CC BY
60
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2013, том 56, №4_
ФИЗИКА
УДК 535.373.4:547.992.2
Н.У.Муллоев, Н.Л.Лаврик, Б-Н.Нарзиев
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТУШЕНИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ МАКРОМОЛЕКУЛ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ ИОНАМИ
КАДМИЯ И МЕДИ
Институт химической кинетики и горения им.В.В.Воеводского Сибирского отделения РАН,
Таджикский национальный университет
(Представлено академиком АН Республики Таджикистан Р.М.Маруповым 01.03.2013 г.)
Изучены спектральные зависимости эффективности тушения флуоресценции (О,)) образца гуминовых кислот (IHSS) ионами Cd2+ и Си2+ в условиях монохроматического возбуждения . ()возб = 337.1 нм). Установлено, что в спектральном диапазоне 400... 600 нм изменения величины а,) для иона заметно отличаются от изменений величины а), которые имеют место для иона Си2+. Отличие а) для ионов Cd2+и Си2+ объясняется в рамках представлений о различной доступно-
г
сти сайтов, содержащих флуорофоры, связанное с различиями их радиусов ионов (1.08 и 0.8 А для Cd2+ и Си2+, соответственно).
Ключевые слова: тушение флуоресценции - константа Штерна-Фольмера - ионы Си2+ - ионы Cd2+ - гуминовые кислоты.
Строение макромолекул гуминовых кислот (ГК), даже выделенных из одной почвы, не является строго стабильным и подвержено статическим флуктуациям. В связи с этим характерной особенностью макромолекул ГК является их полидисперсность [1]. Интерес к конформационным свойствам ГК связан с тем, что они играют решающую роль в образовании агрохимически важной структуры почвы и во многом определяют её физические и химические свойства. Кроме того, актуальность изучения конформационных свойств ГК связана с их высокой реакционной способностью по отношению к тяжёлым металлам. В силу указанных свойств ГК играют важную роль в процессах миграции тяжёлых металлов, контролируя их геохимические потоки в окружающей среде.
Для изучения структурных свойств ГК применяются различные физико-химические методы [2,3], в частности флуоресцентный метод [4-9].
В [7] нами был предложен способ, позволяющий оценить степень полидисперсности образца ГК флуоресцентным методом в условиях возбуждения спектра флуоресценции монохроматическим возбуждением. Суть метода заключается в наблюдении спектральной зависимости эффективности тушения флуоресценции. Возможность такого подхода была продемонстрирована на примере тушения флуоресценции стандартного образца ГК ионом Си2+.
Адрес для корреспонденции: Муллоев Нурулло Урунбойевич. 734025, Республика Таджикистан, г. Душанбе, пр. Рудаки, 17, Таджикский национальный университет. Е:таИ:уогисИ@ет1.т
Целью настоящей работы явилось сравнение спектральных зависимостей эффективностей тушения образца ГК ионами и Си2+. Эти ионы имеют различные радиусы - 1.08 А и 0.8 А для и Си2+, соответственно [10]. В связи с этим можно ожидать, что их взаимодействие с сайтами, содержащими флуорофоры, будет различным. Это различие может заключаться как в пространственной доступности тушителя к сайту, содержащему флуорофор (при одинаковой величине вандерва-альсовского взаимодействия), так и в величине вандерваальсовского взаимодействия (при одинаковой пространственной доступности).
Подробное описание экспериментальной установки и метод регистрации спектров приведено
в [8].
