Ирина Шепелева:
«Моя работа была посвящена исследованию свойств молекулы, которая в будущем может быть использована как сенсор для определения нитроароматических соединений.
Нитроароматические соединения широко применяются в промышленности, например, в производстве лекарств, красителей, пиротехники или пестицидов. Их большим недостатком является токсичность. Кроме того, они имеют свойство накапливаться в воде или почве; попав в живой организм, они накапливаются в почках, печени или мозге, нарушая работу этих органов. Поэтому очень важно уметь определять наличие нитроароматических соединений в малых количествах до того, как они нанесут урон природе и людям. Арсенал методов для определения нитроароматики довольно велик: это электрохимические, масс-спектрометрические или хроматографические методы. Есть методы с использованием служебных собак. Однако каждый из этих методов ориентирован на обнаружение нитроароматики в одной определенной среде.
Химические сенсоры для определения нитроароматики универсальны и могут применяться во всех средах. Они могут быть интегрированы в различные электронные устройства, поэтому создание химических сенсоров интересно и перспективно.
Заняться изучением этой молекулы мне предложил мой куратор Александр Шокуров, который работал вместе с Кириллом Бириным и Александром Мартыновым из лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН. Коллеги синтезировали новое вещество: диаду, состоящую из двух компонент — имидазопорфириновой и пиреновой. Спектр люминесценции пирена перекрывается со спектром поглощения порфирина, поэтому можно было предполагать, что внутри молекулы существует перенос энергии. В возбужденном состоянии пиреновая компонента релаксирует, передавая энергию на порфириновую, которая после этого испускает свет.
Начиная работу, мы рассчитывали получить рациометрический флуоресцентный сенсор с ослаблением сигнала для определения нитроароматики. По нашим представлениям, пиреновый фрагмент при взаимодействии с молекулой нитроароматики должен был прекратить передачу энергии на порфириновый фрагмент, в результате чего люминесценция последнего ослабнет или совсем прекратится. В ходе экспериментов мы выяснили, что связывание с нитроароматикой приводит к усилению люминесценции пиреновой компоненты и никак не влияет на перенос энергии на порфирин.
Потребовалось понять, почему молекула так себя ведет.
Мы предположили, что в молекуле изначально имело место внутримолекулярное вращение, т. е. процесс, конкурирующий с переносом энергии из одного фрагмента в другой. Взаимодействие с молекулой нитроароматики могло бы блокировать это вращение.
Для моделирования этой ситуации были проведены эксперименты по изучению влияния вязкости растворителя на люминесцентные свойства молекулы, которые гипотезу о внутримолекулярном вращении подтвердили. Чем более вязкой является среда, в которую помещена молекула, тем сильнее трение, и тем меньше возможностей для вращения. В вязкой среде такой молекуле не остается иного пути для релаксации ее возбужденного состояния, кроме люминесценции.
Мы провели квантово-химические расчеты по оптимизации геометрии структуры молекулы, которые показали, что к похожему эффекту приводит взаимодействие с нитроароматикой: молекула нитроароматики поворачивает пиреновую компоненту, которая в результате начинает светиться сама.
Люминесценция порфириновой компоненты остается неизменной, поскольку теперь эти две компоненты становятся фотофизически независимыми друг от друга.
Наша первоначальная гипотеза не подтвердилась: в изучаемой молекуле в присутствии нитроароматики происходило усиление, а не ослабление, сигнала. Однако мы получили лучший результат. Во-первых, сенсор с усилением сигнала надежнее. Во-вторых, сенсоров, демонстрирующих усиление сигнала в ответ на присоединение нитроароматических соединений, существует мало.
Я хочу поблагодарить коллег за предоставленную возможность поработать с этим веществом, и отдельно поблагодарить студентов и аспирантов Кирилла Бирина, которые мне помогали и по первому зову предоставляли необходимые растворители. Без всех этих людей этой работы просто не было бы.
Эта работа может превратиться в большой коллективный проект, в котором одни будут думать, как модифицировать молекулу, а другие — как ее применить.
Например, в проведенных экспериментах мы исследовали поведение молекулы в неполярных средах. Для обнаружения нитроароматики в воде (сточных водах, источниках и т.д.) потребуется водорастворимый сенсор. Также молекулу можно модифицировать таким образом, чтобы закрепить ее на носителе и создать твердотельный сенсор.»
Материал подготовлен: Ольга Макарова / пресс-служба ИФХЭ РАН