibição de 1,46 cm de diâmetro médio ao redor do disco,
Fig.(7.7-b). Houve um início de formação de halo, com diâmetro médio de 0,55 cm nas

Instituto de Física - UFAL

104

(a)Decaimento do pico de absorção ( 413 nm) do DPBF na presença do CDMR ou do Azul de metileno sob contínua excitação em 532 nm e 6.4 mW/cm2 de intensidade.
(b) Rendimento quântico de geração de ROS obtido a partir da equação [7.2] para diferentes
intensidades de excitação.
Figura 7.6:

Fonte: Autor, 2023.

placas de E. coli irradiadas, mas ainda é possível observar um forte crescimento bacteriano
dentro desse halo, indicando que a dose de CD-MR utilizada não foi suciente para coibir
o crescimento da bactéria.
As diferenças morfológicas e estruturais da parede celular dessas duas bactérias parece
ser o principal fator para determinar a viabilidade ou não da fatoação antimicrobiana do
CD-MR. Possuindo uma membrana extra na sua parede, a E. coli, uma bactéria Gram
negativa, oferece mais resistência à ruptura do envelope celular pelo CD-MR que a S.

aureus, uma Gram positiva. É fato que o sucesso da TFA depende da entrada do fármaco
utilizado na célula modelo, com a geração de ROS dentro do citoplasma e subsequente
morte celular via necrose ou apoptose [228, 229].

Quando a geração de ROS acontece

fora da célula, dicilmente a parede celular sofre algum tipo de dano porque a ação dos
oxigênios reativos é de curtíssimo alcance. Mesmo assim, é possível que algumas células
sofram processos oxidativos se o ROS gerado estiver muito próximo ou diretamente ligado
à parede celular.
Como modelos de célula eucarionte, zemos o mesmo teste em duas leveduras.

imagens exibidas na Fig.(7.8) mostram pronunciados halos de inativação nas placas dos
dois microrganismos. Nas placas inoculadas com C. albicans, a média de diâmetro dos
halos foi de 3,87 cm para o grupo exposto à iluminação, e 0,5 cm para as placas deixadas no
escuro. Os ensaios com C. neoformans realizados com mediação da luz produziram halos
com diâmetro médio de 2,62 cm. O CD-MR, contudo, não apresentou ação antifúngica
contra o C. neoformans sem fotoativação, assim como não demonstrou efeito antibiótico
contra as bactérias, nas mesmas condições. O teste de Kirby-Bauer não estabelece se o

Tese de Doutorado

105

Teste de Kirby-Bauer para vericar a ação fotodinâmica do CD-MR em bactérias.
Imagens das placas tratadas (a) no escuro e (b) com iluminação LED (532nm, 10 mW).
Figura 7.7:

(a)

S. aureus

E. coli

S. aureus

E. coli

(b)

Fonte: Autor, 2022.

efeito de um antimicrobiano é microbicida, quando promove a morte do microrganismo, ou
microbiostático, quando não destrói efetivamente as células, mas oferece resistência a sua
reprodução/replicação. Os halos de inibição são uma indicação da ação antimicrobiana
(ou a sua inexistência) do material testado, um parâmetro que depende da razão entre
o crescimento do microrganismo até chegar em uma massa crítica e da difusividade do
composto no meio de cultura [208]. O teste de Kirby-Bauer mostrou que o CD-MR não
apresenta ação antimicrobiana intrínseca, mas possui fotoatividade com geração de ROS
quando iluminado com luz verde, ressonante com sua banda de absorção na região do
visível.
A concentração do antimicrobiano é um parâmetro importante no estudo da sua ação
contra microrganismos. Dessa maneira, com os resultados do teste de Kirby-Bauer, foi
escolhido um microrganismo para a avaliação da concentração de CD-MR no seu crescimento. A investigação foi realizada com a levedura C. neoformans, observando os seus
dois primeiros estágios de desenvolvimento. Para todo microrganismo, cultivado in vitro
em um ambiente controlado, o crescimento, desde as primeiras divisões celulares até a
morte da colônia, segue quatro fases. A primeira fase é a fase lag ou de latência, onde
as células se reproduzem mais devagar, adaptando-se ao meio e a disponibilidade de nutrientes.

Na segunda fase, conhecida como exponencial ou log, a taxa de crescimento

é máxima, com o microrganismo no seu estado ideal de aproveitamento de nutrientes.

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106

Teste de Kirby-Bauer para vericar a ação fotodinâmica do CD-MR em leveduras.
Imagens das placas tratadas (a) no escuro e (b) com iluminação.

Figura 7.8:

(a)

C. albicans

C. neoformans

C. albicans

C. neoformans

(b)

Fonte: Autor, 2022.

Quando as condições do meio começam a se tornar desfavoráveis, a cultura entra na terceira fase, a estacionária, onde o número de células que nascem é aproximadamente igual
ao número de células que morrem.

Por m, a última fase, a de declínio, representa a

morte da colônia, com o esgotamento de nutrientes. A Fig.(7.9) mostra a avaliação do
crescimento da levedura em um período de 72 horas com duas concentrações de CD-MR.
As leituras de OD600 dizem respeito à densidade óptica ou absorbância do meio de
cultura líquido inoculado com a levedura e o CD-MR. Com o crescimento do microrganismo, a densidade de células no meio cresce e, com isso, o meio se torna mais túrbido,
aumentando sua absorbância (com consequente espalhamento de luz). Observe que a adição de CD-MR provoca uma diminuição nos valores de absorbância a medida que o tempo
passa, como mostrado na Fig.(7.9-a). Isso indica uma diminuição na taxa de crescimento
do C. neoformans. O parâmetro UFC/mL indica a quantidade de unidades formadoras
de colônia por mililitro e faz uma estimativa da quantidade de células viáveis no meio.
A Fig.(7.9-b) mostra uma diminuição na quantidade dessas unidades formadoras quando
existe CD-MR no meio de cultura em comparação ao grupo controle (0 µg/mL). Apesar
do teste de Kirby-Bauer não ter apontado uma ação antimicrobiana do CD-MR contra

C. neoformans, esse ensaio avaliando a curva de crescimento indica uma ação mínima da
nanopartícula em atrasar o desenvolvimento da levedura.
Para entender o modo de ação da nanopartícula, foram realizados testes de TFA no

Tese de Doutorado

107

(a) Leitura da Densidade Óptica em 600 nm (DO600 ) e (b) UFC/mL de culturas
de Cryptococcus neoformans sem e com adição de CD-MR (120 e 600 µg/mL) durante 72 horas
de observação.

Figura 7.9:

(a)

(b)

Fonte: Autor, 2022.
C. neoformans, dividindo os ensaios em quatro grupos de crescimento microbiano, cada
grupo avaliando um parâmetro diferente pertinente à Terapia Fotodinâmica. No grupo
Controle, a levedura foi inoculada sem adição do CD-MR e incubada no escuro para
posterior comparação com os demais grupos que receberam algum tipo de tratamento.
O primeiro grupo, LUZ, foi analisado sob constante iluminação (LED - 532 nm), mas
sem adição de CD-MR no meio de cultura, nos permitindo analisar o efeito da luz no
crescimento do fungo.

As placas do grupo CD-MR foram inoculadas com a levedura

misturada às nanopartículas e foram mantidas no escuro. Por último, no grupo TFA é
investigado o efeito sinergético da luz (LED, 532 nm, 10 mW) e do CD-MR inoculado.
A Fig.(7.10) exibe os valores de Log(UFC/mL) obtidos para os quatro grupos de
trabalho e calculados usando a eq.(7.1). É possível vericar inativação de mais de 2Log
no grupo TFA em comparação ao Controle, enquanto os grupos LUZ e CD-MR não
exibiram ação signicativa. Esse resultado corrobora com os anteriores, mostrando que
a viabilidade do uso do CD-MR como agente antimicrobiano só é possível enquanto um
fármaco fotossensível gerador de espécies reativas de oxigênio. Fotos das placas dos quatro
grupos analisados são exibidas na Fig.(7.11) e é possível constatar a diferença na densidade
de UFC/mL entre a placa tratada por TFA das demais.

Os ensaios foram feitos em

triplicata, como cada réplica sendo a média de três pseudo-réplicas.
Para determinar se a fotoatividade do CD-MR é fungicida ou fungistática, foram realizadas microscopias óptica de campo claro e uorescência em amostras inoculadas com

C. neoformans. Consideramos aqui os grupos Controle, CD-MR e TFA. A integridade
das células do grupo Controle é exibida na Fig.(7.12-a), onde também é possível identicar seus núcleos, manchas escuras localizadas aproximadamente no centro de cada célula.
Quando analisamos a Fig.(7.12-b), referente a microscopia óptica das amostras que rece-

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108

Figura 7.10:

Comparação entre os valores de Log(UFC/mL) dos quatro grupos tratados.

Log(UFC/mL)

A
TF

R
CD

-M

Z
LU

Fonte: Autor, 2022.

beram CD-MR, não conseguimos mais identicar as estruturas internas das células.

aparência completamente escura indica que o CD-MR foi absorvido pelas células das leveduras, atravessando o envelope celular. Para vericar se o CD-MR realmente chegou
ao citoplasma, foi realizada microscopia por uorescência com fotoexcitação em 532 nm
nas células tratadas com o ponto de carbono.

A Fig.(7.12-c) apresenta a uorescência

do CD-MR nas leveduras, indicando uma distribuição homogênea dos pontos nas células. Observe que existem células maiores e menores espalhadas pela amostra, numa clara
indicação de replicação por brotamento, um tipo de reprodução discutido anteriormente
nesse trabalho. Uma célula-lha (menor) é formada a partir do despejo do citoplasma da
célula-mãe (maior) em um compartimento que "brota"na parede da célula mais velha. É
esperado, então que o conteúdo presente no citoplasma de uma célula passe para a nova
célula que seja criada a partir da antiga.
Sendo assim, o CD-MR é assimilado pelas células e se aloja no citoplasma, mas como
não apresenta ação fungicida sem iluminação, não oferece nenhum dano à estrutura celular, passando para células novas quando as antigas realizam brotamento.

Nas outras

três imagens da Fig.(7.12), são exibidas as microscopias por uorescência obtidas com
excitação em 375 nm. Foi usado o corante Calcouor white, que apresenta uorescência
azulada quando excitado com ultravioleta próximo, como uoróforo para identicação
da parede celular. A microscopia por uorescência para o grupo controle é mostrada na
Fig.(7.12-d), enquanto o grupo CD-MR é analisado na Fig.(7.12-e) e a amostra do grupo
TFA, na Fig.(7.12-f ). A densidade de células no grupo TFA é visivelmente menor que nos
outros dois grupos, indicando a eciência do tratamento. Além disso, enquanto as células
dos grupos Controle e CD-MR apresentam aspectos semelhantes, células circulares e sem

Tese de Doutorado

109

Imagens das placas dos quatro grupos de trabalho na avaliação da fotoatividade
do CD-MR contra o C. neoformans.
Figura 7.11:

Controle

LUZ

CD-MR

TFA

Fonte: Autor, 2022.

danicação, no grupo TFA são vericadas células menores, deformadas e com possíveis
fragmentos de células mortas espalhadas ao redor. Esses resultados indicam que o CD-MR
consegue penetrar o envelope celular e induz a geração de ROS sob fotoexcitação a partir
do citoplasma, possivelmente causando danos oxidativos a diversas estruturas internas e
organelas, resultando na morte celular.

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110

Microscopia óptica de campo claro e uorescência de células de C. neoformans
tratadas com CD-MR. São exibidas células dos grupos (a) Controle e (b) CD-MR analisadas via
espectroscopia óptica, além da (c) análise via espectroscopia por uorescência (λexc = 532 nm)
do grupo CD-MR. As microscopias por uorescência com excitação em 375 nm são exibidas para
o (d) Controle, (e) CD-MR e (f) TFA, onde o corante Calcouor white foi usado como uoróforo
marcador de parede celular.
Figura 7.12:

(a)

(b)

(c)

10 µm

(d)

(e)

(f)

10 µm

Fonte: Autor, 2023.

7.3 Conclusões e Perspectivas
Estudamos as propriedades antimicrobianas de pontos quânticos de carbono sintetizados a partir do azo corante Vermelho de metila. As nanopartículas exibiram alta eciência
na geração de espécies reativas de oxigênio após exposição à luz verde, que podem ser exploradas no tratamento de microrganismos patogênicos. A atividade antimicrobiana dos
PQCs foi avaliada contra as bactérias S. aureus e E. coli, e as leveduras C. albicans e C.

neoformans, atribuindo os resultados positivos à eciente geração de ROS pelas nanopartículas após fotoexcitação. Esses microrganismos são uma preocupação signicativa em
ambientes clínicos, e os resultados destacam a notável ecácia da terapia fotodinâmica antimicrobiana usando CD-MR como fotossensibilizador. Em particular, a ação antifúngica
do CD-MR contra as leveduras representa um achado promissor do presente estudo, uma
vez que estes microrganismos podem levar a doenças graves em pacientes imunodecientes
ou imunossuprimidos. A disseminação furtiva de cepas de leveduras resistentes a medicamentos, como Candida auris, em unidades de saúde tornou-se uma preocupação de saúde
pública em todo o mundo, exigindo assim o desenvolvimento de novas estratégias para
inativar esses microrganismos. Considerando que o status dos ensaios antimicrobianos já
inclui a aplicação de nanotecnologia para tratar patógenos resistentes a medicamentos, a
proposta de utilização de radiação de baixa energia e pontos quânticos de carbono com

Tese de Doutorado

111

geração eciente de ROS é de fundamental importância. Em particular, o CD-MR é uma
nanopartícula com baixa citotoxidade, facilidade de síntese e que mostrou ser promissor dentro da categoria de nanopartículas fotosensibilizantes para promover inativação
microbiana. Esse trabalho foi publicado em 2023 e pode ser conferido em [230].

