Вплив умов формування на оптичні властивості J-агрегатів поліметинових барвників РІС та Сyan-bTh

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ В.Н. КАРАЗІНА

Гуральчук Гліб Ярославович

УДК 535.37

Вплив умов формування на оптичні властивості

J-агрегатів поліметинових барвників РІС та Cyan-Th

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків - 2008

ДИСЕРТАЦІЄЮ Є РУКОПИС

Робота виконана в Інституті сцинтиляційних матеріалів Науково-технологічного концерну "Інститут монокристалів" НАН України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук, професор Малюкін Юрій Вікторович, Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України, завідувач відділом нанокристалічних матеріалів;

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Милославський Володимир Костянтинович, Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, професор кафедри фізичної оптики

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Смірнова Тетяна Миколаївна, Інститут фізики НАН України, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться " 12 " вересня 2008 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.03 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (61077, м. Харків, площа Свободи, 4, ауд. ім. К.Д. Синельникова)

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, площа Свободи, 4

Автореферат розісланий “ 23 ” червня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.П. Пойда

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Незважаючи на значний інтерес до використання молекулярних люмінесцентних нанокластерів у якості люмінесцентних зондів в біології та медицині, повного розуміння фізичної суті процесів їх формування та факторів впливу на ці процеси, екситонної динаміки та механізмів транспорту енергії електронного збудження в нанокластерах ще немає. Тому вирішення цих проблем є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України в рамках держбюджетних тем «Дослідження механізмів керування оптичними та люмінесцентними властивостями нанодисперсних матеріалів» (Близнец-3, 2003-2005 рр., номер держреєстрації № 0104U008438) та «Дослідження механізмів формування люмінесценції в об'ємі та на поверхні нанокластерів» (Близнец-4, 2006-2008 рр., номер держреєстрації № 0106U004337 ), а також стипендії НАН України для молодих вчених. У виконанні вказаних вище НДР здобувач брав участь як аспірант та в якості виконавця, працюючи за сумісництвом.

Мета і задачі дослідження. Встановити вплив умов отримання J-агрегатів поліметинових барвників PIC та Cyan-Th (витримка розчину впродовж певного терміну часу, додавання електролітів, поверхнево-активних речовин, нуклеїнових кислот) в водних розчинах на їх мікроструктуру та спектрально-люмінесцентні властивості.

Для досягнення поставленої мети необхідно було:

– відпрацювати експериментальну методику реєстрації спектрів збудження люмінесценції та кривих загасання люмінесценції від ансамблю J-агрегатів;

– розробити обладнання люмінесцентної мікроспектроскопії та отримати спектри люмінесценції від окремого люмінесцюючого об'єкта (J-агрегата);

– дослідити люмінесцентні властивості окремих J-агрегатів РІС у розчинах;

– дослідити спектральні властивості агрегатів Cyan-Th у розчинах, що містять електроліти, поверхнево-активні речовини (ПАР) та нуклеїнові кислоти (ДНК та РНК);

– встановити вплив різних домішок (солей, ПАР, НК) на мікроструктуру та екситонні властивості J-агрегатів Cyan-Th.

Об'єкти дослідження - J-агрегати поліметинового барвника 1,1'-диетил-2,2'-цианін йодид (PIC, pseudoisocyanine), окремі і в ансамблі; а також поліметинового барвника 3,3'-диметил-9-(2-тіенил)-трикарбоцианін йодид (L-21, Cyan-Th).

Предмет дослідження - спектри поглинання, люмінесценції та збудження люмінесценції, структура J-агрегатів PIC та Cyan-Th, міжмолекулярна взаємодія у системі «J-агрегат - сольватна оболонка».

Методи дослідження - спектроскопія оптичного поглинання; спектроскопія збудження люмінесценції; лазерна люмінесцентна спектроскопія з часовим (корельованим у часі підрахунком поодиноких фотонів) розділенням; флуоресцентна мікроскопія та флуоресцентна мікроспектроскопія.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлено трансформацію у часі структури та люмінесцентних властивостей J-агрегатів РІС у водних розчинах електроліту (NaCl) та зафіксовано утворення стержень-подібних люмінесцюючих кристалітів.

2. Встановленно, що такі стержень-подібні люмінесцюючі кристаліти є ефективними оптичними хвилеводами.

3. Встановлено, що додавання ПАР (СРВ) до бінарного розчину ДМФА: водний буфер TRIS:HCl в концентрації, вищій за критичну концентрацію міцелоутворення, приводить до утворення комплексів «J-агрегат-ПАР» та суттєво підвищує інтенсивність люмінесценції J-агрегатів Cyan-Th.

4. Встановлено закономірності агрегації барвника Cyan-Th на ДНК та РНК, що дає можливість запропонувати J-агрегати Cyan-Th у якості люмінесцентного зонду для детектування НК.

