Laser activation of oxygen in aerated solvents. Measurement of the absorption spectra of dissolved oxygen in aerated sol.pdf Введение В начале XIX столетия Волластон и Фраунгофер обнаружили серию темных (фраунгоферовых) полос в спектре солнечного света на поверхности Земли (1802-1815 гг.). Последующие работы Бунзена и Кирхгофа (1859-1861 гг.) показали, что эти полосы, в основном, определяются поглощением света атомами различных химических элементов в атмосфере Солнца. Эти открытия привели, как известно, к созданию спектрального анализа атомов и молекул и современным представлениям об их строении. Однако природу самых ярких полос (так называемых фраунгоферовых линий В и А) с максимумами при 688 и 762 нм Бунзену и Кирхгофу выяснить не удалось (см. [1] и ссылки в ней). Происхождение этих полос установил санкт-петербургский естествоиспытатель Н.Г. Егоров, который в работах 1883-1885 гг. доказал, что они принадлежат кислороду Земной атмосферы [2-4]. Работы Егорова были подтверждены Янсеном во Франции [5, 6] и позже многими другими исследователями (см. ссылки в работе [1]). В 1928 г., используя данные Егорова и его последователей, а также принципы теории молекулярных орбиталей, Малликен пришел к заключению, что основное состояние молекул O2 является триплетным (3Σg-), а темно-красные фраунгоферовы линии определяются переходами в молекулах кислорода из основного триплетного состояния на основной и колебательный уровни синглетного 1Σg+-состояния. Одновременно Малликен предсказал существование еще одного синглетного уровня (1Δg), имеющего более низкую энергию [7, 8]. Атмосферные полосы поглощения (1268 и 1067 нм), соответствующие переходу молекул кислорода из основного состояния на нулевой и первый колебательные уровни синглетного 1Δg состояния, были обнаружены в работах Герцберга [9, 10] (рис. 1, a, б). Указанные на рис. 1, б молярные коэффициенты поглощения (εmax) в абсорбционных максимумах кислорода в газовой фазе были рассчитаны нами [11, 12] по данным работ [13-16]. Для этого использовали измеренную в этих работах оптическую плотность в максимумах поглощения кислорода при давлении 1 бар, а также объем (24 л) 1 M идеального газа при этом давлении и комнатной температуре. Все указанные на рисунке переходы запрещены квантово-механическими правилами отбора, поэтому соответствующие абсорбционные коэффициенты очень малы. Особенно низкую интенсивность имеет полоса 1268 нм, абсорбционный коэффициент в максимуме которой в 40 раз меньше, чем в максимуме полосы 762 нм (рис. 1, б), а интегральный абсорбционный коэффициент этой полосы (рассчитанный с учетом полуширины полос) примерно в 300 раз меньше, чем интегральный абсорбционный коэффициент полосы 762 нм. Возможность регистрации кислородных полос в атмосфере - следствие ее большой толщины, обеспечивающей примерно 20 км оптический путь для солнечных лучей. Точное измерение абсорбционных коэффициентов, соответствующих этим полосам, и выявление еще более слабых дополнительных электронно-колебатель¬ных переходов стало возможным благодаря применению многоходовых спектрофотометрических кювет (см. [13-16] и ссылки в них). При повышенном давлении кислорода инфракрасная полоса поглощения кислорода резко усиливается и несколько смещается в коротковолновую сторону из-за образования димеров кислородных молекул (О2)2 [17-20] (рис. 1, в). Коэффициент поглощения, соответствующий основному ИК-пику (1263 нм) при давлении 150 атм, примерно в 1000 раз выше, чем в разреженном газе [19, 20]. Полосы А и В существенно менее чувствительны к повышению давления. Таким образом, при высоком давлении полосы при 762 и 1268 нм имеют близкую интенсивность. Более того, при высоком давлении кислорода появляются полосы поглощения сопоставимой интенсивности при 1063 нм, а также в фиолетовой, синей, зеленой и красной областях из-за одновременных электронных переходов в двух молекулах кислорода [17-20] (рис. 1, в). Таким образом, спектры поглощения кислорода при низком и высоком давлении кардинально различаются. Рис. 1. Энергетическая диаграмма низших электронно-колебательных