Введение к работе
Актуальность темы. В связи с расширением областей использования
сложных органических соединений (и в первую очередь красителей) в усло
виях воздействия на них светового излучения все большую актуальность
приобретает изучение процессов взаимодействия таких молекулярных сис
тем со светом. Из множества органических красителей важное место зани
мают соединения, молекулы которых обладают излучательными переходами,
проявляющимися в ближнем ИК диапазоне. Это обусловлено как спецификой
оптических свойств в указанном спектральном диапазоне, так и широкими
возможностями применения оптических систем с использованием такого из
лучения: в лазерной технике, регистрирующих слоях оптических дисков, ин
фракрасной фотографии, биологических системах и т.д. К такого рода веще
ствам следует, прежде всего, отнести циашшовые красители, составной ча
стью которых являются полиметиновые красители (ПК) и дицианометилено-
вые производные пирана - одни из немногих классов органических молекул,
обладающих относительно низкоэнергетическими электронно-
возбужденными состояниями. Изучение спектрально-люминесцентными методами фотофизических и фотохимических свойств молекул этого класса, а также влияния на них внешних воздействий (природы растворителей, температуры и т.д.), учитывая их важность для выяснения природы электронных переходов и связанной с этим фотодеструкцией соединений, а также возможностей и условий использования красителей, является актуальной задачей. Подобные исследования представляют интерес и в плане построения общей картины протекания фотофизнческих процессов в сложных органических молекулах.
Анализ литературных данных свидетельствует, что к началу выполнения настоящей работы имелась недостаточная информация о природе различных полос поглощения и испускания ПК, малоизученными оставались закономерности фотодеструкции этих соединений. Выяснение механизма фотопревращений и установление корреляций последних со структурными особенностями молекул красителей открывают пути управления их фотоста-билыюстыо: посредством целенаправленного синтеза новых соединений;
2 введением дополнительных веществгнодбором типа растворителя, вязкости, температуры и т.п.
Исследования фотоники ПК в полимерных пленках, поглощающих в области излучения полупроводниковых лазеров (ближний ИК диапазон), представляют несомненный интерес и с точки зрения выяснения механизма формирования информационных питов на регистрирующих слоях оптических дисках для однократной записи и многократного ее воспроизведения. На такого рода дисках получена одна из самых высоких для практически реализованных систем плотность записи (до 108 бит/см2), обеспечено бесконтактное считывание информации и высокая надежность воспроизведения, скорость поиска и передачи данных. Вместе с тем, выявленные закономерности при исследовании процессов взаимодействия со светом молекул ПК в растворах, следует с осторожностью переносить на красители в полимерных слоях. Это связано со значительными структурными изменениями и различной динамикой их поведения в вязких средах, иными константами скоростей внутримолекулярных переходов в ПК, а также с различными концентрационными эффектами.
Оптико-физические методы получают все более широкое распространение и в биологии. Одно из таких направлений - использование фотосенсибилизаторов для фототерапии рака в результате взаимодействия с биологическими структурами различной степени сложности. Применяемые в настоящее время в практической медицине фотосенсибилизатсры имеют весьма существенный недостаток, связанный с тем, что проникновение света в биологические ткани в области поглощения пигментов и глубина повреждения опухоли после фотовоздействия на них все еще незначительны; кроме того, повреждаются окружающие здоровые ткани. В связи с этим перспективным является изучение фотоники биоактивных соединений, имеющих интенсивное поглощение в спектральной области прозрачности биологических тканей
- а именно в ближнем ИК диапазоне. Существенный интерес в этом плане
представляют полиметшювые красители.
