СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОАКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНЫ
|
Реферат
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Литературный обзор 5
1.1 Основные спектральные понятия и закономерности 5
1.1.1 Поглощение и люминесценция 5
1.1.2 Спектроскопическое проявление процессов поглощения и люминесценции 7
1.2 Структура и свойства объектов исследования 12
1.2.1 Структурные и физико-химические свойства производных сульфаниламида 12
1.2.2 Особенности молекулярного строения и оптических свойств дипиррометенов ..13
1.3 Применение в биологии и медицине 15
1.3.1 Лекарственная терапия производными сульфаниламида 15
1.3.2 Нелекарственные способы применения антибиотиков на основе сульфаниламида
и проблема их поиска в пищевых продуктах 15
1.3.3 Флуоресцентные маркеры на основе комплексов дипиррометенов 17
1.3.4 Фотодинамическая терапия на основе комплексов дипиррометенов 18
1.3.5 Оптическая сенсорика химических веществ комплексами дипиррометенов 19
2 Объекты и методы 20
2.1 Объекты исследования 20
2.1.1 Сульгин 20
2.1.3 Дипиррометеновые комплексы 21
2.2 Методы исследования 22
2.3 Методика исследования 22
2.3.1 Регистрация спектров поглощения 23
2.3.2 Регистрация спектров люминесценции 24
3 Результаты и обсуждение 27
3.1 Исследование спектрально-люминесцентных свойств сульгина 27
3.1.1 Спектры поглощения и флуоресценции 27
3.1.2 Тушение флуоресценции Метиленового синего в присутствии сульгина 30
3.2 Спектрально-люминесцентные свойства дипиррометеновых комплексов 36
3.2.1 Электронные спектры поглощения и флуоресценции при комнатной температуре 36
3.2.2 Спектроскопия долгоживущего излучения 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
ВВЕДЕНИЕ 3
1 Литературный обзор 5
1.1 Основные спектральные понятия и закономерности 5
1.1.1 Поглощение и люминесценция 5
1.1.2 Спектроскопическое проявление процессов поглощения и люминесценции 7
1.2 Структура и свойства объектов исследования 12
1.2.1 Структурные и физико-химические свойства производных сульфаниламида 12
1.2.2 Особенности молекулярного строения и оптических свойств дипиррометенов ..13
1.3 Применение в биологии и медицине 15
1.3.1 Лекарственная терапия производными сульфаниламида 15
1.3.2 Нелекарственные способы применения антибиотиков на основе сульфаниламида
и проблема их поиска в пищевых продуктах 15
1.3.3 Флуоресцентные маркеры на основе комплексов дипиррометенов 17
1.3.4 Фотодинамическая терапия на основе комплексов дипиррометенов 18
1.3.5 Оптическая сенсорика химических веществ комплексами дипиррометенов 19
2 Объекты и методы 20
2.1 Объекты исследования 20
2.1.1 Сульгин 20
2.1.3 Дипиррометеновые комплексы 21
2.2 Методы исследования 22
2.3 Методика исследования 22
2.3.1 Регистрация спектров поглощения 23
2.3.2 Регистрация спектров люминесценции 24
3 Результаты и обсуждение 27
3.1 Исследование спектрально-люминесцентных свойств сульгина 27
3.1.1 Спектры поглощения и флуоресценции 27
3.1.2 Тушение флуоресценции Метиленового синего в присутствии сульгина 30
3.2 Спектрально-люминесцентные свойства дипиррометеновых комплексов 36
3.2.1 Электронные спектры поглощения и флуоресценции при комнатной температуре 36
3.2.2 Спектроскопия долгоживущего излучения 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 45
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 47
Актуальность темы. Вещества, которые обладают способностью поглощать и излучать видимый свет называется фотоактивными. Высокой фотоактивностью обладают, в частности, сложные органические соединения и их металлокомплексы, которые могут применяться в биологических и медицинских целях.
