Люминесцентные и парамагнитные полиэлектролит-стабилизированные коллоиды на основе комплексов Tb(III) и Gd(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]ареновой платформе для биоаналитического применения Шамсутдинова Наталья Александровна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Литературный обзор 12

1.1 Люминесцентные свойства лантанид-ионов и их комплексов 12

1.1.1 Люминесцентные свойства комплексов лантанид-ионов с 1,3 дикетонатами 15

1.1.2 Основные механизмы сенсорной функции комплексов лантанид-ионов 16

1.2 Магнитно-релаксационные свойства лантанид-ионов и их комплексов 23

1.3 Лантанид-содержащие наночастицы

1.3.1 Наночастицы структуры "ядро-оболочка" 31

1.3.2 Полиэлектролит-стабилизированные коллоиды 33

ГЛАВА 2 Экспериментальная часть 39

2.1 Объекты исследования 39

2.2 Методика синтеза полиэлектролит-стабилизированных коллоидов 40

2.3 Аппаратура, условия и методики эксперимента

2.3.1 Метод изомолярных серий (метод Джоба) 49

2.3.2 Приготовление буферных растворов 51

ГЛАВА 3 Комплексообразование ионов Tb(III) С 1,3-дикетонатами на макроциклических платформах 53

3.1 Установление состава комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на макроциклических платформах 53

3.2 Люминесцентные свойства комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]ареновой платформе 65

3.3 Люминесцентные свойства комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]резорцинареновой платформе 69

ГЛАВА 4 Полиэлектролит-стабилизированные коллоиды на основе комплексов Tb(III) С 1,3-дикетонатами на макроциклических платформах 73

4.1 Коллоидные и фотофизические свойства полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на макроциклических платформах 73

4.2 Стабильность фотофизических свойств полиэлектролит-стабилизированных

коллоидов на основе комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]резорцинареновой платформе 81

4.3 Субстрат-индуцированный люминесцентный отклик полиэлектролит стабилизированных коллоидов на основе комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]резорцинареновой платформе 84

4.3.1 Субстрат-индуцированный люминесцентный отклик на пирокатехин и его производные 85

4.3.2 Субстрат-индуцированный люминесцентный отклик на антибиотики фторхинолонового ряда 90

4.3.3 Субстрат-индуцированный люминесцентный отклик на антибиотики тетрациклинового ряда 94

ГЛАВА 5 Полиэлектролит-стабилизированные коллоиды на основе комплексов Gd(III) С 1,3-дикетонатами на макроциклических платформах 100

5.1 Коллоидные свойства полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов Gd(III) с 1,3-дикетонатами на макроциклических платформах 100

5.2 Магнитно-релаксационные характеристики полиэлектролит стабилизированных коллоидов на основе комплексов Gd(III) с 1,3-дикетонатами на макроциклических платформах 105

5.3 Применимость полиэлектролит-стабилизированных коллоидов для биоаналитических и медицинских целей 111

Заключение 120

Список условных обозначений и сокращений 122

Список литературы 124

• Люминесцентные свойства комплексов лантанид-ионов с 1,3 дикетонатами
• Аппаратура, условия и методики эксперимента
• Люминесцентные свойства комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]резорцинареновой платформе
• Субстрат-индуцированный люминесцентный отклик на антибиотики фторхинолонового ряда

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Уникальные фотофизические и магнитно-релаксационные характеристики делают лантанид-ионы перспективными кандидатами для создания на их основе люминесцентных сенсоров и парамагнитных зондов для применения в биоаналитических и медицинских целях. В частности, использование люминесцентных комплексов лантанид-ионов обеспечивает высокое соотношение сигнал:шум. Кроме того, в отличие от чисто органических хромофоров, для комплексов лантанид-ионов становятся возможными создание и оптимизация их сенсорной функции за счет таких механизмов, как смешанно-лигандное комплексообразование и перелигандирование. Особый интерес исследователей привлекает наноразмерный подход к созданию таких функциональных материалов, поскольку включение комплексов лантанид-ионов в наночастицы позволяет свести к минимуму деструктивные процессы, обусловленные их кинетической лабильностью.

Магнитно-резонансная томография является одним из наиболее широко применяемых и перспективных методов неинвазивной медицинской диагностики. Парамагнитные свойства комплексов гадолиния(III) позволяют применять их в медицинской диагностике в качестве Т1-контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии. Литературные данные свидетельствуют о том, что включение комплексов гадолиния(III) в наночастицы позволяет улучшить их магнитно-релаксационные характеристики и понизить токсичность таких структур.

