Спектрально-люминесцентные свойства бромкрезолового пурпурного | Известия вузов. Физика. 2022. № 9. DOI: 10.17223/00213411/65/9/47

Спектрально-люминесцентные свойства бромкрезолового пурпурного

Исследовано влияние растворителя на спектрально-люминесцентные свойства бромкрезолового пурпурного (БКП). Определены спектральные характеристики БКП: полуширина Δν1/2, стоксов сдвиг Δνст, молярный коэффициент поглощения ε, собственное время жизни возбужденного состояния τ, сила осциллятора электронных переходов f . С помощью уравнения Липперта была построена зависимость стоксова сдвига БКП от ориентационной поляризуемости растворителя. Анализ экспериментальных данных показал, что положение максимума полосы поглощения БКП в области 350-480 нм коррелирует со значениями акцепторного числа растворителя: с уменьшением значения акцепторного числа максимум полосы смещается в более коротковолновую область (вода > этанол > толуол > ацетон). Наименьшая поглощательная способность БКП была зарегистрирована в толуоле. С помощью уравнения Липперта - Матаги определено изменение дипольного момента в полярных протонных растворителях при возбуждении (16.2 Д), которое выше, чем в апротонных растворителях (10.4 Д) за счет образования Н-связей.

Spectral and luminescent properties of bromcresol purple.pdf Введение Трифенилметановые красители представляют собой большой класс органических синтетических красителей, отличительной чертой которых являются чистота и яркость оттенков, что делает их востребованными во многих отраслях. Красители данного класса широко применяются в полиграфической промышленности, в производстве чернил и карандашей [1]. Ярким представителем этого класса красителей является бромкрезоловый пурпурный (БКП). Изменение цвета вещества в широком диапазоне в зависимости от pH окружающей среды дает возможность использовать БКП в микробиологии для окрашивания мертвых клеток, а также для выделения и анализа молочнокислых бактерий [2, 3]. В медицинских лабораториях краситель используется для измерения уровня альбумина [4]. Применение БКП в этих целях дает некоторые преимущества по сравнению со старыми методами, использующими бромкрезоловый зеленый [5]. Растущий спрос на новые технологии оптического зондирования стимулировал исследования в этой области. Для измерения pH было представлено несколько устройств на основе оптического детектирования. Золь-гелевые материалы, известные как органически модифицированные силикаты (ORMOSIL), обладают интересными свойствами, такими как химическая и механическая стабильность, что позволяет эффективно использовать их в устройстве оптического датчика. В работе [6] был представлен оптический датчик для измерения pH на основе тонкой пленки, нанесенной на подложку из диоксида кремния. Пленки были приготовлены с помощью золь-гель-процесса с использованием pH-чувствительного индикатора БКП. Особый интерес вызывает применение химических сенсоров на основе БКП в области медицины в качестве альтернативных методов ранней диагностики онкологических заболеваний [7]. Датчики преобразуют изменения в различных химических реакциях в электрические, флуоресцентные или цветовые сигналы [8]. Хромогенный (или колориметрический) датчик представляет собой материал, обладающий двумя последними характеристиками: изменением цвета и/или флуоресценцией в присутствии химической реакции. Эти устройства обычно применяются для обнаружения ионов (как катионов, так и анионов) и изменений pH [9]. Для расширения области применения БКП и разработки оптического сенсора необходимы дальнейшие исследования сольватационных эффектов растворителя на спектральные характеристики красителя. Методы оптической спектроскопии позволяют, с одной стороны, воздействовать на образец в растворителе в конкретном временном интервале, а с другой стороны, подбирать различные характеристики возбуждения. Взаимодействие между растворенным веществом и окружающими молекулами растворителя вызывает флуктуации уровней электронной энергии растворенного вещества, что и детектируется спектроскопическими методами. В процессе воздействия взаимодействие между молекулами растворителя и растворенного соединения происходит в течение относительно большого промежутка времени и с различной силой. Цель данной работы - исследование влияния природы растворителя на спектрально-люминесцентные свойства БКП. Методика эксперимента В работе исследован краситель семейства трифенилметановых - бромкрезоловый пурпурный, органическое соединение с химической формулой C21H16Br2O5S. Структурная формула молекулы данного красителя представлена на рис. 1, цифрами пронумерованы атомы. Рис. 1. Структурная формула молекулы БКП Исследование проводилось методами электронной спектроскопии, флуоресценции с использованием оборудования Томского регионального центра коллективного пользования Национального исследовательского Томского государственного университета. Центр поддержан грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 075-15-2021-693 (№ 13.