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UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
DEPARTAMENTO DE FÍSICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA DOS MATERIAIS
ANA CLÁUDIA BATISTA ALMEIDA
ESTUDO DAS PROPRIEDADES FOTOFÍSICAS DA
CLOROFILINA CÚPRICA DE SÓDIO: INFLUÊNCIA DO
SOLVENTE, CONCENTRAÇÃO E pH
OURO PRETO-MG
2016
ANA CLÁUDIA BATISTA ALMEIDA
ESTUDO DAS PROPRIEDADES FOTOFÍSICAS DA
CLOROFILINA CÚPRICA DE SÓDIO: INFLUÊNCIA DO
SOLVENTE, CONCENTRAÇÃO E pH
Dissertação apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Ciências com
ênfase em Física de Materiais da
Universidade Federal de Ouro Preto
para obtenção de título de mestre.
Orientador: Prof. Dr Thiago Cazati
Departamento de Física/ICEB/UFOP
OURO PRETO-MG
2016
AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO DESTE TRABALHO, POR
QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE
ESTUDO E PESQUISA, DESDE QUE CITADA A FONTE.
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Dedico este trabalho aos meus pais Maria Celeste e
Eliano, ao meu vovô e às minhas avós, aos meus
irmãos, aos meus lindos sobrinhos.
______________________________________________________________________
AGRADECIMENTOS
A Deus pela oportunidade de vida e por guiar todos os passos dados nessa minha
caminhada e durante toda minha vida.
Ao meu orientador Thiago Cazati pela paciência, dedicação e, principalmente,
pela confiança e oportunidades.
Aos colegas do Laboratório de Materiais Optoeletrônicos e Fotofísica
Molecular: a Jeilce e Júnnia, pela amizade, confissões, brincadeiras, a Tomás, por ter
me estendido a mão desde o início do meu trabalho no laboratório e pelo carinho, a
Cassiano, por me acompanhar em parte deste trabalho, a Sergio pelo respeito e amizade
e a Silvia pelo companheirismo.
Aos professores Bruna, Jaqueline e Jason pela contribuição em minha pesquisa e
pela amizade e à professora Taíse por ter cedido a amostra para análise.
A todos os amigos, técnicos e professores do FIMAT, em especial à secretária
Mariana, pela doçura e gentileza.
Aos meus queridos professores da graduação, em especial, ao professor Luís
Presley, que sempre me deu apoio e confiou em meu trabalho e ao professor Mariano
por disponibilizar seu laboratório para minhas horas vagas de estudos e pela amizade.
Aos meus colegas da graduação, em especial, a Nana, Aline, Daniel e Adriano.
Aos meus queridos cunhados pelo carinho e por terem colocados em minha vida
meus amores, meus sobrinhos.
Finalmente, agradeço às pessoas mais importantes de minha vida, minha família
linda, aos meus pais, Eliano e Maria Celeste, pelo amor, compreensão e confiança que
sempre tiveram em mim, aos meus irmãos que sempre me apoiaram e estiveram ao meu
lado em momentos de gargalhadas e de choros, em especial a minha irmã Rosângela,
que se dedicou a mim como uma mãe (apesar de ser muito chata), aos meus sobrinhos
que são minha inspiração, aos meus tios, em especial Edmilson, que sempre está junto à
minha família proporcionando muitas risadas, ao meu vovô, que considero como um pai
e às minhas vovós, que não estão mais presentes fisicamente, mas que carrego em meu
coração e pensamento.
______________________________________________________________________
"A Ciência não pode ser interrompida. O ser humano irá
acumular conhecimento, não importam quais sejam as
consequências - e não podemos prever quais serão."
LINUS PAULING
Químico norte-americano
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RESUMO
Dentro da classe das metaloporfirinas, destaca-se a clorofilina cúprica de sódio
(SCC), que exibe forte absorção no visível (banda Soret) e no infravermelho próximo
(IV) (banda Q) região do espectro de luz solar. Esta molécula é derivada da clorofila,
obtida através da substituição do átomo central de Mg por um átomo de Cu e pela
reação de saponificação, tornando-a solúvel em água. A SCC recebe destaque por
apresentar propriedades optoeletrônicas interessantes em diferentes meios físicos e
principalmente pela sua solubilidade em água. Esta molécula vem sendo aplicada em
várias áreas como, por exemplo, na medicina, na indústria alimentícia e em sistemas
eletrônicos. Neste trabalho, as propriedades fotofísicas da SCC em solução foram
avaliadas conforme a influência da concentração, do pH e do solvente, incluindo água,
álcool etílico, álcool isopropílico, dimetilsulfóxido (DMSO) e a mistura álcool e água.
As características espectrais da SCC foram realizadas por absorção ótica na região do
ultravioleta e visível, espectroscopia de fluorescência e ainda foram investigados os
tempos de vida no estado excitado pela técnica de fluorescência resolvida no tempo. A
espectroscopia de absorção no infravermelho e a espectroscopia Raman foram utilizadas
como técnicas complementares para identificação estrutural química do material. Nas
caracterizações por absorção ótica na região do ultravioleta e visível, em função da
variação do pH, verificou-se a ocorrência de um deslocamento batocrômico, em meio
ácido, característico de um agregado do tipo J. Em meio básico, o deslocamento não foi
tão expressivo. Intensidades muito fracas de fluorescência foram obtidas a partir da
solução de SCC em diferentes solventes. Os decaimentos de fluorescência foram tri-
exponenciais, apresentando tempos de vida no estado excitado em torno de 5,00, 1,30 e
0,15 ns em todos os solventes estudados e em diferentes concentrações, exceto em água,
onde não foi detectada emissão. Para a SCC na mistura água/álcool, observou-se a
supressão estática da fluorescência com formação de complexos não fluorescentes e o
aumento da quantidade ou do tamanho dos agregados.
Plavras-chave:porfirinas; clorofilina cúprica de sódio; propriedades fotofísicas;
______________________________________________________________________
ABSTRACT
The sodium copper chlorophyllin (SCC) is one molecule of the class of
metalloporphyrins, which exhibits strong absorption in the visible (Soret band) and near
infrared (IR) (Q band) region of the solar light spectrum. This molecule is derived from
chlorophyll, obtained by substitution of the central Mg atom by an Cu atom and by
saponification process, making its soluble in water. SCC receives the highlighted by
presenting interesting optoelectronic properties in various environmental media and
especially by its solubility in water. This molecule has been applied in various fields
such as medicine, food industry and in electronic systems. In this work the
photophysical properties of SCC in solution were evaluated as the influence of
concentration, pH and solvent including water, ethyl alcohol, isopropyl alcohol,
dimethyl sulfoxide (DMSO), and the water and alcohol mixture. The spectral
characteristics of SCC were performed by optical absorption region in the ultraviolet
and visible, fluorescence spectroscopy and were also checked the lifetimes excited state
by time resolved fluorescence technique. The infrared absorption spectroscopy and
Raman spectroscopy were used as complementary techniques for identifying chemical
structural material. In the characterizations by optical absorption region in the
ultraviolet and visible as a function of change in pH, there was the occurrence of a
bathochromic shift in the acidic characteristic of type J aggregation. In an alkaline
medium, the shift was not as significant. Very weak fluorescence intensities were
obtained from the SCC solution in different solvents. The fluorescence decays were tri-
exponential, showing lifetime of excited singlet state around 5.00, 1.30 and 0.15 ns in
all solvents and at different concentrations, except water, where the SCC fluorescent
emission was undetectable. For SCC in water and alcohol mixture static suppression of
fluorescence was observed with formation of non-fluorescent complexes followed by
changes in size or amount of the aggregates.
Keywords: porphyrins; sodium copper chlorophyllin; photophysical properties;
______________________________________________________________________
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama de Jablonski e os respectivos espectros de absorção,
fluorescênciae fosforescência.................................................................20
Figura 2: Gráficos para o efeito de supressão dinâmica: gráfico de Stern Volmer a
esquerda e a direita a curva de decaimento da fluorescência de uma
molécula na presença e na ausência do agente supressor. A mudança de
inclinação revela a variação do tempo de vida.......................................24
Figura 3: Representação esquemática da supressão estática em uma concepção de
esfera de supressão efetiva e para a formação de um complexo não
fluorescente do estado fundamental........................................................25
Figura 4: Gráficos para o efeito de supressão estática na formação de complexos
não fluorescentes: (a esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita) os
perfis das curvas de decaimento da fluorescência de uma molécula na
presença e na ausência de Q (a direita)...................................................26
Figura 5: Gráficos para o efeito de supressão estática na presença de uma esfera
de supressão efetiva: (a esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita)
perfis dos decaimentos de fluorescência da molécula na presença e na
ausência do agente supressor..................................................................27
Figura 6: Ilustração do teorema de Föster para o processo de transferência de
energia ressonante em que os elétrons 1 (verde) e 2 (amarelo) transferem
energia permanecendo no doador e no receptor, respectivamente.........29
Figura 7: Ilustração do modelo de Dexter para o efeito de transferência não
radiativa em que os elétrons 1 (verde) e 2 (amarelo) trocam de
molécula..................................................................................................30
Figura 8: Estrutura geral da porfirina.....................................................................33
Figura 9: Representação das estruturas de (a) grupo heme (protoporfirina IX) e (b)
clorofila ...............................................................................................35
Figura 10: Estrutura química e espectros de absorção da tetrakis (1-metilpiridínio-
4-il)-porfirina (H2TMPyP ) em azul e da 5,10,15,20-tetrakis (1-
metilpiridínio-4-il)-porfirina zinco (II) ( ZnTMPyP) em preto em
água.........................................................................................................36
______________________________________________________________________
Figura 11: Processo de obtenção da clorofilina cúprica de sódio a partir da clorofila
natural.....................................................................................................37
Figura 12: Estrutura química da clorofilina cúprica de sódio..................................37
Figura 13: Representação das formas de agregação: (a) face-a-face/tipo H; (b) entre
laterais/ tipo J; (c)face lateral/tipo HJ e (d) faces paralelas
deslocadas/tipo HJ..................................................................................39
Figura 14: Fatores que afetam o equilíbrio entre agregados e monômeros.............39
Figura 15: Excitação eletrônica para porfirinas monoméricas (a) agregadas do tipo J
(b) e agregadas do tipo H (c)..................................................................40
Figura 16: Espectrofotômetro de absorção UV-Vis de feixe único da Oceans Optics
modelo Red Tide-USB-650....................................................................45
Figura 17: (a) Espectrofluorímetro modelo RF-5301 PC e (b) suporte de cubeta e
amplificador da fluorescência.................................................................47
Figura 18: Fluotime 200 da PicoQuant, Laboratório de Fotofísica do Departamento
de Física da Universidade Federal de Ouro Preto..................................49
Figura 19: (a) Arranjo Experimental da técnica de TCSPC. (b) Histograma número
de fótons X tempo, que reproduz o comportamento temporal da emissão
da amostra...............................................................................................50
Figura 20: Mecanismos de espalhamento elástico e inelástico, onde 0, s e são,
respectivamente, as frequências da radiação de excitação, da radiação
espalhada e da transição vibracional.......................................................53
Figura 21: Espectros de absorção ótica da solução de SCC diluída em álcool etílico
em diferentes concentrações...................................................................56
Figura 22: Intensidade da absorção da banda Soret (a) e do respectivo pico
principal da banda Q (b) da SCC em função da concentração e do
solvente...................................................................................................56
Figura 23: Absorbância normalizada da banda Soret (a) e respectiva banda Q (b) da
SCC em diferentes solventes numa concentração de 0,028 mmol/L......58
Figura 24: Fluorescência normalizada e suas respectivas intensidades máximas de
fluorescência da SCC em função da concentração em diferentes
solventes, quando excitada em 401 nm..................................................59
Figura 25: Espectros de fluorescência da SCC em diferentes solventes a
concentração de 0,028 mmol/L quando excitada em 401 nm................61
______________________________________________________________________
Figura 26: Comportamento dos tempos de vida do estado excitado e as respectivas
amplitudes fracionais da SCC em (☐) álcool etílico, em (O) álcool
isopropílico e (△) em DMSO em função da concentração, quando
excitadas em 401 nm..............................................................................63
Figura 27: Espectro de absorção da SCC quando em diferentes pH (a) absorção
normalizada em relação à banda Q; (b) intensidade máxima de absorção
da banda Q..............................................................................................65
Figura 28: Solução de SCC a direita em pH ácido em que ocorre a precipitação da
SCC em solução aquosa e a esquerda em pH básico onde observa-se sua
total solubilidade.....................................................................................66
Figura 29: (a) Espectro de Absorção da SCC em diferentes porcentagens de água;
(b) Supressão de fluorescência da SCC em álcool etílico pela adição
diferentes concentrações de água, excitada em 401 nm; (c) Intensidade
de absorção da Banda Q e intensidade máxima de Fluorescência em
função da porcentagem de água; (d) Gráfico de Stern Volmer para a
SCC obtidas para comprimento máximo de emissão em 660 nm e ajuste
linear (linha vermelha). A solução foi mantida a uma concentração de
0,055 mmol/L.........................................................................................67
Figura 30: Curvas de decaimento de fluorescência nas soluções de SCC em
diferentes porcentagens de H2O (a) quando apresenta os mesmos tempos
de vida; (b) quando os tempos de vida variam em proporções de água
acima de 60%..........................................................................................68
Figura 31: SCC na mistura água e álcool etílico a concentração de 0,04 mol /L: (a)
tempo de vida do estado excitado; (b) amplitude fracional....................68
Figura 32: Ilustração de uma situação hipotética: molécula de SCC na presença de
água e a formação de um complexo não fluorescente (círculos
tracejados).……………...……...............................................................70
Figura 33: Intensidade máxima de RLS da SCC na mistura água/álcool com
diferentes porcentagens de água a concentração de 0,055
mmol/L...................................................................................................71
Figura 34 Espectro de absorção da clorofila a (verde) e da SCC em álcool
isopropílico (preto) a 0,1 g/L..................................................................72
______________________________________________________________________
Figura 35: Espectros de fluorescência da SCC e da clorofila a 0,1 g/L em álcool
etílico. Os espectros de emissão da SCC estão ampliados por motivos de
comparação.............................................................................................73
Figura 36 Espectros de absorção no infravermelho da clorofilina cúprica de sódio-
amostra KBr/SCC...................................................................................74
Figura 37: Espectros Raman de filmes casting da clorofilina cúprica de sódio sobre
substrato de vidro....................................................................................75
Figura B1: Espectros de absorção da SCC em água, álcool isopropílico e DMSO em
diferentes concentrações.........................................................................95
______________________________________________________________________
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Materiais utilizados e suas respectivas informações..........................42
Tabela 2: Proporções de álcool etílico e água utilizadas no preparo das amostras
de SCC para realização de caracterizações espectroscópicas.............43
Tabela 3: Coeficientes de absorção molar para a absorção em um comprimento
de onda fixo da banda Soret e do pico principal da banda Q em
diferentes solventes, momento dipolar dos solventes, máximos de
absorção e razão entre os coeficientes de absorção molar da banda
Soret e da banda Q..............................................................................57
Tabela 4: Comprimento de onda máximo de fluorescência, tempo de vida médio
e o rendimento quântico de fluorescência da SCC em diferentes
solventes, quando excitada em 401 nm..............................................64
Tabela 5: Tempo de vida do estado excitado, amplitude fracionada e eficiência
quântica de fluorescência da SCC em diferentes proporções de H2O,
quando excitada em 401 nm...............................................................69
Tabela 6: Deslocamento (em cm-1) e atribuição das principais bandas
observadas no espectro Raman do filme casting de SCC...................76
Tabela A1: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool etílico,
quando excitada em 401 nm...............................................................92
Tabela A2: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool
isopropílico, quando excitada em 401 nm..........................................93
Tabela A3: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em DMSO, quando
excitada em 401 nm.................................................... .......................94
______________________________________________________________________
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIATURAS
OLEDs Diodos orgânicos emissores de luz (organic light-emitting
diode)
OPVs Orgânicos fotovoltaicos (organic photovoltaics)
TFD Terapia Fotodinâmica
Fs Fotossensores
PET Tomografia por Emissão de Pósitrons
SCC Corofilina cúprica de sódio (sodium cupric chlorophyllin)
pH Potencial hidrogeniônico
UV-Vis Ultravioleta e visível
RLS Espalhamento de Luz Ressonante
CI Conversão interna
CIS Cruzamento intersistema
S0 Estado fundamental
S1 Primeiro estado excitado
S2 Segundo estado excitado
Sn n-estado singleto
T1 Primeiro estado triplo
T2 Segundo estado tripleto
Tn n-estado tripleto
Comprimento de onda
ⱱ Frequência
h Constante de Planck
F Intensidade de fluorescência da molécula
Q Agente supressor de fluorescência
kq Constante de supressão bimolecular
KSV Constante de Stern-Volmer
Tempo de permanência da molécula no estado excitado
Eficiência quântica de fluorescência da molécula
M* Molécula fluorescente (na ausência do agente supressor)
M Molécula não fluorescente (na presença do agente supressor)
______________________________________________________________________
KS Constante de associação
Vq Volume da esfera efetiva
Na Constante de Avogadro
PI Potencial de ionização
AE Afinidade eletrônica
A-* Espécie dissociada
