Nanomateriais luminescentes de terras raras utilizando complexos de benzenotricarboxilatos como precursores

O material Y2O3:Eu3+ vem sendo usado comercialmente como luminóforo vermelho desde da década de 1960, em uma grande variedade de aplicações devido ao seu elevado rendimento quântico (próximo de 100 %), elevada pureza de cor e boa estabilidade. Portanto, este trabalho propõe um novo método de síntese baseado nos complexos benzenotricarboxilatos (BTC) de terras raras trivalentes (RE3+) dopados com íons Eu3+. O objetivo principal é produzir materiais luminescente RE2O3:Eu3+ a temperatura mais baixa (500 °C) e em escala nanométrica. Os complexos precursores [RE(BTC):Eu3+] e [RE(TLA)·n(H2O):Eu3+], onde RE3+: Y, Gd e Lu; BTC: ácido trimésico (TMA) e ácido trimelítico (TLA) foram calcinados em diferentes temperaturas de 500 a 1000 °C, a fim de obter os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+. Os complexos foram caracterizados por análise elementar de carbono e hidrogênio, analise térmica (TG), espectroscopia de absorção no infravermelho (FTIR), difração de raios-X - método do pó (XPD) e microscopia eletrônica de varredura (SEM). Todos os complexos são cristalinos e termo estáveis até 460 °C. Dados de fosforescência dos complexos de Y, Gd e Lu mostram que o nível T1 do aníon BTC3- tem energia acima do nível emissor 5D0 do íon Eu3+, indicando que os ligantes podem atuar como sensibilizadores de energia intramolecular. O estudo das propriedades fotoluminescentes dos complexos dopados foi baseado nos espectros de excitação e emissão e curvas de decaimento de luminescência. Ademais, foram determinados os parâmetros de intensidades experimentais (Ωλ), tempos de vida (τ), taxas de decaimentos radiativo (Arad) e não-radiativo (Anrad). Os materiais luminescentes RE2O3:Eu3+ foram sintetizados de forma bem sucedida por meio do método benzenotricarboxilatos calcinados a 500, 600, 700, 800, 900 e 1000 °C, apresentando alta homogeneidade química e controle de tamanho de cristalito. Os nanomateriais foram caracterizados pelas técnicas de FTIR, XPD SEM e TEM revelando a obtenção dos materiais C-RE2O3:Eu3+ mesmo a 500 °C. Os dados de XPD dos materiais confirmaram um aumento do tamanho dos cristalitos de 5 até 52 nm (equação de Scherrer) de em função da temperatura de calcinação de 500 a 1000 °C, respectivamente, corroborados pelas técnicas de SEM e TEM. Os espectros de emissão de RE2O3:Eu3+ mostram uma banda larga atribuída a transição interconfiguracional de transferência de carga ligante-metal (LMCT) em 260 nm, i.e. O2-(2p)→Eu3+(4f6). Além disso, foram observadas linhas finas de absorção devido as transições intraconfiguracionais 4f do íon európio (7F0,1𔾹LJ; J: 0, 1, 2, 3 e 4), como esperado. As propriedades fotoluminescentes dos luminóforos foram baseadas nos espectros (excitação e emissão) e curvas de decaimento luminescente. Os parâmetros de intensidade experimental, tempos de vida, assim como as taxas de decaimentos radiativos e não radiativos foram calculados. As propriedades fotônicas dos nanomateriais são consistentes com o sítio de baixa simetria C2 ocupado pelo íon Eu3+ no C-RE2O3:Eu3+, produzindo emissão vermelha dominada pela transição hipersensível 5D0𔾻F2 do íon Eu3+ no sitio C2, ao invés do sítio centrossimétrico S6. Além disso, os nanomateriais Y2O3:Eu3+ exibem características espectroscópicas semelhantes e elevados valores de eficiência quântica (η~91 %), compatível com os luminóforos comerciais disponíveis no mercado. Este novo método pode ser utilizado para o desenvolvimento de novos nanomateriais contendo íons terras raras, assim como outros íons metálicos.

