Селективная лазерная спектроскопия биологически активных молекул, принимающих участие в переносе электрона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П. Н. ЛЕБЕДЕВА

на правах рукописи

Дробижев Михаил Анатольевич

УДК .535.34; 535.37,535.21

СЕЛЕКТИВНАЯ ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ, ПРИНИМАЮЩИХ УЧАСТИЕ В ПЕРЕНОСЕ ЭЛЕКТРОНА

(01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998

Работа выполнена в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, ст. науч. сотрудник Сапожников М. Н.

Официальные оппоненты - Доктор физико-математических наук М. В. Фок

Кандидат физико-математических наук Ю. В. Денисов

Ведущая организация - Институт химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

Зашита состоится 1998 г. в часов па заседании

специализированного совета К.002.39.01 при Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН по адресу: 117924, Москва, Ленинский пр. 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН

Автореферат разослан О У 1998 г.

Ученый секретарь Совета кандидат физ.-мат. наук

В. А. Чуенков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Органические молекулы п твердых аморфных матрицах (стеклах и полимерах) имеют широкие, неоднородно уширенные электронные спектры поглощения и люминесценции. Методы селективной спектроскопии -селективное возбуждение люминесценции [1] и выжигание стабильного спектрального провала (ВП) [2,3] были разработаны для исследования однородных спектров молекул и ионов в таких матрицах. Существенный прогресс в развитии этих методов был достигнут благодаря применению лазеров. Методы селективной лазерной спектроскопии позволяют устранить неоднородное уширение спектров путем селективного возбуждения центров, энергия оптического перехода которых находится в резонансе с монохроматическим излучением лазера. Однородный спектр при низких температурах состоит из узкой: бесфоноиной линии (БФЛ) и более широкого фоногаюго крыла (ФК). Этот спектр содержит информацию о взаимодействии молекулы с окружением (электрон-фопонпое взаимодействие), о частотах колебаний и фотофизических параметрах самой молекулы, о фононном спектре матрицы и др.

Биологические системы, участвующие в наиболее важных процессах биосинтеза и метаболизма, принципиально гетерогенны. На молекулярном и надмолекулярном уровне к таким системам относятся белки, нуклеиновые кислоты, их агрегаты, мембраны. Их нормальное функционирование при взаимодействии с низкомолекулярными соучастниками ферментативных процессов обеспе'гавается наличием определенной достаточно гибкой структуры.

Методы селективной лазерной спектроскопии все больше применяются в настоящее время для исследования различных молекул, находящихся в биологическом окружении [4]. Эти исследования показывают, что белковое окружение хромофора гораздо ближе по своим свойствам к стеклам и небиологичеекпм полимерам, чем к кристаллам. В связи с этим, стеклообразные и полимерные матрицы могут служить хорошей моделью для неоднородного биологического окружения.

Одной из важнейших первичных биохимических реакций является перенос электрона. Донорами или акцепторами электрона часто выступают молекулы с сопряженной системой связей порфириновой структуры (гем цитохрома, хлорофилл и др.).

Фотоиндуцировашп.ш перенос электрона играет также ключевую роль в медицинских применениях порфирнновых молекул. Было замечено, что после введения порфиринов в организм, они преимущественно накапливаются в опухолях. При облучении видимым светом клетки, содержащие молекулы порфиринов, ра5рушаются. Это явление получило название фотодинамического эффекта и нашло применение в фототерапии опухолей. Молекулярные механизмы такого действия в настоящее время интенсивно изучаются.

В светособирающих антеннах фотоаштезирующих клеток молекулы хлорофилла участвуют в переносе энергии электронного возбуждения к реакционному центру, где происходит реакция первичного разделения зарядов.

Биологические полимеры и агрегированные системы являются, как правило, иизкоразмерными (одно- ми двухмерными). Механизмы переноса энергии и электрона в пизкоразмерных системах интенсивно изучаются в настоящее время.

Б-сть предположения, что в реакциях переноса электрона с участием белков, и в транспорте биохимической энергии па большие расстояния вдоль биополимера

существенную роль играют автолокализованные состояния типа поляронов Ландау -Пекара [6], и одномерных давыдовских солитонов [7], соответственно.

Методы селективной лазерной спектроскопии, первоначально разработанные для одиночных молекул, в последнее время всё шире применяются для исследования динамики и механизмов переноса электронных возбуждений в протяженных молекулярных системах [8,9].

Метод ВП имеет некоторые преимущества по сравнению с методом селективного возбуждения люминесценции. Он позволяет легко исследовать узкие БФЛ, находящиеся в резонансе с возбуждающим лазерным излучением. Кроме того, он позволяет исследовать туннельные фотохимические процессы, происходящие в замороженных матрицах с очень низкими квантовыми выходами.

В данной диссертации, поэтому, большинство исследований проведено методом ВП. Особое внимание уделено исследованию кинетнкн ВП, которая позволяет не только определить параметры однородного спектра (ширину БФЛ, фактор Дебая-Валлера и др.), но и измерить скорость фотоиндуцированной реакции, а также получить информацию о механизме ВП.

Целью работы было исследовать процессы переноса электрона и релаксации электронных возбуждений, происходящие в биологических системах, однако на более простых, модельных системах. В частности, изучить перенос электрона от неорганического аниона к двухзарядному катиону протолорфирипа (ДП) в замороженной аморфной матрице, взаимодействие молекулы порфирина с модельной биологической мембраной, динамику электронных возбуждений в квазиодномерных молекулярных агрегатах и полимерах.

