Резонансный перенос энергии в нанобиогибридном материале на основе полупроводниковых квантовых точек и белка бактериородопсина при одно- и двухфотонном лазерном возбуждении Кривенков Виктор Андреевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Наногибридные материалы со свойствами переноса энергии на основе полупроводниковых квантовых точек 14

1.1.Фотофизические свойства полупроводниковых квантовых точек. 15

1.1.1. Основные фотофизические свойства полупроводниковых квантовых точек 15

1.1.2. Фотоиндуцированные процессы в квантовых точках под действием интенсивного

лазерного облучения 27

1.1.3. Процесс двухфотонного поглощения в полупроводниковых квантовых точках 34

1.2. Светочувствительные гибридные структуры но основе полупроводниковых квантовых точек . 39

1.2.1. Применение полупроводниковых квантовых точек при создании светочувствительных гибридных материалов 39

1.2.2. Резонансный перенос энергии и его роль в создании наногибридных материалов на основе квантовых точек 44

1.2.3. Светочувствительный белок бактериородопсин и его применение при создании био-наногибридных светочувствительных структур на основе квантовых точек 46

1.3.Постановка задачи 54

2. Экспериментальные установки, материалы и методика эксперимента 56

2.1.Лазерно-люминесцентный комплекс с фемтосекундной длительностью лазерных импульсов и возможностью времяразрешенных измерений сигналов флуоресценции в режиме время-коррелированного счета фотонов 57

2.1.1. Экспериментальная установка. 57

2.1.2. Анализ кинетики флуоресценции квантовых точек. 62

2.2. Экспериментальная установка для исследования фотоиндуцированных изменений в квантовых точках 64

2.3.Использованные образцы и их характеризация. 66

2.3.1. Синтез квантовых точек и их перевод в водную фазу 66

2.3.2. Измерение квантового выхода люминесценции квантовых точек 73

2.3.3. Метод двухквантового эталона для измерения сечения двухфотонного поглощения. 74

2.3.4. Бактериородопсин 75

2.3.5. Измерение эффективности резонансного переноса энергии. 76

3. Резонансный перенос энергии в системе из полупроводниковых квантовых точек и бактериородопсина при однофотонном импульсном лазерном возбуждении 77

3.1.Исследование резонансного переноса энергии в нанобиогибридных комплексах квантовых точек и бактериородопсина при однофотонном импульсном лазерном возбуждении 78

3.1.1. Исследование резонансного переноса энергии в водных растворах квантовых точек и бактериородопсина при однофотонном импульсном лазерном возбуждении низкой интенсивности (I 105 Вт/см2) 78

3.1.2. Проверка существования комплексов квантовых точек и бактериородопсина на основе измерения эффективности резонансного переноса энергии 82

3.1.3. Определение параметров, влияющих на образование комплексов квантовых точек и бактериородопсина на основе измерения эффективности резонансного переноса энергии 86

3.1.4. Резонансный перенос энергии в комплексах квантовых точек и бактериородопсина

при интенсивном однофотонном лазерном возбуждении (I 107 Вт/см2) 90

3.2.Модификация фотофизических характеристик квантовых точек с целью управления резонансным переносом энергии при помощи импульсного лазерного облучения 94

3.2.1. Изменение величин квантового выхода и времени затухания люминесценции квантовых точек при импульсном лазерном облучении длинами волн 266, 355 и 532 нм 94

3.2.2. Зависимость эффектов изменения квантового выхода люминесценции квантовых точек от интенсивности облучения 97

3.2.3. Физическая модель эффектов изменения квантового выхода люминесценции в квантовых точках при импульсном лазерном воздействии 98

3.3.Метод управления эффективностью резонансного переноса энергии в наногибридных системах с квантовыми точками, основанный на интенсивном лазерном облучении квантовых точек 105

3.4.Выводы по главе 109

4. Резонансный перенос энергии в системе из полупрородниковых квантовых точек и бактериородопсина при двухфотонном лазерном возбуждении 112

4.1.Проверка наличия резонансного переноса энергии в комплексах квантовых точек и бактериородопсина при двухфотонном возбуждении 112

4.2. Зависимость двухфотонно-возбуждаемой люминесценции от интенсивности лазерного возбуждения в комплексах квантовых точек и бактериородопсина 115

4.3.Учет насыщения двухфотонного поглощения в квантовых точках при высокочастотном фемтосекундном лазерном возбуждении 117

4.4.Выводы по главе 126

Заключение и основные выводы 128

Благодарности 132

Список использованной литературы

• Светочувствительные гибридные структуры но основе полупроводниковых квантовых точек
• Экспериментальная установка для исследования фотоиндуцированных изменений в квантовых точках
• Проверка существования комплексов квантовых точек и бактериородопсина на основе измерения эффективности резонансного переноса энергии
• Зависимость двухфотонно-возбуждаемой люминесценции от интенсивности лазерного возбуждения в комплексах квантовых точек и бактериородопсина