Desenvolvimento de materiais nanoestruturados à base de SiO2-Nb2O5 preparados por uma nova rota sol-gel com aplicações em fotônica

Este trabalho concentra-se na preparação e caracterizações estrutural e espectroscópica de materiais nanoestruturados à base de SiO2-Nb2O5 dopados e codopados com íons Er3+, Yb3+ e Eu3+ na forma de pós e guias de onda planares. Os nanocompósitos foram preparados através de uma nova rota sol-gel utilizando óxido de nióbio como precursor em substituição ao alcóxido de nióbio. A correlação estrutura propriedades luminescentes foi estudada por difração de raios X, microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho, espectroscopia vibracional de espalhamento Raman, análise térmica, reflectância difusa e especular, espectroscopia de fotoluminescência e acoplamento M-line. Inicialmente foi avaliado a influência da concentração de nióbio nas propriedades estruturais e luminescentes de nanocompósitos (100-x)Si-xNb dopados e codopados com íons Er3+, Yb3+ e Eu3+ tratados termicamente a 900 °C por 3h. A cristalização do Nb2O5 foi dependente da concentração de Nb na matriz, com a distribuição dos íons lantanídeos preferencialmente no Nb2O5, afetando as propriedades luminescentes. Para os nanocompósitos codopados com íons Er3+ e Yb3+ foram obtidos valores de largura de banda a meia altura (FWHM) da ordem de 70 nm na região de 1550 nm e tempos de vida de até 5,2 ms. A emissão na região do visível, decorrente de processos de conversão ascendente, revelou-se dependente da concentração de nióbio. Foi verificada emissão preferencial na região do verde para menores concentrações de Nb. Enquanto que, para as maiores concentrações, processos de relaxação cruzada levaram a um aumento relativo na intensidade de emissão na região do vermelho. A eficiência quântica de emissão dos nanocompósitos (100-x)Si-xNb dopados com Eu3+ variou com o comprimento de onda de excitação, refletindo os diferentes sítios de simetria ocupados por este íons nesta estrutura complexa. A influência da temperatura de tratamento térmico no processo de cristalização do Nb2O5 em nanocompósitos 70Si:30Nb codopados com íons Er3+ e Yb3+ foi avaliada. Material amorfo foi obtido a 700 °C enquanto que a 900 e 1100 °C foram identificas as fases ortorrômbica (fase T) e monoclínica (fase M) do Nb2O5. Intensa emissão na região de 1550 nm com valores de FWHM de 52 e 67 nm e tempos de vida de 5,6 e 5,4 ms foram verificados a 700 e 900 °C sob excitação em 977 nm, respectivamente. Por fim, foram obtidos guias de onda planares com excelentes propriedades ópticas e com grande potencial de aplicação em dispositivos de amplificação óptica. Especificamente, materiais fotônicos com banda larga de emissão na região do infravermelho foram preparados, indicando fortemente a potencialidade para a aplicação em telecomunicações envolvendo não somente a banda C como também as bandas L e S em materiais contendo somente íons Er3+ como centros emissores.

Reações fotoinduzidas em alguns complexos de rênio e desenvolvimento de dispositivos moleculares

