Время жизни синглетного кислорода в столкновительных комплексах o2-co2
УДК 577.33; 577.345; 544.147
Щепин А.С., Пешков С.А., Пеш кова Т.В.
Оренбургский государственный университет E-mail: thisiscaster@mail.com
ВРЕМЯ ЖИЗНИ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА В СТОЛКНОВИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСАХ O2-CO2
Один из перспективно развивающихся в наше время метод устранения злокачественных опухолей — фотодинамическая терапия. Изучается механизм, который объясняет увеличение времени жизни синглетного кислорода в живых организмах при ведении фотодинамической терапии с помощью компьютерного моделирования.
Методами самосогласованного поля (SCF/ROHF) и функционала плотности (DFT/B3LYP) проведен конформационный анализ для определения геометрических характеристик комплексов кислорода с углекислым газом и выявления среди них наиболее устойчивой структуры, обладающей минимумом энергии. Мультиконфигурационным методом CASSCF (14, 11) рассчитаны электронные термы комплекса 1,3[O2-CO2]. Методом спинорбитального взаимодействия (СОВ) рассчитаны моменты запрещенных переходов a1 — X3 b1 — a1 , коэффициенты Эйнштейна (вероятности переходов), а также время жизни синглетного кислорода (a1 g, b1 g ) при комплексообразовании молекулы кислорода с молекулой углекислого газа.
Определена наиболее устойчивая структура комплекса [O2-CO2] — II, обладающая точеной группой симметрии C2. Выявлено, что основное и возбужденные состояния кислорода в комплексе 1,3[O2-CO2] O2(X3 ) Co^A1 g ), O2(a1 g ; a’1 g) CO2(A1 g ), O2(b1 g ) CO2(A1 g ) являются малоустойчивыми, так как обладают низкими энергиями диссоциации. Показана возможность проявления запрещенных индуцированных переходов a1 g — X3g-, b1 g — a1 g в молекуле O2 под действием молекулы столкновения углекислого газа, которые практически не проявляются в отдельной молекуле О2.
Рассчитанные значения времени жизни синглетного кислорода в столкновительных комплексах 13[O2-CO2], характеризуют возможность образования комплексов кислорода с углекислым газом, и другими низкомолекулярными соединениями, обладающими мембранным транспортом, в тканях живого организма при облучении низкоинтенсивным лазером, за счет чего, увеличивается время жизни синглетного кислорода O2(a1 g, b1 g ).
Ключевые слова: синглетный кислород, возбужденные состояния, столкновительные комплексы, углекислый газ.
Синглетный кислород — общий термин, применяемый для двух метастабильных состояний (а1 А Ь1^4″) молекулярного кислорода (02) с более высокой энергией, чем в триплетном состоянии (Х3^-), являющимся основным. Первоначально синглетный кислород в состоянии 02(Ь1Её ) представлял особый интерес к изучению только в физике верхних слоёв атмосферы, за счет проявляемого ночного свечения, образуемого при переходе Ь1^4 — Х3^-, именуемого позже люминесценцией кислорода [1]. В многочисленных экспериментальных исследованиях обнаружилось, что синглетный кислород имеет очень высокую окислительную активность при взаимодействии с органическими веществами, участвует в биологических процессах живых организмов [2], [3]. Отмечена наибольшая значимость использования синглетного кислорода в медицине в качестве агента, применяемого при лечении многих заболеваний, в том числе и онкологических [4].
Современная онкология, насчитывает большое количество методов, в том числе и комби-
нированных по устранению злокачественных опухолей в живом организме человека, и одним из них перспективно развивающимся в наше время является фотодинамическая терапия. Интерес к ней обусловлен тем, что разрушение опухоли происходит при облучении ее лазерным излучением (низкой интенсивности), исключающим опасность неконтролируемого термического повреждения стенки органа [5]. Механизм проведения процедуры подробно описан в работах [6], [7]. Известно, что при ведении фотодинамической терапии, в живой организм вводятся молекулы фотосенсибилизатора преимущественно органической природы, заданной концентрации, которые избирательно фиксируются на мембранах опухолевых клеток и митохондриях [7]. Затем на эту часть опухолевой ткани, воздействуют лазерным излучением, в результате чего происходит возбуждение фотосенсибилизатора, который передает энергию собственного возбуждения на молекулы кислорода О2. В результате происходит конверсия спина на молекулярной орбитали п молекулы
О2 (изменение спинового состояния) с последующим переходом кислорода в возбужденные синглетные состояния (а:Д , ЫЕ ).