Связь работы с научными программами и темами. Диссертационная работа выполнялась в рамках общегосударственных программ и проектов:
- Тема "Краситель" выполнялась по постановлению № 136 от 18.04.78г. ГК
СМ СССР, № гос. регистрации 79021891, 1978-1980 гг.;
- Тема "Спектроскопия 13" по Республиканской комплексной программе
"Развитие спектроскопических методов и их применение для исследования
свойств, структуры и превращения вещества", № гос. регистрации 81021737,
1981-1985т;
-Тема "Спектрально-поляризационными и кинетическими методами изучить эффективность преобразования энергии светового возбуждения сложяьши молекулами и центрами окраски" по Республиканской комплексной программе "Спектроскопия-2", № гос. регистрации 01860022820, 1986-1990 гг.;
Тема "Разработать методы, аппаратно-программные средства и исследовать фотофизические свойства сложных органических молекул с целью создания на их основе новых эффекгивных лазерных сред и управляющих элементов" по программе АН СССР "Молекулярная люминесценция", № гос. регистрации 01910049117, 1991-1995 гг.;
Тема "Исследовать спектроскопические характеристики и фотохимические превращения в конденсированных средах - сложных молекулах, комплексах и центрах окраски" выполняемая по распоряжению Минобразования, № гос. регистрации 19961222,1996-2000 гг.
Исходя из важности понимания физики процессов, происходящих в цианиновых красителях после акта взаимодействия их с квантами возбуждающего света сформулирована и цель настоящей диссертационной работы: установление закономерностей фотоники молекул цианиновых красителей и на этой основе выработка рекомендаций по оптимизации их. структуры и свойств, целенаправленному поиску новых соединений, перспективных для квантовой электроники и медицины.
Объекты и предмет исследования. В работе приведены результаты исследования фотоники цианиновых красителей: известных и ряда новых симметричных полиметиновых красителей, а также производных красителя БСМ(4-дицианометилен-2-метил-6-[р-(диметиламино)стирил]-4Н-пиран).
Методология и методы проведенного исследования. При выполнении работы использованы методы молекулярного спектрального анализа и фотолюминесценции при температуре образцов от 77 К до 363 К. В процессе работы осуществлялась регистрация электронных спектров поглощения и флуоресценции, замедленной флуоресценции, фосфоресценции и возбуждения люминесценции, проводились измерения квантового выхода, степени
4 поляризации и длительности флуоресценции молекул красителей и их фотопродуктов. Для анализа структуры молекул привлекались методы спектроскопии комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения. Методы лазерной спектроскопии использованы при исследовании генерационных свойств красителей, методы фотохимии - для определения квантовых выходов и кинетики фотодеструкции красителей.
Разработан ряд методик, элементов и узлов, составляющих основу спектрометрических комплексов: методика и комплекс аппаратуры для исследования по флуоресценции красителей непосредственно в опухолевых тканях кинетики накопления и выведения фотосенсибилизаторов; оптическая схема и конструкция импульсного спектрофлуориметра с временным диапазоном от 0,5 не до 16,4 мке для изучения кинетики затухания люминесценции, временных зависимостей спектров и анизотропии люминесценции, определения среднего числа фотонов люминесценции на один импульс возбуждения; на основе регрессионного анализа спектров поглощения в ближнем ИК-диапазоне методика (включая аппаратуру и программное обеспечение) по определению количественного и качественного состава углеводородных смесей.
Научная новизна. В диссертации впервые:
показано, что электронные спектры поглощения ПК в высокочастотной области формируются не только за счет оптических переходов в системе термов концевых групп молекул красителей, но и вследствие аналогичных переходов в высокие электронные состояния метановой цепи сопряжения;
установлена решающая роль испускания молекул с нарушенной п - электронной системой связей метановой цепи сопряжения в возникновении коротковолнового свечения полиметшювых красителей при стоксовом возбуждении;
обнаружено и исследовано явление увеличения анизотропии флуоресценции полиметшювых красителей в растворах при уменьшении вязкости растворителей (с ростом температуры); наблюдаемое аномальное явление отнесено за счет изменения соотношения между временем жизни в возбужденном состоянии молекул красителей и временем их вращательной релаксации;
по люминесценции в спектральном диапазоне 1,27 мкм выявлена способность полиметиновых красителей и дицианометиленовых производных пи-
5 ранового ряда к образованию сииглетного кислорода и его роль в фотодеструкции последних;
предложен механизм необратимых фотопревращений полиметиновых красителей в растворах и полимерных слоях при возбуждении фотонами различной энергии;
дана интерпретация влияния структурных особенностей молекул полиметиновых красителей на эффективность фотообесцвечивания, на основании которой созданы новые красители с модифицированной метиновой цепью, обладающие более высокой (в 5-10 раз) фотостабильностью;
обнаружено и интерпретировано значительное (в 1,5 раза) изменение к.п.д. генерации растворов ПК при нагревании (охлаждении) в диапазоне 10-30С, достигнуто повышение эффективности генерации при использовании многокомпонентных растворов ПК;
выявлена фототоксичность полиметиновых красителей с ортофениленовым мостиком в цепи сопряжения в отношении опухолевых клеток (in vitro и in vivo) и определены оптимальные условия их применения.