Основные новые научные результаты:

1. Получены аналитические выражения для изменения площади, глубины и ширины провала в процессе выжигания в предельных случаях узкой и широкой (по сравнению с БФЛ) лазерной линии. В случае сопоставимых ширин лазерной и бесфононной линий предложен метод определения однородной ширины БФЛ и квантового выхода выжигания, исходя из кинетики выжигания провала. Получены аналитические выражения для роста глубины провала и падения интегральной интенсивности БФЛ в спектре люминесценции при наличии дисперсии скоростей фотореакции. С помощью этих выражений выявлена связь между типом кинетики и механизмом выжигания провала для ряда систем.

2. Впервые осуществлено выжигание провала в спектре двухзарядного катиона протопорфирина и исследован его механизм.

3. Измерены параметры однородных спектров (ширины БФЛ, факторы Дебая-Валлера), и температурные зависимости ширин провалов для двухзарядного катиона протопорфирина и катионных полиметиновых красителей 3,3'-диокгадецнлтиадикарбоцианина тетрафторобората (РУ'ОС) и 3,3',9-триэтил-5,5'-дихлоротиакарбоцианина иодида (71)С) в аморфных матрицах.

4. Получено и исследовано методами селективной лазерной спектроскопии новое химическое соединение - гидроиодированный двухзарядный катион протопорфирина.

5. Измерены скорости переноса электрона от неорганических анионов на двухзарядный катион протопорфирина в различных матрицах методом выжигания провала. Обнаружено, что закон кинетики выжигания зависит от пространственного распределения доноров вокруг акцептора. Получены параметры туннелировшшя электрона в этой реакции (фактор Франка-Коидона и обменный электронный матричный элемент).

6. Методом селективного возбуждения люминесценции определена глубина тропикновсния молекулы диацетата гематопорфирина в модельную биологическую мембрану, что может пролить свет на молекулярные механизмы фотодинамической терапии.

7. В случае 1-агрегатов полиметиновых красителей показано, что эелаксированными люминесхшрующими состояниями явдяются эвтопокапизованные жситоны большою радиуса.

8. Впервые при комнатной температуре осуществлено селективное ¡озбуждсгшс люминссценщш полимерной пленки, для которой получена частота юкализации, ниже которой возбуждении являюгся локализованными экситонами.

Защищаемые положения

1. Впервые осуществлено выжигание провала в спектрах дзухзарядного сатиона протопорфирина в аморфной матрице, определены параметры однородного ;пектра, а также измерен квантовый выход выжигания.

2. Показано, что провал в спектре двухзарядного катиона протопорфирина :ыжигается в результате переноса электрона от противоиона на молекулу юрфирина.

3. Определена глубина проникновения биологически активной молекулы -[иацетата гематопорфирина в модельную биологическую мембрану методом елективного возбуждения люминесценции.

4. Для 1-агрегатов полиметиновых красителей показано, что елаксировашчыми люминесцирукнцими состояниями являются автолокализовашше кситоны большого радиуса.

5. Для тонкой пленки полифеннлена обнаружен эффект селективного озбуждения люминесценции при комнатной температуре и определена частота окализации, при возбуждении ниже которой возбуждения являются неподвижными окализовашн>1ми экситонами.

Практическая иетюстъ. Исследованная фотохимическая реакция осстановления кислых форм порфиринов может быть использована в медицине, нание спектрально-люминесцентных свойств полимерной пленки поли(р-фенилена) ожег быть использовано при разработке электролюминесцентных устройств, злучающих в синей области спектра (светоизлучающие диоды, плоские дисплеи).

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 30 зботах и представлены на:

4-й Европейской Конференции по Спектроскопии Биологических Молекул -СЭВМ) (Йорк, Англия, 1991),

б-й Европейской Конференции по Спектроскопии Биологических Молекул ^С8ВМ) (Вильнёв д' Аск, Франция, 1995),

Международной конференции по люминесценции (Москва, 1994),

1-й Международной Конференции "Свет в Организованных Молекулярных истемах" (ЕигоН^э-1) (Салоники, Греция, 1994),

2-й Международной Ншпшювской Конференции (ОР1М-94), (Сепдай, Япония,

'94),

1-й Международной Конференции по Экситонным Процессам ' в энденсированных Средах (Дарвин, Австралия, 1995),

2-й Международной Конференции по Экситонным Процессам в энденсированных Средах (Гохриш, Германия, 1996),

3-м Симпозиуме Общества по Исследованиям Материалов "Электрические, ггтические и Магнитные Свойства Органических Твердых Тел" (Бостон, США, '95),

2-й Международной Конференции "Свет в Организованных Молекулярных Системах" (Еиго^Ы:з-2) (Левей, Бельгия, 1995), Международной Конференции по Люминесценции (Прага, Чехия, 1996).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, двух приложений и списка литературы из наименований. Материал диссертации изложен на/5£ страницах текста и иллюстрирован ^рисунками.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проводится литературный обзор основ метода ВП. Проведен также анализ литературных данных, который позволил нам выявить определенную связь между механизмом и ишетикой ВП.

Стабильный провал в спектре поглощения появляется после облучения твердого раствора молекул или ионов (преимущественно при низких температурах) монохроматическим лазерным излучением. ВП обусловлено определенным изменением химических связей или более слабых взаимодействий в системе растворенное вещество - матрица, которое характеризуется сдвигом спектра поглощения и не требует больших плотностей мощности облучения. Спектральная форма провала отражает вид однородного спектра поглощения примеси.

Независимо от конкретного механизма фотопревращения, ВП можно использовать как эффективный метод исследования уширения БФЛ в кристаллических и аморфных матрицах.

В п. 1.1. рассматриваются основные механизмы уширения бесфоноююго провала, обусловленные, в частности, уширением БФЛ. Кроме уширения БФЛ и квантового выхода выжигания, метод ВП позволяет определить величину линейного электрои-фононного взаимодействия (фактор Дебая-Валлера). В п. 1.2. рассматривается кинетика выжигания полного провала (с учетом ФК).