Степень разработанности темы. Создание наноразмерных функциональных сенсоров с целью их применения в биоанализе на сегодняшний день хорошо освещено в литературе. Работы по данному направлению посвящены и люминесцентным, и парамагнитным сенсорам и зондам, которые потенциально могут применяться в условиях in vitro, ex vivo и in vivo анализа. Тем не менее, синтетические методики получения таких структур остаются достаточно сложными и в большинстве случаев не являются универсальными с точки зрения выбора функциональных соединений. Таким образом, на сегодняшний день сохраняется необходимость создания простой и универсальной методики получения наноразмерных функциональных сенсоров и зондов.

В течение последнего десятилетия в создании наноразмерных люминесцентных
маркеров и контрастных агентов на основе комплексов лантанид-ионов есть большие
достижения. Тем не менее, закономерности субстрат-индуцированного люминесцентного
отклика комплексов в составе наночастиц практически не выявлены. В литературе представлен
ряд примеров гадолиний-содержащих наноматериалов, магнитно-релаксационные

характеристики которых значительно превышают аналогичные параметры коммерчески применяемых контрастных агентов. Однако на сегодняшний день не разработана теория,

позволяющая коррелировать магнитно-релаксационные характеристики наночастиц с их размерами и морфологией.

Научная новизна работы заключается:

в выявлении особенностей комплексообразования 1,3-дикетонатов на каликс[4]ареновой и каликс[4]резорцинареновой платформах с ионами тербия(III) и определении фотофизических характеристик для создания на их основе полиэлектролит-стабилизированных коллоидов;

в оптимизации методики синтеза полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов тербия(III) и гадолиния(III) с выбранными макроциклическими лигандами путем варьирования температурных, временных и концентрационных условий;

в установлении закономерностей субстрат-индуцированного люминесцентного отклика ионов тербия(III) на присутствие субстратов в гомогенных условиях органического комплекса и в гетерогенных условиях полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на его основе;

в выявлении влияния морфологии гадолиний-содержащих темплатов и состава стабилизирующей их полиэлектролитной оболочки на магнитно-релаксационные характеристики полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов гадолиния(III), а также в оценке возможности их применения в качестве контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии.

Целью работы является получение функциональных (люминесцентных и

парамагнитных) полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов
тербия(III) и гадолиния(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]ареновой и

каликс[4]резорцинареновой платформах и определение их фотофизических и магнитно-релаксационных характеристик.

Для достижения поставленной цели в ходе выполнения работы были решены следующие задачи:

выявлены особенности комплексообразования ионов тербия(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]ареновой и каликс[4]резорцинареновой платформах и определены фотофизические характеристики образующихся комплексов;

оптимизирована известная из литературы методика послойной адсорбции противоположно заряженных полиэлектролитов на твердых темплатах для получения полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов тербия(III) с макроциклическими лигандами, изучены фотофизические характеристики полученных дисперсий и их стабильность в различных условиях;

установлены закономерности возникновения субстрат-индуцированного люминесцентного отклика комплексов тербия(III) на присутствие хелатирующих субстратов в гомогенных условиях раствора комплекса в N,N-диметилформамиде и в гетерогенных условиях водных дисперсий полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на его основе;

получены высокорелаксивные полиэлектролит-стабилизированные коллоиды на основе
комплексов гадолиния(III) с макроциклическими лигандами, определено влияние морфологии
гадолиний-содержащих темплатов и состава коллоидно стабилизирующей их
полиэлектролитной оболочки на магнитно-релаксационные характеристики водных дисперсий,
а также оценена возможность их применения в качестве контрастных агентов для магнитно-
резонансной томографии.

Теоретическая и практическая значимость. В данной работе получены
фундаментально значимые результаты по оптимизации морфологии и состава полиэлектролит-
стабилизированных коллоидов на основе комплексов тербия(III) и гадолиния(III) для придания
им люминесцентных и парамагнитных свойств, которые, в свою очередь, являются
предпосылкой их практического применения в качестве сенсоров и контрастных агентов.
Разработана простая, одностадийная и воспроизводимая методика получения полиэлектролит-
стабилизированных коллоидов на основе водонерастворимых комплексов лантанид-ионов.
Полученные коллоиды на основе комплексов тербия(III) обладают стабильно высокой
интенсивностью люминесценции в широком интервале рН и в течение длительного времени, а
также обладают сенсорной функцией. Значения коэффициентов релаксационной

эффективности полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов гадолиния(III) в четыре раза превышают аналогичные характеристики коммерческих гадолиний-содержащих контрастных агентов, что делает их перспективными кандидатами на роль контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии.