5. Запропоновано модель структури J-агрегатів Cyan-Th в комплексах «J-агрегат-ПАР» та «J-агрегат-НК».

6. Показано, що додавання до розчину різних речовин (сіль, ПАР та НК) створює умови для керування оптичними властивостями та ступенем агрегації поліметинових барвників.

Практичне значення отриманих результатів визначається перспективами використання J-агрегатів у якості люмінесцентних зондів для детектування нуклеїнових кислот. Оптичні хвилеводи на основі кристалітів PIC можуть бути застосовані при розробці оптичних приладів в мікронному та субмікронному масштабах. Наукові результати дисертаційної роботи та експериментальні методики, розвинуті в ній, можуть бути використані при розробленні нових люмінесцентних зондів для моніторингу стану різних біологічних об'єктів. Результати викладені у дисертації, можуть бути використані для поглиблення уявлень про мікроскопічну природу екситонних збуджень у квазі-1D і 1D молекулярних системах.

Особистий внесок здобувача. Автор дисертації брав безпосередню участь у розробці обладнання для люмінесцентної мікроспектроскопії та налагодженні складного експериментального комплексу, відпрацюванні методики вимірювання флуоресценції від окремих J-агрегатів. Вибір об'єктів дослідження та постановку наукових задач проведено спільно з науковим керівником. Автор дисертаційної роботи готував об'єкти досліджень, проводив усі без винятку експерименти, брав безпосередню участь в обробці та тлумаченні отриманих експериментальних результатів, а також у написанні статей.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на таких міжнародних та вітчизняних конференціях: 6th International Young Scientists Conference “Optics & High Technology Material Science”, Kyiv, Ukraine, 2005; Конференція молодих учених «Фізика низьких температур», Харків, Україна, 2005; International Meeting “Clusters and nanostructured materials (CNM'2006) ”Uzhorod - “Karpaty”, Ukraine, 2006; Конференція молодих учених «Фізика низьких температур», Харків, Україна, 2007.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані у 8 наукових працях; з них: 4 статті у міжнародних та вітчизняних фахових наукових журналах та 4 тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4 розділів, висновків та переліку використаних літературних джерел. Повний обсяг дисертації складає 126 сторінок, дисертація містить 41 рисунок та 1 таблицю. Список використаних джерел складається з 179 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, всебічно проаналізовано сучасний стан проблем, пов'язаних із її темою, сформульовано мету та основні задачі дослідження, наведено основні наукові та практичні результати, а також дані про апробацію роботи та публікації автора.

Перший розділ «Молекулярні ансамблі поліметинових барвників (огляд літератури)» є оглядовим. У цьому розділі викладені основні відомості про поліметинові барвники та їх здатність утворювати специфічні високовпорядковані кластери (Н- та J-агрегати). Наведені основні відомості про структуру цих кластерів, основна увага приділена люмінесцюючим кластерам, так званим J-агрегатам. Розглянуті основні методи дослідження структури J-агрегатів, особливості формування їх оптичних спектрів, оглянуті основні поняття, моделі та сучасні уявлення щодо динаміки екситонних збуджень в J-агрегатах. Розглянуті особливості взаємодії поліметинових барвників та J-агрегатів поліметинових барвників з поверхнево-активними речовинами (ПАР) та біологічними об'єктами (РНК, ДНК).

У другому розділі «Експериментальна техніка та методики дослідження» надано опис експериментального обладнання для вимірювання оптичних спектрів поглинання, люмінесценції та збудження люмінесценції, пікосекундного лазерного комплексу для проведення експериментів із вимірювання часу загасання люмінесценції, наведено методику люмінесцентної мікроспектроскопії та методики приготування зразків для дослідження.

Для дослідження спектрально-люмінесцентних властивостей J-агрегатів поліметинових барвників було використано спектроскопічний комплекс на базі двох монохроматорів МДР-23. Для вимірювання спектрів люмінесценції та збудження люмінесценції у якості збуджуючого випромінювання використовували ксенонову лампу. Збуджуюче випромінювання певної довжини хвилі попередньо виділяли зі спектру ксенонової лампи за допомогою першого монохроматора, так званого монохроматора збудження. Потім, за допомогою системи лінз, збуджуюче світло фокусували на кюветі зі зразком. Люмінесценція розчину за допомогою конденсора фокусувалась на щілині другого монохроматора, так званого монохроматора реєстрації. Спектри реєстрували за допомогою ФЕП, що працює в режимі підрахунку поодиноких фотонів. Для вимірювання спектрів поглинання використовували стандартну лампу розжарювання. Для проведення вимірів при температурах, вищих за кімнатну, використовували термостат, який дає можливість змінювати температуру зразків в інтервалі 20 - 95 ⁰С з кроком 1⁰С. Для автоматичного керування експериментом і збору даних використовували електронні модулі, реалізовані згідно стандарту КАМАК.

