Среда ДНК – органический краситель для голографической записи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Среда ДНК - органический краситель для голографической записи

Молекулы ДНК, содержащие множество водородных связей между комплементарными составляющими, являются одними из перспективных и удобных конструктивных блоков в «программируемой» архитектуре нанометрового масштаба для создания органических и гибридных сред с использованием bottom up подхода. Разработке новых наноструктурных материалов на основе ДНК и другим применениям в нанотехнологиях посвящено в последнее время значительное число работ [1-4].

Способность ДНК формировать устойчивые комплексы с противоионами различной природы, в частности с молекулами органических красителей, может быть использована при создании новых регистрирующих сред для голографии и оптической обработки информации. Нуклеиновые кислоты не обладают светочувствительностью в видимой области спектра (максимум поглощения оснований ДНК находится в районе 260 нм), поэтому создание материалов для оптоэлектронных приложений требует введения в их состав спектральных сенсибилизаторов. В качестве таковых могут быть использованы катионные красители различных классов, которые образуют с ДНК два типа комплексов: интеркалирование в двойную спираль ДНК и внешнее связывание.

В настоящей работе представлены результаты голографической записи в регистрирующей среде на основе пленочных форм ДНК, активированной молекулами красителей, характеризующихся различной способностью к образованию комплексов с ДНК. Ранее нами сообщалось о получении образцов пленок ДНК - краситель оптического качества и записи голографических решеток различных типов в такой системе [5]. Целью данной работы являлось выявление особенностей записи в пленочных образцах ДНК, содержащих два красителя: Родамин 6Ж (Р6Ж) и Акридиновый оранжевый (АО).

1.Материалы и методы исследования

пленка днк краситель голографический запись

Родамин 6Ж - катионный краситель ксантенового ряда, не способный к интеркаляции между основаниями ДНК вследствие стерических затруднений. Молекулы Р6Ж взаимодействуют с ДНК по типу внешнего связывания и обладают при этом способностью к ассоциации. Акридиновый оранжевый - известный интеркалятор по отношению к нуклеиновым кислотам, который, тем не менее, вследствие чрезвычайно высокой способности к димеризации, образует с ДНК также и комплексы внешнего типа, в которых краситель присутствует в основном в виде димеров.

Структурные формулы красителей, используемых в работе, приведены на рисунках 1 и 2.

Пленки ДНК с красителями на стеклянных и кварцевых подложках получали исключением растворителя из исходного раствора. Соотношение содержания ДНК и красителя в растворе, выражаемое отношением r концентрации нуклеотидов к концентрации красителя, изменялось в пределах от 5 до 200.

Электронные спектры поглощения пленочных образцов ДНК-краситель регистрировали на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» (С.Петербург, ООО Люмэкс) и оптоволоконном спектрометре «AvaSpec 2048» (Avantes, Holland). Спектры приведены на рисунках 1 и 2.

Исследование структуры пленок методами ИК-спектроскопии [6] показало, что при комнатной влажности ДНК в пленке денатурирована, а при относительной влажности 95% имеет форму двойной спирали.

Из рисунка 1 видно, что значительная часть Р6Ж в пленке связана с ДНК в виде димеров (полоса с максимумом в области 500 нм). Спектр поглощения пленки АО-ДНК (рисунок 2) при комнатной влажности (40%) свидетельствует о существенной доле димеров, связанных с ДНК по внешнему типу. Однако при увлажнении такой пленки форма спектра изменяется - димерный максимум исчезает, а мономерный растет. Это свидетельствует о том, что димеры начинают разрушаться и мономерные молекулы интеркалируют внутрь двойной спирали.

Рисунок 1 - Структурная формула Р6Ж и спектр поглощения пленки

ДНК-Р6Ж, r =20

Рисунок 2 - Структурная формула AO и спектр поглощения пленки ДНК-АО, r = 50 при различных уровнях о.в.: 1 - 95%, 2 - 40%

Голографические эксперименты проводили на установке, которая описана в [5]. Установка позволяла в качестве записывающего лазера использовать следующие источники:

- импульсный YAG-Nd лазер LQ-129 (ф = 15 нс), основная частота и три гармоники (1064 - 266 нм);

- непрерывный YAG-Nd лазер с диодной накачкой KLM-532\SLN (532 нм, 100 мВт);

- Ar-ion лазер с перестройкой в диапазоне 514 - 473 нм, с эталоном Фабри-Перо.

Считывание голографических решеток осуществляли He-Ne лазером (л = 633 нм, P = 20 мВт) в первом порядке дифракции.

Вследствие наличия в сигнале дифракции когерентной шумовой составляющей применялась оптическая схема с гетеродинным детектированием. Период голографических решеток составлял 2 - 3 мкм.

Сигналы дифракции регистрировались фотоэлектронным умножителем, поступали в электронную схему обработки (усиление, аналого-цифровое преобразование, накопление и усреднение) и выводились на компьютер. Временное разрешение установки составляло 1,5 мкс.