Примером таких фотоактивных молекул являются соединения природного, полусинтетического или синтетического происхождения - антибиотики. Их предназначение кроется в названии: “анти” - против, “биотик” - жизнь. Соответственно, антибиотики убивают бактерии и микроорганизмы. Но кроме патогенных бактерий, они убивают также и полезную микрофлору в организме. Антибиотики стимулируют отдельные биохимические процессы в организме животных, что приводит к улучшению их общего состояния, ускорению роста, повышению продуктивности, активизации защитных реакций. Поэтому их используют не только для лечения, но и стимулирования роста, откорма животных, повышения их продуктивности. Антибиотики применяют также при консервировании овощей, фруктов, молока, рыбы, мяса, птицы, кормов для животных [1].
Одним из классов антибиотиков является производные сульфаниламида. Данные соединения известны как противомикробные средства [2]. Одним из представителей сульфаниламидов является сульгин. Он используется при лечении бактериальной дизентерии, колита и энтероколита, а также при подготовке к операции на толстой кишке [3]. Также сульгин используется при лечении животных в сельском хозяйстве. Сроки, необходимые для вывода антибиотика из организма животного, часто не выдерживаются, поэтому остаточное количество антибиотиков с едой попадает в организм человека. Помимо того, что антибиотики убивают полезную микрофлору, постоянное их присутствие в организме человека может привести к антибиотикорезистентности. Что является очень опасным явлением как для отдельно взятого человека, так и касательно вопроса о национальной безопасности. Поэтому контроль остаточного количества антибиотиков в продуктах питания так важен.
Другим примером фотоактивных молекул являются дипиррометеновые комплексы. Повышенный интерес к данным соединениям объясняется их уникальными оптическими свойствами. Комплексы дипиррометенов обладают высокой хромофорной активностью в видимой области спектра, их спектрально-люминесцентные характеристики чувствительны к окружению, а также к структуре и положению лиганда [4]. Благодаря этим свойствам они могут использоваться при создании различных оптических устройств для биомедицины [5-7].
На сегодняшний день большинство работ посвящены описанию синтеза дипиррометеновых комплексов [8, 9]. Однако работ, которые были бы направлены на изучение спектрально-люминесцентных свойств этих соединений, мало. Поэтому важно исследовать спектроскопические особенности дипиррометенов и их металлокомплексов, для дальнейшего применения в области биологии и медицины.
В связи с этим целью работы является исследование спектроскопических свойств фотоактивных молекул на примере производных сульфаниламида и дипиррометенов в зависимости от их молекулярной структуры, природы растворителя, температуры окружающей среды методами электронной спектроскопии.
Данная цель требует решения следующих задач:
1. Регистрация спектров поглощения и флуоресценции производного сульфаниламида на примере сульгина, а также смеси метиленового синего и сульгина в воде и этаноле;
2. Построение зависимость интенсивности поглощения метиленового синего от концентрации сульгина;
3. Изучение зависимость тушения флуоресценции метиленового синего сульгином;
4. Регистрация спектров поглощения, флуоресценции и возбуждения флуоресценции цинковых и кадмиевых дипиррометеновых комплексов в широком наборе органических растворителей при комнатной температуре;
5. Регистрация спектров фосфоресценции и возбуждения фосфоресценции при температуре 77К;
6. Измерение и расчет основных спектроскопических характеристик для комплексов дипиррометенов при различных температурах.
Примером таких фотоактивных молекул являются соединения природного, полусинтетического или синтетического происхождения - антибиотики. Их предназначение кроется в названии: “анти” - против, “биотик” - жизнь. Соответственно, антибиотики убивают бактерии и микроорганизмы. Но кроме патогенных бактерий, они убивают также и полезную микрофлору в организме. Антибиотики стимулируют отдельные биохимические процессы в организме животных, что приводит к улучшению их общего состояния, ускорению роста, повышению продуктивности, активизации защитных реакций. Поэтому их используют не только для лечения, но и стимулирования роста, откорма животных, повышения их продуктивности. Антибиотики применяют также при консервировании овощей, фруктов, молока, рыбы, мяса, птицы, кормов для животных [1].