Введение к работе

Актуальность темы исследований

В настоящее время возрастает интерес к гибридным материалам на
основе наноструктур для создания оптоэлектронных приборов нового
поколения [1]. Одними из наиболее перспективных наноструктур для

создания таких материалов являются полупроводниковые квантовые точки (КТ), обладающие высокими значениями сечений поглощения в широком диапазоне длин волн [2]. Кроме того, КТ обладают узким (до 20 нм на полувысоте) спектром флуоресценции (ФЛ) [3], максимум которого может быть подобран в широком спектральном диапазоне (от УФ до ближнего ИК), путем изменения размера нанокристалла. При этом квантовый выход ФЛ (КВ) КТ может достигать 100% [4]. Все это позволяет обеспечить высокую эффективность переноса энергии при резонансном диполь-дипольном взаимодействии КТ с другими светочувствительными материалами [5]. Таким образом, КТ могут быть использованы в качестве эффективного концентратора световой энергии, с возможностью её последующей резонансной передачи другим составляющим гибридного материала [6], превосходя в этом качестве традиционные органические красители. Наряду с уникальными линейными оптическими свойствами, КТ обладают на порядки более высокими значениями сечений двухфотонного поглощения (СДП) [7], чем у большинства традиционных флуорофоров, позволяя возбуждать в ИК области спектра те КТ, которые флуоресцируют в видимой области спектра.

В этом контексте особенный интерес вызывают нанобиогибридные материалы на основе биологических фотосинтетических систем, поскольку их основной функцией является разделение зарядов с помощью энергии светового излучения [6]. Ярким примером такой системы является светочувствительный мембранный белок бактериородопсин (БР), известный тем, что за счет транспорта протона через плазматическую мембрану обладает фотовольтаическим эффектом [8]. Он является перспективным материалом для создания нового поколения биогибридных оптоэлектронных устройств, в частности фотовольтаических элементов [9]. Однако, БР поглощает свет в достаточно узком диапазоне длин волн и способен утилизировать менее 5% излучения солнечного спектра, что ограничивает его область применения. КТ могут значительно улучшить способность БР

поглощать свет за счет диполь-дипольного резонансного переноса энергии по механизму Фёрстера (ФРПЭ) от КТ к БР [10], тем самым повышая эффективность фотовольтаического преобразования.

В настоящей работе представлены результаты исследования резонансного переноса энергии в нанобиогибридном материале на основе БР и КТ, при интенсивном одно- и двухфотонном лазерном воздействии.

Цель работы

Изучение процесса резонансного переноса энергии в нанобиогибридной
системе, состоящей из квантовых точек типа ядро-оболочка с ядром CdSe и
светочувствительного мембранного белка бактериородопсина при

интенсивном одно- и двухфотонном лазерном возбуждении.

Задачи работы

1. Создание нанобиогибридного материала из квантовых точек (КТ) и светочувствительного белка бактериородопсина (БР) со свойствами резонансного переноса энергии на наномасштабе.

2. Изучение необратимых фотопроцессов, инициированных импульсно-периодическим лазерным излучением при его воздействии на созданный нанобиогибридный материал.

3. Изучение возможности резонансного переноса энергии от КТ к БР в составе нанобиогибридного материала при двухфотонном возбуждении КТ.

4. Изучение насыщения спектрального перехода квантовых точек в составе нанобиогибридного материала при интенсивном (I > 10⁷ Вт/см²) импульсно-периодическом фемтосекундном двухфотонном возбуждении.

Научная новизна

5. Показано образование электростатически связанных нанобиогибридных комплексов в водных растворах квантовых точек (КТ) и бактериородопсина (БР) при концентрациях 10^-610^-5 моль/л, путем анализа эффективности резонансного переноса энергии под действием фемтосекундного лазерного возбуждения на длине волны 395 нм с пиковыми интенсивностями менее 10⁵ Вт/см².

6. Обнаружено, что импульсно-периодическое лазерное возбуждение КТ на длине волны 395 нм, с интенсивностями до 3,110⁹ Вт/см² и дозами более 10 фДж на частицу, может приводить к росту эффективности резонансного переноса энергии от КТ к БР.

3. Обнаружено, что фотопроцессы, приводящие к изменению квантового выхода и кинетики затухания флуоресценции КТ под действием импульсно-периодического лазерного облучения в диапазонах интенсивностей 10⁵-10⁷ Вт/см² и длин волн 266-532 нм, зависят от длины волны облучения и имеют одноквантовую природу.

4. Предложен новый метод управления резонансным переносом энергии в наногибридных системах на основе КТ, путем изменения величины квантового выхода КТ за счет высокоинтенсивного лазерного облучения в диапазонах интенсивностей 10⁵-10⁷ Вт/см² и длин волн 266-532 нм.

