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
Top Related