CC BY
18
УДК 535.37
УСИЛЕНИЕ ИНФРАКРАСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
ДИСПРОЗИЕВОГО КОМПЛЕКСА ТЕТРАФЕНИЛПОРФИРИНА В ЛЕНГМЮРОВСКИХ ПЛЕНКАХ В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ /3-ДИКЕТОНАТОВ ЛАНТАНОИДОВ
Г. К. Чудинова, И. А. Наговицын, В. В. Савранский
Изучена инфракрасная флуоресценция диспрозиевого комплекса 5, 10, 15, 20-тетрафенилпорфирина (ОуТФП) в ленгмюровских пленках и ее усиление под действием теноилтрифторацетонатов лантаноидов - Ьп(ТТА)з (Ьп3+ = Еи3+,ТЬ3+,Тт3+,Ьи3+). Определена возможность межмолекулярного и внутримолекулярного переноса энергии между Ьп(ТТА)з и ОуТФП и между ТФП-лигандом и ионом Иу3+ соответственно. Перенос энергии и приводит к усилению флуоресценции Оу3+. Показано, что усиление флуоресценции зависит от соотношения Оу3+ /Ьп(ТТА)з и достигает максимума, когда концентрация Иу3+ на 2 — 4 порядка ниже концентрации Ьп(ТТА)з. При этом усиление не зависит от флуоресцентных свойств лантаноидов. Исследовано влияние на величину усиления флуоресценции иона -Оу3+ полярности рабочей поверхности ЛБ пленки и электр о отрицательности лантаноидов.
I
Ключевые слова: ИК флуоресценция, кофлуоресценция, перенос энергии, Иу-комплекс тетрафенилпорфирина, /3-дикетонаты, пленки Ленгмюра-Блоджетт, пленки Ленгмюра-Шефера.
Редкоземельные элементы, такие как иттербий (УЬ), диспрозий (Оу) и тулий (Тт) обладают интенсивными полосами флуоресценции в инфракрасном (ИК) диапазоне
спектра. Комплексы этих редкоземельных ионов с органическими лигандами, в частности, с порфиринами также обладают ИК флуоресценцией [1]. Это важное свойство способно обеспечить применение подобных соединений в качестве маркеров для биохимического и медицинского анализов. Укомплексы порфиринов применяются для диагностики и фотодинамической терапии раковых заболеваний [2, 3]. Так как в ИК области отсутствует собственная флуоресценция белка, использование регистрации в ИК диапазоне позволяет существенно понизить фоновый сигнал и, следовательно, увеличить чувствительность анализа.
ИК флуоресценция редкоземельных порфиринов сильно зависит от полярности и упорядоченности окружения молекулы [4, 5]. Встраивание флуоресцирующих соединений в высокоупорядоченные системы, такие как ленгмюровские пленки, позволяет существенно увеличить эффективность флуоресценции. Результаты исследования собственной флуоресценции редкоземельных комплексов порфиринов и их сенсибилизированной флуоресценции в ленгмюровских пленках были проведены нами впервые и кратко представлены в работах [6 - 8]. В дальнейшем Yb комплекс 5,10,15,20-тетрафенилпорфирина (ТФП) был апробирован в качестве маркера для иммуносенсорной модельной системы с флуоресцентной регистрацией [9].
В данной статье мы представляем результаты исследования флуоресценции ОуТФП и переноса энергии между лантаноидными комплексами теноилтрифторацето-натов (ТТА) и ОуТФП в ленгмюровских пленках.
Для приготовления пленок использовали установки Joyce Loebl (Великобритания) и MDT-LB5 (Зеленоград, Россия). Спектры поглощения и флуоресценции измеряли на спектрофотометре и спектрофлуориметре Shimadzu (Япония) моделей UV-VIS-3100 и RF-5000 соответственно.