Методология и методы исследования. В ходе выполнения диссертационной работы был применен комплекс современных физико-химических методов: люминесцентная спектроскопия, динамическое светорассеяние, порошковая дифрактометрия, малоугловое рентгеновское рассеяние, электрофорез, спектроскопия электронного поглощения, ESI масс-спектрометрия, атомно-силовая микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, ¹Н ЯМР-спектроскопия и протонная ядерная магнитная релаксация.

Положения, выносимые на защиту:

закономерности комплексообразования ионов тербия(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]ареновой и каликс[4]резорцинареновой платформах;

оптимизация методики синтеза полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов тербия(III) и гадолиния(III);

фотофизические и коллоидные характеристики полиэлектролит-стабилизированных наночастиц на основе комплексов тербия(III), их стабильность во времени, при различных значениях рН и в присутствии буферов;

смешанно-лигандное комплексообразование на границе раздела фаз темплат/раствор комплексов тербия(III) в составе коллоидов с хелатирующими субстратами, приводящее к

субстрат-индуцированному люминесцентному отклику, а также его зависимость от состава внешнего полиэлектролитного слоя;

магнитно-релаксационные и коллоидные характеристики полиэлектролит-стабилизированных наночастиц на основе комплексов гадолиния(III);

корреляция между магнитно-релаксационными характеристиками полиэлектролит-стабилизированных коллоидов, морфологией гадолиний-содержащих темплатов и составом полиэлектролитной оболочки, выявляющая перспективы их применения в качестве контрастных агентов.

Личный вклад автора. Автор принимал участие в постановке цели и задач
исследования, анализе литературных данных по теме диссертации, выполнении и обработке
экспериментальных исследований, обсуждении результатов работы и формулировке выводов,
подготовке статей и тезисов докладов. Диссертантом были лично выполнены эксперименты
методами люминесцентной спектроскопии, спектроскопии электронного поглощения,
динамического рассеяния света, электрофореза и ядерной магнитной релаксации, а также
подготовлены образцы для их изучения с помощью методов просвечивающей электронной
микроскопии, ESI масс-спектрометрии, порошковой дифрактометрии, малоуглового

рентгеновского рассеяния, атомно-силовой микроскопии и ЯМР-спектроскопии.

Степень достоверности результатов. Достоверность представленных результатов
подтверждается воспроизводимостью экспериментальных данных, полученных с

использованием комплекса современных физико-химических методов исследования, таких как люминесцентная спектроскопия, динамическое рассеяние света, спектроскопия электронного поглощения, ESI масс-спектрометрия, ядерная магнитная релаксация, просвечивающая электронная микроскопия, порошковая дифрактометрия, малоугловое рентгеновское рассеяние, атомно-силовая микроскопия и ЯМР-спектроскопия.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на 8 международных конференциях в виде 2 стендовых и 7 устных докладов: XII Международной конференции по наноструктурным материалам "NANO 2014" (Москва, 2014), ХХVI Международной Чугаевской конференции по координационной химии (Казань, 2014), IX Международной конференции молодых ученых по химии "Менделеев–2015" (Санкт-Петербург, 2015), XII Международной конференции "Спектроскопия координационных соединений" (Туапсе, 2015), I Международной школе-конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Биомедицина, материалы и технологии XXI века" (Казань, 2015), V Международном симпозиуме "Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных структур" (Казань, 2016), Кластере конференций "Оргхим-2016" (Санкт-Петербург, 2016), XIII Международной конференции "Спектроскопия координационных соединений" (Туапсе, 2016).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей в международных журналах, 4 из которых рекомендованы ВАК, а также 9 тезисов докладов на конференциях международного уровня.

Объем и структура работы. Работа изложена на 147 страницах, содержит 25 таблиц, 54
рисунка, 21 схему, 219 библиографических ссылок. Диссертационная работа состоит из
введения, литературного обзора (Глава 1), экспериментальной части (Глава 2), обсуждения
результатов (Главы 3–5), заключения, списка сокращений и списка литературы. В главе 1
рассматриваются люминесцентные и магнитно-релаксационные свойства лантанид-ионов, а
также основные механизмы субстрат-индуцированного люминесцентного отклика. Кроме того,
в этой главе рассмотрены примеры лантанид-содержащих структур типа "ядро-оболочка",
представленных в литературе. Глава 2 включает в себя объекты исследования, описание
условий эксперимента, методов исследования, методик приготовления буферных растворов и
синтеза полиэлектролит-стабилизированных коллоидов. Глава 3 посвящена изучению процесса
комплексообразования макроциклических лигандов с ионами тербия(III), установлению
стехиометрии, спектральных и фотофизических характеристик образующихся комплексов.
Представлены возможные способы координации ионов металла выбранными лигандами,
которые были определены в ходе квантово-химических расчетов на основе экспериментальных
данных. Глава 4 содержит обсуждение экспериментально полученных данных для
полиэлектролит-стабилизированных частиц на основе ионов тербия(III). Глава 5 посвящена
изучению магнитно-релаксационных и коллоидных свойств полиэлектролит-