При дослідженні загасання люмінесценції використовували методику корельованого у часі підрахунку поодиноких фотонів (так звана «старт-стопова» система) з апаратною функцією 500 пс. Для імпульсного збудження люмінесценції використовували YAG:Nd³⁺ лазер (друга гармоніка, = 532 нм) із системою синхронізації мод та системою селекції лазерних імпульсів. Обробку кривих загасання люмінесценції здійснювали за допомогою програмного пакету CFS_LS (Center of Fluorescent Spectroscopy, USA).

Флуоресцентні зображення та спектри від окремих J-агрегатів були отримані за допомогою люмінесцентного мікроскопа. У якості джерела збудження використовували або лазерні системи (описані вище), або світлодіод (_макс = 475 нм). Корисний сигнал відокремлювали від збуджуючого випромінювання за допомогою дихроїчного дзеркала, яке також використовувалось для спрямування збуджуючого випромінювання в об'єктив, і відрізного світлофільтра. Для точного визначення масштабу зображення використовували калібровані полімерні люмінесцентні сфери діаметром 1 мкм. Отримані зображення записували за допомогою кольорової CCD-матриці. Спектри люмінесценції реєстрували за допомогою монохроматора МДР-23.

J-агрегати PIC утворювалися при концентрації мономерів PIC 0,5 mM у водному розчині NaCl (0,2 M) з нагрівом розчину приблизно до 80 ⁰С та повільному охолодженні до кімнатної температурі.

J-агрегати Cyan-Th отримували у бінарному розчині ДМФА : водний буфер TRIS:HCl (0,05 M, pH = 8) із вихідного розчину Cyan-Th у ДМФА (2 mM). Співвідношення ДМФА: водний буфер TRIS:HCl складало 1:19. При дослідженні впливу ПАР на агрегацію ціанінового барвника Cyan-Th необхідна кількість ПАР розчинялась у вихідному розчині Cyan-Th у ДМФА. При дослідженні агрегації барвника Cyan-Th на нуклеїнових кислотах необхідна кількість ДНК або РНК розчинялась у TRIS:HCl буфері. В усіх експериментальних зразках концентрація ДНК складала 0,610^-4 моль пар основ/л, РНК - 1,210^-4 моль основ/л.

Третій розділ «Спектроскопія модифікованих структур окремих J-агрегатів PIC в водних розчинах електроліту» присвячено дослідженню трансформації у часі структури J-агрегатів PIC у розчинах за допомогою методів флуоресцентної мікроскопії та мікроспектроскопії. Незважаючи на те, що оптичні властивості J-агрегатів органічних барвників вже досить довго досліджуються, фізична суть питань, які стосуються структури J-агрегатів (їх форма і розмір, число агрегації) та впливу структури на екситонні властивості, зокрема на міграцію енергії екситонних збуджень, довгий час залишалася нез'ясованою. Дослідження структури J-агрегатів стало можливим тільки завдяки розвитку таких сучасних дослідницьких методів, як Single Molecular Spectroscopy (SMS), Near-Field Scanning Optical Spectroscopy (NSOM), Atomic Force Microscopy (AFM), Cryogenic Temperature Transmission Electron Microscopy (cryo-TEM), флуоресцентна мікроспектроскопія. Хоча PIC є найбільш дослідженим органічним барвником, який здатний утворювати люмінесцюючі кластери, існуючі літературні дані стосовно його оптичних властивостей, а також його структури є досить суперечливими. Проаналізувавши різні літературні джерела, можна зробити висновок про те, що супрамолекулярна структура J-агрегатів взагалі дуже сильно залежить від типу барвника, існуючих замісників, способу приготування зразків та може змінюватися з часом.