У Б’ % ‘
Учитывая то, что синглетный кислород в растворенном виде (в воде) имеет малое время жизни т(а1Д%) = 10-11 с, т(Ь11% ) = 10-5 с [8], то остается необъяснимым, почему в живом организме, его время жизни увеличивается, так как он успевает уничтожить большое количество раковых клеток.
Механизм увеличения времени жизни может заключаться в том, что получив энергию от сенсибилизатора, синглетный кислород может образовывать комплексы слабой прочности с молекулами газов, свободно проходящими через билипидный слой мембран клеток в тканях. В основном это низкомолекулярные соединения: неполярные (азот, бензол) и полярные (углекислый газ, вода, мочевина) молекулы.
Немногочисленные экспериментальные и теоретические исследования оксокомплексов с газами и 3 ^переходными металлами в различных спиновых состояниях указывают на значительное увеличение жизни таких комплексов (на несколько порядков). Объясняется это тем, что в оксокомплексах под воздействием излучения (ИК — инфракрасного, УФ — ультрафиолетового) происходит генерация долгоживущего синглетного кислорода стабилизированного молекулой столкновения посредством сложных индуцированных запрещенных переходов а^ -Х3Е ЫЕ — а1 Д , ЫЕ — Х3Е — и квадрупольных
Б ‘ Б Б’ Б Б
переходов из высоковозбужденных состояний (системы Герцберга, системы Шумана-Рунге) [1], [9]-[14].
Нельзя однозначно утверждать, что ок-сокомплекс сенсибилизатора с молекулой кислорода обладает высокой прочностью. В современном теоретическом исследовании взаимодействия крупной органической молекулы 5-метилрезорцина с молекулами кислорода в возбужденных состояниях говорится о том, что прочность межмолекулярных связей полученных комплексов очень мала и характеризуется значениями энергий связывания 1,06 — 2,03 кДж/моль [10].
Так как, провести теоретические расчеты всех соединений обладающих мембранным транспортом в живых системах с молекулой кислорода, требует значительных затрат време-
ни при расчете высококонфигурационными методами, то для объяснения механизма в качестве модельной системы нами был выбран комплекс кислорода с углекислым газом [O2-CO2].
Методами математического моделирования при использовании современных высокоуровневых методов на качественной модели комплекса [O2-CO2] можно рассчитать геометрические конфигурации, прочность межмолекулярных связей и оценить полученные данные с подобными теоретическими и экспериментальными работами.
Цель работы: выявить наиболее устойчивые конформации комплексов [O2-CO2], определить их геометрические характеристики; оценить значения энергий связей основного и возбужденных состояний молекулы кислорода с молекулой столкновения CO2, объяснить механизм увеличения времени жизни синглетного кислорода при комплексообразовании с молекулой столкновения CO2.
Методы расчёта
Методами самосогласованного поля SCF/ ROHF и функционала плотности DFT/B3LYP были рассчитаны равновесные структуры стол-кновительных комплексов кислорода с углекислым газом в различных конформациях. Для определения основного и возбужденных состояний (синглетные и триплетные состояния молекулы кислорода) в комплексах 1,3[O2-CO2] произведен расчет мультиконфигурационным методом, включающим в себя полное пространство активных молекулярных орбиталей CASSCF (14, 11) — распределение 14 электронов на 11 молекулярных орбиталях. Структура ор-биталей, включенных в активное пространство при расчете комплексов приведена в таблице 1. Все расчеты произведены при использовании базисного набора функций 6-311G (2p, 2d), содержащего диффузные и поляризационные функции для более полного описания Ван-дер-Вальсовых взаимодействий комплексов молекул газов различного состава [11]. Методом спин-орбитального взаимодействия (SOC) на основе функций CASSCF рассчитаны моменты запрещенных излучательных переходов a:Ag —
Х3Е ЫЕ — a1 A . На основе значений момен-
g ‘ g g
тов переходов были рассчитаны коэффициенты Эйнштейна A (вероятности перехода), время
жизни синглетного кислорода x(a1Ag, b1Sg ). Расчеты проведены с помощью программного обеспечения для математического моделирования Firefly 8.1 [15].