AH* Espécie não dissociada excitada
F’ Área do espectro de fluorescência
N Índice de refração
H2TMPyP Tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina
ZnTMPyP 5,10,15,20 – tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina zinco (II)
HOMO Orbital molecular ocupado de maior energia (highest occupied
molecular orbital)
LUMO Orbital molecular desocupado de menor energia
(lowest unoccupied molecular orbital)
DMSO Dimetilsulfóxido
C34H31CuN4Na3O6 Clorofilina cúprica de sódio
D Momento dipolar
IV Infravermelho
T Transmitância
I Intensidade de luz irradiada
L Caminho ótico
C Concentração da espécie absorvente
Coeficiente de absorção molar
IF Intensidade de fluorescência
K Fator de proporcionalidade
TCSPC Contagem de fótons únicos com correlação temporal (Time
Correlated Single Photon Counting)
MCP Detector de placa de microcanais (Micro Channel Plate)
IRF Função resposta do equipamento (Instrument Response
Function)
αi Fator pré-exponencial (amplitude)
______________________________________________________________________
SUMÁRIO
PREFÁCIO ..................................................................................................................... 18
CAPÍTULO 1: FOTOFÍSICA MOLECULAR .............................................................. 19
1.1. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTRAMOLECULARES .............................. 19
1.2. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTERMOLECULARES .............................. 23
1.2.1. Supressão de Fluorescência ...................................................................... 23
1.2.2. Transferência de energia ........................................................................... 28
1.2.3. Transferência de elétrons .......................................................................... 30
1.2.4. Transferência de prótons .......................................................................... 30
1.2.5. Formação de excímeros e de exciplexos .................................................. 31
1.3. RENDIMENTO QUÂNTICO ......................................................................... 31
CAPÍTULO 2: COMPOSTOS PORFIRÍNICOS ........................................................... 21
2.1. PORFIRINAS .................................................................................................. 21
2.1.1. Metaloporfirinas ....................................................................................... 34
2.1.2. Absorção e Luminescência de porfirinas de base livre e de
metaloporfirinas ...................................................................................................... 35
2.1.3. Clorofilina Cúprica de Sódio (SCC) ......................................................... 36
2.2. AGREGAÇÃO EM MOLÉCULAS PORFIRÍNICAS .................................... 38
CAPÍTULO 3: OBJETIVOS .......................................................................................... 34
3.1. GERAL ................................................................................................................ 34
3.2. ESPECÍFICOS .................................................................................................... 34
CAPÍTULO 4: MATERIAIS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ................... 42
4.1. MATERIAIS ....................................................................................................... 42
4.2. PREPARAÇÃO DO MATERIAL ...................................................................... 42
CAPÍTULO 5: CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL .............................................. 45
5.1. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO ÓTICA NA REGIÃO DO
ULTRAVIOLETA E VISÍVEL (UV-VIS) ................................................................ 45
5.2. ESPECTROSCOPIA DE FOTOLUMINESCÊNCIA ESTACIONÁRIA .......... 47
5.3. ESPALHAMENTO DE LUZ RESSONANTE ................................................... 48
5.4. FLUORESCÊNCIA RESOLVIDA NO TEMPO ............................................... 49
5.5. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO
(IV) ............................................................................................................................. 51
5.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN ........................................................................... 52
CAPÍTULO 6: RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................... 46
6.1. INFLUÊNCIA DO SOLVENTE E DA CONCENTRAÇÃO ............................. 46
6.1.1. Espectroscopia de Absorção Ótica na região do Ultravioleta e visível (UV-
Vis) ......................................................................................................................... 46
______________________________________________________________________
6.1.2. Espectroscopia de fotoluminescência ........................................................... 59
6.1.3. Fluorescência Resolvida no Tempo .............................................................. 62
6.2. EFEITO DO pH NO ESPECTRO DE ABSORÇÃO DA SOLUÇÃO AQUOSA
DE SCC ...................................................................................................................... 65
6.3. SCC NA MISTURA ÁLCOOL ETÍLICO E ÁGUA .......................................... 66
6.4. EFEITO DO CENTRO METÁLICO NO ANEL PORFIRÍNICO ..................... 72
6.5. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO
(IV) DA SCC .............................................................................................................. 74
6.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN DA SCC ............................................................ 75
CAPÍTULO 7: CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................................ 56
REFERÊNCIAS ............................................................................................................. 79
GLOSSÁRIO .................................................................................................................. 91
APÊNDICE .................................................................................................................... 92
PREFÁCIO
Os materiais orgânicos conjugados têm despertado enorme interesse de estudo
devido à capacidade que têm de apresentar propriedades eletrônicas, elétricas,
magnéticas e ópticas semelhantes às dos metais, porém com um diferencial que é a
flexibilidade e facilidade de processamento 99. As porfirinas, em particular, pertencem a
uma classe dos materiais orgânicos conjugados que possuem características específicas,
como intensa absorção óptica na região do ultravioleta e do visível, alta afinidade com
estruturas biológicas, ação catalítica, alta estabilidade química e fotoquímica. Essas
características são dependentes do meio físico em que se encontram5, 40. Tais
características atribuem a esses materiais potenciais aplicações tecnológicas na área da
indústria de laser, em displays de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs, do inglês
organic light-emitting diode) e dispositivos orgânicos fotovoltaicos (OPVs, do inglês
organic photovoltaics), limitadores ópticos, sensores. Destaca-se ainda sua aplicação no
tratamento de câncer através da Terapia Fotodinâmica (TFD),no qual são utilizadas
como drogas fotossensibilizadoras (Fs) e ainda vem sendo estudado seu uso potencial
em Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET)4, 8, 20, 32, 41, 54, 56, 86, 93, 95, 97.
As porfirinas estão presentes em diversos processos biológicos, nos quais
apresentam funções metabólicas de sítios ativos, como a hemoglobina e mioglobina,
atuando no transporte do oxigênio. Tem-se ainda um importante exemplo, a clorofila,
que tem a capacidade de transformar a energia da luz solar em energia química através do processo
de fotossíntese5, 39. Um fator bastante interessante nesses materiais é a possibilidade deles
terem sua estrutura química modificada, como por exemplo, a inserção ou a substituição
do centro metálico do anel porfirínico, bem como alteração dos grupos laterais (as
ramificações do anel), surgindo assim diversos derivados dessa classe17, 32. A clorofilina
cúprica de sódio, mais conhecida como SCC (do inglês sodium copper chlorophyllin), é
uma porfirina metalada derivada da clorofila pela substituição do magnésio (Mg) pelo
cobre (Cu) e modificação de suas cadeias laterais através da reação de saponificação, o
que confere a ela solubilidade em água.As modificações feitas em um anel porfirínico
alteram significativamente suas propriedades optoeletrônicas como intensidade de
fluorescência, coeficiente de absortividade molar, tempo de vida do estado excitado da
molécula, rendimento quântico, entre outras. Estas mudanças são interessantes quando
se pretende aprimorar as propriedades fotofísicas de um material para aplicações
Prefácio 19
específicas 2, 17, 41. Desta forma, é importante ressaltar que as propriedades fotofísicas de
um material são determinadas pela natureza e pela energia de seus estados
eletronicamente excitados 24. No caso das porfirinas, sua aplicação requer o
conhecimento de suas propriedades fotofísicas e semicondutoras.
O meio físico em que a porfirina se encontra também influencia
significativamente suas propriedades fotofísicas, como é o exemplo da concentração,
solvente, pH e temperatura. Um dos efeitos propiciados por esses meios é o processo de
agregação, no qual é promovido um equilíbrio entre o monômero e o agregado. Esse
equilíbrio pode ser controlado durante o preparo das amostras 3, 72.
A SCC é tomada como destaque neste estudo por não ter suas características
espectrais modificadas, mesmo quando solubilizada em água e por apresentar
propriedades que lhe conferem uma gama de aplicações. Além disso, ainda não se tem
na literatura informações sobre as propriedades fotofísicas desta molécula, como
coeficiente de absortividade molar, rendimento quântico de fluorescência e tempo de
vida. Dentro deste contexto, este trabalho tem como objetivo caracterizar as
propriedades optoeletrônicas da SCC em diferentes meios físicos como solvente,
concentração e pH, utilizando diferentes técnicas de caracterização como absorção ótica
na região do ultravioleta e visível (UV-Vis), fluorescência estacionária e resolvida no
tempo, espalhamento de luz ressonante (RLS), espectroscopia na região do
infravermelho e espectroscopia Raman.
Nesta dissertação, os conceitos teóricos sobre os processos fotofísicos, a
estrutura das porfirinas, a clorofilina cúprica de sódio e os processos de agregações são
abordados no capítulo 1. No capítulo 2 são apresentados os materiais utilizados e a
forma como as soluções com diferentes solventes, diferentes concentrações e diferentes
valores de pH foram preparadas. Os detalhes das técnicas de caracterização estão
apresentados no capítulo 3. No capítulo 4 são discutidos os resultados da SCC em
diferentes meios físicos e a influência do centro metálico do anel porfirínico em suas
propriedades eletrônicas e ainda são apresentados os espectros de absorção na região do
infravermelho e Raman para confirmação de sua estrutura química. O capítulo 5 traz as
considerações finais desta pesquisa e as perspectiva para trabalhos futuros.
CAPÍTULO 1: FOTOFÍSICA MOLECULAR
A fotofísica é compreendida como o estudo dos mecanismos físicos que resultam
da interação entre matéria e a radiação eletromagnética na faixa do
ultravioleta/visível, permitindo compreender e explorar as propriedades de uma
molécula26, 28. Este capítulo faz uma abordagem dos processos de excitação (absorção
de energia) e desativação do estado excitado de uma molécula orgânica semicondutora
e as transições eletrônicas que dão origem à fluorescência e fotoluminescência serão
detalhadas a seguir.
______________________________________________________________________
1.1. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTRAMOLECULARES
O diagrama de Jablonski (Fig.1) é convenientemente utilizado para a explicação
dos possíveis processos fotofísicos de uma molécula. Nele são descritos os seguintes
processos: absorção de fóton, fluorescência, fosforescência, cruzamento inter-sistema,
conversão interna e fluorescência atrasada 93.
Figura 1: Diagrama de Jablonski e os respectivos espectros de absorção, fluorescência e fosforescência 93.
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 21
Os estados eletrônicos singletos são chamados de S0 (estado eletrônico
fundamental), S1, S2,... (estados eletrônicos excitados) e os estados tripletos são
denotados T1, T2,....Os níveis vibracionais são associados com cada estado eletrônico 37.
As transições eletrônicas entre os estados são indicadas por linhas verticais, ilustrando a
natureza quase instantânea da absorção e a posterior emissão de luz 64.
Durante o processo de excitação de uma molécula através da absorção de
radiação, esta molécula passa de um nível energético mais baixo para um nível
energético mais elevado. Esse estado mais energético do elétron é muito instável com
relação ao seu estado inicial (estado fundamental) e, por isso, essa energia é dissipada
através de diferentes processos de decaimentos, radiativos ou não-radiativos, transitando
o elétron para estados excitados de menor energia ou para seu estado fundamental28.
Desta forma, quando um fóton com energia suficiente para excitar um elétron do estado
fundamental (S0) para um nível eletrônico de maior energia Sn (n = 1, 2, ...) é absorvido
pela molécula, ocorre uma transição eletrônica de um estado para outro. Cada um desses
níveis eletrônicos é ainda caracterizado por vários níveis vibracionais (ⱱ = 0, 1, 2...)
para os quais transições ópticas diretas podem ocorrer. O fóton de menor energia
absorvido pelo material tem uma energia igual à diferença de energia entre os níveis S0
e S1 e, quando fótons com energia maior que essa diferença são absorvidos resultam em
transições eletrônicas para níveis de maior energia (S2, S3...) 93.
A desativação do estado excitado de uma molécula pode ocorrer por diferentes
caminhos, onde alguns processos poderão ser mais favorecidos que outros, dependendo
da natureza da molécula, dos estados excitados envolvidos no processo e do solvente,
dentre outros meios físicos. Essa desativação ocorre por processos radiativos e não-
radiativos. Os processos radiativos são comumente classificados como
fotoluminescência, pelos quais os elétrons retornam ao nível fundamental emitindo luz
(radiação eletromagnética). A fluorescência e a fosforescência são os fenômenos
radiativos envolvidos neste processo, ainda tendo um terceiro que é a fluorescência
atrasada 28, 37, 64, 93.
Fluorescência
A radiação emitida durante o decaimento a partir do primeiro nível vibracional
no primeiro estado eletrônico excitado (S1) para o estado eletrônico fundamental (S0) é
chamada de fluorescência. O processo de fluorescência parte do pressuposto de que no
estado excitado, o elétron preserva a multiplicidade que tinha quando no estado
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 22
fundamental, permitindo que o seu retorno ao estado fundamental ocorra rapidamente,
emitindo um fóton com um tempo de vida entre 10 -10 a 10 -7 s 93.
Fosforescência
A fosforescência é a emissão de luz a partir do estado excitado tripleto, onde
temos decaimento radiativo de T1 para S0 como mostrado no diagrama de Jablonski.
Sendo a multiplicidade deste estado diferente ao do estado fundamental, com tempo de
vida consideravelmente mais longo comparado ao estado excitado singleto, variando de
10 -6 a 1s 93, 20.
Fluorescência Atrasada
A fluorescência atrasada é ativada termicamente, ocorrendo, assim, um
cruzamento inter-sistema inverso, T1 S1. Isto ocorre quando a diferença de energia
entre S1 e T1 é menor e quando o tempo de vida de T1 é bastante longo. Este processo
resulta em espectro de emissão bem similar ao da fluorescência, porém com um tempo
de vida do estado excitado mais longo do que ao da fluorescência, devido a sucessivas
conversões inter-sistemas (CIS) 93.
Conversão interna
Este processo consiste na desativação da espécie excitada para estados de mesma
multiplicidade. Este processo é seguido por um relaxamento vibracional para o menor
nível de vibração dos estados eletrônicos finais sem emissão de radiação. O excesso de
energia vibracional pode ser induzidamente transferido para o solvente durante colisões
da molécula excitada com a molécula do solvente circundante 76, 93.
A conversão interna de S1 para S0 é possível, mas é menos eficiente do que a
conversão de S2 para S1, porque o gap de energia entre S1 e S0 é muito maior, podendo
competir com a fluorescência e com o cruzamento inter-sistema para o estado tripleto 93.
Cruzamento inter-sistemas (CIS)
Este processo envolve transições não-radiativas entre estados eletrônicos de
diferentes multiplicidades, de um estado singleto para tripleto e vice-versa. O
cruzamento inter-sistemas pode ser rápido o suficiente (10 -10 a 10 -8s) para competir
com outros processos de desativação de S1 (fluorescência e conversão interna S S0) 76,
93.
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 23
1.2. PROCESSOS FOTOFÍSICOS INTERMOLECULARES
Na seção 1.1 foram abordados os processos fotofísicos intramoleculares. No
entanto, estes não são unicamente suficientes para detalhar as propriedades fotofísicas
de uma molécula. É necessário uma caracterização mais ampla, onde se verifique os
processos fotofísicos intermoleculares, os quais envolvem a interação de uma molécula
doadora (*D) com outras moléculas idênticas ou não (receptora, A) que se encontram no
estado fundamental, contribuindo para a desativação da molécula 5, 93.
Dentre os processos fotofísicos que contribuem para a desativação de uma
molécula, podemos destacar: ação de agentes supressores, transferência de energia
(radiativa e não-radiativa), transferência de elétrons e de prótons, formação de
excímeros e formação de exciplexos 93.
1.2.1. Supressão de Fluorescência
O termo supressão de fluorescência se refere a qualquer processo que diminua a
intensidade de fluorescência de um cromóforo. Esse processo pode ser resultado de uma
variedade deefeitos como concentração, solvente e efeito de filtro interno (primário ou
secundário) e interações intermoleculares. Dentre essas interações, destacam-se a
supressão estática e supressão dinâmica. Para ambos efeitos de supressão é necessário
que haja interação entre o cromóforo e o agente supressor e, consequentemente, estes
tipos de supressão nos fornecem informações importantes sobre esse cromóforo 55, 76, 93.
Supressão dinâmica ou colisional
Esse processo consiste na desativação do estado excitado através da colisão do
cromóforo com o agente supressor durante o tempo de vida do estado excitado.
Geralmente, após a colisão, o cromóforo regressa ao estado fundamental sem emissão
de fóton e sem haver qualquer alteração química das moléculas envolvidas. A
magnitude dessa desativação é proporcional à concentração do agente supressor e da sua
capacidade de difusão no meio 55, 93.
A supressão dinâmica de fluorescência é descrita pela equação de Stern-Volmer:
𝐹0
𝐹= 1 + 𝑘𝑞 . 0[𝑄] = 1 + 𝐾𝑆𝑉[𝑄] =
Φ0
Φ=
0
Eq. 1
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 24
onde F0 e F representam, respectivamente, a intensidade de fluorescência na ausência e
na presença do agente supressor, kq é a constante bimolecular de supressão, 0 é o tempo
de vida na ausência do agente supressor e [Q] é a concentração do agente supressor. A
constante de Stern Volmer, KSV, é dada por 0.kq. A constante bimolecular (kq) reflete a
eficiência da supressão ou acessibilidade do cromóforo ao supressor. Em geral, o
gráfico de Stern Volmer é linear indicando que os fluoróforos presentes em solução são
igualmente acessíveis ao supressor (Fig. 2). O coeficiente angular da reta é atribuído ao
valor da constante de Stern-Volmer (KSV). É importante reconhecer que a linearidade de
um gráfico de Stern-Volmer não prova que a supressão da fluorescência é dinâmica.