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8
Bioimageamento de microrganismos
As investigações realizadas nos capítulos anteriores mostram que as nanopartículas
CD-MR e CD-ANS apresentam propriedades fotoluminescentes que podem ser aplicadas
em diferentes áreas, que vão desde o uso como sensores físico-químicos até o emprego
como agente antimicrobiano.

Além dessas importantes aplicações, pontos quânticos de

carbono têm sido especulados como uma alternativa viável e de baixo custo para marcadores biológicos, visando o imageamento de células e tecidos [231, 232, 233, 234]. No
entanto, a maior parte dos estudos têm utilizado bactérias e células de mamíferos como
modelos biológicos nos ensaios de imageamento, em grande parte pela enorme demanda
em desenvolver novos biomarcadores e atuem como sensores de variações em parâmetros
físico-químicos locais, tais como pH [235, 236], concentrações de íons [237] e temperatura [77].

Embora as aplicações de imageamento em culturas celulares de mamíferos e

bactérias tenham sido amplamente exploradas, há ainda poucos trabalhos voltados à compreensão da interação entre pontos quânticos de carbono e células de fungos e leveduras
[238, 14, 239, 240]. No entanto, há uma grande preocupação em relação ao crescimento do
número de cepas de fungos lamentosos e leveduras que são resistentes aos medicamentos e desinfetantes de referência. Um caso recente e de grande preocupação ocorreu no
estado de Pernambuco, onde o hospital Miguel Arraes foi interditado em maio de 2023,
em decorrência da infecção de pacientes por Candida auris [241, 242].

Desta forma, é

importante entender como se dá o processo de interação entre os pontos quânticos de
carbono e fungos, não só para aplicações antifúngicas, mas para vericar a viabilidade de
uso das nanopartículas como biomarcadores. No presente capítulo, análises microscópicas
e espectroscópicas, bem como ensaios biológicos são apresentados e discutidos, visando as
aplicações de pontos quânticos de carbono no imageamento e no tratamento de agentes
patogênicos.

8.1 Metodologia
8.1.1 Imageamento via microscopia confocal
Para explorar a possibilidade de usar o CD-MR e o CD-ANS como biomarcadores uorescentes, ensaios de imageamento foram conduzidos nas leveduras patogênicas Candida
112

113

albicans ATCC 90028 e Cryptococcus neoformans ATCC 208821.
cultivadas em meio de cultura YPD sólido e incubadas a 25-28

◦

As leveduras foram

C por 2 dias antes da

preparação da amostra. As células crescidas foram então coletadas e dispersas em solução
tampão PBS. A concentração celular foi medida através de densidade óptica em 600 nm,
usando um espectrofotômetro UV-1600.

A densidade óptica (DO600 ) foi ajustada para

1, seguindo o padrão de 0,5 McFarland, e o meio foi centrifugado a 4000 RPM por 10
minutos, ressuspenso em PBS e homogeneizado usando um vórtice. Esta solução nal foi
usada para preparar a lâmina de vidro para análise microscópica adotando o método de
esfregaço: com uma alça estéril, uma alíquota do PBS inoculado foi suavemente espalhada
sobre o centro da lâmina para formar uma película na, que foi deixada para secar ao ar.
Depois, as células foram xadas passando a lâmina sobre uma chama de bico de Bunsen
quatro vezes. As soluções de CD-ANS ou CD-MR (10 µL) foram adicionadas sobre as
amostras xadas, e a lâmina foi deixada em repouso por 5 minutos.
Para remover o excesso de líquido, a lâmina foi enxaguada com PBS e deixada para
secar ao ar. Finalmente, 10 µL de Calcouor White (CFW) foram depositados sobre a
amostra e uma lamínula foi colocada sobre a lâmina de vidro. O CFW é um marcador
usado comumente para marcar a parede celular de fungos e leveduras, uma vez que se liga à
quitina presente nessa estrutura. Usando uma toalha de papel, a lamínula foi suavemente
pressionada para remover o excesso de CFW e a conguração foi então selada para análise
posterior sob o microscópio. A microscopia confocal foi realizada usando um microscópio
invertido LSM 900 Airyscan com um Axio Observer 7 motorizado da Zeiss. A excitação
da amostra foi realizada usando dois lasers com comprimentos de onda adequados para
observação de uorescência dos dois marcadores adotados. Para o Calcouor White, foi
utilizada uma fotoexcitação em 405 nm, com o intervalo de detecção de emissão entre 435
e 490nm. Para o CD-ANS, foi utilizada uma fotoexcitação em 488 nm, com detecção de
emissão entre 525 nm e 575 nm. Para o CD-MR, as amostras foram excitadas em 561
nm, com intervalo de detecção entre 570 nm e 650 nm. As imagens foram adquiridas no
modo Airyscan.

8.1.2 Rendimento quântico de geração de oxigênio reativo
Uma solução estoque de DPBF foi preparada, dispersando o composto em etanol
(0,1 mM), e armazenada em frasco âmbar escuro a 4

◦

C. A solução estoque foi usada

para preparar uma solução de trabalho de DPBF em 50/50 (v/v) de etanol (EtOH)
e H2 O para as medições de geração de ROS. Com isso, uma mistura 90/10 (v/v) de
soluções de trabalho de DPBF e CD-ANS foi excitada com um laser de diodo CW e λexc
= 532 nm (Verdi-V6, Coherent).

Para irradiação homogênea da cubeta, o feixe laser

polarizado linearmente foi expandido usando uma lente convergente com distância focal
de 5 cm.

A distância entre o ponto focal da lente e a cubeta era de 40 cm.

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O tempo

114

de excitação da solução de DPBF/CD-ANS variou entre 0 e 10 min. Um espectrômetro
UV-vis (USB2000, Ocean Optics) foi usado para registrar os espectros de absorção em
tempo real e a iluminação por luz branca foi obtida com uma fonte de luz halógena (HL
2000, Ocean Optics).

A eciência de geração de ROS, Φ∆ , pelos pontos quânticos de

carbono após fotoexcitação foi determinada utilizando Azul de Metileno como amostra
padrão, uma vez que esse corante apresenta eciência de geração de ROS em torno de
57%. O DPBF foi adquirido da Sigma Aldrich e foi utilizado sem puricação adicional.

8.1.3 Teste Kirby-Bauer (teste de difusão de disco)
As leveduras foram cultivadas em placas de petri com YPD e incubadas a 25-28 ºC
dois dias antes do teste de Kirby-Bauer. O teste foi realizado em ágar Mueller-Hinton.
A suspensão do patógeno foi feita utilizando caldo YPD. Após a medição de DO532 , um

swab estéril foi embebido na suspensão e o excesso de líquido foi removido pressionando
suavemente o swab no lado interno do tubo. Em seguida, o swab foi esfregado no ágar
Mueller-Hinton em quatro direções para garantir um crescimento uniforme.

Discos de

papel com 0,5 cm de diâmetro contendo 120 µL de CD-ANS foram cuidadosamente colocados no centro de cada placa e incubados a 35

◦

C por 48h. As amostras foram divididas

em dois grupos: aquelas que foram deixadas no escuro e aquelas que foram expostas à
iluminação constante de um conjunto de LEDs de 532 nm com potência de 10 mW.

8.2 Resultados
8.2.1 Imageamento com CD-MR
No capítulo 7, a característica fotodinâmica do CD-MR foi amplamente estudada, bem
como sua baixa toxicidade às leveduras C. albicans e C. neoformans. Foi vericado que o
caráter antimicrobiano do CD-MR não é inerente da nanopartícula, ou seja, sua estrutura
físico-química não interfere nos processo biológicos que mantêm a célula viva. O material,
no entanto, funciona de forma ecaz como fotossensibilizador em Terapia Fotodinâmica
Antimicrobiana (TFA). As análises microscópicas apresentadas na Fig.(7.12) indicaram a
internalização do CD-MR nas células de C. neoformans, o que abre a possibilidade para
outras análises. As curvas de crescimento exibidas na Fig.(7.9) indicam ainda que a internalização do CD-MR pela levedura, apesar de interferir um pouco com o desenvolvimento
das unidades formadoras de colônia, não induz a sua morte.
Dada as propriedades fotoluminescentes do CD-MR, avaliou-se a possibilidade da sua
aplicação como biomarcador. A biomarcação é importante para a visualização de estruturas, através de técnicas microscópicas de uorescência, que a microscopia convencional
de campo claro muitas vezes não mostra. Sendo assim, as células de C. albicans e C. neo-

formans foram usadas como modelo. A Fig.(8.1) mostra a comparação da microscopia de
Tese de Doutorado

115

(a) Imagem de campo claro e (b-d) imagens de microscopia confocal de células de
C. neoformans incubadas com CD-MR. (b) O canal azul corresponde à coloração da membrana
celular com Calcoúor White (CFW), enquanto (c) o brilho alaranjado corresponde ao CD-MR.
(d) As uorescências exibidas em (b) e (c) são combinadas.
Figura 8.1:

Fonte: Autor, 2024.

campo claro (Fig.(8.1-a)) com a microscopia confocal (Fig.(8.1-b, c e d)) realizadas com
a levedura C. neoformans.
As células da levedura permaneceram íntegras durante todo o tempo da medida, como
pode ser vericado pela marcação do corante Calcuuor White (CFW) na parede celular.
Esse corante se liga exclusivamente à quitina, um polissacarídeo componente da parede
celular de leveduras e fungos, sendo essa uma a ferramenta para conrmar que não houve
lise (ruptura) da parede celular durante o procedimento. A Fig.(8.1-b) exibe a uorescência azul do CFW (com excitação em 405 nm) em todas as células captadas, enquanto a
uorescência alaranjada do CD-MR (excitação em 561 nm) é mostrada na Fig.(8.1-c). Na
sobreposição dessa duas imagens, Fig.(8.1-d), é possível constatar que a uorescência do
CD-MR vem de regiões internas à uorescência do CFW, apontando para a total internalização do ponto quântico de carbono na célula. Este resultado mostra que o CD-MR é

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116

incorporado pelas células de C. neoformans, atravessando assim a membrana celular. Este
resultado é importante pois não foi realizado nenhum tipo de tratamento para aumentar
a permeabilidade da membrana destas leveduras, indicando que há um processo efetivo
de incorporação das nanopartículas.

(a) Imagem de campo claro de células de C. albicans incubadas com CD-MR. As
imagens de microscopia confocal são exibidas nos demais quadros: (b) uorescência azul indicando a marcação da membrana celular por Calcoúor White (CFW); (c) uorescência alaranjada
corresponde ao CD-MR; (d) A imagem combinada dessas duas uorescências.

Figura 8.2:

(a)

(b)

(c)

(d)

Fonte: Autor, 2024.
Com o objetivo de vericar se a incorporação do CD-MR é exclusivo para as células
de C. neoformans, foi realizada uma análise semelhante para a levedura C. albicans, como
mostra as imagens na Fig.(8.2). Assim como no caso do C. neoformans, a levedura C.

albicans também internaliza o CD-MR, mantendo a integridade celular. Este resultado
indica que os pontos quânticos derivados do vermeho de metila são capazes de penetrar em
células de leveduras, sem alterar o mecanismo celular. O CD-MR demonstrou facilidade
em penetrar a parede e membrana celular das duas leveduras estudadas e se espalhar
pelo conteúdo citoplasmático sem, contudo, se ligar a alguma organela especíca.

Tese de Doutorado

Foi

117

observada uorescência em células de tamanhos variados, indicando a internalização de
indivíduos em vários estágios de crescimento, inclusive em brotamentos (novas células
"nascendo"a partir de células vivas maduras), o que sugere que o CD-MR, além de não
ser tóxico para as leveduras, participa do processo de divisão celular e reprodução dentro
do tempo da medida. Isso sugere que, uma vez incorporado, o CD-MR será transferido
para outras células durante a crescimento da cultura. Esse resultado explica os grandes
halos de inibição observados nos testes de Kirby-Bauer apresentado no Capítulo 7.
Figura 8.3: Geração de ROS pelo CD-ANS e Azul de Metileno sob excitação laser em 532 nm
durante 10 min. O gráco mostra o decaimento na intensidade da banda de absorção do DPBF
no escuro (quadrados azuis), sob fotoação do CD-ANS (círculos roxos) e do Azul de Metileno
(triângulos magentas).