переходов в мономерных молекулах кислорода в атмосфере Земли и соответствующие им максимумы поглощения в нм. В круглых скобках указаны колебательные подуровни (а). Молярные коэффициенты поглощения (εmax) в абсорбционных максимумах кислорода в газовой фазе при давлении 1 бар (б). Спектр поглощения сжатого кислорода при 150 атм в кювете 5 см (объяснения в тексте) (в) Вопрос о прямом измерении абсорбционных свойств кислорода, растворенного в органических и водных средах, насыщенных воздухом при нормальной температуре и давлении, долгое время даже не ставился, поскольку измерить спектр кислорода в нормальных условиях представлялось невозможным. Информация об абсорбционных свойствах растворенного кислорода в естественных условиях приобрела особый интерес в связи с гипотезой Амбарцумяна, его сотрудников и последователей о том, что прямое лазерное возбуждение молекулярного кислорода может быть причиной биологического действия лазеров, а воздействие лазеров на кислород раковых клеток можно использовать для лечения онкологических заболеваний [21-23]. Информация о том, что абсорбционные свойства кислорода в аэрированных растворах в нормальных условиях резко отличаются от свойств кислорода в газовой фазе при низком давлении, была первоначально получена из измерений квантового выхода фотосенсибилизированной фосфоресценции синглетного кислорода в растворах. Первые измерения были выполнены одним из авторов [24]. По нашим данным, в четыреххлористом углероде (CCl4) радиационное время жизни 1О2 (τr), соответствующее полосе излучения при 1274 нм, лежит в интервале (4±2) с [24], что соответствует радиационному времени жизни кислорода в комплексе соударения с молекулой растворителя [19]. Эта величина примерно на три порядка меньше, чем в газовой фазе при низком давлении (3840 с) [13, 14]. Позже многие исследователи проводили аналогичные измерения, обзор этих данных выходит за рамки нашей работы. В настоящее время наиболее вероятной считается величина τr = (1.17±0.25) с в CCl4 [25]. Последующие работы нескольких групп показали, что измеренная по фосфоресценции величина радиационного времени жизни изменяется примерно пятикратно в зависимости от растворителя (см. ссылки в работах [12, 25]). Близкая величина τr была получена для фосфоресценции при 765 нм (0.4-1.5 с) в работах Шмидта [26] и Чоу [27]. Причем в газовой фазе при низком давлении τr этой полосы равно 12 с [19]. По закону Эйнштейна радиационное время жизни пропорционально интегральному коэффициенту поглощения кислорода, поэтому можно было ожидать, что абсорбционные коэффициенты кислорода в растворах на порядки больше, чем в газовой фазе, причем их величина зависит от природы растворителя. Задача прямого измерения абсорбционных коэффициентов кислорода в аэрированных растворах была в основном решена в наших исследованиях последних 15 лет за счет применения методов лазерной фотохимии. Благодаря применению лазеров в опытах нашей группы было установлено, что прямое возбуждение кислорода воздуха, растворенного в нормальных условиях в аэрированных органических растворителях и воде, вызывает окисление ловушек синглетного кислорода (см. работы [11, 12, 28, 29] и ссылки в них): 3O2 + hν 1O2 + Хим. ловушка Окисление ловушки. Кинетический анализ скорости окисления ловушек позволил получить коэффициенты поглощения растворенного кислорода в максимумах при 1273 и 765 нм [11, 12, 28, 29]. Основные результаты были подтверждены работами других исследователей [30-36]. Недавно благодаря использованию волоконных лазеров нашей группой получены коэффициенты поглощения кислорода в максимуме колебательного сателлита при 1100 нм [33]. Применение фотохимического метода к анализу полос поглощения кислорода в области λ < 700 нм приводило к аномально высоким скоростям фотоокисления ловушек, что могло указывать на изменение механизма генерации синглетного кислорода под действием красного света [11, 36]. Недавно установлено, что активацию кислорода можно наблюдать также путем измерения собственной фосфоресценции синглетного кислорода ( 1270 нм), возникающей при