Квантово-химическое моделирование электронного возбуждения и релаксации в молекуле флуоресцентного зонда 4-диметиламинохалкона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

САКОВИЧ Руслан Александрович

Квантово-химическое моделирование электронного возбуждения и релаксации в молекуле флуоресцентного зонда 4-диметнламинохалкона

01.04.17 — химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных

состояний вещества

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

11 СЕН 2014

Москва-2014

005552377

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук.

Научный руководитель:

Романов Алексей Николаевич кандидат физико-математических наук НИВЦ МГУ, ведущий научный сотрудник

Официальные оппоненты:

Дементьев Андрей Игоревич доктор физико-математических наук профессор МПГУ, заведующий кафедрой

Никитина Екатерина Александровна

кандидат химических наук

ИПРИМ РАН, старший научный сотрудник

Ведущая организация: Центр фотохимии РАН

Защита диссертации состоится «19» ноября 2014 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.002.012.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук по адресу: 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 4, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук.

Автореферат разослан «17» сентября 2014 года.

Автореферат размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации «13» августа 2014 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д.002.012.02, кандидат физико-математических наук

М. Г. Голубков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Флуоресцентные методы получили широкое распространение в медико-биологических исследованиях благодаря высокой чувствительности и простоте регистрации оптического сигнала. Флуоресцентные красители окрашивают исследуемые клетки и ткани с помощью двух различных подходов: 1) химическая реакция, т.е. образование химической ковалентной связи между меткой и определенными химическими группами биологической структуры (перекрывание молекулярных орбиталей); 2) физико-химическое межмолекулярное взаимодействие — в этом случае краситель связывается с объектом неспецифически, как правило, за счет межмолекулярных сил физической природы. Именно по этому признаку в настоящее время принято разделять флуоресцентные красители на два основных класса: флуоресцентные метки и флуоресцентные зонды.

В первую группу попали те вещества, флуоресценция которых практически не реагировала на свойства окружения - их квантовый выход был близок к единице, что позволяло использовать минимальные концентрации метки. Однако из-за ограниченности активных химических групп, входящих в состав биологических структур, оставалась ниша для использования второго класса соединений. Для этих флуоресцирующих красителей не требовалось проведения химической реакции. Их связывание определялось физическими механизмами и подбиралось исследователями эмпирически. По мере накопления экспериментальных данных стало понятно, что распределение и изменение флуоресцентных свойств зондов можно использовать для оценки физико-химических свойств их окружения.

В 60-х годах 20 века делались многочисленные попытки установить связь между физико-химическими свойствами окружения и флуоресценцией зондов, и в этом направлении был достигнут значительный прогресс. Были предложены эмпирические и полуэмпирические модели, объясняющие спектральные сдвиги в спектрах флуоресценции красителей за счет сольватационного

взаимодействия красителя с окружением. Предлагались специальные «шкалы растворителей», описывающие универсальные свойства флуоресценции красителей. Так была выделена группа флуоресцирующих соединений, чувствительность которых к физико-химическим свойствам окружения оказалась максимальна. Эта группа характеризовалась общей структурой и механизмом флуоресцентного ответа - это были молекулы с пространственным разделением заряда. В их состав входили донорная и акцепторная субъединицы. В основном состоянии молекула обладала разделением заряда, т.е. дипольным моментом, но при фотовозбуждении происходил дополнительный внутримолекулярный перенос электронной плотности. Так как перенос заряда между донорной и акцепторной субъединицей зависит от диэлектрических свойств окружения, то это отражалось на оптических характеристиках флуоресцентных зондов.

Начиная с 1980-х годов, делались попытки объяснить флуоресцентные свойства молекул зондов, использовавшихся в биологии, медицине и химии, при помощи компьютерного моделирования свойств молекул - квантовой химии. В основу методов расчетов свойств молекул легли уравнения квантовой физики.

Цели и задачи. Цель настоящей работы заключалась в теоретическом обосновании зависимости оптических параметров флуоресцентного зонда 4-диметиламинохалкона (ДМХ) в возбужденном состоянии от физико-химических свойств его окружения при помощи методов квантовой химии. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Выяснить характер нижних электронно-возбужденных состояний и структуру поверхностей потенциальной энергии изучаемого зонда с помощью различных методов квантовой химии.

2) Исследовать изменения поверхностей потенциальной энергии нижних возбужденных состояний при взаимодействии зонда с молекулами окружения и обосновать их влияние на оптические свойства.

3) С помощью методов молекулярной динамики исследовать неадиабатические процессы, происходящие в возбужденных состояниях молекулы флуоресцентного зонда. Оценить таким образом скорости безызлучательной релаксации. Изучить влияние молекул окружения на эти процессы.

