Mechanism and dynamics of photoinduced breaking of the Fe-O₂ bond in oxyhemoglobin.pdf Настоящая работа носит в значительной степени обзорный характер и ставит своей целью представить картину внутригемового преобразования энергии возбуждения в оксигемоглобине с последующим объяснением механизма и динамики диссоциации оксигемоглобина, т.е. индуцированного светом разрыва связи Fe-O2. Гем b (комплекс протопорфирина IХ с ионом Fe) и очень близкие к нему по строению гемы a, c и d являются важнейшими функциональными группами различных гембелков ферментативной и неферментативной природы, которые участвуют в фундаментальных биологических процессах и реакциях, таких, как связывание, перенос, хранение и активация молекулярного кислорода, транспорт электронов, многочисленные окислительно-восстановительные реакции [1]. Изучение динамики процессов с участием гембелков требует знания спектрально-кинетичес¬ких характеристик возбужденных состояний гема. Однако молекулы гемов, как и все Fe-порфи¬рины, не обладают собственной люминесценцией даже при низких температурах, по крайней мере квантовый выход люминесценции (флуоресценция и фосфоресценция) < 10-6. Применение абсорбционной спектроскопии пикосекундного и фемтосекундного временного разрешения позволяет в принципе регистрировать спектры поглощения гема в возбужденных электронных состояниях и отслеживать их эволюцию. Особое место в таких исследованиях занимает изучение фотодиссоциации комплексов транспортных белков гемоглобина (Hb) и миоглобина (Mb) с лигандом O2 [2-10]. В результате этого процесса разрывается связь Fe - лиганд и внутри белковой глобулы появляется свободная молекула лиганда. Несмотря на то, что в реальных физиологических условиях разрыв этой связи носит тепловой характер, применение лазерной кинетической спектроскопии оказывается здесь эффективным и плодотворным, так как фотоиндуцированная диссоциация с помощью ультракоротких лазерных импульсов позволяет в фиксированный момент времени разорвать связь, например Fe-O2, и далее исследовать реакцию повторной ассоциации O2 с белком. При этом, однако, возникают принципиальные трудности при интерпретации полученных результатов. В первую очередь, это касается однозначного отнесения обнаруженных нестационарных спектров к поглощению света в определенном электронном состоянии. Действительно, после акта фотовозбуждения молекула O2 с определенной вероятностью отрывается от гема, и в исследуемой системе могут «сосуществовать» нестационарные формы окси- и дезоксиформ гемоглобина (соответственно HbO2 и Hb), спектры поглощения которых сильно перекрываются и претерпевают сложную эволюцию, вызванную конформационными изменениями собственно гема и белка [2-4]. После фотодиссоциации свободная молекула O2 движется диффузионным образом внутри белковой глобулы, последовательно преодолевая ряд барьеров, возникающих из-за структурной организации белка. Значительная часть молекул O2 не может преодолеть эти барьеры и повторно рекомбинирует с белком, т.е. восстанавливается связь Fe-O2. Установлено, что квантовая эффективность выхода O2 из белка существенно меньше единицы (см., например, [7]), что обусловлено эффективной рекомбинацией O2 из внутренних областей (геминальная рекомбинация), которая и приводит в конечном итоге к уменьшению доли молекул O2, вышедших из белка. В настоящее время надежно установлено наличие различных стадий геминальной рекомбинации (см., например, [7, 8]). Наибольшие трудности встречаются, однако, при анализе изменений, которые происходят в первые несколько пикосекунд после акта фотодиссоциации. Так, авторы работы [4] обнаружили, что после фотовозбуждения HbO2 возникают два интермедиата с временами жизни ≈ 300 фс и 2-3 пс, которые они связали с возбужденными состояниями дезоксиформ гембелка (HbI* и HbII* соответственно), и предположили, что имеют место сверхбыстрые стадии геминальной рекомбинации, приводящие к существенному уменьшению в конечном итоге выхода O2 из белка. Таким образом, для полного описания механизма фотодиссоциации необходимо точное отнесение всех