CC BY
21
УДК 535.37
ВЛИЯНИЕ ОКРУЖЕНИЯ НА ФЛУОРЕСЦЕНЦИЮ ЛАНТАНОИДНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПОРФИРИНОВ.
I. Флуоресценция УЬ комплекса мезотетра(р-сульфофенил)порфирина
в мицеллярных растворах
Г. К. Чудинова, И. А. Наговицын, В. В. Савранский
Проведено сравнительное исследование влияния поверхностно-активных веществ (ПАВ) различной полярности (анионного додецилсульфата натрия БИв, катионного цетилтриметиламмония бромида -СТАВ, нейтрального - Тритона Х-\№) на флуоресценцию УЬ комплекса мезотетра(р-сульфофенил)порфирина (УЬТСФП) в растворах. На флуоресценцию УЬТСФП существенно влияют свойства и полярность групп ПАВ, взаимодействующих с ионом УЬ3+. Наибольшее усиление ИК флуоресценции УЬТСФП (в 4.5 раза) относительно водного раствора последнего достигается при его встраивании в мицеллы анионного додецилсульфата натрия.
В последние 20 лет для методов биохимического и медицинского анализов широко используются соединения, флуоресцирующие в дальней красной и ближней ИК областях спектра. Например, УЬ комплексы порфиринов предложено использовать для диагностики злокачественных опухолей [1, 2]. Для фотодинамической терапии разрабатываются фотосенсибилизаторы второго поколения с усиленным поглощением в красной области спектра [3].
УЬ комплексы порфиринов флуоресцируют в области 922 - 1040 нм с наиболее интенсивной полосой в области 974 - 980 нм [4, 5]. Использование У Ь комплексов в качестве флуоресцентных маркеров для биохимического анализа и биофизических исследований
очень перспективно, так как в ближней ИК области спектра (920 - 1000 нм) практически отсутствует фоновая флуоресценция белков, что позволяет значительно увеличить чувствительность анализа [6 - 8]. Основной недостаток ИК флуоресценции низкий квантовый выход, а кроме того, вода является тушителем такой флуоресценции.
Флуоресцентные маркеры встраивают в организованные системы, такие как мицеллы, липосомы, циклодекстрины [9, 10], коллоидные [11] и микрокристаллические среды [12], которые могут значительно увеличить флуоресценцию люминофора [13, 14]. Так усиление флуоресценции УЬ комплексов порфиринов наблюдается при встраивании их в мицеллярные или липосомальные растворы [15].
Не только редкоземельные комплексы порфиринов, но и безметальные порфирины, а также комплексы порфиринов с другими металлами эффективно используются для разработки хемо- и биосенсоров [16 - 18], методов иммуноанализа с флуоресцентной регистрацией [19].
Исследование порфиринов в мицеллярных средах представляет самостоятельный научный интерес. В работах последних лет представлены исследования флуоресцентных свойств порфиринов в прямых [20 - 23] и обратных [24 - 26] мицеллах. Исследуются взаимодействия порфиринов с липопротеидами [27], водорастворимыми белками [28], мицеллами, содержащими ДНК [29].
Мицеллы - динамические образования; они могут обмениваться поверхностно-активными веществами с окружающим раствором [30]. Мицеллы можно рассматривать как вязкие и полярные растворители. Полярность и микровязкость упорядоченного молекулярного ансамбля значительно влияет на флуоресцентные характеристики. Было показано, что высокая микровязкость мицелл увеличивает флуоресценцию таких соединений как цианиновые красители, содержащих систему сопряженных двойных связей [31, 32]. Тип поверхностно-активного вещества влияет на свойства светочувствительных веществ, встроенных в мицеллы [33, 34]. Например, квантовый выход фотоионизации в мицеллах ЭБЭ больше, чем в мицеллах Тритона Х-100 [35, 36].