5. Обнаружено, что в электростатически связанных комплексах КТ-БР реализуется резонансный перенос энергии от КТ к БР при селективном двухфотонном возбуждении КТ.

6. Экспериментально обнаружен эффект насыщения поглощения в КТ на длине волны 790 нм в диапазоне интенсивностей 1,710¹⁰2,710¹⁰ Вт/см² при частоте следования импульсов 80 МГц, который пропадает в условиях нанобиогибридного материала, вследствие резонансного переноса энергии.

Практическая значимость работы

1. Разработан и изготовлен нанобиогибридный материал, представляющий собой электростатически связанные комплексы квантовых точек (КТ) и бактериородопсина (БР), в котором реализуется ферстеровский резонансный перенос энергии (ФРПЭ) на наномасштабе.

2. Продемонстрированное наличие резонансного переноса энергии от КТ к БР при одно- и двухфотонном возбуждении позволяет расширить спектральную область, в которой БР преобразует энергию света, и дает перспективу для создания новых оптоэлектронных устройств, работающих при одно- и двухфотонном возбуждении.

3. Результаты экспериментального исследования необратимых фотопроцессов в КТ под действием интенсивного лазерного облучения позволяют осуществлять направленные изменения оптических свойств КТ и подбирать оптимальные условия их эксплуатации.

4. Предложен метод управления ФРПЭ в наногибридных системах на основе КТ без изменения структурных особенностей этих систем, путем фотоиндуцированного изменения квантового выхода флуоресценции КТ. Этот метод может быть использован при исследовании сложных процессов в

наногибридных системах на основе КТ с ФРПЭ на наномасштабе.

5. Результаты исследования насыщения поглощения в КТ при

двухфотонном фемтосекундном лазерном возбуждении позволяют выбирать
оптимальные условия эксплуатации КТ в режиме двухфотонного

поглощения.

Основные положения, выносимые на защиту

5. Показано образование электростатически связанных нанобиогибридных комплексов в водных растворах квантовых точек (КТ) и бактериородопсина (БР) при концентрациях 10^-610^-5 моль/л, путем анализа эффективности резонансного переноса энергии под действием фемтосекундного лазерного возбуждения на длине волны 395 нм с пиковыми интенсивностями менее 10⁵ Вт/см².

6. Обнаружен рост эффективности резонансного переноса энергии от КТ к БР при высокоинтенсивном фемтосекундном лазерном возбуждении КТ на длине волны 395 нм с пиковыми интенсивностями до 3,110⁹ Вт/см² и дозами более 10 фДж на частицу. Дана интерпретация наблюдаемого явления, заключающаяся в изменении величины квантового выхода флуоресценции КТ под действием внешнего облучения.

7. Показано, что наблюдаемые при импульсно-периодическом лазерном облучении фотопроцессы, приводящие к изменению квантового выхода флуоресценции КТ, зависят от длины волны облучения и имеют одноквантовую природу. Предложена физическая модель, описывающая эти процессы.

8. Предложен метод управления резонансным переносом энергии в наногибридных системах с КТ, на основе высокоинтенсивного лазерного облучения КТ в диапазонах интенсивностей 10⁵-10⁷ Вт/см² и длин волн 266-532 нм. Метод заключается в фотоиндуцированном изменении величины квантового выхода флуоресценции КТ и соответствующем изменении вероятности резонансного переноса энергии.

9. Обнаружено, что в электростатически связанных нанобиогибридных комплексах КТ и БР реализуется резонансный перенос энергии от КТ к БР при селективном двухфотонном возбуждении КТ.

10. Определены условия насыщения поглощения в КТ при двухфотонном импульсно-периодическом фемтосекундном лазерном

воздействии. Экспериментально обнаружен эффект насыщения в КТ на длине волны 790 нм в диапазоне интенсивностей 1,710¹⁰2,710¹⁰ Вт/см² при частоте следования импульсов 80 МГц, который пропадает в условиях нанобиогибридного материала, вследствие резонансного переноса энергии.

Апробация работы. Основные результаты работы прошли

апробацию на следующих конференциях: II и III Всероссийские конференции
по фотонике и информационной оптике (Россия, Москва, 2013 и 2014); VIII
Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика —
2013» (Россия, Санкт-Петербург, 2013); Международная конференция «1st
International School and Conference «Saint-Petersburg OPEN 2014» (Россия,
Санкт-Петербург, 2014); Международная конференция «SPIE Photonics
Europe 2014» (Бельгия, Брюссель, 2014); Международная конференция
«Наука будущего» (Россия, Санкт-Петербург, 2014); IV Международная
конференция «Фотоника и информационная оптика» (Россия, Москва, 2015);
Международная конференция «SPIE Optics + Optoelectronics 2015» (Чехия,
Прага, 2015); Международная конференция «Nanomeeting 2015» (Беларусь,
Минск, 2015); Международная конференция «Advances in Functional Materials
2015» (США, Нью-Йорк, 2015); V Международная конференция «Фотоника и
информационная оптика» (Россия, Москва, 2016); Международная

конференция «SPIE Photonics Europe 2016» (Бельгия, Брюссель, 2016); Международная конференция «Photonic Colloidal Nanostructures: Synthesis, Properties, and Applications Conference 2016» (Россия, Санкт-Петербург, 2016).