Научная новизна. Для исследования всего каскада фотофизических процессов, ответственных за оптические свойства флуоресцентного зонда впервые был использован комплексный подход: квантово-химическое моделирование процессов связывания, расчет параметров поглощения света и флуоресценции. На каждом этапе работ отбирались, тестировались и использовались методы и модели, оптимальные для решения конкретной задачи. Критерием адекватности их использования служило сравнение с экспериментальными данными. Методика, разработанная в ходе выполнения работ, безусловно, может являться основной для построения будущих моделей.

Для исследования процессов релаксации возбужденного состояния молекулы флуорофора были использованы алгоритмы и методы неадиабатический молекулярной динамики. Этот подход является новым, поскольку выполнение такого рода расчетов стало возможным только в последнее время, благодаря запуску в МГУ суперкомпьютера «Ломоносов». В работе впервые установлены структурные параметры молекулы, ответственные за конкуренцию излучательных и безызлучательных процессов, лежащих в основе формирования квантового выхода флуоресценции зонда в мембране клетки.

Теоретическая и практическая значимость. Понимание механизмов, ответственных за квантовый выход флуоресценции зонда ДМХ, является ключевым источником информации о физико-химической структуре клеточных мембран. Связь структуры молекулы зонда и взаимодействия флуорофора с окружением с флуоресцентными свойствами, выясненная в ходе выполнения работы, позволяет установить физические параметры мембран клетки и проследить за их изменениями при патологии. Кроме того, доказано, что

взаимодействие зонда ДМХ со связанными молекулами воды в гидрофобных «карманах» белков и неполярных областях клеточных мембран является причиной увеличения интенсивности флуоресценции и смещения ее спектра в красную область. Полученные закономерности могут стать основой для разработки количественного наноиндикатора наличия и роли молекул воды в формировании биологических молекулярных структур.

Методология и методы исследования. В работе использовались различные ab initio методы квантовой химии, а также проводилось компьютерное моделирование молекулярной динамики изолированной молекулы флуоресцентного зонда ДМХ и ее комплексов с молекулами воды. Положения, выносимые на защиту:

1) Определена структура ППЭ и свойства нижних электронных уровней изолированной молекулы флуоресцентного зонда ДМХ в вакууме.

2) Выяснен механизм релаксации, ответственный за формирование квантового выхода флуоресценции ДМХ в неполярных средах.

3) Рассчитаны энергии водородных связей между молекулами ДМХ и воды в основном и возбужденном состояниях. Изучено влияние молекул окружения с протон-донорными группами на квантовый выход флуоресценции ДМХ.

4) Проведена оценка скорости безызлучательных переходов для изолированной молекулы ДМХ и ее комплексов с молекулами воды.

Степень достоверности полученных результатов. Достоверность результатов квантово-химических расчетов, изложенных в работе, подтверждается соответствием с экспериментальными данными. Созданная и представленная в настоящей работе модель позволила предсказать оптические свойства молекулы флуоресцентного зонда, не имевшие ранее экспериментального подтверждения.

Апробация результатов. Основные результаты работы были представлены автором в виде докладов на конференции молодых ученых ИХФ "Химия, Физика, Биология: пути интеграции" (Звенигород, 2013) и конференции молодых ученых НИИ ФХМ (Москва, 2013).

Личный вклад автора. Все квантово-химические расчеты, лежащие в основе данной работы, выполнены автором или при его непосредственном участии. Весомым является так же вклад автора в постановку научной задачи и выбор методов ее решения. Автор принимал непосредственное участие в обработке данных расчетов и анализе полученных результатов.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из обзора литературы, результатов и их обсуждения, выводов, списка сокращений и списка цитируемой литературы из 117 наименований. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков и 12 таблиц.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 4 печатных работы, в том числе 4 статьи из списка журналов, рекомендованных

В первой главе дается краткое описание методов квантовой химии, использованных в работе, и проводится литературный обзор работ, посвященных расчету возбужденных состояний органических флуорофоров.

Первым флуоресцентным зондом, предложенным в СССР, была молекула незаряженного красителя 4-диметиламинохалкона (ДМХ) (рис. 1). В 1972 году Ю.А. Владимиров использовал его для регистрации конформационных изменений молекулы транспортного белка крови — альбумина.

В дальнейших исследованиях было показано, что такие свойства молекулы ДМХ, как отсутствие заряда и гидрофобность, делают ее очень удобным инструментом в исследовании мембран. Коэффициент распределения

ВАК.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

СН;

О

Рис. 1. Молекула флуоресцентного зонда ДМХ.

молекулы ДМХ в двухфазной системе вода-гептан составляет порядка 1:1000. Кроме того, было показано, что избирательность для гидрофобных областей биологических объектов - не самое важное свойство нового флуоресцентного зонда. Таким образом, наблюдая за флуоресценцией зонда, добавленного к суспензии мембран, мы наблюдаем лишь за теми молекулами, которые благодаря гидрофобным взаимодействиям проникли внутрь мембраны.