ЦКП.21.0012). Более точным методом определения полос поглощения в спектрофотометрии является метод второй производной [9]. С помощью этого метода были разрешены полосы, проявляющиеся лишь в виде нечетких перегибов в спектре поглощения. Для описания влияния физических свойств растворителя на спектры флуоресценции наиболее широко используется уравнение Липперта [10]. Взаимодействие между молекулами растворителя и флуорофора оказывает влияние на разность энергий между основным и возбужденным состояниями. В первом приближении эта разность энергии зависит от показателя преломления n и диэлектрической проницаемости ε растворителя и описывается уравнением Липперта: , (1) где и - волновые числа, соответствующие поглощению и флуоресценции; - постоянная Планка; - скорость света; - диэлектрическая проницаемость; - показатель преломления; и - дипольные моменты возбужденного и основного состояний; - радиус полости, внутри которой находится флуорофор. Из уравнения Липперта можно выразить ориентационную поляризуемость : , (2) где - диэлектрическая проницаемость; - показатель преломления растворителя. Спектральные характеристики растворов БКП были зарегистрированы на спектрофотометре VARIAN Cary 5000 Scan UV-VIS-NIR и спектрофлуориметре VARIAN Cary Eclipse (AgilentTech., США - Нидерланды - Австралия) при комнатной температуре в области 200-800 нм. Ошибка измерения не превышала 10%. Для получения растворов использовали химически чистые растворители: дистиллированную воду (H2O), полученную на аквадистилляторе ДЭ-4 Т3МОИ (Тюмень, Россия); этанол (C2H5OH) со степенью чистоты 99.6%, полученный от Sigma-Aldrich; толуол (C6H5CH3), произведенный фирмой «База № 1 Химреактивов» марки ЧДА; ацетон (CH3COCH3) со степенью чистоты 99.9%, произведенный фирмой ЗАО «ЭКОС-1». В табл. 1 представлены значения диэлектрической проницаемости , дипольного момента , донорного и акцепторного числа для используемых растворителей [11]. Для приготовления матричных растворов объемом 10 мл с концентрацией С = 10-3 М потребовалось 5.4 мг БКП. Методом последовательного разбавления получили растворы с концентрациями: 5∙10-4, 10-4, 5∙10-5, 10-5, 5∙10-6, 10-6, 5∙10-7 и 10-7 М. Таблица 1 Свойства растворителя Растворитель n ε μ, Д Донорное число Акцепторное число Вода 1.3330 78.5 1.8 18.0 54.8 Этанол 1.3614 24.3 1.7 19.6 37.9 Ацетон 1.3587 20.9 2.8 17.0 12.5 Толуол 1.4969 2.4 0.37 3.6 14 Результаты и их обсуждение Из спектров поглощения и флуоресценции были определены спектральные характеристики БКП, а именно: полуширина спектральной линии , величина стоксова сдвига , величина молярного коэффициента поглощения ε, время жизни возбужденного состояния τ, сила осциллятора f, а также положения максимумов полос поглощения и флуоресценции БКП в воде, этаноле, ацетоне и толуоле. Данные представлены в табл. 2. Из-за наличия в структуре молекулы БКП тяжелых атомов Br эффективность флуоресценции является слабой. Таблица 2 Положение полос поглощения и спектральные характеристики БКП (С = 10-5 моль/л) в различных растворителях Растворитель λпогл, нм νпогл, см-1 , см-1 ε, см-1 ∙М-1 f , с , нм ( , см-1) , см-1 Вода 279 35800 2700 7800 0.83 0.8 542 (18500) 4600 304 32900 2900 7100 388 25800 2400 9100 433 23100 3600 12600 Этанол 278 36000 4500 8500 0.36 1.7 543 (18600) 5300 312 32100 3600 5100 420 23800 5300 14600 Ацетон 398 25200 5000 17500 0.41 1.4 500 (20000) 5200 Толуол 405 24700 6200 500 0.02 42.2 467 (21400) 3300 Из анализа данных (табл. 2) была установлена зависимость, которая показала, что положение максимума полосы поглощения БКП в области 350-480 нм коррелирует со значениями акцепторного числа растворителя. Таким образом, с уменьшением значения акцепторного числа растворителя максимум поглощения БКП смещается в более коротковолновую область в ряду: вода этанол толуол ацетон. Спектральные свойства БКП в растворителях с различным значением акцепторного числа (AN) приведены в табл. 3. Таблица 3 Зависимость положения полосы поглощения БКП от акцепторного числа растворителя Растворитель (AN) Спектр поглощения , нм Вода (54.8) 433 Этанол (37.9) 422 Толуол (14) 405 Ацетон (12.5) 398 Проверка выполнения закона Бугера - Ламберта - Бера (рис. 2) показала, что линейность нарушается для БКП при концентрации > 10-6 М в воде; > 10-5 М в ацетоне и толуоле. В этаноле линейность сохраняется в интервале от 10-7 до 10-4 М. Рис. 2. Зависимость оптической плотности поглощения БКП от концентрации в воде (а), этаноле (б), ацетоне (в) и толуоле (г): 1 - линейная, 2 - полиномиальная Для идеального соблюдения закона поглощения необходимым условием является отсутствие какого-либо взаимодействия между поглощающими частицами в растворе. Отклонение от линейной зависимости в ацетоне может быть вызвано диполь-дипольными взаимодействиями. В толуоле отклонение от линейности вызвано взаимодействием универсальной природы между молекулами красителя и растворителя. Сольватация БКП в воде и этаноле обусловлена специфическими взаимодействиями. С помощью уравнения Липперта была построена зависимость стоксова сдвига от ориентационной поляризуемости растворителя (рис. 3). В рамках теории Липперта зависимость должна иметь линейный характер, т.