В п. 1.3 рассматриваются различные механизмы ВП. Исходя из общих соображений, реакции в замороженных при низких температурах твердых матрицах ограничены туннелированием тяжелых частиц - атомов или групп атомов на небольшие расстояния (порядка межатомных) или туннелированием легкой частицы - электрона на существенно большие расстояния. Механизмы ВП принято подразделять на фотохимические и нефотохимические. При фотохимическом ВП происходят изменения в структуре самой молекулы (или иона), а при нефотохимическом - изменения в структуре непосредственного окружения молекулы после ее электронного возбуждения (перестройка молекул растворителя, изменеие водородных связей между ними). В случае фотохимического ВП спектр фотопродукта как правило не попадает в неоднородно уширенную полосу поглощения исходного вещества. В случае нефотохимического ВП - спектр фотопродукта распределен внутри нее.

Механизмы ВП в спектрах порфиринов достаточно разнообразны. К внутримолекулярному фотохимическому механизму, связанному с изменением химических связей внутри самой молекулы относят перемещение двух центральных атомов водорода к соседним (третичным) атомам азота внутри тетрапиррольного кольца, т. е. поворот двух N-11 связей на 90° (Л'Я-таугомеризации) в молекуле свободного основания порфина и ряда его производных при однофотонном возбуждении [10]. К фотохимическому ВП приводит также перенос электрона в донорно-акцепторной паре или ионизация молекулы с последующим захватом электрона какой-либо примесью или растворителем. При этом провал может выжигаться в спектре донора электрона при его двухфотонном возбуждении. К

таким системам относятся, в частности, производные 2п- и СЛ-тетрабензпорфиринов в полиметилметакрилате в присутствии хлороформа в качестве акцептора [11].

Было обнаружено также ВП в спектре металлопорфирина, выступающим в качестве акцептора электрона при его однофотогаюм возбуждении. Донором в этом случае являлся димерный анион-радикал пиридина [12].

В случае металлопорфиринов в отсутствии доноров электрона механизм ВП состоит либо в разрыве одной водородной связи металл - (^//-группа растворителя [13].

В п. 1.4 проанализирована связь между кинетикой ВП и механизмом фотопревращения. В стеклах, образованных замороженными органическими растворителями, кинетика нефотохимического ВП бездисперсионная, в то время, как в полимерных матрицах - дисперсионная. Различное поведение молекул, подверженных нефотохимическому ВП в органических растворителях и полимерах обусловлено, по нашему мнению, различной локальной структурой окружения в этих двух случаях.

В реакциях переноса электрона в одних случаях наблюдается кинетика, описывающаяся набором скоростей, а в других - единственной скоростью, в зависимости от того, является перенос туннельным (с разбросом параметров туннелирования) или надбарьерньш.

Таким образом, если в случае нефотохимического ВП существует довольно четкая связь между типом кинетики и типом матрицы, то в случае фотохимического ВП каждая конкретная реакция требует особого рассмотрения.

Во второй главе проводится математическое описание кинетики ВП.

В большинстве работ по математическому описанию кинетики выжигания бесфононного провала считалось, что спектральная ширина лазерной линии гораздо меньше ширины однородной БФЛ в спектре поглощения и поэтому лазерная линня в расчетах считалась дельта-функцией. Однако, в экспериментах часто применяются лазеры с ширинами линий излучения порядка 0.01 - 1 см"1, которые примерно равны однородным ширинам БФЛ или превышают их. В п. 2.1 получены аналитические выражения для роста глубины, ширины, площади провала в процессе выжигания в предельных случаях узкой и ширикой (по сравнению с БФЛ) лазерной линии. В случае сопоставимых ширин лазерной пинии и БФЛ предложен метод определения однородной ширины БФЛ и кваотового выхода выжигания.

В п. 2.2. предложены простые (не использующие компьютерной подгонки параметров) методы определения фактора Дебая-Валлера в двух частных, но экспериментално часто реализуемых случаях (больших и малых а), когда обычный метод неприменим.

В п. 2.3 рассматривается влияние . разброса (дисперсии) скоростей фотопреврещания на вид кинетической кривой роста глубины провала или падения интегральной интенсивности одной из вибронных БФЛ люминесценции в процессе выжигания бесфононного провала.

В третьей главе описываются биологические, фотохимические и спектральные свойства молекул порфиринов, в особенности исследованных нами их катионных форм.

В кислой среде свободное основание порфирина присоединяет один или два протона, превращаясь в однозарядный гаи, соответствешю, двузарядный катион. Интересно, что межклеточная жидкость опухолевой ткани в организме обладает повышенной кислотностью (рН 5.8 -7.2), чем, по-видимому и объясняется предпочтительная локализация порфиринов в опухоли [14]. Относительная концентрация однозарядных и двухзарядных катионов при указанных значениях рН

зависит, судя по литературным данным, от степени агрегации, типа порфирит, присутствия поверхностно-активных веществ и др.

В данной диссертации исследованы реакции переноса электрона с участием ДП методом ВП (Гл. 4, 5), а также определена локализация нейтрального диацетатгематопорфирина в модельной биологической мембране (Гл. 6). Для сравнения было также исследовано ВГ1 в спектрах полиметиновых красителей, происходящее по нефотохимическому механизму (Гл. 4).

На основе литературных данных [15], первую стадию реакции переноса электрона на ДП в замороженной матрице с добавкой неорганической кислоты можно представить в виде:

Н2{Н*\П + А--^Нг{Н%П" +А' (1) ;

где Я2(Я+)гЯ обозначает двухзарядный катион порфирина, А ' - неорганический анион. Эта реакция интересна с биологической точки зрения, поскольку получающийся, например, в ее результате атомарный хлор С/" является химически активным и способен вызвать нарушения в структуре биомембраны.