облучении аэрированных растворов красным и темно-красным светом [32, 34]. В частности, фосфоресценция синглетного кислорода была обнаружена при прямом возбуждении растворенного кислорода лазерным излучением c длиной волны 765 нм [32]: 3O2 + hν765 1O2 3O2 + hν1270 . В последующих экспериментах наша группа подтвердила эту информацию ([11, 36] и ссылки в них). Коэффициенты поглощения кислорода на длине волны 765 нм, рассчитанные путем измерения этой фосфоресценции, совпали с коэффициентами, полученными методом ловушек [32]. В дополнение, было установлено, что фосфоресценцию можно наблюдать при фотовозбуждении аэрированных растворов также в области 690 нм, соответствующей фраунгоферовой полосе B [36]. В настоящей работе кратко суммированы основные результаты последних исследований лазерной активации кислорода в аэрированных средах, выполненных нашей группой с целью измерения спектра поглощения кислорода воздуха, растворенного естественным путем в растворителях, не содержащих пигментов. Методы и объекты Принципы исследования абсорбционных свойств растворенного кислорода методом лазер-ной фотохимии были многократно описаны в предшествующих работах нашей группы ([34-36] и ссылки в них). В качестве ловушек синглетного кислорода были использованы 1,3-дифенил¬изобензофуран (ДФИБФ), рубрен, мочевая кислота (99%, Acros Organics) и тетрацен (Aldrich Chemistry). Скорость образования 1O2 рассчитывали по скорости фотообесцвечивания ловушек в области основных максимумов их поглощения (474 нм для тетрацена, 410-414 нм для ДФИБФ, 530 нм для рубрена и 290 нм для мочевой кислоты). Ловушки обесцвечивались под действием красного и ИК-лазерного излучения, соответствующего максимумам поглощения растворенного кислорода, при том, что сами ловушки не имеют полос поглощения в этой области. Для сравнительных опытов использовали фотосенсибилизаторы образования синглетного кислорода - тетрафенилпорфирин (ТФП) или его водорастворимое производное - тетранатриевую соль тетра-п-сульфофенил порфирина (ТСФП) (Aldrich Chemistry). Их спектры поглощения измеряли на спектрофотометре СФ-56 (ООО «ЛОМО-Спектр», г. Санкт-Петербург). В качестве растворителей использовали четыреххлористый углерод (CCl4) (для спектроскопии, ООО «Компонент-Реактив» и ООО «ЛАБТЕХ», г. Москва), гексафторбензол (C6F6) (специальной очистки, АО НПО «Пим-Инвест», г. Москва), фреон 113 (99.5-99.8%, АО «Русхимпром», г. Москва), бензол (ОСЧ, ООО «ЛАБТЕХ», г. Москва), ацетон (ХЧ, ООО ТД «Химмед», г. Москва) и воду (дистиллят, полученный в ФИЦ Биотехнологии РАН). Для облучения образцов использовались диодные лазеры (ООО «Новые хирургические технологии» и ООО «Азор», г. Москва, ООО «Милон Лазер», г. Санкт-Петербург), светодиоды (ООО «Полироник», г. Москва, ООО «Алком Медика», г. Санкт-Петербург), лазер на парах золота «Ауран» и перестраиваемые форстеритовый и титан-сапфировый лазеры (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва и г. Троицк), а также ксеноновая лампа (450 Вт) с монохроматором от флуориметра Perkin Elmer MPF-44B. Мощность возбуждающего света контролировали измерителями мощности Ophir ORION-TH с сенсорной головкой 20C-SH («Ophir Optronics Ltd.») и ThorLabs PM-100D с сенсорной головкой S120VC («Thorlabs GmbH»). Растворы облучали в прямоугольных кварцевых кюветах с длиной оптического пути 10 мм при нормальном давлении и комнатной температуре. Объем растворов составлял 1.5 мл. Диаметр освещенного пятна - 5-8 мм. Фосфоресценцию синглетного кислорода при 1270 нм регистрировали на собранной в лаборатории установке на базе охлаждаемого фотоумножителя ФЭУ-112 (АО «Завод «Экран», г. Новосибирск). При регистрации фосфоресценции в стационарном режиме применяли cw-светодиоды и диодные лазеры. Для измерений с временным разрешением использовали электронную систему с разрешенным во времени счетом фотонов, а также импульсные лазеры и светодиоды. Подробное описание собранных в последнее время установок дано в работе [35]. Результаты Фотохимические измерения При облучении насыщенных воздухом растворов ловушек синглетного кислорода в органических