Alguns casos de supressão estática podem estar ocorrendo, porém podemos diferir esses
dois processos, principalmente, a partir das medidas de tempo de vida, da dependência
da temperatura e da viscosidade da amostra 55, 93. No caso da supressão dinâmica, o
tempo de vida da molécula é alterado na presença do agente supressor, como mostra os
perfis de decaimentos de tempo de vida da Fig. 2.
Figura 2: Gráficos para o efeito de supressão dinâmica:gráfico de Stern Volmer a esquerda e a direita
acurva de decaimento da fluorescência de uma molécula na presença e na ausência do agente supressor 93.
A mudança de inclinação revela a variação do tempo de vida.
Supressão estática
A supressão estática pode ocorrer de duas formas diferentes. Uma implica na
concepção de uma esfera de supressão efetiva, região onde ocorre a difusão entre a
molécula (M*) e o agente supressor (Q) durante o tempo de vida no estado excitado.
Este é um processo dependente do tempo. O outro implica na formação de um
complexo não fluorescente entre a molécula (M) e o agente supressor (Q) quando
ambos estão no estado fundamental. Quando este complexo absorve luz, ele
imediatamente retorna ao estado fundamental sem a emissão de fóton (Fig. 3) 93.
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 25
Figura 3: Representação esquemática da supressão estática em uma concepção de esfera de supressão
efetiva e para a formação de um complexo não fluorescente do estado fundamental 93.
Supressão Estática por formação de complexo não fluorescente
Considera-se a formação de um complexo não fluorescente na proporção de 1:1
(fluoróforo mais o agente supressor) de acordo com o equilíbrio:
M +Q MQ
Em um processo de supressão estática por formação de complexos não
fluorescentes, a intensidade de fluorescência diminui com a adição de um agente
supressor. Usando a relação para a constante de estabilidade do complexo (constante de
associação kS), tem-se:
KS = [𝐹𝑄]
[𝐹][𝑄] Eq. 2
e a lei de conservação de massa
[F] 0 = [F] + [FQ] Eq. 3
onde [F] 0 é a concentração total de M. A fração de complexos não fluorescentes podem
se obtidas por:
[𝑀]
[𝑀]0=
1
1+𝐾𝑆[𝑄] Eq. 4
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 26
Considerando-se que a intensidade de fluorescência é proporcional a
concentração (considerando apenas soluções bem diluídas), esta relação pode ser
reescrita como:
𝐹0
𝐹= 1 + 𝐾𝑆[𝑄] Eq. 5
A Eq. 5 mostra que a dependência de F0/F em relação a [Q] é linear e é idêntica
à observada para supressão dinâmica, exceto que a constante de supressão Kq é agora a
constante de associação KS. A Fig. 4 ilustra o perfil do gráfico de Stern Volmer e o
decaimento radiativo na presença e ausência do agente supressor. Neste caso, embora o
gráfico de Stern Volmer seja semelhante ao caso da supressão dinâmica, o tempo de
vida da molécula (M) não se altera na presença do agente supressor (Q).
Figura 4: Gráficos para o efeito de supressão estática na formação de complexos não fluorescentes: (a
esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita)os perfis das curvas de decaimento da fluorescência de
uma molécula na presença e na ausência de Q(a direita) 93.
Supressão estática por esfera de supressão efetiva
Quando a molécula no estado excitado (M*) e o agente supressor (Q) não podem
mudar suas posições em um espaço relativo para nem um outro durante o tempo de vida
de M* no estado excitado, Perrin propôs um modelo em que a supressão de uma
amostra é assumida ser completa se o agente supressor Q estiver localizado dentro de
uma esfera (chamado de efeito de esfera efetiva) de volume Vq em torno da molécula
M*. O caso em que o agente supressor estiver fora da esfera, ele não terá efeito sobre
M*. Portanto, a intensidade de fluorescência da solução é diminuída pela adição de Q e
o decaimento da fluorescência após o pulso de excitação não é afetado 55, 93.
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 27
O modelo de Perrin para a esfera de supressão efetiva mostra que:
𝐹0
𝐹= exp (𝑉𝑞𝑁𝑎[𝑄]) Eq. 6
Em contraste a equação de Stern Volmer (Eq. 1) a relação F0/F não é linear e
mostra uma exponencial positiva quando em altas concentrações de agentes supressores
(Fig. 5), enquanto para baixas concentrações tem-se que exp (VqNa[Q]) ≈ 1 + VqNa[Q],
a razão de F0 /F tem um comportamento linear. Portanto, neste caso particular de
supressão estática, o tempo de vida da molécula M não se altera na presença do agente
supressor e o gráfico de Stern Volmer tem comportamento linear apenas para baixas
concentrações do agente supressor.
Figura 5: Gráficos para o efeito de supressão estática na presença de uma esfera de supressão efetiva: (a
esquerda) Gráfico de Stern Volmer e (a direita) perfis dos decaimentos de fluorescência da molécula na
presença e na ausência do agente supressor 93.
Assim, a linearidade do gráfico de Stern-Volmer pode estar relacionada tanto à
uma supressão dinâmica quanto à uma estática. A medida de tempo de vida é o método
mais definitivo para a distinguir tais processos. Desta forma, temos que para a supressão
estática 0 / = 1, ou seja o tempo não muda, em contrapartida, para a supressão
dinâmica F0 /F = 0 / 55, 93.
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 28
1.2.2. Transferência de energia
A transferência de energia radiativa consiste em duas etapas ocorrendo
consecutivamente, sendo a absorção da emissão de uma molécula doadora no estado
excitado (D*) pela molécula receptora (A)93. Este processo ocorre entre o doador e o
receptor após a excitação do primeiro, de acordo com o mecanismo:
D*→ D + h
A + h→ A*
A eficiência deste processo depende da sobreposição espectral entre os espectros
de emissão do doador e absorção do receptor, do coeficiente de absorção molar do
receptor (ɛA), da concentração do receptor e do rendimento quântico de fluorescência do
doador (D). Para o estudo da transferência radiativa entre moléculas idênticas, Birks 11
propôs um simples modelo cinético, as quais apresentam tempo de permanência no
estado excitado mais longo devido as sucessivas reabsorções e remissões. Portanto, tem-
se que o tempo de permanência da molécula no estado excitado () é mais longo que o
tempo de permanência da molécula no estado excitado na ausência de transferência
radiativa (0) e o rendimento quântico de fluorescência da molécula (F) tende a ser
menor que o rendimento quântico de fluorescência da molécula na ausência de
transferências radiativas (0) 89, 93.
A transferência de energia não radiativa consiste basicamente em envolver
simultaneamente a desativação da molécula doadora do estado excitado (D*) causando
a excitação da molécula receptora (A) como segue a expressão sendo:
D* + A → D + A*
Esse processo influencia tanto no rendimento da emissão do doador quanto no
tempo de decaimento de ambos 89.Os trabalhos teóricos pioneiros de Förster e Dexter
estabeleceram as bases para a compreensão desse fenômeno 47.
O modelo proposto por Förster consiste na transferência não radiativa da
energia de um doador no estado excitado (D*) para um para um receptor, devido a
interações de tipo dipolo-dipolo de longo alcance entre o doador e o receptor (A), não
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 29
envolvendo colisões entre as moléculas, efeito de filtro interno ou transferência de
elétrons (Fig. 6). Para que haja essa transferência de energia não-radiativa, o par doador-
receptor deve satisfazer alguns requisitos: (i) estar a uma distância específica (entre 10 e
100 nm) um do outro; (ii) o momento de dipolo entre o doador (D*) e do receptor (A)
deve estar orientado de maneira adequada e (iii) deverá haver certa sobreposição das
densidades de estados de fluorescência do doador com a de absorção do receptor 33, 75, 89.
Figura 6: Ilustração do teorema de Föster para o processo de transferência de energia ressonanteem que os
elétrons 1 (verde) e 2 (amarelo) transferem energia permanecendo no doador e no receptor,
respectivamente 75.
Dexter expandiu o modelo de Förster para os fenômenos onde há troca de
elétrons ou interação multipolar entre uma molécula doadora no estado excitado (D*) e
uma molécula receptora (A) (Fig. 7). Assim, a transferência de elétrons de Dexter é
observada quase que exclusivamente em distâncias muito curtas e onde há sobreposição
orbital entre as espécies envolvidas apresentando, assim, conjugação (requer moléculas
suficientemente próximas, entre 8-12 A 29, 60. Esse tipo de transferência não permite a
formação de radicais livres, pois as cargas da molécula são conservadas, o que a difere
este processo do modelo de transferência de carga. A teoria proposta por Dexter requer
que o sistema doador receptor, mantenham a multiplicidade de spin, não permitindo
transferência de energia entre estados eletrônicos diferentes 25, 75, 89.
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 30
Figura 7: Ilustração do modelo de Dexter para o efeito de transferência não radiativa em que os elétrons 1
(verde) e 2 (amarelo) trocam de molécula 75.
1.2.3. Transferência de elétrons
A transferência de elétrons é considerada processo de oxi-redução, na qual as
moléculas doadoras (D) de elétrons e as moléculas receptoras (A) estão no estado
excitado. Os processos de transferência eletrônica são controlados, em grande parte,
pelo potencial de ionização (PI) da espécie doadora, e pela afinidade eletrônica da
espécie receptora. As moléculas ao serem excitadas, diminuem seu potencial de
ionização e a energia para retirar o elétron é menor, porém a afinidade eletrônica (AE)
também aumenta o valor absoluto. Portanto, pode-se afirmar que a excitação da
molécula favorece os processos de transferência eletrônica 55, 93. Diferentemente da
transferência de energia proposta por Dexter, ao longo do mecanismo de transferência
de elétrons, há mudança na carga dos reagentes e produtos.
1D* + A D+ + A-
1A* + D A- + D+
1.2.4. Transferência de prótons
Quando ocorre a excitação eletrônica da molécula suas características ácido e
base dos sítios próximos aumenta, envolvendo assim, a troca rápida do próton na
superfície do estado excitado. Muitos compostos apresentam alteração no seu pKa
(constante de acidez) quando excitados, podendo sofrer a desprotonação na presença de
espécies básicas, como o solvente. Para que o processo de transferência de prótons
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 31
ocorra, é necessário que se dê condições para que outro componente do par ácido-base
esteja próximo da molécula excitada, permitindo que a transferência protônica aconteça
durante o curto tempo de vida da molécula no estado excitado. Por ocorrer em temo de
vida curto, este processo compete com o processo de emissão e/ou supressão. No
processo de transferência de próton, parte das moléculas excitadas é transformada em
sua forma protonada ou dissociada 55, 71, 93.
AH* + B A-* + BH
B* + AH B+* + A-
1.2.5. Formação de excímeros e de exciplexos
Excímeros (palavra resultante da contração de ‘dímero excitado’) são dímeros
no estado excitado, formados a partir da interação entre uma molécula ativada e outra
idêntica, porém não-excitada. Assim, temos que:
1M* + 1M 1(MM)*
A representação simbólica (MM)* mostra que a energia de excitação é
deslocalizada para as duas moléculas.
Exciplexos são complexos do estado excitado formados a partir da interação
entre uma molécula excitada e uma molécula diferente desativada 55, 71, 93.
1D* + A 1(DA)*
1A* + D 1(DA)*
1.3. RENDIMENTO QUÂNTICO
O rendimento quântico de fluorescência (ΦF) é um parâmetro que quantifica a
capacidade de uma molécula emitir radiação, sendo a razão entre o número de fótons
emitidos por fluorescência e o número de fótons absorvidos. Uma molécula será
significativamente fluorescente se seu rendimento quântico tiver magnitude
considerável (entre 0,1 e 1) 55, 76, 93.
Capítulo 1: Fotofísica Molecular 32
Existem diferentes métodos para determinar a rendimento quântico de
fluorescência. O método comparativo de Williams é um dos mais empregados para se
obter ΦF 26. Este método utiliza dados de uma amostra de referência com ΦF conhecido
para se obter Φ da amostra em estudo, para isso é fundamental considerar alguns
parâmetros experimentais (concentração, instrumentação, etc.) que devem ser iguais
para ambas amostras. Os índices de refração dos solventes, tanto da amostra em estudo,
quanto da referência, devem ser considerados nos cálculos; a configuração do
equipamento de fluorescência deve ser a mesma para a amostra e para a referência e as
soluções devem estar bem diluídas, evitando efeitos que não estão de acordo com a Lei
de Beer-Lambert (efeito de filtro, por exemplo). A Eq. 7 possibilita calcular a
rendimento quântico de uma dada amostra, como se segue:
ɸ = ɸ𝑅𝐴𝑅𝐹𝐴
′ 𝑛𝐴2
𝐴𝐴𝐹𝑅′ 𝑛𝑅
2 Eq. 7
onde ɸ é a rendimento quântico da amostra em análise, ɸR é a rendimento quântico da
referência, AAe AR, são, respectivamente, a absorção da amostra e da referência, FA’ e
FR’, são, respectivamente, a área do espectro de fluorescência da amostra e da referência
e n representa os índices de refração dos solventes utilizados na amostra e na referência.
CAPÍTULO 2: COMPOSTOS PORFIRÍNICOS
As porfirinas são uma classe de moléculas orgânicas com uma estrutura geral
de macrociclo tetrapirrólico (formado por quatro anéis pirrólicos), ligados por
ligações metínicas (-CH-) e possuem propriedades semicondutores devido à alta
conjugação do anel. Neste capítulo são apresentadas as estruturas químicas, principais
conceitos, propriedades e aplicações das porfirinas, em especial da clorofilina cúprica
de sódio. Em seguida são abordados os processos de agregação nestas moléculas.
______________________________________________________________________
2.1.PORFIRINAS
As porfirinas são compostos macrocíclicos que contêm quatro anéis pirrólicos
ligados entre si por átomos de carbono. A disposição alternada das ligações simples e
duplas constitui um sistema eletrônico altamente conjugado e transições eletrônicas
ocorrem na faixa do visível e ultravioleta do espectro eletromagnético 19, 67. A palavra
Porfirina vem do grego “porphura” que significa púrpura. Elas compreendem uma
importante classe de moléculas presentes na natureza exercendo diversas funções
biológicas e de grande interesse em diversas áreas como oncologia, física de materiais,
entre outros 35.
As porfirinas são compostos aromáticos macrocíclicos e apresentam 22 elétrons
π, sendo apenas 18 ressonantes, de acordo com a regra de Huckel e são constituídas de
quatro anéis pirrólicos planares, com aproximadamente 9 Å de diâmetro externo e 4 Å
de diâmetro interno. Essa molécula apresenta baixa solubilidade em solventes orgânicos
e em água, devido à sua ampla nuvem π 32. A Fig. 8 mostra a estrutura geral da classe
das porfirinas.
Figura 8: Estrutura geral da porfirina 64.
Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 34
As porfirinas possuem elevado rendimento quântico de formação de estados
tripletos e, consequentemente, a geração de oxigênios singletos 73, além de alta
biocompatibilidade 16. Tais propriedades são interessantes para o uso das porfirinas em
sistemas biológicos, como por exemplo, como fotossensibilizantes na terapia
fotodinâmica-TFD (PDT, do inglês photodynamic therapy), utilizada em tratamento de
cânceres 3, 12, 13, 19, 32.
2.1.1. Metaloporfirinas
As porfirinas têm a propriedade de se combinarem prontamente com metais,
formando quelatos ou complexos muito estáveis, as metaloporfirinas. É sob esta forma
que os pigmentos pirrólicos exercem as suas funções mais importantes nos organismos
vivos. Praticamente todos os metais têm possibilidade de se combinarem, in vitro, com
os átomos de nitrogênio centrais das porfirinas, em um espaço com cerca de 3,7 Å de
diâmetro. Os íons metálicos divalentes substituem os 2 átomos de H dissociáveis do
núcleo porfirínico, através de ligações iónicas e coordenadas, dentro do mesmo plano,
com os 4 átomos de nitrogênio. Alguns complexos metálicos divalentes, como Fe (II),
Co (II), Mn (II), ao se oxidarem em trivalentes, ocasionam a libertação de um excesso
de carga positiva prontamente neutralizada por ânions. Quando os metais são
monovalentes, por exemplo, Na +, K +, Ag +, diminuem a estabilidade termodinâmica
própria das metaloporfirinas; enquanto que um dos cátions fica levemente acima do
plano do núcleo, o outro se situa um pouco abaixo. A incorporação de um átomo de
metal, no centro do núcleo porfirínico, altera as propriedades de ambos, em especial, no
espectro de absorção, fluorescência e solubilidade das porfirinas e respectivos
complexos metálicos. As metaloporfirinas biologicamente importantes utilizam o ferro
(hemoproteínas), magnésio (clorofilas) e cobalto (Vit. B12)43, 74, 82. A Fig. 9 traz a
estrutura química de algumas metaloporfirinas.
Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 35
(a)
(b)
Figura 9: Representação das estruturas de (a) grupo heme (protoporfirina IX) e (b) clorofila 43.
As metaloporfirinas apresentam, além de propriedades semicondutoras, alta
estabilidade química e fácil processabilidade na formação de filmes finos. Tais
propriedades fazem com que as metaloporfirinas sejam consideradas alternativas de
grande potencial de aplicação na eletrônica e na optoeletrônica molecular 30, 98. Além
disso, apresentam elevados coeficientes de extinção para absorção próxima de 650 nm,
região em que ocorre o máximo fluxo de fótons da radiação solar, resultando em uma
eficiente captação de fótons, tornando-as adequadas para a integração de sistemas de
conversão de luz em corrente elétrica 22. Algumas metaloporfirinas, quando modificadas
de forma a serem solúveis em água, como é o caso da clorofilina cúprica de sódio, não
têm suas características espectrais modificadas 78, 80.
2.1.2. Absorção e Luminescência de porfirinas de base livre e de metaloporfirinas
As porfirinas, em geral, apresentam características óticas espectrais com
transições mais energéticas na região do azul (entre 410 e 450 nm), conhecida como
banda Soret, e na região do vermelho (entre 500 e 650 nm), conhecida com banda Q 64.
A metalação das porfirinas de base livre causa alterações significantes no
comportamento dos níveis de energia, sendo essas alterações fortemente dependentes do
metal a elas complexadas. Na maioria dos casos a estrutura da porfirina deixa de ser
planar (dependendo do metal, ligante e do meio). Essa alteração estrutural se reflete na
simetria da molécula, que passa de D2h devido aos dois hidrogênios em posições opostas
no centro do anel, para D4h em que todos os átomos de nitrogênio são equivalentes.
Essas alterações levam a reorientação dos orbitais moleculares da porfirina e são
responsáveis pelas modificações observadas nos espectros de absorção e de emissão. O
Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 36
número de bandas Q da porfirina de base livre, que é quatro é reduzido normalmente
para duas e a banda Soret sofre um deslocamento batocrômico (para o vermelho) 45. A
Fig. 10 representa simplificadamente, as mudanças nas características espectrais na
porfirina com a inserção de um metal.
Figura 10: Estrutura química e espectros de absorção da tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina
(H2TMPyP ) em azul e da 5,10,15,20 – tetrakis (1-metilpiridínio-4-il)-porfirina zinco (II) ( ZnTMPyP)
em preto em água 17.
Tanto porfirinas quanto metaloporfirinas, apresentam, em sua maioria,
fotoluminescência. As porfirinas apresentam emissão predominantemente fluorescente e
geralmente apresentam fosforescência a baixas temperaturas 42.
A luminescência das metaloprofirinas foi primeiramente investigada no estudo
feito por Becker e Kasha 10, no qual complexos de Zn (II), Cu (II), Ni (II) e Mg (II),
clorofilas, dentre outros compostos foram estudados a baixa temperatura (77 K). Outros
estudos confirmaram que a fotoluminescência de metaloporfirinas está correlacionada
com a eletronegatividade do metal 9.
2.1.3. Clorofilina Cúprica de Sódio (SCC)
A clorofilina cúprica de sódio (SCC) (Fig. 12) é uma porfirina comercial de
baixo custo, quando comparada as demais porfirinas comerciais, têm uma de suas
posições meso substituída por um sal de ácido carboxílico, mais especificamente, esses
sais aparecem nas posições 13, 15 e 17. Na região de maiores comprimentos de onda,
Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 37
apresenta uma banda Q intensa em torno 630 nm. A SCC é produzida a partir de
extratos contendo a clorofila natural (Fig. 11), o qual é inicialmente tratado com
hidróxido de sódio, ou seja, é realizada a reação de saponificação, resultando na
hidrólise das duas ligações éster da molécula da clorofila, transformando-a num diácido.
Um dos grupos liberados após o processo é o fitol e ainda se tem o rompimento do anel
isocíclico E da clorofila, que dá origem a um terceiro grupo ácido. Em seguida, o átomo
de magnésio que se encontra no centro do anel da clorofila é substituído, em meio
ácido, por H+ e, posteriormente tem-se a inserção de um novo metal ao anel, o cobre,
que atribui a molécula um complexo estável (Cu) 32, 49, 53. Devido a formação de novos
grupos na cadeia lateral do anel (os sais de ácido carboxílico), a molécula passa a
apresentar solubilidade em água. Esta molécula tem sido aplicada em várias áreas, como
na medicina 27, na indústria alimentícia 38 e em sistemas eletrônicos 6, 27, 38, 54, 97.
Figura 11: Processo de obtenção da clorofilina cúprica de sódio a partir da clorofila natural96.
Figura12: Estrutura química da Clorofilina cúprica de sódio (SCC).
Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 38
A interação entre o Cu2+ e o anel porfirínico é relativamente estável, embora
possa ser eliminado por protonação com ácidos fortes, como documentado na literatura.
Esta molécula, em alguns trabalhos, é tomada como estudo devido a possibilidade de
sua modificação para obtenção de fotossensibilizantes (Fs) que absorvam na janela
terapêutica para aplicação em TFD (Terapia Fotodinâmica) e pelo fato de ser solúvel em
água e apresentar compatibilidade com o corpo humano 32. As modificações da SCC são
necessárias porque ela não apresenta propriedades de um bom fotossensibilizante, pois
ela não forma tripleto e o estado excitado singleto apresenta tempo de vida muito curto,
o que está associado a decaimentos não radiativos através dos níveis vibracionais dos
orbitais d vazios do cobre que é paramagnéticos 9, 12, 17.
2.2.AGREGAÇÃO EM MOLÉCULAS PORFIRÍNICAS
Em moléculas porfirínicas as interações moleculares podem provocar fenômenos
de agregação, que é a auto-associação de moléculas em solução. A agregação é também
um modelo fundamental para muitos tipos de interações moleculares, como a formação
de micelas e a união de pequenas moléculas orgânicas, formando macroestruturas
complexas em solução, e que, dependendo da concentração, alteram pouco ou muito as
propriedades físico-químicas da solução 66, 72.
As interações soluto-soluto propiciam a formação de espécies agregadas,
podendo estas serem de dois tipos, a hetero-agregação e a auto-agregação 38. A estrutura
química do composto contribui significativamente para o os mecanismos que regem a
agregação dessas moléculas, tendo destaque as forças intermoleculares como ponte de
hidrogênio, interações eletrostáticas, incluindo interações entre o sistema , forças de
van der Waals e interações hidrofóbicas. Os substituintes, força iônica, temperatura e
pH também podem ser considerados nesse fenômeno 36, 50.
De acordo com as interações intermoleculares, os agregados são também
classificados em duas importantes classes conhecidas como agregados lineares ou do
tipo J (Fig. 13 b), formados por interações dipolares, ocasionando o deslocamento do
máximo de absorção para o vermelho (batocrômico) abaixando o nível de energia das
transições proibidas por simetria, devido a um decréscimo de energia entre o estado
fundamental e o excitado (Fig. 15). Os agregados paralelos ou do tipo H (Fig. 13 a), que
ocasiona um distanciamento entre os níveis de energia do estado fundamental e
excitado, conduzindo a um deslocamento do máximo de absorção para o azul
Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 39
(hipsocrômico) (Fig. 15). Ainda, em muitos casos, podem ser observados os agregados
mistos HJ, onde o contato face-a-face não é completo (Fig. 13 c, Fig. 13 d) 1, 69, 72.
Figura 13: Representação das formas de agregação: (a) face-a-face/tipo H; (b) entre laterais/ tipo J; (c)
face lateral/tipo HJ e (d) faces paralelas deslocadas/tipo HJ 32.
As espécies agregadas e as monoméricas, geralmente se encontram em
equilíbrio, ou seja, estão em condições reversíveis, em que alguns fatores como
temperatura, concentração e fração molar do solvente contribuem ou para a formação do
produto de agregação ou do monômero como mostra a Fig. 14 3, 50.
Figura 14: Fatores que afetam o equilíbrio entre agregados e monômeros 50.
Com o aumento da temperatura e aumento da fração molar do solvente, no qual
o soluto é bastante solúvel, a tendência para a formação de monômero é bem maior do
que a formação de agregado. No entanto, este processo pode ser invertido quando é
alterado o sistema, isto é, se e ocorrer diminuição da temperatura ou até mesmo
alteração do solvente, sendo este de diferente polaridade em relação à molécula em
estudo (soluto).As transições eletrônicas apresentam diferenças entre espécies
monoméricas e agregadas. Quando comparado ao monômero, tem-se um decréscimo no
ΔE HOMO-LUMO (do inglês highest occupied molecular orbital
Capítulo 2: Compostos Porfirínicos 40
elowest unoccupied molecular orbital, respectivamente) para agregados do tipo J (Fig.
15 b) e um incremento para agregados do tipo H (Fig. 15 c) 1, 69.
Figura 15: Excitação eletrônica para porfirinas monoméricas (a); agregadas do tipo J (b) e agregadas do
tipo H (c) 32.
Algumas propriedades como solubilidade, espectro eletrônico, baixo rendimento
quântico de fluorescência, diminuição dos rendimentos de formação de tripletos e de
geração de oxigênio singleto são modificadas quando ocorre a formação de espécies
agregadas, o que torna importante o conhecimento deste fenômeno. A identificação
deste fenômeno é possível quando se observa, na caracterização da molécula, desvios da
lei de Lambert- Beer, alargamento dos picos dos espectro de absorção, decréscimo do
coeficiente de absorção molar e deslocamento do comprimento máximo de absorção.
Pode-se ainda identificá-los’’ através do espectro de H-RMN, por variações no δ em
função da concentração e alargamento dos sinais com deformação da multiplicidade e
pelo Espalhamento de luz ressonante 1, 3, 5, 69.
CAPÍTULO 3: OBJETIVOS
3.1. GERAL
Investigar a influência do solvente, da concentração, do pH e do centro metálico
nas propriedades fotofísicas da clorofilina cúprica de sódio, e ainda verificar o a
supressão da fluorescência dessa molécula em álcool etílico, quando adicionadas
diferentes porcentagens de água.
3.2. ESPECÍFICOS
Identificar os processos de decaimento de fluorescência da SCC em função da
concentração, do solvente e da mistura água/álcool etílico;
Verificar os tempos de vida da SCC em solução para diferentes solventes e
diferentes concentrações;
Calcular o coeficiente de absorção molar da SCC em diferentes solventes;
Determinar o rendimento quântico de fluorescência da SCC em álcool etílico,
em álcool isopropílico e em DMSO para uma concentração específica;
Verificar a absorção da SCC em função do pH;
Avaliar o processo de supressão de fluorescência da SCC no sistema envolvendo
a mistura água/álcool etílico;
Compreender a influência do centro metálico do anel porfirínico nas
propriedades fotofísicas da SCC;
Contribuir para o estudo de sua aplicação.
CAPÍTULO 4: MATERIAIS E PROCEDIMENTOS
EXPERIMENTAIS
Neste capítulo estão apresentados os materiais e a descrição dos procedimentos
utilizados na preparação de cada amostra para caracterizações espectroscópicas. As
soluções estudadas, foram preparadas em diferentes concentrações, solventes e pH.
___________________________________________________________________
4.1. MATERIAIS
A Tabela 1 apresenta a fórmula química dos principais materiais utilizados neste
trabalho e suas informações gerais como sigla/nomenclatura utilizada, nome completo,
fornecedor, concentração e funcionalidade.
Tabela 1: Materiais utilizados e suas respectivas informações.
Materiais Fórmula química Função Momento
Dipolar (D)
Massa molar
(g/mol)
SCC C34H31CuN4Na3O6 Analito - 724,15
Água destilada H2O Solvente 1,85 18,02
Etanol C2H6O Solvente 1,69 46,07
Isopropanol C3H80 Solvente 1,66 60,10
DMSO (CH3)2SO Solvente 3,96 78,13
Ácido sulfúrico H2SO4 Ajuste de pH 2,90 98,08
Hidróxido de sódio NaOH Ajuste de pH - 39,00
Ácido nítrico HNO3 Limpeza de vidrarias - 63,01
4.2. PREPARAÇÃO DO MATERIAL
Neste trabalho foram preparadas soluções de SCC em diferentes solventes,
concentrações e valores de pH para análises espectroscópicas.
No estudo da SCC em função do solvente e da concentração, primeiramente,
preparou-se soluções de SCC matrizes (soluções bases com concentração igual a 0,28
mmol/L para obtenção de soluções mais diluídas) para cada um dos solventes: água
destilada, álcool etílico, álcool isopropílico e DMSO. A partir da solução matriz,
obtiveram-se soluções com um intervalo de concentração variando entre 0,28 mol /L e
Capítulo 4: Materiais e Procedimentos Experimentais 43
0,28 mmol /L. As soluções foram agitadas por ultrassom (modelo Bandelin Sonorex
Super RK 106) por 5 minutos e mantidas em repouso por aproximadamente 24 horas
antes das medidas.
Na realização das medidas de absorção na região do ultravioleta e visível das
soluções aquosas de SCC em função do pH, foram utilizadas uma solução alcalina e
uma ácida, respectivamente hidróxido de sódio (NaOH) e ácido sulfúrico (H2SO4)
ambos à concentração de 0,1 g /L. Estas soluções foram adicionadas à soluções de SCC
de concentração igual a 0,1 g/L, a fim de se obter uma escala de pH, entre os valores 2 e
13. Estas soluções foram agitadas manualmente. O controle do pH foi feito utilizando-
se um pHmetro de bancada modelo pHS-3B.
Nas caracterizações espectrais da SCC na mistura álcool e água, preparou-se,
primeiramente, uma solução matriz de SCC em álcool etílico de concentração igual a
0,55 mmol/L e, a partir desta solução, foram obtidas outras10 amostras pelo processo de
diluição (Tabela 2). Estas novas amostras foram diluídas em diferentes proporções de
água e álcool etílico, mantendo uma concentração de 0,055 mmol /L para todas as
soluções.
Tabela 2: Proporções de álcool etílico e água utilizadas no preparo das amostras de SCC para realização
de caracterizações espectroscópicas.
Solução matriz + álcool etílico + H2O
0 % água 200 L + 1800 L + 0 L
1’’0 % água 200 L + 1600 L + 200 L
20 % água 200 L + 1400 L + 400 L
30 % água 200 L + 1200 L + 600 L
40 % água 200 L + 1000 L + 800 L
50 % água 200 L + 800 L + 1000 L
60 % água 200 L + 600 L + 1200 L
70’ % água 200 L + 400 L + 1400 L
80 % água 200 L + 200 L + 1600 L
90 % água 200 L + 0 L + 1800 L
Estas soluções foram agitadas no equipamento ultrassônico durante 5 minutos e
mantidas em repouso por aproximadamente 24 horas.
Para obtenção do rendimento quântico da SCC em álcool etílico, álcool
isopropílico e DMSO, foram preparadas soluções a uma concentração de 2,8 mol/L
Capítulo 4: Materiais e Procedimentos Experimentais 44
(para evitar efeito de filtro). Nesta etapa, utilizou-se o método comparativo de Williams
(Eq. 9), tomando como molécula referência a Rodamina B em ácido acético, cujo
rendimento quântico era conhecido, ɸ = 0,44 68. Seguindo as regras do método
comparativo, os parâmetros experimentais para as medidas de fluorescência (incluindo
slites, concentração e porta amostra) de ambas amostras, bem como da molécula
referência foram iguais. Destaca-se ainda que nesta etapa não foi utilizado porta amostra
com amplificador de sinal d’e fluorescência para nem uma das amostras.
Para a análise estrutural da SCC, utilizou-se a espectroscopia de absorção na
região do infravermelho e a espectroscopia Raman. Para as medidas de IV, preparou-se
pastilhas de SCC com KBr. Para a realização do Raman, a amostra foi medida em filme
casting.
Na realização das medidas espectroscópicas citadas acima, com exceção da
espectroscopia Raman e espectroscopia de absorção na região do infravermelho,
utilizou-se uma cubeta de vidro de 1 cm de espessura, que após cada processo passava
por uma limpeza com solução de ácido nítrico a 13%.
CAPÍTULO 5: CARACTERIZAÇÃO DO MATERIAL
Neste capítulo estão descritas as técnicas de caracterização utilizadas neste
trabalho para verificação das propriedades fotofísicas da SCC. Essas caracterizações
foram realizadas por espectroscopia de absorção na região do ultravioleta e visível,
espectroscopia de fluorescência estacionária, fluorescência resolvida no tempo e
espalhamento de luz ressonante. Além das técnicas de caracterização ópticas, utilizou-
se a espectroscopia no Infravermelho (IV) e a espectroscopia Raman como técnicas
complementares para identificação dos principais grupos funcionais da molécula.
______________________________________________________________________
5.1. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO ÓTICA NA REGIÃO DO
ULTRAVIOLETA E VISÍVEL (UV-VIS)
O espectrofotômetro de absorção na região do ultravioleta e visível de feixe
único (Hitachi, modelo U-2001 – USB-650 Red Tide da Ocean Optics (Fig. 16))
previamente calibrado foi utilizado para estudar as transições eletrônicas (promoção de
um elétron para um orbital de maior energia) da clorofilina cúprica sódico (SCC).
