Фотолюминесценция ароматических соединений при возбуждении ультрафиолетовым светодиодом Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.361

Фотолюминесценция ароматических соединений при возбуждении ультрафиолетовым светодиодом

© В.В. Бойко1, В.С. Горелик2, Г.И. Довбешко1, А.Ю. Пятышев2

1Институт физики НАН Украины, Киев, 03028, Украина 2МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

Зарегистрированы спектры фотолюминесценции ароматических соединений при возбуждении светодиодом ультрафиолетового излучения с длиной волны 280 нм. Установлено, что спектр фотолюминесценции таких соединений имеет вид полос, расположенных в области длин волн 290...550 нм, характерной для ароматических соединений. Наблюдается возбуждение синглетных уровней ароматических молекул, расположенных вблизи края поглощения ароматических соединений.

Ключевые слова: фотолюминесценция, фармацевтические препараты, биологические соединения, светодиод, ультрафиолетовое излучение, спектр.

Введение. В настоящее время люминесценция широко применяется для получения информации об электронных спектрах биоактивных препаратов [1]. Типичными объектами для люминесцентного анализа являются биологические структуры, содержащие бензольные кольца. К таким объектам относятся, в частности, некоторые аминокислоты, входящие в состав белков, белки, нуклеотиды, а также азотистые основания, входящие в состав ДНК. Исследованию люминесценции, флуоресценции, двухфотонно-возбуждаемой фотолюминесценции при различных агрегатных состояниях и температурах ДНК посвящен ряд работ [2-11]. Для исследования ароматических соединений используются различные спектроскопические методы, включая флуоресцентную спектроскопию [12], метод комбинационного рассеяния света, нелинейно-оптическую спектроскопию, оптические методы анализа [13] и т. д.

Одним из результатов этих исследований являются спектры люминесценции биоактивных препаратов при возбуждении триплетных энергетических уровней. В настоящее время сведения о спектрах синглетных термов ароматических соединений, в частности ДНК и аналогичных сложных молекул, практически отсутствуют.

Постановка задачи. В данной работе проведены регистрация и анализ полных спектров фотолюминесценции ароматических соединений, включая как синглет-синглетные, так и триплет-синглетные переходы. В качестве объектов исследования выбраны следующие биоактивные препараты: аспирин, парацетамол, аденозиндифосфат, антрацен, а также два образца ДНК (теленка и цыпленка). Химиче-

ские и структурные формулы исследуемых объектов приведены в таблице [14-16].

Таблица

Объект исследования

Химическая формула

Структурная формула

Аспирин

C9H8O4

Парацетамол C8H9NO2

Хг

н

N. ХН3

Т

Антрацен

С14Н

14*110

Аденозиндифосфат (АДФ)

CloHl5N5OloP2

Молекулы ДНК состоят из двух закрученных сахарно-фосфатных нитей, соединенных друг с другом посредством пар комплементарных нуклеиновых оснований: аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц)

и тимина (Т). В случае рибо-нуклеиновой кислоты (РНК) к сахарно-фосфатному «хребту» может присоединяться также урацил (У).

Как следует из таблицы, в структуре всех исследуемых соединений присутствуют ароматические кольца. Электронные облака шести п-электронов бензольного кольца взаимно перекрываются. Поглощение в видимой и близкой ультрафиолетовой областях спектра молекул ароматических соединений связаны с присутствием в них именно этих электронов. Люминесцентная способность молекулы обусловлена присутствием п-электронов, осуществляющих двойную связь между атомами углерода, которая принадлежит всей молекуле [17]. Для возбуждения и регистрации спектров фотолюминесценции применяли волоконно-оптическую методику. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

12 3 4 3 6 7

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 - ультрафиолетовый светодиод; 2 - собирающая линза; 3 - световод; 4 - исследуемое вещество; 5 - подставка; 6 - миниспектрометр FSD-8; 7 - компьютер

Небольшое количество (10 мг) исследуемого вещества 4 в виде порошка помещали в кювету (см. рис. 1). Ультрафиолетовое излучение от светодиода 1 направляется в кювету с исследуемым веществом. Вторичное излучение (фотолюминесценция) собирается на выходе кюветы с помощью волоконно-оптического световода 3 и направляется на входную щель миниспектрометра FSD-8 6, связанного с компьютером 7. При этом в качестве источника возбуждающего излучения используется ультрафиолетовый светодиод с длиной волны излучения 280 нм. Средняя мощность возбуждающего ультрафиолетового излучения на поверхности анализируемого препарата составляла 1 мВт.

