Subprojeto 10.5 – Desenvolvimento de marcadores e sensores biofotônicos de lantanídeos

Participantes: Gilberto Fernandes Sá -UFPE; Wagner Medonça Faustino -UFPB; Carlos Lenz Cesar; Hernandes F. Carvalho;Vitor Bianchin Pelegati – UNICAMP

Usualmente os lantanídeos formam íons trivalentes perdendo dois elétrons da camada 6s e um elétron da camada 4f, usualmente denotados por Ln3+. Os orbitais HOMO [HighestOccupied Molecular Orbital] 4f dos lantanídeos são eletricamente blindados pelos elétrons dos orbitais totalmente preenchidos 5s e 5p. Por isso, os íons lantanídeos sofrem poucos efeitos dos átomos e cargas nas suas vizinhanças praticamente mantendo as energias dos níveis atômicos independente das matrizes, sólidas ou líquidas, em que estão hospedados. Além disso as larguras de linhas desses íons, tanto de absorção quanto de emissão, são muito estreitas e tempos de vida de emissão podem chegar a dezenas de ms, 106 a 107 maiores do que os tempos e vida típicos [1 ns] das moléculas fluorescentes orgânicas. Por isso, quase todos os elementos da família Ln3+, especificamente, Pr, Nd, Eu, Gd, Tb, Dy. Ho, Er, Tm e Yb, são utilizados como elementosfotônicos, laser ativos ou amplificadores ópticos. O laser de Nd:YAG, por exemplo, um dos mais potentes, utiliza os níveis do Nd3+ no processo de amplificação via emissão estimulada. O mesmo é verdadeiro para os actinídeos, que apenas trocam os orbitais 4f pelos orbitais 5f, mas o fato de que são radioativos evita sua utilização como materiais fotônicos.
Linhas de absorção e emissão muito estreitas e tempos de vida muito longos representam uma primeira vantagem dos Ln3+ na aquisição de imagens. A emissão dos Ln3+ pode ser facilmente isolada da superposição espectral da emissão marcador orgânico convencional pela largura de linha, muito mais fina. Entretanto, a forma mais eficiente é isolar as emissões pelo tempo, com a emissão do Ln3+ presente após total decaimento da emissão dos marcadores orgânicos. Além disso, pode-se usar a banda de excitação estreita para excitação seletiva do Ln3+, e obtenção de imagens diferenciais.
Como os níveis de energia dos lantanídeos são combinações dos orbitais 4f as transições ópticas entre os mesmos são proibidas por paridade, tanto na emissão, ocasionando os tempos de vida de emissão gigantes, como na absorção, que se torna muito fraca. Entretanto, ao longo dos últimos 50 anos se aprendeu a colocar esses íons em um sistema molecular de antenasque absorve a luz e transmite a energia para os íons de lantanídeos através de processos semelhantes ao FRET. O fato de que os tempos de vida são gigantes torna esses íons muito atraentes nos processos de FRET, denominados de LRET [LuminescentResonant Energy Transfer]. Além disso, como o elétron excitado sobrevive por muito tempo a chance de uma nova absorção do estado excitado permite gerar luz no azul e violeta por absorção de fótons no vermelho/infravermelho, em um processo conhecido como up-conversion. Todas essas propriedades tornam os íons de lantanídeos extremamente atraentes para aplicações de aquisição de imagens e/ou sensores ópticos em materiais biológicos. Na última década alguns grupos no mundo desenvolveram estruturas orgânicas que operam com antenas moleculares para os Ln3+ otimizadas para a absorção de dois fótons. Além disso, os tempos de vida gigantes do Ln3+ significam intensidades de saturação muito baixas, que podem ser usadas para melhorar a super resolução em técnicas como STED [StimulatedEmissionDepletion] e GSD [GroundStateDepletion].
Prof. Gilberto Sá da UFPE foi o pioneiro nos trabalhos com os lantanídeos no Brasil e possui toda a expertise, teórica e experimental, na construção de estruturas específicas com os Ln3+ para otimização de sensores e marcadores, via absorção de 1 ou 2 fótons. Nesse sub-projeto os grupos da UFPE/UFPB desenvolverão complexos Ln3+ com moléculas antenas especiais para excitação via absorção de 1 e 2 fótons e estruturas moleculares especialmente adequadas para uso de sensores LRET, enquanto as caracterizações e aplicações biológicas serão realizadas no INFABIC. Estudos de utilização dos Ln3+ desenvolvidos na UFPE/UFPB em microscopia STED e GSD também serão realizadas no INFABIC.