Известно, что в неполярном растворителе (хлороформе) при комнатной температуре отрицательно заряженные ионы галогена расположены над и под плоскостью порфиринового кольца на главной оси симметрии молекулы на определенном расстоянии от центра симметрии и связаны с пиррольными атомами азота водородными связями. В более полярном этанольном растворе ионы связаны с молекулой порфирина, по-видимому, кулоновским взаимодействием. Этот факт был доказан с помощью "эффекта тяжелого атома" [16]. Таким образом, в рассматриваемой реакции (1), протекающей в замороженной этанояьной матрице, донором электрона выступает осевой лигапд, расположенный на фиксированном известном расстоянии от акцептора.

Исходя из известных из литературы параметров системы (энергий сродства к электрону реагентов, эффективных радиусов ионов, расстояния между реагентами и др.), мы оценили изменение свободной энергии Д<3 в реакции переноса электрона (1) в замороженной спиртовой матрице. В отличие от жидкого раствора, в замороженной матрице перестройка окружения не успевает произойти за характерные времена переноса электрона (10"5 - 103 с). Вследствие этого продукты реакции оказываются неравновесно сольватировшшыми. Поэтому для расчета была использована теория полярона, развитая Пекаром для взаимодействия электрона с поляризованным им самим ионным кристаллом и ее расширение на растворы [17]. Расчет для переноса электрона внутри хлорида ДП дает при триплетном возбуждении А С - - 0.15 + 0.05 эВ, а при синглетном возбуждении АО - -0.55 ± 0.05 эВ.

В четвертой главе рассмотрены кинетические и температурные особенности ВП в спектрах поглощения ДП и полиметиновых красителей в стеклообразных матрицах.

Исследоватк отношения площадей бесфононного провала и псевдофононного крыла в зависимости от времени позволило определить фактор Дебая-Валлера в случае ДП в этанольной матрице при температуре 6 К: а = 0.83.

При ВП в спектре полиметшювого красителя ОТОС с коротковолновой стороны от бесфононного провала наблюдается увеличение поглощения по сравнению с исходным, обусловленное фотопродуктом. Поскольку спектр фотопродукта распределен внутри неоднородной полосы исходного вещества, то провал скорее всего выжигается по нефотохимическому механизму. Для оценки фактора Дебая-

Валлера для ИТБС в стеклообразной матрице этанол-этиленгликоль (4:1) была исследована кинетика падения интенсивности флуоресценции в процессе ВП. Используя модельные расчеты, мы определили фактор Дебая-Валлера для этой системы: а = 0.23.

Таким образом, несмотря на то, что ДП и £>ГОС являются катионами, а растворитель способен образовывать водородные связи, факторы Дебая-Валлера сильно отличаются. Это может быть связано с тем, что молекулы ДП и полиметинового красителя принадлежат к разным грушам симметрии. Другим отличием является механизм ВП. В случае полиметинового красителя он является нефотохимическим, а в случае ДП - фотохимическим (см. ниже).

Для определения параметров БФЛ исследовалась кинетика выжигания бесфоношюго провала в спектрах пропускания ДП в замороженной этанольной матрице с добавкой НС/. Были проведены два типа экспериментов, отличающиеся условиями выжигания. В первом случае использовались образцы с оптической плотностью Ой = 0.6 - 0.9 и лазер на красителе ЛЖИ-504 с шириной линии генерации (полная ширина на высоте е"') 8 я 0.9 см"1. Во втором случае использовались образцы . с оптической плотностью ОИ - 0.1 - 0.2 и лазер на красителе 01-699-21с шириной линии генерации 5 ~ 0.2 см"1.

Зависимости параметров провалов от времени в обоих случаях хорошо описываются модельными функциями, полученными в Гл. 2. Из этих зависимостей найдены константа скорости выжигания и истинная ширина БФЛ при температуре выжигания.

Из найденной константы скорости выжигания для ДП, известного сечения поглощения молекулы и других измеренных нами параметров был оценен квантовый выход фотореакщш : <р ~ 10"5 - 10"4.

Температурная зависимость ширины провала для ДП (при I —> 0, I—> 0) подчиняется хорошо известному степенному закону, обнаруженному для многих примесных молекул в стеклах и связанному со' взаимодействием примесной молекулы с двухуровневыми системами стекла (Г// = 2АТ13, в нашем случае А = 0.036 спГ'К'1'3) и (или) со спектральной диффузией (Гя сс Г ).

Температурное уширение провала для полиметинового красителя ТВС (при Г 0, У-> 0) описывается функцией у(Т) = С' ехр(-1ш /квТ) + А'с А'= 0.032 ± 0.005 см"'/К'3, со = 17 ± 2 см"1 и С'= 2.7 ± 0.5 см"1.

Таким образом, коэффициенты взаимодействия электрон-двухуровневая система стекла для катиоиного полиметинового красителя и ДП оказались близки. Сравнение с литературными данными для других молекул показало, что на температурное уширение провала влияет не столько структура и форма молекулы, сколько, по-видимому, ее заряд, наличие которого увеличивает силу взаимодействия молекулы с окружением.

Изложенные в пятой главе экспериментальные исследования направлены, в основном, на подтверждение и конкретизацию механизма переноса электрона, приводящего к ВП в спектре поглощения ДП.

Исследование спектров поглощения и селективно возбуждаемой люминесценции кислых солей протопорфирина в этаноле с добавками НС1, НВг, ¡11, Нг ¿'О4, ШОз (рН 2) показало, что эти спектры при гелиевых температурах практически не зависят от химического состава добавки. Это свидетельствует об отсутствии водородных связен кислотных остатков с молекулой ДП.