Através deste equipamento obtém os espectros de absorção 49. Através da análise dos
espectros de absorção óptica, obtêm-se informações sobre modificações na estrutura e
interação das moléculas com o meio 87.
Figura 16: Espectrofotômetro de absorção ótica na região do ultravioleta e visível (UV-Vis) de feixe
único da Oceans Optics modelo Red Tide-USB-650.
Esta técnica envolve a atenuação da intensidade de luz, devido ao processo de
absorção de luz pela amostra, seja ela filme ou solução. A quantidade de luz absorvida é
a diferença entre a quantidade de radiação incidente I0 e a radiação transmitida I. A
Capítulo 5: Caracterização do Material 46
quantidade de luz transmitida pode ser expressa em absorbância ou transmitância. Desta
forma temos que a transmitância é definida pela razão:
T= 𝐼
𝐼0 Eq. 8
onde I0 e I são respectivamente a intensidade incidente e a intensidade transmitida
através da amostra.
A absorbância se relaciona com a transmitância como mostra a Equação 9:
A=log𝐼
𝐼0= –logT Eq. 9
A intensidade da luz pode ser melhor expressa pela lei de Lambert-Beer, a qual
propõe que em um determinado comprimento de onda, a absorbância depende da
concentração de espécies absorventes no meio em que a luz atravessa (Eq. 10).
A()=ε()lc = log [𝐼0
𝐼] Eq. 10
ondeA é a absorbância, ε() é o coeficiente de absorção molar, l é o caminho ótico e c é
a concentração da espécie absorvente. Vale destacar que o símbolo ε é chamado de
coeficiente de absorção molar, quando a concentração é expressa em mol/L, tendo,
assim a unidade de ε como: L/mol.cm. Todavia quando a concentração é expressa em
g/L, o símbolo passa a ser chamado de α (absorção específica)21. A lei de Lambert-Beer
será expressa, portanto:
A= αlc Eq. 11
sendo agora a unidade expressa em: L/g.cm.
Capítulo 5: Caracterização do Material 47
5.2. ESPECTROSCOPIA DE FOTOLUMINESCÊNCIA ESTACIONÁRIA
Os espectros de fluorescência da clorofilina cúprica de sódio em diferentes
solventes e concentrações foram obtidos, utilizando-se o espectrofluorímetro modelo
RF-5301 PC da marca Shimadzu (Fig. 17 a) equipado com uma lâmpada de Xe. A
emissão de fluorescência da molécula SCC foi monitorada em três comprimentos de
onda de excitação (exc): 401 nm, 580 nm e 630 nm. Os espectros de emissão da
amostra com concentrações abaixo de 1,35 mol/L foram obtidos, utilizando-se um
filtro para bloquear comprimentos de ondas abaixo de 600 nm, já que o comprimento de
interesse era a partir de 630 nm. Para melhorar a resolução dos espectros e aumentar a
intensidade dos sinais de fluorescência, utilizou-se um porta amostra com amplificador
de sinal de fluorescência (Fig. 17 b).
Figura 17: (a) Espectrofluorímetro modelo RF-5301 PC e (b) suporte de cubeta e amplificador da
fluorescência.
A intensidade de fluorescência pode sofrer interferência devido a diferentes
fatores. A concentração da solução influencia significativamente neste processo,
mostrando-se desfavorável quando em alto valor 55, 93. A Equação 12 mostra
matematicamente a relação da intensidade com diferentes fatores:
𝐼𝐹(𝐸 ,𝐹) = 𝑘𝐹(𝐹)𝐼0(𝐸){1 − exp [−2.3ɛ(𝐸)𝑙𝑐]} Eq. 12
onde IF é a intensidade de fluorescência, E e F são, respectivamente, comprimentos de
onda de emissão e de excitação, k é um fator de proporcionalidade que depende de
vários parâmetros experimentais como configuração ótica e largura da banda do
Capítulo 5: Caracterização do Material 48
monocromador, F é a fluorescência resultante da amostra, I0 é a intensidade inicial de
fluorescência, ɛ denota o coeficiente de absortividade molar, l caminho ótico percorrido
pela amostra e c concentração da amostra. Nota-se, nessa Eq. 12 que a variação da
intensidade de fluorescência como uma função de F, para E fixo, reflete a variação em
F(E) e assim é fornecido o espectro de fluorescência 93.
5.3. ESPALHAMENTO DE LUZ RESSONANTE
As medidas de espalhamento de luz ressonante para a clorofilina cúprica de
sódio na mistura água / álcool etílico foram realizadas utilizando o espectrofluorímetro
modelo RF-5301 PC da marca Shimadzu.
A técnica de espalhamento de luz ressonante (do inglês, Resonant Light
Scattering – RLS) consiste no espalhamento da radiação pela molécula. Essa técnica é
mostrada em estudos recentes como uma ferramenta valiosa na detecção e
caracterização de espécies agregadas, pois apresenta alta sensibilidade e seletividade no
monitoramento dessas espécies e ainda se mostra muito promissora na determinação do
tamanho e forma dos agregados. Pasternack e colaboradores observaram em seus
estudos que oaumento do sinal de espalhamento na região espectral de absorção indica a
presença de espécies agregadas. O espectro experimental de RLS das moléculas
monoméricas se diferencia do espectro de moléculas agregadas por apresentar um
mínimo local devido à “perda de fótons” via absorção superpondo-se a qualquer sinal de
espalhamento 14, 52, 70.
A extensão com que o agregado absorve ou espalha luz é dependente do seu
tamanho, da forma e do índice de refração do meio. O espalhamento causado por
pequenas partículas esféricas muito menores do que o comprimento de onda da radiação
incidente é conhecido como espalhamento de Rayleigh. Desta forma, podemos prever a
intensidade de luz espalhada da solução na ausência de absorção óptica pela lei de
Rayleigh (I) dada por:
𝐼 ~ 1
𝜆4 Eq. 13
A lei de Rayleigh é utilizada na correção da intensidade do espectro de RLS da
solução na ausência de espécies agregadas por não absorver na região espectral da
Capítulo 5: Caracterização do Material 49
amostra e devido à dependência da sensibilidade do espectrofluorímetro com o
comprimento de onda (). Sendo o espalhamento real da solução na ausência de
agregados descrito pela lei de Rayleigh, a função sensibilidade do espectrofluorímetro
(K) pode ser calculada por:
𝐾 =𝐼𝑆𝐴
𝑅, Eq. 14
ondeR é o espectro de Rayleigh normalizado, ISA é o espectro de espalhamento da
solução sem o agregado. Utilizando o espectro de espalhamento de luz da amostra
(Imedido) e dividindo pela função sensibilidade do espectrofluorímetro, obtém-se a curva
de espalhamento de luz corrigido (Icorrigido):
𝐼corrigido =𝐼𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜
𝐾. Eq. 15
5.4. FLUORESCÊNCIA RESOLVIDA NO TEMPO
A fluorescência resolvida mede intensidades e tempos de decaimentos de
fluorescência, determina o tempo de vida de permanência da molécula no estado
excitado e pode oferecer informações como a formação de dímeros, excímeros,
transferência de energia e distâncias moleculares. Para a realização das medidas de
tempo de vida, utilizou-se o equipamento modelo Fluotime 200 da Picoquant (Fig. 18).
Todas as medidas foram realizadas a temperatura ambiente utilizando duas fontes de
excitação, sendo um laser de diodo pulsado com emissão centrada em 401 nm outro em
636,5 nm, referente aos seus picos de absorção.
Figura 18: Fluotime 200 da PicoQuant, Laboratório de Fotofísica do Departamento de Física da
Universidade Federal de Ouro Preto.
Capítulo 5: Caracterização do Material 50
Este equipamento utiliza a técnica de Contagem de fótons únicos com correlação
temporal (TCSPCdo inglês “Time Correlated Single Photon Counting”) (Fig. 19 a), no
qual o tempo de vida de permanência da molécula no estado excitado é determinado
pela diferença de tempo entre a produção do pulso de medição e a detecção dos fótons
de emissão. O processo de medição de tempo de vida para um elevado número de
pulsos de excitação sobre a amostra resulta na acumulação de um histograma de número
de contagens em função dos endereços de memória do MCP (Micro Channel Plate),
como mostra a Fig. 19b.
(a)
(b)
Figura 19: (a) Arranjo Experimental da técnica de TCSPC. (b) Histograma número de fótons X tempo,
que reproduz o comportamento temporal da emissão da amostra.
No procedimento experimental realizado com o laser pulsado com radiação
centrada em 401 nm, utilizou-se um filtro para bloquear comprimentos de ondas
menores que este citado. Os fótons emitidos foram coletados no comprimento máximo
de emissão das amostras estudadas.
Antes de serem iniciadas as medições da amostra, mediu-se a função resposta do
equipamento (IRFdo inglês, Instrument Response Functio), usualmente chamado “pulso
do laser”. O IRF é adquirido na ausência da amostra, por uma solução espalhadora e
representa a curva de decaimento mais curta que pode ser medida com esse
equipamento. No procedimento de análise das curvas de decaimento de fluorescência
utilizou-se o software FluoFit® fazendo a deconvolução entre a função reposta (IRF) do
equipamento e a curva de decaimento de fluorescência do material em estudo. O
Capítulo 5: Caracterização do Material 51
equipamento FluoTime 200 foi ajustado com uma frequência de repetição dos pulsos de
emissão no laser em 20 MHz e uma contagem de 1000 fótons.
Os ajustes das curvas de decaimento foram feitos utilizando funções
multiexponenciais com (n) componentes:
𝐼(𝑡) = ∑ 𝛼𝑖𝑛𝑖=1 𝑒
−𝑡
𝜏𝑖 Eq. 16
Onde i é o fator pré-exponencial (amplitude) e i é o tempo de vida do estado excitado.
A qualidade dos ajustes foi confirmada através de ², o qual deve estar o mais próximo
possível de 1.
5.5. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO
Os espectros obtidos na região do infravermelho (IV) da clorofilina cúprica de
sódio foram realizados em um espectrômetro da Perkin Elmer modelo BX-FTIR, e as
amostras foram preparadas em pastilhas de KBr. As análises foram realizadas a fim de
comprovar a composição química do material em estudo. As medidas foram realizadas
no Laboratório de Espectroscopia no Infravermelho do Departamento de Química da
UFOP.
A radiação infravermelha corresponde à parte do espectro eletromagnético
situado entre as regiões do visível e micro-ondas, sendo a região do infravermelho
médio localizada na faixa entre 4000 a 400 cm-1 65. A radiação infravermelha não tem
energia suficiente para excitar os elétrons e provocar transições eletrônicas, como ocorre
para as medidas de absorção na região do ultravioleta e visível, porém ela faz com que
os átomos ou grupos de átomos vibrem com amplitude em torno das ligações covalentes
que os unem em comparação com seus estados fundamentais. Essas vibrações são
quantizadas e, quando ocorrem, os compostos absorvem energia em comprimentos de
onda do espectro infravermelho. Nas vibrações, as ligações covalentes comportam-se
como se fossem pequenas molas unindo os átomos, com os átomos vibrando apenas em
certas frequências, e as ligações sofrem várias deformações. Na realização de medidas
de absorção no infravermelho, um feixe de radiação infravermelha passa pela amostra e
a quantidade de energia transmitida é registrada 85.
Capítulo 5: Caracterização do Material 52
A frequência de uma vibração de estiramento no espectro de absorção no
infravermelho pode se relacionar com dois fatores: as massas dos átomos ligados
(átomos mais leves vibram com frequências maiores) e a rigidez relativa da ligação. As
ligações triplas vibram com frequências mais altas que as duplas e estas com
frequências mais altas que as simples. Isto porque enquanto uma ligação simples, sendo
mais maleável, permite um estiramento mais longo, as duplas e triplas tem menor
capacidade de se alongar. Desta forma, tem-se que uma ligação simples sofre um
estiramento máximo, enquanto que as ligações duplas e triplas sofrem estiramentos
menores. Os estiramentos menores são possibilitados de ocorrerem por mais vezes em
um mesmo intervalo de tempo 58, 85, 88.
A condição para que uma vibração ocorra a partir da absorção de energia no
infravermelho é que tenha a variação do momento de dipolo elétrico da molécula como
consequência de seu movimento vibracional ou rotacional. Somente nessas condições, o
campo elétrico alternante da radiação incidente interage com a molécula, originando os
espectros. Como o espectro de absorção no infravermelho tem muitos picos de
absorção, a possibilidade de dois compostos terem o mesmo espectro é praticamente
inexistente, por isso, o espectro de IV é tomado como a "impressão digital" das
moléculas.As análises de IV geralmente são representadas por gráficos da transmitância
ou absorbância da amostra em função do número de onda 85, 88.
5.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN
As medidas Raman foram realizadas no Departamento de Química (DEQUI-
UFOP) no laboratório do pesquisador Anderson Dias em colaboração com a professora
Jaqueline Soares do Departamento de Física (DEFIS-UFOP).As medidas foram obtidas
usando um espectrômetro HORIBA (Jobin Yvon)- LABRAM-HR, excitado com a linha
632,8 nm de um laser de He-Ne, com potência em torno de 11 mW.
Em 1928 foi observado, experimentalmente, por Chandrasekhara Venkata
Raman, que ao incidir uma luz monocromática sobre um determinado tecido ou
estrutura, a radiação sofria espalhamento (mudança de direção). Raman verificou ainda
que além da linha de radiação incidente haviam outras com pequenos deslocamentos no
comprimento de onda. No primeiro caso havia um espalhamento elástico ou
espalhamento Rayleigh, onde os fótons da radiação incidente somente mudavam de
direção, no segundo caso havia um espalhamento inelástico ou espalhamento Raman,
Capítulo 5: Caracterização do Material 53
onde além da mudança de direção, ocorria variação do comprimento de onda, ou seja,
da energia, podendo esta ser maior ou menor que a energia incidente (espalhamento
anti-Stokes e Stokes, respectivamente) (Fig. 20)79. Para o espalhamento Rayleigh a
radiação é forte e tem frequência igual à frequência do feixe incidente (𝜈0), já o
espalhamento Raman é muito fraco (aproximadamente 10-5 do feixe incidente). Na
prática, um feixe de radiação monocromática de laser de baixa potência é usado para
iluminar pequenas áreas da amostra, ao incidir sobre a área definida, é espalhado em
todas as direções, em que uma pequena parcela dessa radiação é espalhada
inelasticamente, ou seja, com frequência (ou comprimento de onda) diferente da
incidente (E = hν ou E = h.c.λ-1) 31, 51, 84.
Figura 20: Mecanismos de espalhamento elástico e inelástico, onde 0, se são, respectivamente, as
frequências da radiação de excitação, da radiação espalhada e da transição vibracional 63.
A espectroscopia Raman é uma técnica vibracional não destrutiva que permite o
estudo de espécies orgânicas e minerais em resolução microscópicas, oferece a
possibilidade de trabalhar com tecidos “in vivo” ou “in vitro”, além de requerer pouca
ou nenhuma preparação da amostra e pode ser feita de forma localizada, não sendo
necessário qualquer tipo de preparação especial e, após a realização da análise, esse
material não sofre alterações superficiais nem estruturais 57.
O espalhamento Raman pode ser descrito como a transição de uma molécula do
estado fundamental para um estado vibracional excitado, acompanhada por uma
absorção simultânea de um fóton incidente e emissão de um fóton espalhado. O
espectrofotômetro coleta a luz espalhada e a intensidade da radiação é apresentada em
função de sua mudança de frequência- deslocamento Raman). É possível obter espectros
Capítulo 5: Caracterização do Material 54
Raman característicos para cada molécula porque cada amostra molecular possui seu
próprio conjunto vibracional e, desta forma, torna-se possível a identificação do
material estudado. O deslocamento Raman é, frequentemente, medido em comprimento
de onda (cm-1), uma unidade conveniente para relacionar a mudança de frequência da
luz espalhada em relação à frequência da luz incidente 61, 81, 90.
CAPÍTULO 6: RESULTADOS E DISCUSSÕES
As técnicas de caracterização de espectroscopia de absorção ótica na região do
UV-Vis, fluorescência estacionária, a técnica RLS, as medidas de tempo de vida, FTIR
e Raman foram fundamentais no estudo das propriedades fotofísicas e estruturais da
clorofilina cúprica de sódio em diferentes meios físicos. Este capítulo traz os resultados
obtidos e as discussões.
______________________________________________________________________
6.1. INFLUÊNCIA DO SOLVENTE E DA CONCENTRAÇÃO
Quando se trata de porfirinas, o estudo do meio (solvente e concentração) em
que a esta molécula é analisada, é de suma importância. Alguns parâmetros podem
fornecer processos não-radiativos, que competem com a fluorescência e da mesma
forma influenciam no rendimento quântico de fluorescência (ɸF) e no tempo de vida do
estado excitado dessa molécula 93. As características espectrais obtidas neste estudo,
trazem informações importantes a SCC.
6.1.1. Espectroscopia de Absorção Ótica na região do Ultravioleta e visível (UV-Vis)
A Fig. 21 mostra os espectros de absorção da SCC em diferentes concentrações
em álcool etílico. Os espectrosevidenciaram duas bandas características de compostos
porfirínicos metalados, a banda de absorção na região do azul (Banda Soret),
compreendido entre 401 e 415 nm e a banda de absorção na região do vermelho (Banda
Q) em torno de 550 e 700 nm, a qual apresenta um pico principal em torno de 630 nm e
outro em torno de 580 nm. Estas medidas também foram realizadas em álcool
isopropílico, água e em DMSO (APÊNDICE B), e ambos apresentaram espectros
semelhantes.