Absorção Normalizada

1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0

Tempo (min)
Fonte: Autor, 2024.

8.2.2 Imageamento com CD-ANS
O CD-ANS também foi investigado como biomarcador nesse trabalho. Para isso, seu
rendimento quântico de geração de oxigênio reativo (ROS) foi avaliado com o corante
Azul de Metileno como referência e o sequestrador de oxigênio DPBF. O ensaio teve o
objetivo de vericar se o CD-ANS poderia induzir uma ação fotodinâmica dentro das
células.

Na Fig.(8.3), são exibidos os valores normalizados correspondentes ao pico de

absorção do DPBF em torno de 413 nm. Foram realizados ensaios com solução de DPBF
no escuro e, em seguida, com a solução de DPBF contendo 5% de CD-ANS ou do Azul de
Metileno e sob iluminação laser em 532 nm e 40 mW de potência. Durante 10 minutos de
observação, foi vericado que o CD-ANS induz pouquíssima foto-oxidação sobre o DPBF,
com um rendimento quântico estimado em 0, 2%. Esse resultado está de acordo com o

Instituto de Física - UFAL

118

esperado para nanopartículas que realizam TADF. A uorescência ativada termicamente
(var capítulo 5) indica que a repopulação do estado singleto a partir do tripleto é um
impedimento para que exista transferência de energia e carga elétrica do estado tripleto
da nanopartícula para o oxigênio molecular. Em outras palavras, a geração de ROS e a
o fenômeno de TADF têm origem no mesmo estado de energia, de modo que ou um ou
outro processo será favorecido.

A presença de estruturas sulfuradas e nitrogenadas no

CD-ANS facilita o fenômeno de TADF.

Teste de Kirby-Bauer para vericar a ação fotodinâmica do CD-ANS em leveduras.
Imagens das placas tratadas (a) no escuro e (b) com iluminação LED (532nm, 10 mW).
Figura 8.4:

Fonte: Autor, 2025.
A atividade antimicrobiana do CD-ANS foi analisada através do teste semi-quantitativo
de susceptibilidade de Kirby-Bauer. Na Fig.(8.4-a) pode-se vericar que o CD-ANS não
promove inativação da levedura C. neoformans e uma pequena região de baixo crescimento é observada ao redor de um dos discos na placa de C. albicans.

Apesar disso,

o crescimento de células nessa região existe, sugerindo que o CD-ANS não possui ação
antimicrobiana intrínseca.

Na Fig.(8.4-b), a ação fotodinâmica do CD-ANS foi avali-

ada. Novamente, nenhuma zona considerável de inibição é observada ao redor dos disco.
Esses ensaios mostram que o CD-ANS, diferente do CD-MR, não possui característica

Tese de Doutorado

119

antimicrobiana com ou sem ativação por luz.
Dessa maneira, os ensaios de imageamento foram realizados. A imagem de campo claro
na Fig.(8.5-a) exibe células da levedura C. albicans em diferentes estágios de crescimento,
incluindo células maduras e aquelas em processos de brotamento individual ou múltiplo.
A formação de protrusões na superfície celular torna-se evidente devido à coloração com
CFW, conforme mostrado na Fig.(8.5-b).

Além disso, a uorescência do CD-ANS sob

excitação a 488 nm (canal verde) é exibida na Fig.(8.5-c) e sugere que a nanopartícula
consegue penetrar a parede e membrana celular e se espalhar pelo citoplasma. A imagem
combinada na Fig.(8.5-d) conrma a total internalização do CD-ANS pela levedura. Além
disso, a integridade das células foi mantida após a internalização do CD-ANS e iluminação
por laser.

Microscopia de (a) campo claro e (b-d) confocal de células de C. albicans incubadas
com CD-ANS. (b) O canal azul corresponde à coloração da membrana celular com Calcoúor
White (CFW), enquanto (c) a uorescência verde corresponde ao CD-ANS dentro das células.
(d) Sobreposição das imagens (b) e (c).
Figura 8.5:

(a)

(b)

(c)

(d)

Fonte: Autor, 2024.
Adicionalmente, a distribuição do CD-ANS no meio intracelular não é uniforme, já

Instituto de Física - UFAL

120

que a uorescência está ausente em algumas regiões das células de levedura.

Esses re-

sultados indicam que o CD-ANS se dispersa bem por todo o citoplasma da célula, mas
não se agrega às organelas da levedura. Além disso, observa-se que esse PQC também
é transferido durante o processo de brotamento.

De forma similar, a levedura C. neo-

formans internalizou completamente o CD-ANS e as microscopias estão exibidas na Fig.
(8.6). Nessa levedura, o CD-ANS também se espalha por todo o citoplasma sem se ligar especicamente a alguma organela, mas sem desencadear processos de lise ou morte
celular.

(a) Imagem de microscopia de campo claro e (b-d) imagens de microscopia confocal
de células de C. neoformans incubadas com CD-ANS. (b) O canal azul corresponde à coloração da
membrana celular com Calcoúor White (CFW), enquanto (c) o brilho esverdeado corresponde
ao CD-ANS. (d) A imagem combinada sugere que o CD-ANS pode penetrar a membrana celular
e acessar o ambiente intracelular.
Figura 8.6:

(a)

(b)

(c)

(d)

Fonte: Autor, 2024.

Tese de Doutorado

121

8.3 Conclusões e Perspectivas
Tanto o CD-MR quanto o CD-ANS foram ecientes em marcar o citoplasma das duas
leveduras utilizadas como modelo de células. Apesar das diferenças estruturais e nas características ópticas, essas duas nanopartículas parecem ser internalizadas pelas leveduras
seguindo processos semelhantes e não causam danos. Elas são facilmente absorvidas por
células em diferentes estágios de amadurecimento e, uma vez tendo se espalhado por todo
o citoplasma, são carregadas para novas células que surgem por brotamento a partir de
células maduras.

Como, no brotamento, uma porção do citoplasma da célula madura

é transferido para a célula em crescimento, O CD-MR e o CD-ANS acompanham essa
transferência sem causar nenhum dano aparente às duas células.

Consequentemente, o

CD-MR e o CD-ANS são excelentes candidatos a biomarcadores para monitorar a atividade intracelular durante o brotamento, além do comportamento do citoplasma quando a
célula é submetida a diversos ambientes. Como perspectivas, várias outras investigações
precisam ser realizadas, como o estudo da carga elétrica supercial do CD-MR e CD-ANS,
um parâmetro fundamental para entender a anidade entre a nanopartícula e a parede
celular das leveduras.

Além disso, o monitoramento da atividade celular ao longo do

tempo também precisa ser investigado.

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9
Conclusões gerais e Perspectivas
No presente manuscrito, investigamos as propriedades ópticas de dois pontos quânticos
de carbono (CD-MR e CD-ANS) em diversas aplicações. Estudamos as propriedades antimicrobianas do CD-MR, sintetizado a partir do corante azo Vermelho de Metila. Vericamos a alta eciência na geração de espécies reativas de oxigênio por essas nanopartículas
após exposição à luz verde, o que pode ser explorado no tratamento de microrganismos
patogênicos.

A atividade antimicrobiana dos pontos de carbono foi avaliada contra as

bactérias S. aureus e E. coli e leveduras C. albicans e C. neoformans, em ensaios com
e sem incidência de luz. Observamos que o CD-MR não possui propriedades intrínsecas
antimicrobianas, mas é um excelente gerador de ROS sob excitação de luz, e foi eciente
em induzir inativação da bactéria S. aureus e das duas leveduras. A bactéria E. coli não
demonstrou sensibilidade ao CD-MR. Os quatro microrganismos tratados nesse trabalho
são patógenos de grande preocupação médica, uma vez que são abundantes no cotidiano
humano, muitas vezes vivendo em harmonia com pessoas, mas são a causa de doenças
sérias. Além disso, o número de cepas que têm desenvolvido resistência a antimicrobianos
aumenta a cada ano, um problema que pode culminar na falha total desses medicamentos [226]. Assim, é urgente, o desenvolvimento de técnicas que promovam inativação de
patógenos e superem as barreiras de resistência a medicamentos.
Nesse trabalho, também sintetizamos e investigamos a morfologia e as propriedades espectrais do ponto quântico de carbono CD-ANS, derivado do ácido 5-amino-2naftalenossulfônico (5ANS2). As investigações morfológica e de composição química revelaram a presença de grupos funcionais remanescentes do precursor, com grupos amina

2
e ácido sulfônico acoplados na superfície, e um núcleo grafítico rico em carbono sp . A
assinatura espectral da nanopartícula também foi investigada e os resultados mostraram
que o CD-ANS exibe um amplo espectro de emissão com múltiplas bandas, sensíveis a
pequenas modicações externas.

O perl de emissão apontou para a possibilidade do

uso do CD-ANS em detecção raciométrica. Com isso, exploramos seu uso como quimiossensor, incluindo monitoramento de pH e detecção de metanol e metomil em água. A
sensibilidade do CD-ANS à variação de pH na solução aquosa foi medida observando os
deslocamentos horizontais nos espectros de emissão. Isso é um indicativo da mudança nos
processos de protonação e desprotonação dos sítios luminescentes superciais da nanopartícula. Os estados de superfície também apresentaram sensibilidade aos íons metálicos

122

123

2+
e SnFe . A diminuição na intensidade de emissão com o acréscimo desses íons pode

indicar transferências entre elétrons excitados nos sítios luminescentes dos PQCs para os
íons. A resposta óptica à presença de metomil e metanol como poluentes foi observada
como um aumento pronunciado na intensidade de emissão de CD-ANS, com mudanças na
sua distribuição espectral. Com relação a resposta do CD-ANS à variação térmica, identicamos o processo de uorescência termicamente ativada, observada a partir do aumento
na intensidade de emissão acompanhando o aumento na temperatura.
O efeito de dopagem com nitrogênio e enxofre na síntese do CD-ANS também foi
investigado. Vericamos que a inserção desses heteroátomos na matriz carbônica do CDANS não afetou signicativamente a sua estrutura física.

As nanopartículas dopadas

(CD-ANSt) parecem carregar os mesmo grupos funcionais, em quantidades similares, e
possuir a mesma estrutura grafítica interna que a nanopartícula inicial (CD-ANS). Entretanto, as característica ópticas são amplamente afetadas pela dopagem, como mudanças
nos pers espectrais de absorção, emissão e tempo de vida. Vericamos que a dopagem
é uma excelente maneira de sintonizar as propriedades de pontos quânticos de carbono,
sempre visando melhorar suas características ópticas. Finalmente, estudamos a aplicação
de bioimagem do CD-MR e do CD-ANS, usando as leveduras C. albicans e C. neoformans
como modelos celulares.

As imagens de uorescência confocal revelaram que a uores-

cência dos dois PQCs pode ser usada para monitorar a atividade intracelular durante
o processo de brotamento.

Além disso, vericamos que as nanopartículas são comple-

tamente internalizadas pelas células, ocupando todo o citoplasma, mas sem se ligar a
organelas especícas. Essas descobertas demonstram que os pontos quânticos de carbono
investigados nesse trabalho são nanomateriais robustos que podem ser usados em métodos analíticos rápidos e de baixo custo para controlar e monitorar condições ambientais
e processos físico-químicos, além de apresentar fotoatividade contra microrganismos. A
versatilidade dessas nanopartículas nos incentiva a realizar outras investigações, o que
inclui inativação de biolmes celulares, aplicação em sistemas de microuídica, marcação
de células de mamíferos e aplicação em células solares.

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Apêndice

Natureza das interações entre luz e
matéria
A.1 Estrutura da matéria
Toda matéria conhecida no universo é formada pelo mesmo conjunto de partículas,
que se agregam em quantidades distintas para formar os átomos de todos os elementos
da tabela periódica. Prótons, elétrons e neutrons são os ingredientes fundamentais para
a criação de átomos e as suas interações, mas outras partículas desempenham papeis importantes na formação da matéria detectável, como quarks, múons e tau.

Prótons são

partículas que possuem carga elétrica positiva, enquanto elétrons são carregados negativamente e neutrons não possuem carga elétrica. O núcleo dos átomos é formado pelo
aglomerado de prótons e neutrons ligados entre si pela força nuclear, que tem atuação na
escala de femtometros (fm). Essa força é repulsiva a distâncias muito curtas, limitando
o quão perto os prótons e neutrons podem chegar uns dos outros, se torna atrativa para
distâncias maiores e cai rapidamente para zero a poucos femtometros de distância do
núcleo. No núcleo atômico, a força nuclear é absurdamente mais intensa que a força de
Coulomb, o que impede que os prótons se repilam [243].
Para além do diâmetro do núcleo, as forças coulombianas dominam e mantém os
elétrons ligados aos núcleos atômicos, ocupando zonas discretas de energia.