У дисертаційній роботі досліджено трансформацію з часом структури J-агрегатів PIC у водневих розчинах електроліту (NaCl). Формування J-агрегатів PIC контролювали за появою у спектрі поглинання РІС вузької смуги поглинання (J - смуги) з _max= 573 нм. Флуоресцентне зображення розчину, який досліджувався одразу після приготування, є люмінесцеюючою масою, у якій неможливо розрізнити окремі люмінесцюючі об'єкти. Це збігається з даними, які були отримані групою von Berlepsch (2001 р.), для РІС у розчинах електроліту за допомогою cryo-TEM. Cryo-TEM зображення показує наявність окремих волокон діаметром 2,3 нм, які сплітаються у пучки та утворюють складну сітчасту структуру, котру ми не могли розрішити за допомогою оптичного мікроскопу. Після витримки розчину впродовж 6 годин спостерігалося поява окремих люмінесцюючих «ниток», а після 24 годинного витримування флуоресцентне зображення розчину виявляла окремі люмінесцюючі нитки діаметром менш ніж 1 мкм та довжиною декілька сотень мкм. Ми вважаємо, що ці нитки є пучками волокон, які збільшились у розмірі за рахунок подальшого приєднання окремих волокон унаслідок низької розчинності PIC у воді. Трансформація структури J-агрегатів РІС супроводжувалась зміною спектрів поглинання розчину, що досліджувався. J-смуга майже в два рази звужується _FWHM (свіжий розчин) ~ 270 cм-¹, _FWHM (розчин після 24 годин) ~ 150 cм-¹, що свідчить про більш впорядковану структуру ниткоподібних J-агрегатів. Спектр люмінесценції окремих люмінесцюючих ниток виявляє традиційну вузьку смугу люмінесценції J-агрегатів з максимумом, який розташовується в спектральному діапазоні 573-580 нм та _FWHM, що варіюється від 200 до 350 см^-1 для окремих ниток. Така різниця параметрів смуг люмінесценції окремих ниток приводить до розширення смуги люмінесценції розчину та невеликого зсуву смуги (приблизно 3 нм). Цей ефект спостерігається навіть для «клубка», що складається всього з декількох ниток. Таким чином можна стверджувати, що ансамбль J-агрегатів РІС є неоднорідним. При короткохвилевому опромінюванні ниткоподібних J-агрегатів за допомогою LED (_max= 476 нм) спостерігалась фотодеструкція ділянок опромінювання. Довгохвильове опромінювання за допомогою лазера (_max= 532 нм) не приводить до подібного ефекту. Аналіз експериментальних даних дає підставу зробити висновок про те, що при короткохвилевому опромінюванні ниткоподібних J-агрегатів PIC має місце фотостимульована реорганізація молекулярного впакування J-агрегатів PIC.

Через 6-7 діб після приготування розчину можна було спостерігати появу нових об'єктів - стержень-подібних структур з діаметром понад 1 мкм та довжиною декілька сотень мкм. Така трансформація структури раніше спостерігалась для двох інших типів J-агрегатів. Але для J-агрегатів PIC спостерігається вперше. Спектр люмінесценції стержнів суттєво відрізняється від спектру люмінесценції ниткоподібних J-агрегатів. Він складається з двох смуг з _max= 595 нм та _max= 640 нм відповідно (Рис.2б, крива 2). Слід зазначити, що в спектрі не спостерігається смуга люмінесценції, яка притаманна J-агрегатам РІС. Спектр поглинання розчину, у якому спостерігаються стержні, також не виявляє J-смуги. Він є подібним до спектра поглинання розчину мономерів РІС з максимумом 525 нм та плечем 495 нм. На відміну від ниткоподібних J-агрегатів, стержні характеризуються нерівномірним світінням. Спостерігаються ділянки сильного відбивання світла, причому ділянки світіння та відбивання світла закручені по спіралі відносно осі стержня. Фотодеструкція стержнів не спостерігалась.

Кількість стержнів у розчині збільшувалася з часом та через 15-20 діб ниткоподібні J-агрегати у розчині не спостерігались. Ми вважаємо, що стержень-подібні структури є кристалітами. Причому слід зазначити, що молекулярне впакування в таких кристалітах відрізняється від упакування молекул як у J-агрегатах РІС, так і вихідного кристалічного порошку РІС, оскільки спектр люмінесценції стержнів відрізняється від спектру люмінесценції кристалічного порошку РІС.

Якщо збуджуюче світло було сфокусоване на окремій ділянці на поверхні кристаліту, то можна було спостерігати люмінесценцію його торців, незважаючи на те, що вони можуть бути розташовані на відстані декілька сотень мікрон від збуджуючого світла. При цьому, люмінесценція спостерігається тільки в області збудження та на торцях кристаліту, інші ділянки кристаліту не люмінесцюють, що свідчить про відсутність міграції енергії електронного збудження. Враховуючи значне відбивання світла поверхнею кристаліта, можна завбачити, що він діє як своєрідний оптичний хвилевод. Ми припускаємо, що завдяки достатньо великому діаметру кристаліту (якій є більшим ніж довжина хвилі збудження та випромінювання), люмінесценція, яка збуджується на фрагменті кристаліту, розповсюджується за допомогою повного внутрішнього відбивання світла. Теорія, що описує розповсюдження оптичної хвилі у світловоді певного розміру, який має прямокутний переріз, дає можливість зробити оцінку можливості хвилеводного розповсюдження світла у РІС кристаліті. Припустимо, що стержень-подібні кристаліти є оптично ізотропними

.

Зображення кристалітів, які отримані з використанням скануючого електронного мікроскопа, показують, що вони мають прямокутний переріз (0,6Ч0,7 мкм). Тобто мінімальний діаметр стержня, необхідний для розповсюдження світла з = 640 нм

,

оптичний спектр барвник лазерний

де - діелектрична константа стержнів (= 2,73), а - діелектрична константа підкладки (для скла = 2,34). Таким чином отримуємо = 205 нм, що є значно меншим ніж діаметр стержня. Враховуючи значний стоксів зсув між максимумами поглинання (525 нм) та люмінесценції (640 нм), що виключає реабсорбцію світла, можна стверджувати, що РІС стержень-подібні кристаліти є ефективними оптичними хвилеводами.