Люминесцентные свойства комплексов лантанид-ионов с 1,3 дикетонатами

Люминесценция лантанид-ионов возможна лишь с определенных уровней, называемых резонансными (4G5/2, 5D0, 5D4 и 4F9/2 для ионов самария(III), европия(III), тербия(III) и диспрозия(III), соответственно). Для повышения энергетической подпитки резонансного уровня лантанид-иона необходимо, чтобы его энергия была близка к энергии триплетного уровня "антенны". Однако слишком близкие энергии триплетного уровня лиганда и резонансного 4f-уровня иона металла также нежелательны, что обусловлено высокой вероятностью обратного переноса энергии с лантанид-иона на триплетный уровень лиганда. Эффективность переноса энергии с органического лиганда на лантанид-ион пропорциональна площади перекрывания спектра фосфоресценции лиганда со спектром поглощения лантанид-иона [16]. Металл-центровая люминесценция при возбуждении ультрафиолетовым (УФ) светом не может наблюдаться для комплексов гадолиния(III), так как они обладают достаточно высокой энергией резонансного уровня. Кроме того, люминесцентные свойства не проявляют соединения лантана(III) и лютеция(III), которые обладают пустой и полностью заполненной 4f-оболочкой, соответственно.

Механизм переноса энергии от лиганда-"антенны" к лантанид-иону был подробно описан в работах Кросби и Вэна [17-19] и схематично представлен на схеме 1.2.

Схема 1.2 – Механизм сенсибилизации люминесценции в комплексах лантанид-ионов ("эффект антенны"). A – поглощение света, F – флуоресценция, P – фосфоресценция, L – лантанид-центровая люминесценция, ISC – интеркомбинационная конверсия, ET – перенос энергии [2] Перенос энергии с триплетного уровня лиганда на возбужденный уровень лантанид-иона может происходить по механизмам Декстера и Ферстера. Перенос энергии по механизму Декстера включает в себя обменное взаимодействие, требующее взаимного электронного обмена между "антенной" и лантанид-ионом. В этом случае необходим непосредственный контакт между участвующими в переносе компонентами для обеспечения орбитального перекрывания "антенны" и иона металла [20]. В основе энергопереноса по механизму Ферстера лежит диполь дипольное кулоновское взаимодействие "антенны" и лантанид-иона. Эффективность переноса энергии по механизму Ферстера убывает пропорционально r-6 (r – межмолекулярное расстояние между хромофором и металлоцентром) [21, 22]. В качестве лиганда-"антенны" для сенсибилизации люминесценции ионов тербия(III) и европия(III) применяются 1,3-дикетонаты [23-25], тридентатные пиридиновые дикарбоновые кислоты [26-28], полидентатные пиридины [29-31], терпиридины [32, 33], а также производные криптандов [34, 35], каликс[n]аренов [36] и краун-эфиров [37].

Важное место в координационной химии лантанид-ионов занимают их 1,3-дикетонатные комплексы. Наиболее полно условия комплексообразования лантанид-ионов с различными -дикетонами, а также свойства 1,3-дикетонатных комплексов рассмотрены в работе Биннеманса [2]. Кроме того, в этой же работе представлены возможности их применения в аналитических целях.

-дикетоны представляют собой органические соединения, в состав которых входят две карбонильные группы, разделенные между собой одним атомом углерода (-углерод). В большинстве 1,3-дикетонов заместителем у -углерода является атом водорода. Заместителями при карбонильных группах могут выступать алкильные, фторалкильные, ароматические и гетероароматические группы. Смена заместителей при карбонильных группах приводит к изменению энергии триплетного и синглетного возбужденных уровней лиганда, что находит отражение в люминесцентных свойствах дикетонатных комплексов. Для -дикетонов характерно явление кето-енольной таутомерии – обратимого перехода из кетонной формы в енольную. При депротонизации 1,3-дикетонов атом водорода уходит от -углерода (в кетонной форме) или от гидроксогруппы (в енольной форме) (схема 1.3). Комплексы -дикетонатов с лантанид-ионами кинетически лабильны, что проявляется в высокой скорости лигандного обмена в растворах [2].

Для трис--дикетонатных комплексов лантанид-ионов характерно образование смешанно-лигандных комплексов (аддуктов) в результате взаимодействия с дополнительными лигандами, в качестве которых также выступают основания Льюиса. Это обусловлено высокими значениями координационных чисел лантанид-ионов. В литературе известны дикетонатные аддукты лантанид-ионов с такими лигандами, как 2-(2,4-дисульфофенид)-имидазо-[4,5-f]-(1,10)-фенантролин, 5-нитроизофталевая кислота, 2,4,5-три(4-пиридил)-имидазол, 2-(пиридил-N-оксид)-метилфосфоновая кислота, 2-(2-пиридилметилен)-гидразид [38-41]. Смешанно-лигандное комплексообразование лантанид-ионов имеет важное практическое значение в связи с возможностью его применения в сенсорике.

