Колебательная спектроскопия и химия одиночных молекул

Лекция 3. Спектроскопия и химия единичных молекул

Введение

Конец ХХ века (и второго тысячелетия) химия отметила сразу двумя замечательными результатами крупного, стратегического значения.

Во-первых, осуществилось желание химиков видеть, визуализировать главное событие - химическую реакцию, и представить "развёртку" этого события во времени (фемтохимия).

Во-вторых, химия вышла на необыкновенный рубеж - детектирование единичной молекулы и её физического и химического поведения. Химия достигла такого совершенства, когда её главный предмет - молекула приобрела индивидуальность, стала "личностью". Оба результата символизируют высшие горизонты современной химии - предельное разрешение во времени и в пространстве.

Оптическое детектирование одиночных молекул

Прогресс в технике фотодетекторов и сканирующих оптических микроскопов открыл доступ к наблюдению одиночных молекул (типа родамина-6Ж и террилендиимина). Возбуждая постоянным облучением и наблюдая во времени стационарную люминесценцию одиночных молекул (молекулярных "светлячков"), можно исследовать латеральную диффузию молекул на твёрдых поверхностях и объёмную диффузию в твёрдых телах (типа полимеров). Используя поляризованный свет для возбуждения и детектируя поляризованную люминесценцию, можно измерять реориентацию молекул и осуществлять мониторинг их траекторий. Уже обнаружены первые удивительные явления. Так, оказалось, что молекулы родамина-6Ж на стекле ведут себя причудливым образом: некоторые из них неподвижны, другие перемещаются не вращаясь, третьи вращаются не перемещаясь. Ещё интереснее поведение террилендиимина на поверхности SiO ₂: люминесценция некоторых молекул оказалась дважды модулированной низкой частотой (10Гц и 100 Гц), причём у "модулированных" молекул полосы люминесценции имеют голубой сдвиг. Зондирование поверхностей молекулярными "светлячками" обещает много новых открытий.

Возможности оптики одиночных молекул не ограничиваются только молекулярной динамикой. Обнаруживается "мерцающее", нестатистическое поведение одиночных молекул, связанное со спектральной диффузией; возможно также прямое измерение скорости передачи энергии на соседние молекулы и зависимости её от расстояния (которое регулируется путём изменения числа "светлячков" на единицу поверхности; обычно размещается несколько молекул на квадратный микрон).

Ещё более продвинутая техника использовалась для наблюдения за флуоресценцией одиночных липидных молекул и их движением в мембране. Достоинство этой техники в том, что метка-флюорофор возбуждалась двухфотонным поглощением инфракрасного излучения фемтосекундного лазера; это резко снизило шумовой оптический фон в видимой области флуоресценции и повысило чувствительность техники; а это открыло новые горизонты в исследовании клеточных мембран на уровне единичных молекул.

Спектроскопия одиночных молекул активно вторгается в исследования единичного фотосинтезирующего комплекса и ансамбля пигментов - светособирающей антенны; она позволяет визуализировать взаимодействие между единичной фаговой ДНК и липосомой. Она информирует, на каком пигменте "cидит" энергия, с какой вероятностью она передаётся, как расположены пигменты и т.д.

Возможности оптики одиночных молекул масштабно расширяет импульсная оптическая спектроскопия. Она позволяет одновременно регистрировать интенсивность флуоресценции, поляризацию и время жизни, частоту вращения молекул и анизотропию вращательной диффузии; она использована уже для молекул с низким молекулярным весом в жидкостях и для макромолекул (включая Зелёный флуоресцирующий протеин, который сейчас привлекает широкое внимание в молекулярной биологии как клеточная молекула-репортёр).

Импульсная спектроскопия предлагает новые возможности в исследованиях в прямом измерении квантового выхода распада единичных молекул. Например, для единичных молекул тетраметилродамина, присоединённых химически к участку 217- вр ДНК, были измерены "возраст смерти" (число фотонов, излучённых молекулой до момента её гибели) и время выживания (время, которое единичная, избранная молекула живёт и излучает). Гистограммы "возраста смерти" и времени выживания, построенные для 102 молекул (каждая из них наблюдалась изолированно, в одиночестве), описывается экспоненциальной функцией. Именно на этом пути лежит экспериментальное тестирование проблемы эргодичности.

Колебательная спектроскопия и химия одиночных молекул

Открытие туннельной колебательной спектроскопии одиночных молекул - новый гигантский прорыв в химии; оно трансформировало классическую туннельную микроскопию как "топографический" метод мониторинга атомно-молекулярного рельефа поверхности в мощный метод химической физики, который делает доступным детектирование спектроскопического "изображения" единичной молекулы, позволяет видеть эту молекулу, измерить частоты колебаний её атомов, следить за её физической и химической судьбой. Это открытие нового мира в химии - мира отдельных, индивидуальных молекул, не связанных "узами коллективизма".

Физическая идея спектроскопии одиночных молекул очень проста; туннелирующие электроны, эмитируемые иглой туннельного микроскопа, заперты в пространстве между иглой и молекулой, сидящей на поверхности под иглой. Движение электронов в этом пространстве (полости) ограничено двумя энергетическими барьерами: один из них создаётся иглой, другой - молекулой. При обычных условиях (плотность туннельного тока ~ 10 ¹¹ электронов/A ²) время пребывания электрона в полости ~10 ^{-12 -} 10 ^-13 c, так что полость функционирует как наномасштабный резонатор, в котором формируются электронные волны; их частоты зависят от потенциала иглы. Если частота нанорезонатора совпадает с частотой колебательного перехода в молекуле, нижний энергетический барьер становится прозрачным для туннелирующих электронов, так что туннельный ток, который течёт между иглой и поверхностью, как функция потенциала имеет чётко выраженный резонансный характер (рис.1): каждый "всплеск" туннельного тока "метит" колебательную частоту молекулы; совокупность их есть колебательный спектр одной молекулы, её спектроскопический "портрет".

Из них можно извлекать частоты колебаний атомов в единичной молекуле, "видеть" момент химического превращения молекулы, измерять время оседлой жизни молекулы и т.д.

Остановив потенциал иглы на избранном колебании, можно осуществлять энергетическую накачку этого колебания и стимулировать химическое превращение молекулы, селективное по избранной химической связи. Это можно сделать, приблизив иглу к молекуле, т.е. уменьшив размер нанореактора и увеличив туннельный ток. Фактически это новая версия селективной, настроенной на распад заданной связи, фотохимии; но это фотохимия без света, это "темновая" фотохимия. Роль световых квантов играют туннелирующие электроны, селективно активирующие заданную химическую связь.

Уже разработана техника детектирования единичного парамагнитного центра; пример - спектр парамагнитного иона О _2- на титане.

Особенность туннельной колебательной спектроскопии единичного спина (или его носителя) - расщепление каждой линии колебательного спектра на две линии за счёт обменного взаимодействия двух электронов - туннелирующего и неспаренного электрона парамагнитного центра. Одна из этих линий соответствует синглетному каналу, другая - триплетному; расстояние между линиями отвечает энергии обменного взаимодействия (синглет-триплетное расщепление) в электронной паре "туннелирующий электон + неспаренный электрон парамагнитного центра". Отсюда можно определить размер нанорезонатора, скорость спиновой и колебательной релаксации и многое другое.

Ясно, что на основе этих открытий можно сделать следующий шаг - создать электронный парамагнитный резонанс единичного спина (атома, радикала, иона, любого другого спинового носителя). Уже разработана теория этого явления, на базе которой можно создавать экспериментальные устройства и спектрометры.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: