Влияние окружения на флуоресценцию лантаноидных комплексов порфиринов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 535.37

ВЛИЯНИЕ ОКРУЖЕНИЯ НА ФЛУОРЕСЦЕНЦИЮ ЛАНТАНОИДНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПОРФИРИНОВ.

II. Флуоресценция Yb комплекса мезотетрафенилпорфирина в растворах

Г. К. Чудинова, И. А. Наговицын, В. В. Савранский

Проведено сравнительное исследование влияния жирных кислот с различной длиной алифатического заместителя (С\$— Сгз) и липида (L-а-фосфатидилхолин дипальми-тоила) на флуоресценцию Yb комплекса мезотетрапор-фирина (УЪТФП) в растворах дихлорметана. Показано влияние на интенсивность флуоресценции УЪТФП в видимой и ИК областях спектра добавленных в раствор жирных кислот и липида. Максимальную флуоресценцию УЪТФП наблюдали в видимой области при соотношении УЪТФП/стеариновая кислота = 3:2; УЪТФП/липид = 2;3. Флуоресценция УЪТ ФП в видимой области (680 нм) в растворах, содержащих арахиновую кислоту (Сга), в 10 - 15 раз выше, чем в стеариновой кислоте (Cía) и беге-новой кислоте (С22), «о в ИК диапазоне (975 нм) флуоресценция в растворе со стеариновой кислотой в 4 - 8 раз выше, чем в растворах с добавлением других жирных кислот.

УЪ комплексы порфиринов флуоресцируют в области 922 - 1040 нм с наиболее интенсивной полосой в области 974 - 980 нм [1, 2]. Недостатком ИК флуоресценции Yb комплексов является низкий квантовый выход: Ю-4 — Ю-5. В то же время использование маркеров, флуоресцирующих в ИК диапазоне, очень выгодно для методов биохимического и медицинского анализов с флуоресцентной регистрацией, так как позволяет пренебречь фоновой флуоресценцией белка и, тем самым, повысить чувствительность анализа.

Повысить эффективность флуоресценции можно встраиванием вещества в упоря доченные среды, такие как мицеллярные растворы и ленгмюровские пленки. В нашей группе впервые исследованы флуоресценция в И К диапазоне и сенсибилизированная флуоресценция УЬ3+-, Иу3+-, Тт3+-комплексов мезотетрафенилпорфиринов в ленгмю-ровских пленках [3-6]. В дальнейшем УЬ комплекс мезотетрафенилпорфирина был использован нами для создания чувствительной системы на основе ленгмюровских пле нок для флуоресцентного иммуноанализа [3, 7].

Первая статья данной серии посвящена выбору условий максимальной флуоресценции водорастворимого УЬ комплекса мезо(р-сульфофенил)порфирина в водных расворах поверхностно-активных веществ [8]. В настоящей работе исследовано влияние различных жирных кислот и липида в растворе дихлорметана на флуоресценцию в видимом и ИК диапазоне спектра нерастворимого в водной среде УЬ комплекса мезотетрафенилпорфирина (УЬТФП).

Рис. 1. Структурная формула УЬ комплекса мезотетрафенилпорфирина.

УЬ комплекс мезотетрафенилпорфирина был любезно предоставлен к.х.н. В. Д. Румянцевой (Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова). Методика синтеза и спектральные характеристики редкоземельных комплексов порфиринов представлены в работах [2, 9 - 11]. Структурная формула

УЬ комплекса мезотетрафенилпорфирина приведена на рис. 1. В работе были использованы липид (L-a-фосфатидилхолин дипальмитоил) и жирные кислоты (фирма Sigma, США) с алифатическими заместителями различной длины: C\s (пентадекановая, ПК), Ci6 (гексадекановая, ГК), C\g (арахиновая, АК), Сю (стеариновая, СК), С22 (бегеновая, БК), 623 (трикосановая, ТК). Растворитель - дихлорметан - CH2CI2 (фирма "Хим-мед", Россия). Растворы УЬТФП жирных кислот и липида готовили в концентрациях 10~3 М. Для спектральных измерений растворы разбавляли до концентраций 10~6 М и смешивали в необходимых объемных соотношениях. Спектры поглощения измеряли на спектрофотометре Shimadzu UV-VIS 3100, спектры флуоресценции на спектро-флуориметре Shimadzu 5001 (Япония). При измерении спектров флуоресценции щели возбуждения/эмиссии составляли 3/20 нм. Отметим, что в работе [12] флуоресценцию УЬ комплексов порфиринов в растворах измеряли при щелях, составляющих 0.4 мм (возбуждения и эмиссии). Для того, чтобы уменьшить влияние рассеянного света, при измерении спектров флуоресценции использовали фильтр ЖС-16. Интегральная интенсивность флуоресценции - величина, использованная для представления результатов, это площадь под кривой спектра флуоресценции, которую рассчитывали по программе Microcal Origin v. 5.0.

Спектры поглощения растворов УЬТФП в дихлорметане (10~6 М) приведены на рис. 2. Для смесей УЬТФП со стеариновой кислотой (рис. 2а) и для других жирных кислот (спектры не показаны) оптическая плотность уменьшается с уменьшением концентрации УЬТФП. Диаграмма состав-оптическая плотность (при 420 нм) для УЬТФП в смеси со стеариновой кислотой (рис. 2с, 1), как и с другими жирными кислотами близка к линейной зависимости, что -говорит об отсутствии сильного взаимодействия между жирными кислотами и УЬТФП. Влияние стеариновой кислоты сводится к простому разбавлению УЬТФП (рис. 2а; с, 1). В растворах смеси с липи-дом оптическая плотность УЬТФП уменьшается по сравнению с простым разбавлением нелинейно, максимум полосы Соре сдвигается относительно ее максимума в спектре поглощения однокомпонентного раствора УЬТФП (рис. 2Ь; с, 2). Полярная группа липида, по-видимому, взаимодействует с ионом УЬ3+ и вызывает отклонение от линейности в диаграмме (рис. 2с, 2).

Спектры флуоресценции УЬТФП в видимой области в растворе с липидом (рис. За) и с СК слвинуты (пис. ЗЫ относительно положения полосы сЬлуооеспенпии УЬТФП

■ • */ \JL / х w Л

(рис. За, спектр 1) в растворе без добавок. При определенном молярном соотношении липида и УЬТФП (40% порфирина) флуоресценция комплекса возрастает в 4 раза (рис.

поглощение при 420 нм 1 -СК

2-

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

0 20 40 60 80 100 [УЬТФП], мол.%

Рис. 2. Спектры поглощения D(X) раствора YbTФП(10~6 М) со стеариновой кислотой (а) и с липидом (Ь) при различной объемной доле УЬТФП в смеси растворяемых компонентов: 1 - 100%; 2 - 80%; 3 - 60%; 4 - 40%; 5 - 20%УЬТФП и диаграмма состав растворяемых компонентов (vol.% УЬТФП) - свойства (оптическая плотность D при 420 нм) (с).

За, спектр 4) по сравнению с однокомпонентным раствором УЬТФП. Интенсивность флуоресценции без и в присутствии СК (20 - 40% мол.в растворенной компоненте) остается почти постоянной (рис. ЗЬ, спектры 1 - 3), а при дальнейшем увеличении содержания СК (60 - 80% мол.) снижается в 1.5 - 2.2 раза (рис. ЗЬ, спектры 4 6).

Ион УЬ3+ также влияет и на флуоресценцию порфиринового макроцикла в видимой области. Собственную флуоресценцию безметального ТФП наблюдали при 660 нм (спектр не показан). Ион УЬ3+ тушит собственную флуоресценцию ТФП. Раствор УЬТФП (10_6 М) имеет на этой длине волны флуоресценцию и 15 рач меньше по интенсивности, чем раствор ТФП той же концентрации (6 и 86 отн. ед., соответственно).