При использовании Н1 в виде добавки к этанольному раствору протопорфирина нами был обнаружен интересный эффект. После 3-4 процедур замораживания (до 77К) - оттаивания такого раствора спектр поглощения ДП

смещается на 10 нм в коротковолновую область. Мы считаем, что при охлаждении раствора ДП с добавкой HI происходит реакция присоединения (гидроиодирования) к двум вшшльным заместителям по молекуле Ш (с преобразованием двойной связи С=С в одинарную), т.к. сдвинутый на 10 нм спектр поглощения соответствует порфиринам без винильных заместителей. Кроме того это подтверждается изменениями в селективно возбуждаемых спектрах флуоресценции - сдвигом частоты колебания, связанного с винильными заместителями, <о = 612 см"' до 573 см" 1 при включении в них тяжелых атомов 1.

Рассмотрим возможные механизмы ВП в случае ДП. Очевидно, что для ДП механизм таутомеризации, установленный для свободных оснований порфиринов, не работает. Двухквантовый механизм с переносом электрона от ДП также маловероятен, т. к. наши эксперименты показывают, что скорость ВП линейно зависит от интенсивности излучения. Однако, остается вероятность пефотохимического механизма или перестройки водородных связей. Для выяснения этого вопроса была исследована возможность ВП в спектре молекулы с очень близкой структурой, находящаяся в том же окружении. В качестве такой молекулы была выбрана порфометеновая структура HiH*UH} исходного двухзарядного катиона протопорфирина Ihilf )гЯ, получаемая из него путем фотовосстановления при комнатной температуре. Облучение линиями аргонового лазера 488 нм и 514 нм (попадающими, соответственно, в коротковолновую и длинноволновую области чистоэлектронной полосы поглощения) дозами, соответствующими насыщенному провалу в случае ДП, не приводило к появлению провала. Из этого можно сделать вывод, что соединение H$lf llth не подвержено ВП. Фотохимического выжигания в результате фотовосстановления не происходит, поскольку в замороженном растворе ДП Moiyr присоединить до двух электронов, а ЯзЯ*Я//3 уже является более глубоко восстановленным соединением исходного Ihiftyjl. Невозможность нефотохимического ВП, по-видимому, объясняется отсутствием атома металла в исследуемой молекуле, который, как считается [13] играет основную роль в нефотохимическом ВП в металлопорфиринах. Поэтому, мы полагаем, что ВП в ДП, обусловлено фотопсреносоы электрона на молекулу, который был доказан в случае нссслективиого возбуждения [15].

Исследование зависимости скорости и глубины выжигания от длины волны внутри неоднородно уширенной полосы поглощения' ДП показало, что максимумы полосы поглощения и "полосы выжигания " не совпадают.

Этот эффект связан с тем, что в неоднородной полосе поглощения скрыты два неразрешимых с помощью обычной спектроскопии перехода - 0, и Qy. Выжигание же провала возможно лишь в низкочастотном переходе Qx. Таким образом, метод ВП позволяет разрешать электронные переходы, скрытые внутри неоднородной полосы поглощения.

Исследование кинетики ВП (регистрируемой по падению интегральной интенсивности одной из БФЛ флуоресценции) в этаноле с добавкой HCl и в концентрированной серной кислоте подтверждает механизм выжигания - перенос электрона от противоиона иа порфирин. В случае этанольной матрицы с добавкой HCl кинетическая кривая имеет два участка, причем каждый участок описывается бездисперсионной модельной функцией. Это подтверждает представление о том, что в донорно-акцепторном комплексе ионы хлора находятся на фиксированном расстоянии от центра порфириновой молекулы в этанольном растворе. Два участка кинетической кривой соответствуют, по-видимому, реакциям с участием дихлорида и монохлорида ДП, скорости которых сильно различаются.

В стеклообразной концентрирсванной серной кислоте кинетика выжигания является одностадийной с существенной дисперсией скоростей по сравнению с этапольными растворами. Это связано с тем, что в котщентрированной серной кислоте из-за большей диэлектрической проницаемости и большей концентрации доноров (анионов), последние распределены случайным образом вокруг акцептора.

Метод ВП позволил исследовать также такой тонкий эффект, как распределение противоинов вокруг акцептора. Для этого были проведены "циклические эксперименты" для этанольных растворов с добавками Ш, НС! и НВг. Вначале регистрировалась кинетика ВП при температуре 5К. Затем образец нагревался до 60К и вновь охлаждался до 5К. При этом провал полностью стирается Зятем снова регистрировалась кинетика выжигания и цикл повторялся снова. Первая кинетическая кривая описывается в рамках моноэкспоненциальной реакции, т. к. доноры расположены на определенном расстояшш от акцептора. С увеличением номера цикла дисперсность кинетики увеличивается, причем наибольшее изменение вида кривой происходит после первого цикла, а нормированная на интенсивность облучения средняя скорость выжигания уменьшается. Это связано, по нашему мнению, с тем, что при надевании образца до 60К инншшруется перенос электрона, присоединившегося к порфирину во время ВП, на более глубокие удаленные ловушки в результате чего провал стирается, В следующем цикле выжигания донорами электрона являются ионы галогена из "ионной атмосферы", расположенные случайным образом и на больших расстояниях от акцептора, что и приводит к уширению функции распределения и уменьшению средней скорости реакции.