Применение комплексов лантанид-ионов в качестве сенсоров основано на детектировании их люминесцентного отклика при взаимодействии с субстратом. При этом может наблюдаться как снижение интенсивности (тушение) лантанид 17 центровой люминесценции, так и ее увеличение (сенсибилизация). Тушение может происходить по статическому и динамическому механизмам (схема 1.4). Тушение по динамическому механизму происходит в результате безызлучательного переноса энергии с возбужденного уровня люминофора на возбужденные уровни тушителя при их диполь-дипольном взаимодействии (схема 1.4а). Такой перенос энергии может происходить только при определенном расстоянии между молекулами люминофора и тушителя [42].

К тушению по статическому механизму могут приводить следующие процессы: ионный обмен, при котором происходит вытеснение лантанид-иона из его комплекса ионами металла-тушителя с образованием комплекса, не проявляющего люминесцентных свойств; лигандный обмен, при котором во внутренней координационной сфере лантанид-иона происходит замена лиганда-"антенны" на лиганд, не обладающий такими свойствами, что также приводит к образованию нелюминесцирующего комплекса; реабсорбция, при которой происходит поглощение молекулой-тушителем люминесцентного излучения (схема 1.4б) [42].

Аппаратура, условия и методики эксперимента

Эксперименты по снятию время-разрешенных спектров люминесценции проводились к.ф.-м.н. Лапаевым Д.В. с использованием оптического спектрометра на основе дифракционного монохроматора MDR-23 (LOMO) совместно с фотоэлектронным умножителем ФЭУ-100 [165]. В ходе выполнения эксперимента были использованы следующие параметры съемки: возбуждение люминесценции проводилось импульсным азотным лазером ЛГИ-21, длина волны возбуждения – 337 нм, частота следования импульсов 100 Гц, средняя выходная мощность вблизи образца – 1.7 мВт, продолжительность импульса – 10 нс.

Спектры ЯМР регистрировались на спектрометре Bruker AVANCE-600 при 303К с рабочей частотой 600.13 МГц. Растворы были приготовлены в растворителе ДМФА-d7. Химические сдвиги были определены относительно сигналов остаточных протонов дейтерорастворителя (ДМФА: (1Н) 2.9 м.д.). ЯМР эксперимент был выполнен к.х.н. Сякаевым В.В.

Спектры электронного поглощения были получены с помощью спектрофотометра Lambda 35 (Perkin Elmer). Для экспериментов были использованы 10 мм кварцевые кюветы, диапазон длин волн составил 250–800 нм, щель – 1 нм.

ESI масс-спектры (ESI – ионизация электрораспылением или ионизация распылением в электрическом поле) были получены с помощью масс-спектрометра с ионной ловушкой AmaZon X. Масс-спектры были получены к.х.н. Бабаевым В.М.

Средний гидродинамический диаметр частиц (dh) в водном растворе, индекс их полидисперсности (ПДИ), а также электрокинетический потенциал (-потенциал) были определены с использованием анализатора размера наночастиц ZetaSizer Nano (Malvern Instruments). Источник излучения – He-Ne газовый лазер с длиной волны излучения 633 нм и мощностью 4 мВт. Автокорреляционные функции флуктуаций интенсивности рассеянного образцом света были проанализированы с помощью программного обеспечения Malvern DTS. Измерения выполнялись при фиксированном значении угла рассеяния света – 173. Вычисление гидродинамического диаметра частиц (dh) было выполнено с использованием уравнения Стокса-Эйнштейна для сферических частиц (уравнение 2.4): 37T7]dh где kB - константа Больцмана, Т - абсолютная температура, ц - вязкость растворителя, D - коэффициент диффузии. Для каждого образца коэффициент диффузии был измерен не менее трех раз. Средняя ошибка эксперимента составила 4%. Для определения значений -потенциала было использовано доплеровское лазерное измерение скорости и фазовый анализ рассеяния света. Ошибка измерения составила 10%. Для измерения гидродинамического радиуса частиц были использованы одноразовые 12 мм полистирольные кюветы, для определения их -потенциала - одноразовые капиллярные поликарбонатные кюветы с золотыми электродами.