Вклад автора. Все результаты, представленные в работе, получены автором лично либо при его непосредственном участии.

Публикации. По теме диссертации было опубликовано 11 работ в период с 2013 по 2017 гг. Из них 11 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах, в том числе 10 работ опубликованы в журналах, входящих в базы данных "Web of Science" и "SCOPUS". Список публикаций приведен в конце автореферата.

Связь работы с научными программами. Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы по научным исследованиям и разработкам Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение о предоставлении субсидии от 30.01.2015 г. № 14.584.21.0012, контракт № RFMEF158415X0012).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Объем диссертации составляет 150 страниц, включая 52 рисунка. Список литературы содержит 167 наименований.

Светочувствительные гибридные структуры но основе полупроводниковых квантовых точек

Один из подходов к описанию природы ФЗ и ФР заключается во взаимодействии поверхности КТ с активными молекулами внешней среды. В работе [87], чтобы объяснить наблюдаемые эффекты ФР и ФЗ в неизолированных от окружающий среды монослойных пленках КТ, было сделано предположение, что молекулы воды из воздуха могут адсорбироваться на поверхность КТ, приводя к двум конкурирующим процессам: с одной стороны – они могут пассивировать поверхостные дефекты, приводя к повышению КВ, с другой – при длительном воздействии могут окисляют поверхность КТ, приводя к синему сдвигу спектра ФЛ и падению КВ за счет образования новых дефектов.

Процесс ФЗ был исследован так же для одиночной КТ на подложке [75,88], при этом не наблюдалось периода ФР, но наблюдался сильный синий сдвиг спектра ФЛ до 30 нм на воздухе как в более ранней работе [76]. Процесс ФЗ и этот сдвиг сильно зависели от присутствия кислорода в атмосфере, тогда как в атмосфере азота КТ отличались более высокой стабильностью, хотя тоже деградировали со временем. Авторы объяснили наблюдаемые эффекты в атмосфере, содержащей кислород, фотоиндуцированным окислением КТ с последующим образованием дефектных состояний, тогда как для инертной среды было лишь сделано предположение об образовании дефектов в межповерхностном слое CdSe/ZnS из-за высокой энергии двух-экситонных возбуждений.

Влияние окружения и наличия у КТ оболочки было исследовано в работе [89] для КТ в виде тонких пленок. Было показано, что в инертной среде под воздействием внешнего излучения интенсивность ФЛ у КТ CdSe растет. Интересно, что у КТ CdSe/ZnS при аналогичном эксперименте интенсивность ФЛ падала, причем, как отмечают авторы, природа такого тушения остается неизвестной. Последующее облучение КТ в кислородной среде привели к ФЗ и синему сдвигу спектра как в случае CdSe, так и в случае CdSe/ZnS. Однако КТ CdSe/ZnS оказались более стабильными к воздействию света в присутствии кислорода. Облучение в присутствии молекул воды привело к примерно одинаковому ФР как в случае CdSe, так и в случае CdSe/ZnS. Как видно из этого исследования, процессы ФР и ФЗ могут иметь комплексную природу и включать в себя влияние множества факторов [90].

КТ CdSe в виде тонких пленок исследовались и в работе [91], но в отличие от большинства других работ, после периода ФЗ наступал период ФР, а не наоборот. Предполагается, что под воздействием света существуют два конкурирующих процесса – ФЗ и ФР, причем с изменением интенсивности облучения их вклад в наблюдаемый процесс менялся. Также на основе анализа зависимости процесса от интенсивности, была выдвинута гипотеза о наличии медленного процесса ФР, не связанного с интенсивностью облучения. Уменьшение КВ в этой работе связывалось с ионизацией КТ вследствие Оже-процессов. ФР было объяснено тем, что адсорбированные из атмосферы молекулы газа активируют ФЛ, загоняя носители заряда с поверхности КТ, заряженной в результате ФЗ, обратно внутрь ядра, восстанавливая сигнал. При больших интенсивностях воздействия авторы предполагают наличие процесса фотоокисления поверхности КТ с образованием слоя CdO, который действует как пассивирующий слой, сходно химически выращенной оболочке, и медленно повышает КВ. Такое же объяснение предлагается в работе [92].

