Licht muss kein (schneller) Killer für chemische Moleküle sein | 2020

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Anonim

Lebendige Farben von kürzlich gestrichenen Wänden verblassen blitzschnell. Der Kunststoffgrassprinkler ist bereits nach wenigen Betriebsmonaten unbrauchbar. Und im Labor ist es wieder ein schlechter Tag: Die Messungen scheitern, weil sich die laserbeleuchteten chemischen Moleküle zu schnell auflösen. In all diesen Fällen ist der Faktor, der für den molekularen Zerfall verantwortlich ist, gering. Jetzt kann die Zeit des Zerfalls erheblich verlängert werden - dank der Forschungen einer Gruppe von Wissenschaftlern des Instituts für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IPC PAS) in Warschau, Polen, unter der Leitung von Prof. Jacek Waluk. Den Forschern ist es gelungen, den Hauptmechanismus zu identifizieren, der die Photozerstörung chemischer Moleküle beschleunigt.

"In unserem Labor beobachten wir einzelne chemische Moleküle. Dazu verwenden wir ein Fluoreszenzmikroskop, um das von ihnen emittierte Licht zu untersuchen. Das Hauptproblem dabei ist die Lebensdauer der Partikel: Selbst die als permanent angesehenen zerfallen nach ein paar bis ein Dutzend Also beschlossen wir, ihre Lebensdauer zu verlängern. Der erste Schritt zu diesem Ziel musste natürlich sein, das Hauptphänomen zu verstehen, das für die Zerstörung der Moleküle verantwortlich ist ", sagt Prof. Waluk, der Mitautor eines Papiers, das in das Journal of Physical Chemistry Letters .

Damit die Messungen glaubwürdig sind, müssen einige bis Zehntausende von Photonen beobachtet werden, die das Molekül während des Fluoreszenzprozesses emittiert. Das Molekül emittiert Photonen in alle Richtungen, es werden jedoch nur diejenigen aufgenommen, die in Richtung der Detektoren wandern. Dies bedeutet, dass das Molekül in der Zeit, in der der Apparat mehrere Dutzendtausend Photonen aufzeichnet, ungefähr eine Million von ihnen emittiert haben muss. Bei den am IPC PAS untersuchten TDI-Molekülen (Terrylendiimid) lag die Fluoreszenzquantenausbeute bei ca. 70%. Daraus folgt, dass jedes Molekül während der Messung fast zwei Millionen Photonen absorbiert haben musste.

Jede Photonenabsorption bewirkt, dass das Molekül in einen angeregten Zustand übergeht, was im Allgemeinen seine Reaktivität erhöht, dh seine Fähigkeit, chemische Reaktionen einzugehen. Somit bringt jedes absorbierte Photon das Teilchen näher an seinen eigenen Tod. Es wird allgemein angenommen, dass es sich um ein Molekül handelt photostabil, wenn es nach Absorption von einer Million Photonen eine Überlebenschance von 50% hat. Unter unseren Bedingungen bedeutet dies, dass wir es einige Sekunden lang beobachten können ", erklärt Prof. Waluk.

Der Schlüssel zur Verbesserung der Photostabilität der Moleküle hat sich in der Analyse der Art und Weise ihrer Herstellung zur Beobachtung unter dem Fluoreszenzmikroskop erwiesen. Das Verfahren beginnt mit der Herstellung einer sehr verdünnten Lösung der Moleküle in einem gelösten Polymer. Ein Tropfen dieser Lösung wird dann auf den auf einer sich drehenden Scheibe befindlichen Objektträger gegeben. Durch Drehen wird das Tröpfchen auf der Oberfläche verteilt und das Lösungsmittel verdampft. Auf dem Objektträger verbleibt eine dünne Polymerschicht mit einer Dicke von nur 30 nm zusammen mit eingefangenen Einzelmolekülen der Testsubstanz, die etwa einen Nanometer groß sind. Wenn die Konzentration der Moleküle in der Ausgangslösung geschickt ausgewählt wurde, werden die einzelnen Testmoleküle in relativ großen Abständen voneinander in der Größenordnung von Mikrometern in der Polymerfolie positioniert (wenn Personen mit einer ähnlichen Dichte verteilt wurden, d. H Abstand zwischen Nachbarn würde mehrere Kilometer betragen). Der vorbereitete Objektträger wird dann unter das Mikroskop gelegt, wo die Polymerschicht von einem schmalen Laserstrahl mit einer Lichtwelle einer Energie überstrichen wird, die so ausgewählt ist, dass die Testmoleküle angeregt werden. Jegliche Fluoreszenz, die in dem beleuchteten Bereich auftritt, stammt höchstwahrscheinlich von einem einzelnen Molekül der Testverbindung.

Womit kann das angeregte Molekül reagieren? Von Anfang an war der Hauptverdächtige Sauerstoff, der in Polymerlösungen gelöst werden kann. Die Forscher untersuchten daher die Wirkung von sieben Polymeren auf die Lebensdauer der TDI-Moleküle, konnten jedoch keinen Zusammenhang zwischen der Fähigkeit zur verbesserten Sauerstoffauflösung und der beschleunigten Photozerstörung von TDI feststellen. Die Korrelation trat nur auf, wenn sie den Effekt der Sauerstoffpermeationsrate durch die Polymerschicht auf die Testmoleküle untersuchten. Hier waren die Unterschiede signifikant: Polymere, durch die Sauerstoff langsam durchdrungen wurde, erhöhten deutlich die Photostabilität der Moleküle. Das Plattenpolymer - das sich als das beliebte Polyvinylchlorid herausstellte - konnte die Lebensdauer der Moleküle sogar hundertfach verlängern. Es wurde auch beobachtet, dass sich diese Zeit mit dem Alter des Polymers verlängert. Dies war ein weiteres Argument für die entscheidende Rolle von Sauerstoff, da bekannt ist, dass Sauerstoff durch ältere Polymere langsamer durchdringt.

"Wir sind davon überzeugt, dass nicht nur die Reaktion von Molekülen mit Licht für die beschleunigte Photozerstörung unserer Moleküle verantwortlich ist, sondern auch ihre Reaktion mit Sauerstoff. Das angeregte Molekül geht in einen sogenannten Triplett-Zustand über. In diesem Zustand." Triplettsauerstoff im Grundzustand kann sich mit ihm verbinden. Der Sauerstoff wird aktiviert und geht in den Singulettzustand über, und Singulett-Sauerstoff ist ein äußerst gefräßiges chemisches Individuum, das sofort Reaktionen mit allem bildet, was in seiner Reichweite ist ", erklärt Prof. Waluk.

Die Ergebnisse der IPC PAS-Gruppe, die mit Mitteln des polnischen National Science Center gefördert wurden, sind von großer praktischer Bedeutung. In Laboratorien werden sie die Möglichkeiten für die Untersuchung einzelner chemischer Moleküle mit Fluoreszenzmethoden erweitern, was seit über 20 Jahren eine große Herausforderung darstellt. Das Verständnis des Mechanismus der Photozerstörung von Molekülen wird sich auch überall dort als nützlich erweisen, wo Alltagsgegenstände unter Beteiligung von Polymeren und Farbstoffen hergestellt werden. Die Auswahl geeigneter Polymere, die die Migration von Sauerstoff behindern, kann die Lebensdauer von Farbstoffen und die Lebensdauer des Objekts erheblich verlängern.