2.Результаты и обсуждение

Установлено, что в пленках ДНК-Р6Ж и ДНК-АО при импульсной записи в полосе поглощения красителя возможна реализация нескольких типов голографической записи. Регистрировались динамические голографические решетки на триплетных состояниях красителя, тепловые и рельефно-фазовые голограммы-решетки (РФГ) недеструктивного типа. Эффективность и другие параметры этих решеток существенно зависят от концентрации красителя-сенсибилизатора, типа связывания его с биополимером, влагосодержания пленки ДНК и энергии записывающих импульсов.

Особенностью пленок ДНК - Р6Ж как голографического материала является повышенная чувствительность к записи самостирающихся высокоэффективных (с ДЭ до 20%) РФГ вследствие структурных преобразований биополимерной матрицы. Подробная характеристика этого типа записи была дана в работах [5] и [7]. Причиной такого поведения образцов ДНК-Р6Ж являются на наш взгляд два фактора. Во-первых, это возможность создавать большие концентрации агрегатов красителя, связанных с молекулой ДНК. Во-вторых, Р6Ж в пленках ДНК-Р6Ж (как мономеры, так и агрегаты) не обладает способностью к люминесценции. Отсюда следует, что канал безызлучательной (тепловой) дезактивации энергии электронного возбуждения является преобладающим. Но, как было показано в [7], именно тепловыделение ответственно за формирование рельефно-фазовых решеток в пленках ДНК с красителем, выступающим в качестве теплового сенсибилизатора, при соответствующей плотности мощности записи.

Другой особенностью пленок Р6Ж как среды для голографической записи является большое (свыше 1 секунды) время жизни динамических голограмм на триплетных состояниях красителя. Эта особенность объясняется малым (порядка 1%) квантовым выходом в триплетное состояние для Р6Ж и ограниченной проницаемостью для кислорода (тушителя триплетов) пленки ДНК. В этом случае предпочтительным источником для записи является непрерывный (Ar - ion или YAG - Nd) лазер.

Как отмечалось выше, в образцах ДНК-АО краситель образует два типа комплексов с ДНК: I - интеркаляционного типа (мономеры) и II - с внешним связыванием (димеры). Соотношение N между долями АО, связанного с ДНК по каждому типу зависит от концентрации красителя в исходном (приготовленном для образования пленки) растворе. Пленки ДНК-АО являются средой, чувствительной для записи динамических голограмм на триплетных состояниях красителя. На рисунке 3 представлены кинетические кривые затухания триплетных голограмм для образцов ДНК-АО-I и ДНК-АО-II, состоящих преимущественно из комплексов I и II, кривые 1 и 2, соответственно, из которых видно, что «димерные» образцы демонстрируют более высокую скорость релаксации.

Рисунок 3 - Кинетика релаксации триплетных голограмм на образцах ДНК-АО-I (1) и ДНК-АО-II (2)

Как следует из рисунка 2, соотношение N может изменяться при изменении относительной влажности воздуха в окружении образца. При увеличении о.в. комплексы II разрушаются, и мономерные молекулы АО переходят в комплексы I.

Из рисунка 3 видно, что время жизни триплетных голографических решеток в среде АО - ДНК может служить мерой соотношения между комплексами I и II в образце. На основе такой зависимости нами предлагается реализация голографического датчика влажности окружающей образец воздушной среды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, проект № 3.6358.2017/БЧ.

Список литературы

1. Ohya, Y. Dye molecular arrangement based on hybridization of DNA / Yuichi Ohya // Proc. of SPIE, 2008. - Vol. 7040. - P. 70400G-1 -13

2. Mysliwiec, J. Applications of the DNA-based material for lasing and dynamic holography / J. Mysliwiec L. Sznitko, B. Smoczynska, et al // Proc. of SPIE, 2009. - Vol. 7213. - P. 72130I-1 - 7.

3. Mihaly, M. Biomaterials based on DNA embedded in silica matrix / M. Mihaly, A. Comanescua, et al // Proc. of SPIE, 2009. - Vol. 7403 P. 740308-1 - 9.

4. Ogata, N. Novel Applications of DNA Materials / N. Ogata, K. Yamaoka, J. Yoshida // Proc. of SPIE, 2009. - Vol. 7403. - P. 740305-1 - 15.

5. Лантух, Ю.Д. Формирование и релаксация голографических решеток в пленках нуклеиновых кислот с органическими красителями / Ю.Д. Лантух, С.Н. Пашкевич, С.Н. Летута, Э.К. Алиджанов, А.А. Кульсарин // Труды 5-й Международной конференции ГОЛОЭКСПО-2008, Санкт-Петербург, 2008. - С. 241 - 244.

6. Lantukh, Yu. Investigation of DNA - acridine orange biopolymer films by holographic and spectroscopic techniques / Yu. Lantukh, S. Paschkevich, S. Letuta, G. Ketsle, E. Alidjanov, A. Kulsarin // Proc. of SPIE, 2008. - Vol. 7006. - P. 700614-1 - 8.

7. Lantukh, Yu. D. Holographic investigation of DNA activated by organic dyes / Yu. D. Lantukh, G. A. Ketsle, S. N. Letuta, S. N. Pashkevitch, E. K. Alidzhanov, I. V. Ipatov // Proc. of SPIE, 2004. - Vol. 5447. - P. 375 - 380.

Размещено на Allbest.ru