Neste trabalho foi realizado o estudo do comportamento fotoquímico e fotofísico de complexos mononucleares de rênio do tipo fac-[Re(CO)3(N N)(L)]+(N N = 1,10-fenantrolina, phen, dipirido[3,2-a:2,3-c]fenazina, dppz, L= trans-1,2bis(4-piridil)etileno, trans-bpe, trans-4-estirilpiridina. trans-stpy) e dos complexos binucleares [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Re(phen)(CO)3]2+, [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Fe(CN5]2- e [(phen)(CO)3Re(trans-bpe)Os(terpy)(bpy)]3+. O enfoque principal deste trabalho é a investigação das propriedades fotoquímicas dos complexos fac-[ Re(CO)3(phen)(trans-bpe)]+, fac-[Re(CO)3(phen)(trans-stpy)]+ fac-[Re(CO)3(dppz)(trans-bpe)+ e [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Re(phen)(CO)3]2+. Observou-se que os compostos em solução de acetonitrila, sob irradiação a 313, 334 ou 365 nm, apresentam variação espectral com definição de pontos isosbésticos, resultante do processo de fotoisomerização trans→cis do ligante coordenado trans-piridil etileno. Os rendimentos quânticos, Φ, da reação de fotoisomerização foram calculados com base no decaimento espectral das bandas de absorção das transições eletrônicas. Os valores médios determinados para a fotoisomeriação dos complexos em solução de CH3CN variam de 0,15 - 0,39 sob excitação a 313 nm e de 0,12 - 0,33 sob excitação a 365 nm. As reações de fotoisomerização foram monitoradas também por medidas de emissão e por RMN de 1H. Observou-se um aumento da intensidade de luminescência com o tempo de irradiação dos complexos, consistente com o estado emissivo 3MLCT dπ[(Re)→π*(α-diimina). Após irradiação, as reações de fotoisomerização dos complexos foram monitoradas por RMN de 1H. Os sinais de prótons do isômero trans tiveram um decréscimo gradual, enquanto que a intensidade dos sinais referentes aos prótons da espécie cis aumentaram. Os rendimentos quânticos para o processo de fotoisomerização dos complexos foram calculados através da integração das áreas dos sinais de prótons. Os valores obtidos foram maiores, pelo menos o dobro, que aqueles valores obtidos via espectroscopia UV-Vis. O comportamento fotoquímico dos complexos incorporados em polimetacrilato de metila, PMMA, foi também investigado. A fotólise cios complexos em filmes de PMMA conduz à variação espectral, de absorção e emissão, similar àquela observada em solução de acetonitrila, atribuícla ao processo de fotoisomerização trans → cis do ligante coordenado. Este estudo mostra que a fotoisomerização do ligante coordenado trans-piridil etileno pode ser promovida também em meio rígido. Essa característica. típica de um dispositivo molecular, pode ser convenientemente explorada no desenvolvimento de fotossensores. As medidas de TRIR mostram que o estado excitado de menor energia para o fac-[Re(CO)3(phen)(trans-bpe)+ é o 3ππ*. Para o fac-[Re(CO)3(phen)(cis-bpe)]+ a ordem dos estados excitados aparecem invertidas com o 3MLCT <3ππ*, evidenciado pela emissão do complexo cis à temperatura ambiente. Nas espécies binucleares, [(phen) Re(CO)3(trans-bpe)Os(terpy)(bpy)]3+ e [(CO)3(phen)Re(trans-bpe)Fe(CN)5]2-, a fotoisomerização trans → cis do ligante coordenado trans-bpe, característica da subunidade fac-[Re(CO)3(phen)(trans-bpe)]+, é inibida pela competição de transferência de energia intramolecular. Em meio rígido, em PMMA ou em EPA a 77 K, os máximos de emissão dos complexos fac-[Re(CO)3(phen)(cis-bpe)]+, fac-[Re(CO)3(phen)(cis-stpy)r e [(CO)3(phen)Re(cis-bpe)Re(phen)(CO)3]2+ sofrem um deslocamento hipsocrômico com o aumento da rigidez do meio. As mudanças nas propriedades emissivas, em termos de energia e tempo de vida do estado excitado, são discutidas baseadas no efeito rigidocrômico luminescente. O trabalho mostra uma forma interessante de fotos sensibilizar um substrato orgâmco usando o fato de que a coordenação estende a absorção do ligante a uma região de comprimento de onda maior e promove a fotoisomerização assistida por complexos metálicos em energias menores.

A Rapid FACS-Based Strategy to Isolate Human Gene Knockin and Knockout Clones

Gene targeting protocols for mammalian cells remain inefficient and labor intensive. Here we describe FASTarget, a rapid, fluorescent cell sorting based strategy to isolate rare gene targeting events in human somatic cells. A fluorescent protein is used as a means for direct selection of targeted clones obviating the need for selection and outgrowth of drug resistant clones. Importantly, the use of a promoter-less, ATG-less construct greatly facilitates the recovery of correctly targeted cells. Using this method we report successful gene targeting in up to 94% of recovered human somatic cell clones. We create functional EYFP-tagged knockin clones in both transformed and non-transformed human somatic cell lines providing a valuable tool for mammalian cell biology. We further demonstrate the use of this technology to create gene knockouts. Using this generally applicable strategy we can recover gene targeted clones within approximately one month from DNA construct delivery to obtaining targeted monoclonal cell lines.

Luminescence dosimetry; proceedings.

"Conference sponsored by U.S. Atomic Energy Commission, Office of Naval Research, [and] Stanford University."