Встраивание флуоресцирующего вещества в ленгмюровские пленки, представляю щие собой двумернокристаллические структуры, может значительно увеличить кван товый выход флуоресценции, как то происходит в мицеллярных системах. Нами были
„ тли
ценция УЬ-, Иу-, Тт-комплексов мезотетрафенилпорфиринов в ленгмюровских пленках [37 - 40]. Следует отметить ряд работ, посвященных изучению сенсибилизированной флуоресценции в видимом диапазоне спектра /3-дикетонатных комплексов редкоземель-
ных элементов (в основном комплексов Еи3+) в ленгмюровских пленках [41 - 46].
Итак, исследования флуоресценции различных соединений в конденсированных си сгемах являются основой для поиска условий наиболее эффективного применения исследуемых маркеров для методов биохимического и медицинского анализов с флуоресцентной регистрацией, а использование соединений, флуоресцирующих в ИК диапазоне, позволяет снизить до минимума флуоресценцию белка (флуоресценцию фона) и, тем са мым, повысить чувствительность анализа.
В настоящей работе исследовано влияние поверхностно-активных веществ на флуоресцентные характеристики УЬ комплекса мезотетра(р-сульфофенил)порфирина
Рис. 1. Структурная формула Yb комплекса мезотетра(р-сульфофенил)порфирина.
Водорастворимый комплекс УЬТСФП был синтезирован согласно работам [47, 48]. Структурная формула УЬТСФП приведена на рис. 1. Были использованы следующие ПАВ (фирма Serva, Германия): (1) анионный - додецилсульфат натрия (SDS) СЯз-(СЯ2)ц050зЛга; (2) катионный - цетилтриметиламмоний бромид (СТАВ) - СН3-(CH7)15N(CH3)3Br: (3) неионогенный - Тритон Х-100 - СН3-С(СНг)2СН7-С(СН*)2-феяил-[СН2-СН2-0}пН (га = 9,10). Раствор УЬТСФП готовили в тридистиллиро-ванной воде в концентрации Ю-3 М. Для спектральных измерений раствор УЬТ С ФП
{УЬТСФП).
0S03H
OSO3H
смешивали с 1% (масс.) водным раствором ПАВ таким образом, чтобы концентрация порфирина составляла Ю-6 М. Спектры поглощения измеряли на спектрофотометре Shimadzu UV-VIS 3100, спектры флуоресценции на спектрофлуориметре Shimadzu 5001 (Япония). При измерении спектров флуоресценции щели возбуждения/регистрации со ставляли 3/20 нм. Отметим, что в работе [49] флуоресценцию Yb комплексов порфи-ринов в растворах измеряли при щелях, составляющих 0.4 мм (возбуждения и реги страции). В нашей работе для того, чтобы уменьшить влияние рассеянного света при измерении спектров флуоресценции, использовали фильтр ЖС-16. Интегральная интенсивность флуоресценции - величина, использованная ниже, - это площадь под кривой спектра флуоресценции. Отклик спектрофлуориметра в ИК диапазоне тестировали с помощью арсенидогаллиевых диодов [50], излучающих в ИК диапазоне (га 930 нм).
X, нм
Рис. 2. Спектры поглощения £(А) раствора УЪТСФП (10_6М); 1 - вода; 2-1% БОБ; 3 -1% Тритон Х-100; 4-1% СТАВ.
В спектре поглощения УЬТСФП полоса Соре смещена на 3 нм в длинноволновую область в 808 и в Тритоне Х-100 (418 нм) и на 10 нм в СТАВ (425 лм) относительно полосы в водном растворе (415 нм) (рис. 2). Эта разница, по-видимому, вызвана изменением окружения центрального иона УЬ3+ в порфириновом макроцикле при взаимо действии с активными группами ПАВ. На рис. 3. показаны спектры ИК флуоресценции
УЬТСФП в 1% растворах ПАВ: I - SDS; II - Triton X-iOO; III - СТАВ и IV - вода. Спектр имеет один максимум при 980 им в ПАВ и 2 максимума при 970; 1000 им в воде. Полоса поглощения во всех ПАВ смещена в длинноволновую область, а интенсивность флуоресценции падает в ряду: SDS > Тритон Х-100 > Н^О > СТАВ, Ионные мицеллы имеют различный заряд поверхности, следовательно солюбилизация флуоро-фора в ионных мицеллах подвергает его воздействию внешнего электрического поля на водно-мицеллярной поверхности, что и приводит к изменению флуоресценции.