Субфазу готовили на основе тридистиллированной воды (на 5 литров тридистилля та - 0.03 г NaHCOz и НС1 до рН = 8.0; 0.05 г NaNs). Для приговления монослоя на поверхность субфазы наносили растворы ОуТФП (10_3 М) и стеариновой кислоты (СК) (10~3 М) в хлороформе в объемном соотношении 1:1. Стеариновая кислота была выбрана как наиболее жесткая и инертная матрица среди жирных кислот, а следовательно наиболее эффективная при исследовании переноса энергии [10, 11]. После испарения растворителя монослой сжимали до поверхностного давления 22.5 мН/м и наносили на заранее модифицированные кварцевые подложки методом Ленгмюра-Шефера [12]. Процедура модификации поверхности кварцевой подложки заключалась в нанесении четного и нечетного количества монослоев СК методом Ленгмюра-Блоджетт [13]. Та-
Полярная рабочая поверхность
Неполярная рабочая поверхность
Кварцевая Кварцевая
плата плата
СК
Рис. 1. Полярная и неполярная рабочие поверхности с монослоем ОуТФП:СК.
ким образом, после нанесения монослоя, содержащего БуТФП, получали неполярную или полярную рабочие (светоприемные) поверхности, соответственно. Обе указанные структуры (рис. 1) представляют собой К-тип полислойных структур, которые более стабильны, чем Х- и ^-полислойные пленки [13, 14].
Далее пластинки с активными слоями помещали в растворы, содержащие различные
концентрации (10"5; 10~7; 10"9; КГ11 М) ЩТТА)3 (Ьп - Тт3+, ГЬ3+, Еи3+, Ьи3+),
поливиниловый спирт (0.01%) и нагревали при 37"С в течение 8 мин, каждые 2 мин измеряя флуоресценцию БуТФП. Длина волны возбуждения (330 нм) соответствовала поглощению лантаноидных комплексов ТТА. Структурные формулы использованных маркеров приведены на рис. 2.
Из литературы хорошо известны интенсивные флуоресцентные пики хелатных ком плексов иттербия, неодима и церия. Например, ион иттербия имеет 7-10 четких полос флуоресценции в области 900 - 1000 нм [5]. Слегка уширенные полосы флуоресценции, обнаруженные для комплексов Цу3+, Еи3+, Тт3+ относились за счет флуоресценции примесей [15, 16]. Однако это маловероятно, т. к. ИК флуоресценция Оу3* (1320 нм) и Тт3+ (1250 нм) в стеклах достаточно подробно изучена в настоящее время [17, 18]. Ссылаясь на эти данные, мы описываем вышеуказанную слабую ИК флуоресценцию
Рис. 2. Структурные формулы Бу-комплекса ТФП и лантаноидного комплекса теноил-трифторацетоната; асас - ацетилацетон.
как собственную флуоресценцию редкоземельных ионов.
Нельзя исключать и тот факт, что флуоресценция пленок ЬпТФП в ИК диапазоне определяется также и собственной флуоресценцией ТФП-лиганда. Спектры флуоресценции безметального ТФП в пленках смеси ТФП:СК в области 900 - 1100 нм имеют уширенную полосу с максимумом 965 - 970 нм. По литературным данным интенсивность и форма спектров Ьп комплексов порфиринов зависит от температуры и структуры порфиринового лиганда [1, 5]. Наблюдаемая нами форма спектров ВуТФП в пленках сходна с таковой для расворов У'Ь комплекса тетракис(р-гидроксифенил)порфирина при комнатной температуре [1].
О вероятности внутримолекулярного переноса энергии говорит факт совпадения формы спектра возбуждения флуоресценции с формой спектра поглощения флуоресцирующего вещества. Возможность внутримолекулярной миграции энергии в мицел-лярных растворах БуТФП продемонстрирована на рис. 3: два максимума в спектре возбуждения флуоресценции БуТФП (960 и 980 нм) совпадают с максимумами полос спектра поглощения ВуТФП. Спектральное перекрывание между спектром поглощения акцептора (ОуТФП) и спектром флуоресценции донора (Ьп(ТТА)з) показывает возможность межмолекулярного переноса энергии от Ьп(ТТА)з к БуТФП (рис. 4). Таким
I, а; отн.ед.