После компьютерной обработки были построены нормированные спектры фотолюминесценции ароматических соединений. На рис. 2, а приведен спектр фотолюминесценции аспирина. Видно, что спектр фотолюминесценции имеет структурированные полосы в фиолетово-красной области спектра. На рис. 2, б приведен спектр фотолюминесценции парацетамола. Этот спектр также имеет структурированные полосы, но его вид существенно отличается от спектра фотолюминесценции аспирина (см. рис. 2, а).

Спектры фотолюминесценции антрацена и АДФ (рис. 2, в) имеют по два пика в сине-фиолетовой области. Однако два пика спектра фотолюминесценции АДФ, менее интенсивные по сравнению со спектром аспирина (см. рис. 2, а).

I, отн. ед.

1,0

0,8 1

0,6 _ 1

0,4 - ' |

0,2 - 1 '

0 —и V

200 I, отн. ед.

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

400

600

X, нм

1287,8

0Ь= 200

425,7,|

444,8

|569

400

600

X, нм

I, отн. ед.

1,0 1

0,8 - !!

0,6 1 ■ 1

0,4 1 ■ 11

0,2 - \\

0 —11

200

Рис. 2. Спектр фотолюминесценции аспирина. Пунктир-спектр излучения светодиода:

а - аспирин; б - парацетамол; в - антрацен; г - АДФ

На рис. 3, а приведен спектр фотолюминесценции ДНК цыпленка, на рис. 3, б спектр фотолюминесценции теленка. Полосы фотолюминесценции ДНК и ароматических соединений находятся в одной и той же области, но их форма существенно отличается.

Рис. 3. Спектры фотолюминесценции ДНК теленка (а) и цыпленка (б) (пунктирная линия - спектр излучения светодиода)

Рис. 4. Энергетические уровни, типичные для красителей [18, 19]

Из сравнения рис. 2 и 3 следует, что спектры фотолюминесцен ции всех исследуемых веществ различны. Все спектры фотолюми несценции имеют ярко выраженный пик вблизи 300 нм.

На рис. 4 представлена диаграмма энергетических уровней анализируемых молекул. Каждое электронное состояние состоит из колебательных и вращательных уровней. Обычно расстояние между вращательными уровнями на два порядка меньше, чем соответствующее расстояние между колебательными уровнями. Существенной особенностью спектров ароматических соединений является наличие в них син-глетных (спиновое квантовое число 5 0, мультиплетность 2 5 1 1) и триплетных (5 1,2 5 1 3) электронных состояний. Согласно правилам отбора, 5 0 [18, 19]. Таким образом, синглет-синглетные переходы допускаются правилами отбора, а синглет-триплетные - нет.

В результате воздействия излучения светодиода на исследуемое вещество происходит переход молекулы с основного синглетного состояния 50 на один из колебательных уровней состояния 51. Затем молекула релаксирует без излучения за очень короткое время на син-глетный электронный терм 51.

Как следует из анализа данных рис. 2 и 3, в спектрах проявляются достаточно интенсивные изолированные максимумы, соответствующие переходам в основное состояние с синглетного и триплетного термов. При этом процесс излучения ослабляется вследствие конверсии молекул с возбужденного синглетного на триплетный терм, а также на нижележащие уровни молекулы (см. рис. 4). Такой процесс обусловлен столкновениями молекулами и называется синглет-триплетной конверсией [18, 19]. Таким же образом в результате столкновений происходит переход Т1 50 (фосфоресценция).

Заключение. Получены спектры фотолюминесценции ряда ароматических соединений, включая ДНК и родственные структуры. Установлено, что полоса фотолюминесценции лежит в области длин волн 290...550 нм, характерной для ароматических соединений. При этом наблюдается возбуждение синглетных уровней ароматических молекул.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты 11-02-00164, 12-02-00491, 12-02-90422, 12-02-90021, 13-02-90420).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Демченко А.П. Люминесценция и динамика структуры белков. Киев, Нау-кова Думка, 1988.

[2] Гаряев П.П., Горелик В.С., Козулин Е.А., Щеглов В.А. Двухфотонно-возбуждаемая люминесценция в твердотельной фазе ДНК. Квантовая электроника, 1994, т. 21, № 6.