Интегральная эффективность тушения флуоресценции определялась величиной константы тушения Штерна-Фольмера (ШФ) КШФ [11] из соотношения
10 = 1 + К Шф \ме2+], (1)
где /0 и I - корректированные интегральные интенсивности флуоресценции ГК при [Ме2+ ] = 0 и
[Ме1+ ] ф 0, соответственно (Ме + - ион кадмия или меди). Значения корректированной интегральной интенсивности I определялись из соотношения
Л2
I = [1 -10 —°331]—1 [(I (Л) —1 (Л)}10 °етЛёЛ,
У. J I I экс.раствор / экс.растворитвьУ /) '
¿1
где 1 экс.раствор(Л) Ькс-рсствор№ и 1 Жс.растворитеь(Л) " экспериментально наблюдаемые интенсивности флуоресценции растворов и растворителя на длине волны флуоресценции Л, соответственно. Оэ37 и ОетЛ - величины оптической плотности при длине волны возбуждения Л = 337.1 нм и при длине волны флуоресценции в спектральном диапазоне 350...650 нм, соответственно. Сомножители (1 —10 °ЪЪ1) 1 и 10 °ет-Л являются корректирующими поправками на эффект внутреннего фильтра при возбуждении и испускании флуоресценции, соответственно. Интегрирование корректированного контура спектра флуоресценции проводилось в спектральном диапазоне 350.650 нм.
Эффективность тушения флуоресценции на определённой длине волны Л количественно определяется выражением (1), но с тем отличием, что все параметры, входящие в неё, становятся зависящими от длины волны Л . В этом случае величина определяется выражением
I = (I (Л) — I (Л)} * (1 —10—Аэт)—1 *10 0ет-Л
Л ^ экс. раствор ' экс. растворитеьК ') V '
Как было показано в [9], величину Кне всегда удаётся получить из экспериментальных данных. В связи с этим в [9] для оценки спектральной эффективности тушения было предложено использовать параметр
аЛ = —
1 я
Такое определение эффективности тушения означает, что при ая > 1 имеет место тушение флуоресценции, а при ая < 1 разгорание флуоресценции. Параметр ая характеризует изменение формы контура флуоресценции при добавлении тушителя и является универсальным. Поскольку КяШФ = (ая — 1) /\Мв2+ ], то любое проявление немонотонности в спектральной зависимости К проявится и в спектральной зависимости параметра а я. Дополнительное достоинство введённого параметра а я заключается в том, что при анализе спектральной зависимости эффективности тушения можно не учитывать поправочный коэффициент (1 —10°337 )—1 . Тем не менее, определение величины К принципиально важно, поскольку с её помощью можно оценить константу скорости тушения флуоресценции К , что позволяет делать заключение о статическом или диффузионном механизме тушения флуоресценции [11].
Для сравнения эффективностей тушения ионов использовали величину / я - отношение величин а я для и Cd2+ соответственно:
= ая(Си 2+ )
3я а я (Сй2+).
При / я > 1 ион меди более эффективно тушит флуоресценцию, чем ион кадмия, а при
3я <
1 имеет место обратное.
Константа скорости тушения флуоресценции (К^ [11] определялась из соотношения
К,
К., =
-ШФ
где т0 - время жизни флуоресценции исследуемой молекулы в отсутствие тушителя. Величина т0 ~ 3 нс для образца ГК была взята из [6].
Полученные результаты и их обсуждение
На рис.1(а, б) приведены экспериментально наблюдаемые спектры флуоресценции для исследованных систем, где во вставках показаны зависимости констант ШФ с учётом поправок по формуле (1). Оценка констант ШФ даёт величины (2560±250)М-1 и (4300±250)М-1 для тушения ионами Cd2+
и ^2+, соответственно. Значения констант скорости тушения флуоресценции ) составили
11 11 1211 2 | 8.5^10 М-с- и 1.4^10 М-с- для тушения ионами Cd и ^ , соответственно. Эти величины превышают диффузионные, которые для водных растворов составляют ~ 1010М- с- [11]. Превышение наблюдаемых констант скорости тушения над диффузионными означает, что в изученных растворах имеет место образование комплексов между макромолекулой ГК и ионом металла.
^0
Рис.1. Экспериментально наблюдаемые спектры флуоресценции ГК:
а - [Са2+] = 0 (1); 2х10-4 М (2); 4х10-4 М (3); 6х10-4 М (4); б - [Си2+] = 0 (1); 2.5х10-4М (2); 7х10-4 М (3); 1.1х10-3 М (4). На вставках: зависимости Штерна-Фольмера, построенные по уравнению (1).