Capítulo 6: Resultados e Discussões 56
Figura 21: Espectros de absorção ótica da solução de SCC diluída em álcool etílico em diferentes
concentrações.
O espectro da SCC em álcool etílico mostra que a intensidade de absorção
aumenta proporcionalmente com o aumento da concentração. Este comportamento é
evidenciado na Fig. 22, onde são apresentados os espectros de intensidade de absorção
em função da concentração para os diferentes solventes.
Figura 22: Intensidade da absorção da banda Soret (a) e do respectivo pico principal da banda Q (b) da
SCC em função da concentração e do solvente.
Observa-se na Fig. 22a uma linearidade entre a intensidade de absorção da
Banda Soret e a concentração apenas para soluções mais diluídas, isto é, inferiores a
0,028 mmol/L. A linearidade da curva de intensidade de absorção indica que a solução
está de acordo com a lei de Lambert-Beer, ou seja, a absorbância é diretamente
proporcional a concentração da amostra. Para as concentrações mais elevadas, acima de
400 450 500 550 600 650 700 750
0
1
2
3
4
Ab
sorb
ância
(u.a
.)
(nm)
0,0003
0,0011
0,0028
0,0100
0,0300
0,0700
0,1100
0,1400
0,2800
Banda Soret
Banda Q
[mmol/L]
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Inte
ns. m
ax. de A
bsorç
ão (
u.a
.)
Concentraçao (mmol/L)
H2O
Alc. etilico
Alc. isopropilico
DMSO
(a)
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
0,0
0,5
1,0
1,5
Inte
ns. m
ax. d
e A
bso
rçã
o (
u.a
.)
Concentraçao(mmol/L)
(b)
Capítulo 6: Resultados e Discussões 57
0,028 mmol/L, observa-se uma perda desta linearidade, ou seja, ocorre desvio à Lei de
Lambert-Beer, o que é devido a inúmeros fatores (em especial ao aumento da
concentração)76, 93. Na Fig. 22b, nota-se linearidade entre a intensidade de absorção do
pico principal da Banda Q (em torno de 630 nm) versus a concentração, no intervalo de
concentração de 0,28 mol/L à 0,103 mmol/L.
Observa-se, também, que a intensidade de absorção, tanto na banda Soret,
quanto na banda Q, varia conforme o solvente utilizado, apresentando maior intensidade
em DMSO e menor, em álcool isopropílico. De acordo com Ballschmiter e Katz 7, para
porfirinas de base livre, a absorção e emissão são pouco dependentes do meio em
relação à forma do espectro e aos comprimentos de onda de seus máximos devido ao
baixo momento dipolar dessas moléculas, no entanto as metaloporfirinas, tal como a
SCC, são exceções a esse fato, devido à coordenação axial de moléculas de solvente ao
átomo central. As alterações no espectro de absorção da molécula evidenciam mudanças
na distinção eletrônica.
A partir do ajuste da região linear do gráfico da Fig. 22, calculou-se o
coeficiente de absorção molar (ɛ) na região de absorção da banda Soret e da banda Q,
tomando um comprimento de onda fixo de absorção para cada um dos solventes (sendo
para água, álcool etílico e álcool isopropílico, 404 nm e para DMSO, 409 nm). Na
Tabela 3 estão descritos os valores de ɛ para a SCC em função do solvente, calculados
através da Equação 10, e os respectivos máximos de absorção.
Tabela 3: Coeficientes de absorção molar para a absorção em um comprimento de onda fixo da banda
Soret e do pico principal da banda Q em diferentes solventes, momento dipolar dos solventes, máximos
de absorção e razão entre os coeficientes de absorção molar da banda Soret e da banda Q.
Solventes/momento
dipolar (D)
ɛ (103 L/mol.cm) Absmax (nm) ɛSoret/ɛQ
Banda Soret Banda Q Banda Soret Banda Q
Água 1,85 26,2 8,7 401-420 629 3,0
Álcool etílico 1,69 27,5 10,3 401-415 629 2,6
Álcool isopropílico 1,66 11,8 4,5 404 631 2,6
DMSO 3,96 37,9 12,6 405-420 633 3,0
*Coeficientes de absorção molar obtidos a partir do ajuste linear da banda Soret e da banda Q para um
comprimento de onda fixo.
Capítulo 6: Resultados e Discussões 58
A SCC apresentou maior coeficiente de absorção molar quando diluída em
DMSO e menor, quando diluída em álcool isopropílico. Observa-se também que para os
solventes álcool etílico e álcool isopropílico a razão entre o coeficiente de absorção
molar da Banda Soret e o coeficiente de absorção molar da Banda Q é de 2,6 e para os
solventes água e DMSO, essa razão é igual a 3,0. Portanto, nota-se que quanto maior o
momento dipolar do solvente, neste caso a água e o DMSO, maior a razão entre os
coeficientes de absorção molar da banda Soret e da banda Q.
Os espectros de absorção das soluções em diferentes solventes foram
normalizados em relação à banda Soret (Fig. 23 a) e à banda Q (Fig. 23 b), a fim de se
verificar eventuais deslocamentos na posição das bandas de absorção com a mudança
dos solventes. A concentração das soluções tomada para análise foi a de 0,028 mmol/L.
Figura 23: Absorbância normalizada da banda Soret (a) e respectiva banda Q (b) da SCC em diferentes
solventes numa concentração de 0,028 mmol/L.
Nota-se na Fig. 23, que tanto a banda Soret quanto a banda Q apresentam
pequenos deslocamentos. Colocando-se como parâmetro de comparação, a banda Soret
da SCC em água, que apresenta um pico de absorção máximo em 401 nm, observa-se
que a única solução que apresenta características similares é a de SCC em álcool etílico,
que apresenta o mesmo pico máximo de absorção, porém uma banda mais estreita. A
banda Soret da SCC em DMSO foi a que apresentou maior deslocamento (7 nm), sendo
este batocrômico (deslocamento para o vermelho). Os demais também apresentaram
deslocamento para o vermelho, porém menores (em torno de 3 nm).
As diferenças e/ou similaridades podem estar associadas à polaridade das
moléculas. A SCC apresenta total solubilidade em água devido aos grupos laterais que
são constituídos por hidroxilas. A SCC em álcool etílico foi a solução que obteve,
400 450 500 550
0,0
0,5
1,0
1,5
H2O
Alc etilico
Alc isop
DMSO
Ab
sorb
ância
(u.a
.)
/ nm
(a)
550 600 650 700 750
0,0
0,5
1,0
1,5
A
bsorb
ância
(u.a
.)
/ nm
(b)
Capítulo 6: Resultados e Discussões 59
visivelmente, uma dissolução mais similar à SCC em água, o que pode estar associado à
fórmula química destes solventes. As características espectrais da amostra em água e
etanol podem estar associadas à essas semelhanças estruturais químicas.
6.1.2. Espectroscopia de fotoluminescência
Para uma análise mais bem elaboradadas propriedades optoeletrônicas da SCC
em função da concentração e do solvente, realizou-se medidas de fluorescência. A Fig.
24 mostra os espectros de fluorescência da SCC normalizados e o máximo de
intensidade de fluorescência em diferentes solventes e concentrações.
Figura 24: Fluorescência normalizada e suas respectivas intensidades máximas de fluorescência da SCC
em função da concentração em diferentes solventes, quando excitada em 401 nm.
Capítulo 6: Resultados e Discussões 60
Nos espectros normalizados, observa-se que o deslocamento do máximo de
emissão para cada solvente é mínimo, quase inexistente. Em DMSO não há menor
ocorrência desse deslocamento (Tabela 4). Nos gráficos de máximo de intensidade de
fluorescência em função da concentração, observa-se a linearidade para as soluções
mais diluídas (entre 0,28mol/L e 0,014 mmol/L). A medida que a concentração
aumenta, a linearidade não é mais verificada, notando-se, portanto, uma saturação da
intensidade de fluorescência (entre 0,014 mmol /L e 0,02 mmol /L), e, posteriormente
uma diminuição acentuada da intensidade para concentrações superiores a 0,02 mmol/L.
A concentração é um fator fundamental na determinação da intensidade de
fluorescência da amostra como mostrado pela Equação 12. Quando as medidas são
realizadas para amostras em baixas concentrações, tem-se que:
1 − exp(2.3ɛ𝑙𝑐) = 2.3ɛ𝑙𝑐 −1
2(2.3ɛ𝑙𝑐)2 + ⋯ Eq.17
Quando as soluções são altamente diluídas, os termos de ordem superior
(concentração) da Eq. 17 podem ser desprezados e a Eq. 12 pode ser reescrita como:
𝐼𝐹(𝐸 , )𝐹 ≅ 𝑘𝐹(𝐹)𝐼0(𝐸)[2.3ɛ(𝐸)𝑙𝑐] Eq.18
Esta relação mostra que a intensidade de fluorescência é proporcional à
concentrações para soluções diluídas, o que explicaria a linearidade da intensidade de
fluorescência no intervalo de concentração entre 0,28mol/L e 0,014 mmol/L. Para
concentrações acima de 0,02 mmol/L, alguns fatores contribuem para a diminuição de
fluorescência, como o efeito de filtro interno primário, que ocorre devido a acentuada
atenuação da radiação por um excesso de concentração do fluoróforo com alto
coeficiente de absorção molar ou pela presença de outras espécies que absorvam em
solução, o efeito de filtro interno secundário, onde parte da fluorescência emitida é
reabsorvida pela molécula vizinha (transferência de energia radiativa) e a formação de
agregados, devido ao aumento da densidade molecular e. O efeito de filtro interno
secundário é proporcional à área da intersecção entre o espectro de absorção e o
espectro de fluorescência e ocasiona aumento de tempo de vida da molécula 11, 55, 93.
Capítulo 6: Resultados e Discussões 61
A Fig. 25 mostra os espectros de fluorescência das soluções de SCC em
diferentes solventes a concentração de 0,028 mmol/, excitadas em comprimentos de
onda de 401 nm, com base no seu máximo de absorção da banda Soret.
Figura 25: Espectros de fluorescência da SCC em diferentes solventes a concentração de 0,028 mmol/L,
quando excitada em 401 nm.
Os espectros mostram a ocorrência da variação da intensidade de fluorescência
da SCC com o solvente, sendo que esta apresentou maior intensidade em álcool
isopropílico. O mesmo comportamento foi observado ao excitar as soluções de SCC em
comprimentos de onda de 580 nm e 630 nm. Quando solubilizada em água, a SCC não
apresentou emissão para nem um comprimento de onda de excitação citado.
O rendimento quântico de fluorescência (ɸF) da SCC em cada um dos solventes
estudados, exceto em água, obtidos pelo cálculo, utilizando a Eq. 7 foi muito baixo,
sendo de 0,43 x 10-3, quando solubilizada em álcool etílico, 0,12 x 10-3, quando em
álcool isopropílico e 1,51 x 10-3, quando em DMSO. Esses valores são
significativamente inferiores ao rendimento quântico de fluorescência da molécula da
qual a SCC deriva, a clorofila, tendo esta, um rendimento quântico de fluorescência,
conforme encontrado na literatura, igual a 0,33 15.
Estes resultados mostram que mesmo sendo da mesma família de moléculas
orgânicas, as propriedades fotofísicas do material podem ser alteradas em função de
mudanças em sua fórmula ou estrutura química. Nos estudos de Becker e Allisson 9, no
qual um dos complexos metálicos de porfirinas, foi o cobre, eles identificaram que as
mudanças das propriedades fotofísicas entre os grupos de porfirinas metaladas estão
640 660 680 700 720
0
2
4
6
8
Inte
nsid
ade d
e F
luore
scência
(u.a
.)
/ nm
H2O
Alc. etilico
Alc. isopropilico
DMSO
Capítulo 6: Resultados e Discussões 62
associadas à natureza do metal, como será discutido mais detalhadamente no item 6.4.
Além da contribuição do metal, tem-se ainda a contribuição dos grupos substituintes nas
posições meso, que, como investigado por Harriman 46, podem provocar diminuição do
tempo de vida da molécula no estado excitado, o rendimento quântico de fluorescência e
um aumento nas constantes não radiativas de desativação do estado excitado conforme
sua natureza química. A SCC apresenta no interior do anel o cobre, que apresenta
atribui à molécula baixo rendimento quântico de fluorescência por ser um metal de
transição paramagnético.Em contribuição ao efeito do centro metálico (cobre), os
grupos substituintes nas posições meso, os carboxilatos, da SCC também podem exercer
um papel expressivo na diminuição da luminescência e rendimento quântico dessa
molécula, pois na presença de alguns solventes, pode estar ocorrendo a separação de
cargas na cadeia lateral e, consequentemente, induzindo para a formação de agentes
supressores.
6.1.3. Fluorescência Resolvida no Tempo
A Fig. 26 mostra a variação dos tempos de vida do estado excitado da solução de
clorofilina cúprica de sódio em álcool etílico, álcool isopropílico e DMSO em função da
concentração quando excitadas em 401 nm e as respectivas amplitudes fracionais
obtidos a partir do ajuste dos decaimentos radiativos (Eq. 16).
Capítulo 6: Resultados e Discussões 63
Figura 26: Comportamento dos tempos de vida do estado excitado e as respectivas amplitudes fracionais
da SCC em (☐) álcool etílico, em (O) álcool isopropílico e (△) em DMSO em função da concentração,
quando excitadas em 401 nm.
Os decaimentos radiativos da SCC em diferentes solventes e concentração,
foram melhor ajustados com uma função tri-exponencial, apresentando três tempos de
vida para a fluorescência, sendo o mais longo em torno de 5 ns, o intermediário, em
torno de 1,5 ns e o mais curto, em torno de 0,15 ns (APÊNDICE A). De acordo com
Andrade e colaboradores 23 em seus estudos sobre formações de agregados da Chl-α,
esses tempos são característicos da coexistência de fases distintas, em que tempos curtos
0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15
0
1
2
3
4
5
6
Tem
po d
e V
ida (
ns)
Concentraçao (mmol/L)
1
2
3
0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,1510
20
30
40
50
60
70
Am
plit
ud
e F
racio
na
l (%
)
Concentraçao (mmol)
A1
A2
A3
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
Te
mp
o d
e V
ida
(n
s)
Concentraçao (mmol/L)
1
2
3
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,3010
20
30
40
50
60
70
Am
plit
ude F
racio
nal (%
)
Concentraçao (mmol/L)
A1
A2
A3
0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15
0
1
2
3
4
5
6
Tem
po d
e V
ida (
ns)
Concentraçao (mmol/L)
1
2
3
0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Am
plit
ude F
racio
nal (%
)
Concentraçao (mmol/L)
A1
A2
A3
Capítulo 6: Resultados e Discussões 64
(1 – 2 ns e 0,1 – 0,2 ns) são atribuídos ao tempo de vida da molécula na fase agregada e
os tempos longos (~5ns) são referentes ao tempo de vida da molécula na fase
monomérica. Partindo desta hipótese, pode-se afirmar que a SCC apresentou a
coexistência da fase monomérica e da fase agregada em todo o intervalo de
concentração estudado. Os tempos de vida do estado excitado, como observado na Fig.
26, não apresentaram variação significante com a variação da concentração,
evidenciando que a supressão da fluorescência desta molécula não está associada ao
efeito de filtro interno secundário, pois seria necessário o aumento expressivo dos
tempos de vida para as soluções de concentrações maiores. Supõe-se, portanto, que a
diminuição da intensidade de fluorescência observada para soluções concentradas
(acima de 0,02 mmol L-1) na Fig. 21 seja devido ao efeito de filtro interno primário,
intensificado pelo alto coeficiente de absorção molar da Banda Soret para o
comprimento de onda de excitação em 401 nm.
As amplitudes fracionárias (Fig. 26) mostram as contribuições dos tempos no
decaimento radiativo da molécula. Para o tempo de vida mais longo (A1), a fase
monomérica apresenta maior contribuição (50-60 %) para a maioria das concentrações,
exceto em DMSO. O tempo intermediário (A2) é o que menos contribui, sendo uma
amplitude média em torno de 15-18 %. A contribuição do tempo mais curto (A3) é
intermediária a A1 e A2 nos solventes álcool etílico e álcool isopropílico. Em DMSO, a
participação do tempo mais longo e do tempo mais curto, a partir da concentração de
0,0028 mmol/L passam a contribuir em proporções semelhantes. Os tempos de vida
médio da SCC em função da concentração estão apresentados na Tabela 4.
Tabela 4: Comprimento de onda máximo de fluorescência, tempo de vida médio e o rendimento quântico
de fluorescência da SCC em diferentes solventes, quando excitada em 401 nm.
Solvente máx(nm) 1
(ns)
2
(ns)
3
(ns) ²
ɸ (10-3)
Banda Soret
Álc.
Etílico 663-670 4,99 0,02 1,23 0,06 0,13 0,02 0,963 0,43
Álc.