Для определения параметров электронного туннелирования в исследуемой реакции была измерена зависимость скорости переноса от экзотермичности реакции с помощью набора анионов (С/ ', Вг " и / ), обладающих разной энергией связи внешнего электропа. Было обнаружено, что квантовый выход ВП довольно слабо зависит от типа противоиона. Это можно объяснить, если предположить, что фотофизическая релаксация и фотохимтеская реакция определяются одним и тем же процессом, а именно - переносом электрона. (В случае фотофизической релаксации, однако, образуется лишь короткоживущее состояние с переносом заряда, которое распадается на исходные частицы в основном состоянии). Скорость переноса электрона рассчитывалась из экспериментально измеренных квантовых выходов ВП, и скоростей релаксации возбужденных состояний, измеренных при низкой температуре в работе [16]. № зависимости скорости переноса от экзотермичности реакции был оценен фактор Хуан - Риса для переноса электрона: 5 = 15 ± 2 для синглетного и 51 = 29 ± 13 для триплетаого возбуждения и электронный обменный матричный элемент: V ~ 0.5 см"1 и V ~ 0.02 см"1, соответственно. Оба найденные значения неплохо согласуются с литературными данными для туннелирования электрона в молекулярных системах.

В шестой главе исследована глубина проникновения свободного основания диацетата гематопорфирина в модельную бислойную мембрану лецитиновых липосом методом селективного возбуждения люминесценции. Метод определения глубины проникновения молекулы в бислой основан на сравнении спектров селективно возбуждаемой люминесценции в мембране и в ряде органических растворителей, моделирующих различные возможные микроокружения внутри мембраны.

Сравнение спектров селективно возбуждаемой люминесценции показывает, что положения максимумов БФЛ практически не меняются в различных растворителях, а распределение интенсивности и соотношение интенсивностей БФЛ и фотонного

пьедестала меняется. Вариации распределений интенсивностей БФЛ в спектрах отражает небольшие сдвиги максимумов спектров поглощения порфиринов в различных растворителях. Контраст БФЛ относительно фона отражает величину электрсн-фононного взаимодействия Спектр диацетатгематопорфирина в мембране наиболее близок к спектру в изопропаноле. Если сделать условную привязку по величине диэлектрической проницаемости, то с - 15 (для изопропанола при комнатной температуре) соответствует глубине проникновения не глубже полярной головки липидов. Однако, более уверенно можно говорить о том, что порфирин не погружается в область углеводородных "хвостов" липидов (глубина < 15 А).

В седьмой главе изложены исследования агрегированных и полимерных молекулярных систем методами селективной лазерной спектроскопии. Интересной модельной системой для исследования динамики возбуждений в протяженных молекулярных системах низкой размерности являются ,1-агрегаты полиметипоаых красителей. Фундаментальные возбуждения в ,1-агрегатах являются экситонами Френкеля. Несмотря на возрастающий интерес к Д-агрегатам, некоторые важные вопросы оптики этих систем остаются открытыми. В частности, не выяснена природа люминесцирующих состояний и механизм релаксации экситонов, приводящий к появлению стоксова сдвига люминесценции агрегатов. В принципе возможны несколько механизмов: перенос энергии возбуждения между различными сегментами цепи (или разных цепей), релаксация по уровням экситонной зоны (при возбуждении несколько выше дна экситонной зоны, что возможно при наличии статического беспорядка), автолокализация экситона за счет экситон-фононного взаимодействия. В случае автолокализации стоксов сдвиг должен быть связан с величиной экситон-фононного взаимодействия. Дм проверки такой зависимости мы рассмотрели ./-агрегаты двух тиакарбоцианиновьгх красителей: 3,3',9-триэтшт-5,5'-дихлоротиакарбоцианина иодида (ТОС) и 3,3'-дисульфопропил-9-этил-5,5'-дихлоротиакарбоцианина триэтиламмония (ТН1АТ,5). Агрегаты этих красителей имеют стоксовьг сдвиги Ж отличающиеся при 6 К в 4 раза: ¿5' =100 см"1 (ТОС) и = 25 см"1 (ТН1А ТК) Величина стоксовых потерь Яц* может быть найдена независимо из температурного уширсния линии люминесценции. Оказалось, что стоксов сдвиг пропорционален величине что свидетельствует о существенной роли экситон-фононного взаимодействия в образовании стоксова сдвига.

Мы обнаружили возможность ВП в спеюрах поглощения агрегатов ТОС и 'ГШАТБ. При Т< 10 К ширина провала Гн практически не зависит от температуры и равна (вблизи максимума полосы поглощения) 3.3 см"1 для ТОС и 2.4 см1 для ТШАПИ. Эти ширины определяются скорее всего спонтанным излучением низкочастотного фонона (20 - 25 см"1), а не релаксацией в основное состояние. Процесс излучения фонона в случае ТОС и ТШАТБ можно рассматривать как первый шаг перехода экситона в автолокализованное состояние.

Еще одно подтверждение эффекта автолокалгаации в ^агрегатах можно получить, если рассмотреть зависимость стоксова сдвига от параметра экситон-фононного взаимодействия g (равного отношению энергии релаксации решетки при полной локализации на одной молекуле 5' к полуширине экситонной зоны В). Эта зависимость сильно отличается для решеток различной размерности. Величины g были получены нами (с точностью до постоянного множителя) из низкотемпературного предела ширин провалов (наши данные) и времен затухания фотонного эха (литературные данные). Полученная зависимость ЯЯ (нормированного на полуширину экситошюй зоны) от g (рис. 1) близка к квадратичной, что является

отличительной особенностью автолокализованных экситонов большого радиуса в одномерных системах [18].

Другими исследованными нами системами были полимеры с сопряженными двойными связями, которые привлекают большой интерес в настоящее время как с точки зрения природы и динамики их элементарных возбуждений, так и с точки зрения использования их в электролюминесцентных приборах.