O número

de elétrons ligados a um núcleo vai depender, em um cenário inicial, da quantidade de

prótons presentes nesse núcleo, uma vez que as cargas de um elétron e um próton tem
mesmo valor absoluto ( ), mas com sinais opostos. Assim, em uma matéria eletricamente
neutra, todos os átomos têm o mesmo número de prótons e elétrons. As zonas de energia
consideradas ao redor do núcleo são chamadas de orbitais atômicos ou estados de energia
e são representadas por funções de onda, soluções das equações de onda associadas aos
elétrons, que indicam os locais de maior probabilidade de ocupação eletrônica.

A Fig.

(A.1) mostra a representação de um átomo de Hidrogênio (H), com um próton ligado a
um neutron e com um elétron orbitando esse núcleo. Observe que não foi representado
apenas um elétron ao redor do núcleo, mas todo o orbital atômico é representado por
inúmeras probabilidades de ocupação desse único elétron.

Enquanto o orbital é uma

região no espaço, a nuvem eletrônica é o próprio elétron representado por todas as suas

124

125

Representação do átomo de hidrogênio, com um próton ligado a um neutron
formando o núcleo, e a nuvem eletrônica ocupando um orbital ao redor desse núcleo. Essa
nuvem corresponde ao conjunto de possibilidades de ocupação de apenas um elétron.
Figura A.1:

Fonte: Autor, 2023.

probabilidades de ocupação nesse orbital.

Assim, o aglomerado de prótons e neutrons

cercado por orbitais que podem ser ocupados por elétrons é a conguração de um átomo,
a menor quantidade de um elemento [244, 245].
Como consequência da natureza quântica dessas partículas, o Princípio da Incerteza
informa que é impossível determinar a posição exata de um elétron em um átomo. Os
orbitais apresentam energias especícas, sendo ocupados por elétrons que carregam essa
mesma quantidade de energia e que serão atraídos pelos núcleos com maior ou menor
intensidade.

Os elétrons ocupando os orbitais mais internos, ou seja, mais fortemente

atraídos pelos prótons, são chamados de elétrons nucleares, enquanto que aqueles em
orbitais mais externos são chamados de elétrons de valência [246]. Os orbitais atômicos
apresentam formatos especícos, com regiões onde a função de onda do elétron pode assumir valores positivo, negativo ou nulo. Experimentalmente, observamos orbitais esféricos
com o núcleo atômico no seu centro, como é o caso dos orbitais tipo s (1s, 2s,...). Outros
orbitais, os do tipo p (2p, 3p,...), apresentam formato de haltere, com regiões de alta
densidade eletrônica simetricamente opostas ao redor do núcleo, e um plano nodal, com
probabilidade nula de ocupação eletrônica, passando exatamente pelo núcleo atômico. A
Fig.(A.2) mostra ilustrações desses dois tipos de orbital. Os orbitais p, por sua característica geométrica, são degenerados, ou seja, se manifestam em mais de uma conguração
(nesse caso, três) com mesma energia. Orbitais atômicos são descrições topológicas distinguidos entre si pelos números quânticos que descrevem completamente um sistema
quântico. Sendo assim, outros tipos de orbitais são possíveis, com letras e números que
os identicam.
Quando átomos interagem uns com os outros, eles o fazem através dos seus elétrons

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126

Representação de orbitais tipo (a) s e (b) três orbitais degenerados tipo p. Veja
que cada orbital degenerado é perpendicular aos outros dois.

Figura A.2:

(a)

(b)

Fonte: Modicado de Housecroft, 2012 [245].

de valência e formam ligações que dão origem às moléculas ou sofrem transferência de
elétrons, formando os íons. Com exceção dos gases nobres, os demais elementos da tabela
periódica apresentam menos elétrons na sua camada de valência do que o necessário para
se tornar um átomo estável. Essa é a razão pela qual as interações atômicas aconteçam.
Os átomos precisam realizar ligações para se estabilizarem. As ligações covalentes têm
como base o compartilhamento de elétrons entre dois ou mais átomos. Os orbitais dos
diferentes átomos se sobrepõem, provocando uma reorganização dos seus elétrons e dos
estados de energia ao redor dos núcleos (que permanecem inalterados).
Da sobreposição de orbitais atômicos surge os orbitais moleculares, que representam
novos possíveis estados de energia para ocupação eletrônica.

Os elétrons de valência,

em uma ligação covalente, não pertencem apenas ao seu átomo de origem, mas a toda
a estrutura formada, sendo experimentado por todos os núcleos presentes.

Os elétrons

nucleares, por outro lado, permanecem ligados ao núcleo do seu átomo de origem, contribuindo fracamente para a ligação molecular, e de forma repulsiva. Átomos que se ligam
covalentemente formam uma estrutura eletricamente estável chamada molécula. A molécula é a unidade fundamental de um composto que contém todas as características do
composto [246, 247].
Uma ligação iônica, em contrapartida, acontece quando dois ou mais átomos interagem
entre si por meio da transferência de elétrons. Nesse cenário, alguns átomos perderão elétrons, fazendo com que sua carga líquida que positiva, sendo identicados como cátions.

Tese de Doutorado

127

(a) Estrutura química da molécula de etanol, mostrando o arranjo formado pelos
seis átomos de hidrogênio (esferas azuis), os dois de carbono (esferas rosas) e o átomo de oxigênio
(esfera verde) (b) Cadeia de íons do composto Cloreto de Sódio..
Figura A.3:

(a)

Fonte: Autor, 2023.

Por outro lado, outros átomos ganharão elétrons, tornando-se virtualmente negativos,
sendo chamados de ânions. Um átomo com carga líquida diferente de zero (cátions ou
ânions) é chamado de íon.

Um material formado a partir de ligações iônicas terá, na

sua estrutura, uma cadeia de íons ligados entre si em padrões que se repetem, mas que
não apresentam uma unidade fundamental. Em outras palavras, um íon não está para
a ligação iônica como a molécula está para a covalente, e isso se deve ao fato de que
um ânion sempre vai atrair os cátions ao seu redor e vice-versa, sendo impossível separar uma unidade eletricamente estável que represente o material [246, 247]. Vale notar,
entretanto, que moléculas iônicas são comuns e acontecem quando uma molécula perde
ou ganha elétrons, mas continua sendo uma molécula; uma estrutura covalente ionizada,
mas não iônica. A Fig.(A.3) apresenta um exemplo de molécula e de íon. Observe que
a cadeia de átomos que forma o íon pode continuar indenidamente sem uma unidade
eletricamente estável possível de ser isolada.
Na Teoria dos Orbitais Moleculares (MO, do inglês Molecular Orbitals ), consideramos
as moléculas como um conjunto organizado de núcleos atômicos com um número de elétrons ligados a cada um desses núcleos e outra quantidade ocupando regiões internucleares.
Em um tratamento ondulatório, cada elétron é representado por uma função de onda, que
descreve igualmente o seu orbital atômico. Na sobreposição de orbitais atômicos, essas
funções de onda se combinam e dão origem às funções de onda dos orbitais moleculares.
Essa descrição fornece ferramentas matemáticas muito fortes para a determinação das
regiões que podem ou não ser ocupadas por elétrons durante uma ligação química [244].
Os orbitais atômicos e moleculares, contudo, nem sempre estão preenchidos por elétrons e
para entender como popular esse orbitais, existem três regras fundamentais que precisam
ser seguidas. Assim como os orbitais atômicos, os orbitais moleculares apresentam maior
ou menor energia e a primeira regra, o Princípio de Aufbau, determina que os orbitais
menos energéticos precisam ser ocupados antes dos mais energéticos. Isso signica que os

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128

orbitais não são preenchidos aleatoriamente, mas sempre atendem ao princípio natural de
minimização de energia.
A segunda regra é a Lei de Hund e considera a degenerescência dos orbitais. Nessa
situação, cada orbital degenerado é preenchido com um elétron, todos com o mesmo spin,
e, caso ainda existam elétrons disponíveis, eles serão alocados com o spin oposto nesses
orbitais. Essa lei estabelece que num conjunto de orbitais degenerados, nenhum orbital
pode estar completamente preenchido antes que todos os orbitais tenham, pelo menos, um
elétron. A terceira regra é o Princípio de Exclusão de Pauli que estabelece que cada orbital
deve possuir apenas dois elétrons e eles não podem ter a mesma identidade quântica, ou
seja, os mesmos valores dos números quânticos. Os números quânticos são quantidades
que especicam completamente um sistema quântico:

o número principal n especica

o estado de energia ocupado pelo elétron; o número azimutal l informa o seu momento
angular orbital; enquanto que o número magnético m determina a orientação do orbital
no espaço, especicando as componentes do momento angular orbital que estão no eixo de
orientação; e, por m, o número de spin s descreve uma característica puramente quântica
do sistema [246].
Para elétrons ocupando o mesmo orbital molecular, os três primeiros números serão
sempre os mesmos porque eles dizem respeito ao orbital. No entanto, o número de spin
é uma característica exclusiva do elétron. Dessa forma, o Princípio de Exclusão de Pauli
estabelece que os dois elétrons ocupando o mesmo orbital molecular precisam ter spins
opostos.

Essas regras de seleção são independentes do número de elétrons envolvidos

nas ligações atômicas, elas existem porque os orbitais moleculares são formados como
resultado da combinação linear das funções dos orbitais atômicos. Orbitais moleculares,
assim como os atômicos, são regiões disponíveis para ocupação eletrônica, independente
de existir ou não elétrons disponíveis para ocupá-los [246]. A Fig.(A.4) mostra a sequência
de ocupação eletrônica para um átomo de oxigênio.
Uma regra canônica na Teoria dos Orbitais Moleculares é que a quantidade de orbitais
atômicos participantes numa ligação covalente é igual à quantidade de orbitais moleculares
resultantes. Quando há a sobreposição colinear dos orbitais atômicos para formar o orbital
molecular, dizemos que o orbital é do tipo sigma (σ ). Os orbitais σ apresentam simetria
em torno do eixo que dene a ligação, de modo que não há mudança de fase da função
de onda quando há uma rotação em torno desse eixo.

Os orbitais σ podem ser então

decorrentes da sobreposição de dois orbitais atômicos do tipo s, ou de um orbital s com
um orbital p, ou ainda de dois orbitais p.

Por outro lado, quando há a sobreposição

lateral de dois orbitais do tipo p, perpendicular ao eixo de simetria, temos a formação de
um orbital molecular do tipo π . Nesse caso, uma rotação ao redor do eixo de simetria
resultará numa mudança de fase da função de onda resultante.

Como a sobreposição

linear de dois orbitais atômicos, ψA e ψB , pode ocorrer de forma simétrica (ψA + ψB )
ou anti-simétrica (ψA − ψB ), há a formação de dois orbitais moleculares com energias

Tese de Doutorado

129

Diagrama de distribuição eletrônica para o átomo de oxigênio. De (a) até (b),
observamos o preenchimento dos orbitais disponíveis a partir do menos energético (1s) até o mais
energético (2p), como manda o Princípio de Aufbau. Em (c), o preenchimento segue a lei de
Hund nos orbitais degenerados 2p. (d) E, por último, seguindo o Princípio de exclusão de Pauli,
os elétrons restantes são acomodados nos orbitais com apenas um elétron, do menos energético
ao mais energético, mas com orientação de spin diferente.
Figura A.4:

(a)

(b)

Energia

2p
2s

(c)

(d)

Energia

Fonte: Autor, 2024.

diferentes, denominados de orbitais ligante e anti-ligante. Isso independe se o orbital é do
tipo σ ou π . O orbital anti-ligante é usualmente escrito com um asterisco. Por exemplo,

σ∗ é o orbital antiligante decorrente da combinação anti-simétrica (ψA − ψB ), enquanto
σ é o orbital ligante resultante da combinação simétrica (ψA + ψB ).
O orbital molecular ligante representa um aumento na densidade de probabilidade na
região entre os dois núcleos que participam da ligação, uma vez que as funções de onda dos
orbitais atômicos se somam. Isso reduz a repulsão entre os dois núcleos, o que estabiliza
a molécula. Já no orbital antiligante, é formado um plano nodal, onde a probabilidade de
ocupação eletrônica é nula na metade da linha que liga os dois núcleos. Isso aumenta a repulsão entre os dois átomos indicando uma desestabilização da molécula[245]. A Fig.(A.5)
mostra o diagrama de distribuição eletrônica na formação da molécula de oxigênio a partir dos dois átomos de oxigênio. Observe que apenas os orbitais 2s e 2p de cada átomo
participam da ligação, uma vez que eles comportam os elétrons de valência. Nos orbitais
1s estão populados os elétrons nucleares, que não participam da ligação química (e não

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130

Esquema de formação do oxigênio molecular a partir de dois átomos de oxigênio.
O número de orbitais moleculares (σ e π ) é igual ao número de orbitais atômicos
Figura A.5:

σ*

Energia

π*
2p

σ*
2s

Fonte: Autor, 2024.

são mostrados na gura). Os orbitais atômicos 2s geram dois orbitais moleculares, σ e

σ∗, enquanto os orbitais degenerados 2p (três de cada átomo) geram seis orbitais moleculares, um σ e um σ∗, além de dois orbitais degenerados, π e π∗. Em um cenário geral,
as funções de onda moleculares, ligante e antiligante, podem ser escritas em função das
ligações atômicas, como mostra a eq.(A.1).