I, а; отн.ед.
1.0
0.0
0.8
0.4 -
1.2-
0.5 .
о.е
900 950 1000 1050 1100
450 500 550 600 650
А.;нм
Рис. 3. Зависимость интенсивности I флуоресценции от длины волны возбуждения (2) и спектр поглощения а (1) БуТФП б растворе хлороформа.
Рис. 4. Приведенные к единице спектры: 1 - поглощения а акцептора (БуТФП) и 2 - флуоресценции I донора Ьп(ТТА)з (\ех — 330 нм).
образом, эти факты показывают возможность как внутримолекулярного, так и межмолекулярного переноса энергии (рис. 3, 4), а именно переноса энергии от Ьп(ТТА)з к ВуТФП и от ТФП-лиганда на ион Иу3+. Мы подчеркиваем, что именно эти каналы миграции энергии приводят к ИК флуоресценции иона Бу3+.
Флуоресценция комплексов редкоземельных ионов тушится водой и для ее увеличения используются так называемые усиливающие растворы, содержащие нейтральный ПАВ - тритон Х-100 (0.1 % мицеллярный раствор) [19]. Интенсивность флуоресценции БуТФП в растворе тритона Х-100 в 10 раз больше, чем в хлороформе; при этом спектр флуоресценции имеет три четко различимых пика и два плеча: 945, 967, 985, 1020, 1045 нм соответственно (рис. 5). Из рис. 5 видно, что введение БуТФП в мицел-лярные системы увеличивает его флуоресценцию. Мы исходили из предположения, что дополнительное усиление флуоресценции будет достигнуто при встраивании БуТФП в ленгмюровские пленки, имеющие более жесткую и упорядоченную двумернокристалли-ческую структуру.
I, отн.ед.
1.2
I, отн.ед.
1.0
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
900 950 1000 1050 1100
X, нм
900 950 1000 1050 1100 X, нм
Рис. 5. Спектры флуоресценции БуТФП (10 5 М) в хлороформе (1) и в растворе 0.1% тритона Х-100 (2). Длина волны возбуждения (Аег) = 390 нм.
Рис. 6. Спектры флуоресценции ИуТФП в пленках. 1 - собственная флуоресценция БуТФП; 2 - флуоресценция ИуТФП под воздействием Ьп(ТТА)3, (Аеж = 330 нм); поверхностная концентрация [БуТФП] = 0.5 X Ю-11 молъ/ст2.
Спектры флуоресценции БуТФП в пленке в присутствии ионов Ьп3+, усиливающих его флуоресценцию, и в их отсутствие показаны на рис. 6. Спектр флуоресценции БуТФП в монослое с матрицей (СК) имеет только один пик 967 нм.
Усиление флуоресценции Бу3+ в пленке в присутствии ионов Ьпл+ в различных концентрациях показаны на рис. 7 и 8. Значительное усиление наблюдалось в том случае, когда концентрация Оу3+ была в 104 раз меньше концентрации Ьп3+, то есть когда Иу3+ являлся примесным ионом. Концентрация БуТФП в пленке, измеренная через величину поглощения в полосе Соре, составляет Ю-11 М. Действие ионов Ьп3+ (Тт3+, ТЬ3+, Ьи3+) как усиливающих ионов значительно уменьшается, когда их концентрация становится сравнимой или меньше концентрации Иу3+ в пленке (рис. 7, 8).
Исследованные ионы лантаноидов можно расположить по порядку их усиливающей способности: Тт3+(9) > Еи3+(5) = Г63+(5) > £и3+(3) (значение усиления дано в скоб-
2-
6-
8"
4-
6 8 10 12 -№п]
6 8 Ю 12 -18[Ьп]
Рис. 7. Зависимость относительной интенсивности ///0 флуоресценции Бу3+ в пленке от концентрации Тт3+ (1,1') и Ьи3+ (2,2') в растворе. 1,2 - неполярная; 1',2' - полярная светоприемная поверхности. 10 - интенсивность флуоресценции в отсутствие Ьп(ТТА)3.
