Svetloba ni nujno (hitri) morilec kemičnih molekul | 2020

Vsebina:

Anonim

Živahne barve nedavno poslikanih zidov bledijo. Škropilnik iz umetne mase je po nekaj mesecih delovanja neuporaben. In v laboratoriju je še en slab dan: meritve ne uspejo, ker se lasersko osvetljene kemijske molekule prehitro razgrajujejo. V vseh teh primerih je faktor, ki je odgovoren za razpad molekul, lahek. Zdaj se lahko čas razpada znatno podaljša - zahvaljujoč raziskavam skupine znanstvenikov z Inštituta za fizično kemijo Poljske akademije znanosti (IPC PAS) v Varšavi na Poljskem, ki jo je vodil prof. Jacek Waluk. Raziskovalcem je uspelo prepoznati glavni mehanizem, ki pospešuje fotodrukturo kemijskih molekul.

"V našem laboratoriju opazujemo posamezne kemijske molekule. Pri tem uporabljamo fluorescenčni mikroskop, pri čemer preučujemo svetlobo, ki jo oddajajo. Glavni problem je življenjska doba delcev: tudi tisti, ki se po nekaj do desetih ali celo desetih ali večkrat razgradijo Torej smo se odločili podaljšati njihovo življenjsko dobo. Prvi korak k temu cilju je moral biti seveda razumevanje glavnega fenomena, ki je odgovoren za uničenje molekul, «pravi prof. Waluk, soavtor članka, objavljenega v Journal of Physical Chemistry Letters .

Da bi bile meritve verodostojne, je potrebno opazovati več do deset tisoč fotonov, ki jih v procesu fluorescence oddaja molekula. Molekula oddaja fotone v vse smeri, vendar se zabeležijo samo tisti, ki potujejo proti detektorjem. To pomeni, da je v času, v katerem aparat zapisuje več ducat tisoč fotonov, molekula od njih oddala približno milijon. V primeru molekul TDI (terilen diimid), ki so jih proučevali pri IPC PAS, je bil kvantni donos fluorescence pribl. 70%. Iz tega sledi, da mora vsaka molekula absorbirati skoraj dva milijona fotonov.

"Vsaka absorpcija fotona povzroči, da molekula vstopi v vzbujeno stanje, ki na splošno poveča njegovo reaktivnost, to je njegovo zmožnost vstopa v kemijske reakcije. Tako vsak absorbirani foton prinaša delce bližje svoji smrti. fotostabilen, če ima 50-odstotno možnost preživetja po absorpciji milijona fotonov, kar v naših razmerah pomeni, da ga lahko opazujemo nekaj sekund, «pojasnjuje prof.

Ključ za izboljšanje fotostabilnosti molekul se je izkazal kot analiza načina njihove priprave za opazovanje pod fluorescenčnim mikroskopom. Postopek se začne s pripravo zelo razredčene raztopine molekul v raztopljenem polimeru. Nato kapljico te raztopine postavimo na mikroskopsko stekelce, ki se nahaja na vrteči se disk. Predenje razprši kapljico preko površine in topilo izhlapi. Na stekelcu ostane tanek sloj polimera, debeline samo 30 nm, skupaj z ujetimi posameznimi molekulami preskusne snovi, ki so velikosti približno en nanometra. Če je bila koncentracija molekul v prvotni raztopini spretno izbrana, bodo posamezne testne molekule postavljene v polimerni film na relativno velikih razdaljah med seboj, reda mikronov (če so bili ljudje porazdeljeni s podobno gostoto, razdalja med sosedi bi bila nekaj kilometrov). Pripravljen drsnik se nato postavi pod mikroskop, kjer se polimerna plast pomakne z ozkim laserskim žarkom s svetlobnim valom izbrane energije, tako da vzbudi preskusne molekule. Vsaka fluorescenca, ki se pojavi na območju, ki je osvetljena, najverjetneje prihaja iz ene same molekule testne spojine.

S kom lahko reagira vzburjena molekula? Od začetka je bil glavni sumljiv kisik, ki se lahko raztopi v polimernih raztopinah. Raziskovalci so zato preučevali učinek sedmih polimerov na življenjsko dobo molekul TDI, vendar niso odkrili povezave med zmogljivostjo za izboljšano raztapljanje kisika in pospešeno fotodestruacijo TDI. Korelacija se je pojavila šele, ko so preučevali učinek hitrosti prehoda kisika skozi plast polimera na testne molekule. Razlike so bile pomembne: polimeri, skozi katere kisik, ki prehaja, počasi jasno povečujejo fotostabilnost molekul. Rekordni polimer, ki se je izkazal za priljubljenega polivinilklorida, bi lahko podaljšal življenjsko dobo molekul celo stokrat. Tudi ta čas se je podaljšal s starostjo polimera. To je bil še en argument v prid ključni vlogi kisika, saj je znano, da kisik prepušča počasneje skozi starejše polimere.

"Prepričani smo, da za pospešeno fotodrukturo naših molekul ni odgovorna samo reakcija molekul s svetlobo, temveč tudi njihova reakcija s kisikom. Vzbujena molekula preide v tehnično znano tripletno stanje. z njim se lahko kombinira tripletni kisik v osnovnem stanju, kisik se aktivira in preide v singletno stanje, singletni kisik pa je izjemno nehranljiv kemični posameznik, ki takoj oblikuje reakcije s čimerkoli, ki je dosegljiv, «pojasnjuje prof.

Rezultati skupine IPC PAS, pridobljene s financiranjem iz poljskega nacionalnega znanstvenega centra, imajo velik praktični pomen. Uporabljeni v laboratorijih, bodo povečali možnosti za raziskovanje posameznih kemijskih molekul z uporabo fluorescentnih metod, kar je več kot 20 let velik izziv. Razumevanje mehanizma fotodestrukcije molekul se bo izkazalo za koristno tudi tam, kjer se vsakodnevni predmeti proizvajajo s sodelovanjem polimerov in barvil. Izbira primernih polimerov, ki ovirajo migracijo kisika, lahko bistveno podaljša življenjsko dobo barvil in življenjsko dobo objekta.