У четвертому розділі «Керування оптичними властивостями J-агрегатів Cyan-Th за допомогою різних речовин» розглянуто процеси агрегації поліметинового барвника Cyan-Th (L-21) у розчинах ДМФА : водний буфер TRIS:HCl, які містять електроліти, поверхнево-активні речовини та нуклеїнові кислоти (ДНК або РНК).

У бінарному розчині ДМФА : водний буфер TRIS:HCl на довгохвильовому краї спектру поглинання барвника з'являється нова достатньо широка (_FWHM = 750 см-¹) смуга поглинання з л_max = 679 нм. Відносна інтенсивність цієї смуги мала в порівнянні з інтенсивністю смуги мономерів. У спектрі люмінесценції розчину також спостерігалась поява нової, досить інтенсивної смуги з максимумом л_max = 681 нм. Поява цих характерних смуг свідчить про утворення у бінарному розчині ДМФА : водний буфер TRIS:HCl J-агрегатів барвника. Але той факт, що вони є досить широкими, свідчить про наявність у розчині J-агрегатних ланцюжків, які характеризуються широким розподілом за розмірами, а також високим ступенем невпорядкованості. Відомо, що посилити агрегацію барвників можна додаванням у розчин солей (або основ), а також у деяких випадках поверхнево-активних речовин. При дослідженні агрегації барвника Cyan-Th у бінарний розчин ДМФА : водний буфер TRIS:HCl додавали сіль NaCl (0,2 M). Додавання солі привело до подальшої трансформації спектру поглинання (Рис.3а, крива 1). Відносна інтенсивність J-смуги зросла, її форма змінилася (можна виділити плече з л_max = 655 нм). Також слід зазначити зростання інтенсивності короткохвильового плеча на короткохвильовому краї смуги мономерів (л_max = 535 нм). Це плече ми приписуємо поглинанню так званих Н-агрегатів. У спектрі люмінесценції барвника Cyan-Th спостерігався перерозподіл інтенсивностей смуг мономерів та J-агрегатів, при цьому смуга J-агрегатів значно звужується. Додавання в розчин катіонного ПАР (цетілперідіній бромід, СРВ) призвело до ще більш значної трансформації спектру поглинання. А саме, відносна інтенсивність Н-смуги ще більш зросла, J-смуга значно звузилась (_FWHM=150 см-¹). Смуга люмінесценції J-агрегатів також значно звузилась, а її відносна інтенсивність зросла. Наявні експериментальні данні свідчать про те, що додавання у бінарний розчин ДМФА : водний буфер TRIS:HCl солі або катіонного ПАР сприяє підвищенню агрегації поліметинового барвника Cyan-Th. Крім того, структура J-агрегатів, що утворюються у таких розчинах, є більш впорядкованою. Тобто можна зробити висновок: додавання солі та ПАР у розчин дозволяє впливати на структуру J-агрегатів, які утворюються, та, як наслідок, керувати їх оптичними властивостями. Ще одним способом впливу на структуру і оптичні властивості J-агрегатів є застосування так званих «шаблонів» чи «трафаретів», на яких будуть формуватися J-агрегати барвника. Одним з прикладів такого «шаблону» є нуклеїнові кислоти (ДНК та РНК). У дисертаційній роботі було досліджено особливості формування J-агрегатів поліметинового барвника Cyan-Th (L-21) у бінарному розчині ДМФА : водний буфер TRIS:HCl у присутності НК. Було встановлено, що додавання у бінарний розчин НК приводить до суттєвої трансформації спектрів поглинання і люмінесценції, що свідчить про взаємодію між барвником та НК з утворенням агрегатів. У спектрі поглинання барвника у присутності ДНК можна виділити три смуги, що належать агрегатам барвника. Короткохвильова смуга з _max= 536 нм (Н-смуга) дуже інтенсивна та широка в порівнянні з розчинами без ДНК, з сіллю або ПАР. J-смуга значно звузилась (_FWHM = 150 см-¹). Третя смуга з _max= 645 нм (назвемо її D-смугою) є інтенсивнім плечем в спектрі поглинання, яка зміщена у довгохвильову область спектру відносно смуги мономерів. У спектрі люмінесценції розчину, що містить ДНК, спостерігається лише дві смуги: інтенсивна вузька смуга випромінювання J-агрегатів (_FWHM = 200 см-¹, _макс = 685 нм) та малоінтенсивна смуга мономерів барвника. Застосовуючи методику температурного руйнування, було встановлено механізм зв'язування барвника з ДНК та зроблено висновок про те, що J-агрегати Cyan-Th утворюються у малий борозенці подвійної спіралі ДНК. Було також оцінено довжину делокалізації екситонів у J-агрегатах, яка становить 32 мономера, що є досить значною величиною для кімнатної температури і свідчить про високий ступень впорядкування в J-агрегатах, які утворюються у малій борозенці ДНК.

У розчинах, що містять РНК, спектри поглинання та люмінесценції барвника Cyan-Th суттєво відрізняються від розчинів з ДНК. У спектрі поглинання спостерігається перерозподіл інтенсивностей всіх смуг (Рис.4б, крива 1), значно зменшується інтенсивність J-смуги, а інтенсивність D-смуги зростає. Інтенсивність смуги люмінесценції J-агрегатів значно зменшується (у 10 разів у порівнянні з розчином з ДНК), а на її короткохвильовому краї спостерігається плече з _max = 660 нм. Такий перерозподіл інтенсивностей всіх смуг в спектрах поглинання та люмінесценції при взаємодії барвника з РНК можна пояснити іншою топологією структури РНК у порівнянні з ДНК і, як наслідок, наявністю меншої кількості місць, на яких можуть утворюватися J-агрегати. З аналізу спектрів поглинання барвника у розчинах з ДНК, які були зняті при різних температурах, було визначено ступінь асоціації барвника при утворенні H- та D-смуг. Було показано, що Н-агрегати є Н-дімерами, а D-смуга відповідає J-агрегатам з малим ступенем асоціації, можливо J-дімерам барвника Cyan-Th. Для подальшого аналізу ступеня асоціації барвника з НК було зареєстровано криві загасання люмінесценції барвника при збудженні у смугу мономерів, J-дімерів та J-агрегатів.

Аналіз отриманих експериментальних даних, а також той факт, що люмінесценція J-агрегатів інтенсивно збуджується як у смугу Н-дімерів, так і у смугу J-агрегатів, дає підставу зробити висновок про те, що дімери є «будівельними блоками» більших асоціатів - J-агрегатів, та запропонувати модель, яка описує структуру J-агрегатів Cyan-Th, що утворюються у малій борозенці ДНК. Відповідно до цієї моделі, «будівельними блоками» J-агрегатів є дімери, однак молекули барвника, які утворюють дімер, трохи розорієнтовані. Це приводить до розщеплення їх енергетичного рівня на два підрівні, які дають дві смуги: Н-дімерів та J-агрегатів, відповідно.

Таким чином, можна зробити висновок: люмінесцюючі органічні нанокластери (J-агрегати) є дуже ефективними нанозондами при детекції НК, які завдяки екситонній природі електронних збуджень, дають змогу просторового зондування об'єктів дослідження.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі було вирішено поставлену задачу і встановлено вплив умов отримання J-агрегатів поліметинових барвників PIC та Cyan-Th (витримка розчину впродовж певного терміну часу, додавання електролітів, поверхнево-активних речовин, нуклеїнових кислот) в водних розчинах на їх мікроструктуру та спектрально-люмінесцентних властивості.

Основними науковими результатами є такі:

1. Реальна надмолекулярна структура та люмінесцентні властивості J-агрегатів РІС у водних розчинах електроліту (NaCl) є метастабільними і можуть змінюватись як при зміні мікрооточення, так і з часом, що підтверджується спостереженням трансформації окремих ниткоподібних J-агрегатів РІС з діаметром менш ніж 1 мкм та довжиною декілька сотень мкм в стержень-подібні кристаліти з діаметром понад 1 мкм та довжиною декілька сотень мкм.

2. Ниткоподібні J-агрегати РІС, на відміну від стержень-подібних кристалітів, є надмолекулярними структурами, які можуть легко змінювати молекулярну упаковку під дією зовнішніх чинників. Наприклад, при короткохвильовому опромінюванні ниткоподібних J-агрегатів РІС має місце фотостимульована реорганізація їх молекулярного упакування.

3. Стержень-подібні кристаліти РІС є ефективними оптичними хвильоводами, які можуть бути використані при створенні нано-, та мікроелементів фотоприладів.

4. Оптичні властивості та ступень асоціації барвників РІС і Cyan-Th можна ефективно контролювати шляхом додавання у розчин електроліту, ПАР або макромолекул з розвинутою поверхнею (НК).

5. Встановлено, що Cyan-Th взаємодіє з ДНК за механізмом борозенкового зв'язування. При цьому спектри поглинання та люмінесценції барвника мають складний характер. Проведено інтерпретацію всіх смуг у спектрах.

6. Основним «будівельним блоком» J-агрегатів Cyan-Th, що утворюються у малій борозенці ДНК, є дімери барвника.