наблюдаемых нестационарных спектров, что крайне сложно, так как для молекулы гема, равно как и для других железопорфиринов, характерно наличие богатого набора близкорасположенных электронных уровней различной орбитальной природы. Помимо «обычных» синглетных и триплетных ππ*-состояний у них имеются возбужденные состояния поля лигандов (dd-состояния, связанные с возбуждением d-электронов железа), состояния с переносом заряда различной природы (π*-d и d-π) [11]. Действительно, в многочисленных экспериментах с использованием лазерной кинетической спектроскопии с фемтосекундным временным разрешением было обнаружено, что наиболее короткоживущее фотоиндуцированное поглощение в Hb, HbO2, Mb и MbO2 имеет длительность (300±50) фс (форма HbI*, согласно [10]). Однако мы полагаем, что природа этих интермедиатов иная. Так как это поглощение охватывает широкий спектральный диапазон, сильно перекрывается со спектром основного стационарного поглощения и наблюдается для всех гембелков, несмотря на то, что они располагают различными наборами низкоэнергетических возбужденных состояний, нам представляется логичным отнесение обсуждаемого спектра к гему, находящемуся в электронном состоянии, которое может реализоваться в любом из вышеперечисленных соединений. Таким состоянием, по нашему мнению, является триплетное ππ*-состояние. Далее рассмотрим нестационарное поглощение длительностью 2-3 пс (форма HbII*), которое наблюдается практически у всех обсуждаемых гембелков [10]. Было показано, что общий вид этих спектров близок к спектрам поглощения в основном состоянии [12]. Вместе с тем основные полосы поглощения нестационарных спектров смещены в длинноволновую область на несколько нанометров и уширены. В данных спектрах имеется также слабое диффузное поглощение в красной области за пределами спектра поглощения гембелков в основном состоянии. Такой же общий вид будет у спектра поглощения в основном состоянии при условии, если молекула гема будет располагать большим избытком колебательной энергии. Действительно, энергия фотовозбуждения гема очень быстро релаксирует в основное электронное состояние. Даже в случае фотодиссоциации, когда значительная часть энергии уходит на разрыв связи Fe - лиганд, остается достаточное количество «избыточной энергии» (≈ 4000 см-1), которая распределяется между колебательными модами молекулы гема. Этот избыток тепловой энергии затем передается окружающей среде: белку и растворителю. Тепловая (колебательная) релаксация в молекулах гема в последние годы была предметом обширных экспериментальных исследований с привлечением различных оптических методик [13] со сверхвысоким временным разрешением и теоретических расчетов с использованием методов моделирования молекулярной динамики [14]. Эти расчеты предсказывают, что процесс тепловой релаксации гема («heme cooling») носит биэкспоненциальный характер и включает в себя быструю компоненту (1-4 пс) и медленную компоненту (~ 40 пс) процесса релаксации с примерно равными весами. Вся совокупность полученных экспериментальных результатов позволяет также сделать вывод, что основная часть тепловой релаксации совершается во временном интервале 2-10 пс. Дополнительные доводы в пользу такой интерпретации можно найти в работе [15], в которой методом пикосекундной абсорбционной спектроскопии были исследованы восемь различных производных гемоглобина, у которых железо находится в ферри-форме Fe(III). Все эти соединения различаются аксиальными лигандами, в результате чего они располагают различными наборами электронных возбужденных состояний и, как следствие, различными спектрами поглощения в основном состоянии. В принципе такие соединения должны существенно различаться каналами и динамикой релаксационных процессов и, следовательно, можно было ожидать, что для этих соединений фотоиндуцированное нестационарное поглощение должно различаться своими спектрально-кинетическими характеристиками. Однако для всех исследованных соединений наблюдалась похожая картина: все обнаруженные нестационарные спектры были по форме близки к спект¬ру стационарного