Обсуждение результатов
Методами SCF/ROHF и DFT/B3LYP был произведен расчет устойчивости комплексов молекулы кислорода с молекулой углекислого газа для различных конформаций. Значения
энергий, и геометрические структура комплексов 3[O2-CO2] приведены в таблице 2. В ходе оптимизации, все конформации I-VI сохранили свое геометрическое положение в одной плоскости XY. Расстояния между молекулами O2 и CO2, рассчитанные методами DFT и ROHF, отличаются незначительно (0,1-0,3 Á). Среди всех конформаций 3[O2-CO2], следует отметить, что II — обладает минимумом энергии, поэтому именно эта структура взята за основу, при
Таблица 1 — Структура молекулярных орбиталей молекулы кислорода 02 и углекислого газа С02 в комплексе 13[02-С02], метод расчета CASSCF(14, 11)
Молекулярная орбиталь
_(O)_
Структура
Молекулярная орбиталь
(CO,)
Структура
2
u
(O,)
t
1n z
(CO,)
>
3
2
(O,)
1n x (CO,)
2n z
u
(O,)
К
(CO,)
2n y
u
(O2)
J
z
(CO,)
$
2n y
g
(O2)
g
(O,)
3
2
(O,)
%
&
Примечание: в ходе образования комплекса
3[02-С02], произошло искажение молекулярных орбиталей углекислого газа.
моделировании комплекса столкновения син-глетных состояний кислорода О2(а1ДБ, Ь1еб ) с углекислым газом.
На рисунке 1 приведены энергетические термы образования комплекса 1,3[02-С02]. Для основного триплетного и возбужденных син-глетных состояний кислорода, термы — слабосвязанные, имеют минимумы энергий при равновесном расстоянии между 02 и С02 R = 3,67 А. Устойчивость таких состояний: О2(Х3Е ) СО^ЕД О^а^ ; а’1Д’ё) СО^ЕД О2(Ь1Её ) СО2(А1Её ) составляет 0,43, 0,48 и 0,49 кДж/моль соответственно. Значения энергий устойчивости качественно согласуются с расчетами столкновительных комплексов
1,3
[О2-Н2] [12], ^-ед] [13]. Энергии расщепления термов комплекса между состояниями О^ЕДО/а^) и О2(Х3Её-)-О2(Ь1Её ) равны 0,98 и 1,59 эВ соответственно. К примеру, экспериментально определенные значения энергий расщепления в отдельной молекуле О2 между соответствующими состояниями — 0,98 и 1,63 эВ [14].
При образовании комплекса 1,3[О2-СО2] в молекуле кислорода инициируются запрещенные электродипольные переходы а1ДБ — X3Еg», Ь1Еб — а1ДБ. По значениям моментов переходов (таблица 3), были рассчитаны: коэффициенты Эйнштейна, время жизни синглетного кислорода. Выяснилось, что значения х(а1Дё), т(Ь1Е% )
Таблица 2 — Значения энергий и геометрические структура комплексов 3[O2-CO2] в различных конформациях I-VI. Метод расчета SCF/ROHF и DFT/B3LYP. В круглых скобках приведены значения длин связей по методу DFT/B3LYP
Комплекс
Геометрическая структура
Энергия комплекса, а.е.м.
