Cząsteczki i światło

Jacek Waluk

Instytut Chemii Fizycznej PANKasprzaka 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

Absorpcja

Emisja

Rozpraszanie

Oddziaływanie promieniowania z materią

Promieniowanieelektromagnetyczne

Stany wzbudzone

Przejścia promieniste: fluorescencja (F) i fosforescencja (P)

Przejścia bezpromieniste: konwersja wewnętrzna (IC), przejście międzysystemowe (ISC), fotochemia

Diagram Jabłońskiego

Xie

Dynamika zaniku stanów wzbudzonych: możliwość śledzenia

najszybszych reakcji chemicznych

Femtochemia

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)

Obrazy fluorescencjitrzech różnie zorientowanych cząsteczek

H H

N N

NN

t-Bu t-Bu

t-Bu 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 Msilne laserowe wzbudzenie > kW/cm2

stosowanie obiektywów o dużej aperturze numerycznejczułe detektory

W eksperymencie z pojedynczymi obiektamipoznajemy rzeczywisty rozkład wartościposzukiwanego parametru

50%

0O 90O

= 0O

= 90O

= 45 O

W pomiarze klasycznym poznajemy tylkośrednią wartość poszukiwanego parametru

Dlaczego warto badać pojedyncze cząsteczki ?

50%

Alexa Fluor488-labelled biotinylated DNA (P. Stockley and A. Smith)

Sekwencjonowanie DNA

Spektroskopia ramanowskapojedynczych cząsteczek

SERRS (wzmocniona powierzchniowo rezonansowa spektroskopia ramanowska)

Widma Ramana pojedynczych cząsteczek porficenuosadzonych na nanocząstkach Au (293 K)

H DPc-d0 Pc-d12

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!

Nowe źródła światła

Fotowoltaika

Elektrochemiluminescencja

OLEDy

Luminescencja nowych chromoforów

Sondy fluorescencyjne

Philips

NAE –najważniejsze wyzwanie dla

inżynierów 21-go wieku: ekonomiczna energia słoneczna

Plazmonika

cząsteczka+

cząsteczka

wzb

udze

nie

elektron +

Fotokataliza

BioEcotech Official Website

www.morleyglass.co.uk

Diagnozowanie i leczenie chorób nowotworowych

Fototerapia dynamiczna

Terapia fotodynamiczna

S0

S1

1O2

3O2

T1

Fotouczulacz Tlen

F

ET

N

N

N

NN

N

N

NH

HHH

1 2

• 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

Idealna substancja do zastosowania w terapii fotodynamicznej:

Widma fluorescencji oraz SERRS (zielone) leku przeciwnowotworowegomitoxantronu zmierzone wewnątrz pojedynczej komórki nowotworowejprzy zastosowaniu mikroskopu konfokalnego. Obrazy widm fluorescencji

i Ramana umożliwiają określenie lokalizacji leku. Wykorzystano rysunekze 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