7. Специфічність агрегації барвника Cyan-Th на ДНК та РНК дає можливість запропонувати цей барвник у якості люмінесцентного зонду для детекції НК.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Pseudoisocyanine J-аggregate to optical waveguiding crystallite transition: microscopic and microspectroscopic exploration / A.N. Lebedenko, G.Ya. Guralchuk, A.V. Sorokin, S.L. Yefimova, Yu.V. Malyukin // J. Phys. Chem. B. - 2006. - v.110. - P.17772-17775.

2. Specificity of cyanine dye L-21 aggregation in solutions with nucleic acids / G.Ya. Guralchuk, A.V. Sorokin, I.K. Katrunov, S.L. Yefimova, A.N. Lebedenko, Yu.V. Malyukin, S.M. Yarmoluk // Journal of Fluorescence. - 2007. - v.17. - P. 370-376.

3. Strong enhancement of cyanine dye aggregation by a surfactant / G.Ya. Guralchuk, I.K. Katrunov, R.S. Grinyov, A.V. Sorokin, S.L. Yefimova, Yu.V. Malyukin, S.M. Yarmoluk // Functional Materials. - 2007. - v.14,№2. - P.228-232.

4. Применение агрегатов полиметиновых красителей для детекции нуклеиновых кислот / Г.Я. Гуральчук, Р.С. Гринев, И.К. Катрунов, А.В. Сорокин, С.Л. Ефимова, Ю.В. Малюкин, С.М. Ярмолюк // Вісник Харківського національного університету. Біофізичний вісник. - 2007. - вип.18(1). - С.102-107.

5. Исследование одиночных J-агрегатов псевдоизоцианина / А.В. Сорокин, Г.Я. Гуральчук, А.Н. Лебеденко, С.Л. Ефимова, Ю.В. Малюкин // Матеріали конференції молодих вчених «Фізика низьких температур». - Харків. - 2005. - С.32.

6. Features of individual PIC J-aggregate morphology /A.V. Sorokin, G.Ya. Guralchuk, A.N. Lebedenko, S.L. Efimova, Yu.V. Malyukin // Books of abstracts of 6^th International Young Scientists Conference “Optics & High Technology Material Science”. - Kyiv (Ukraine), 2005. - P.60.

7. Specificity of cyanine dye L-21 self-aggregation on nucleic acids templates / A.V. Sorokin, G.Ya. Guralchuk, I.K. Katrunov, S.L. Yefimova, A.N. Lebedenko, Yu.V. Malyukin, S.M. Yarmolyuk // Book of abstracts of International Meeting “Clusters and nanostructured materials (CNM'2006)”. - Uzhorod - “Karpaty” (Ukraine). - 2006. - P.272-273.

8. Управление оптическими свойствами метастабильных молекулярных нанокластеров на примере J-агрегатов CyanTh / Г.Я. Гуральчук, И.К. Катрунов, Р.С. Гринёв, А.В. Сорокин, С.Л. Ефимова, Ю.В. Малюкин // Матеріали конференції молодих учених «Фізика низьких температур». - Харків. - 2007. - С.32.

9.

АНОТАЦІЯ

Гуральчук Г.Я. Вплив умов формування на оптичні властивості j-агрегатів поліметинових барвників ріс та Сyan-th. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків 2008.

Дисертаційна робота присвячена встановленню спектральних властивостей J-агрегатів поліметинових барвників PIC та Cyan-Th в водних розчинах за умов контролювання ступеня агрегації барвника, для чого було досліджено вплив умов агрегації цих поліметинових барвників (витримка розчину в продовж певного часу, додавання електролітів, поверхнево-активних речовин, нуклеїнових кислот) на оптичні властивості J-агрегатів,

Використання методів флуоресцентної мікроскопії та мікроспектроскопії дозволило встановити мікро- та макроструктуру J-агрегатів, вивчити люмінесцентні властивості окремих агрегатів. Було встановлено три стадії трансформації у часі структури J-агрегатів РІС у водних розчинах електроліту (NaCl) та зафіксовано утворення стержень-подібних кристалітів з діаметром понад 1 мкм та довжиною декілька сотень мкм. Показано, що стержень-подібні кристаліти є ефективними оптичними хвилеводами.

Показано ефективний вплив катіонної поверхнево-активної речовини (cethylpyridinium bromide, СРВ) на агрегацію барвника Cyan-Th. Встановлено, що додавання СРВ в концентрації, вищій за критичну концентрацію міцело утворення, приводить до утворення комплексів «J-агрегат-ПАР» та суттєво підвищює квантовий вихід люмінесценції J-агрегатів Cyan-Th. Показано специфічність агрегації барвника Cyan-Th на ДНК та РНК, що дозволяє запропонувати J-агрегати Cyan-Th для використання у якості люмінесцентного зонду для детекції НК.

Ключові слова: J-агрегат, структура J-агрегату, поверхнево-активна речовина, нуклеїнові кислоти, флуоресцентне зображення, люмінесцентна мікроспектроскопія, люмінесцентний зонд.