Морфология полиэлектролитных наночастиц была изучена методом прерывисто-контактной атомно-силовой микроскопии (АСМ) с использованием сканирующего зондового микроскопа MultiMode V (Veeco) к.х.н. Низамеевым И.Р. При выполнении эксперимента был использован кантеливер (250-350 кГц) с силиконовым наконечником (радиус кривизны составляет 10-13 нм). Изображения с разрешением 256256 были получены с использованием сканера 8279JV, скорость сканирования - 1 Гц. Для предотвращения искажений под внешним воздействием была применена антивибрационная система (SG0508). В ходе пробоподготовки водная дисперсия полиэлектролитных наночастиц (0.01 гл-1) после предварительной ультразвуковой обработки была нанесена на подложку слюды (неровность нанесения не более 1-5 нм). Сканирование поверхности проводилось после выпаривания растворителя (воды).

Для изучения структуры ядра полиэлектролитных наночастиц был применен метод просвечивающей (трансмиссионной) электронной микроскопии (ПЭМ) (Hitachi HT7700). Изображения образцов были получены к.х.н. Низамеевым И.Р. Образцы коллоидов после предварительной ультразвуковой обработки были нанесены на медную сетку с размером ячеек 300 mesh, покрытую непрерывным слоем формвара. Ускоряющее напряжение при съемках было равно 100 кВ.

Квантово-химическое моделирование проводилось с использованием программного обеспечения MOPAC2012 [166]. Для моделирования структуры комплексов тербия(III) был применен полуэмпирический метод PM7 с использованием параметров лантанидов [167], которые позволили снизить время вычисления и используемые ресурсы, а также достигнуть точности расчетов, сравнимой с неэмпирическими методами. Моделирование комплексов лантанид-ионов с 1,3-дикетонатными производными каликс[4]арена (L1 и L2) было выполнено к.х.н. Подъячевым С.Н., с кавитандом L3 - д.х.н. Кацюбой С.А.

Порошковые рентгеновские дифрактограммы были получены с использованием дифрактометра Braker D8 Advance, оснащенного приставкой Vario, с использованием Си излучения (40 кВ, 40 мА), монохроматизированного с помощью монохроматора Йохансона ( Си Кі 1.5406 ). Данные для твердых образцов были получены при комнатной температуре в режиме отражения с плоской кремниевой пластины. Дифрактограммы были записаны в диапазоне 2в = 3-60 с шагом 0.008, время задержки 0.1-4.0 с. Обработка полученных данных была выполнена с использованием программного обеспечения EVA [168]. Дополнительные эксперименты были выполнены на монокристальном дифрактометре Braker Smart Apex II CCD с использованием Mo излучения (МоКа, графитовый монохроматор, А, 0.71073) при температуре 23оС для жидких образцов в стеклянном капилляре толщиной 2 мм. ССD-детектор дифрактометра был установлен на фиксированные значения угла 2 (0 и 30), время записи составило 30-400 с. Стандартные одномерные порошковые дифрактограммы были получены с помощью объединения нескольких двухмерных диаграмм рассеяния с использованием программного обеспечения АРЕХ2 [169]. Дифрактограммы образцов были получены д.х.н. Губайдуллиным А.Т.

Данные малоуглового рентгеновского рассеяния (МУРР) были получены с помощью системы МУРР Braker AXS Nanostar с CuK ( 1.5418) излучением в 2.2 кВт рентгеновской трубке (35 кВ, 40 мА), объединенной с зеркальной оптикой Gobbel и детектором HiStar 2D. Луч был направлен с помощью трех точечных диафрагм с отверстиями 800, 450 и 700 мкм. Для получения данных в диапазоне 0.1 2 4.8 (0.007 q 0.34 -1) расстояние между образцом и детектором составило 64.1 см. Диаграммы рассеяния были получены для образцов при температуре 23оС в вакуумированной камере. Для жидких образцов измерения проводились в переходном режиме с использованием стеклянных капилляров толщиной 2 мм, содержащих исследуемый раствор. Обработка двухмерных картин рассеяния была произведена с использованием программного обеспечения SAXS [170]. Эксперимент МУРР был выполнен д.х.н. Губайдуллиным А.Т.

Люминесцентные свойства комплексов Tb(III) с 1,3-дикетонатами на каликс[4]резорцинареновой платформе

Как было показано ранее (глава 3.1), в случае кавитанда на каликс[4]резорцинареновой платформе для достижения равновесных условий процесса комплексообразования с ионами тербия(III) требуются одни сутки, в это время происходит динамическое изменение структуры и состава образующегося комплекса. Происходящие в органическом растворе изменения структуры образующихся комплексов тербия(III) должны находить отражение и в соответствующих спектрах эмиссии. Как видно из полученных данных (рисунок 3.12 и таблица 3.4), выбранный кавитанд, наряду с уже рассмотренными каликс[4]ареновыми производными L1 и L2, способен проявлять эффект антенны по отношению к тербий-центровой люминесценции. В спектрах, представленных на рисунке 3.12, отчетливо видны изменения люминесцентных свойств исследуемых растворов во времени. В спектрах возбуждения видна тенденция к снижению во времени интенсивности полосы в области 300–310 нм наряду с появлением широкой интенсивной полосы при 320–350 нм (рисунок 3.12а). Полученные данные хорошо согласуются с представленными в главе 3.1 результатами спектроскопии электронного поглощения (рисунок 3.2).