Селективная лазерная спектроскопия является, по-видимому прямым методом, позволяющим в некоторых случаях установить природу возбуждений (связанные зкситоны или электроны в зоне проводимости) и таких системах. Действительно, при возбуждении полимера излучением с частотой выше некоторой пороговой частоты цж, спектр люминесценции не зависит от частоты возбуждения, однако если частота возбуждения v« < v ь* , то спектр люминесценции смещается вслед за частотой возбуждения [8] так же, как в случае невзаимодействующих молекул. При низкочастотном возбуждении релаксация в более низкие состояния не успевает произойти за время жизни экситона (электрона), поскольку плотность состояний с энергией ниже энергии возбуждения очень мала. Люминесценция происходит в этом случае (после колебательной релаксации) из того же состояния, которое было возбуждено. Если область в которой наблюдается смещение спектра люминесценции при сканировании частота возбуждения захватывает некоторый пик в спектре поглощения, то этот пик можно отнести к неподвижному связанному экситону.

Существенными отличиями наших экспериментов, с поли(пара-фениленом), от аналогичных, проведенных на других полимерах [8], являются: (1) исследование очень низкочастотного хвоста неоднородного спектра поглощения и (2) наблюдение эффекта селекции при комнатной температуре. Возбуждение линиями аргонового лазера в далеком низкочастотном хвосте спектра поглощения приводит к смещению максимумов ц.т спектра люминесценции в низкочастотную область при уменьшении частоты возбуждения до тех пор пока лазерная линия не "наезжает" на соответствующий максимум (рис. 2). При возбуждении в высокочастотной области кеш не зависят от частоты возбуждения. Точка пересечения линейного участка зависимости i'eni от vex с прямой vm - const, дает v^ = 22400 см"1 (-2.7с, относительно максимума 0-0 перехода).

В заключении отметим, что результаты, полученные методом селективно возбуждаемой люминесценции показывают, что в полимерах с сопряженными двойными связями возбуждения, имеющие энергию ниже некоторой частоты v!oc являются связанными нейтральными локализованными экситонами.

В восьмой главе описаны основные эюсперименталышы установки и методы получения некоторых химических веществ, использованных в работе.

В Приложении 1 приводится вычисление параметров функции Фойгга, аппроксимирующей провал в спектре поглощения на разных стадиях выжигания.

В Приложении 2 произведена оценка борновского радиуса, потенциала ионизации и сродства к электрону ДП из квантовохимических расчетов и электрохимических данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен новый метод определения истинной ширины бесфононной линии н квантового выхода выжигания провала при различных соотношениях спектральных ширин бесфононной и лазерной линий.

2. Впервые осуществлено выжигание провала в спектрах двухзарядното катиона протопорфирина в аморфной матрице, определены параметры однородного спектра и исследован его механизм.

4. Методом селективного возбуждения люминесценции определена приблизительная глубина проникновения диацетата гематопорфирина в модельную биологическую мембрану-

5. В случае J-агрегатов полиметиновых красителей показано, что релаксированными люминесцируюгцими состояниями являются автолокализованные экситоиы большого радиуса.

6. Впервые при комнатной температуре осуществлено селе£т5шцсе возбуждение люминесценции полимерной пленки, для которой получена частота локализации, ниже которой возбуждения являются локализованными экситонами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Денисов Ю.В., Кизель В.А. Опт. и спектр., 1967, 23, 472 .

2. Гороховский А .А., Каарли Р.К., Ребане JIA. Письма в ЖЭТФ, 1974, 20,474.

3. Kharlamov В.М., Personov R.I., and Bykovskaya L.A. Opt. Commun., 1974,12. 191.

5. Friedrich J. Methods in Enzimology, Ed. S. Kenneth, San Diego etc.: Academic Press,

1995, vol. 246, Ch. В 10, p. 226.

6. Лахно В.Д., Чуев Г.Н. УФН, 1995, Ж, 285.

7. Давыдов А.С. Солитоны в молекулярных системах.- Киев: Наукова думка, 1988.

8. Bassler Н. In: Optical Techniques to Characterize Polymer Systems. Studies in Polymer

Science 5, II Bassler, Ed., Amsterdam: Elsevier, 1989, p 181.

9. Hirschmann R., and Friedrich J. J. Chem. Phys., 1989, 91, 7988.

10. VOlker S. In: Relaxation Processes in Molecular Excited States., Ed. J. FUnfschilling, -

Dordrecht etc.: Kluwer, 1989. p. 113. 11: Коротаев O.H., ДонскойЕ.И., Глядковский В.И. Опт. и спектр., 1985, 59, 492.

12. Маслов В.Г. Опт. и спектр., 1977, 43, 388.

13. Platenkamp R.J.- Mol. Phys., 1982, 45, 113.

14. Brault D., Vever-Bizet Ch., and Le Doan T. Biochim. Biophys. Acta: Biomembranes,

1986. 857.238.

15. Сидоров A.H., Холмогоров B.E. Биофизика, 1969, 14, 819.

16. Градюшко A.T., Кшокшто В.Н., Соловьев К.Н., Цвирко М.П. ЖПС, 1975,23,444. . 17. Stein G. and Treinin A. Trans. Faraday Soc., 1959, 55, 1086.

18. Sumi H. and Sumi A. J. Phys. Soc. Jpn., 1994, 63, 637.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Дробижев М.А., Новиков А.В., Сапожников М.Н. Кинетика выжигания и температурные свойства провалов в спектре поглощения протопорфирина в аморфной матрице,- Краткие сообщения по физике, ФИАН, 1988, № 11, с. 26 - 29.