При исследовании биомембран с помощью флуоресценции зондов выяснилась одна из основных проблем метода: даже в таком простом объекте, как модельные липидные мембраны из химически однородного фосфолипида, параметры флуоресценции прямо или косвенно указывают на наличие гетерогенности, которой не наблюдается в растворителях. На сегодняшний день нет единой биофизической концепции, объединяющей и объясняющей все особенности флуоресценции зондов в мембранах. Так как этот вопрос является принципиальным для понимания процессов, которые регистрируются с помощью флуоресценции зондов, то ему было уделено особое внимание в настоящей работе.

Прежде всего, предстояло выяснить причину столь значительного влияния свойств окружения зонда ДМХ на его флуоресцентные параметры. В первую очередь это относится к изменениям в спектре флуоресценции и величине квантового выхода, которые у зонда ДМХ варьируются значительно сильнее, чем у других аналогичных флуорофоров. Для решения этой задачи выбор квантово-химического моделирования предоставил уникальные возможности. Только с помощью этих методов можно доказать существование устойчивых конформеров у молекулы ДМХ в возбужденном состоянии. Другой, еще более актуальной проблемой являлось установить причину наблюдаемых в эксперименте более чем 1000 кратных изменений квантового выхода зонда. Планировалось, что экспериментальные данные, предполагающие существование в неполярных средах синглет - триплетного перехода, будут, во-первых, подтверждены расчетами структуры уровней в возбужденном состоянии, а во-вторых, с помощью молекулярной динамики

представится возможность определить константы скорости интеркомбинационной конверсии. Экспериментальные данные позволяли оценить лишь суммарное время нескольких переходов электронно-возбужденного состояния ДМХ.

Огромный интерес представлял также вопрос о взаимодействии мембранного зонда ДМХ с молекулами воды. Молекулы воды всегда присутствуют в структуре мембран и белков биологических объектов. Ранее предполагалось, что молекулы воды являются причиной тушения флуоресценции ДМХ, однако последние модельные исследования показали, что это не всегда выполняется. Действительно, в полярном окружении образование водородной связи вызывает резкое падение флуоресценции, но в неполярной среде наблюдается противоположный эффект. Чем обусловлены эти процессы и какова их природа? Решению этих задач в настоящей работе посвящена отдельная глава.

Во второй главе рассматриваются различные квантово-химические методы расчета возбужденных состояний в применении к молекуле зонда ДМХ и выбирается наиболее подходящий для выполнения поставленных задач метод.

В настоящее время не существует универсального метода расчета возбужденных состояний органических молекул средней величины, поэтому первоочередной задачей квантово-химического исследования является сравнение результатов различных методов расчета. Методами CIS, CASSCF, RASSCF, CASPT2, EOM-CCSD, TDDFT и RI-CC2 были выполнены расчеты энергий вертикальных переходов изолированной молекулы ДМХ с основного на нижние электронно-возбужденные состояния. Геометрия молекулы во всех этих расчетах была одинакова и соответствовала минимуму ППЭ основного состояния, полученному методом RI-CC2. Во всех случаях для этих вычислений был использован базис cc-pVDZ или его аналог SVP. Наиболее существенные результаты этих расчетов, а так же экспериментальные значения, полученные для раствора ДМХ в гексане, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Энергия основного состояния и энергии вертикальных переходов молекулы ДМХ из основного состояния, полученные при расчетах различными методами.

Методы Основное состояние, Хартри '(п, л*), эВ л*), эВ

CIS, cc-pVDZ -783,01 4,9 4,8

CASSCF, 12/14, cc-pVDZ -783,11 5,6 5,3

RASSCF, 18/20, N=3, cc-pVDZ -783,17 4,3 5,2

CASPT2, 12/14, cc-pVDZ -785,57 3,6 3,8

TDDFT, pbeO, SVP -786,52 3,3 3,5

TDDFT, bh-lyp, SVP -786,95 3,9 3,9

ADC(2), SVP -785,00 3,3 3,7

RI-CC2, SVP -785,04 3,6 3,8

RI-CC2, TZVP -786,715 3,4 3,6

RI-CC2, QZVP -787,12 3,4 3,6

Экспериментальные значения 3,1 3,2

Как видно из таблицы 1, наилучшее согласие с экспериментальными данными показали расчеты методами CASPT2, TDDFT (с функционалом pbeO), ADC(2) и RI-CC2. Совпадение результатов, полученных в рамках этих методов для базисов одинакового качества (cc-pVDZ для CASPT2 и SVP для TDDFT, ADC(2) и RI-CC2) свидетельствует о хорошей сходимости решений независимо от способов выбора активного пространства и учета электронных конфигураций. Однако, результаты расчета методом TDDFT оказались существенно зависимы от выбора функционала. У методов ADC(2) и RI-CC2 есть ряд преимуществ перед методом CASPT2. Во-первых, в них отсутствует произвол в выборе активного пространства, а во-вторых, вычислительные затраты при использовании этих методов существенно ниже, чем при использовании CASPT2. Существенно меньшее время расчета позволяет использовать методы ADC(2) и RI-CC2 с базисами более высокого качества -

TZVP и QZVP. Как видно из таблицы 1 изменение базиса с SVP на TZVP приводит к существенному улучшению результатов, изменение же с TZVP на QZVP улучшает результаты в меньшей степени. Таким образом, в качестве основного метода для дальнейших расчетов был выбран метод RI-CC2.