Влияние внешних параметров было исследовано и для коллоидных растворов КТ [93]. В работе было исследовано влияние на процессы увеличения КВ и времени жизни ФЛ таких параметров как: наличие оболочки ZnS, тип растворителя и наличие в среде метанола. Было обнаружено, что после облучения при помещении в темноту на долгое время, КВ и время жизни ФЛ КТ падает, но не до начальных значений – это показывает, что наблюдавшийся процесс ФР является частично обратимым. То же самое отмечается и в более поздних работах [94]. Предполагается, что подобные изменения связаны с перестройкой молекул лигандов на поверхности КТ под действием света, приводящей к пассивации дефектных состояний. Это ускоряет процесс возвращения КТ в основное излучающее состояние. Такое же объяснение встречается в другой работе [95], где было показано, что после ФР количество ТОФО-Se связей росло по сравнению с ТОФО-Cd, такая миграция была объяснена ионизацией молекулы ТОФО под действием света.

Взаимодействие излучения с лигандами так же может приводить к деградации коллоидных растворов КТ. Так, в работах [96,97] показано, что под действием облучения раствор КТ, сильно меняет свой спектр поглощения за счет уменьшения оптической плотности. Предполагается, что этот процесс связан с окислением поверхностных лигандов их отсоединением от КТ и последующим выпадением КТ в осадок. Такое предположение подтверждается сильно увеличивающейся стабильностью раствора при наличии в растворе свободных молекул лигандов. Еще одно объяснение фотоиндуцированного взаимодействия КТ и лиганда было предложено намного позднее в работе [98], где предполагается, что после возбуждения лиганд может захватывать дырку из КТ, превращаясь в радикал с последующей возможностью образования дисульфида.

Таким образом, на фотоиндуцированные процессы в КТ влиять как присутствие активных молекул в окружающей среде, так и поверхностные лиганды, находящиеся на поверхности КТ. Важность влияния лигандов подтверждается так же тем фактом, что фотоиндуцированные процессы в КТ происходят даже в отсутствие активных молекул в окружающей среде [89].

Существует также иной подход к описанию процесса ФР КТ. Предполагается, что под воздействием света происходит процесс «активации» части КТ из «темной доли», и их перевод в яркое состояние, при этом КВ ансамбля будет расти [99], а последующее падение КВ предполагается связанным с изменением в структуре КТ. Главной причиной такого переходы считается захват носителей заряда из ядра КТ на поверхностных ловушечных состояниях в КТ. Одно из объяснений наличия как ФР, так и ФЗ заключается в том, что в случае ФР происходит захват как электрона, так дырки [94], а в случае ФЗ только одного заряда, что приводит к Оже-процессам внутри КТ [94,99,100]. Такая интерпретация очень близка к описанию мерцания ФЛ КТ.

В итоге можно сделать вывод о том, что процессы фотозатухания (ФЗ) и фоторазгорания (ФР) в КТ имеют сложную природу и зависят от многих параметров. Они могут происходить вследствие взаимодействия с активными молекулами внешней среды, путем пассивации поверхностных дефектов молекулами воды или наоборот образования новых вследствие окисления поверхности при взаимодействии с кислородом. К этим процессам может так же приводить взаимодействие с лигандами КТ – их перестройка на поверхности может улучшать пассивацию дефектов, а их фотоиндуцированная десорбция, наоборот, приводить к увеличению количества дефектов. Наконец, влияние на оптические свойства в КТ может оказывать миграция заряда из ядра КТ на ее поверхность, приводящая к ионизации КТ, и соответственно обратный процесс. В то же время, до сих пор остаются неизученной зависимость этих процессов от энергии кванта. Не ясна их природа в отношении количества фотонов их вызывающих (одно-или многофотонность этих процессов), что является важным при учете высоких интенсивностей облучения, используемых при их наблюдении. Важно так же понять их возможное влияние на работу КТ в составе наногибридных структур.

Экспериментальная установка для исследования фотоиндуцированных изменений в квантовых точках