Одним из классов антибиотиков является производные сульфаниламида. Данные соединения известны как противомикробные средства [2]. Одним из представителей сульфаниламидов является сульгин. Он используется при лечении бактериальной дизентерии, колита и энтероколита, а также при подготовке к операции на толстой кишке [3]. Также сульгин используется при лечении животных в сельском хозяйстве. Сроки, необходимые для вывода антибиотика из организма животного, часто не выдерживаются, поэтому остаточное количество антибиотиков с едой попадает в организм человека. Помимо того, что антибиотики убивают полезную микрофлору, постоянное их присутствие в организме человека может привести к антибиотикорезистентности. Что является очень опасным явлением как для отдельно взятого человека, так и касательно вопроса о национальной безопасности. Поэтому контроль остаточного количества антибиотиков в продуктах питания так важен.
Другим примером фотоактивных молекул являются дипиррометеновые комплексы. Повышенный интерес к данным соединениям объясняется их уникальными оптическими свойствами. Комплексы дипиррометенов обладают высокой хромофорной активностью в видимой области спектра, их спектрально-люминесцентные характеристики чувствительны к окружению, а также к структуре и положению лиганда [4]. Благодаря этим свойствам они могут использоваться при создании различных оптических устройств для биомедицины [5-7].
На сегодняшний день большинство работ посвящены описанию синтеза дипиррометеновых комплексов [8, 9]. Однако работ, которые были бы направлены на изучение спектрально-люминесцентных свойств этих соединений, мало. Поэтому важно исследовать спектроскопические особенности дипиррометенов и их металлокомплексов, для дальнейшего применения в области биологии и медицины.
В связи с этим целью работы является исследование спектроскопических свойств фотоактивных молекул на примере производных сульфаниламида и дипиррометенов в зависимости от их молекулярной структуры, природы растворителя, температуры окружающей среды методами электронной спектроскопии.
Данная цель требует решения следующих задач:
1. Регистрация спектров поглощения и флуоресценции производного сульфаниламида на примере сульгина, а также смеси метиленового синего и сульгина в воде и этаноле;
2. Построение зависимость интенсивности поглощения метиленового синего от концентрации сульгина;
3. Изучение зависимость тушения флуоресценции метиленового синего сульгином;
4. Регистрация спектров поглощения, флуоресценции и возбуждения флуоресценции цинковых и кадмиевых дипиррометеновых комплексов в широком наборе органических растворителей при комнатной температуре;
5. Регистрация спектров фосфоресценции и возбуждения фосфоресценции при температуре 77К;
6. Измерение и расчет основных спектроскопических характеристик для комплексов дипиррометенов при различных температурах.
В результате проделанной работы экспериментально изучена спектроскопия фотоактивных молекул на примере сульгина и ряда комплексов дипиррометенов.
Зарегистрированы спектры поглощения и флуоресценции сульгина в воде и этаноле. Исследовано тушение флуоресценции красителя Метиленового синего при добавлении сульгина. Получена линейная зависимость Бугера-Ламберта-Бера для сульгина и смеси сульгин + Метиленовый синий в воде и этаноле.
Зарегистрированы спектры поглощения и флуоресценции галогензамещенных комплексов дипиррометенов в этаноле, изопропаноле, бутаноле и хлороформе при
комнатной температуре, а также спектры фосфоресценции галогензамещенных комплексов дипиррометенов в этаноле, изопропаноле, бутаноле и хлороформе при
температуре 77К.
Рассчитаны и определены основные спектроскопические характеристики для исследованных молекул, а именно: максимумы полос поглощения и люминесценции, молярный показатель поглощения и полуширина основной полосы поглощения, Стоксов сдвиг, квантовые выходы и времена жизни люминесценции, а также сила осциллятора для сульгина в воде.
Выводы:
1. Установлено наличие собственной флуоресценции сульгина в воде с квантовым выходом 0.3.