ψM = N ∗ (ψA + ψB )
∗
ψM
= N ∗ ∗ (ψA − ψB )
N e N

∗

são fatores de normalização.

(A.1)

A existência dos dois orbitais moleculares é

uma consequência de a função de onda do elétron ser positiva ou negativa, dependendo
da região onde se encontra. Assim, a sobreposição dos orbitais pode ser construtiva ou
destrutiva.

A.2 Hibridização
Nas ligações covalentes, os átomos se arranjam de maneira a minimizar a energia dos
orbitais moleculares formados, criando um sistema onde é mais estável para os átomos

Tese de Doutorado

131

estarem em ligação em detrimento de estarem livres. Isso resulta diretamente no fato de
que as moléculas possuem geometrias especícas de acordo com o tipo e quantidade de
átomos que a formam. Vimos na seção anterior que as ligações covalentes dão origem a
orbitais moleculares, de acordo com a Teoria dos Orbitais Moleculares. Existe, no entanto,
outra teoria que, apesar de ser equivalente e usar a mecânica quântica para explicar a
sobreposição dos estados de energia dos átomos, não considera a formação de orbitais
moleculares.

A Teoria da Ligação de Valência (VB, do inglês Valence Bond ) descreve

a ligação covalente como a sobreposição de estados de energia incompletos entre dois
átomos interagentes. Os elétrons de valência desemparelhados nesses estados passam a
ocupar novos estados mais estáveis e formam ligações químicas. Essas ligações químicas
são o equivalente aos orbitais moleculares na Teoria MO. Entretanto, nem sempre os
orbitais atômicos são compatíveis para criar ligações químicas, seja pela disparidade de
energia ou pela geometria desses orbitais que não favorecem uma eciente distribuição
dos elétrons.

Assim, dentro da teoria VB existe um modelo usado para descrever o

comportamento desses orbitais atômicos durante a formação de ligações químicas. É o
modelo de hibridização de orbitais [245, 247].
A hibridização diz respeito à mistura de características de orbitais atômicos no processo
de "criar"novos orbitais que terão o direcionamento espacial correto para a formação de
ligações químicas. Para esse modelo, usualmente consideramos uma molécula XYn onde
X é o átomo central e Yn são os n átomos que se ligarão a X. Observe que usamos a
palavra criar com cautela pois os orbitais híbridos não representam um fenômeno físico,
mas um modelo que se propõe a explicar a geometria das moléculas formadas. Com isso
em mente, podemos usar um exemplo simples para ilustrar a formação de um orbital
híbrido. A molécula de acetileno é formada por dois átomos de carbono, ligados entre si
por ligação tripla, e dois átomos de hidrogênio, cada um ligado a um carbono por ligação
simples. A estrutura de Lewis dessa molécula é mostrada a seguir

O átomo de hidrogênio possui apenas um elétron ocupando um orbital 1s que tem
simetria esférica, enquanto que o átomo de carbono possui seis elétrons de valência ocupando um orbital 2s (também esférico) e três orbitais degenerados 2p (2px , 2py e 2pz ).
Esses três últimos possuem formato de haltere e com eixos perpendiculares entre si. As
geometrias dos quatro átomos na molécula de acetileno não favorecem a formação de ligações químicas, mas a molécula é estável mesmo assim. O modelo de hibridização propõe,
então, que cada carbono utiliza o orbital 2s e um dos orbitais 2p, o 2px , por exemplo,
para formar dois orbitais híbridos sp, com mesmo valor de energia.
Cada orbital sp terá 50% das suas características correspondentes ao orbital 2s e 50%,
ao 2px .

Com esses novos orbitais, a distribuição eletrônica de cada carbono se torna

propícia para a formação da ligação química. Dessa maneira, cada carbono utilizará um

Instituto de Física - UFAL

132

Esquema para a formação de uma orbital híbrido sp através da combinação de
características dos orbitais 2s e 2px . Aqui consideramos apenas a soma das funções de onda.
Figura A.6:

Fonte: Autor, 2024.
orbital sp para formar uma ligação σ (ligação simples) com um hidrogênio.

A ligação

tripla entre os carbonos é formada pela ligação σ obtida entre os orbitais sp restantes de
cada carbono e as ligações π formadas pelos pares de orbitais 2p que não participaram
da hibridização [246]. A Fig.(A.6) ilustra o processo de formação de um orbital sp. Na
ilustração, foi exemplicado a soma das funções de onda de um orbital 2s e um orbital
2px , o que resulta em um orbital híbrido sp. Observe que um dos lobos é maior que o
outro no orbital híbrido porque representa a soma de orbitais com mesmo sinal (o lobo
de cor azul no orbital 2px tem mesmo sinal que o orbital 2s).
Perceba que a hibridização não ocorre durante as ligações atômicas, mas é um rearranjo
de energias entre os orbitais atômicos de cada átomo para, então, acontecer a ligação entre
eles. Outro exemplo de hibridização envolve a molécula de etileno, C2 H4 , cuja estrutura
de Lewis é exibida abaixo.

H
C

C
H

Essa estrutura de Lewis mostra que cada carbono tem simetria trigonal planar na
molécula, mas isoladamente, cada átomo de carbono tem quatro orbitais de valência. A
estrutura da molécula de etileno aponta para a formação de orbitais híbridos sp

nos

átomos de carbono, misturando as características do orbital 2s e de dois orbitais 2p;

2
consideramos 2px e 2py . Essa mistura resulta na formação de três orbitais sp em cada
carbono, dois dos quais serão usados para realizar ligação simples (σ ) com dois hidrogênios,
restando o último que vai formar uma das ligações na ligação dupla entre os carbonos
[247].

A ligação dupla é completada pela ligação π realizada entre os orbitais 2pz dos

dois carbonos.

3
Seguindo esse raciocínio, percebemos que uma hibridização do tipo sp

resulta da mistura das características de um orbital tipo s e três orbitais p. Esse é o caso
da molécula de metano (CH4 ) que possui simetria tetraédrica e todos os átomos ocupam
o mesmo plano, como exibido no esquema abaixo. Sem a hibridização, cada hidrogênio
faria uma ligação com um dos quatro orbitais do carbono, mas uma ligação do orbital 1s

Tese de Doutorado

133

do hidrogênio com o 2s do carbono não é igual à ligação com os orbitais 2p. Para que

3
a teoria concorde com as observações experimentais, os quatro orbitais sp precisam ser
formados e cada um realizará ligação simples (σ ) com um hidrogênio [246].

H
H

H
O modelo de orbitais híbridos é uma ferramenta poderosa para unir as observações
experimentais, feitas das estruturas moleculares de vários compostos, com as teorias do
Orbital Molecular e de Ligação de Valência.

Uma vez que um orbital híbrido sempre

aponta para o átomo com o qual vai realizar a ligação, as ligações envolvendo orbitais
desse tipo são sempre σ . Dessa maneira, orbitais sp
ao passo que orbitais sp

formam apenas ligações simples (σ ),

formam ligações simples e participam de ligações duplas (uma

σ e uma π ), e orbitais sp podem formar ligações simples e participar de ligações duplas
ou triplas (uma ligação σ e duas ligações π ) [246].

A.3 Interação entre luz e matéria
Nós enxergamos o mundo por que as incontáveis moléculas e átomos dos quais a matéria é feita tem suas estruturas eletrônicas suscetíveis a reorganizações quando interagem
com a luz.

No cenário espectroscópico, chamamos de luz a porção visível do espectro

eletromagnético, mas também podemos incluir a faixa de ultravioleta (UV) próximo e do
infravermelho (IV) próximo.

A radiação eletromagnética é a variação espaço-temporal

simultânea dos campos elétrico e magnético e, portanto, tem inuência direta em partículas carregadas. Fenômenos como absorção, emissão e espalhamento são o resultado da
interação da radiação eletromagnética com os elétrons de valência de átomos e moléculas,
promovendo-os a estados de mais baixa ou mais alta energia. Nessa seção, vamos discutir
a respeito das interações fundamentais que ocorrem entre luz e matéria e os fenômenos
interessantes que resultam disso [248].

A.3.1 Coecientes de Einstein
Uma forma de quanticar a população e depopulação de estados de energia foi primeiramente proposta por Albert Einstein em 1917 num artigo intitulado On the Quantum

Theory of radiation [249]. Nesse trabalho, ele analisou a interação entre um campo de
radiação e átomos idênticos que possuíam dois níveis de energia; a energia do campo era
aproximadamente igual à energia de transição entre os dois níveis atômicos. Einstein observou processos de absorção e emissão de fótons pelos átomos e teorizou, considerando a

Instituto de Física - UFAL

134

Lei de radiação de Planck, que dado um sistema formado por N átomos em uma cavidade
sob a qual existe incidência de radiação com energia hν , dois processos de transição eletrônica são ativados pela interação dos fótons com os átomos e um terceiro é espontâneo e
depende exclusivamente de utuações quânticas. A teoria proposta por Einstein permitiu
o desenvolvimento dos seus coecientes de transição eletrônica, ou coecientes A e B .
Para determinar esses coecientes, consideremos a fotoexcitação de um átomo que tem
dois níveis de energia, E1 e E2 , correspondentes ao estado fundamental e a um estado
excitado, respectivamente. Nesse cenário, a transição eletrônica entre os estados acontece
se a energia da radiação incidente, hν , for igual a

hν = ∆E = E2 − E1

(A.2)

onde ν é a frequência da radiação. A população e depopulação dos estados são probabilísticas e podem ser descritas matematicamente se considerarmos coecientes de absorção
e emissão que simbolizam as probabilidades de transição entre os estados. O coeciente

B12 representa a probabilidade por unidade de tempo de o átomo sair do estado fundamental e ir para o estado excitado a partir da absorção de um fóton de energia hν
[250, 251].

Essa transição só pode ocorrer se houver interação entre átomos e fótons,

dado o princípio de conservação de energia, logo, a absorção é a única transição 1 → 2.
Partindo, agora, do estado excitado de energia, existem duas possíveis transições 2 → 1
com probabilidades distintas de acontecer. A primeira é a emissão espontânea, descrita
pelo coeciente A21 , que é o decaimento natural do átomo para o seu estado fundamental
sem a necessidade de interferência externa. Essa transição obedece tanto o princípio de
conservação de energia, pois emite um fóton, quanto o de minimização de energia, uma
vez que o átomo é mais estável no seu estado fundamental.
A segunda transição é a emissão estimulada que acontece quando um átomo já excitado
é incidido por um fóton com energia hν = ∆E . No lugar de absorver o fóton incidente,
o átomo libera a energia armazenada também na forma de fóton, com energia hν = ∆E .
O coeciente da emissão estimulada é B21 . Assim, o fóton emitido depois do estímulo é
coerente com o fóton incidente e tem mesma direção e energia.

Note que, assim como

a absorção, essa transição também precisa da interação entre átomos e fótons e também
obedece o princípio da conservação de energia.

Antes da transição, a energia total do

sistema átomo+fóton é a energia hν armazenada no átomo mais a energia hν do fóton
incidente.

Depois da transição, dois fótons deixam o átomo (o incidente e o emitido),

cada um com energia igual a hν , e o átomo retorna para o seu estado fundamental. Essas
três transições estão ilustradas no Fig.(A.7).

