Cząsteczki I światło

Transcript

Cząsteczki i światło Jacek Waluk Instytut Chemii Fizycznej PAN Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa 1019 m (1000 lat świetlnych) 10-5 m (10 mikronów) 1011 gwiazd w naszej galaktyce 1022 gwiazd we Wszechświecie 1016 cząsteczek Oddziaływanie promieniowania z materią Absorpcja Emisja Rozpraszanie Promieniowanie elektromagnetyczne Stany wzbudzone Diagram Jabłońskiego Przejścia promieniste: fluorescencja (F) i fosforescencja (P) Przejścia bezpromieniste: konwersja wewnętrzna (IC), przejście międzysystemowe (ISC), fotochemia Dynamika zaniku stanów wzbudzonych: możliwość śledzenia najszybszych reakcji chemicznych Femtochemia Xie Obserwacja pojedynczych cząsteczek: ostateczna granica czułości chemii analitycznej Techniki obserwacji pojedynczych cząsteczek: Fluorescencja Widma Ramana Mikroskopia: (a) AFM: sił atomowych (b) skaningowy mikroskop tunelowy Mikroskop konfokalny Porównanie obrazów uzyskanych metodami standardowej mikroskopii fluorescencyjnej (u góry) i mikroskopii konfokalnej z przemiataniem wiązki laserowej (u dołu). A: ludzki szpik; B, mięsień królika; C: pyłek słonecznika. Wykorzystano obrazy ze strony sieciowej (http://www.olympusfluoview.com/theory/confocalintro.html „Brainbow”, Jean Livet/Harvard Center for Brain Science (2007) 10 Images That Changed the Course of Science (And One That Is About To) t-Bu t-Bu Obrazy fluorescencji trzech różnie zorientowanych cząsteczek N N H N t-Bu H N t-Bu H. Piwoński, A. Hartschuh, N. Urbańska, M. Pietraszkiewicz, J. Sepioł, A. Meixner, J. Waluk, J. Phys. Chem. A. 2009, 113, 11514 Rejestrowanie sygnału fluorescencji pojedynczych cząsteczek Przygotowanie próbek techniką „rozwirowywania”  cienkie warstwy ~ 20nm  małe stężenie ~10-9 - 10-10 M silne laserowe wzbudzenie > kW/cm2 stosowanie obiektywów o dużej aperturze numerycznej czułe detektory Dlaczego warto badać pojedyncze cząsteczki ? W pomiarze klasycznym poznajemy tylko średnią wartość poszukiwanego parametru = 90O = 45 O = 0O W eksperymencie z pojedynczymi obiektami poznajemy rzeczywisty rozkład wartości poszukiwanego parametru 50% 0O 50% 90O Alexa Fluor488-labelled biotinylated DNA (P. Stockley and A. Smith) Sekwencjonowanie DNA Spektroskopia ramanowska pojedynczych cząsteczek SERRS (wzmocniona powierzchniowo rezonansowa spektroskopia ramanowska) Widma Ramana pojedynczych cząsteczek porficenu osadzonych na nanocząstkach Au (293 K) Pc-d0 H Pc-d12 D Mikroskopia AFM i STM Atomy ksenonu na powierzchni niklu IBM Research (2009) 10 Images That Changed the Course of Science (And One That Is About To) STM: Porficen na powierzchni Cu(110), 5K T. Kumagai, F. Hanke, S. Gawinkowski, J. Sharp, K. Kotsis, J. Waluk, M. Persson, L. Grill, Nature Chemistry 6, 41–46 (2014); Phys. Rev. Lett. 111, 246101 (2013) Światło = energia! Fotowoltaika Nowe źródła światła Luminescencja nowych chromoforów NAE – najważniejsze wyzwanie dla inżynierów 21-go wieku: ekonomiczna energia słoneczna Sondy fluorescencyjne Elektrochemiluminescencja OLEDy Philips Plazmonika wzbudzenie + cząsteczka cząsteczka + elektron Fotokataliza www.morleyglass.co.uk BioEcotech Official Website Diagnozowanie i leczenie chorób nowotworowych Fototerapia dynamiczna Terapia fotodynamiczna Tlen Fotouczulacz S1 F S0 T1 ET 1 O2 3 O2 N H N 1 N N H N N N H H 2 N Idealna substancja do zastosowania w terapii fotodynamicznej: • powinna być jednorodną substancją, a nie mieszaniną (warunku tego nie spełnia Photofrin®, pierwszy zatwierdzony do użytku lek fototerapeutyczny, który jest mieszaniną porfiryn • powinna wykazywać intensywną absorpcję w czerwonej części widma (w porównaniu z porfirynami, widma porficyn przesunięte są ku czerwieni, a ich intensywność jest kilkunastokrotnie wyższa) • powinna charakteryzować się dużą wydajnością tworzenia stanu trypletowego i generowania tlenu singletowego • powinna ulegać selektywnej akumulacji w tkance nowotworowej • nie powinna być toksyczna • powinna być łatwa do syntezy i tania Widma fluorescencji oraz SERRS (zielone) leku przeciwnowotworowego mitoxantronu zmierzone wewnątrz pojedynczej komórki nowotworowej przy zastosowaniu mikroskopu konfokalnego. Obrazy widm fluorescencji i Ramana umożliwiają określenie lokalizacji leku. Wykorzystano rysunek ze strony sieciowej firmy Jobin Yvon. Czujniki fluorescencyjne Sensory - dlaczego fluorescencja? • czułość •selektywność •nieinwazyjność • czas odpowiedzi • koszt • rozdzielczość przestrzenna • stosowanie w terenie • nabór danych na odległość (Niedaleka?) przyszłość Rice University Dziękuję