основного состояния. Кинетика исчезновения наведенного поглощения описывается биэкспоненциальной зависимостью. Длительности быстрой и медленной составляющих (τ1 = 3.5 пс τ2 ≈ 30 пс) кинетики релаксации совпадают с теоретически предсказанными значениями. Однако вес быстрой компоненты был во всех исследованных соединениях существенно больше теоретически предсказанного [14] и составлял 80-90 %. Основываясь на вышеизложенном анализе совокупности фотоиндуцированных процессов в оксигемоглобине, представим схему возбужденных электронных состояний и внутригемовых релаксационных процессов, что позволит детально объяснить механизм и динамику реакции фотодиссоциации. На рис. 1 представлены электронные уровни энергии гема различной орбитальной природы: 1) синглетные и триплетные -состояния; 2) dd-уровни энергии, соответствующие возбуждению d-электронов ионов железа; 3) CT-состояния с переносом заряда различной природы. После фотовозбуждения (рис. 1, возб = 530 нм) молекула оксигемоглобина оказывается в 1-состоянии. Время жизни этого состояния исключительно короткое ~ 50 фс. Столь короткое время вызвано эффективной интеркомбинационной конверсией 1  3 (рис. 1, процесс 2). Нельзя исключить также, что реализуется и 1  1S0 внутренняя конверсия (процесс 1). Следует отметить, что фотодиссоциация в 1-состоянии, а именно реакция типа HbO2 (S = 0)  Hb(S = 2) + O2(S = 1) (в скобках указаны значения спинов для реагентов) запрещена по правилу Вигнера, определяющему величины спинов продуктов реакции. Напротив, оказавшись в 3-состоянии, молекула оксигемоглобина претерпевает диссоциацию, так как реакция разрешена по правилу Вигнера: HbO2 (S = 1)  Hb(S = 2) + O2(S = 1). Рис. 1. Схема энергетических уровней и внутригемовых релаксационных процессов в оксигемоглобине Время жизни триплетного 3-состояния составляет ~ 300 фс. Первичный квантовый выход фотодиссоциации 0 = 0.230.03. Эта величина заметно меньше 1.0, что объясняется в общем случае конкуренцией с безызлучательными переходами 3 и 4 (рис. 1). Однако мы полагаем, что процесс 3 не реализуется, так как отсутствуют спектральные доказательства заселения СТ-состоя¬ния. Нам представляется, что основной канал дезактивации триплетного состояния - это процесс 4. Прямое фотовозбуждение в СТ-состояние (возб = 1064 нм) не приводит к диссоциации молекулы кислорода от атома железа гема белка. У тех молекул оксигемоглобина, которые, избежав диссоциации, оказались в основном состоянии, наблюдается колебательная релаксация («остывание гема») длительностью 4 пс (рис. 1, процесс 6). Необходимо указать, что в случае фотодиссоциации лишь меньшая часть образовавшихся свободных молекул O2 покидает белок (~ 10 %). Причиной этому, как было указано выше, служит геминальная рекомбинация (повторная ассоциация с железом гема молекулярного кислорода из внутренних областей белка). Кинетика этой реакции носит сложный неэкспоненциальный характер. Полагаем, что представленный нами процесс внутригемового преобразования энергии возбуждения и диссоциации является непротиворечивым и обоснованным и в настоящий момент наилучшим образом дает общую картину реакции фотоиндуцированного разрыва связи гемовое железо - молекулярный кислород в гемоглобине и последующих за этим событий. Рассмотренная реакция фотодиссоциации может служить модельной для решения общей проблемы, связанной с установлением механизмов и реакций взаимодействия биомакромолекул с молекулами лигандов. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Bertini I., Gray H.B., Stiefel E.I., and Valentine J.S. Biological Inorganic Chemistry. Structure and Reactivity. - University Science Book, 2007. - 739 p. 2. Hochstrasser R.M. and Johnson C.K. // Ultrashort Laser Pulses and Applications / ed. W. Kaiser. - Berlin, 1988. - P. 357-417. 3. Murray L.P., Hofrichter J., Henry E.R., and Eaton W.A. // Biophys. Chem. - 1988. - V. 29. - No. 1-2. - P. 63-76. 4. Petrich J.W. and Martin J.L. // Chem. Phys. - 1989. - V. 131. - P. 31-47. 5. Petrich J.W., Poyart C., and Martin J.L. // Biochemistry. - 1988. - V. 27. - No. 11. - P. 4049-4060. 