Рис. 8. Зависимость относительной интенсивности 1/10 флуоресценции Лу3+ в пленке от концентрации ТЬ3+ (1,1') и Еи3+ (2,2') в растворе. 1,2 - неполярная; 1',2' - полярная светоприемная поверхности. 10 - интенсивность флуоресценции в отсутствие Ьп(ТТА)3.
ках). Очевидно, существует оптимальная пара Оу3+ — Ттп3+, взаимодействие в которой выражается в максимальном усилении флуоресценции Бу3+. В наших предыдущих исследованиях был установлен подобным образом парный ион для У63+ в УЬТФП: при взаимодействии СУ(ТТА)3 и УЬТФП усиление флуоресценции У63+ было максимально в ряду использованных лантаноидов с ТТА-лигандом [6].
Как можно видеть, величина усиления, которая наблюдается для всех ионов лантаноидов, почти не зависит от их собственных флуоресцентных свойств; причем усиление максимально, если концентрация Ьп(ТТА)з в пленке на 2-4 порядка больше, чем концентрация ЦуТФП (рис. 7, 8). Следует отметить, что исследованные редкоземельные ионы проявляют три различных типа флуоресценции: молекулярная (Ьи3+), ионная (Т63+, Еи3+, Иу3+), смешанная (Ттп3+) [20, 21]. Влияние собственных флуоресцентных свойств лантаноидов можно четко видеть при их взаимодействии с поверхностями различной полярности. В случае использования ¿и3+, комплексонаты которого обладают сильной молекулярной флуоресценцией, усиление больше на полярной поверхности, чем
на неполярной. Усиливающий эффект Тт3+ (ионная и молекулярная флуоресценция), а также ТЬ3+ и Еи3+ (сильная ионная флуоресценция) больше на полярной поверхности (рис. 7, 8).
Гипотетические структуры гидрофобной и гидрофильной поверхностей (рис. 1) представлены на основании литературных данных [10, 22]. При соотношении ВуТФП:СК = 1:1, которое оптимально для максимальной интенсивности флуоресценции ВуТФП в монослое, реализуется преимущественно перпендикулярное плоскости подложки расположение порфиринового макроцикла. Это ясно из рассчитанных значений молекулярной площади, которые составляют в нашем случае 50-70 Л2/то/ [22 - 24]. Можно предположить, что на неполярной поверхности значительно легче протекает диффузия комплексонатов лантаноидов в слой, тогда как на полярной рабочей поверхности они преимущественно сорбируются на полярных группах матрицы.
Также следует указать на зависимость эффективности усиления флуоресценции ВуТФП от электроотрицательности лантаноида в усиливающем растворе, Е (k J/mol): £u3+(801) « Tm3+(789) > ГЬ3+(753) > Lu3+(720) [25]. Чем больше разница между электроотрицательностью лантаноидов в усиливающих растворах и электроотрицательностью Dy3+, тем выше усиливающий эффект в донорно-акцепторной паре.
В данной работе показана возможность внутри- и межмолекулярного переноса энергии между Dy3+ и ТФП-лигандом и между Ln(TTА)3 и ВуТФП соответственно. Миграция энергии по этим каналам приводит к усилению флуоресценции Dy3+. На усиление флуоресценции ВуТФП в слое влияют следующие факторы: полярность светоприемной поверхности, разница между электроотрицательностью Dy3+ и Ьтг3+ в усиливающих растворах, соотношения концентраций Dy3+ и Ln3+ в пленке. Наибольшее усиление флуоресценции Dy3+ достигается при использовании в качестве сенсибилизатора флуоресценции Тт(ТТА) 3.
Работа поддержана грантом N НШ-1788.2003.2.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Meng J. X., Li К. F., Yuan J., et al. Chem. Phys. Lett, 332, 313 (2000).