растворителях и воде ИК-лазерами умеренной мощности (0.03-2 Вт) в области полос поглощения кислорода мы наблюдали снижение оптической плотности (А) ловушек в максимумах их поглощения. Скорость окисления ловушек измеряли в 1-см кварцевых кюветах при глубине окисления не более 15% путем деления убыли оптической плотности на время облучения (ΔA/t). Скорость фотовыцветания ловушек линейно зависела от мощности лазерного облучения, поэтому для дальнейшего анализа использовали относительные значения квантовой эффективности (Q), соответствующие значениям (ΔA/t), нормированным на мощность лазерного излучения в фотонах (эйнштейн) в секунду (Ilas) (подробнее см. в работах [28, 29]). С помощью перестраиваемых лазеров были измерены спектры действия фотовыцветания ловушек в разных растворителях. Полученные нашей группой за много лет спектры действия суммированы на рис. 2 [11, 12, 28, 29, 36]. Как видно из рисунка, в ИК-области в спектрах действия отчетливо выявляются три максимума, близкие к максимумам поглощения кислорода в разреженном газе. В CCl4, C6F6 и этаноле основной максимум ИК-поглощения был обнаружен нами при 1273 нм, т.е. этот максимум смещен на 5 нм в длинноволновую область по сравнению с максимумами поглощения мономерного кислорода в разреженном газе. Ширина (FWHM) этой полосы, по нашей оценке, составляла 17-18 нм (106 см-1) [11, 28, 29] (рис. 2). Несколько позже аналогичные результаты были получены группой Куртада во Франции, которая также наблюдала полосу возбуждения кислорода при 1273 нм с полушириной ~ 15 нм в CCl4, ацетоне, этаноле и D2O [30, 31]. Полоса возбуждения при 765 нм была впервые измерена нашей группой в аэрированных органических растворителях (CCl4, C6F6 и этаноле) (см. ссылки в работах [11, 28, 29] (рис. 3). Полуширина полосы по нашей оценке составляла 8-9 нм (~ 130 см-1). Недавно группа Огилби подтвердила основные результаты наших исследований и несколько расширила круг использованных растворителей. В CCl4 они также наблюдали полосу возбуждения при 765 нм, полуширина которой составляла 6-7 нм (120 см-1) [32]. В других растворителях максимумы возбуждения были обнаружены при 763-772 нм, полуширина полосы изменялась в интервале 6-17 нм. Наиболее длинноволновое смещение авторы наблюдали в йод-содержащих растворителях [32]. Попытки зарегистрировать полосу 1070 нм, соответствующую колебательному сателлиту полосы 1273 нм (рис. 1), предпринимались нами многократно (cм. ссылки в работах [28, 29]). Однако наиболее надежный результат, не оставляющий сомнений в существовании этой полосы, был получен нашей группой совсем недавно благодаря применению волоконных лазеров [33]. Показано, что эта полоса на два порядка слабее главной полосы, ее полуширина составляет около 10 нм. В интервале 800-1050 нм других полос возбуждения кислорода нам наблюдать не удалось [33]. Вероятно, их интенсивность еще на порядки слабее, чем у полосы 1070 нм, что согласуется с результатами измерений в газовой фазе при низком давлении. Показано, что окисление ловушек, наблюдаемое при возбуждении кислорода в органических растворителях, тормозится тушителями синглетного кислорода - β-каротином или ацетоном при использовании растворителей, лишенных водородных атомов ([11, 28, 29, 36] и ссылки в них). В воде и спиртах окисление ингибируется азидом натрия (см. ссылки в работах [11, 28, 29]). Фотоокисление ловушек вообще не обнаруживается после продувки аргоном или азотом и увеличивается примерно в 4.8 раза после насыщения растворов кислородом (рис. 2, II) [11, 28, 29, 36]. Рис. 2. I) Спектры действия окисления ловушек синглетного кислорода при прямом возбуждении кислородных молекул ИК-лазерным излучением: а - спектры, полученные с помощью перестраиваемого форстеритового лазера в растворах тетрацена в CCl4 (•) и 1,3-дифенилизобензофурана (ДФИБФ) в этаноле (□); б - спектр, полученный с помощью перестраиваемого волоконного лазера в ССl4 (•) и гексафторбензоле (Δ); в - спектры, полученные с помощью титан-сапфирового лазера в растворе тетрацена (•) и ДФИБФ в ССl4 (□) и в растворе ДФИБФ в гексафторбензоле (Δ). Vr - скорость фотоокисления ловушки, Ilas - интенсивность лазерного облучения (число фотонов (эйнштейн) в секунду). Спектральные максимумы нормированы на 1. II) Влияние кислорода на скорость окисления ДФИБФ (40 мкМ) при прямом возбуждении растворенного кислорода в CCl4 лазерным излучением на 1273 нм (a) и 765 нм (б); в - зависимость интенсивности собственной фосфоресценции кислорода (1274 нм) в CCl4 при возбуждении на 765 нм. Цифрами обозначены растворы, насыщенные воздухом (1), чистым кислородом (2) и аргоном (3) Из анализа приведенных данных следует, что фотоокисление ловушек 1О2 в насыщенных воздухом органических растворителях и воде при их облучении ИК-лазерами указанных длин волн определяется прямым возбуждением растворенного кислорода или свето-кислородным эффектом по терминологии работы [21] (рис. 3, а). Рис. 3. Механизмы окисления ловушек синглетного кислорода (а) и механизмы фосфоресценции синглетного кислорода при прямом возбуждении кислородных молекул (б), растворенных в аэрированных растворителях в естественных условиях Однако попытки использовать методы лазерной фотохимии для возбуждения кислорода более коротковолновыми лазерами, длина волны которых соответствует фраунгоферовой полосе В (690 нм) (рис. 1) и димерам (О2)2 (630 нм), привели нас к неожиданным результатам, которые иллюстрируются рис. 4 (предварительные данные были описаны в работах [11, 36]). При облучении ССl4, очищенного многократной перегонкой, красным светом от лазера на парах золота (628 нм) квантовая эффективность окисления ДФИБФ в 7 раз выше, чем при облучении диодным лазером 765 нм. Квантовая эффективность лазера 628 нм усиливалась примерно вдвое при использовании долго хранившегося при комнатной температуре ССl4. В другом растворителе - гексафторбензоле - квантовая эффективность красного света (628 нм) вдвое меньше, чем у темно-красного (765 нм) (рис. 4, а). Квантовая эффективность генерации синглетного кислорода при возбуждении на длине волны 765 нм принята равной 1 [11, 36]. Менее выраженный, но похожий эффект наблюдался при возбуждении светом диодного лазера 690 нм. В ССl4 высшей очистки квантовая эффективность лазера 690 нм примерно равна квантовой эффективности лазера 765 нм. В долго хранившемся ССl4 относительная эффективность возбуждения при 690 нм возрастала примерно на 30%. В гексафторбензоле квантовая эффективность лазера 690 нм примерно на порядок меньше, чем у лазера 765 нм. Уменьшение концентрации ДФИБФ вдвое по сравнению с максимальной приводило к двукратному ослаблению эффекта красных лазеров 628 и 690 нм, хотя в условиях этого эксперимента при обеих концентрациях ДФИБФ ловушка перехватывала все молекулы 1О2 и поэтому квантовая эффективность лазера 765 нм не изменялась. При использовании в качестве ловушки тетрацена (вместо ДФИБФ) квантовая эффективность лазера 765 нм оставалась без изменений [28], тогда как квантовая эффективность окисления ловушки под действием красного света (628 и 690 нм) резко уменьшалась [11, 36]. Рис. 4. Относительная квантовая эффективность (Vr/nex) окисления ловушек синглетного кислорода под действием лазерного излучения: a - ДФИБФ в ССl4 (серые столбцы) и C6F6 (черные столбцы); б - ДФИБФ (серые столбцы) и тетрацен (черные столбцы) в ССl4. Vr - скорость окисления ловушек при их начальной оптической плотности, равной 1 в главных максимумах поглощения; nex - интенсивность лазерного излучения в фотонах/с. Данные соответствуют линейной зависимости Vr от nex Из изложенного следует, что под действием красного лазерного излучения (690 и 628 нм) фотоокисление ловушки в значительной степени определяется не прямым возбуждением кислорода, а активностью комплекса растворителя, кислорода и ловушки, природа и механизм действия которых пока не установлены. Фосфоресцентные измерения Рис. 5 иллюстрирует результаты наших измерений стационарной фосфоресценции 1О2, возникающей в аэрированных растворителях, не содержащих водородных атомов, в отсутствие ловушек. Iph - интенсивность люминесценции в фотонах в секунду [11, 35, 36]. Реально в этих опытах мы