Как отмечалось во введении, одной из задач диссертации являлось изучение фотоиндуцированных изменений в КТ под действием мощного импульсно-периодического лазерного излучения. Для решения этой задачи, была использована наносекундная лазерная установка на основе квантового генератора YAG:Nd3+ с возможностью генерации второй, третьей и четвертой гармоник (с использованием кристаллов КТР и КDР). Использование такой системы обеспечивало широкое перекрытие спектрального диапазона, в котором осуществляется возбуждение КТ. Облучение образцов растворов КТ проводилось по схеме, представленной на рисунке 2.6. Рабочий объем 1,5 мл для каждого образца помещался в кварцевую кювету с сечением 1х1 см2. Частота следования импульсов лазера составляла 10 Гц, длительность импульса 7 нс. Энергия в импульсе варьировалась в диапазоне от 0.3 до 4 мДж в импульсе. Для однородности облучения КТ в эксперименте производилось непрерывное перемешивание раствора в кювете при помощи магнитной мешалки. Контроль энергии излучения, поглощенного образцом, производился путем измерения остаточной мощности пучка при помощи измерителя мощности Nova II компании Ophir, при этом учитывались потери на отражение за счет предварительного измерения потерь в кювете с растворителем. В качестве основной единицы облучения бралась средняя энергия, поглощенная одной КТ, при этом количество КТ в кювете рассчитывалось по объему образца и его концентрации. Концентрация КТ определялась по спектру поглощения, измеряемому при помощи спектрофотометра Cary 60 UV-vis (Agilent Technologies) с учетом молярных коэффициентов экстинкции для нанокристаллов CdSe, взятых из [44]. Рис. 2.6. Схема экспериментальной установки для фотоиндуцированной модификации оптических свойств QD. 1 – Nd3+:YAG лазер с частотой 10 Гц и длительностью импульса 7 нс; 2 – квантовый усилитель; 3 – кристалл генерации 2-й гармоники (КТР); 4 - оптический фильтр СЗС-23 (съемный элемент, отсутствует, если необходима генерация 3-й гармоники); 5 – кристалл генерации 4-й гармоники (KDP); 6 - оптический фильтр УФС-1 (съемный элемент); 7 - призма Пеллин-Брока; 8 – зеркало; 9 – магнитная мешалка с установленным образцом; 10 – измеритель мощности Nova II (Ophir). 2.3. Использованные образцы и их характеризация.

Использованные в работе образцы КТ CdSe/ZnS были синтезированы Павлом Сергеевичем Самохваловым и Линьковым Павлом Алексеевичем в Лаборатории Нано-Биоинженерии НИЯУ «МИФИ» методом, описанным в [154]. Полученные КТ были покрыты ТОФО и ГДА. Во всех экспериментах были использованы КТ CdSe с тремя монослоями оболочки, диаметром 3,6 нм (рис. 2.8), с максимумом ФЛ на 569±3 нм. Спектры поглощения и ФЛ КТ в толуоле приведенные на рис. 2.9, измерены при помощи спектрофотометра Agilent Cary 60 UV-Vis и спектрофлюориметра Agilent Cary Eclipse Fluorescence Spectrophotometer, соответственно. Спектр ФЛ КТ подбирался таким образом, чтобы его максимум совпадал с максимумом спектра поглощения БР (рис. 2.9), т.к. это обеспечит максимальный интеграл перекрытия и соответственно высокую эффективность ФРПЭ (формулы 1.6-1.9).

Изображение использованных КТ CdSe/ZnS в толуоле, покрытых ТОФО с просвечивающего электронного микроскопа. Рис. 2.9. Спектры поглощения КТ (в толуоле) и БР (в воде), а так же ФЛ КТ (в толуоле).

Для эффективной работы КТ в водной среде, в которой БР осуществляет свою биологическую функцию, проводился перевод КТ из органической в водную среду (солюбилизация). Покрытие КТ полимерными оболочками для обеспечения растворимости в воде осуществлялось Аленой Владимировной Сухановой и Региной Сергеевной Билан в Лаборатории Нано-Биоинженерии НИЯУ МИФИ по следующему разработанному протоколу, который так же применяется для солюбилизации ИК-КТ:

КТ помещались в пробирку объемом 50 мл и растворялись в 2 мл толуола. Затем перемешивались до полного растворения КТ в толуоле. К получившемуся раствору добавлялось 40 мл метанола, тщательно перемешивалось, далее КТ осаждались центрифугированием в течение 10 мин при скорости 7000 об./мин. КТ промывались и к ним добавлялось 5 мл метанола, после тщательного перемешивания КТ осаждались центрифугированием в течение 10 мин при скорости 7000 об./мин. Затем КТ снова промывались. Получившийся осадок КТ высушивался для удаления остатков метанола. Затем приготавливался раствор дигидролипоевой кислоты, растворив 1 ммоль сухой липоевой кислоты в 2мл воды Milli-Q, к полученному раствору добавлялось 2.2 ммоль боргидрида натрия. После тщательного перемешивания, раствор выдерживался 20 мин при комнатной температуре. Осадок КТ растворялся в 1 мл хлороформа. К раствору КТ в хлороформе добавлялся раствор дигидролипоевой кислоты, тщательно перемешивался и инкубировался 4 часа при температуре 50 C. После инкубации раствор КТ помещался в центрифужный испаритель на 10 мин для удаления остатков хлороформа, процесс удаления остатков хлороформа производился при комнатной температуре в вакууме. Водный раствор КТ профильтровывался через фильтр с размером поры 0,22 мкм, чтобы убрать агрегаты КТ. После солюбилизации, было измерено распределение КТ по диаметрам (рис. 2.10).

