Cząsteczki i światło. Jacek Waluk. Instytut Chemii Fizycznej PAN Kasprzaka 44/52, Warszawa

Transkrypt

1 Cząsteczki i światło Jacek Waluk Instytut Chemii Fizycznej PAN Kasprzaka 44/52, Warszawa

2 10 19 m (1000 lat świetlnych) 10-5 m (10 mikronów) gwiazd w naszej galaktyce gwiazd we Wszechświecie cząsteczek

3 Oddziaływanie promieniowania z materią Absorpcja Emisja Rozpraszanie Promieniowanie elektromagnetyczne

4 Stany wzbudzone Diagram Jabłońskiego Przejścia promieniste: fluorescencja (F) i fosforescencja (P) Przejścia bezpromieniste: konwersja wewnętrzna (IC), przejście międzysystemowe (ISC), fotochemia

5 Dynamika zaniku stanów wzbudzonych: możliwość śledzenia najszybszych reakcji chemicznych Femtochemia Xie

6 Obserwacja pojedynczych cząsteczek: ostateczna granica czułości chemii analitycznej

7 Techniki obserwacji pojedynczych cząsteczek: Fluorescencja Widma Ramana Mikroskopia: (a) AFM: sił atomowych (b) skaningowy mikroskop tunelowy

8 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 (

9 Brainbow, Jean Livet/Harvard Center for Brain Science (2007) 10 Images That Changed the Course of Science (And One That Is About To)

10 t-bu t-bu Obrazy fluorescencji trzech różnie zorientowanych cząsteczek N H N N H N t-bu t-bu H. Piwoński, A. Hartschuh, N. Urbańska, M. Pietraszkiewicz, J. Sepioł, A. Meixner, J. Waluk, J. Phys. Chem. A. 2009, 113, 11514

11 Rejestrowanie sygnału fluorescencji pojedynczych cząsteczek Przygotowanie próbek techniką rozwirowywania cienkie warstwy ~ 20nm małe stężenie ~ M silne laserowe wzbudzenie > kw/cm 2 stosowanie obiektywów o dużej aperturze numerycznej czułe detektory

12 Dlaczego warto badać pojedyncze cząsteczki? W pomiarze klasycznym poznajemy tylko średnią wartość poszukiwanego parametru = 90 O = 45 O = 0 O W eksperymencie z pojedynczymi obiektami poznajemy rzeczywisty rozkład wartości poszukiwanego parametru 50% 50% 0 O 90 O

13 Alexa Fluor488-labelled biotinylated DNA (P. Stockley and A. Smith)

14 Sekwencjonowanie DNA

15 Spektroskopia ramanowska pojedynczych cząsteczek

16 SERRS (wzmocniona powierzchniowo rezonansowa spektroskopia ramanowska)

17 Widma Ramana pojedynczych cząsteczek porficenu osadzonych na nanocząstkach Au (293 K)

18 H Pc-d 0 Pc-d 12 D

19

20 Mikroskopia AFM i STM Atomy ksenonu na powierzchni niklu

21 IBM Research (2009) 10 Images That Changed the Course of Science (And One That Is About To)

22 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, (2014); Phys. Rev. Lett. 111, (2013)

23 Światło = energia! Fotowoltaika Nowe źródła światła Luminescencja nowych chromoforów Sondy fluorescencyjne NAE najważniejsze wyzwanie dla inżynierów 21-go wieku: ekonomiczna energia słoneczna Elektrochemiluminescencja OLEDy Philips Plazmonika

24 wzbudzenie cząsteczka + + elektron cząsteczka

25 Fotokataliza BioEcotech Official Website

26 Diagnozowanie i leczenie chorób nowotworowych Fototerapia dynamiczna

27 Terapia fotodynamiczna

28 Fotouczulacz Tlen S 1 F T 1 1 O 2 S 0 ET 3 O 2 N H N N H N N H N N H N 1 2

29 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

30

31 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.

32 Czujniki fluorescencyjne

33 Sensory - dlaczego fluorescencja? czułość selektywność nieinwazyjność czas odpowiedzi koszt rozdzielczość przestrzenna stosowanie w terenie nabór danych na odległość

34 (Niedaleka?) przyszłość

35 Rice University

36

37 Dziękuję