N = N1 + N2 moléculas não
interagentes, onde N1 é a quantidade de moléculas no estado fundamental e N2 , no estado
Agora consideremos um sistema de dois níveis com

excitado. As taxas de transição eletrônica entre os estados de energia dependem apenas

Tese de Doutorado

135

Esquema ilustrando os processos de (a) absorção, (b) emissão espontânea e (c)
emissão estimulada. A radiação incidente (seta curva) e a ocupação do elétron nos estados
preservam a energia do sistema nas três situações.
Figura A.7:

Fonte: Modicado de [250], 2025.

da população de cada estado, dos coecientes de Einstein e da densidade de energia (ρ(ν))
da radiação incidente, que é dada pela equação [A.3]

ρ(ν) =

8πhν 3
c3

1
ehν/kB T − 1

(A.3)

Vamos considerar o equilíbrio térmico quando as transições 1 → 2 forem iguais às transições 2 → 1. Dessa maneira, podemos escrever as taxas de absorção, emissão espontânea
e emissão estimulada, respectivamente, como

Tabs = B12 N1 ρ(ν),

(A.4)

Tesp = A21 N2 ,

(A.5)

Test = B21 N2 ρ(ν),

(A.6)

Importante ressaltar uma diferença sutil: os coecientes são probabilidades por unidade de tempo de cada transição acontecer e dependem apenas das propriedades dos
estados de energia, enquanto as taxas descritas dependem da densidade de energia incidente e da população de cada estado. Considerando que o sistema está em equilíbrio
térmico, as taxas de transição se relacionam por

Tabs = Tesp + Test
B12 N1 ρ(ν) = A21 N2 + B21 N2 ρ(ν)
A21 N2
N2
B12 =
+ B21
.
ρ(ν) N1
N1

(A.7)

No equilíbrio térmico, a probabilidade de ocupação de um estado é dada pela lei de

Instituto de Física - UFAL

136

Boltzmann

Nα ∝ e−Eα /kB T

(A.8)

= 1.38 × 10−23 J/K é a constante de Boltzmann, kB T é a energia térmica do
sistema e E é a energia do estado. As populações dos estados 1 e 2 obedecem a essa lei e
a razão entre elas, N2 /N1 , é dada por

onde kB

N2
= e−(E2 −E1 )/kB T = e−hν/kB T
N1

(A.9)

Dessa maneira, substituindo as eq.(A.9) e (A.3) na eq.(A.7), obtemos

A21 e−hν/kB T
+ B21 e+hν/kB T
ρ(ν)
3

c
−hν/kB T
B12 = A21 e
(ehν/kB T − 1) + B21 e+hν/kB T
3
8πhν

3
c
B12 = A21
(1 − e−hν/kB T ) + B21 e+hν/kB T
3
8πhν
B12 =

(A.10)

onde usamos a relação

e−hν/kB T (ehν/kB T − 1) = 1 − e−hν/kB T

(A.11)

Em altas temperaturas, T → ∞, a população dos dois estados ca aproximadamente

−hν/kB T
igual porque e
→ 1. Além disso, da eq. (A.10), obtemos a relação

B12 = B21

(A.12)

Isso signica que a probabilidade de absorção é igual à de emissão estimulada porque
as duas acontecem a partir do mesmo fenômeno quântico, ou seja, a interação de um fóton
com a molécula. São fenômenos simétricos. A baixas temperaturas, T → 0, temos que

e−hν/kB T → 0 e, da eq.(A.9) concluímos que N2 ≪ N1 , ou seja, a população do estado
excitado é praticamente nula porque não existe energia térmica o suciente para excitar
as moléculas. Nesse caso, das eq.(A.10) e (A.12), obtemos

A21 =

8πhν 3
B21 3
c

(A.13)

A eq.(A.13) mostra que A21 depende da densidade de estados do fóton incidente e,
quanto maior o valor de ν , maior a quantidade de estados disponíveis e maior a probabilidade de emissão espontânea [251].

A determinação dos coecientes de Einstein foi

fundamental para a criação do laser em 1960.

Uma fonte externa de energia oferece a

quantidade inicial de energia para os átomos do meio saltarem para os estados excitados.

Tese de Doutorado

137

A estimulação acontece até que ocorra uma inversão de população, com um número maior
de átomos no estado excitado do que no estado fundamental. A partir daqui, as interações
entre os fótons e os átomos excitados que não tiveram tempo de decair via emissão espontânea, iniciam processos de emissão estimulada. Com a fonte externa continuamente
inserindo energia no sistema, cada vez mais átomos decairão por emissão estimulada em
um efeito cascata.

Isso induz uma amplicação de radiação que permanece constante

enquanto houver alimentação externa de energia permite a produção de feixes colimados,
coerentes e monocromáticos, característica fundamental de lasers [248].

A.3.2 Transições eletrônicas e o Diagrama de Jablonski
A absorção de luz por uma molécula não acontece homogeneamente por toda a estrutura molecular, mas em regiões com conguração eletrônica propícia para isso. Sistemas
conjugados, que são formados pela alternância de ligações duplas e triplas de átomos e
grupos funcionais, possuem elétrons delocalizados e intervalos de energia (∆E ) ressonantes com as faixas UV e visível da radiação eletromagnética. Esses sistemas são chamados
de grupos cromóforos e são os responsáveis pela coloração de todos os corpos [252]. As
demais regiões da molécula não possuem ∆E dentro da faixa UV/Vis e, portanto, não
contribuem para a absorção de luz. Comumente, moléculas possuem vários cromóforos
que podem ter ou não o mesmo ∆E , resultando em matérias com uma variedade cores
que podem ser produzidas.
Esses cromóforos podem se sobrepor, inuenciando as assinaturas espectrais uns dos
outros, e quando essa inuência é muito grande, ou quando eles estão muito próximos,
pode-se considerar a criação de um novo cromóforo. Além disso, o espectro (visível) contínuo de cores é o resultado de vários cromóforos absorvendo simultaneamente frequências
diferentes de radiação. Numa molécula orgânica, algumas transições eletrônicas são im-

∗
∗
∗
portantes dentro de análises espectroscópicas, como, σ → σ , π → π e n → π . Aqui, n
representa um par de elétrons não ligantes de valência de algum heteroátomo (B, N, O, P,
S, etc) presente num grupo cromóforo; esses elétrons não participam de ligações químicas.
A transição do tipo σ → σ

∗

requer fótons de alta energia, com comprimento de onda da

ordem de 120 nm. A transição do tipo π → π

∗

ocorre para fotoexcitações entre 180 e 600

nm, a depender do quão conjugada é a molécula. Já a transição do tipo n → π

∗

tende

∗

a apresentar uma energia menor do que a transição π → π , em torno de 250 a 400 nm
[253].
Cromóforos importantes na produção de tintas e pigmentos são os grupos -C=C-, C=N-, -C=O- (carbonil), -N=N- (azo), -NO2 (nitro) e -CH= (metina) [254], e intervalos
de energia comuns de absorção correspondem às transições π → π

∗

∗
e n → π , localizados

no intervalo UV próximo e visível. Cromóforos tem, portanto, estrutura favorável para
absorver fótons com diferentes energias, mas aqueles com energias não ressonantes com os

Instituto de Física - UFAL

138

∆E de cada cromóforo são transmitidos ou reetidos. É justamente o conjunto de fótons
não absorvidos, e captados pelos nossos olhos, que dão a cor da molécula. Por exemplo,
a clorola, pigmento verde de plantas, tem essa coloração porque absorve as regiões do
azul e vermelho da luz visível, e reete o verde.

Já a Hemoglobina, proteína presente

nos glóbulos vermelhos do sangue, é avermelhada em decorrência da presença de ferro no
grupo heme que absorve o azul e o verde quando em contato com o oxigênio. A energia
absorvida por cromóforos é dissipada na forma de calor ou vibração das moléculas, o que
é uma característica importante, uma vez que eles não são luminescentes.
As interações eletromagnéticas entre fótons e elétrons são o cerne dos fenômenos estudados nesse trabalho, de modo que precisamos de um modelo que descreva essas interações.
O diagrama de Jablonski, mostrado na Fig.(A.8), é uma representação das transições de
estados de energia e níveis vibracionais que os elétrons realizam quando absorvem energia
de fótons incidentes. O fenômeno de absorção acontece quando a radiação eletromagnética, incidente no material, transfere sua energia para os elétrons de valência dos átomos
e moléculas. Essa energia é suciente para remover o elétron do seu estado fundamental,
representado na gura por S0 , promovendo-o a estados excitados de energia, representados
por Sn e Tn , com n = {1, 2, 3, ...}. Estados representados como Sn são estados singleto,
com spin total nulo (S = 0) e multiplicidade M = 2S + 1 = 1. Por outro lado, os estados
representados por Tn são estados tripleto, com spin total igual a 1 e M = 3.
Estados singleto e tripleto não são estados de energia, mas sim estados da conguração
eletrônica da molécula (ou do átomo). O spin total, S, é a soma dos spins individuais de
todos os elétrons que fazem parte da molécula, considerando todos os orbitais (estados
de energia) que eles ocupam.

Ele assume valor nulo quando todos os elétrons estão

emparelhados, organizados aos pares nos orbitais e com spins opostos como exige as regras
de seleção. Mas se houver algum desemparelhamento, ou seja, se sobrar algum elétron
sozinho em um orbital ou houver um conjunto de elétrons com mesmo spin distribuídos
em orbitais degenerados (Lei de Hund), então S é igual a unidade. No caso de S = 0, só
existe uma possibilidade de orientação (M

= 1) para o número magnético de spin, ms ,

que é também zero, e assim diz-se que a molécula apresenta conguração eletrônica do
tipo singleto.

Entretanto, para S

= 1, ms pode assumir três valores, −1, 0 e 1, o que

resulta em uma multiplicidade igual a 3 e uma conguração eletrônica do tipo tripleto
[197, 192, 255].
Observe que os estados singleto e tripleto não dizem respeito a um estado de energia
especíco e, para que exista uma conguração tripleto, os elétrons desemparelhados precisam estar em estados diferentes, sejam eles com energias diferentes ou mesma energia,
mas degenerados. Por isso não existe um estado de energia fundamental do tipo tripleto,
mas sim congurações eletrônicas fundamentais (de mais baixa energia) do tipo tripleto,
como é o caso do oxigênio molecular.

Dessa maneira, as transições eletrônicas do tipo

Sn → Tn ou Tn → Sn envolvem uma mudança no spin total da molécula, sendo assim
Tese de Doutorado

139

proibidas pela regra de seleção de spin (o Princípio de Exclusão de Pauli). No entanto,
em decorrência do acoplamento spin-órbita efetivo, que pode ser favorecido por diversos
fatores internos e externos, ocorre uma sobreposição de níveis vibracionais pertencentes a
estados singleto e tripleto. Isso signica que, em certa extensão, um estado tripleto pode
assumir alguma característica de estado singleto e vice-versa, o que culmina na possibilidade de inversão de spin de algum elétron e a transição eletrônica entre esses estados
[197, 192, 255].

Representação do diagrama de Jablonski exibindo as transições eletrônicas desencadeadas a partir da absorção de um fóton por uma molécula.
Figura A.8:

.
.
.

Absorção

Conversão
Interna

Relaxação
Vibracional

Fluorescência

Cruzamento
Intersistema

Fosforescência

Cruzamento
Intersistema
Reverso

𝑆3
𝑆2

𝑇3

1
5

𝑇2

𝑆1
4

𝑇1

7
6

𝑆0

Fonte: Autor, 2023.
Uma vez nos estados excitados, uma série de fenômenos pode acontecer no processo
de reemissão da energia absorvida [196]. No diagrama, as transições eletrônicas são identicadas como setas. As setas retas indicam transição com absorção ou emissão de luz,
enquanto as setas onduladas representam transições não radiativas. Essa representação
tem o propósito de mostrar que as transições eletrônicas acontecem instantaneamente
do ponto de vista do referencial nuclear.

Quando um átomo ou molécula absorve um

fóton, seus elétrons saem do nível vibracional mais baixo dentro do estado fundamental
para algum nível vibracional de algum estado excitado, uma transição que dura cerca de
10

−15

s [196]. Nesse cenário, o elétron termina a transição em um nível vibracional muito

parecido com aquele que ocupou no estado fundamental, só que em um estado excitado,
como mostra os diagramas de potencial de energia na Fig.(A.9). Isso ocorre como uma
consequência de o estado dinâmico do núcleo permanecer estacionário durante esse tempo
de transição, o que corresponde a preservação da função de onda vibracional. Assim, o

Instituto de Física - UFAL

140

caráter vibracional da função de onda do elétron, que está diretamente ligado à movimentação do núcleo, não sofre mudanças signicativas em toda a transição eletrônica de
absorção [253].
Isso é o que estabelece o Princípio de Franck-Condon. Como a massa do elétron é várias
ordens de grandeza menor que a massa do seu núcleo correspondente, a velocidade de uma
transição eletrônica é absurdamente maior em comparação ao movimento do núcleo em
torno do seu ponto de equilíbrio. Como resultado, o elétron deixará o seu nível vibracional
fundamental para um similar em estados mais energéticos. É fato que vários níveis serão
similares em maior e menor grau àquele de origem do elétron. A transição tem diferentes
probabilidades de acontecer para todos eles e isso pode ser constatado nas várias linhas
nos espectros de uorescência de elementos, ou no fato de que os espectros de soluções
são bandas contínuas [253], ver Fig.(A.9). Toda vez que uma transição acontece, o núcleo
do átomo ou molécula precisa se adaptar à nova conguração eletrônica, tendo como
resultado uma nova dinâmica das forças coulumbianas que ligam os elétrons ao núcleo.
As transições eletrônicas e vibracionais que acontecem simultaneamente são chamadas de
transições vibrônicas.
Mas ocupar estados excitados é energeticamente mais custoso para manter as ligações atômicas e moleculares coesas, então os elétrons depopulam os estados excitados e
retornam para o estado fundamental seguindo diversas rotas.

Os cromóforos dissipam

essa energia de forma não radiativa, envolvendo tanto os processos internos exibidos no
diagrama, quanto interação com moléculas vizinhas.

Chamamos de Conversão Interna

(CI) o decaimento não-radiativo que acontece entre os estados excitados até o menor nível vibracional de S1 , o estado excitado de menor energia. A Conversão Interna (CI) dura
aproximadamente 10

−12

s e é chamada dessa maneira porque existe sobreposição dos níveis

vibracionais entre diferentes estados de energia. Uma vez no menor nível vibracional de

S1 , o elétron retorna para o estado fundamental (normalmente para o maior nível vibracional) emitindo um fóton; a essa transição chamamos de Fluorescência, cuja duração é
de 10

−8

s [196].