Практическая (экономическая, социальная) значимость полученных результатов. Разработанные методики, фотометрические схемы на основе зеркальной оптики и импульсные источники света использованы при разработке систем и узлов спектрофлуорометрической аппаратуры, которая может применяться при решении широкого круга задач. Выяснение механизма необратимых фотопревращений и связи структурных особенностей молекул полиметиновых красителей с их фотостабильностью позволили провести целенаправленный синтез новых эффективных лазерных сред, обладающих высокой фотоустойчивостыо. Результаты по исследованию спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик растворов многокомпонентных смесей дали возможность улучшить их параметры. Ряд препаратов на основе новых полиметиновых красителей являются потенциально эффективными фотосенсибилизаторами для целей фототерапии онкологических заболеваний.
Экономическая значимость работы состоит в возможности использования рекомендаций по оптимизации параметров уже имеющихся и новых по-гаметиновых красителей при их производстве (в качестве коммерческих іроду ктов).
Основные положения диссертации, выносимые на^ащиту
-
Отнесение полос в высокочастотной области спектра поглощения полиметиновых красителей к электронным переходам в системе термов определенных фрагментов молекул. Свечение полиметиновых красителей с квантовым выходом, превышающим 10"3 в высокочастотной области при сто-ксовом возбуждении, является испусканием молекул с нарушенной п - электронной системой связей метановой цепи сопряжения.
-
Аномальная зависимость анизотропии флуоресценции полиметиновых красителей в растворах при изменении вязкости (нагревании), несмотря на несферичность молекул адекватно описывается в рамках модели, учитывающей более быстрое по сравнению с временем вращательной релаксации изменение времени жизни молекул красителей в возбужденном состоянии.
-
Способность молекул полиметиновых красителей к генерации синг-летного кислорода и механизм его фотосенсибилизации. Взаимосвязь процесса образования синглетного кислорода молекулами полиметиновых красителей и необратимых фотопревращений этих соединений в растворах и полимерных пленках при возбуждении в области частот менее 22000 см". Резкое возрастание эффективности фотообесцвечивания полиметиновых красителей при возбуждении в высокочастотной области является следствием образования в таких условиях радикалов.
-
Краситель DCM и его производные обладают способностью генерации синглетного кислорода, однако с ним не взаимодействуют. Необратимое фотообесцвечивание этого класса красителей происходит вследствие фотореакции, имеющей радикальный характер.
-
Эффективные пути управления генерационными свойствами и фото-стабильностыо полиметиновых красителей при использовании их в качестве основы лазерных сред. Обнаруженное изменение к.п.д. генерации растворов полиметиновых красителей в узком диапазоне температур (10 -г 30 С) хорошо укладывается в рамки модели, учитывающей влияние на этот параметр процесса внутренней конверсии. Путем использования многокомпонентных растворов для полиметиновых красителей возможно достигнуть увеличения энергетического к.п.д. генерации в 1,5 раза.
-
Предложенные новые красители обеспечивают широкий диапазон перестройки длины волны генерации (620 нм -ь 1150 им) и отличаются повышенной фотостабилыюстыо, а перспективные в качестве основы регистрирующих слоев оптических дисков для записи информации удовлетворяют требованиям международного стандарта.
-
Новые индолининовые трикарбоцианиновые красители с ортофени-леновым мостиком в цепи сопряжения, поглощающие в области прозрачности биологических тканей, как фотосенсибилизаторы для фототерапии рака при оптимальных условиях фотовоздействия обеспечивают гибель клеток на глубину опухолевых тканей до 14 мм.