нм X, нм
Рис. 3. Спектры флуоресценции УЬТСФП (10-6М)1% растворах ПАВ: I - SDS; II - Три-тон Х-100; III - СТАВ; IV - вода.
Можно было бы ожидать во всех случаях увеличения интенсивности флуоресценции УЬТСФП в мицеллах по сравнению с водной средой, которая является ее тушителем. Ион УЬ3+ в УЬТСФП, как и СТАВ, имеет положительный заряд; влияние встраивания УЬТСФП в мицеллы положительно заряженного СТАВ не только не способствует усилению, но приводит к снижению интенсивности ИК флуоресценции. В противоположность этому разница зарядов порфиринового комплекса и SDS приводит к значительному возгоранию флуоресценции.
На рис. 4 показана зависимость интегральной интенсивности флуоресценции УЬТ С ФП от мицеллярного веса ПАВ (средняя масса одной мицеллы в а.е., данные взяты из [51]) относительно интегральной интенсивности УЬТСФП в водном раство-
5
тритон Х-100 . 1% СТАВ ;
0
Мицеллярный вес (:
Рис. 4. Зависимость относительной интегральной интенсивности ИК флуоресценции УЬТСФП от мицеллярного веса ПАВ (Б - площадь под кривой спектра флуоресценции УЬТСФП в мицеллярном растворе, Б0 - площадь под кривой спектра флуоресценции УЬТСФП в воде).
ре. Интенсивность ИК флуоресценции УЬТСФП в мицеллах ЭВБ возрастает в 4.5 раза, тогда как нейтрально заряженный Тритон Х-100 практически не увеличивает интенсивность флуоресценции УЬТ С ФП. По-видимому, отрицательный заряд кислорода в БОБ создает эффективные условия передачи энергии возбуждения на УЬ ион с порфириново-го макроцикла. Тушение положительно заряженным СТАВ приводит к восьмикратному снижению интенсивности флуоресценции по сравнению с мицеллами БОБ. Такое снижение флуоресценции также может быть вызвано взаимодействием УЬ3+ с атомом брома, присутствующим в СТАВ, который является тушителем флуоресценции, как и многие тяжелые атомы [52]. Тушение флуоресценции водорастворимого порфирина в мицеллах СТАВ также исследовано в работе [53].
Таким образом, показано, что микроокружение и его полярность влияет на эффективность флуоресценции УЬТ С ФП в целом (при встраивании в мицеллы)., и в особенности, на ион УЬ3+, флуоресценция которого регистрируется в ЙК диапазоне. НаиЬоль шее усиление ИК флуоресценции УЬТСФП (в 4.5 раза) относительно водного раствора последнего достигается при его встраивании в мицеллы анионного додецилсульфата натрия.
Отметим, что выяснение фотофизических параметров (тонкая структура спектра, квантовые выходы и т.д) УЬ'ГСФП не является целью настоящей статьи. В настоящей работе был определен тип ПАВ (анионный - додецилсульфат натрия), встраивание в мицеллы которого, способствует наибольшему из исследованных ПАВ усилению флуоресценции УЬТСФП.
Проведенные исследования могут быть полезны для разработки новых методов им-муноанализа с использованием маркеров, флуоресцирующих в ИК области, где отсутствует фоновая флуоресценция белка. Применение методик, повышающих эффективность флуоресценции маркера, может значительно увеличить чувствительность анализа.
Коллектив авторов выражает благодарность к.х.н. Румянцевой В. Д. (МГАТХТ им. М. В. Ломоносова) за синтез иттербиевого комплекса.
Работа поддержана грантом N НШ-1788.2003.2.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Г а й д у к М. И., Г р и г о р ь я н ц В. В., М и р о н о в А. Ф. и др. ДАН СССР, 309, 980 (1989).
[2] Schomacker К., Gaidouk М. I., Rumyantseva V. D., et al. Nuklearmedizin, 38, N 7, 285 (1999).