Проверка существования комплексов квантовых точек и бактериородопсина на основе измерения эффективности резонансного переноса энергии

Эксперименты показали, что процессы фотоиндуцированного изменения оптических свойств КТ сильно зависят от длины волны облучения и от дозы облучения, при этом эти процессы являются одноквантовыми. Так, ФР наблюдается при длинах волн 355 и 532 нм и не сопровождается заметными изменениями в величине среднего времени затухания флуоресценции (СВЗЛ).

Чтобы объяснить процесс ФР, при котором КВ образцов растет, а СВЗЛ не меняется, было сделано предположение о том, что часть КТ в ансамбле имеют характерные времена ФЛ много меньшие, чем разрешающая способность измерительной системы, из-за наличия сверхбыстрого канала безызлучательной релаксации [160]. Это подразумевает изначальное присутствие таких нелюминесцирующих «темных» КТ в растворе, что подтверждается современными исследованиями [161,162] и хорошо согласуется с наличием в ансамблях КТ неизлучающей «темной доли», снижающей КВ ансамбля КТ [84]. В то же время, при ФЗ происходит как падение КВ, так и падение СВЗЛ, что говорит о том, что появляются КТ в третьем состоянии – с временем затухания ФЛ меньшим, чем у «светлых» КТ и большем, чем у «темных» - таким, что их вклад в кинетику затухания ФЛ становится измеримым.

Из литературы известно, что при изучении явления мерцания ФЛ в одиночных КТ в конденсированной фазе, нанокристалл может находиться в трех различных состояниях («светлом», «темном» и промежуточном), которые связаны с образованием разнозаряженных трионов - экситонов, возбуждаемых в КТ, где изначально присутствует один лишний носитель заряда [163,164]. Таким образом, светлые КТ – это нейтральные нанокристаллы, в которых отсутствует избыточный заряд. Темные КТ нанокристаллы с избыточным положительным зарядом (дыркой) внутри ядра, а КТ в промежуточном «сером» состоянии – с избыточным электроном внутри ядра. При этом, в положительно заряженных КТ наблюдается более сильное падение КВ, чем в отрицательно заряженных. Это различие связано с тем, что падение КВ в таких заряженных КТ обусловлено появлением канала безызлучательной релаксации, связанного с Оже-процессом передачи энергии от экситона к избыточному заряду. В случае с избыточным положительным зарядом такой процесс является на порядок более эффективным, чем в случае отрицательного начального заряда КТ [163]. Различное поведение ФЛ КТ, имеющих разноименные типы зарядов в невозбужденном состоянии, привело к разделению наблюдаемых типов блинкинга на блинкинг А-типа, при котором ядро КТ должно быть заряжено отрицательно, а время затухания ФЛ меняется синхронно с интенсивностью ФЛ, и блинкинг Б-типа, при котором КТ переходят в неизлучающее состояние и обратно в результате непрерывного облучения без изменения измеряемых времен затухания ФЛ [82].

Таким образом процессы ФР и ФЗ можно объяснить как результаты миграции дырки. В случае ФР – происходит выход избыточной дырки из ядра «темной» неизлучающей КТ и ее переход в светлое состояние. Такая КТ снизит КВ всего ансамбля, но не повлияет на измеряемое СВЗЛ. В случае ФЗ происходит выход дырки из ядра нейтральной «светлой» КТ и ее переход в «серое» слабоизлучающее состояние, что приводит к падению КВ и СВЗЛ. В рамках этого объяснения наблюдавшуюся зависимость процессов от энергии кванта (длины волны) можно объяснить неодинаковой вероятностью выхода дырки на поверхностные состояния из «темных» КТ и из нейтральных. Действительно, большая эффективная масса дырки не позволяет возбудить ее достаточно глубоко вследствие обычного процесса поглощения излучения. Однако, энергия кванта излучения 266 нм (4,66 эВ) значительно превышает величину запрещенной зоны ядра CdSe [165], это приводит к необходимости релаксации электрона на излучательный уровень с высоких возбужденных состояний. Такая релаксация при помощи фононов малоэффективна вследствие эффекта «фононного бутылочного горлышка» и происходит в основном за счет Оже-подобных процессов передачи энергии к дырке [41]. Это позволяет возбудить дырку достаточно глубоко для осуществления выхода из ядра на межповерхностные уровни. В то время как для длин волн 355 и 532 нм энергия кванта 3,5 эВ и 2,33 эВ, что не позволяет возбудить электрон достаточно высоко от дна зоны проводимости, чтобы наблюдалось ярко выраженное ФЗ (рис. 3.11).