В третьей главе излагаются результаты расчета нижних возбужденных состояний изолированной молекулы ДМХ в вакууме, и дается объяснение низкому квантовому выходу флуоресценции ДМХ в вакууме и неполярных средах.

Для оценки флуоресцентных свойств мембранного зонда ДМХ необходимо знать свойства его возбужденных состояний. С этой целью в рамках метода RI-CC2 были рассчитаны вертикальные переходы из минимума на ППЭ основного состояния на нижние возбужденные синглетные и триплетные уровни.

Оказалось, что первое электронно-возбужденное синглетное состояние имеет преобладающий характер п->л*. Величина силы осциллятора для этого перехода составляет 0,039. Таким образом, вероятность его заселения непосредственно в результате поглощении фотона невысока, однако его присутствие отмечается на спектрах поглощения раствора ДМХ в некоторых неполярных растворителях.

Второе электронно-возбужденное синглетное состояние по характеру является я—>л*. Высокое значение силы осциллятора этого перехода равное 1,005 а, следовательно, и большое значение коэффициента молекулярной экстинкции, позволяет предположить, что именно он будет реализовываться при поглощении фотона молекулой ДМХ.

В некоторых случаях флуоресцентный зонд ДМХ после фотовозбуждения переходит в триплетное состояние. Спектры фосфоресценции зонда, полученные при температуре жидкого азота в гексане, не только доказывают вероятность этого перехода, но и позволяют оценить энергетические характеристики триплетного уровня. В этой связи, синглет триплетный переход ДМХ исследовался дополнительно. Результаты расчетов показали, что первое

триплетное состояние расположено по энергии ниже синглетных и имеет характер л—»л*.

Также был выполнен поиск геометрий, соответствующих минимумам на ППЭ я*), '(я, я*) и 3(я, л*) состояний. Поиск этих точек на поверхности ППЭ необходим по двум причинам: во-первых, близость поверхностей потенциальной энергии различных состояний в минимуме одного из них позволяет предположить возможный путь релаксации возбужденного состояния молекулы, во-вторых, представляется возможность оценить энергию излучательных процессов, ответственных за флуоресценцию и фосфоресценцию зонда, и, таким образом, сопоставить результаты теоретических расчетов с экспериментальными данными. Значения энергий и дипольных моментов в оптимальных геометриях основного и нижних электронно-возбужденных состояниях приведены в таблице 2.

Таблица 2. Дипольные моменты и энергии относительного основного состояния в геометриях, отвечающих минимума на ППЭ соответствующих возбужденных состояний,

изолированной молекулы ДМХ.

Основное состояние '(я,**) 3(тс, л*)

ДЕ, эВ 0 1,8 3,2 2,0

Дипольный момент, Д 5,5 2,0 17,1 8,9

Как видно из таблицы 2 , возбужденному состоянию синглетного '(я, я*) уровня соответствует высокая величина дипольного момента, что объясняется значительным вкладом структуры с переносом заряда (рисунок 2а) в общую волновую функцию этого состояния. В пользу такого объяснения свидетельствует уменьшение пирамидализации диметиламиногруппы и изменения в сторону альтернации С-С связей в полиеновой цепи. Анализ геометрии молекулы позволяет предположить, что '(п, я*) состояние в молекуле ДМХ проявляет характер бирадикала (рисунок 26). Так, при образовании бирадикала происходит резкое увеличение длины связи

карбонильной группы. В пользу этого свидетельствует также альтернация порядка двойных и одинарных связей.

Рис. 2.Возможные структуры изолированной молекулы ДМХ в возбужденных состояниях:

а) '(л, л*), 6) '(п, к*).

В геометрии молекулы ДМХ оптимальной для '(я, я*) состояния диэдральный угол <р между плоскостями, в которых лежит диметиламиногруппа зонда и остальная часть молекулы, составляет 0°. Иными словами, диметиламиногруппа зонда находится в плоскости остальной части молекулы. Ранее в ряде исследований предполагалось, что флуоресцентные свойства флуорофоров, сходных по структуре с молекулой мембранного зонда ДМХ, во многом определяются подвижностью диметиламиногруппы и существованием твист-конформеров. Для проверки гипотезы о существовании устойчивой конфигурации с поворотом диметиламиногруппы в '(я, л*) возбужденном состоянии была проведена серия оптимизаций геометрий с зафиксированными значениями угла ср в промежутке от 0° до 90°. Вычислив энергии вертикальных переходов на нижние электронно-возбужденные синглетные и основное состояния в каждой геометрии и приняв за ноль наименьшую абсолютную энергию основного состояния, можно получить зависимость энергии основного и нижних возбужденных синглетных состояний от угла <р (рисунок 3).