Some aspects of the interaction of humic substances with metal ions

Humic substances are the major organic constituents of soils and sediments. They are heterogeneous, polyfunctional, polydisperse, macromolecular and have no accurately known chemical structure. Their interactions with radionuclides are particularly important since they provide leaching mechanisms from disposal sites. The central theme to this research is the interaction of heavy metal actinide analogues with humic materials. Studies described focus on selected aspects of the characteristics and properties of humic substances. Some novel approaches to experiments and data analysis are pursued. Several humic substances are studied; all but one are humic acids, and those used most extensively were obtained commercially. Some routine characterisation techniques are applied to samples in the first instance. Humic substances are coloured, but their ultra-violet and visible absorption spectra are featureless. Yet, they fluoresce over a wide range of wavelengths. Enhanced fluorescence in the presence of luminescent europium(III) ions is explained by energy transfer from irradiated humic acid to the metal ion in a photophysical model. Nuclear magnetic resonance spectroscopy is applied to the study of humic acids and their complexes with heavy metals. Proton and carbon-13 NMR provides some structural and functionality information; Paramagnetic lanthanide ions affect these spectra. Some heavy metals are studied as NMR nuclei, but measurements are restricted by their sensitivity. A humic acid is fractionated yielding a broad molecular weight distribution. Electrophoretic mobilities and particle radii determined by Laser Doppler Electrophoretic Light Scattering are sensitive to the conditions of the supporting media, and the concentration and particle size distribution of humic substances. In potentiometric titrations of humate dispersions, the organic matter responds slowly and the mineral acid addition is buffered. Proton concentration data is modelled and a mechanism is proposed involving two key stages, both resulting in proton release after some conformational changes.

Synthesis and evaluation of novel ligands for quantum dot stabilisation and polymerisation studies

This thesis describes the design and synthesis of a variety of functionalised phosphine oxides and sulfides, based on the structure of trioctylphosphine oxide, synthesised for the purpose of surface modification of quantum dots. The ability of the ligands to modify the surface chemistry via displacement of the original hexadecylamine capping layer of quantum dots was evaluated. Finally the surface modified quantum dots were investigated for enhancement in their inherent properties and improved compatibility with the various applications for which they were initially designed. Upon the commencement of research involving quantum dots it became apparent that more information on their behaviour and interaction with the environment was required. The limits of the inherent stability of hexadecylamine capped quantum dots were investigated by exposure to a number of different environments. The effect upon the stability of the quantum dots was monitored by changes in the photoluminescence ability of their cores. Subtle differences between different batches of quantum dots were observed and the necessity to account for these in future applications noted. Lastly the displacement of the original hexadecylamine coating with the "designer" functionalised ligands was evaluated to produce a set of conditions that would result in the best possible surface modification. A general procedure was elucidated however it was discovered that each displacement still required slight adjustment by consideration of the other factors such as the difference in ligand structure and the individuality of the various batches of quantum dots. This thesis also describes a procedure for the addition of a protective layer to the surface of quantum dots by cross-linking the functionalised ligands bound to the surface via an acyclic diene metathesis polymerisation. A detailed description of the problems encountered in the analysis of these materials combined with the use of novel techniques such as diffusion ordered spectroscopy is provided as a means to overcome the limitations encountered. Finally a demonstration of the superior stability, upon exposure to a range of aggressive environments of these protected materials compared with those before cross-linking provided physical proof of the cross-linking process and the advantages of the cross-linking modification. Finally this thesis includes the presentation of initial work into the production of luminescent nanocrystal encoded resin beads for the specific use in solid phase combinatorial chemistry. Demonstration of the successful covalent incorporation of quantum dots into the polymeric matrices of non-functionalised and functionalised resin beads is described. Finally by preliminary work to address and overcome the possible limitations that may be encountered in the production and general employment of these materials in combinatorial techniques is given.

Luminescence of delafossite-type CuAlO2 fibers with Eu substitution for Al cations

CuAlO2 has been examined as a potential luminescent material by substituting Eu for Al cations in the delafossite structure. CuAlO2:Eu3+ nanofibers have been prepared via electrospinning for the ease of mitigating synthesis requirements and for future optoelectronics and emerging applications. Single-phase CuAlO2 fibers could be obtained at a temperature of 1100 °C in air. The Eu was successfully doped in the delafossite structure and two strong emission bands at ~405 and 610 nm were observed in the photoluminescence spectra. These bands are due to the intrinsic near-band-edge transition of CuAlO2 and the f-f transition of the Eu3+ activator, respectively. Further electrical characterization indicated that these fibers exhibit semiconducting behavior and the introduction of Eu could act as band-edge modifiers, thus changing the thermal activation energies. In light of this study, CuAlO2:Eu3+ fibers with both strong photoluminescence and p-type conductivity could be produced by tailoring the rare earth doping concentrations.

Data on the biogeochemical cycle of methane in the ocean

Geological, mineralogical and microbiological aspects of the methane cycle in water and sediments of different areas in the oceans are under consideration in the monograph. Original and published estimations of formation- and oxidation rates of methane with use of radioisotope and isotopic methods are given. The role of aerobic and anaerobic microbial oxidation of methane in production of organic matter and in formation of authigenic carbonates is considered. Particular attention is paid to processes of methane transformation in areas of its intensive input to the water column from deep-sea hydrothermal sources, mud volcanoes, and cold methane seeps.