2. Дробижев М.А., Новиков А.В., Сапожников М.Н. Кинетика фотовыжигания провалов в спектрах поглощения молекул в матрицах.- Препринт ФИАН, 1989, № 79, Москва, с. 1 - 34. (Drobizhev М.А., Novikov A.V., and Sapozhnikov M.N. Kinetics of Photochemical Hole Burning in the Absorption Spectra of Molecules in Matrices.- J. Sov. Laser. Res., 1990, vol. 11, pp. 377 - 391.)

3. Drobizhev M.A. and Sapozhnikov M.N. Photoinduced Electron Transfer in the System Modelling Photosynthesys: Protoporhyrin EX Dication — Inorganic Anion, Studied by Photochemical Hole Burning.- Royal Soc. Chem., Spec. Publ., 1991, vol. 94, pp. 457 -458.

4. Алфимов М.В., Барачевекий В.А., Дробижев М.А., Новиков А.В., Сапожников М.Н., Сломинский Ю.Л., Чудинова Г.К. Выжигание фотохимического провала в спектре поглощения полиметинового красителя - ДАН, 1992, т. 324, № 1, с. 91 - 95.

5. Drobizhev М.А. and Sapozhnikov M.N. Investigation of Electron Tunneling Transfer Mechanism in a Biological System by Laser Spectral Hole Burning.- J. Sov. Laser Res., 1993, vol. 14, No. 6, pp. 438 - 460.

6. Дробижев M.A., Новиков A.B., Сапожников M.H. Влияние конечно» спектральной ширины лазерной линии на кинет ику выжигания стабильного провала в спектре поглощения примесного центра.- Краткие сообщения по физике ФИАН, 1993, №7,8, с. 13-18.

7. Дробижев М.А., Сапожников М.Н. Селективное возбуждение флуоресценции и выжигание провалов в спектре гидроиодировапного порфирина.-Краткпе сообщения по физике ФИАН, 1993, № 7,8, с. 37 - 42.

8. Drobizhev М.А. and Sapozhnikov M.N. Investigation of Dispersive Kinetics of Spectral Hole Burning.- J. Sov. Laser Res., 1993, vol. 14, pp. 1-15.

9. Варнавский О.П., Витухновский А.Г., Дробижев M.A., Новиков А.В., Сапожников М.Н. Исследование молекулярных J-агрегатов производного тиакарбоцнашша методом выжигания спектрального провала.- Краткие сообщения по физике ФИАН, 1994, № 1,2, с. 72 - 79.

10. Drobizhev М.А. and Sapozhnikov M.N. A Relationship Between the Kinetics of Persistent Spectral Hole Burning and its Mechanism. Experiments with Porphyrin Dications.- Chem. Phys. Lett., 1995, vol. 236, pp. 438 - 444.

11. Drobizhev M.A. and Sapozhnikov M.N. Localization of Hematoporphyrin Diacetate in Membranes of Lecithin Liposomes by Fluorescence Line Narrowing.-Proceedings of the 6th European Conference on Spectroscopy of Biological Molecules, 1995, pp. 537-538.

12. Drobizhev M.A., Novikov A.V., Sapozhnikov M.N., Vamavsky O.P., Vitukhnovsky A.G., and Ushomirsky M.N. A Comparative Study of Temperature Broadening of Spectral Holes Burnt in Monomer and J-aggregates Absorption Bands of Thiacarbocyanine Dye.- Chem. Phys. Lett., 1995, vol. 234, pp. 425 - 430.

13. Drobizhev M.A., Sapozhnikov M.N., and Kobriansky V.M. ...- Electrical, Optical, and Magnetic Properties of Organic Solid State Materials Ш, The MRS Symposium Proceedings Series, vol. 413,, Eds. A. K.-Y. Jen, Ch. Y.-C. Lee, L. R. Dal ton, M. F. Rubner, G. E. Wnek, and L. Y. Chiang, MRS Fall Meeting, Boston, MA, 1995.

14. Drobizhev M.A., Sapozhnikov M.N., Shcheblykin I.G., Vamavsky O.P., Van der Auweraer M., and Vitukhnovsky A.G. Exciton Dynamics and Trapping in J-aggregates of Carbocyanine Dyes.- Pure Appl. Opt., 1996, vol. 5, pp. 569-581.

15. Drobizhev M.A., Sapozhnikov M.N., Vamavsky O.P., Vitukhnovsky A.G., and Schreiber M. Self-Trapping of Exitons in One-Dimensional Molecular J-aggregates.-Excitonic Processes in Condenced Matter, Proc. 2nd Int. Conf., Kurort Gohrisch, 14-17 August 1996, Ed. M. Schreiber, Dresden Univ. Press, Dresden, pp. 11-14.

16. Drobizhev M.A., Sapozhnikov M.N., Shcheblykin I.G., Vamavsky O.P., Van der Auweraer M., and Vitukhnovsky A.G. Relaxation and Trapping of Excitons in J-aggregates of a Thiacarbocyanine Dye.- Chem. Phys., 1996, vol. 211, pp. 455-468.

17. Дробижев M.A., Кобрянский B.M., Сапожников М.Н. Селективно возбуждаемая люминесценция полимерной пленки при комнатной температуре.-Письма в ЖЭТФ, 1996, т. 63, в. 3, с. 172-176.

Рис.1. Зависимость стоксова сдвига, нормированного

на полуширину экситонной зоны, от безразмерного параметра эксигон-фононного взаимодействия (см. текст) для ряда агрегированных одномерных систем. Данные для ТВ С и ТШАТБ получены в этой работе, остальные взяты из литературы. Сплошная кривая -наилучшая аппроксимация точек параболой.

V« (10 3 ст)

Рис.2. Завис1мости положения максимума пика люминесценции РРР от частоты возбуждения для синего (квадратики) и красного (кружки) пиков.