Cromóforos que dissipam parte da sua energia via uorescência são chamados de uoróforos. Os processos de conversão interna são muito mais rápidos que a uorescência.
Por esse motivo, a maioria dos materiais uorescem sempre a partir do menor estado
excitado, mesmo tendo sido excitados para estados mais energéticos durante a absorção,
o que implica na emissão ser independente da excitação. A Relaxação Vibracional (RV)
corresponde ao decaimento do elétron entre os níveis vibracionais dentro do mesmo estado
eletrônico e ocorre na mesma escala de tempo que a conversão interna. Conversão interna
e relaxação vibracional são transições eletrônicas que ocorrem entre estados de energia
com mesma multiplicidade de spin. No diagrama de Jablonski, usualmente se representa
os estados usando S e T para identicá-los como estados singleto e tripleto, respectivamente, que apresentam multiplicidades de spin diferentes. Transições entre estados com

Tese de Doutorado

141

(a) Diagramas de energia potencial mostrando as transições verticais características
do Princípio de Frankc-Condon. (b) Espectros de absorção exibindo as bandas referentes às
transições mostradas nos diagramas.
Figura A.9:

Estado
excitado

Estado
fundamental

(a)

Conﬁguração nuclear

(b)

Fonte: Modicado de [192], 2025.

mesma multiplicidade de spin, S →
− S ou T →
− T , são permitidas porque não envolvem a
inversão do spin eletrônico durante a transição, uma vez que a Lei de Exclusão de Pauli
impede que dois elétrons de mesmo spin ocupem o mesmo estado de energia.
No entanto, em decorrência do acoplamento spin-órbita inserir perturbações no sistema, pode haver sobreposição de níveis vibracionais entre estados com diferentes multiplicidades de spin e isso resulta em transições eletrônicas teoricamente proibidas. No
digrama são representados o Cruzamento Intersistema (CIS), que ocorre de um estado
singleto para um tripleto, e o Cruzamento Interistema Reverso (CISr), de um estado
tripleto para um singleto. A maioria das moléculas na natureza possuem estado fundamental do tipo singleto, motivo pelo qual usamos S0 no diagrama de Jablonski, mas não

T0 , e todos os estados singleto excitados possuem o seu correspondente tripleto. Como a
probabilidade de um cruzamento intersistema acontecer é muito menor que a relaxação

−7
−9
vibracional e a conversão interna, seu tempo de duração é muito maior (10 s a 10 s).
Isso implica que o cruzamento intersistema normalmente ocorre a partir de S1 para algum
estado tripleto com energia próxima [196, 192].

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142

Outro tipo de transição entre estados com multiplicidade de spin diferente é a fosforescência, um decaimento radioativo a partir do estado T1 para o estado fundamental

S0 . Esse decaimento pode durar vários segundos, minutos, horas ou dias, dependendo do
material e do equilíbrio térmico em que se encontra. Os detalhes das transições radiativas serão discutidos adiante. Os processos expostos aqui acontecem dentro da mesma
molécula e não levam em consideração, necessariamente, sua interação com o meio em
que se encontra.

Outros processos de depopulação de estados excitados surgem decor-

rentes dessas interações, sejam elas colisões com outras moléculas ou mesmo alterações
nas características do meio [192]. O comportamento das interações entre luz e matéria
obedecem a relações exponenciais que dependem das características tanto da luz quanto
da amostra em análise. A avaliação dessas interações pode começar com a absorção e a
determinação da absorbância de uma dada amostra. Seja dl a espessura de uma fatia da
amostra, S a sessão transversal do feixe incidente e σ a sessão de choque dos cromóforos
em cada átomo/molécula. O número de moléculas por unidade de volume, dN , em dl é
dado por

dN = Na cSdl

(A.14)

onde c é a concentração de moléculas absorvedoras na amostra e Na
número de Avogadro.

= 6, 022 · 1023 o

A soma das seções de choque de todas as dN moléculas é dada

por σ dN e a probabilidade de absorção de um fóton pode ser dada tanto pela razão entre
a seção total de choque dos cromóforos e a sessão transversal do feixe incidente, quanto
pela razão entre a intensidade, I , do feixe e a perda innitesimal dessa intensidade, dI ,
pela absorção. Dessa maneira, podemos escrever

−

σdN
dI
=
= Na σcdl
I
S

(A.15)

Se integrarmos a eq.(A.15), obtemos

I0
= Na σcl
I

(A.16)

log

I0
Na σcl
=
I
2.303

(A.17)

onde l é a espessura da amostra. A relação entre as eq.(A.16) e (A.17) obedece à identidade ln(x) = 2, 303 ∗ log(x) e dessas equações podemos escrever um novo parâmetro: o
coeciente de absorção molar, ϵ(λ), medido em unidades de Lmol

ϵ(λ) = Na σ/2, 303,

−1

cm−1 , denido por
(A.18)

Com as equações (A.17) e (A.18), podemos escrever a Lei de Beer-Lambert na sua

Tese de Doutorado

143

forma clássica.

A(λ) = log

I0
= ϵ(λ)lc
I

(A.19)

A(λ) é a absorbância da amostra e representa a eciência de absorção da luz em um
comprimento de onda (λ) pelos cromóforos. Podemos escrever a Lei de Beer-Lambert
usando o logaritmo natural, o que evidencia melhor a característica exponencial da absorção de luz dentro do meio. Seja ε = 2, 303ϵ = Na σ , então, da eq.(A.16), obtemos

A(λ) = ln

I0
= ε(λ)lc
I

(A.20)

que pode ser reescrita como

I0
= ε(λ)lc
I
I0
= eε(λ)lc
I
I
= e−ε(λ)lc
I0

(A.21)

I = I0 e−ε(λ)lc
Essa versão da Lei de Beer-Lambert mostra claramente que a intensidade do feixe
dentro da amostra decai exponencialmente e depende do caminho óptico, l , da concentração das moléculas absorvedoras, c, e das características dos cromóforos dada por ε. É
importante destacar que as intensidades consideradas até aqui são referentes ao feixe em
contato apenas com a amostra, ou seja, I0 é o feixe incidente na amostra e I é o feixe
que deixa a amostra depois da transmissão.

No entanto, em experimentos típicos com

soluções, por exemplo, precisamos levar em consideração que as paredes da cubeta e o
próprio solvente pode interferir com o feixe incidente. Assim, se considerarmos que Ii é a
intensidade do feixe incidente na cubeta e IC é a intensidade que deixa a cubeta, então
temos

AC (λ) = log

Ii
IC

(A.22)

Para medidas de absorbância em solução, a quantidade de centros absorvedores na
solução precisa ser baixa o suciente para que a Lei de Beer-Lambert funcione. Assim, a
espectroscopia de absorção de qualquer material subtrai a absorbância do solvente onde foi
diluído. Se IS é a intensidade do feixe que deixa a cubeta caso a amostra fosse substituída
pelo seu solvente, então

AS (λ) = log

Ii
IS

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(A.23)

144

E a absorbância total da amostra, considerando as perdas por conta da cubeta e do
solvente, pode ser escrita como

A(λ) = AC (λ) − AS (λ) = log

IS
IC

(A.24)

Podemos determinar outras grandezas pertinentes à interação de luz com matéria, tais
como a transmitância, T(λ),

A(λ) = −logT (λ)
I
T (λ) = ,
I0

(A.25)

bem como o coeciente de absorção, que é a medida da absorbância dividido pelo caminho
óptico, a(λ),

a(λ) =

A(λ)
1
I0
= log .
l
l
I

(A.26)

O coeciente de absorção pode ser escrito ainda como

a(λ) =

A(λ)
1 I0
= ln .
l
l
I

(A.27)

Podemos associar a(λ) à seção de choque, σ(λ), por meio de

σ(λ) =

a(λ)
.
N

(A.28)

A absorbância de uma amostra permite identicar quais transições eletrônicas ocorrem
em um cromóforo sob fotoexcitação, de forma que é possível utilizá-lo para prever alguns
processos físico-químicos que podem ocorrer num sistema orgânico de interesse.

A.4 Fotoluminescência
Como discutido na sessão anterior, a perda de energia realizada por elétrons nos processos de decaimento para estados menos energéticos pode envolver a emissão de fótons.
Em compostos orgânicos, as transições eletrônicas moleculares podem ocorrer como resultado de diversos fatores. Entretanto, comumente, a geração de luz por algum material
resulta de dois processos distintos:

incandescência e luminescência.

A incandescência

ocorre quando os elétrons são excitados por calor: uma barra de ferro muito quente brilha
em um tom laranja avermelhado, ou mesmo amarelo, quando é submetido a uma fonte
de calor, como uma chama. Nesse caso, a energia térmica transferida da fonte de calor
para o material é absorvida pelos elétrons que passam a popular estados excitados de
energia. Ao retornar ao estado fundamental, fótons são liberados com energias variadas,

Tese de Doutorado

145

dependendo da temperatura da fonte.
A luminescência, por outro lado, é um conjunto de processos que não depende de variação térmica. Várias são as fontes de excitação molecular que resulta em luminescência,
como processos biológicos (bioluminescência), reações químicas (quimioluminescência),
absorção de fótons (fotoluminescência), dentre outros. Nesse trabalho, nos atemos apenas à fotoluminescência. As moléculas são excitadas pela radiação incidente e os elétrons
absorvem os fótons da radiação, sendo transferidos para estados mais excitados. A fotoluminescência é caracterizada por dois fenômenos, a uorescência e a fosforescência. No
diagrama de Jablonski exibido na Fig.(A.8), vimos que a uorescência acontece quando
a transição eletrônica ocorre entre estados de mesma multiplicidade de spin, comumente,
estados singleto.
Inicialmente, a molécula absorve um fóton e os elétrons saem do nível vibracional mais
baixo do estado fundamental, S0 para popular níveis vibracionais em estados excitados
obedecendo ao princípio de Franck-Condon. Esse processo é seguido por relaxações vibracionais e conversões internas que levam o elétron até o nível vibracional mais baixo do
estado excitado de menor energia, S1 . Vimos que esses processos são rápidos, da ordem

−12
−15
−8
de 10
s a 10
s. Os elétrons populam S1 por um período de 10 s antes de decair para
o estado fundamental e esse decaimento tem o mesmo período de duração da absorção
(10

−15

s).

−8
Ou seja, quando se estabelece que a uorescência dura cerca de 10 s, esse

tempo diz respeito ao período em que o elétron permaneceu no estado S1 antes de emitir
um fóton (a emissão propriamente dita é muito mais rápida).

Absorção e emissão de

fótons acontecem na mesma escala temporal [256].
Como a uorescência tem duração muito maior que os processos de desativação não
radiativa, na maioria das moléculas, a emissão de fótons por uorescência ocorre a partir
de S1 , e essa é a Lei de Kasha, uma consequência do Princípio de Franck-Condon. Assim,
a Lei de Kasha tem como resultado o fato de a emissão ser independente da excitação,
levando em conta que o fóton emitido terá a energia do intervalo entre

S1 e S0 , não

importa qual seja a energia de excitação. Outra característica da uorescência é a regra
da imagem espelhada. Essa regra se deve ao fato de que o processo de emissão é simétrico
ao processo de absorção.

Na absorção, existe a transição eletrônica a partir do menor

nível vibracional de S0 , seguido de relaxações não radiativas, com o elétron terminando
no menor nível vibracional de S1 . Na emissão, o elétron começa em S1 , no menor nível

S0 , realizando relaxações
não radiativas até voltar, nalmente, para o menor nível vibracional de S0 . Na regra da

vibracional, emite um fóton e chega aos níveis excitados de

imagem espelhada, o espectro de emissão de uma molécula é aproximadamente simétrico
ao espectro de absorção de S0 para S1 [196, 256], como mostra a Fig.(A.10).
No entanto, o espectro de emissão é localizado, normalmente, em comprimentos de
onda maiores que o espectro de absorção correspondente. Essa característica é conhecida
como deslocamento de Stokes e foi observado pelo professor George Gabriel Stokes em

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146

Diagrama de Jablonski modicado. A regra da imagem espelhada ca evidente
quando observamos que os espectros de uorescência (S1 → S0 ) e fosforescência (T1 → S0 ) são
simétricos do espectro de absorção (S0 → S1 )

Figura A.10:

Absorção

Fluorescência

Fosforescência

Fluorescência Fosforescência

Absorção

Fonte: Modicado de [192], 2025.

1852 na Universidade de Cambridge, quando ele usou a porção ultravioleta da luz solar
para excitar uma amostra de quinina e observou uma uorescência azulada no material.
O deslocamento de Stokes ocorre justamente porque parte da energia absorvida é perdida
por vias não radiativas, fazendo com que a emissão tenha menor energia e, portanto
emita fótons com maior comprimento de onda. Para um uoróforo, é possível calcular o
seu rendimento quântico de uorescência, uma grandeza física que determina o quanto da
energia absorvida pela molécula é reemitida na forma de uorescência. Se considerarmos

knr como a taxa de desativação não radiativa, e K como a taxa emissiva do uoróforo, o
rendimento quântico de uorescência, Q, pode ser calculado como:

K
K + knr

(A.29)

Esse parâmetro é uma medida da eciência de uorescência de um material. Fluoróforos com valores de Q muito próximos da unidade, como a rodamina, apresentam brilho
intenso de uorescência porque knr
liberada na forma de luz.