[3] В о у 1 e R. W. and D о 1 р h i n D. Photochem. Photobiol., 64, 469 (1996).
[4] Гайдук M. И., Григорьянц В. В.,Миронов А. Ф. и др. Журнал прикладной спектроскопии, 46, N 1, 163 (1986).
[5] Wong С.- P. Inorg. Sintesis series, 22, 156 (1983).
[6] R о s е 1 1 i С., В о u s s а с A., M a t t i о 1 i T. A., et al. Proc. Natl. Acad. Sei., USA, 93, 14333 (1996).
[7] R о s e 1 1 i С., В о u s s а с A., and Mattioli T. A. Proc. Natl. Acad. Sei., USA, 91, N 26, 12897 (1994).
[8] M a t t i о 1 i T. A., R о s e 1 1 i C., and Boussac A. Biochim. Biophys. Acta, 1101, N 1, 121 (1992).
[9] Y a n g R., L i K., W a n g K., et al. Anal. Chem., 75, N 3, 612 (2003).
[10] M a z z a g 1 i a A., A n g e 1 i n i N., D a г с у R., et al. Chemistry, 9, N 23, 5762 (2003).
[11] Chen С., X i a n g J., X u G., and Z h о u B. Chem. Phys. Lett., 315, N 5 - 6, 371 (1999).
[12] Т г a u D., Yang W., Seydack М., Caruso F., et al. Anal. Chem., 74, N 21, 5480 (2002).
[13] Acharya K. R., Bhattacharya S. C., and M oulik S. P. J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 109, 29 (1997).
[14] I ben I. В. T, S t a v о 1 a M., M а с g r e g о г R. В., et al. Biophys. J., 59,1040 (1991).
[15] Соловьев К. H., Ц в и р к о М. П., Качу р а Т. Ф. Оптика и спектроскопия, 40, N 4, 648 (1976).
[16] Nakamura C.,Takeda S., Kageshima M., et al. Biopolymers, 76, N
1, 48 (2004).
[17] Zhang X. В., G u о С. С., L i Z. Z., et al. Anal. Chem., 74, N 4, 821 (2002).
[18] Damos F. S., Sotomayor Mdel P., К u b о t a L. Т., et al. Analyst, 128, N 3, 255 (2003).
[19] Савицкий А. П. "Флуоресцентный иммуноанализ". В: Итоги науки и техники, серия Биотехнология, 3, 117 (1987).
[20] Kim J. -О., Lee Y. -A., Y u п В. H., et al. Biophys. J., 86, 1012 (2004).
[21] L e b о 1 d T. P., Y e о w E. K. L., and S t e e r R. P. Photochem. Photobiol. Sci., 3, N 2, 160 (2004).
[22] Gandini S. С. M., Y u s h m a n о v V. E., and T a b a k M. J. Inorg. Biochem., 85, N 4, 263 (2001).
[23] G u о L. and Liang Y. Q. Spectrochim. Acta A: Mol. Biomol. Spectrosc., 59, N
2, 219 (2003).
[24] Gerhardt S. A., Lewis J. W., Zhang J. Z., et al. Photochem. Photobiol. Sci., 2, N 9, 934 (2003).
[25] Y u J., W a n g X., Z h a n g В., С h e n J., et al. PCCP: Phys. Chem. Chem. Phys., 5, N 17, 3660 (2003).
[26] T о g a s h i D. M. and С о s t a S. M. B. PCCP: Phys. Chem. Chem. Phys., 4, N 7, 1141 (2002).
[27] В о n n e a u S., V e v e r - В i z e t С., M о r 1 i ё r e P., et al. Biophys. J., 83, 3470 (2002).
[28] A n d r a d e S. M. and С о s t a S. M. B. Biophys. J., 82, 1607 (2002).
[29] D e P а о 1 i V. M., D e P а о 1 i S. H., В о r i s s e v i t с h I. E., Tedesco A. C. J. Alloys Сотр., 344, N 1 - 2, 27 (2002).
[30] A d 1 е г A., L о n g о F. R., F i n а г е 1 1 i J. D., et al. J. Org. Chem., 32. 476 (1967).