использовали ССl4, гексафторбензол и фреон 113. Выбор этих растворителей обусловлен тем, что в аэрированных растворителях этой группы время жизни 1O2 составляет 16-35 мс, что существенно облегчает исследование синглетного кислорода. В содержащих атомы водорода растворителях время жизни 1О2 снижается на 2-3 порядка величины ([25, 35] и ссылки в них). При облучении этих растворителей непрерывными диодными лазерами на длине волны 765 и 690 нм мы наблюдали ИК-люминесценцию при 1270 нм [11, 35, 36]. После добавления 50% ацетона, который уменьшал время жизни синглетного кислорода в используемых растворителях более чем на два порядка, интенсивность люминесценции достигла уровня, близкого к уровню пустой кварцевой кюветы при таком же возбуждении (pис. 5, а и б). Для получения чистого сигнала фосфоресценции синглетного кислорода сигнал люминесценции ацетон-содержащих растворителей вычитали из общего сигнала люминесценции чистых растворителей без ацетона. Рис. 5. Стационарные интенсивности (а, б) люминесценции при 1270 нм, возникающей при облучении аэрированного гексафторбензола диодными лазерами 765 нм (850 мВт) (а) и 690 нм (2 Вт) (б) до (1) и после (2) добавления 50% ацетона. Спектры фосфоресценции (в) при возбуждении 765 (Δ) и 690 нм (□). Спектр возбуждения фосфоресценции 1270 нм (г) в аэрированном фреоне 113 Спектр сигнала чистой фосфоресценции 1О2 имел острый пик при 1270 нм (рис. 5, в). Зависимость этого сигнала от мощности возбуждения была строго линейной при возбуждении кислорода лазерами с длиной волны 765 и 690 нм (не показано, см. [36]). На том же рисунке представлен спектр возбуждения фосфоресценции, измеренный нами с использованием узкополосных (полуширина 2-3 нм) диодных лазеров с фиксированной длиной волны излучения 638, 662, 690, 765, 772 и 785 нм, широкополосного светодиода (738 нм, полуширина 15 нм) и лазера на парах золота (628 нм, полуширина - менее 1 нм). Установлено, что в исследованных растворителях наиболее эффективен лазер с длиной волны 765 нм, соответствующий максимуму основной полосы поглощения мономерного кислорода. Одновременно в спектре возбуждения отчетливо видна отдельная полоса 690 нм [11, 36]. При возбуждении узкополосными лазерами в области 628-638 нм (максимальная плотность мощности возбуждения ≈ 0.6 Вт/см2), которая соответствует полосе поглощения кислородных димеров (О2)2 и/или переходу из основного на 2-й колебательный подуровень синглетного 1Σg+-состояния мономерных молекул О2, достоверного сигнала фосфоресценции 1О2 нам наблюдать не удавалось. Во фреоне 113 и очищенном ССl4 относительная квантовая эффективность лазера 690 нм примерно в 15±2 раз меньше, чем у лазера 765 нм (рис. 5) (подробнее см. [36]). Такое же соотношение между абсорбционными максимумами 688 и 762 нм характерно для спектров поглощения мономерного кислорода в газовой фазе при низком давлении [13]. В гексафторбензоле относительная интенсивность пика 690 нм примерно в 1.5 раза больше [36]. Интересно, что при возбуждении на 765 нм после продувки кислородом фосфоресценция 1О2 в CCl4 увеличилась только в 2.7 раза, а не в 4.8 раза, как в присутствии ДФИБФ (рис. 2, II). Это связано с большим временем жизни 1O2 в этом растворителе (десятки миллисекунд), поэтому насыщение кислородом вызывает тушение 1O2 триплетным кислородом в 1.7 раза (подробнее см. [11, 35-37]). В присутствии ДФИБФ время жизни синглетного кислорода сильно сокращается, поэтому относительно слабое гасящее действие триплетного кислорода не влияет на скорость дезактивации 1O2. Аналогичная зависимость от концентрации кислорода наблюдалась также при возбуждении в области 690 нм (не показано, см. [36]). Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что выявленные максимумы возбуждения фосфоресценции принадлежат абсорбционным максимумам кислорода в аэрированных растворителях, а механизм фосфоресценции соответствует указанному на рис. 3, б. Определение абсорбционных коэффициентов На рис. 2 максимумы спектров действия окисления ловушек нормированы к 1. Представляло интерес выяснение относительной интенсивности этих максимумов. Кинетический анализ скорости окисления химических ловушек (Vr, М/с) при прямом возбуждении кислорода лазерным излучением позволил нам разработать методику определения оптической плотности (Amax) растворенного кислорода в максимумах его поглощения. Для расчета было разработано несколько аналитических процедур. Наилучшие результаты получены при сравнении скоростей образования синглетного кислорода при прямом и фотосенсибилизированном порфирином возбуждении молекул кислорода с использованием следующего уравнения [11, 28, 29]: Amax = (Qlasr /Qpsr)/α) ФΔ(1-10-Atpp)/2.3, (1) где Qlasr и Qpsr - квантовая эффективность окисления ловушек при прямом лазерном и фотосенси-билизированном порфирином возбуждении (Qlasr = Vr /Ilas; и Qpsr = Vr /Iex, Iex соответствует интенсивности возбуждающего порфирин монохроматического света); Atpp - оптическая плотность порфирина в области его возбуждения; ΦΔ - квантовый выход генерации синглетного кислорода порфирином (в органических средах мы использовали ТФП, в водных средах - тетра-п-сульфофенил порфирин, тетранатриевую соль. Для расчетов по уравнению (1) скорости фотоокисления измеряли в единицах ΔA/t, где ΔA - изменение (убыль) оптической плотности в максимумах спектров поглощения ловушек при облучении растворов, t - время облучения. Наши опыты и данные других групп показали, что в большинстве не содержащих тяжелых атомов растворителей мономерные молекулы ТФП и ТСФП генерируют синглетный кислород с ΦΔ = 0.73-0.77 (см. ссылки в работах [28, 29]). Коэффициент α соответствует степени перекрывания спектра лазера со спектром поглощения изучаемой полосы кислорода, который, очевидно, соответствует спектру действия фотоокисления ловушек (рис. 3). В тех случаях, когда максимум лазерного излучения точно соответствует максимуму поглощения кислорода и полуширина лазерной полосы в несколько раз меньше, чем у полосы поглощения кислорода, коэффициент α = 1. В работах 2006-2017 гг. из-за относительно невысокой мощности излучения доступных перестраиваемых лазеров (менее 100 мВт) для количественных измерений мы использовали более мощные диодные лазеры с фиксированной длиной волны излучения, длина волны которых в большинстве опытов была на 3-5 нм меньше длины волны максимума поглощения кислорода. Полуширина полосы излучения этих лазеров составляла 2-5 нм. В этих случаях для получения Аmах использовали коэффициент α, который рассчитывали с помощью программы «Origin», используя спектральный контур полосы лазерного излучения и контур полосы в спектре возбуждения кислорода. При расчете этого коэффициента полосы возбуждения аппроксимировали гауссовыми кривыми с полушириной 20 нм для полосы 1273 нм и полушириной 10 нм для полосы 765 нм ([28, 29] и ссылки в них)). Полученные значения α обычно составляли 0.6-0.9. Однако, как показано в недавней работе [32], в ССl4 полуширина полосы поглощения кислорода при 765 нм равна 6-7 нм, т.е. заметно меньше использованной нами для расчетов величины 10 нм. Учет этого факта приводит к уменьшению коэффициента α примерно на 30% и пропорциональному увеличению A765 в этом растворителе. Недавно мы приобрели относительно узкополосные (полуширина 2 нм) диодные лазеры с длиной волны 765 и 1272 нм, точно совпадающие с максимумами полосы кислорода. Коэффициенты перекрытия α по нашим расчетам составили 0.95 и 0.9 соответственно. Измерения скорости выцветания ДФИБФ, выполненные в ССl4 под действием этих лазеров, не привели к достоверному изменению значения A1273 по сравнению с ранее опубликованными нами данными [11, 28, 29]. При измерениях с лазером 765 нм в ССl4 получалось значение A765, которое, в согласии с расчетом, увеличилось примерно в 1.3 раза по сравнению с данными предшествующих работ нашей группы. В связи с этим фотохимическая активность кислорода под действием новых лазеров была измерена также в других средах. Часть полученных данных приведена в таблице. Во всех случаях мы наблюдали незначительное относительное увеличение A765, выраженное, однако, слабее, чем в ССl4 по сравнению с результатами, указанными в работах [11, 