е. с увеличением полярности растворителя должен увеличиваться и стоксов сдвиг. Таким образом, стоксов сдвиг в воде должен быть больше, чем в этаноле, но в действительности мы получили противоположный результат. Образование Н-связанных комплексов оказывает влияние на спектры поглощения и флуоресценции БКП. Для расширения ряда используемых растворителей были взяты результаты, полученные в работе [12] (табл. 4). Согласно уравнению Липперта - Матаги [13], были определены изменения дипольных моментов БКП при переходе из основного состояния в возбужденное в протонных и апротонных растворителях. В соответствии с уравнениями (1) и (2), ожидается, что график покажет линейную зависимость наклона кривой, и, как следствие, разность между дипольными моментами в возбужденном и основном состояниях можно представить в виде , (3) где μ* и μ - дипольные моменты возбужденного и основного состояний; h - постоянная Планка; c - скорость света; m - наклон кривой зависимости Δνст от Δf; a - радиус полости, внутри которой находится флуорофор. Рис. 3. Зависимость стоксова сдвига от ориентационной поляризуемости Δf растворителей с использованием уравнения Липперта - Матаги: 1 - протонные; 2 - апротонные Различия в Δνст указывают на то, что растворители имеют разную сольватирующую способность по отношению к красителю. БКП может образовывать водородные связи с протонными растворителями как донор и акцептор Н-связи. Это свойство обеспечивает большую стабилизацию цвиттерионной структуры БПК при возбуждении в протонных растворителях, чем в апротонных растворителях [13]. На графиках Липперта (рис. 3) нельзя было выделить одну линию. Зависимость была аппроксимирована разными прямыми отдельно для протонных и апротонных растворителей. Это позволило применить сольватохромный метод [13], позволяющий определить изменение дипольного момента БКП при возбуждении. Используя наклоны прямых 1 (18722 см-1) и 2 (7628 см-1) на рис. 3 и уравнение (1), были рассчитаны изменения дипольного момента ( ) БКП в протонных и апротонных растворителях, которые равны 16.2 и 10.4 соответственно. Таблица 4 Стоксов сдвиг БКП ( ст) и ориентационная поляризуемость растворителя (Δf) Тип Растворитель Δf Полярный протонный Вода 0.323 4600 Метанол* 0.3087 4156 Этанол* 0.2890 4416 Этанол 5300 1-пропанол* 0.2744 4260 2-пропанол* 0.2722 4118 Бутанол* 0.2436 3204 Пентанол* 0.2500 3352 Этиленгликоль* 0.1676 4302 Полярный апротонный Ацетонитрил* 0.3055 5015 Ацетон* 0.2838 4956 Ацетон 5200 Этилацетат* 0.1998 4396 Тетрагидрофуран* 0.2099 4923 Апротонный неполярный Толуол 0.065 3300 1,4-диоксан* 0.0253 3014 Примечание: *Данные для БКП были взяты из работы [13]. Для выявления центров молекулы БКП с высокой протоноакцепторной и протонодонорной способностью, определяющих возможность образования Н-связей с растворителем, получен расчет распределения эффективного заряда на атомах (табл. 5) при помощи полуэмпирического метода частичного пренебрежения дифференциальным перекрыванием (ЧПДП/с) с использованием специальной параметризации [12]. Самыми высокими протоноакцепторными свойствами в БКП в основном S0 и возбужденном S1 состояниях обладают атомы кислорода сульфогруппы: О28 и О29 (рис. 1, табл. 5). Наличие в структуре БКП атомов кислорода ОН-групп добавляет протонодонорные центры образования Н-связей с растворителем. Благодаря этому в молекуле БКП возможно взаимодействие с растворителем с образованием Н-связей по атомам кислорода в положениях 8, 18, 20, 28 и 29. Таблица 5 Эффективные заряды в состояниях S0 и S1 Номер атома Состояние S0 Состояние S1 O8 -0.349 -0.325 O18 -0.347 -0.331 O20 -0.468 -0.467 S27 2.015 1.989 O28 -0.933 -0.935 O29 -0.908 -0.910 Заключение По результатам работы были сделаны следующие выводы: 1. Проверка выполнения закона Бугера - Ламберта - Бера показала, что линейность нарушается при концентрации БКП в воде 10-6 М; ацетоне и толуоле 10-5 М. В этаноле линейность сохраняется в интервале от 10-7 до 10-4 М. 2. Положение максимума полосы поглощения БКП в области 350-480 нм коррелирует со значениями акцепторного числа растворителя: вода этанол толуол ацетон. 3. Изменение дипольного момента в полярных растворителях при возбуждении в протонных растворителях (16.2 Д) выше, чем в апротонных (10.4 Д) за счет образования специфических взаимодействий.