[31] К u z m i n M. and Z a i t e v N. "Kinetics of photochemical charge separation in micellar solutions" in: "The Interface Structure and Electrochemical Processes at the Boundary Between Two Immiscible Liquids", Ed.: Kazarinov V., Berlin, Heidelberg Springer-Verlag 1987, p. 207.
[32] A i к a w a M., Y e к t a A., L i n J. -M., and T u г г о N. J. Photochem. Photobiol., 32, 297 (1980).
[33] S h i n о d a K., Tamamushi В. -I., Nakagawa Т., and Isemura T. "Colloidal surfactants. Some photochemical properties". New York and London, Academic Press, 1963.
[34] Gelbart W. M., Ben-Shaul A., and R о u x D. "Micelles, membranes, microemulsions, and monolayers", New York, Springer-Verlag, 1994.
[35] Humphry-Beker R. and G r a t z e 1 M. J. Am. Chem. Soc., 102, 847 (1980).
[36] В e r n a s A., Grand D., Hauteclorue S., and Chaurbaudet A. J. Phys. Chem., 85, 3684 (1981).
[37] Чудинова Г. К., Наговицын И. А., Карпов Р. Е., Савранский В. В. Квантовая электроника, 33, N 9, 765 (2003).
[38] Chudinova G., Rumiantseva V., and Chudinov A. European Conference Thin Organized Films, Proceedings, 1998, Potsdam, Germany, University of Potsdam, Institute of Physics, 1988, p. 342.
[39] Chudinova G., Rumiantseva V., and Nagovitsyn I. VIHth International Conference on Spectroscopy and Chemistry of Porphyrins and their Analogs, Book of Abstracts, Minsk, Republic of Belarus, Sept, 22 - 26, 1998, Published by the В. I. Stepanov Institute of Physics, 1988, p. 81.
[40] Наговицын И. А., Чудинова Г. К., Румянцева В. Д., Лобанов А. В. VI Международная конференция "Наукоемкие химические технологии", тезисы докладов, 1999, 25 - 29 октября, Москва, МГАТХТ им. Ломо носова, 1999, с. 208.
[41] Yang J. -Н., Z h u G. -Y., and W u В о. Anal. Chim. Acta, 198, 287 (1987).
[42] С i Y. -X. and L a n Z. -H. Anal. Lett., 21, N 8, 1499 (1988).
[43] Yang Jinghe, Ren Xuezhen, Zou Huabin, Shi Ruiping. Analyst, 115, 1505 (1990).
[44] Xu Y.-Y., Hemmila I., М и к к а 1 а V. -М., et al. Analyst, 116,1155 (1991).
[45] Zhong С., F e n g Y.,Yang K., and Z h u G. Chem. Lett., 775 (1996).
[46] Zhong G. -L. and Y a n g K.- Z. Langmuir, 14, 5502 (1998).
[47] G a i d u к M., Grigoryants V., M i г о n о v A., and Rumyantseva V. Proc. Estonian Acad. Sei. Phys. Math., 40, N 3, 198 (1991).
[48] Adler A., L о n g о F. R., F i n a r e 1 1 i J. D., et al. J. Org. Chem., 32, 476 (1967).
[49] Meng J. X., L i K. F., Y u a n J., et al. Chem. Phys. Lett., 332, 313 (2000).
[50] Иванов В. И., Аксенов А. И., Ю ш и н A.M. "Полупроводниковые опто-электронные приборы. Справочник" под ред. Н. Н. Горюнова, М., Энергоатомиздат, 1984, с. 31.
[51] S h i п о d а К., Tamamushi В. -I., Nakagawa Т., and Isemura Т. "Colloidal surfactants. Some photochemical properties", New York and London, Academic Press, 1963.
[52] J1 а к о в и ч Дж. "Основы флуоресцентной спектроскопии", М., Мир, 1986.
[53] L е b о 1 d Т. P., Y е о w Е. К., and S t е е г R. Р. Photochem. Photobiol. Sei., 3, N 2, 160 (2004).
ЦЕНИ Института общей физики
им. А. М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 7 апреля 2004 г.