Зависимость двухфотонно-возбуждаемой люминесценции от интенсивности лазерного возбуждения в комплексах квантовых точек и бактериородопсина

Создание и исследование нанобиогибридного материала на основе полупроводниковых квантовых точек (КТ) и светочувствительного белка бактериородопсина (БР) является перспективной задачей для множества областей применения за счет способности БР генерировать электрический отклик под действием света, и способности КТ эффективно поглощать внешнее излучение, передавая его путем резонансного переноса энергии (ФРПЭ) к БР. Целью исследования было поставлено изучение процесса резонансного переноса энергии в нано-гибридной системе из квантовых точек типа ядро-оболочка с ядром CdSe и светочувствительного мембранного белка бактериородопсина при интенсивном одно- и двухфотонном лазерном возбуждении. Для достижения этой цели были созданы био-нано гибридные комплексы на основе КТ покрытых производными полиэтиленгликоля (ПЭГ), и пурпурных мембран (ПМ) содержащих БР.

Первая часть работы была посвящена изучению созданного материала при однофотонном возбуждении. На основе сравнения с системой КТ и белых мембран (БМ), не способных участвовать в ФРПЭ, было показано, что в комплексах КТ и ПМ реализуется ФРПЭ от КТ к БР. Затем, путем анализа влияния на эффективность ФРПЭ таких параметров как концентрация раствора и тип оболочки КТ, было доказано образование тесно связанных комплексов и показано, что на скорость образования этих комплексов влияет поверхностный потенциал органической оболочки КТ. Это позволило сделать вывод об электростатической природе образования комплексов БР и КТ покрытых SH-ПЭГ-COOH и SH-ПЭГ-OH. Исследование комплексов при большой интенсивности (более 107 Вт/см2) возбуждения показало, что квантовый выход флуоресценции (КВ) КТ растет во время проведения эксперимента. Это, в свою очередь, привело к росту эффективности ФРПЭ от облученных КТ к БР в сравнении с необлученными КТ.

Рост КВ КТ под действием облучения привел к необходимости подробного исследования влияния лазерного излучения на оптические свойства нанокристаллов. Подробное исследование процесса фотоиндуцированного изменения оптических свойств КТ показало, что в результате облучения могут наблюдаться процессы увеличения КВ (фоторазгорание – ФР) и падения КВ (фотозатухание – ФЗ). Оказалось, что на эти процессы оказывает влияние длина волны облучения и доза поглощенного излучения. При этом очень важно отметить, что интенсивность облучения не влияет на выраженность ФР и ФЗ. Это позволило сделать важный вывод об одноквантовой природе этих фотопроцессов. Путем анализа изменений в кинетике затухания ФЛ, было обнаружено, что процесс ФР практически не сопровождается изменениями в кинетике затухания ФЛ, в то время как при ФЗ среднее время жизни ФЛ значительно падает. При этом процессы ФР и ФЗ могут идти параллельно. Кроме того, ФР наблюдается при всех использованных длинах волн облучения (266, 355 и 532 нм), а ФЗ только при длине волны 266 нм. На основе этих данных была предложена интерпретация наблюдаемых изменений, заключающаяся в фотоиндуцированной миграции зарядов в КТ, подобно тому, как это происходит при процессе мерцания ФЛ.

Проведенная в этом направлении работа позволила предложить метод направленного изменения эффективности ФРПЭ без изменения структурных особенностей комплексов КТ и БР. Метод позволяет проверять влияние эффективности ФРПЭ на другие физические процессы. При помощи данного метода было изучено влияние ФРПЭ на процесс ускорения М-формы фотоцикла БР в присутствии КТ и показано, что такое ускорение не связано с ФРПЭ.

Вторая часть работы была посвящена воздействию фемтосекундного лазерного излучения на созданные комплексы КТ-БР в двухфотонном режиме возбуждения. Методом двухквантового эталона было проведено измерение сечения двухфотонного поглощения исследуемых КТ, которое составило 20000±3500 ГМ на длине волны 790 нм, что более чем на два порядка больше, чем для большинства органических красителей. Впервые было показано, что в комплексах КТ и БР реализуется ФРПЭ от КТ к БР при двухфотонном возбуждении КТ, которое является селективным из-за низких значений сечений двухфотонного поглощения БР.

Было проведено исследование влияния двухфотонного возбуждения высокой интенсивности (I 107 Вт/см2) на люминесценцию КТ самих по себе и в составе комплексов КТ-БР. Оказалось, что в растворе КТ наблюдается сильное отклонение от квадратичной зависимости при интенсивностях более 1,71010 Вт/см2. В то же время для КТ в составе био-нано гибридных комплексов насыщение в диапазоне интенсивностей до 2,71010 Вт/см2 отсутствовало и зависимость описывалась квадратичным законом. Такое поведение для КТ было объяснено появлением насыщения спектрального перехода. Причем на интенсивность, при которых наблюдается насыщение, влияет частота следования лазерных импульсов , что связано с неполной релаксацией системы за период между импульсами. В то же время для системы комплексов КТ-БР время релаксации системы меньше вследствие ФРПЭ, что влияет на процесс насыщения и сдвигает его порог в сторону больших интенсивностей возбуждения.