В таблице 3.4 представлены значения интенсивности люминесценции при длине волны 545 нм, которой соответствует основной пик тербий-центровой люминесценции, и соответствующие времена жизни возбужденного состояния ионов тербия(Ш), которые были измерены в различных концентрационных и временных условиях. Как видно из полученных данных интенсивность тербий-центровой люминесценции проявляет тенденцию к увеличению (при длинах волн возбуждения 320-330 нм) со временем хранения раствора. В то же время наблюдается уменьшение значений времени жизни возбужденного состояния ионов тербия(Ш) (таблица 3.4). Этот факт свидетельствует об увеличении количества люминесцентных комплексов и изменении их структуры во времени.

Ожидалось, что в комплексах состава 1:2 (металл:лиганд) эффект антенны лиганда по отношению к тербий-центровой люминесценции будет более выражен, что должно приводить к лучшим фотофизическим характеристикам по сравнению с комплексами состава 1:1. Однако, экспериментальные данные (таблица 3.4) свидетельствуют об отсутствии значительных различий между значениями интенсивности люминесценции для растворов с концентрационным соотношением Tb(N03)3:L3, равным 1:1 и 1:2. Таким образом, установлено, что эквимолярное соотношение нитрата тербия(Ш) и лиганда L3 является оптимальным для наблюдения эффективной тербий-центровой люминесценции в растворе. Таблица 3.4 -Интенсивность люминесценции при 545 нм (I, отн.ед.) и время жизни возбужденного состояния ионов тербия(Ш) (т, мс; Яет = 545 нм) ДМФА растворов с различным концентрационным содержанием ТЬ(1ЧОз)з, L3 и ТЭА в зависимости от времени хранения образцов при различных длинах волн возбуждения

Большое значение для безызлучательных переходов имеет наличие молекул растворителя в ближайшем окружении ионов тербия(III). Как видно из схемы 3.2 (стр. 61), при трансформации структуры комплекса тербия(III) с кавитандом L3 изменяется и количество молекул растворителя в координационной сфере иона металла. Таким образом, в комплексах различной структуры безызлучательные переходы должны быть выражены в разной степени. С этой точки зрения, значения времен жизни возбужденного состояния должны быть выше для комплексов со структурой в (схема 3.2, стр. 61), чем со структурами б и г. Таким образом, структуры комплексов, определенные с помощью квантово-химических расчетов, хорошо согласуются с экспериментально зафиксированными изменениями фотофизических характеристик и стехиометрии комплексов во времени.

Увеличение концентрации ионов тербия(III) в два раза не приводит к улучшению фотофизических характеристик исследуемых растворов (рисунок 3.12б и таблица 3.4): значения интенсивности люминесценции растворов с соотношениями металл:лиганд 1:1 и 2:1 близки. Кроме того, в растворах с избытком соли тербия(III) рост интенсивности люминесценции со временем менее выражен, чем в случае растворов с эквимолярным соотношением металл:лиганд. Из вышесказанного можно сделать вывод, что самоагрегация кавитанда и его комплексов с ионами тербия(III) может быть исключена из ряда причин, вызывающих замедление процесса комплексообразования. Тем не менее, в щелочных условиях ДМФА растворов нельзя пренебрегать гидролизом ионов тербия(III). Однако высокие значения времен жизни возбужденного состояния ионов тербия(III) сразу после приготовления растворов и их уменьшение со временем хранения растворов не согласуются с трансформацией гидроксокомплексов тербия(III) в дикетонатные. Таким образом, основной причиной длительного протекания процесса комплексообразования ионов тербия с лигандом L3 остается замедленный процесс кето-енольной таутомерии в данных условиях [164].

Субстрат-индуцированный люминесцентный отклик на антибиотики фторхинолонового ряда

Наряду с внутрисферным обменом молекул воды, одним из ключевых факторов, влияющих на релаксационную эффективность гадолиний-содержащих коллоидов, является размер твердого парамагнитного ядра [201, 203, 210-218]. В первую очередь, это обусловлено тем, что увеличение размера темплатов гадолиния(III) приводит к замедлению внутримолекулярного вращения комплекса. Как известно из литературы [214], это является одним из способов повышения релаксационной эффективности в полях низкой напряженности.