Е, эВ Л

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

Чя,**)

п*)

ее

22,5

45

67,5

90 (р, град

Рис. З.Зависимость энергии основного и нижних возбужденных синглетных состояний от угла ф для изолированной молекулы ДМХ.

Как видно из графика, при увеличении угла (р наблюдается возрастание энергий как основного, так и возбужденных состояний. При повороте диметиламиногруппы на 90° энергии основного, '(п, я*) и '(я, я*) состояний повышаются на 0,2 эВ, 0,1 эВ и 0,4 эВ соответственно. Таким образом, возбужденные состояния молекулы ДМХ с выходом диметиламиногруппы из плоскости молекулы не являются устойчивыми. Кроме того, оптимизация геометрии ДМХ при старте из точки с перпендикулярной ориентацией диметиламиногруппы без фиксации координат приводит ДМХ в исходное плоское состояние, что свидетельствует об отсутствии другого минимума.

Для того чтобы предположить возможные варианты пути релаксации зонда после фотовозбуждения в каждой из четырех геометрий, соответствующих минимумам ППЭ основного, '(п, л*), '(л, я*) и 3(л, л*) состояний, были рассчитаны энергии вертикальных переходов на остальные три состояния, и построена структура ППЭ четырех исследуемых электронных состояний молекулы ДМХ (рис. 4). На рисунке белыми точками обозначены положения глобальных минимумов ППЭ, а черными — точки, полученные при расчете энергий вертикальных переходов. Расстояния между точками по вертикали соответствуют энергии, а горизонтальные расстояния выбраны произвольно.

Рис. 4. Структура основного и нижних электронно-возбужденных электронных уровней изолированной молекулы ДМХ. Белыми точками обозначены положения глобальных минимумов на ППЭ, а черными — точки, полученные при расчете энергий вертикальных переходов.

Как отмечалось выше, при поглощении фотона молекула ДМХ переходит в возбужденное '(ге, л*) состояние. В результате этого возбуждения дипольный момент зонда возрастает с 5,5 до 16,8 Дебай. Далее, в процессе релаксации структуры в геометрию, оптимальную для !(я, л*) состояния, дипольный момент ДМХ возрастает всего до 17,1 Дебай. Как видно из рисунка 4, непосредственно вблизи минимума ППЭ состояния '(я, я*) проходит терм '(п, я*). Разница энергии этих уровней составляет лишь ^1=0,14 эВ. В результате такой близости двух термов происходит быстрое и эффективное заселение '(п, л*) состояния (внутренняя конверсия).

В дальнейшем, в процессе релаксации структуры молекулы по ППЭ '(п, я*) состояния, происходят существенные преобразования геометрии — изменяются углы и длины связей (см. таблицу 4), а дипольный момент ДМХ

падает до 2,0 Дебай. В районе минимума ППЭ терм '(п, л*) пересекается с ППЭ триплетного уровня 3(я, я*) - полученная методом Ш-СС2 разница энергий составляет Д£2=0,13 эВ. Вычисление при помощи метода С1 в пакете Мо1рго спин-орбитального матричного элемента гамильтониана между состояниями '(п, п*) и 3(я, я*) дает результат 1,5 см"1. В таких случаях интеркомбинационная конверсия может протекать достаточно эффективно.

Таким образом, результаты расчетов показывают, что в молекуле ДМХ после первоначального акта электронного возбуждения на уровень '(л, л*) в результате эффективного каскада переходов '(я, я*)—>'(п, я*)—>3(я, я*) достаточно быстро происходит заселение нижнего триплетного 3(я, я*) уровня. По экспериментальным оценкам, полученным в последнее время, зонд ДМХ переходит в нижнее триплетное состояние за несколько пикосекунд.

В четвертой главе рассматриваются различные комплексы ДМХ с молекулами воды, и доказывается, что образование комплекса с одной или двумя молекулами воды, координированными по кислороду карбонильной группы ДМХ, приводит к повышению квантового выхода флуоресценции.

Для анализа оптических параметров флуоресцентных меток и зондов часто исследуют зависимости этих параметров от свойств растворителя. Наблюдаемые закономерности параметров флуорофора позволяют выявить универсальные физические механизмы, основанные на диполь-дипольной теории взаимодействия. В некоторых растворах, однако, наблюдаются существенные отклонения от такого универсального характера влияния среды на флуорофор. В этих случаях принято считать, что молекулы флуорофора образуют специфические комплексы с молекулами растворителя. Такие комплексы возможны только между определенными химическими группами молекул флуорофора и его окружения.

При образовании подобных комплексов значительный вклад в межмолекулярное взаимодействие вносит стерический фактор, т.е. особенности структуры исследуемой молекулы флуорофора. Этот вклад трудно оценить

экспериментально, поэтому в данной работе сделана попытка оценить роль специфических взаимодействий зонда ДМХ и его окружения с помощью квантово-химических методов.