Методы расчета
SCF/ROHF DFT/B3LYP
Конформация I
-337,348579
-339,024583
Конформация II
-337,348741
-339,024606
Конформация III
-337,348701
-339,024634
Конформация IV
° ° t!j Иг-» ° с °
-337,348637
-339,024601
Конформация V
-337,348562
-339,024588
Конформация VI
-337,348625
-339,024536
Таблица 3 -Значения моментов переходов М (еа0), коэффициентов Эйнштейна А (с-1), времени жизни т (с) состояний кислорода в комплексе 1,3[02-С02]. Метод расчета СА88СЕ(14, 11).
Параметр Численное значение
M(a1Ag ^ X3!g-) 1-10-5
M(b1!g ^ a1Ag) 7Д-10″4
A(a1Ag ^ X3!g-) 1-10-4
A(b1!g ^ a1Ag) 2,15
T(a1Ag) 9980
T(b1!g ) 0,47
гораздо выше в комплексе 1,3[02-С02] нежели в отдельной молекуле синглетного кислорода растворенного в воде [8] на несколько порядков.
Заключение
Электронные термы взаимодействия кислорода в основном триплетном (Х3^-) и син-глетном (а1 А Ь1^4) состояниях с молекулой столкновения С02 являются слабосвязанными. Время жизни синглетного кислорода в столкно-вительных комплексах 1,3[02-С02] на несколько порядков выше, чем в отдельных молекулах 02 в синглетном возбужденном состоянии. Все это характеризует возможность образования комплексов кислорода с углекислым газом, и другими низкомолекулярными соединениями, обладающими мембранным транспортом, в тканях живого организма при их облучении низкоинтенсивным лазером, за счет чего, уве-
Рисунок 1 — Энергетические термы образования комплекса 1,3[02-С02], в конформации 2, метод расчета CASSCF(14, 11)
личивается время жизни синглетного кислорода
O2(a1A , Ь1! ).
2Л р» g ‘
16.02.2022
Список литературы:
1. Кобзев Г.И. Зависимость люминесценции молекулярного кислорода от сорта и числа атомов, входящих в состав комплекса, и числа молекул окружения кислорода // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2005. — №1. — С. 150 — 156.
2. Briviba K., Klorz I.-O., Sics H. Toxic and signaling effects of photochemically or chemically generated singlet oxygen in biological systems.// Biol. Chem., 1997, № 378, P. 1259-1265.
3. Landry M.P. Characterization of photoactivated singlet oxygen damage in single-molecule optical trap experiments.// Biophys. J., 2009, № 97, V. 8, P. 2128-2136.
4. Trabanco A.A. A seco-porphyrazine: Superb sensitizer for singlet oxygen generation and endoperoxide synthesis.// Synlett., 2000, № 7, P. 1010-1012.
5. Гельфонд М.Л. Фотодинамическая терапия в онкологии // Практическая онкология, Т. 8, № 4. — 2007, C. 204-210.
6. Henderson B.W., Dougherty T.J. How does photodynamic therapy work? // Photochem Photobiol., 1992, V. 55, P.145-157.
7. Jori G., Reddi E. The role of lipoproteins in the delivery of tumour-targeting photo-sensitizers // Int. J. Biochem., 1993, V. 25, P. 1369-1375.
8. Шинкаренко Н. В., Алесковский В. Б. Синглетныи кислород, методы получения и обнаружения// Успехи химии, 1981, Том L, Вып. 3, С. 406-428.
9. Minaev B.F., Kobzev G.I. Response calculations of electronic and vibrational transitions in molecular oxygen induced by interaction with noble gases // Spectrochim. Acta Part A, 2003, V. 59, P. 3387-3410.
10. Кобзев Г.И., Казаева А.Н., Футтеркнехт З. Влияние 5-метилрезорцина на спиновую конверсию в молекулярном кислороде // Журнал структурной химии 2022, Т. 55, №1, С. 14-19.
11. Урваев Д.Г., Кобзев Г.И. Интермедиаты газофазной реакции Sc O2: Квантовохимическое исследование // Вестник ОГУ №10 (159) — 2022 — С. 359-361.
12. Minaev B.F., Lunell S., Kobzev G.I. Collision-Induced Intensity of the ЫЕ -а’Д Transition in Molecular Oxygen: Model Calculations for the Collision Complex O2 H2 // Intern. J. of Quant. Chem., 1994, V.g50, P. 279-292.