[3] Paul R. Selvin, John E. Hearst. Luminescence energy transfer using a terbium chelate: Improvements on fluorescence energy transfer. Biophysics, 1994, 11, 91(21).

[4] Pisarevskii A.N., Cherenkevich S.N., Andrianov V.T. Fluorescence spectrum and quantum yield of DNA in solution. Zhurnal prikladnoi spektroskopii, 1966, vol. 5, no (5).

[5] Vaya I., Gustavsson Th., Miannay F.-A., Douki T., Markovisti D. Fluorescence of Natural DNA: From the Femtosecond to the Nanosecond Time Scales. J. Am. Chem. Soc., 2010, vol. 132, no. 34.

[6] Yashchuk V.M., Kuclrya V.Yu., Losytskyy M.Yu., Dubey I.Ya., Ohulchan-skyy T.Y., Hiroaki S., Yarmoluk S.M. The Effect of Triplet-Triplet Excitation Energy Transfer on the DNA Self-Protection Mechanism. The Scientific Notes of NaUKMA. Physics, 2006, vol. 51.

[7] Markovitsi D., Gustavsson Th., Talbot F. Excited States and Energy Transfer Among DNA Bases in Double Helices. Photochemical & Photobiological Sciences, 2007, vol. 6.

[8] Clausen-Schaumann H., Rief M., Tolksdorf C., Gaub H.E. Mechanical Stability of Single DNA Molecules. Biophysical Journal, 2000, vol. 78.

[9] Markovitsi D., Sharonov A., Onidas D., Gustavsson Th. Mechanical Stability of Single DNA Molecules. Chemphyschem, 2003, No. 3.

[10] Kudrya V.Yu., Yashchuk V.M., Gusak V.V., Losytskyy M.Yu., Kryvoroten-ko D.V., Balanda A.O., Yarmoluk S.M., Gumenyuk Y.O. The Spectral Manifista-tion of the New Luminescent Styryl Dyes Photostability and Phototoxic Influence on the DNA. Науковi записки НаУКМА. 2006, Сер. ф1з.-мат. наук, т. 51.

[11] Yashchuk V.M., Kudrya V.Yu., Levchenko S.M., Yevtushenko N.V. Some Peculiarities of Electronic Excitation Energy Structure of the Biologic Polynucleo-tides and Processes of Triplet Excitation Trapping. Науковi записки НаУКМА. 2007, cер. фгз.-мат. наук, т. 61.

[12] Войнов Ю.П., Горелик В.С., Умаров М.Ф., Морозова С.В. Краткие сообщения по физике ФИАН, 2011, № 11.

[13] Сливкин А.И., Селеменев В.Ф., Суховерхова Е.А. Физико-химические и биологические методы оценки качества лекарственных средств. Воронеж, Издательство Воронежского государственного университета, 1999.

[14] Clar E. Polycyclic hydrocarbons. Academic Press. London and New York, 1964, vol. 2, 456 p.

[15] Michelson A.M. The Chemistry of Nucleosides and Nucleotides. Academic Press. London and New York, 1963, 667 p.

[16] Кретович В.Л., Шольц К.Ф. Методы современной биохимии. Москва, Наука, 1975, 176 с.

[17] Левшин В.Л. Фотолюминесценция жидких и твердых веществ. М.-Л., Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951.

[18] Svelto О. Principles of Lasers. Plenum Publishing Co. USA, 1976, 370 p.

[19] Ландсберг Г.С. Оптика. Москва, Изд-во «Наука». 1976, 926 с.

Статья поступила в редакцию 05.06.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:

Бойко В.В., Горелик В.С., Довбешко Г.И., Пятышев А.Ю. Фотолюминесценция ароматических соединений при возбуждении ультрафиолетовым светодиодом. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 8. URL: http://engj ournal.ru/catalog/fundamentals/physics/1105.html

Бойко Виталий Владимирович - младший научный сотрудник отдела физики биологических систем Института физики НАН Украины.

Горелик Владимир Семенович - заслуженный деятель науки Российской Федерации, профессор кафедры физики МГТУ им. Н.Э Баумана, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией «Комбинационное рассеяние» Физического института им. П. Н. Лебедева РАН.

Довбешко Галина Ивановна - д-р физ.-мат. наук, профессор, главный научный сотрудник отдела физики биологических систем Института физики НАН Украины.

Пятышев Александр Юрьевич - студент кафедры «Физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана. e-mail: gorelik@sci.lebedev.ru