Cząsteczki i światło

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