13. Minaev B. F., Kukueva V. V. Configuration Interaction Study of the O2-C2H4 Exciplex : Collision-induced Probabilities of Spin-forbidden Radiative and Non-radiative Transitions // J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1994, № 11, V. 90, P. 1479-1486.
14. Schweitzer C., Schmidt R. Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen. // J. Chem. Rev., 2003, V. 103, P. 1685-1757.
15. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S.J., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General Atomic and Molecular Electronic Structure System / J. Comput. Chem., 1993, V. 14, № 11, P. 1347-1363.
Сведения об авторах:
Щепин Антон Сергеевич, студент Оренбургского государственного университета, 460018, Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3431, e-mail: thisiscaster@gmail.com
Пешков Сергей Алексеевич, ведущий инженер кафедры химии Оренбургского государственного университета, 460018, Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3431, e-mail: darvin156@mail.ru
Пешкова Татьяна Владимировна, ведущий инженер кафедры химии Оренбургского государственного университета, 460018, Оренбург, пр-т Победы, 13, ауд. 3431, e-mail: radislavy@mail.ru
Обнаружение синглетного кислорода | оэс спецпоставка
Б.Санджинетти, Ф.Ричоу, С.Нонель, Дж. Босо, ID Quantique, Женева
Описана процедура детектирования флуоресценции синглетного кислорода с помощью детектора, изготовленного компанией ID Quantique (IDQ). Показано, как благодаря совместному действию детектора ID230 и логического элемента ID800, преобразовывающего время в цифровой код, удается повысить чувствительность детектирования.
Дозиметрические измерения синглетного кислорода при помощи детектирования его люминесценции на длине волны 1270 нм представляют довольно сложную задачу. Во-первых, этот процесс имеет крайне низкую эффективность и, следовательно, интенсивность светового излучения очень слабая. Для подобных задач традиционно использовали фотоумножители (ФЭУ). Однако, эти устройства имеют низкую эффективность и высокий уровень шума, они чувствительны к фоновой засветке и не работают с оптоволокном, что ограничивает их применение в некоторых конструкциях. В последнее время созданы сверхпроводящие нанопроводные детекторы, в которых достигнут достаточно низкий уровень шума при непосредственном обнаружении люминесценции синглетного кислорода. Но и они имеют свои недостатки, заключающиеся в необходимости предварительного криогенного охлаждения и обладанием, к сожалению, небольшой активной площадью размером около 100 мкм 2 (одномодовое оптоволокно). С другой стороны, созданный датчик ID230 обеспечивает такой же низкий уровень шума, имеет КПД почти 30%, не требует криогенного охлаждения и работает с многомодовым оптоволокном, поэтому площадь участка регистрации фотоноы 10000 мкм 2. То есть принимаемый сигнал оказывается в 100 раз сильнее, чем в случае использования нанопроводов в качестве детектороа синглетного кислорода.
Синглетный кислород
Синглетный кислород представляет собой высоко активные формы кислорода (рис.1) и играет важную роль в исследованиях, проводимых в области физики, химии, биологии, науках об атмосфере, в медицине, в частности в фотодинамической терапии. Методы фотодинамической терапии опираются на фотоактивацию светочувствительных лекарственных средств для селективного лечения некоторых типов патологии, связанных с опухолями, кожными и сосудистыми заболеваниями и бактериальными инфекциями [1]. Прямое обнаружение синглетного кислорода осуществляется при помощи его фосфоресценции. Хотя такое излучение является весьма слабым, этому способу обнаружения синглетного кислорода отдается предпочтение, поскольку результат предоставляется мгновенно и данные не зависят от присутствия иных артефактов.