6. Джагаров Б.М., Чирвоный В.С., Гуринович Г.П. // Лазерная пикосекундная спектроскопия и фотохимия биомолекул / под ред. В.С. Летохова. - М.: Наука, 1987. - С. 181-212. 7. Lepeshkevich S.V., Karpiuk J., Sazanovich I.V., and Dzhagarov B.M. // Bioche¬mistry. - 2004. - V. 43. - P. 1675-1684. 8. Lepeshkevich S.V., Parkhats M.V., Stepuro I.I., and Dzhagarov B.M. // Biochim. Biophys. Acta. - 2009. - V. 1794. - P. 1823-1830. 9. Джагаров Б.М., Лепешкевич С.В., Панарин А.Ю. и др. // Опт. и спектр. - 2018. - Т. 125. - № 7. - С. 121-127. 10. Martin J.L. and Vos M.H. // Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. - 1992. - V. 21. - P. 199-222. 11. Eaton W.A., Hanson L.K., Stephens P.K., et al. // J. Amer. Chem. Soc. - 1978. - V. 100. - No. 16. - P. 4991-5003. 12. Джагаров Б.М., Гульбинас В., Кабелка В., Савицкене Ж. // Изв. АН СССР. Сер. физич. - 1989. - Т. 53. - Вып. 8. - С. 1504-1509. 13. Miller R.J.D. // Ann. Rev. Phys. Chem. - 1991. - V. 42. - P. 581-594. 14. Henry E.R., Eaton W.A., and Hochstrasser R.M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. - 1986. - V. 83. - No. 23. - P. 8982-8986. 15. Kruk N.N., Tikhomirov S.A., Andreyuk G.M., and Dzhagarov B.M. // Ultrafast Processes in Spectroscopy IX / ed. O. Svelto et al. - N.Y., 1996. - P. 523-526. Поступила в редакцию 06.07.2020. Институт физики НАН Беларуси, г. Минск, Республика Беларусь _______________ Джагаров Борис Михайлович, д.ф.-м.н., профессор, гл. науч. сотр. Центра фотоники и фотохимии молекул Института физики НАН Беларуси, e-mail: b.dzhagarov@ifanbel.bas-net.by; Лепешкевич Сергей Вольдемарович, к.ф.-м.н., ведущ. науч. сотр. Центра фотоники и фотохимии молекул Института физики НАН Беларуси, e-mail: s.lepeshkevich@ifanbel.bas-net.by; Чайковский Артур Фёдорович, мл. науч. сотр. Центра фотоники и фотохимии молекул Института физики НАН Беларуси, e-mail: arthur.chaykovski@ifanbel.bas-net.by. УДК 541.14+543.42 DOI: 10.17223/00213411/63/8/63 М.В. АЛФИМОВ1,2, А.К. ЧИБИСОВ1,2, Г.В. ЗАХАРОВА1, Т.В. ФЕДОТОВА2, В.Г. ПЛОТНИКОВ1 ТРИПЛЕТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ДИМЕРОВ ЦИАНИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ Представлены результаты изучения свойств димеров цианиновых красителей в триплетном состоянии. Образование димеров проявляется в виде двух полос поглощения различной интенсивности, обусловленных расщеплением S*-уровня мономеров при их резонансном взаимодействии. Для димеров цианиновых красителей характерен относительно высокий квантовый выход интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние. В спектрах триплет-триплетного поглощения появляются две полосы, из которых длинноволновая относится к состоянию с переносом заряда. Димеры цианиновых красителей в триплетном состоянии участвуют в переносе энергии и электрона и могут выступать в качестве фотосенсибилизаторов окислительно-восстановительных реакций. Ключевые слова: цианиновые красители, димеры, триплет-триплетное поглощение, перенос электрона, перенос энергии. Введение В настоящей статье представлены результаты исследований триплетных состояний димеров цианиновых красителей. Основным результатом работы явилось обнаружение триплетных состояний димеров и установление их свойств по данным спектров триплет-триплетного поглощения. Среди различных классов красителей важная роль принадлежит цианиновым красителям, широко используемым для создания светоизлучающих диодов [1-3] и устройств преобразования частоты лазерного излучения [4-6]. В отличие от классов других красителей цианины проявляют особые свойства в основном состоянии, образуя агрегаты преимущественно в водных растворах. Результатом агрегации являются димеры как простейшие ассоциаты. Следует отметить, что для многих цианинов димеры выступают в качестве исходных компонентов (прекурсоров) при образовании более сложных ассоциатов (J- и H-агрегатов) [7]. В этом отношении изучение димеризации цианинов представляет значительный интерес. Свойства молекул цианиновых красителей в электронно-возбужденном состоянии зависят от структуры