Isopropílico 663-666 5,20 0,01 1,53 0,03 0,16 0,02 0,969 0,12
DMSO 663 4,93 0,01 1,13 0,02 0,10 0,01 0,956 1,51
* No cálculo do rendimento quântico de fluorescência utilizou-se como amostra referência, a rodamina B.
Os tempos de vida médios foram calculados pela média aritmética dos tempos e os erros foram obtidos
através desvio padrão dos erros, ambos utilizaram o intervalo de concentração estudado (APÊNDICE A).
Capítulo 6: Resultados e Discussões 65
As amplitudes fracionárias e o tempo de vida para cada concentração nos
respectivos solventes estão apresentados nas tabelas 7, 8 e 9 do Apêndice 1.
6.2. EFEITO DO pH NO ESPECTRO DE ABSORÇÃO DA SOLUÇÃO AQUOSA DE
SCC
O espectro eletrônico de absorção de uma molécula é primariamente
determinado pela estrutura química desse material. Entretanto, um grande número de
fatores relacionados ao meio produz mudanças detectáveis no pico de absorção máximo
e no coeficiente de absorção molar. O pH, por exemplo, pode provocar mudanças na
estrutura da molécula, pois ele determina o estado de ionização dos materiais ionizáveis
(protonação e desprotonação pelo H+). A Fig. 27 mostra os espectros de absorção ótica
para a SCC em solução aquosa em diferentes valores de pH.
Figura 27: Espectro de absorção da SCC quando em diferentes pH (a) absorção normalizada em relação à
banda Q; (b) intensidade máxima de absorção da banda Q.
Na Fig. 31a, nota-se que em pH abaixo de 7,0 a molécula sofre um deslocamento
batocrômico (deslocamento para a região do vermelho) de aproximadamente 10 nm em
relação ao pH neutro, pH = 7,6. Este deslocamento pode estar associado à formação de
agregados. A maioria das porfirinas tem o seu ponto isoelétrico situado entre pH 3 e 4,5,
em contrapartida, as metaloporfirinas, de metais fortemente ligados à porfirina, por
perderem suas funções nitrogenadas, tornam-se insolúveis em pH ácido, apesar de
manterem a solubilidade em meios alcalinos e solventes orgânicos 44, 77. No caso da
SCC, essa insolubilidade também ocorre devido a presença do grupo de sal de ácido
580 600 620 640 660 680 700
Ab
so
rbâ
ncia
No
rma
liza
da
nm
2,3
2,5
2,7
4,1
7,6
9,7
10,8
11,5
12,3
SCC (aq) [0,14 mol/L](a) pH
2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,00,4
0,8
1,2
1,6
2,0
Inte
ns.
ma
x.
de
Ab
so
rça
o (
u.a
.)
pH
Pico (630-637 nm) (b)
Capítulo 6: Resultados e Discussões 66
carboxílico na cadeia lateral. A SCC em solução aquosa ácida, portanto, tem suas
espécies agregadas intensificadas, favorecendo a precipitação (Fig. 28).
Figura 28: Solução de SCC a direita em pH ácido em que ocorre a precipitação da SCC em solução
aquosa e a esquerda em pH básico onde observa-se sua total solubilidade 97.
O deslocamento batocrômico é característico de um agregado do tipo J, seguido
do alargamento tanto da banda Soret quanto da banda Q. Em meio básico não
consideramos que tenha ocorrido formação de agregado, mesmo que seja percebido um
leve deslocamento hipsocrômico (deslocamento para a região do azul), pois para ser
designado este fenômeno, o deslocamento teria que ser de aproximadamente 10 nm em
relação ao pH neutro 62, 72.
Para os estudo da SCC em função do pH foi realizado apenas a espectroscopia
de absorção ótica na região do UV-Vis. A fluorescência estacionária e tempo de vida
não foram utilizados neste estudo para comprovar a agregação, pois a molécula não
apresentou luminescência em solução aquosa em função do pH.
6.3. SCC NA MISTURA ÁLCOOL ETÍLICO E ÁGUA
No estudo da molécula de SCC, verificou-se que quando solubilizada em água, a
intensidade de fluorescência não foi detectada. Com base nesses dados, analisou-se o
comportamento das propriedades fotofísicas dessa molécula em função da proporção de
água na mistura álcool e água (Tabela 2). Os espectros de absorção, de fluorescência e o
gráfico de Stern Volmer da SCC nessas condições são apresentados na Fig. 29.
Capítulo 6: Resultados e Discussões 67
Figura 29: (a) Espectro de Absorção da SCC em diferentes porcentagens de água; (b) Supressão de
fluorescência da SCC em álcool etílico pela adição diferentes concentrações de água, excitada em 401
nm; (c) Intensidade de absorção da Banda Q e intensidade máxima de Fluorescência em função da
porcentagem de água; (d) Gráfico de Stern Volmer para a SCC obtidas para comprimento máximo de
emissão em 660 nm e ajuste linear (linha vermelha). A solução foi mantida a uma concentração de 0,055
mmol/L.
Embora o estudo da SCC na mistura álcool e água tenha sido realizado em uma
mesma concentração (0,055 mmol/L) é notado que as intensidades de absorção são
alteradascom o aumento da concentração de água, principalmente para concentrações
acima de 60 %. Esse efeito pode ser devido ao material estar solubilizado na mistura de
dois solventes que apresentam momentos dipolares (D) diferentes (Tabela 1), induzindo
a uma diminuição da absorção bem como a supressão da luminescência como mostra a
Fig. 29b.
Na Fig. 29b, nota-se que os espectros de emissão têm comprimento de onda
máximo em 660 nm e é observado uma diminuição na intensidade de fluorescência da
SCC com o aumento da porcentagem de água. O gráfico de Stern Volmer (Fig. 29.d)
mostra uma certa linearidade para menores porcentagens do agente supressor (0-70 %),
para porcentagem acima de 80 % de água, ocorre um desvio dessa linearidade. A partir
400 450 500 550 600 650 700 7500,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5 (a) [H2O %]
Ab
sorb
ância
(u.a
.)
(nm)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Banda Soret
Banda Q
620 640 660 680 7000
10
20
30
40
50
Inte
nsid
ad
e d
e F
luo
rescê
ncia
(u
.a.)
(nm)
(b) % H2O
0 20 40 60 80 1000,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Absmax
(629 nm)
PLmax
(660 nm)
H2O (%)
(c)
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Inte
nsid
ade m
áx. de A
bsorç
ão (
u.a
.)
Inten
s. max
de Flu
orescê
ncia (
u.a.)
Inten
s. max
de Ab
sorção
(u.a.)
0 20 40 60 80 100
1
2
3
4
5
6
F0/F
H2O (%)
R2=0,97
(d)
Capítulo 6: Resultados e Discussões 68
do ajuste da região linear da curva de Stern Volmer,o valor da constante de associação
(KS) para a supressão de fluorescência da SCC na mistura água/etanol de acordo com
Equação 5, foi de KS=52,92 L/mol.
Como já descrito no capítulo 1 (item 1.2.1), o gráfico de Stern Volmer não é
suficiente para distinguir se está ocorrendo um efeito de supressão estática ou supressão
dinâmica. Uma comprovação mais bem elaborada pode ser feita com a medida de tempo
de vida. As curvas de decaimento de fluorescência da SCC em diferentes porcentagens
de água mostradas na Fig. 30a apresentam o mesmo perfil, comprovando a não
ocorrência de variação de tempo de vida no intervalo entre 0% e 60% de água, porém
acima desse valor é verificado, pela inclinação da curva (Fig. 30 b), a alteração desse
tempo, o que pode estar associado ao aumento do fenômeno de agregação das moléculas
de SCC.
Figura 30: Curvas de decaimento de fluorescência nas soluções de SCC em diferentes porcentagens de
H2O (a) quando apresenta os mesmos tempos de vida; (b) quando os tempos de vida variam em
proporções de água acima de 60%.
Figura31: SCC na mistura água e álcool etílico a concentração de 0,04 mol /L: (a) tempo de vida do
estado excitado; (b) amplitude fracional.
0 10 20 30 40 50
1
10
100
1000
Conta
ge
m d
e F
óto
ns
(ns)
0
30
60
[H2O %] (a)
0 10 20 30 40 50
1
10
100
1000
Conta
ge
m d
e F
oto
ns
(ns)
0
30
60
80
[H2O %] (b)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
Tem
po d
e V
ida (
ns)
H2O (%)
1
2
3
(a)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
Am
plit
udes (
%)
H2O (%)
A1
A2
A3
(b)
Capítulo 6: Resultados e Discussões 69
Os decaimentos foram tri-exponenciais, correspondentes a três tempos de vida,
os quais pouco variaram no intervalo de 0% e 60% de água (Fig. 31a). Neste intervalo,
as medidas de tempo de vida e o perfil dos decaimentos evidenciaram, portanto, que a
supressão é estática e ocorre formação de complexos não fluorescentes (ver item 1.2.1).
Dessa forma, a molécula não complexada permanece luminescendo e o tempo de vida
no estado excitado não é alterado, sendo /0 = 1. Os Tempos de vida do estado excitado
da SCC em diferentes concentrações de água estão descritos na Tabela 5.
Tabela 5: Tempo de vida do estado excitado, amplitude fracionada e eficiência quântica de fluorescência
da SCC em diferentes proporções de H2O, quando excitada em 401 nm.
H2O (%) 1 (ns) A1 (%) 2 (ns) A2 (%) 3 (ns) A3 (%) 2
0 4,9 0,1 51,1 1,7 0,2 16,0 0,16 0,05 33,0 0,94
10 5,0 0,1 42,3 1,6 0,2 18,0 0,14 0,04 39,8 0,99
20 4,7 0,1 31,3 1,1 0,1 16,9 0,11 0,02 51,6 0,92
30 4,7 0,1 27,0 1,1 0,1 16,7 0,10 0,02 56,3 0,92
40 4,6 0,1 19,6 1,1 0,1 15,4 0,09 0,02 65,0 0,94
50 4,6 0,1 18,7 1,3 0,1 15,5 0,13 0,02 65, 8 1,00
60 4,6 0,1 12,9 1,3 0,1 11,5 0,08 0,01 75,6 0,91
70 3,8 0,1 5,8 0,5 0,1 9,1 0,04 0,01 85,1 0,87
80 3,5 0,2 3,7 0,5 0,1 6,7 0,03 0,01 89,7 0,92
A Fig. 32 esquematiza a molécula de SCC na presença de água e a formação de
um complexo não fluorescente. A supressão da luminescência da molécula de SCC
pode ter ocorrido devido a formação de pontes de hidrogênio nos grupos ramificados,
pela presença de água. A formação de complexo não fluorescente é confirmada a partir
do gráfico de Stern Volmer (Fig. 29d) que apresenta comportamento linearidade no
intervalo entre 0% e 60% de água, a qual está agindo como um agente supressor.
Capítulo 6: Resultados e Discussões 70
Figura 32: Ilustração de uma situação hipotética: molécula de SCC na presença de água e a formação de
um complexo não fluorescente (círculos tracejados).
As amplitudes A1, A2 e A3(Fig. 32 b) representam, respectivamente, as
contribuições dos tempos 1, 2 e 3. Na solução com 0 % de água, a contribuição do
tempo mais longo é superior as demais contribuições. Acima de 10 % de água a
contribuição desse tempo (o mais longo) diminui e a contribuição do tempo mais curto
aumenta, alcançando 90 % de contribuição quando em 80 % de água. É notável a
inversão das amplitudes A1 e A3 quando a porcentagem de água aumenta, evidenciando
o aumento de formação (tamanho ou quantidade) de espécies agregadas na mistura
água/etanol na solução de SCC. Acima de 60% de concentração de água, observa-se a
diminuição do tempo de vida mais longo e do tempo de vida intermediário (Fig. 31 a)
da SCC, o que pode estar ocorrendo devido à intensificação de espécies agregadas na
solução com o aumento da porcentagem de água.
As medidas de espalhamento de luz ressonante (RLS) foram realizadas para
verificação da presença de agregados nas soluções de SCC na mistura água/álcool.
Foram obtidos espectros de RLS para estas soluções com diferente concentração de
água (0-90 %) para cada amostra de SCC com concentração total de 0,055 mmol/L
(Tabela 2). Na Fig. 33 está apresentado gráfico de intensidade máxima de RLS com o
aumento da porcentagem de água.
Capítulo 6: Resultados e Discussões 71
Figura 33: Intensidade máxima de RLS da SCC na mistura água/álcool com diferentes porcentagens de
água a concentração de 0,055 mmol/L.
Nesse gráfico, observa-se quea partir de 60 % de água, a intensidade de
espalhamento aumenta, indicando o aumento da quantidade ou do tamanho das
partículas agregadas da molécula de SCC. Essa observação pode ser comparada ao
gráfico de Stern Volmer (Fig. 29d) e às amplitudes fracionais (Fig. 31b) em que o efeito
de supressão a partir dessa porcentagem foi associado à intensificação de espécies
agregadas.
Portanto, no estudo da SCC na mistura álcool e água, nota-se que diferentes
ocorrências em específicos intervalos de concentração de água, sendo que em 0%, esta
molécula apresenta fluorescência devido a presença majoritária de espécies
monoméricas,no intervalo de 10-60%, sua fluorescência diminui significativamente e
que, pelo gráfico de Stern Volmer e medidas de tempo de vida, possibilitou-se atribuir o
efeito à supressão estática com formação de complexos não fluorescentes. Acima de 60
%, o fenômeno de agregação assim como a sua contribuição nos decaimentos é
intensificado, causando a diminuição dos tempos de vida e da intensidade de
fluorescência.
A não fluorescência da SCC em solução aquosa (100 % de água), deve-se ao
aumento e/ou intensificação do número de agregados, ou ainda pode estar ocorrendo
total agregação da molécula, como pode ser percebido na Fig. 31b em que a
contribuição dos tempos mais curtos (atribuídos a espécies agregadas) para os
decaimentos aumenta significativamente, alcançando contribuição de 90 % para a
solução em 80 % de água, podendo alcançar uma contribuição de 100% quando a SCC
estiver completamente em meio aquoso.
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
150
200
250
300
Inte
ns.
de
RL
S m
ax
H2O (%)
Capítulo 6: Resultados e Discussões 72
6.4. EFEITO DO CENTRO METÁLICO NO ANEL PORFIRÍNICO
As porfirinas de base livre e as metaladas têm suas propriedades fotofísicas
diferenciadas como já citadas no capítulo 2(item 2.1.2). A identificação do metal
presente no centro do anel porfirínico é fundamental na compreensão das características
espectrais da molécula, como é o caso dos espectros de absorção e de fluorescência 18,
91. A natureza do metal influencia significativamente nas características, tanto físicas
como químicas de um material, mesmo quando se tratar de moléculas de uma mesma
família, por exemplo, a clorofila e a clorofilina cúprica de sódio.
O estudo das propriedades fotofísicas da SCC possibilitou a sua comparação
com a molécula da qual ela é derivada, a clorofila, verificando que as propriedades das
duas sofrem variações significativas que estão associadas a mudança do centro metálico,
bem como aos grupos substituintes da cadeia lateral. A Fig. 34 mostra o espectro de
absorção destas moléculas em álcool isopropílico, em que a SCC apresenta dois picos
na banda Q, enquanto que a clorofila apresenta 4 picos para essa mesma banda.
Figura 34: Espectro de absorção da clorofila a (verde) e da SCC em álcool isopropílico (preto) a 0,1 g/L.
Na Fig. 34, nota-se que tanto o espectro da SCC quanto da clorofila apresenta
picos de absorção bem definidos na região do visível, sendo a Banda Soret na região do
azul e a Banda Q na região do vermelho. A clorofila apresenta picos de absorção mais
intensos comparados aos da SCC, o que pode estar associado à maior solubilidade da
clorofila em álcool isopropílico.As conformações do anel e a ligação do centro metálico
400 500 600 700 800
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Ab
so
rbâ
ncia
(u
.a)
(nm)
Chl a
SCC
em alcool isopropilico
Capítulo 6: Resultados e Discussões 73
ao composto porfirínico também colaboram para a determinação desses espectros,
sendo o magnésio ligado menos rigidamente ao anel, a clorofila tem seu espectro de
absorção deslocados para maiores comprimentos de onda. As metaloporfirinas têm sua
Banda Q reduzida comparada à das porfirinas de base livre (ver item 2.1.2.), porém a
clorofila é uma exceção, devido ao magnésio não estar rigidamente ligado ao anel.
A Fig. 35 apresenta os espectros de fluorescência da SCC e da clorofila em
etanol a 0,1 g/L excitadas na região do azul (405 nm) e na região do vermelho (625-660
nm). Verifica-se que o máximo de emissão ocorre em comprimentos de onda próximos,
sendo 666 nm para a SCC e 670 nm para a clorofila, porém a intensidade de
fluorescência da SCC é bastante inferior à da clorofila independentemente do
comprimento de onda de excitação.
Figura 35: Espectros de fluorescência da SCC e da clorofila a 0,1 g/L em álcool etílico. Os espectros de
emissão da SCC estão ampliados por motivos de comparação.