Рис.1. Схема молекулярных орбиталей или три электронные конфигурации молекулярного кислорода, O2. Слева направо: возбужденное состояние синглетного кислорода a 1Δg, возбужденное состояние синглетного кислорода b 1Σg , триплетное основное состояние X3Σg-. Молекулярная орбиталь 1s опущена для простоты. Обратите внимание, что состояния отличаются только спином и размещением двух вырожденных антисвязывающих πg-орбиталей кислорода. Источник: Википедия/Анджело Фрай
Детектор ID230
До недавнего времени однофотонные лавинные фотодиоды в ближнем ИК-диапазоне имели уровень шума величиной нескольких тысяч импульсов в секунду (имп/с) для детекторов с одномодовым (9 мкм) оптоволокном. Для устройств с оптоволокном, имеющим сердцевину большого диаметра, шум достигал еще большей величины. Детектор ID230 – это настоящий прорыв в технологии изготовления детекторов, благодаря тому, что уровень шума в нем снижен до величин, меньших 20 имп/с (вариант конструкции датчика с оптоволокном, диаметр сердцевины которого не превышает 100 мкм) [2]. Оптоволоконные детекторы достаточно практичны по нескольким причинам: они позволяют устранить шум при наличии точно определенной входной угловой апертуры и известного положения и обеспечивают превосходную гибкость при установке в экспериментальной системе. Оптическое волокно может также эффективно собирать излучение даже, будучи помещенным внутри исследуемого образца.
Флуоресценция синглетного кислорода часто обнаруживается после возбуждения образца сильным лазерным импульсом, который может «ослепить» детектор на несколько микросекунд. Для того, чтобы предотвратить «ослепление» из-за действия импульса возбуждения, можно модифицировать детектор ID230 для приема сигнала, дополнив его логическим элементом. Этот элемент гарантирует, что детектор будет выключен в момент действия импульса возбуждения и, наоборот, – будет быстро включен (через несколько сотен наносекунд) после импульса возбуждения. Такая дополнительная модификация (рис.2) датчика может быть выполнена по запросу заказчика.
Рис.2. Детектор ID230 соединяется с одномодовым или многомодовым оптоволокном с помощью FC/PC — разъема
Детекторы ID220 и ID210
Для экспериментов, проведение которых не требует использования детектора с крайне низким шумом, который обеспечивает датчик ID230, компания IDQ выпускает два типа других детекторов. Это детектор ID220, который похож на ID230, однако, обладает уровнем шума 1000 имп/с (он подходит для компаний-изготовителей комплексного оборудования), и детектор ID210, который также имеет более высокий уровень шума, но способен очень быстро откликаться на импульсное управление (время нарастания по логическому элементу
Сравнение детекторов производства компании «ID Quantique» с ФЭУ
Часто для измерений синглетного кислорода используются ФЭУ. Отметим, что они имеют большой диаметр активной площади и низкую квантовую эффективность порядка 2%, а также высокий уровень шума (темновая скорость счета). Детекторы производства компании «ID Quantique» обладают соединением с входным волокном 65 мкм, более высокой эффективностью и более низким уровнем шума. В таблице ниже приведены различия между типами детекторов.
Сравнение параметров детекторов
Преимущества детекторов с оптоволоконным соединением
В эксперименте шум определяется не только исключительно собственными шумами детектора, в суммарный шум вносят дополнения флуктуации внешней среды. Для их исключения с целью получения высокочувствительных экспериментальных результатов детектор должен быть изолирован от шумов окружающей среды. Детекторы с большой активной площадью, такие как ФЭУ, будут чувствительны к окружающему фоновому освещению, нежелательной флуоресценции от оптических элементов и деталей системы, которые не вовлечены в исследование.
С другой стороны, детектор с оптоволоконным соединением имеет небольшую активную площадь (сердцевина оптоволокна), а также точно определенную числовую апертуру. В таком случае, можно использовать объектив для проекции (фокусировки) только части исследуемой системы на оптоволокно, ограничивая большую часть окружающего шума и сомнительной флуоресценции. Этот факт, наряду с чрезвычайно низкой темновой скоростью счета и высокой эффективностью обнаружения, позволяет осуществлять эксперименты с чувствительностью на несколько порядков выше, чем это было возможно в более ранних экспериментах.