На рис.2а показаны спектральные зависимости а Л для тушения флуоресценции ГК ионами Сё2+(1) и Си2(2) при приблизительно равной их концентрации. Как видно из рисунка, наблюдается заметное различие в спектральных зависимостях а Л - в области спектра 400 < Л < 600 нм, то есть
ион кадмия тушит флуоресценцию слабее, чем ион меди (величина аЛ для меньше, чем для Си2). Это означает, что в макромолекуле сайты, содержащие одинаковые флуорофоры, слабее взаимодействуют с ионом кадмия, чем с ионом меди. Наблюдаемая величины аЛ < 1 для иона кадмия при Л > 600 нм означает возгорание флуоресценции. Из рис.2а также видна разница в величине изменения эффективности тушения флуоресценции ал (Ме2+) ГК ионами меди и кадмия в спектральном диапазоне 400 - 600 нм: Дад (Ме2+ ) = а40 0(Ме2+ ) — а600 (Ме2+ ). Для иона кадмия величина АаЛ (С^+) = 0.63, а для иона меди ДаЛ (Си2) = 0.31, то есть отличие составляет более двух раз.
Это означает, что взаимодействие ионов кадмия с сайтами макромолекулы ГК претерпевает большие изменения, чем взаимодействие ионов меди с теми же сайтами.
На рис.2б представлена спектральная зависимость величины 3л . Видно, что зависимость ¡х
от Л представляет собой функцию, значения которой возрастают с ростом длины волны флуоресценции ГК и указывают на то, что эффективность тушения ионом меди относительно иона кадмия возрастает с увеличением длины волны флуоресценции.
Рис. 2. а - спектральные зависимости параметра а Л : 1 - для иона меди; 2 - для иона кадмия; б - спектральные
зависимости параметра 3Л .
Полученные данные позволили установить следующие основные факты:
1) в области спектра 400...600 нм ион кадмия тушит флуоресценцию слабее, чем ион меди, что можно объяснить меньшей доступностью к флуорофорам ГК этого иона относительно иона меди из-за его большего размера;
2) в спектральном диапазоне 400.600 нм для иона кадмия величина АаЛ больше, чем для
иона меди; это означает, что для иона меди все сайты с флуорофорами, испускающими свет в диапазоне 400. 600 нм, доступны в одинаковой степени, а для иона кадмия из-за его больших размеров доступность для определённых сайтов макромолекулы ГК может быть ограничена;
3) в «синей» области спектра флуоресценции имеет место эффективное тушение ионами обоих металлов, которое связано с тем, что хромофоры, испускающие «синюю» флуоресценцию, наиболее доступны (не экранированы) и находятся, соответственно, на периферии структуры макромолекулы ГК;
4) возгорание флуоресценции ГК при добавлении иона кадмия при X > 600 нм можно объяснить тем, что при комплексообразовании иона металла с макромолекулой ГК происходит частичное изменение начальной структуры макромолекулы. В результате образуется сайт, флуорофор которого при комплексообразовании претерпевает либо изменение окружения и в результате имеет место меньшее тушение флуоресценции, либо уменьшается константа интеркомбинационного перехода для флуоресцирующего уровня;
5) наблюдаемый рост величины ßX с увеличением X означает, что при взаимодействии ионов металлов с сайтами ГК ион меди более активно, чем ион кадмия, взаимодействует с сайтами, содержащими более «красные» флуорофоры. Отсюда следует, что доступность сайтов с «красными» флуорофорами больше для ионов меньшего радиуса. Это заключение позволяет сделать вывод, что «красная» часть спектра флуоресценции ГК обусловлена флуорофорами, доступность которых для тушения более ограничена, чем доступность флуорофоров, обуславливающих «синюю» область спектра. Поэтому можно сделать предположение, что в «красную» часть спектра флуоресценции ГК вносит вклад флуоресценция флуорофоров, находящихся на более трудно доступных сайтах ГК, то есть в её ядерной части.
Представленное выше объяснение спектральных зависимостей ал основано на предположении, что эффективность тушения зависит только от фактора структурной доступности (стерический фактор). При этом «химический» фактор (наличие возможности разного по величине Ван-дер-ваальсовского взаимодействия - ион - ГК) считался постоянным. Однако в настоящее время отдать предпочтение структурной или химической природе происхождения спектральной зависимости эффективности тушения не представляется возможным.