У молекулы ДМХ есть несколько участков доступных для образования устойчивой водородной связи с молекулой воды: кислород карбонильной группы ДМХ (рисунок 5а, обозначим такой комплекс 10) и азот диметиламиногруппы (рисунок 56, комплекс Кроме того, карбонильная группа ДМХ может образовывать сразу две водородных связи (рисунок 5в, комплекс 20).

>

J

Рис. 5.Возможные комплексы ДМХ с молекулами воды: а) комплекс с одной молекулой воды, координированной по кислороду карбонильной группы ДМХ, б) комплекс с одной молекулой воды, координированной по азоту диметиламиногруппы, в) комплекс с двумя молекулами воды, координированными по кислороду ДМХ.

Для всех устойчивых комплексов ДМХ с водой были найдены геометрии, отвечающие минимумам ППЭ как основного, так и нижних возбужденных синглетных и триплетного состояний. Кроме того, была определена природа возбужденных уровней в геометриях, отвечающих минимуму ППЭ основного

состояния. Оказалось, что у комплекса характер возбужденных уровней совпадает с характером уровней изолированной молекулы ДМХ: нижний возбужденный синглетный терм имеет природу п—>п*, а верхний — п—>л*. А у комплексов 10 и 20, наоборот, нижний возбужденный синглетный уровень имеет природу л—»л:*, а верхний — п—ж*.

В таблице 4 приведены рассчитанные дипольные моменты комплексов, в геометриях, отвечающих минимумам ППЭ основного и нижних возбужденных электронных состояний. Высокое значение величины дипольного момента для состояния \тс, л*), по-видимому, свидетельствует о том, что в этом состоянии происходит внутримолекулярный перенос заряда, как описано ранее. Образование комплекса между молекулой воды и азотом диметиламиногруппы ДМХ существенно уменьшает величины дипольных моментов как в основном, так и в возбужденных состояниях. В то же время, гидратирование карбонильной группы ДМХ одной, и особенно двумя, молекулами воды увеличивает дипольный момент.

Таблица 4. Дипольные моменты комплексов (Дебай) в конфигурациях, отвечающих основному и возбужденным состояниям для различных молекулярных комплексов ДМХ и

воды.

Основное состояние тс*) 3(тс, тс*)

ДМХ 5,5 17,1 2,0 8,9

1ы 3,5 16,3 2,2 6,2

1о 5,5 17,2 2,3 9,8

2о 9,0 20,5 5,9 13,4

Проведенные расчеты позволили предложить упрощенную схему поверхностей потенциальных энергий основного и нижних электронно-возбужденных состояний для всех комплексов (рисунок 6).

Е, эе

4-

3-

0-

3-

1 -

0-

'(я-п*)

05

Рис. 6.Условная схема ППЭ нижних электронных уровней молекулы ДМХ в вакууме (а) и ее комплексов с различной координацией молекул воды: б - в - 10, г - 2о-

Для комплекса (рис. 66) относительное расположение ППЭ нижних электронно-возбужденных состояний сходно с расположением ППЭ нижних электронно-возбужденных состояний изолированной молекулы ДМХ в вакууме (рис. 6а) и, следовательно, процесс релаксации комплекса 1ц будет схож с релаксацией изолированной молекулы ДМХ: после фотовозбуждения в результате эффективного каскада переходов '(я, я*)—»'(п, л*)—»3(я, л*) быстро происходит заселение нижнего триплетного 3(я, я*) состояния.

Для комплекса 10 (рис. 6в) в геометрии, соответствующей минимуму ППЭ основного состояния, нижним возбужденным синглетным состоянием становится '(я, я*), но глобальный минимум на ППЭ '(п, я*) состояния находится ниже глобального минимума на ППЭ '(я, я*) состояния. Таким образом, после поглощения фотона комплекс 10 переходит в '(я, я*) состояние. Далее, в результате колебательной релаксации он может попадать в минимум на ППЭ '(я, л*), и оттуда становится возможной флуоресценция, либо из-за того, что вблизи минимума ППЭ '(^ я*) состояния проходит терм (п, я*) становится возможной безызлучательная релаксация на синглетный (п, л*) уровень и дальнейшая колебательная релаксация в минимум ППЭ. Вблизи

минимума ППЭ '(п, я*) происходит пересечение с термом 3(я, я*) и возможна эффективная интеркомбинационная конверсия.

У комплекса 20 (рис. 6г) состояние '(я, я*) расположено ниже '(п, я*) во всех исследованных геометриях. Это позволяет предположить, что после фотовозбуждения происходит релаксация в минимум ППЭ '(я, я*), в котором комплекс может находиться достаточно долго, и вероятность излучательного перехода в основное состояние (флуоресценции) высока.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что изменение относительного расположения возбужденных уровней молекулы ДМХ происходит при координации первой и второй молекул воды по кислороду карбонильной группы. Образование комплекса с молекулой воды по атому азота ДМХ не изменяет структуру возбужденных уровней.

