Subprojeto 21 – Sub-Projeto Transferência Resonante de Energia entre Quantum Dots

Participante: Carlos Lenz Cesar, IFGW, UNICAMP

Quantum dots são nanocristais de semicondutores menores do que o raio de Bohr aB do semicondutor “bulk” com diâmetros na escala de 1 a 10 nm. Nessa escala os elétrons e buracos sofrem um forte confinamento quântico que modifica as propriedades ópticas desses materiais. Controlando seu tamanho é possível ajustar seus picos de absorção e emissão. De modo geral, quanto menor a partícula, mais para o azul a sua absorção se desloca. A utilização de Quantum dots coloidais como marcadores fluorescentes só se inicia após a introdução de uma “cap layer” para aumentar a eficiência de fluorescência. Sem a “cap-layer” os portadores fotoexcitados relaxam para estados de superfície, diminuindo a eficiência dos mesmos. A “cap layer” exporta esses defeitos para superfície mais externa, evita que os portadores relaxem para os mesmos, e aumenta a eficiência de fluorescência dos quantum dots. A funcionalização específica dessa “cap layer”, finalmente, promoverá adesão dos quantum dots à proteínas específicas que se desejam marcar. A grande vantagem dos quantum dots é a ausência do “photobleaching”, que permitiu acompanhar a evolução da fluorescência no tempo por horas seguidas. Isso era impossível com a utilização de corantes orgânicos, cuja fluorescência só perdura por alguns minutos. Outra grande vantagem dos QDs vem do fato de que um único laser pode excitar diferentes bandas de emissão nos quantum dots enquanto as moléculas orgânicas exigem mais de uma fonte de luz de excitação. Finalmente a citotoxidade dos quantum dots é praticamente inexistente. Quantum dots coloidais estão sendo produzidos no IFGW desde 1999, onde já sintetizamos quantum dots dos semicondutores: CdSe; PbSe; PbS; PbTe; HgSe e HgTe. FRET, Förster Resonant Energy Transfer, é uma técnica que marca a proximidade de moléculas através da transferência da energia de uma molécula doadora excitada para uma aceitadora. O par doador-aceitador do FRET deve estar suficientemente próximo para que essa transferência aconteça. Existe já uma biblioteca de pares doadores-aceitadores na literatura dada à importância do FRET na marcação de proximidade de proteínas. Apesar do uso cada vez maior dos quantum dots para marcação fluorescente, sua utilização como par doador-aceitador de FRET é quase nula e o processo, embora tenha sido observado, está pouco entendido. A “cap layer” tem um papel fundamental para o FRET. Se for espessa demais ela blinda os portadores do quantum dots de qualquer interação com o meio externo impossibilitando o FRET. Se for muito pouco espessa a eficiência de fluorescência desaparece e transferência de carga pode ocorrer. Além disso, se sabe que a proximidade de um tip metálico amplifica o campo eletromagnético e aumenta as propriedades ópticas na sua proximidade. Entretanto, nada se sabe com profundidade sobre o efeito dessa proximidade nos tempos de vida de fluorescência e como mediador de FRET. Com as técnicas de fotônica que o Instituto adquirirá será possível estudar o efeito de FRET entre quantum dots em função da espessura da cap layer e da distância entre os quantum dots e o papel de um tip no tempo de vida da fluorescência e na transferência de energia entre quantum dots. FCS, Fluorescence Correlation Spectroscopy, fornece o tempo de decaimento da autocorrelação de moléculas, o qual depende da massa da molécula que difunde pelo volume de excitação. Com o FCS podemos determinar a massa do quantum dot, que aumenta com a espessura da “cap layer”. Diluindo a solução com os quantum dots e deixando-a secar sobre uma superfície plana é possível garantir uma situação em que só exista um único quantum dot na área de resolução óptica, limitada por difração. Com isso é possível, usando uma varredura laser e o sistema multiwavelength de FLIM, caracterizar as propriedades ópticas dos quantum dots isoladamente, e escolher bons pares doadores-aceitadores. Escolhido o par utiliza-se o tip da técnica de tip-enhancement para aproximá-los na distância desejada. Retraindo o tip estudaremos o FRET em função da distância entre os quantum dots e da espessura da “cap layer”. Nesse caso o uso do FLIM será muito importante. Aproximando o tip pode-se estudar o efeito de tip-enhancement tanto no tempo de vida de fluorescência dos quantum dots quanto no FRET entre dois quantum dots. Espera-se, no final, que o entendimento desse processo leve ao desenvolvimento de pares doadores-aceitadores de quantum dots mais eficientes do que os pares atualmente utilizados.