Поступило 01.03.2013 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. - М.: МГУ, 1990, 325 с.
2. Ghosh K., Mukherjee S.K. - J.Appl.Polym.Sci., 1971, v.15, pp. 2073-2081.
3. Khan S.U. - Soil Sci., 1971, v.112, pp. 410-416.
4. Zsolnau A., Baigar E., Jimenez M. - Chemosphere, 1998, v. 38, №1, pp.45-52.
5. Лаврик Н.Л., Муллоев Н.У. - Химия в интересах устойчивого развития, 2006, т.14, № 4, с.379-390.
6. Boyle E S., Guerriero N., Thiallet A., Veccino R., Blough N.V. - Envir.Sci.Technol., 2009, v. 43, pp. 2262-2268.
7. Лаврик Н.Л., Муллоев Н.У. - ЖПС, 2010, т. 77, № 4, с. 627-632.
8. Лаврик Н.Л., Муллоев Н.У. - ЖПС, 2011, т.78, №5, с. 757-763.
9. Лаврик Н.Л., Муллоев Н.У.- Оптика атмосферы и океана, 2012, т.25, № 9, с.833-839.
10. Краткий справочник физико-химических величин. Изд.8-е - Л.: Химия, 1983, 232 с.
11. Лакович Д. Основы флуоресцентной спектроскопии. - М.: Мир. 1986, 496 с.
Н.У.Муллоев, Н.Л.Лаврик, Б.Н.Нарзиев*
ХУСУСИЯТХОИ ТАЙФИИ САМАРАНОКИИ ХОМУШШАВИИ ФЛУОРЕССЕНСИЯИ МАКРОМОЛЕКУЛАМИ ТУРШИИ ГУМИНЙ БО
ИОЩОИ МИС ВА КАДМИЙ
Институти кинетикаи химияви ва оташангезии ба номи В.В.Воеводскии шуъбаи Сибирии Академияи илмхои Россия, *Донишго%и миллии Тоцикистон
Вобастагии тайфии самаранокии хомушшавии флуорессенсия (ах) барои туршии гуми-нии стандарти (1И88) бо ионх,ои кадмий (Сё2+) ва мис (Си2+), хангоми ангезиши монохромати ( Ланг = 337.1 нм) омухта шуда аст. Нишон дода шудааст, ки дар худуди спектралии 400-600 нм тагйиребии бузургии ах барои иони Сё2+ аз тагйиребии бузургии ах барои Си2+ фарк мекунад. Ин номувофикии ах дар асоси гуногунии дастрасии сайтхои флуорофор дошта, ки ба гуногунии радиусхои ионхо (1.08 А ва 0.8 А барои Сё2+ва Си2+) алокаманд аст, шарх дода шудааст. Калима^ои калиди: хомушшавии флуорессенси - доимии Штерн-Фолмер - ионуои мис (Си2+) -ионуои кадмий(С42+) - туршщои гумини.
N.U.Mulloev, N.L.Lavrik, |B.N.Narziev
SPECTRAL FEATURES OF EFFICIENCY OF SUPPRESSION OF FLUORESCENCE OF MACROMOLECULES HUMIC ACIDS CADMIUM AND
COPPER IONS
Institute of Chemical Kinetics and Combustion it V.V.Voevodsky, Siberian branch of Russian Academy of Sciences, Tajik National University Spectral dependences of efficiency of quenching of fluorescence (aj) the sample humic acids (IHSS) by ions Cd2+ and Cu2 + in the conditions of monochromatic excitation ( A exc = 337.1 nanometers) are studied. Distinction of dependences a^ for these ions is established. In a spectral range 400.600 nanometers of change of size a^ for ion Cd2 + considerably differ from size changes a^ which take place for ion Cu2 +. An explanation of discrepancy of the received dependences a^ for ions Cd2+ and Cu2+ is spent within the limits of representations about various availability of the sites containing fluorophores because of distinction of radiuses of ions (1.08 À and 0.8 À for Cd2 + and Cu2 + accordingly).
Key words: fluorescence quenching - Stern-Volmer constant - ions Cu2+ - ions Cd2+ - humic acid.