молекулы, состояния их агрегации и окружения. Процесс интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние мономеров цианинов характеризуется крайне низким квантовым выходом и наблюдается в основном для цианиновых красителей с объемными заместителями в мезоположении полиметиновой цепи или при наличии в них тяжелых атомов (Br, I) [8, 9]. Заселение триплетного уровня мономеров цианинов часто проводят путем триплет-триплетного переноса энергии. В триплетном состоянии мономеры цианиновых красителей участвуют в окислительно-восстановительной реакции в присутствии доноров/акцеп¬торов электрона, выступая в качестве фотосенсибилизаторов реакции переноса электрона [10]. Методика эксперимента В качестве объектов исследования использовали анионные и катионные тиа- и индоцианины (табл. 1), а также воду, очищенную через систему Direct-Q3 UV Millipore. Измерения спектров поглощения проводили на спектрофотометре Agilent 8453. Люминесцентные измерения выполняли на спектрофлуориметре Varian Cary Eclipse. Измерения спектров триплет-триплетного поглощения и промежуточных короткоживущих продуктов фотореакций проводили на установке наносекундного лазерного фотолиза [11-13]. Значения квантового выхода интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние находили методом сравнения, используя в качестве стандарта трис-(бипиридин)-рутений (II) хлорид (для монометинов) и эозин (для триметинов). Для удаления кислорода воздуха использовали методику продувки раствора азотом или аргоном. Концентрация красителей составляла (0.8-5)10-5 моль/л. Все измерения проводили при комнатной температуре. Таблица 1 Структурные формулы молекул цианиновых красителей Кр1-Кр5, Кр7 Кр6 R3,3’ R4’ R5’ R5 R9 X Y n Кр1 CH3 H H H H S ClO4- 1 Кр2 (CH2)3SO3- -CH=CH-CH=CH- Cl H S NH(C2H5)3+ 0 Кр3 (CH2)3SO3- H CH3 CH3 C2H5 S Li+ 1 Кр4 C2H5 H Cl Cl C2H5 S Cl- 1 Кр5 (CH2)3SO3- H OCH3 OCH3 C2H5 S (C2H5)NH+ 1 Kp7 CH3 H H H H C3H6 I- 2 Основное поглощение Молекулы полиметиновых красителей в разбавленных водных растворах находятся преимущественно в виде мономеров М, что проявляется в спектрах поглощения и флуоресценции в виде одной полосы. С ростом концентрации красителя имеет место не только увеличение поглощения полосы М, но и появление с обеих сторон обычно двух полос различной интенсивности, обусловленных расщеплением полосы М. На рис. 1 приведены спектры поглощения 3.3’-диметил¬тиатриметинцианина (Кр1) в метаноле и воде. Рис. 1. Нормированные спектры поглощения Кр1 в метаноле (кр. 1) и воде (кр. 2, 3). Разностный спектр (кр. 4) между кр. 2 и 1. Концентрация красителя Кр1 - 8.610-6 (кр. 1, 2) и 4.310-5 моль/л (кр. 3) Спектр поглощения в метаноле характеризуется интенсивной полосой при 556 нм и мало интенсивным плечом при 522 нм, которое следует отнести к электронно-колебательному переходу в мономерах красителя. В водном растворе максимум полосы поглощения Кр1 смещается на 4 нм в коротковолновую область с одновременным увеличением поглощения в области 513 нм и дальнейшим смещением коротковолнового максимума до 506 нм при увеличении концентрации красителя до 6.010-5 моль/л. Наряду с полосой при 506 нм в спектре проявляется небольшое поглощение в области свыше 580 нм. Наблюдаемые спектральные изменения отвечают образованию димеров Кр1. На рис. 1 также представлен разностный спектр между кривыми 2 и 1, в котором наблюдаются две полосы поглощения с максимумами при 504 и 578 нм, обусловленные расщеплением S1*-уровня при димеризации. В работе Каши [14] установлена количественная связь между величиной расщепления E и пространственным расположением дипольных моментов перехода. Триплет-триплетное поглощение Разностные спектры триплет-триплетного (Т-Т) поглощения димеров существенно отличаются от спектров синглет-синглетного поглощения димеров. На рис. 2 приведены разностные спектры триплет-триплетного поглощения димеров анионных тиамонометинцианина (Кр2) и тиатриметинцианина (Кр3), а также катионного тиатриметинцианина (Кр4). Спектры характеризуются относительно узкой коротковолновой и существенно более широкой длинноволновой