2. Показано, что добавление красителя Метиленового синего приводит к образованию комплекса с сульгином, что приводит к тушению его флуоресценции. Полученная линейная зависимость оптической плотности поглощения от концентрации сульгина и Метиленового синего является основой для разработки спектроскопического метода по определению остаточного количества антибиотиков в пищевых продуктах.
3. Исследованы спектрально-люминесцентные свойства галогензамещенных дипиррометеновых комплексов цинка и кадмия в зависимости от комплексообразователя, а также от структуры и положения лиганда.
4. Показано, что эффективность флуоресценции существенно уменьшается в полярных растворителях в сравнении с неполярными, что связано с дополнительным специфическим взаимодействием сольватирующих растворителей с фотоактивными молекулами дипиррометенов в возбужденном состоянии при перестройке ближней сольватной сферы. Такие взаимодействия приводят к безызлучательной конверсии и тушению флуоресценции.
5. Установлено наличие долгоживущего излучения с высоким квантовым
выходом и длительным временем жизни триплетных состояний. Полученные данные указывают направление дальнейших исследований процессов взаимодействия дипиррометеновых комплексов с молекулярным кислородом, которые будут являться основой для создания сенсоров на кислород.
При выполнении научно-исследовательской работы был сделан устный доклад на XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (26-29 апреля 2022 г., Томск, Россия), и подана статья в журнал IOP Journal of Physics: Conference Series.
Результаты были получены при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-73-00073.
Зарегистрированы спектры поглощения и флуоресценции сульгина в воде и этаноле. Исследовано тушение флуоресценции красителя Метиленового синего при добавлении сульгина. Получена линейная зависимость Бугера-Ламберта-Бера для сульгина и смеси сульгин + Метиленовый синий в воде и этаноле.
Зарегистрированы спектры поглощения и флуоресценции галогензамещенных комплексов дипиррометенов в этаноле, изопропаноле, бутаноле и хлороформе при
комнатной температуре, а также спектры фосфоресценции галогензамещенных комплексов дипиррометенов в этаноле, изопропаноле, бутаноле и хлороформе при
температуре 77К.
Рассчитаны и определены основные спектроскопические характеристики для исследованных молекул, а именно: максимумы полос поглощения и люминесценции, молярный показатель поглощения и полуширина основной полосы поглощения, Стоксов сдвиг, квантовые выходы и времена жизни люминесценции, а также сила осциллятора для сульгина в воде.
Выводы:
1. Установлено наличие собственной флуоресценции сульгина в воде с квантовым выходом 0.3.
2. Показано, что добавление красителя Метиленового синего приводит к образованию комплекса с сульгином, что приводит к тушению его флуоресценции. Полученная линейная зависимость оптической плотности поглощения от концентрации сульгина и Метиленового синего является основой для разработки спектроскопического метода по определению остаточного количества антибиотиков в пищевых продуктах.
3. Исследованы спектрально-люминесцентные свойства галогензамещенных дипиррометеновых комплексов цинка и кадмия в зависимости от комплексообразователя, а также от структуры и положения лиганда.
4. Показано, что эффективность флуоресценции существенно уменьшается в полярных растворителях в сравнении с неполярными, что связано с дополнительным специфическим взаимодействием сольватирующих растворителей с фотоактивными молекулами дипиррометенов в возбужденном состоянии при перестройке ближней сольватной сферы. Такие взаимодействия приводят к безызлучательной конверсии и тушению флуоресценции.
5. Установлено наличие долгоживущего излучения с высоким квантовым
выходом и длительным временем жизни триплетных состояний. Полученные данные указывают направление дальнейших исследований процессов взаимодействия дипиррометеновых комплексов с молекулярным кислородом, которые будут являться основой для создания сенсоров на кислород.
При выполнении научно-исследовательской работы был сделан устный доклад на XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (26-29 апреля 2022 г., Томск, Россия), и подана статья в журнал IOP Journal of Physics: Conference Series.
Результаты были получены при финансовой поддержке гранта РНФ № 21-73-00073.