Соединение с многомодовым оптоволокном
Попадание флуоресцентного излучения синглетного кислорода в оптоволокно осуществляется путем проецирования «объекта», то есть объема образца, освещаемого возбуждающим лазерным импульсом, на сердечник оптоволокна. Такая проекция может быть осуществлена с помощью двух линз (рис.3). Первая линза – коллиматор. Параллельный световой пучок, прошедший сквозь него, проходит далее сквозь несколько оптических элементов в виде фильтров, которые при необходимости могут быть размещены вдоль траектории луча.
Рис.3. Проецирование объекта на сердцевину оптоволокна. Могут быть выбраны коллимирующая и фокусирующая линзы с различными фокусными расстояниями.
Вторая линза предназначена для фокусировки излучения в рабочую плоскость сечения сердцевины оптоволокна. Если объект (освещаемый объем) меньше или больше объема сердцевины оптоволокна (62,5 мкм), площадь сечения пучка, попадающего на рабочую площадку оптоволокна, может быть увеличена или уменьшена подбором фокусных расстояний коллимирующей и фокусирующей линз. Например, если объект имеет диаметр 30 мкм, можно использовать коллимирующую линзу с фокусным расстоянием, равным половине фокусного расстояния фокусирующей линзы. То есть, имеем коллимирующую линзу с фокусным расстоянием fc = 40 мм, тогда фокусное расстояние фокусирующей линзы ff = 80 мм. Диаметр линзы выбирается таким образом, чтобы использовать полную числовую апертуру оптоволокна (NAF = 0,275).
Радиус фокусирующей линзы Rf должен удовлетворять условию: Rf > ff · NA. Откуда получаем: Rf > 80·0,275 = 22 [мм]. Если в схеме эксперимента объект исследования нужно разместить ближе к датчику, то используют линзы меньшего размера (Rf) с более короткими фокусными расстояниями (ff).
Для регулировки и проверки эксперимента лазер может быть подсоединен к оптоволокну вместо детектора, так что его излучение может быть распространено обратным образом вдоль оптоволокна и сфокусировано на образце. Такое действовать гарантирует качественную и простую регулировку.
Эксперимент
Типичная экспериментальная схема для процедуры регистрации синглетного кислорода изображена на рис.4. Импульсный зеленый лазер освещает образец, который вырабатывает синглетный кислород. Флуоресценция от исследуемого образца с помощью дихроичного зеркала (дихроичное зеркала отражает излучения только определенной длины волны) фильтруется для того, чтобы отвести нежелательное свечение. Флуоресцентные фотоны фокусируются на сердцевину оптоволокна и регистрируются с помощью детектора ID230.
Рис.4. Типичная экспериментальная процедура. Лазер с импульсным возбуждением освещает образец. Флюоресценция от данного образца собирается с помощью дихроического зеркала и фильтруется для того, чтобы отклонить нежелательные длины волн. Затем освещение фокусируется на оптоволокне и распознается детектором ID230.
Задержка между освещением от импульсного лазерного излучателя и обнаружением фотонов измеряется при помощи преобразователя «время – цифровой код» ID800 и передается на компьютер для формирования гистограммы (рис.5). Подробную информацию в отношении данного эксперимента можно найти в работе [3].
Рис.5. Повышение флюоресценции и распад синглетного кислорода. Первоначальный всплеск обусловлен быстро распадающимися элементами
Литература
- Zuluaga M.F., Gabriel D., Lange N. Enhanced prostate cancer targeting by modified protease sensitive photosensitizer prodrugs. – Mol. Pharm., 2022, v.9 (6), p.1570—1579.
- Korzh B., Lunghi T., Kuzmenko K., Boso G., Zbinden H. Afterpulsing studies of lownoise InGaAs/InP single-photon negativefeedback avalanche diodes. – J. Mod. Opt., 2022, v. 62 (14), p.1151—1157.
- Boso G., Ke D., Korzh B., Bouilloux J., Lange N., Zbinden H. Time-resolved singletoxygen luminescence detection with an efficient and practical semiconductor singlephoton detector. – Biomedical optics express 224/DOI:10.1364/BOE.7.000211.