полосами. Рис. 2. Разностные спектры триплет-триплетного поглощения димеров анионного Кр2 (а), анионного Кр3 (б) и катионного Кр4 (в). В рамках - время измерения спектра после лазерного импульса. Концентрация красителей 1.510-5 моль/л Наличие двух полос в разностных спектрах Т-Т-поглощения не может быть связано с расщеплением триплетного уровня. Согласно работам [15-17], величина расщепления триплетного уровня в кристаллах не превышает 10 см-1, что связано со значительно меньшей величиной обменного взаимодействия триплетных состояний по сравнению с синглетно-возбужденными. На рис. 3 в качестве иллюстрации приведена схема энергетических уровней синглетных и триплетных состояний для мономеров и агрегатов (димеров) [18]. Можно полагать, что длинноволновая полоса в разностном спектре Т-Т-поглощения относится к состоянию с переносом заряда в триплетном состоянии [19, 20]. В пользу триплетной природы состояния с переносом заряда свидетельствует наблюдаемый факт исчезновения полосы в воздушнонасыщенном растворе. Особенностью этой полосы является также ее неоднородное уширение. Вместе с тем эту полосу нельзя отнести к состоянию контактных ион-радикальных пар, поскольку поглощение катион- и анион-радикалов красителей расположено в коротковолновой области спектра ( < 400 нм для тиамонометинцианинов и  < 500 нм для тиатриметинцианинов). Отличительной особенностью димеров моно- и триметинцианиновых красителей по сравнению с мономерами является относительно высокий квантовый выход интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние (Т). Так, Т димеров тиамонометина Кр2 составляет 0.20.05 [11]. Рис. 3. Схема расположения уровней энергии в основном S0, триплетном Т1 и синглетно-возбужденном S1 состояниях и переходов между ними в мономере и димере Для тиатриметинцианинов наибольшее значение Т, равное 0.150.05, было найдено для Кр5 [12]. Квантовый выход интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние увеличивается для димеров катионного тиатриметинцианина (Кр4) в присутствии полиэлектролитов (полистиролсульфонат, полиакриловая и полиметакриловая кислоты) [21]. Время жизни димеров тиамонометинов и тиатриметинов в триплетном состоянии превышает время жизни триплетов мономеров и составляет 0.1-0.9 мс [12] и 20-180 мкс [22] для тиамонометинцианинов и 8-60 мкс для тиатриметинцианинов [11]. Перенос электрона Димеры тиамоно-, тиатри- и тиапентацианиновых красителей способны вступать в реакцию переноса электрона с экзогенными донорами и акцепторами электрона с образованием полуокисленной и полувосстановленной форм красителя. В работе [23] исследовали тушение триплетного состояния Кр4 и Кр5 акцепторами (п-бензохинон, метилвиологен, п-нитроацетофенон) и донорами (аскорбиновая кислота, п-гидрохинон) электрона. Значения константы скорости туше¬ния (kq) триплетного состояния димеров Кр4 и Кр5 акцепторами и донорами электрона приведены в табл. 2. Таблица 2 Константы скорости тушения (kq108 М-1с-1) триплетного состояния димеров Кр4 и Кр5 акцепторами и донорами электрона Краситель Акцептор электрона Донор электрона п-Бензохинон п-Нитроаце-тофенон Метилвиологен Аскорбиновая кислота п-Гидрохинон Кр4(дикатион) 68 47 1.7 4 0.14 Кр5(дианион) 85 108 145 0.08 < 0.01 Значения константы скорости тушения триплетного состояния димеров Кр4 и Кр5 в 2-4 раза превышают значения констант скорости тушения триплетов мономеров красителей. При этом эффективность тушения акцепторами значительно выше, чем донорами. Следует отметить, что тушение триплетного состояния димеров красителей акцепторами электрона наиболее эффективно протекает для димеров анионного Кр5 по сравнению с димерами катионного Кр4, в то время как тушение донорами электрона эффективнее для димеров катионного Кр4. Димеры цианиновых красителей способны выступать в качестве фотосенсибилизаторов окислительно-восстановительных реакций и, в частности, реакции восстановления п-нитроацето¬фенона в воде. В тройной системе, состоящей из фотосенсибилизатора - димеров сульфопроизводных тиамоно- или тиатриметинцианинов, акцептора - п-нитроацетофенона (п-НАФ) и донора электронов - аскорбиновой кислоты (АК), первичной реакцией в случае равных концентраций п-НАФ и АК является одноэлектронное окисление димеров в триплетном состоянии (М22-)Т с образованием нестабильного ион-радикала димера М2-●, диссоциирующего на мономер красителя M-1 и радикал M●. Радикал M● реагирует с АК с образованием мономера M-2, который димеризуется при взаимодействии с M-1 [22-25]. Особенность восстановления п-нитроацетофенона аскорбиновой кислотой или гидрохиноном в воде при использовании в качестве фотосенсибилизатора димеров тиапентаметинцианинового красителя с фиксированной полиметиновой цепью заключается в следующем. В основе первичных фотореакций лежит фотоионизация димеров, протекающая по одноквантовому механизму при низких интенсивностях лазерного импульса с переходом на двухквантовый механизм с повышением интенсивности лазерного импульса [26]. Триплет-триплетный перенос энергии Методом лазерной кинетической спектроскопии установлен Т-Т-перенос энергии от димеров тиатриметинцианинового красителя Кр4 (донор энергии, D) на мономеры индопентаметинцианинового красителя Кр7 (акцептор энергии, А) в водных растворах. При лазерном облучении ( = = 532 нм) водных растворов D и А наблюдали изменения в спектрах основного поглощения. На рис. 4 приведены разностные спектры поглощения водных растворов D и А, полученные при импульсном лазерном возбуждении. Спектры нормированы на максимальное значение изменения поглощения в положительном максимуме. Спектр 1 отвечает Т-Т-поглощению димеров D, спектр 2 относится в основном к поглощению фотоцис-изомера А. Рис. 4. Разностные спектры поглощения водных растворов красителей D (кр. 1) и A (кр. 2), измеренные после лазерного облучения Перенос энергии от димера D на мономер A наблюдали по исчезновению Т-Т-поглощения D в присутствии акцептора А. Измерения кинетики дезактивации Т-состояния D проводили на  = = 540 нм, соответствующей изобестической точке в разностном спектре поглощения A (см. рис. 2). Значение константы скорости переноса энергии от димера D на А составляет kET = 5109 лмоль-1с-1, что близко к значению константы скорости диффузии. Подтверждением переноса энергии является обнаружение триплет-триплетного поглощения акцептора энергии. На рис. 5 приведены кинетические кривые, иллюстрирующие перенос энергии в системе димер D - А. При импульсном лазерном облучении акцептор А переходит из транс-формы в цис-форму (рис. 4, спектр 2). На рис. 5 кривая 1 отражает кинетику образования цис-фотоизомера А и кинетику термического перехода в транс-форму. В присутствии донора энергии D наряду с поглощением цис-изомера А имеет место Т-Т-поглощение А, что отражено на кривой 2 в виде участка а-б. Кинетика образования Т-состояния А совпадает с кинетикой гибели Т-состояния донора энергии - димера D (кривая 3). Рис. 5. Кинетические кривые изменения поглощения А при фотоизомеризации (кр. 1) и заселении Т-уровня (кр. 2) при 615 нм. Кинетика дезактивации Т-состояния димера D в присутствии А при 540 нм (кр. 3) Процесс переноса энергии представлен на схеме где T - время жизни молекул D в Т-состоянии. Из схемы следует выражение для эффективности () триплет-триплетного переноса энергии . При условии 1/T  kET [1A] величина  = 1 и не зависит от [1A]. При условии 1/T  kET [1A] величина  = T kET [1A] и, следовательно,  пропорциональна TkET[1A]. Величина T димера D составляет 310-5 с. На рис. 6 приведена зависимость эффективности Т-Т-переноса энергии в системе димер D - A от концентрации А. Рис. 6. Зависимость эффективности переноса энергии в системе димер D - A от концентрации А Из рис. 6 следует, что максимальная эффективность переноса энергии от димера D к А достигается при концентрации А, превышающей 110-4 моль/л. Таким образом, димеры цианиновых красителей проявляют способность к переходу в триплетное состояние и участию в процессах переноса электрона и энергии. Димеры в триплетном состоянии выступают в качестве фотосенсибилизатора в окислительно-восстановительных реакциях.

Скачать электронную версию публикации