Добавление жирных кислот (С15 — С2з) в раствор УЬТФП, по сравнению с добавлением липида (рис. За), незначительно влияет на интенсивность флуоресценции. Так,

7

650 700 750 800 X, нм

650 700 750 800 X, нм

Рис. 3. Спектры флуоресценции в видимой области УЬТФП с липидом (а) и стериновой кислотой (Ь) при различной объемной доле УЬТФП в смеси растворенных компонентов: 1- 100 мол.УсУЬТФП; 2-80%; 3-60%; 4-40%; 5-20%; 6-100% липида или стеариновой

при добавлении СК, изменение окружения УЬТФП сдвигает флуоресценцию в видимой области с 660 до 680 нм (рис. ЗЬ, спектр 3). Аналогичный сдвиг максимума флуоресценции в видимой области спектра наблюдали и в случае других жирных кислот, тогда как в ИК области спектра максимум флуоресценции наблюдали на той же длине волны, что и в однокомпонентном растворе УЬТФП.

Максимумы полос в спектрах ИК флуоресценции УЬТФП при различном содержании липида и СК находятся там же, где и максимумы флуоресценции УЬТФП в дихлорметане (рис. 4а, Ь). Следует отметить, что существуют оптимальные соотношения УЬТФП/лштд = 3:2 и УЬТФП/СК = 2:3, при которых собственная флуоресценция в ИК области УЬТФП возрастает в 6 и 35 раз соответственно (рис. 4а, спектр 3; рис. 4Ь, спектр 4). Из сравнения влияния добавок на флуоресценцию в видимой и ИК областях можно предположить, что механизмы передачи энергии и высвечивания в видимой и ИК областях спектра различны. На флуореспенцию в ИК диапазоне, по-видимому, оказывает значительное влияние взаимодействие анионных групп липида и жирных кислот с ионом УЬ3+.

кислоты.

X, нм X, нм

Рис. 4. Спектры флуоресценции в И К области УЬТФП с липидом (а) и стеариновой кислотой (Ъ): 1 - 100 мол.% УЬТФП; 2 - 80%; 3 - 60%; 4 - 40%; 5 - 20%; 6 - 100% липида или стеариновой кислоты.

Наблюдаемая в ИК области спектра флуоресценция при этом может быть описана как собственная флуоресценция иона УЬ3+ с 4/ уровня; также происходит внутримолекулярный перенос энергии с триплетных уровней лиганда на резонансные уровни РЗИ [13, 14]. Как уже упоминалось, порфириновые комплексы УЬ3+ флуоресцируют в области 922 - 1040 нм. Исследование УЬ комплексов водорастворимых и неводорастворимых порфиринов в растворах и водно-липосомальных смесях при комнатной температуре и 77 К показали полное совпадение флуоресценции в твердой и жидкой фазах. Такое совпадение означает стабильность координационной сферы иона металла [15]. Результаты идентификации структуры Штарка уровней УЬ3+ в некоторых комплексах УЬ-порфиринов представлены в работе [16]. Данные о положении спектральных линий ИК флуоресценции У6-комплексов тетрабензопорфирина для различных растворителей при 77 К и 300 К представлены в работе [17]. Отметим, что целью данной работы является экспериментально определить условия оптимального усиления флуоресценции исследуемого порфирина для его последующего использования в качестве маркера для иммуноанализа. Идентификация спектральных переходов при взаимодействии УЬТФП и таких веществ, как липиды и жирные кислоты, требует дальнейшего исследования.

14 16 18 20 22 24 Длина алифатического

заместителя

—1—1—>—I—>—I—I—I—■—

14 16 18 20 22 24 Длина алифатического заместителя

Рис. 5. Влияние длины алифатической цепи матрицы (жирной кислоты) на флуоресценцию комплекса УЬТФП в дихлорметане при 680 (а) и 975 (Ь) нм; 5 - интегральная интенсивность флуоресценции УЬТФП; 50 - интегральная интенсивность собственной флуоресценции УЬТФП в чистом дихлорэтане.

Влияние длины алифатических заместителей жирных кислот продемонстрировано на рис. 5. Наши измерения показали, что существует оптимальная длина алифатического заместителя, при которой флуоресценция максимальна. Флуоресценция УЬТФП (при 680 нм) в растворах, содержащих арахиновую кислоту (Сго), в 10 - 15 раз выше, чем в СК (Сав), и бегеновой кислоте (С2г), но при 975 нм флуоресценция в растворе с СК в 4 - 8 раз больше. Для всех исследованных жирных кислот максимальную флуоресценцию в ИК диапазоне наблюдали при содержании 40 - 60 мол. % жирной кислоты в растворяемой смеси с УЬТФП.

Таким образом, в результате проведенных исследований были выбраны оптимальные условия для флуоресценции УЬ комплекса мезотетрафенилпорфирина. Интенсивность флуоресценции УЬТФП зависит от длины алифатического заместителя жирной кислоты и от соотношения УЬТФП и жирной кислоты или липида. Ион УЬ3+ тушит собственную флуоресценцию мезотетрафенилпорфирина при 660 нм. В присутствии липида и жирных кислот максимум флуоресценции УЬТФП в видимой области сдви-

гается до 680 нм, однако присутствие липидов и жирных кислот не изменяет положения

максимума флуоресценции в И К области.

Работа поддержана грантом N НШ-1788.2003.2.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Г а й д у к М. И., Григорьянц В. В., Миронов А. Ф. и др. Журнал прикладной спектроскопии, 46, N 1, 163 (1986).

[2] Wong С.- P. Inorg. Sintesis series, 22, 156 (1983).

[3] Ч у д и н о в а Г. К., Наговицын И. А., Карпов Р. Е., Савранский В. В. Квантовал электроника, 33, N 9, 765 (2003).

[4] Chudinova G., Rumiantseva V., and Chudinov A. European Conference Thin Organized Films, 14. - 18.09. 1998, Potsdam, Germany, Proceedings. Univ. of Potsdam, 1998, p. 342.

[5] Chudinova G., Rumiantseva V., and Nagovitsyn I. VHIth International Conference on Spectroscopy and Chemistry of Porphyrins and their Analogs, Book of Abstracts, Minsk, Republic of Belarus, Sept. 22 - 26, 1998, p. 81.

[6] H а г о в и ц ы н И. А., Чудинова Г. К., Румянцева В. Д., Лобанов А. В. VI Международная конференция "Наукоемкие химические технологии", 25 - 29 октября 1999, Москва, Россия, тезисы докладов. МГАТХТ им. Ломоносова, 1999, с. 208.

[7] II а г о в и ц ы н И. А., Ч у д и н о в а Г. К. ДАН, 382, N 2, 267 (2002).

[8] Ч у д и н о в а Г. К., Наговицын И. А., Савранский В. В. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 7, 3 (2004).

[9] G a i d u k M., Grigoryants V., M i г о n о v A., and Rumyantseva V. Proc. Estonian Acad. Sci. Phys. Math., 40, N 3, 198 (1991).

[10] A d 1 e r A., L о n g о F. R., F i n a r e 1 1 i J. D., et al. J. Org. Chem., 32, 476 (1967).

[11] Wong С.- P., V e n t e i с h e r R. F., H о г г о с k s W., and D e W. J. Am. Chem. Soc., 96, N 22, 7149 (1974).

[12] M e n g J. X., L i K. F,Yuan J., et al. Chem. Phys. Lett., 332, 313 (2000).

[13] S о i n i E. and Lovgren T. Critical Reviews in Analytical Chemistry, 18, 105 (1987).

[14] Соловьев К. Н.,Цвирко М. П., К а ч у р а Т. Ф. Оптика и спектроскопия, 40, N 4, 648 (1976).

[15] Гайдук М. И., Золин В. Ф., Г а й г е х о в а Л. С. "Спектры люминесценции европия", М., Наука, 1974.

[16] Шушкевич И. К., Дворников С. С., Качура Т. Ф., Соловьев К. Н. Журнал прикладной спектроскопии, 34, N 4, 647 (1981).

[17] Качура Т. Ф., С е в ч е н к о А. Н., Соловьев К. Н., Ц в и р к о М. П. ДАН СССР, 217, 1121 (1974).

ЦЕНИ Института общей физики

им. А. М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 21 июня 2004 г.