- VK567
Скачать
Синглетный кислород
Сингле́тный кислоро́д — общее название для двух метастабильных состояний молекулярного кислорода (O2) с более высокой энергией, чем в основном, триплетном состоянии. Энергетическая разница между самой низкой энергией O2 в синглетном состоянии и наименьшей энергией триплетного состояния состаявляет около 11400 кельвин (Te (a1Δg ← X3Σg−) = 7918,1 см−1), или 0,98 эВ.
Молекулярный кислород отличается от большинства молекул наличием триплетного основного состояния, O2(X3Σg−). Теория молекулярных орбиталей предсказывает два низколежащих возбуждённых синглетных состояния O2(a1Δg) и O2(b1Σg ) (номенклатура объясняется в статье Символы молекулярных термов). Эти электронные состояния отличаются только спином и занятостью вырожденных разрыхляющих πg-орбиталей (см. Вырожденные энергетические уровни). Состояние O2(b1Σg ) — очень короткоживущее и быстро релаксирующее в более низколежащее возбуждённое состояние O2(a1Δg). Поэтому обычно именно O2(a1Δg) называют синглетным кислородом.
Разница энергий между основным состоянием и синглетным кислородом составляет 94,2 кДж/моль (0,98 эВ на молекулу) и соответствует переходу в близком ИК диапазоне (около 1270 нм). В изолированной молекуле переход строго запрещён по правилам отбора: спину, симметрии и по чётности. Другими словами, прямое возбуждение кислорода в основном состоянии светом для образования синглетного кислорода невозможно. Как следствие, синглетный кислород в газовой фазе экстремально долгоживущий (период полураспада состояния при нормальных условиях — 72 минуты). Взаимодействия с растворителями, однако, уменьшают время жизни до микросекунд или даже до наносекунд.
Химия синглетного кислорода отличается от химии кислорода в основном состоянии. Синглетный кислород может принимать участие в реакциях Дильса-Альдера и еновых реакциях. Он может быть сгенерирован в фотовозбуждаемых процессах переноса энергии от окрашенных молекул, таких как метиловый синий или порфирины, или в таких химических процессах как спонтанное разложение триоксида водорода в воде или в реакции пероксида водорода с гипохлоритом. Синглетный кислород — активный компонент фотодинамической терапии.
Прямое определение синглетного кислорода возможно по его очень слабой фосфоресценции при 1270 нм, которое не видимо глазом. Однако при высоких концентрациях синглетного кислорода может наблюдаться флюоресценция так называемых димолей синглетного кислорода (одновременная эмиссия двух молекул синглетного кислорода при столкновениях) как красное свечение при 634 нм.
При фотосинтезе синглетный кислород образуется из молекул хлорофилла. Одна из функций каротиноидов в фотосинтетических системах — предотвращать повреждения, вызываемые образованием синглетного кислорода путём удаления избыточной световой энергии из молекул хлорофилла либо путём прямого тушения молекул синглетного кислорода.
В биологиимлекопитающих синглетный кислород является формой активного кислорода, который связан с окислением холестерина, что в конечном итоге приводит к сердечно-сосудистым воздействиям. Антиоксиданты на основе полифенолов могут очищать и уменьшать концентрации активных форм кислорода и позволяют предотвращать такие вредоносные эффекты.
- Mulliken, R.S. Interpretation of the atmospheric oxygen bands; electronic levels of the oxygen molecule. Nature, 1928, Vol. 122, P. 505.
- Schweitzer, C.; Schmidt, R. Physical Mechanisms of Generation and Deactivation of Singlet Oxygen. Chemical Reviews, 2003, Vol. 103(5), P. 1685—1757. DOI:10.1021/cr010371d
- Gerald Karp. Cell and Molecular Cell Biology concepts and experiments. Fourth Edition, 2005, P. 223.
- http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C7782447&Units=SI&Mask=1000#Diatomic
- David R. Kearns. Physical and chemical properties of singlet molecular oxygen. Chemical Reviews, 1971, 71(4), 395—427. DOI:10.1021/cr60272a004
en:Singlet oxygenja:一重項酸素pl:Tlen singletowy