<< K . Ou seja, quase toda a energia absorvida é

Para além da porcentagem de energia liberada na forma de

radiação pelo uoróforo, outro importante parâmetro envolve o tempo que o elétron leva
para deixar os estados excitados. Esse parâmetro é o tempo de vida, τ , dado por:

Tese de Doutorado

147

τ=
Na eq.(A.30),

1
K + knr

(A.30)

τ representa um tempo médio, uma vez que a depopulação de um

estado excitado não acontece com todos os elétrons de todas as moléculas do composto
transicionando para o estado fundamental simultaneamente. De fato, para um tempo de
vida descrito por apenas uma exponencial, cerca de 60% das moléculas decaem com t < τ ,
enquanto as demais moléculas levam um tempo maior que o tempo de vida para decair.
O processo de decaimento é complexo e sensível a variações no ambiente, o que permite
o uso de certos compostos como sondas. Alguns desses compostos tem a propriedade de
fotoestabilidade, signicando que sua estrutura química não sofre alterações irreversíveis
depois de realizar as transições eletrônicas discutidas.
A fotossensibilização é um processo pelo qual um cromóforo (o fotossensibilizador)
induz alterações físico-químicas em uma molécula ou substrato alvo quando estimulado
por luz.

O cromóforo, numa situação ideal, funciona como um catalisador, se recupe-

rando depois de absorver e liberar a energia da radiação, voltando a absorver outro fóton,
liberando-o logo em seguida e repetindo esse processo enquanto houver incidência de luz
(fotoestabilidade). Além disso, o cromóforo não deve interferir nas reações desencadeadas
pela transferência de energia para as moléculas vizinhas.

Quando a fotossensibilização

induz uma ação fotodinâmica, normalmente oxigênio molecular é utilizado no processo.
[108]

A.5 Nanomateriais
Nas seções anteriores, vimos como átomos realizam ligações químicas para formar moléculas e como moléculas podem se agrupar para formar estruturas cada vez maiores. Em
escalas macroscópicas, corpos compostos por milhares e milhares de moléculas obedecem
às leis da física clássica com exatidão, diferente de átomos e moléculas que só podem ser
descritos e estudados pela física quântica.

Essa disparidade de tratamentos indica que

aumentando ou diminuindo a escala de investigação, diferentes propriedades podem ser
observadas. Nesse cenário, os nanomateriais se encaixam como um elo que liga o universo
atômico e molecular ao mundo macroscópico do nosso cotidiano.

Nanomateriais estão

presentes na vida humana desde aproximadamente o século IV antes da era comum, com
o registro documentado mais antigo sendo atribuído à xícara de Lycurgus, um legislador
da Roma antiga.
Manufaturada com vidro dicróico, a xícara aparentava ser esverdeada se iluminada a
partir do ponto de vista do observador, e avermelhada quando a luz vinha do lado oposto,
atravessando o vidro antes de chegar até o observador [257]. Análises de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e espectroscopia raios X de fotoelétrons (XPS), na década

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148

de 1990, identicaram nanopartículas com tamanhos variando de 50 a 100 nm, componentes de uma liga de prata e ouro com um pouco de cobre. Mais adiante na história,
os vitrais que ornamentavam as igrejas medievais continham nanopartículas de ouro e
prata que lhes conferiam efeitos luminosos vermelho e amarelo. As cerâmicas islâmicas do
século IX da era comum e as cerâmicas italianas do século XVI são mais outros exemplos
de objetos confeccionados com nanopartículas.
O uso de nanopartículas, até então, parecia se restringir à estética e ornamentação.
Mas no século passado, o estudo de materiais pequenos o suciente para possuir propriedades distintas de materiais macroscópicos, mas bem maiores que moléculas deu início
a um novo campo de pesquisa, a nanociência [258].

Em 1959, o físico e vencedor do

Prêmio Nobel Richard Feynman ministrou uma palestra no encontro anual da Sociedade
Física Americana (American Physical Society), em Caltech, intitulada There's Plenty of

Room at the Bottom: An Invitation to Enter a New Field of Physics onde considerava a
possibilidade de armazenar um grande número de informação em espaços absurdamente
pequenos. Essa ideia, apesar de revolucionária, passou despercebida pela sociedade cientíca por mais de uma década, encontrando espaço nas pesquisas de vários grupos pelo
mundo somente na década de 70. Em 1974, o cientista Norio Taniguchi foi o primeiro a
usar a palavra nanotecnologia. A nanociência consolidou-se nas décadas seguintes tendo
aplicação direta na computação, óptica, biomedicina, ciências do meio ambiente, fabricação de sensores, dentre várias outras áreas de estudo[257].
Nano é uma palavra derivada do grego antigo usada para se referir a coisas muito
pequenas. Na ciência e na matemática, convencionou-se atribuir essa palavra à escala de

−9
tamanho correspondente a 10
de qualquer unidade. A nanociência, portanto, se ocupa
da síntese, caracterização e estudo das propriedades de estruturas que possuem pelo menos uma das suas dimensões entre 1 e 100 nm [2]. Uma das características mais marcantes
de nanopartículas são as altas razões de superfície/volume, o que indica que uma grande
fração de átomos da nanopartícula está presente na sua superfície [259]. Como resultado,
as interações das nanopartículas com o ambiente externo é governado em parte por efeitos de superfície.

Nanoestruturas podem ser classicadas de acordo com a quantidade

de dimensões livres para movimentação de elétrons. Signica que um sistema pode possuir uma ou mais dimensões (comprimento, largura ou altura) connada(s) no regime
quântico, enquanto a(s) outra(s) são apreciavelmente maiores que a escala nanométrica.
Isso resulta no connamento dos graus de liberdade dos elétrons a três, duas ou uma
dimensão. A Fig.(A.11) mostra as quatro categorias de nanoestruturas de acordo com a
dimensionalidade.
Nanoestrturas tridimensionais (3D), apesar de não serem em si nanométricas, são
constituídas por estruturas 0D, 1D e/ou 2D, interconectadas e formando um corpo (bulk )
com as três dimensões maiores que a escala nano. Esses materiais contam com as características quânticas das nanoestruturas que os compõem, além de grande área supercial em

Tese de Doutorado

149

Representação de estruturas nanométricas com diferentes dimensões. Nano esferas em (a) representando estruturas 0D. Nanoestruturas 1D são exemplicadas por nanotubos de
carbono em (b). Em (c), folhas de grafeno simbolizam nanoestruturas 2D, ao passo que sistemas
3D são exibidos em (d) como um bloco cristalino.
Figura A.11:

(a)

(b)

(c)

(d)

Fonte: Autor, 2025.

decorrência da porosidade inerente. Em um nanomaterial bidimensional, 2D, comumente
referido como poço quântico, os elétrons possuem duas dimensões livres para se mover,
ou seja, apenas uma dessas dimensões está na escala nanométrica.

Folhas de carbono

são exemplos práticos de nanoestruturas 2D. As estruturas unidimensionais (1D), por
outro lado, apresentam duas das suas dimensões em escala nanométrica, com apenas uma
dimensão livre para a movimentação dos elétrons; nanotubos representam esse tipo de
material. Por último, as estruturas zero-dimensionais (0D) apresentam connamento do
elétron em todas as dimensões uma vez que todas estão reduzidas à escala nanométrica
[260]. O exemplo mais pertinente, para esse manuscrito, desse tipo de nanopartículas são
os pontos quânticos de carbono.

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Apêndice

Azocorantes
Corantes da família azo são compostos químicos de grande importância para o mercado, representando mais de 50% da produção mundial de corantes e 70% dos corantes
usados na indústria. O primeiro azocorante foi produzido por Peter Griess em 1864 [261].
Por conta da sua estabilidade e fácil processo de síntese, os azocorantes são largamente
utilizados em áreas como farmácia, sistemas ópticos não lineares, medicina, cosméticos,
na indústria têxtil, além de serem utilizados em Terapia Fotodinâmica e em células solares
[262].

Azocorantes são caracterizados pela presença de um ou mais grupos azo cromo-

fóricos do tipo R

estruturados em anéis aromáticos.

R′ , onde R e R' são grupos terminais, comumente
Nesta estrutura, os nitrogênios geralmente formam

orbitais hibridizados sp2 [263].
Tradicionalmente, a síntese desses corantes começa com a diazotização de alguma
amina primária aromática, em que a interação entre uma amina primária e o ácido nítrico
(HN O3 ) reagem para formar um sal de diazônio e água como subproduto. A equação B.1
ilustra um possível caminho de síntese que envolve a reação de uma arilamina primária
(ArN H2 ), com a mistura de nitrito de sódio (N aN O2 ) e algum ácido (2HX ). A mistura
desses dois últimos compostos é necessária para a formação do ácido nítrico, que é instável
e precisa ser produzido in situ para reagir com a amina. O produto dessa reação é o sal

+ −
de diazônio (ArN2 X ), um outro tipo de sal sódico (N aX ), e água (2H2 O ) [264].

ArN H2 + 2HX + N aN O2 → ArN2+ X − + N aX + 2H2 O
−
−
−
Nessa reação, o X é um anion como o Cl , Br , HSO4 , dentre outros.

(B.1)
Uma vez

formado o sal de diazônio, é iniciada uma reação de acoplamento do sal com algum
composto orgânico, como hidroxilas aromáticas (fenóis, naftóis, etc.), aminas aromáticas,
grupos cetônicos alifáticos ou compostos heterocíclicos como aqueles que possuem pirrol
ou piridina.

A reação de acoplamento é uma substituição aromática eletrofílica com o

grupo diazo do sal funcionando como um receptor de elétrons e o composto acoplador,
como um doador [264, 265]. A equação B.2 mostra a reação de acoplamento que se segue
a diazotização mostrada na equação B.1.

ArN2+ X − + RH → ArN = N − R + HX
150

(B.2)

151

onde R representa um radical alquil ou aril.
Apesar da importância econômica dos azocorantes, sua ameaça ecológica é tão grande
quanto. Não raro, muitas indústrias têxteis despejam seus rejeitos em rios ou leitos de
rios, provocando uma contaminação em larga escala nos biomas locais [266, 267].

presença de azo corantes em rios, lagos ou lagoas pode alterar o pH da água e afetar
o equilíbrio de oxigênio dissolvido, além de desestabilizar as proporções de compostos
orgânico/inorgânico. Outra consequência direta é a coloração deixada na superfície dos
cursos de água, diminuindo a quantidade de luz dentro desses ambientes e afetando o
ciclo de vida aquática. Para além disso, a ingestão de azocorantes e outros contaminantes
por peixes e outros animais aquáticos tende a contaminar toda a cadeia alimentar, o que
inclui a alimentação humana [268].
A ingestão de resíduos desses corantes por humanos leva a resultados graves, com
as moléculas do composto sendo metabolizadas pelo intestino e fígado.

A redução do

corante através da clivagem das ligações azo é mediada pela microbiota intestinal com
o auxílio da enzima azoredutase bacteriana, o que produz aminas aromáticas livres no
organismo.

Essas aminas são submetidas a processos oxidativos e outras reações como

N-acetilação, o que produz metabólitos como o ácido sulfanílico, que podem se ligar
covalentemente ao DNA. Alguns azocorantes já possuem aminas aromáticas livres na
sua estrutura e não passam pelos processos de redução no intestino, mas os mesmos
metabólitos são produzidos, demonstrando o potencial mutagênico e carcinogênico que
esses corantes possuem, consideradas as doses de ingestão [269, 270]. Desta forma, utilizar
soluções de azocorantes para a síntese de nanopartículas pode ser uma alternativa para a
utilização de rejeitos químicos, visando a produção de nanomateriais de interesse cientíco
e sócio-econômico e reduzindo o impacto ambiental de algumas atividades industriais.
O azocorante utilizado nesse trabalho foi o Vermelho de Metila (MR, do inglês Methyl

Red ), ocialmente identicado pela IUPAC como ácido 2-[[4-(dimetilamino)fenil]diazenil]
benzóico cuja fórmula química é C15 H15 N3 O2 [271]. Esse corante é usado em laboratórios
como um indicador visual de pH, mudando de cor de acordo com o pH da solução: coloração vermelha para pH ≤ 4,4; laranja para 4,5 ≤ pH ≤ 6,0; e amarela para pH ≥ 6,1 [272].
A utilização do MR como precursor foi fundamental para a produção de nanopartículas
ricas em nitrogênio, o que introduz novos intervalos de energia e pares de elétrons não
ligantes na estrutura do PQC, favorecendo a transferência de energia e elétrons para o
oxigênio molecular [273, 274].

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Tese de Doutorado

Mestrado / Doutorado em Física

Instituto de Física

Universidade Federal de Alagoas