В пятой главе излагаются результаты проведенного моделирования молекулярной динамики изолированной ДМХ и ее комплексов с молекулами воды, и предлагается объяснение высокого квантового выход флуоресценции ДМХ в ригидных средах.

Образование водородных связей в неполярном окружении приводит к инверсии электронно-возбужденных '(я, я*) и '(п> я*) уровней, что приводит к увеличению квантового выхода флуоресценции ДМХ. Однако из экспериментальных данных известно, что в водном растворе квантовый выход ДМХ оказывается близким к нулю. Кроме того, в чистых апротонных растворителях квантовый выход флуоресценции ДМХ монотонно растет с увеличением полярности окружения до некоторого предела, а затем начинает снижаться. Такая зависимость может объясняться наличием конкурирующего с флуоресценцией процесса безызлучательной релаксации возбужденного состояния ДМХ, скорость которого резко возрастает с увеличением полярности. В данной части работы была осуществлена проверка этой гипотезы при помощи метода моделирования молекулярной динамики.

Для изолированной молекулы ДМХ, комплекса ДМХ с одной (комплекс 10) и двумя молекулами воды (комплекс 20), координированными по кислороду карбонильной группы, производился расчет 100 траекторий молекулярной динамики длиной 500 фс каждая, с шагом 0,5 фс. Начальные условия для каждой из траекторий были различны и определялись при помощи процедуры Монте-Карло из распределения Вигнера для нулевого колебательного уровня основного состояния многомерного гармонического осциллятора. Для моделирования взаимодействия со средой использовалась процедура термостатирования Андерсена с интервалом времени 5 фс и температурой 300 К. Расчет потенциальной энергии межатомного взаимодействия осуществлялся при помощи метода ТББРТ с функционалом ЬЪ-1ур.

Для оценки кинетического параметра перехода молекулярной системы из первого возбужденного в основное состояние использовались вероятности этого перехода, вычисляемые на каждом шаге интегрирования квантово-механических амплитуд, характеризующих нахождение системы в различных электронных состояниях. Начальный участок кривой распада возбужденного состояния можно построить, определив временную зависимость вероятности Рп перехода в основное состояние (заселенность основного состояния) после N шагов молекулярной динамики:

Здесь /э, — вероятности неадиабатического перехода в основное состояние на каждом шаге молекулярной динамики. Вероятность для ансамбля траекторий находится путем усреднения вероятности по траекториям. Поскольку время моделирования значительно меньше характерного времени распада возбужденного состояния т0, полученная временная зависимость вероятности близка к прямой, являющейся касательной к экспоненте распада в точке (=0.

Тангенс наклона этой прямой tg(<p) =—, откуда можно оценить характерное

тч

время распада возбужденного состояния путем релаксации в основное.

На рисунке 7 приведены графики временной зависимости заселенности основного состояния при неадиабатическом переходе с первого возбужденного состояния. Показаны результаты для изолированной молекулы ДМХ и ее комплексов с одной и двумя молекулами воды.

Рп

Рис. 7. Временные зависимости заселенности основного состояния (полученные усреднением по 100 индивидуальным траекториям) для изолированной молекулы ДМХ и ее комплексов с одной и двумя молекулами воды.

Данные, полученные для изолированной молекулы ДМХ, значительно отличаются от результатов для комплексов зонда с молекулами воды. Вероятность неадиабатического перехода составила всего 1,6-10"3 за 0,5 пс. Постоянная времени этого процесса была оценена путем линеаризации кривой на участке от 50 до 500 фс и составила 350 пс. Ранее было показано, что для изолированной молекулы ДМХ характерное время конкурирующего процесса интеркомбинационной конверсии с уровня '(п, я*) на 3(я, я*), составляет всего около 7 пс, поэтому можно считать, что в этом случае моделируемый канал безызлучательной релаксации имеет лишь второстепенное значение.

Для обоих комплексов молекулы ДМХ с водой нижним возбужденным является синглетный '(я, я*) уровень. Триплетный уровень 3(п, я*) в этом случае расположен выше по энергии и интеркомбинационная конверсия невозможна. Поэтому для комплексов зонда с молекулами воды депопуляция

нижнего синглета осуществляется в результате двух параллельных процессов: излучательного и безызлучательного.

Как видно из графика, за время наблюдения 0,5 пс для комплексов 10и 20 величины вероятности заселения основного состояния оказались близкими — 5,5-10"3 и 6,2-10"3 соответственно. Постоянная времени безызлучательного перехода, рассчитанная для комплексов ДМХ с одной и двумя молекулами воды путем линейной аппроксимации на участке от 50 фс до 500 фс составила соответственно 96 пс и 86 пс.