Однако совместно с замедлением вращения, увеличение размера твердого темплата приводит и к изменению соотношения числа центров гадолиния(III) вблизи поверхности раздела фаз темплат/раствор и тех, что локализованы внутри ядра. Релаксационная эффективность определяется парамагнитными центрами, расположенными на поверхности твердого темплата, в то время как комплексы гадолиния(III), заключенные внутри него, не вносят вклада в релаксацию [202, 218]. В связи с большой площадью поверхности раздела фаз высокой релаксивностью обладают пористые кристаллические металлорганические структуры (MOF) [208]. Влияние внешнесферных кристаллических молекул воды на релаксационную эффективность гадолиний-содержащих MOF описано в работах [201-203, 208, 217-219]. Представляет интерес сопоставить релаксационные эффективности коллоидов с аморфной природой твердых ядер в составе полиэлектролитных коллоидов с известными из литературы магнитно-релаксационными характеристиками коллоидов на основе нанокристаллов комплексов гадолиния(III). Большинство известных из литературы величин находятся в диапазоне 12–20 мМ-1с-1, кроме отдельных лидеров с коэффициентами релаксационной эффективности выше 30 мМ-1с-1 [11].

Из литературы известно, что оптимальный размер гадолиний-содержащих ядер для получения высокорелаксивных структур составляет порядка пяти нанометров [201]. Как видно из ПЭМ-изображений (рисунок 5.1), твердые темплаты в составе полиэлектролит-стабилизированных коллоидов имеют размер порядка 3–7 нм независимо от лигандного окружения ионов гадолиния(III). Высокие значения спин-решеточной (r1) и спин-спиновой (r2) релаксационной эффективности для ПСС-[GdxLy] (L = L1, L2, L3) коллоидов (таблица 5.3) свидетельствуют о доступности большинства гадолиний-содержащих центров для водного обмена. Полученные данные сравнимы с соответствующими значениями наночастиц на основе MOF, несмотря на аморфность используемых твердых темплатов. Этот факт указывает на важность нахождения ионов гадолиния вблизи поверхности твердых темплатов на релаксацию протонов воды даже в отсутствии пористой кристаллической упаковки [200].

Как видно из частотной зависимости времен релаксации ПСС-[Gd2L3] коллоидов, представленной на рисунке 5.5, с ростом частоты внешнего магнитного поля спин-решеточная релаксационная эффективность снижается, в то время как спин-спиновая – растет. Частотная зависимость спин-решеточной релаксационной эффективности (r1) не согласуется с тенденцией, описанной в литературе для моноядерных комплексов гадолиния(III) [208]. Полученные результаты схожи с тенденцией, описанной в литературе для комплексов гадолиния(III) в режиме замедленного вращения [206]. В частности, режим замедленного вращения является причиной высокой спин-решеточной релаксационной эффективности в низкочастотных полях, и ее заметного ухудшения в магнитных полях с частотами более 7 Тл. Режим замедленного вращения подтверждается вычисленными значениями времен корреляции (таблица 5.3). Существенное увеличение значений спин-спиновой релаксационной эффективности с ростом частоты магнитного поля (таблицы 5.3 и 5.4, рисунок 5.5) хорошо согласуется с увеличивающейся намагниченностью наночастиц комплексов гадолиния(III) в составе коллоидных темплатов в высоких полях [209].

Как правило, влияние внешнего слоя является несущественным фактором для релаксационной эффективности структур на основе оксида гадолиния(III) и нанокристаллы частиц комплексов гадолиния(III) [201]. Более того, как видно из ранее описанных полиэлектролит-стабилизированных коллоидов на основе комплексов тербия(III), их люминесцентные свойства практически не зависят от числа полиэлектролитных слоев. Однако, нанесение на поверхность ПСС-[GdxLy] коллоидов следующего (ПЭИ) слоя приводит к двукратному снижению их релаксационной эффективности (таблица 5.6).

Эта тенденция наблюдается для всех гадолиний-содержащих темплатов независимо от выбора макроциклического лиганда. Стоит отметить, что влияние последующего нанесения третьего полиэлектролитного слоя (ПСС) менее выражено (таблица 5.6). Как показано в работах Каравана [206, 209], для высокой релаксационной эффективности в полях низкой напряженности (0.47 Тл) требуется определенное соотношение корреляционных времен молекулярного вращения и внутрисферного обмена молекул воды. Таким образом, изменение скорости диффузии молекул воды за счет создания нового полиэлектролитного слоя на поверхности парамагнитного твердого ядра может приводить к наблюдаемому снижению релаксационной эффективности ПЭИ-ПСС- и ПСС-ПЭИ-ПСС-[GdxLy] коллоидов (таблица 5.6).