АННОТАЦИЯ

Гуральчук Г.Я. Влияние условий формирования на оптические свойства J-агрегатов полиметиновых красителей РІС и Сyan-th. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков 2008.

Диссертационная работа посвящена установлению спектральных особенностей J-агрегатов полиметиновых красителей PIC и Cyan-Th в водных растворах при условии контроля степени ассоциации красителя, для чего было исследовано влияние условий агрегации этих красителей (выдерживание раствора в течении определенного времени, добавление электролитов, поверхностно-активных веществ, нуклеиновых кислот) на оптические свойства J-агрегатов.

Показано, что реальная надмолекулярная структура J-агрегатов РІС в водных растворах электролита (NaCl) является метастабильной и может изменяться как при изменении микроокружения, так и во времени. Использование методов люминесцентной микроскопии и микроспектроскопии позволило установить микро- и макроструктуру J-агрегатов и изучить люминесцентные свойства отдельных агрегатов. При помощи люминесцентной микроскопии наблюдалась трансформация отдельных нитевидных J-агрегатов РІС с диаметром меньше 1 мкм и длиной несколько сотен мкм в стержне-подобные кристаллиты с диаметром 1 мкм и длиной несколько сотен мкм. Установлено, что упаковка молекул в кристаллите отличается от таковой как для J-агрегатов, так и для кристаллического PIC. Показано, что стержнеподобные кристаллиты являются эффективными оптическими волноводами.

Получены люминесцентные изображения одиночных J-агрегатов PIC. Обнаружено, что нитевидные J-агрегаты РІС, в отличие от стержнеподобных кристаллитов, представляют собой надмолекулярные структуры, которые могут изменять молекулярную упаковку под действием внешних факторов. Например, при облучении одиночных нитевидных J-агрегатов PIC коротковолновым возбуждением, происходит фотоиндуцированная реорганизация их молекулярной упаковки.

Установлено эффективное влияние катионного поверхностно-активного вещества (cethylpyridinium bromide, СРВ) на агрегацию красителя Cyan-Th. Показано, что добавление СРВ в концентрации выше критической концентрации мицеллообразования приводит к образованию комплексов «J-агрегат-ПАВ», что приводит к увеличению квантового выхода люминесценции J-агрегатов Cyan-Th.

Показана специфичность взаимодействия красителя Cyan-Th с ДНК и РНК, которая проявляется в спектрах поглощения и люминесценции. Установлено, что Cyan-Th взаимодействует с ДНК по механизму бороздкового связывания, при этом спектры поглощения и люминесценции имеют сложный характер. Проведена интерпретация всех полос в спектрах. Показано, что основным «строительным блоком» J-агрегатов Cyan-Th, которые образуются в малой бороздке ДНК, являются «face-to-face» димеры красителя. Специфичность взаимодействия красителя Cyan-Th с ДНК и РНК позволяет предложить для использования данный краситель в качестве люминесцентного зонда для детекции НК.

Ключевые слова: J-агрегат, структура J-агрегата, поверхностно-активное вещество, нуклеиновые кислоты, флуоресцентное изображение, люминесцентная микроспектроскопия, люминесцентный зонд.

ABSTRACT

Guralchuk G.Ya. Effect of formation conditions on optical properties of J-aggregates of polymethine dyes PIC and Сyan-th. - Manuscript.

Thesis for scientific degree of Candidate of Sciences in Physics and mathematics. Specialty 01.04.05. - Optics, Laser Physics. V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, 2008.

The thesis is devoted to establishing spectral features of J-aggregations of polymethine dyes PIC and Cyan-Th in water solutions subject to control the dye aggregation degree. For this purpose, the influence of the aggregation conditions (solution storage during definitive time, adding of electrolytes, surfactants, nucleic acids) on the optical properties of J-aggregates have been studied, J-aggregate micro- and macrostructure have been revealed and luminescence properties of individual J-aggregates have been investigated.

Using fluorescent microscopy and microspectroscopy three stages of time transformation for PIC J-aggregate structure have been found in water-electrolyte (NaCl) solutions. In such solutions the formation of rod-like crystallites with the diameter of about 1 m and length of several hundreds micrometers has been observed. It has been shown that the rod-like crystallites are effective light waveguides.

It has been shown that the cationic surfactant cethylpyridinium bromide (СРВ) affects the aggregation of dye Cyan-Th. The addition of CPB at the concentration higher than the critical micelle concentration is found to cause the formation of “J-aggregate-surfactant” complexes and significant increasing J-aggregate quantum yield. The specificity of Cyan-Th aggregation in solutions with DNA and RNA has been revealed that allows J-aggregates Cyan-Th to be considered as luminescent probes for nucleic acids detection. Key words: J-aggregates, J-aggregate structure, surfactant, nucleic acids, fluorescent image, luminescent microspectroscopy, luminescent probe. Размещено на Allbest.ru