Для выявления факторов, определяющих эффективность безызлучательного перехода, исследовалась связь величины вероятности со структурными параметрами молекулы ДМХ. Анализ проводили на выборке из ансамбля конформеров, полученных в процессе молекулярно-динамического моделирования. Оказалось, что изменение длин С-С связей, входящих в полиеновую цепочку, достаточно сильно влияет на вероятность перехода Я,—(на рис. 8 кружками изображена такая зависимость для одной из С-С связей полиеновой цепи), в то время как большинство остальных геометрических параметров практически не коррелируют с вероятностью перехода (на рис. 8 треугольниками показана типичные такая зависимость).

Р, Ю-6 А

20

о

10 -

* © 4 ¿©д«лвд Л

©

©Полиеновая цепь © Д Остальные связи

-.-

-02 -0Л 0 0,1 0,2

Рис. 8.Зависимость средней вероятности неадиабатического перехода от отклонения длин различных связей от равновесного значения, построенная для ансамблей молекулярных конформаций, полученных при движении системы по 100 независимым траекториям

комплекса 1о-

Наиболее яркой оказалась зависимость вероятности безызлучательного перехода от скорости изменения геометрических параметров молекулы ДМХ. Причем, эта зависимость отличается для изолированной молекулы зонда и двух исследованных комплексов с молекулами воды. Как следует из результатов, показанных на рис. 9, вероятность безызлучательного перехода для комплексов 10 и 20 всегда выше, чем для изолированной молекулы ДМХ.

Р, 10-6

Рис. 9.3ависимость средней вероятности неадиабатического перехода от изменения длины одной из С-С связей в полиеновой цепи за один шаг молекулярной динамики.

Таким образом, в основе механизма безызлучательной релаксации (внутренней конверсии) флуоресцентного зонда лежит колебательная подвижность полиеновой цепи его молекулы. Этот участок сопрягает донорную и акцепторые субъединицы молекулы и является ключевым звеном, ответственным за квантовый выход флуоресценции зонда. Возможно, деформация именно этого участка молекулы ДМХ может в значительной степени определять эффективность безызлучательной релаксации. Эта гипотеза подтверждается экспериментальными данными: в ригидных средах, ограничивающих колебания молекулы зонда, скорость безызлучательной релаксации молекулы ДМХ существенно снижается. Вероятно, именно с этим связан высокий квантовый выход флуоресценции - 0,6, в то время как в жидких средах (органических растворителях), его величина не превышает 0,2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Теоретическая модель процессов фотовозбуждения и релаксации, построенная квантово-химическими методами, позволила доказать, что причиной низкого квантового выхода флуоресценции ДМХ в неполярном окружении является высокая эффективность процесса интеркомбинационной конверсии.

Впервые показано, что образование комплекса с одной или двумя молекулами воды, координированными по кислороду карбонильной группы ДМХ, приводит к повышению квантового выхода флуоресценции за счет изменения характера первого возбужденного синглетного состояния.

При помощи методов молекулярной динамики установлено, что неадиабатическое вибронное взаимодействие первого возбужденного синглетного и основного состояний молекулы ДМХ обусловлено колебаниями атомов полиеновой цепи. Это взаимодействие в комплексах ДМХ с молекулами воды ведет к внутренней конверсии с характерным временем порядка 100 пс.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Romanov A.N., Gularyan S.K., Polyak В.М., Sakovich R.A., Dobretsov G.E., Sarkisov O.M. Electronically excited states of a membrane fluorescent probe 4-dimethylaminochalcone. Results of quantum chemical calculations // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2011. — V. 13. — N. 20. — P. 9518-9524.

2. Сакович P.A., Поляк Б.М., Гуларян C.K., Романов А.Н., Светличный В.Ю., Саркисов О.М. Взаимодействие мембранного флуоресцентного зонда 4-диметиламинохалкон с гидроксильными группами окружения: квантово-химическое моделирование // Известия Российской Академии Наук. Серия Химическая. — 2013. — N. 5. — С. 1142-1154.

3. Сакович Р.А., Романов А.Н., Гуларян С.К., Поляк Б.М., Шмаков П.А., Гостев Ф.Е., Шелаев И.В. Когерентное управление процессами релаксации возбужденного состояния в молекуле флуоресцентного зонда 4-диметиламинохалкона. Квантово-химическое моделирование // Вычислительные методы и программирование. — 2013. — Т. 14. — С. 432-437.

4. Polyak В.М., Sakovich R.A., Gularyan S.K., Romanov A.N., Isakova S.I. Modeling processes of non-radiative relaxation of electronically excited states of fluorescent probe 4-dimethylaminochalcone with non-adiabatic molecular dynamics И Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. — 2014. — V. 278. — P. 89-96.

Заказ № 58-Р/08/2014 Подписано в печать 22.08.14 Тираж 100 экз. Усл. пл. 1,2

ООО "Цифровичок", г. Москва, Большой Чудов пер., д.5 тел. (495)649-83-30 )) www.cfr.ru ; e-mail: zakpark@cfr.ru