Ключевые слова

бромкрезоловый пурпурный, спектральные и люминесцентные свойства, оптический сенсор, химические сенсоры

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Безлепкина Надежда ПавловнаНациональный исследовательский Томский государственный университетлаборантка лаборатории фотофизики и фотохимии молекул НИ ТГУnadezhda.bezlepkina174833@mail.ru
Чайковская Ольга НиколаевнаНациональный исследовательский Томский государственный университетд.ф.-м.н., профессор кафедры оптики и спектроскопии, зав. лабораторией фотофизики и фотохимии молекул НИ ТГУtchon@phys.tsu.ru
Бочарникова Елена НиколаевнаНациональный исследовательский Томский государственный университетинженер-исследователь лаборатории фотофизики и фотохимии молекул НИ ТГУbocharnikova.2010@mail.ru
Всего: 3

Ссылки

Жиряков В.Г. Органическая химия - 6-е изд. - М.: Химия, 1978. - 408 с.
Kurzweilová H., Sigler K. // Yeast. - 1993. - V. 9. - Iss. 11. - P. 1207-1211.
Lee H.M., Lee Y. // Lett. Appl. Microbiol. - 2008. - V. 46. - Iss. 6. - P. 676-681.
Faizul F.M., Abdul Kadir H., Tayyab S. //j. Photochem. Photobiol. B. Biology. - 2008. - V. 90. - Iss. 1 - P. 1-7.
Bachmann L.M., Boyd J.C., Bruns D.E., et al. // Clinical Chem. - 2017. - V. 63. - Iss. 3. - P. 770-779.
Timbó Á.P., Pinto P.V., Pinho H.A., et al. // Sensors and Actuators. B. Chem. - 2016. - V. 223. - P. 406-410.
Mahmoodi P., Fani M., Rezayi M., et al. // BioFactors. - 2019. - V. 45 - P. 101-117.
Zhou X., Lee S., Xu Z., Yoon J. // Chem. Rev. - 2015. - V. 115. - Iss. 15. - P. 7944-8000.
Чайковская О.Н., Краюхина В.С., Помогаев В.А., Чайдонов А.И. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 10. - С. 9-14.
Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. - М.: Техносфера, 1986. - 496 с.
Морозова Ю.П., Жаркова О.М., Королёв Б.В. // Спектрально-люминесцентные свойства многоатомных молекул и межмолекулярные взаимодействия. - Томск: Изд-во Том. гос. ун-та, 2006. - 135 c.
Bocharnikova E.N., Tchaikovskaya O.N., Bazyl O.K., et al. // Adv. Quantum Chem. - 2020. - V. 81. - P. 191-217.
Talone C.J., Gao J., Lynch J.R., et al. // Spectrochim Acta. A. - 2016. - V. 156. - P. 138-142.
 Спектрально-люминесцентные свойства бромкрезолового пурпурного | Известия вузов. Физика. 2022. № 9. DOI: 10.17223/00213411/65/9/47

Спектрально-люминесцентные свойства бромкрезолового пурпурного | Известия вузов. Физика. 2022. № 9. DOI: 10.17223/00213411/65/9/47