Личный вклад соискателя. В диссертации представлены результаты работ, выполненных автором, начиная с постановки задачи исследования, осуществления подготовки и выполнения измерений и кончая анализом и интерпретацией полученных результатов. Кроме того, Е.С.Воропай участвовал в процессе постановки ряда задач и при интерпретации экспериментальных результатов; А.П. Луговский, Г.М. Сосновский, Ю.Л. Пташников, О.Н. Бубель и М.В. Эрдман осуществляли синтез исследованных соединений; другие соавторы участвовали в организации, проведении отдельных экспериментальных измерений и обсуждении их результатов.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на III Всесоюзной конференции "Лазеры на основе сложных органических соединений и их применение" (Ужгород, 1980 г.), на III Всесоюзной конференции по органическим люминофорам (Харьков, 1980 г.), на Всесоюзном совещании по люминесценции, посвященном 90-летшо со дня рождения академика С.И.Вавилова (Ленинград, 1981 г.), на IV Всесоюзном совещании по фотохимии (Ленинград, 1981 г.), на IV Всесоюзном совещании по молекулярной люминесценции и ее применениям (Харьков, 1982 г.), на Ш Всесоюзном симпозиуме "Физика и химия полиметиповых красителей" (Киев, 1982 г.), на IV Всесоюзной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Новосибирск, 1983 г.), на Втором координационном совещании "Фотохимия лазерных сред на красителях" (Киев, 1984 г.), на Всесоюзной конференции "Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве" (Харьков, 1984 г.), на Всесоюзном совещании по фотохимии (Суздаль, 1985
8 г.), на Всесоюзном_симпозиуме "Физика и -химия полиметиновьтх красителей" (Звенигород, 1985 г.), на Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986 г.), на рабочем координационном семинаре по фотохимии лазерных сред на красителях (Минск, 1986 г.), на 2 Всесоюзной конференции "Теоретическая и прикладная оптика" (Ленинград, 1986 г.), на V Всесоюзной конференции "Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве" (Харьков, 1987 г.), на Всесоюзном совещании по молекулярной люминесценции (Караганда, 1989 г.), на VI Всесоюзного совещании по фотохимии (Новосибирск, 1989 г.), на V Всесоюзном симпозиуме "Физика и химия по-лиметиновых красителей" (Черноголовка, 1989 г.), на VII Всесоюзном координационном совещании "Фотохимия лазерных сред на красителях" (Луцк, 1990 г.), на VII Всесоюзной конференции "Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве" (Харьков, 1990 г.), на Международной конференции "Лазерная оптика 93" (С.-Петербург, 1993 г.), на Международной конференции "Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии" (Гродно, 1993 г.), на Международной конференции по люминесценции ( Москва, 1994 г.), на Республиканской конференции "Научное и аналитическое приборостроение" (Минск, 1995 г.), на Международной конференции "Лазерная физика и спектроскопия" (Гродно, 1995 г.), на Международной научной конференции "Физика и химия органических люминофоров" (Харьков, 1995 г.), на Втором съезде Белорусского общества фотобиологов и биофизиков "Молекулярно-клеточные основы функционирования биосистем" (Минск, 1996 г.), на межгосударственной научно-технической конференции "Квантовая электроника" (Минск, 1996 г.), на Европейской конференции по квантовой электронике (Hamburg, 1996 г.), на 1 съезде онкологов стран СНГ (Москва, 1996 г.), на 16-ом форуме по раковым заболеваниям (Paris, 1996 г.), на международной конференции BIOS'97 (San Jose, 1997).
Опубликованность результатов. Результаты, вошедшие в настоящую диссертационігую работу, опубликованы в 25 статьях в научных журналах, 8 статьях в сборниках, 43 тезисах докладов на конференциях, защищены 4 авторскими свидетельствами и одна заявка подана на выдачу патента. Общее количество страниц опубликованных материалов составляет - 276.
9 Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, перечня условных обозначений, 6 глав, заключения, списка литературы. Полный объем диссертации содержит 268 страниц, из них 170 страниц текста, 23 таблицы, 49 рисунков и списка литературы из 281 наименований.