29]. Коэффициенты поглощения кислорода, растворенного в нормальных условиях в некоторых аэрированных растворителях, рассчитанные по уравнению (1) и результатам люминесцентных измерений Растворитель A1273∙105 (1 см) A765∙105 (1 см) [O2], мМ [29, 35] ε1273∙103, М-1∙см-1 ε765∙103, M-1∙см-1 ε765/ε1273 ε1273/ε1070 [33] ε765/ε690 CCl4 1.33 0.25 2.6 5.1 0.96 0.19 105 15 C6F6 2.1 0.35 4.4 4.8 0.8 0.17 105 8 Фреон 113 1.1 0.19 3.2 3.4 0.6 0.18 105 15 C6H6 1.2 0.19 1.9 6.3 1.0 0.16 - - Ацетон 0.65 0.18 2.4 2.7 0.8 0.28 - - H2O* 0.052 0.035 0.29 1.8 1.2 0.67 - - Примечание: *Для фотохимических измерений использовали в качестве ловушки ДФИБФ, в водные растворы добавляли 0.2 M додецилсульфат натрия для солюбилизации ловушки. Прочерк означает, что измерения не проводились. Рис. 6. Главные максимумы спектра поглощения кислорода в аэрированном ССl4, полученные в результате исследования лазерной активации растворенных молекул О2. Цифрами показана относительная интенсивность максимумов абсорбционных полос по отношению к главной полосе 1273 нм Полученные данные позволяют изобразить спектр поглощения кислорода в растворителях, молекулы которых не содержат водородных атомов. Например, спектр поглощения кислорода, растворенного в аэрированном ССl4 при нормальных условиях изображен на рис. 6. Этот спектр по общей форме соответствует тому, который был опубликован нашей группой ранее [10, 11]. Отличие связано с тем, что в последнее время удалось уточнить параметры колебательных переходов при 690 и 1070 нм, которые оказались в 2-5 раз менее интенсивными, чем мы получали ранее. Более подробное описание приведено в работах [35, 36]. Полуширина полос указана в тексте. Из рисунка видно, что в спектре поглощения растворенного кислорода доминирует та же четверка полос, которая характерна для кислорода в атмосфере. Однако главный максимум лежит при 1273 нм. Молярный коэффициент, соответствующий максимуму этой полосы, в 200 раз больше, чем у атмосферного кислорода. Если учесть, что полуширина этого перехода в растворе (16±1) нм примерно на порядок выше, чем в газовой фазе, интегральный абсорбционный коэффициент в растворе на три с лишним порядка выше, чем в атмосфере Земли. Известно, что этот эффект является следствием усиления длинноволнового перехода в комплексах соударения с молекулами растворителя, что было обнаружено одним из нас много лет назад при измерении квантового выхода фосфоресценции синглетного кислорода в аэрированном ССl4 и других растворителях [24] и многократно обсуждалось в литературе ([25] и ссылки в ней). Молярный коэффициент, соответствующий максимуму следующей по интенсивности полосы 765 нм, практически одинаков в газовой фазе и растворе. Относительная интенсивность максимумов колебательных полос по отношению к главным максимумам примерно одинакова у атмосферного и растворенного кислорода. В растворителях, содержащих водородные атомы, но не имеющих тяжелых атомов, коэффициент поглощения полосы 1273 нм уменьшался в несколько раз при переходе от ССl4 и других гидрофобных растворителей к спиртам и воде, тогда как полоса 765 нм от природы этих растворителей почти не зависела (см. [11, 28, 29]). При этом полоса при 765 нм резко усиливалась, если в растворителях имелись атомы брома или йода [32, 36]. Заключение Таким образом, в результате исследования фотохимической активности растворенного кислорода и фосфоресценции, возникающей при его прямом возбуждении, получены надежные данные о спектрах поглощения молекул кислорода, растворенного в различных средах при нормальном давлении и температуре. Очевидно, эти данные имеют фундаментальное значение для понимания спектроскопии кислорода, а также представляют большой интерес в связи с обсуждением гипотезы о роли кислорода как фоторецептора при биологическом действии лазерного излучения. Авторы благодарят фирмы OOO «Новые хирургические технологии» (г. Москва), OOO «Милон Лазер» (г. Санкт-Петербург), ООО «Алком Медика» (г. Санкт-Петербург) и АО НПО «Пим-Инвест» (г. Москва) за техническую помощь и сотрудничество.

Скачать электронную версию публикации