Em virtude da fluorescência pode ser mascarada por alguns solventes orgânicos
e vários compostos biológicos e ainda por meio de parâmetros experimentais como
configurações do equipamento (slit de entrada e de saída, porta amostra com
amplificador da intensidade de fluorescência, por exemplo), concentração das amostras
em análise18, as condições experimentais para a medidas espectroscópicas foram as
mesmas para as duas moléculas. Assim como a absorção, a fluorescência da porfirina
também é influenciada pela natureza do metal a ela complexado, considerando-se que
algumas complexadas com metais como o cádmio, o chumbo, o zinco e o magnésio,
emitem quando dissolvidas em alguns solventes, enquanto que quando complexadas aos
640 660 680 700 720 740 7600
50
100
150
200
250
300
350
400
Inte
nsid
ade
de F
luo
rescên
cia
(u.a
.)
(nm)
ChL exc 405 nm
ChL exc 660 nm
SCC exc 405 nm
SCC exc 625 nm
x 10
x70
Capítulo 6: Resultados e Discussões 74
metais Cobalto, níquel, ferro e cobre, emitem pouco ou não 18, 91. Becker e Allison 9 em
seus estudos sobre a fotoluminescência de compostos metaloporfirínicos concluíram
que as propriedades de emissão estão relacionadas com o número atômico, raio iônico,
configuração eletrônica e eletronegatividade do metal coordenado, os quais podem
provocar possíveis distorções no anel e, consequentemente, deslocamentos no espectro
eletrônico.
Quanto maior o raio atômico e a eletronegatividade do metal, menor será sua
intensidade de fluorescência9. O magnésio tem seu número atômico bem menor que o
cobre, sendo, respectivamente, 12 e 29, além disso, apresenta eletronegatividade mais
baixa. A baixa eletronegatividade do magnésio origina uma ligação de caráter
essencialmente iônico, o que ocasiona uma ligação não-rígida ao anel, enquanto que o
cobre por ser mais eletronegativo, apresenta maior rigidez em sua ligação com a cadeia
porfirínica, originando distorções geométricas e, consequentemente, diminuição da
intensidade de fluorescência.
6.5. ESPECTROSCOPIA DE ABSORÇÃO NA REGIÃO DO INFRAVERMELHO
(IV) DA SCC
A interpretação do espectro (Fig. 36) na região do infravermelho foi realizada
pelo perfil do espectro e presença de bandas características principais dos grupos
funcionais da molécula.
Figura 36: Espectros de absorção no infravermelho da clorofilina cúprica de sódio- amostra KBr/SCC
1000 2000 3000 4000
0
50
100
150
Tra
nsm
itância
(%
)
Numero de onda (cm-1)
SCC/KBr
3400
29
24
15
60
14
00
Capítulo 6: Resultados e Discussões 75
O espectro de absorção na região do infravermelho da SCC em pó mostra uma
larga banda próximo a 3400 cm-1 de estiramento de grupos carboxílicos e em 2924 cm-1,
estiramento das ligações carbono sp3 – carbono sp2. Em 1560 cm-1 é mostrado um
estreito e intenso pico de estiramento das ligações (C=O) de carbonilas de grupos
ésteres e próximo a 1400 cm-1, observa-se um pico de estiramento das ligações C=C do
anel porfirínico. Esses resultados comprovam presença dos grupos funcionais
correspondentes à estrutura química da molécula estudada, a SCC.
6.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN DA SCC
A Espectroscopia Raman mostra as vibrações moleculares e identifica os
possíveis grupos químicos presentes na molécula (identifica as ligações). Espectros
Raman foram obtidos a fim de se confirmar a estrutura química da SCC (Fig. 37).
Figura 37: Espectros Raman de filmes casting da clorofilina cúprica de sódio sobre substrato de vidro.
A partir dessa medida, os principais picos observados do espectro Raman foram
atribuídos a alguns grupos como apresentados na Tabela 6.
600 800 1000 1200 1400 16000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
16
33
15
93
15
54
13
93
13
50
12
7012
30
11
439
93
89
2
75
3
Inte
nsid
ade (
u.a
.)
Deslocamento Raman (cm-1)
Filme Casting de SCC
65
5
Capítulo 6: Resultados e Discussões 76
Tabela 6: Deslocamento (em cm-1) e atribuição das principais bandas observadas no espectro Raman do
filme casting de SCC.
Atribuição Raman (cm-1)
Respiração macrocíclica [59,100] 655
C-H sacudindo[34] 753
C=C torcido fora do plano [48] 892
Respiração pirrol [92] 993
Deformação C-H [100] 1143
C-C (-COO) [48] 1230
Interação Cu - Anel [83] 1270
C-N pirrol [92] 1350
CH3 torcido [9] 1393
Estiramento pirrólico C=N [100] 1554
Estiramento C-C [48] 1593
C=C no plano [48, 94] 1633
De forma bem geral, percebe-se que a SCC apresenta picos intensos em 753
referentes aos modos vibracionais das ligações C-H sacudindo, em 993 atribuídos ao
modo vibracional de respiração do grupo pirrol, em 1230 os modos vibracionais
dosgrupos carboxilatos (os sais de ácido carboxílico), em 1554, referente ao estiramento
C=N no grupo pirrólico e em 1270, no qual a tribuição é feita aos modos de vibração da
interação do metal com o anel porfirínico. Assim como o espectro de absorção na região
do infravermelho, o espectro Raman está coerente com a estrutura química da
clorofilina cúprica de sódio, pois apresenta os grupos funcionais constituintes da
molécula.
CAPÍTULO 7: CONSIDERAÇÕES FINAIS
O estudo da clorofilina cúprica de sódio em diferentes meios físicos mostrou que
essa molécula sofre algumas alterações nos espectros eletrônicos, e, consequentemente,
nas propriedades fotofísicas como absortividade molar, rendimento quântico e tempo de
vida. Apesar da dificuldade na realização das medidas espectroscópicas, principalmente,
a de fluorescência, pelo fato dessa molécula apresentar baixa luminescência, foi
possível obter os dados pretendidos neste trabalho. Com a variação da concentração, os
máximos de absorção e de fluorescência da SCC apresentaram linearidade para soluções
mais diluídas, porém em altas concentrações, essa linearidade deixa de ocorrer,
causando uma diminuição na intensidade de absorção, o que foi associado ao efeito de
filtro interno primário. Em diferentes solventes, pode-se constatar que a SCC tem suas
propriedades fotofísicas alteradas, como é o caso do coeficiente de absorção molar, do
rendimento quântico de fluorescência e intensidade de fluorescência, com exceção dos
tempos de vida do estado excitado que não sofreram mudanças significativas. Nestes
solventes a SCC exibiu três tempos de vida, sendo o tempo de vida mais longo atribuído
à fase monomérica e os tempos mais curtos atribuídos à fase agregada, tendo essas duas
fases coexistindo em todo intervalo de concentração estudado. Quando solúvel em água,
esta molécula não apresentou fluorescência, o que foi associado ao fenômeno de
supressão estática, em decorrência da formação de complexos não fluorescentes com a
água.
O aumento da formação de agregados também foi apontado como contribuinte
para a diminuição e a extinção da fluorescência da molécula quando em solução aquosa.
As medidas de tempo de vida, o gráfico de Stern Volmer e o gráfico de RLS evidenciam
estas conclusões. Além da influência do meio, o metal ligado ao anel porfirínico tem
destaque significativo nas características espectroscópicas da molécula porfirínica,
como mostrado no comparativo entre a clorofila e a SCC, em que suas propriedades
fotofísicas não apresentaram similaridades, ou seja, a SCC apresentou baixa intensidade
de fluorescência e consequentemente baixo rendimento quântico. Desta forma, conhecer
a natureza química do metal é fundamental para a compreensão deste fenômeno.
Um dos principais interesses no estudo dessas moléculas é seu uso na Terapia
Fotodinâmica, visto que para isso é necessário que elas apresentem um elevado
rendimento quântico de fluorescência. A clorofilina cúprica de sódio surge como uma
Capítulo 7: Considerações Finais 78
boa alternativa devido a sua solubilidade em água, mas apresenta baixo rendimento
quântico de fluorescência e a alta formação de agregados em meio aquoso, o que
dificulta sua utilização nesse tratamento. Nesse aspecto a clorofila é uma boa indicação,
porém não se solubiliza em solventes compatíveis ao corpo humano.
Como perspectiva para trabalhos futuros, pretende-se realizar rotas sintéticas
para obtenção de novas moléculas derivadas da SCC, mantendo-se sua solubilidade em
água e aprimorar as propriedades fotofísicas a fim de intensificar sua aplicação nas
diversas áreas tecnológicas.
79
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91
GLOSSÁRIO
Absorbância: é a capacidade intrínseca dos materiais em
absorver radiações em frequência específica.
Agregados: Podem ser de origem atômica ou molecular. Os átomos ou moléculas,
quando se apresentam na forma agregada têm suas estruturas e, consequentemente, suas
propriedades diferenciadas de quando estão na forma isolada. Essas propriedades são
evoluídas com o aumento gradual do tamanho das espécies agregadas.
Fotofísica: estuda os mecanismos de desativação do estado excitado de uma molécula,
que por sua vez retorna ao seu estado fundamental sem modificação de sua estrutura.
Regra de Huckel: em química orgânica, a regra de Hückel estima se uma molécula em
anel planar terá propriedades aromáticas. Portanto, o físico-químico alemão, Erick
Huckel desenvolveu essa regra, informando que para um composto cíclico e planar seja
de fato aromático, o número dos seus elétrons π é igual a 4n+2, onde n é zero ou inteiro
positivo.
92
APÊNDICE
APÊNDICE A: TEMPOS DE VIDA E AMPLITUDES FRACIONÁRIAS DA
CLOROFILINA CÚPRICA DE SÓDIO
Tabela A 1: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool etílico, quando excitada em
401 nm.
Concentração
mmo/L 1 (ns) 2 (ns) 3 (ns)
A1
(%)
A2
(%)
A3
(%) 2
0,00028 5,42 ±0,10 1,01 ± 0,08 0,11 ± 0,02 17,06 21,90 61,04 0,960
0,00055 5,03 ± 0,09 0,94 ± 0,08 0,09 ± 0,02 17,99 21,59 60,42 0,932
0,00083 5,01 ± 0,09 0,92 ± 0,08 0,10 ± 0,02 19,83 21,03 59,15 0,993
0,00106 5,00 ± 0,09 0,91 ± 0,09 0,10 ± 0,01 19,84 19,41 60,75 0,971
0,00131 5,03 ± 0,08 1,03 ± 0,10 0,10 ± 0,02 22,72 19,02 58,26 0,949
0,00280 5,01 ± 0,07 1,32 ± 0,16 0,18 ± 0,05 45,65 20,59 33,76 0,957
0,00550 5,00 ± 0,06 1,23 ± 0,18 0,11 ± 0,03 42,56 15,70 41,74 0,996
0,00830 4,93 ± 0,06 1,16 ± 0,19 0,14 ± 0,05 50,55 16,62 32,83 0,973
0,01060 4,93 ± 0,06 1,18 ± 0,19 0,12 ± 0,04 49,10 15,88 35,02 0,972
0,01310 4,97 ± 0,06 1,32 ±0,19 0,13 ± 0,05 51,37 16,85 31,78 0,945
0,02800 4,93 ± 0,06 1,28 ± 0,22 0,13 ± 0,05 53,13 15,50 31,37 0,974
0,05500 4,93 ± 0,06 1,31 ± 0,21 0,13 ± 0,06 55,99 16,21 27,80 0,971
0,07200 5,01 ± 0,06 1,88 ± 0,25 0,24 ± 0,08 58,11 15,96 25,92 0,967
0,10400 4,84 ± 0,05 1,13 ± 0,23 0,14 ± 0,07 60,22 20,06 24,72 0,925
0,14000 4,87 ± 0,06 1,40 ± 0,25 0,16 ± 0,06 56,50 14,15 29,35 0,957
Apêndice 93
Tabela A 2: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em álcool isopropílico, quando excitada
em 401 nm.
Concentração
mmo/L 1 (ns) 2 (ns) 3 (ns)
A1
(%)
A2
(%)
A3
(%) 2
0,00028 5,07 ± 0,06 1,15 ± 0,24 0,12 ± 0,06 58,02 15,11 26,87 0,961
0,00055 5,12 ± 0,06 1,40 ± 0,25 0,12 ± 0,05 52,22 13,74 34,04 0,972
0,00083 5,02 ± 0,06 1,02 ± 0,21 0,10 ± 0,07 49,4 13,59 37,00 0,936
0,00106 5,28 ± 0,08 1,31 ± 0,21 0,13 ± 0,04 44,19 17,24 38,56 1,014
0,00131 5,24 ± 0,07 1,30 ± 0,20 0,13 ± 0,04 44,59 16,34 39,07 0,931
0,00280 5,35 ± 0,06 1,44 ± 0,28 0,19 ± 0,07 59,63 14,24 26,13 0,958
0,00550 5,43 ± 0,06 2,14 ± 0,27 0,15 ± 0,08 58,45 16,29 25,25 0,96
0,00830 5,41 ± 0,06 2,20 ± 0,28 0,20 ± 0,09 59,52 16,00 24,48 1,004
0,01060 5,33 ± 0,06 1,96 ± 0,29 0,23 ±0,08 59,04 14,74 26,22 0,968
0,01310 5,32 ± 0,06 2,04 ± 0,28 0,22 ± 0,09 60,12 15,30 24,58 0,95
0,02800 5,15 ± 0,06 1,48 ± 0,28 0,25 ± 0,07 60,23 13,77 26,00 0,955
0,05500 5,11 ± 0,06 1,24 ± 0,25 0,19 ± 0,07 60,17 14,66 25,17 0,983
0,07200 5,07 ± 0,06 1,09 ± 0,24 0,15 ± 0,06 59,66 14,26 26,10 0,974
0,10400 5,11 ± 0,06 1,38 ± 0,27 0,12 ± 0,08 63,30 13,39 23,31 0,974
0,14000 5,13 ± 0,05 1,72 ± 0,31 0,17 ± 0,09 64,88 13,28 21,83 0,969
Apêndice 94
Tabela A 3: Tempos de vida e amplitudes fracionárias da SCC em DMSO, quando excitada em 401
nm.
Concentração
mmo/L 1 (ns) 2 (ns) 3 (ns)
A1
(%)
A2
(%)
A3
(%) 2
0,00028 4,83 ± 0,09 0,82 ± 0,13 0,04 ± 0,01 10,48 7,04 82,47 0,905
0,00055 4,84 ± 0,07 0,73 ± 0,11 0,04 ± 0,01 18,49 11,46 70,05 0,979
0,00083 4,86 ± 0,07 0,77 ± 0,12 0,03 ± 0,01 17,36 9,64 73,00 0,96
0,00106 4,87 ± 0,07 0,82 ±0,13 0,04 ± 0,01 20,73 10,71 68,56 0,952
0,00131 4,87 ± 0,07 0,87 ±0,14 0,04 ± 0,01 23,10 10,7 66,20 0,95
0,00280 5,06 ± 0,07 1,36 ± 0,18 0,13 ± 0,03 40,04 17,1 42,86 0,962
0,00550 5,13 ± 0,07 1,55 ± 0,17 0,12 ± 0,03 38,45 16,89 44,66 0,948
0,00830 5,07 ± 0,06 1,41 ± 0,17 0,12 ± 0,03 40,49 17,36 42,15 0,952
0,01060 5,06 ± 0,07 1,54 ± 0,19 0,14 ± 0,04 41,85 17,03 41,12 0,962
0,01310 4,94 ± 0,06 1,28 ± 0,18 0,12 ± 0,03 41,91 16,09 42,00 0,978
0,02800 5,02 ± 0,06 1,40 ± 0,17 0,12 ± 0,03 40,56 16,76 42,68 0,954
0,05500 4,81 ± 0,06 0,99 ± 0,15 0,09 ± 0,03 40,81 16,16 43,02 0,964
0,07200 4,88 ± 0,06 1,10 ± 0,16 0,10 ± 0,03 41,45 16,43 42,13 0,953
0,10400 4,87 ± 0,06 1,08 ± 0,16 0,10 ± 0,03 41,51 16,46 42,03 0,953
0,14000 4,85 ± 0,06 1,15 ± 0,16 0,13 ± 0,03 42,53 16,90 40,58 0,950
Apêndice 95
APÊNDICE B: ESPECTROS DE ABSORÇÃO ÓTICA DA SCC EM SOLUÇÃO
EM DIFERENTES SOLVENTES E DIFERNTES CONCENTRAÇÕES.
Figura B 1: Espectros de absorção da SCC em água, álcool isopropílico e DMSO em diferentes
concentrações.
400 450 500 550 600 650 700 7500,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Banda Q
Banda Soret
Ab
sorb
ância
(u.a
.)
(nm)
0,0003
0,0008
0,0028
0,0083
0,0280
0,0550
0,1040
0,1400
Água [mmol/L]
400 450 500 550 600 650 700 7500,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Banda Q
Ab
sorb
ância
(u.a
.)
(nm)
0,0003
0,0008
0,0028
0,0083
0,0280
0,0550
0,1040
0,1400
Banda Soret
[mmol/L]Alcool isopropílico
400 450 500 550 600 650 700 7500,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Banda Q
Ab
sorb
ância
(u.a
.)
(nm)
0,0003
0,0008
0,0028
0,0083
0,0280
0,0550
0,1040
0,1400
Banda Soret[mmol/L]DMSO