[2]Chatterjec S., Possel H., S г i v a s t a v а Т., et al. J. Photochem.
Photobiol., B50, 79 (1999).
[3] Loveinsky M., Borecky J., Kubat P., Jezek B. Gen Physiol.
Biophys., 18, 107 (1999).
[4] Yang J.-H., Zhu G.-Y., W и В. Anal. Chim. Acta, 198, 287 (1987).
[5] Гайдук M. И., Григорьянц В. В., Миронов А. Ф. и др. Журнал прикладной спектроскопии, 46, N 1, 163 (1986).
[6] Chudinova G., Rumiantseva V., Chudinov A. In: European Conference "Thin Organized Films 7" (ECOF 7), Proceedings, Potsdam, Germany, Sept. 14-18, 1998, p. 342.
[71 Chudinova G.. Rumiantseva V.. N а г о v i t s v n I. In:
L J ' /WW
VIII International Conference on Spectroscopy and Chemistry of Porphyrins and their Analogs, Book of Abstracts, Minsk, Repuplic of Belarus, Sept. 22-26, 1998, p. 81.
[8] Чудинова Г. К., Наговицын И. А., Карпов P.E., Савранский В. В. Квантовая электроника, 33, N 9, 765 (2003).
[9] Н а г о в и ц ы н И. А., Чудинова Г. К. ДАН, 382, N 2, 267 (2002).
[10] Chudinova G., Chudinov A., Savransky V., Prokhorov A. Thin Solid Films, 307, 294 (1997).
[11] Kuhn H. Isr. J. Chem., 18, 375 (1979).
[12] Langmuir I., Shaefer V. J. Amer. Chem. Soc., 60, 1351 (1938).
[13] В 1 о d g e t t K. J. Amer. Chem. Soc., 57, 1007 (1935).
[14] В 1 od get t K., Langmuir I. Phys. Rev., 51, 964 (1937).
[15] Соловьев К. H., Ц в и p к о М. П., К а ч у р а Т. Ф. Оптика и спектроскопия, 40, N 4, 648 (1976).
[16] Шушкевич И. К., Дворников С. С., К а ч у р а Т. Ф., Соловьев К. Н. Журнал прикладной спектроскопии, 34, N 4, 647, 1981.
[17] Tanabe S., Hanada Т., Watanabe М., Hayashi Т., Soga N. J. Am. Ceram. Soc., 78, 2917 (1995).
[18] Peng В., I z u m i t a n i T. Opt. Mater., 4, 701 (1995).
[19] S a v i t s k у A., Chudinov А., К r i 1 о v a S. In: Advances in Fluorescence Sensing Technology II, Proceedings, The International Soc. for Opt. Engineering (SPIE), San Jose, California, Febr. 6-8, 1995, p. 429.
[20] Whan R., Crosby G. J. Mol. Spectrosc., 8, 315 (1962).
[21] Binnemans K., Van D e u n R., Gorller-Walrand C., Adam J. J. Non-Cryst. Solids, 238, 11 (1998).
[22] M о h w a 1 d H., Miller A., Stich W., Knoll W., Ruandel-
T e i x i e r A., Lehmann Т., F u h r h о p J.-H. Thin Solid Films, 141, 261 (1986).
[23] Yamazaki Т., Yamazaki I., Osuka A. J. Phys. Chem., B102, 7858 (1998).
[24] Liu H.-G., Feng X.-S., Xue Q.-B., Wang L., Yang K.-Z. Thin Solid Films, 340, 265 (1999).
[25] П о л и н г JI. Общая химия. М., Мир, 1974, с. 848.
ГТ L' TJ Т/Г ТТттлтттттгтп л^тттлт» гЦтгОТТТ/"TT XJ,JL1/JLJ. JCJL ülilV.1 Jfli j i Ct V_/WJ_l_l,v_/ jfjL vj/iiJxiiviLi
им. A. M. Прохорова РАН Поступила в редакцию 30 марта 2004 г.
