Projektowaniem i otrzymywaniem materiałów fotoluminescencyjnych, które mogą być stosowane w optoelektronice, fotokatalizie i medycynie, zajmują się naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Dzięki zaawansowanej aparaturze potrafią określać właściwości tzw. stanu wzbudzonego związków, który powstaje na skutek zaabsorbowania przez cząsteczki kwantu światła.
Projektowanie i otrzymywanie materiałów molekularnych, które mają ściśle określone właściwości fizyczne i chemiczne, to jedno z największych wyzwań współczesnej chemii. Szczególną trudność sprawiają naukowcom związki fotoluminescencyjne.
Generalnie związki chemiczne występują w stanie podstawowym. Jeśli użyje się bodźca w postaci np. światła, wówczas materiały fotoluminescencyjne przez określony czas będą znajdować się w stanie wzbudzonym.
– W wyniku takiego działania przez chwilę mamy do czynienia z zupełnie nowym indywiduum, charakteryzującym się całkowicie innymi właściwościami. Chcemy nie tylko je poznać, lecz również mieć wpływ zarówno na nie, jak i na czas utrzymania związku w stanie wzbudzonym – tłumaczy prof. Barbara Machura z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Istnieje wiele stanów wzbudzonych, naukowcy znają też mnóstwo możliwości oddziaływania na badane przez siebie związki. Jak wyjaśnia chemiczka, jej zespół analizuje przede wszystkim związki koordynacyjne metali przejściowych, które po wzbudzeniu zwykle występują w stanach trypletowych, często długo żyjących i zdolnych do przekazywania energii. Do projektowania związków metali przejściowych o znacznie wydłużonych czasach życia trypletowych stanów wzbudzonych zespół z UŚ stosuje głównie podejście zwane efektem bichromoforowym.
W takim przypadku mamy do czynienia z dwoma chromoforami. Wystarczy wyobrazić sobie dwie części połączonych ze sobą cząsteczek. Nasze modyfikacje polegają na łączeniu różnych układów w taki sposób, aby jak najdłużej utrzymać związek w stanie wzbudzonym – wyjaśnia badaczka.
Podkreśla również, że każdy z chromoforów ma swój własny stan wzbudzony. Aby uzyskać długi czas życia takiego układu, należy doprowadzić do sytuacji, w której stany wzbudzone obu chromoforów będą miały podobny poziom energii. Dzięki takiemu zabiegowi pierwszy chromofor emituje światło, natomiast drugi jest nieemisyjny, gwarantuje natomiast dłuższy czas życia stanu wzbudzonego całego układu. Innymi słowy: w efekcie połączenia stanów wzbudzonych odpowiednich chromoforów można otrzymać stan emisyjny związku o bardzo długim czasie życia. W roli chromoforów nieemisyjnych, jak mówi prof. Machura, często stosowane są wielopierścieniowe związki aromatyczne, np. piren czy antracen.
Warto od razu dodać, że długi czas życia oznacza w tym przypadku wartość powyżej 10 mikrosekund. Naukowcy z UŚ uzyskali materiały fotoluminescencyjne, których czas życia stanu wzbudzonego wyniósł 1600 μs. To rewelacyjny wynik, teraz naukowcy walczą o jak najlepsze właściwości takich związków – przede wszystkim ze względu na ich praktyczne zastosowania.
Związek w stanie wzbudzonym będzie dążył do tego, aby oddać energię. Ten proces jest wykorzystywany na przykład w walce z nowotworami. Mowa o terapii fotodynamicznej. Odpowiednio zaprojektowany materiał w stanie podstawowym może zostać wprowadzony do ciała pacjenta. Powinien być obojętny dla ludzkich tkanek. Po wzbudzeniu za pośrednictwem światła może oddać swoją energię na przykład reaktywnej cząsteczce tlenu dołączonej do takiego układu. W efekcie otrzymuje się precyzyjną broń do walki z nowotworami. Oczywiście, aby związek mógł zostać zastosowany w kontakcie z tkankami ludzkimi, musi spełnić wiele wymogów. Prof. Barbara Machura i jej zespół właśnie nad tym pracuje.
Druga przestrzeń dla praktycznych zastosowań fotosensybilizatorów to fotokataliza, gdzie do rozpoczęcia reakcji potrzebne są katalizator oraz światło. Wśród obiecujących procesów zasilanych energią słoneczną znajduje się fotochemiczna redukcja dwutlenku węgla, która może znacznie przyczynić się do ograniczenia efektu cieplarnianego.
Związek w stanie trypletowym dąży do oddania energii innej cząsteczce, by wywołać emisję z jej stanu wzbudzonego. Zmieniamy zatem jego energię. Przykładowo: naświetlając związek w zakresie światła czerwonego, wywołujemy emisję w zakresie wyżej energetycznego światła niebieskiego. Proces ten, nieco tajemniczo i skomplikowanie, nazywamy konwersją w górę według mechanizmu anihilacji tryplet-tryplet – opisuje badaczka.
Jeśli mówimy o praktycznym wykorzystaniu, to jest jeszcze bioobrazowanie, a więc wielowymiarowa wizualizacja, która pozwala charakteryzować struktury i procesy biologiczne w czasie rzeczywistym.
Wiemy, że komórki pod wpływem naświetlenia także emitują krótko żyjącą fluorescencję. Możemy jednak poprowadzić obrazowanie w taki sposób, że nie będziemy odbierać sygnałów od komórek biologicznych, lecz właśnie z zaprojektowanych związków dzięki temu, że ich czas życia w stanie wzbudzonym jest odpowiednio dłuższy. Innymi słowy: odbieramy sygnały niezakłócone emisją układów biologicznych – mówi prof. Barbara Machura.
Jeśli zatem przykładowy związek kumuluje się w określonych komórkach rakowych, szybko będzie można się dowiedzieć, gdzie są one zlokalizowane.
Prowadzenie tak specjalistycznych badań nie byłoby możliwe, gdyby nie doskonale wyposażone laboratorium. Najważniejszym urządzeniem jest spektrometr absorpcji przejściowej wraz ze strojonym laserem femtosekundowym, umożliwiającym obserwację wyższych stanów molekularnych cząsteczek.
Ten skomplikowany labirynt wielu drobnych elementów pozwala sterować czasem obserwacji o wartościach pomiędzy femtosekundami a nanosekundami. Możemy wychwycić ten moment, w którym układy znajdują się w stanie wzbudzonym, i je opisać. W praktyce specjalny laser wysyła promieniowanie o dużej częstotliwości. Wiązka dzieli się na dwie części. Pierwsza z nich wzbudza naszą cząsteczkę, druga to tzw. część próbkująca opóźniona w czasie, która zachowuje się jak detektor. To ona pozwala obserwować próbkę i zapisać obraz widma w detektorze – wyjaśnia dr Katarzyna Choroba. – Dzięki specjalnemu układowi lusterek jesteśmy w stanie wydłużać drogę drugiej wiązki, dzięki czemu uzyskujemy nawet kilkunanosekundowe opóźnienie względem pierwszej – dodaje.
Odkąd uczelnia pozyskała ten sprzęt, coraz więcej innych grup badawczych jest zainteresowanych współpracą z zespołem prof. Machury.