Поиск - новости науки и техники

Агент почти не виден, Внедренная в нужное место молекула передает массу ценных сведений.

Что такое датчики, известно, наверное, всем. Если не вдаваться в подробности, то это особые устройства, иногда довольно сложные, которые постоянно отслеживают и фиксируют нужную специалистам информацию. Но, оказывается, в роли датчиков могут выступать и мельчайшие частицы вещества, обладающие всеми его химическими свойствами, то есть молекулы. Правда, лишь те, с которыми “поработал” доктор физико-математических наук Юрий ВАЙНЕР из Института спектроскопии РАН, где он заведует лабораторией электронных спектров молекул. Тонкостями своего дела он поделился с читателями “Поиска”.

– Наша лаборатория занимается одной из наиболее сложных задач использования одиночных молекул, – рассказывает Юрий Григорьевич. – Мы внедряем в прозрачное твердотельное вещество (матрицу) так называемые хромофорные молекулы, детектируем их флуоресцентное свечение, и они начинают работать как точечные оптические датчики (нанозонды). Развитые нами экспериментальные методики позволяют не только надежно детектировать внедренные молекулы, но и определять их индивидуальные спектры.
Попытаюсь объяснить. Характерная особенность используемых нами молекул заключается в том, что их оптический спектр при низких температурах содержит чрезвычайно узкую (или бесфононную) спектральную линию. При температурах в единицы градусов Кельвина спектральная ширина такой линии становится необычайно малой. Она может быть в 100 тысяч раз меньше ширины, характерной для ансамбля хромофорных молекул в той же матрице при комнатной температуре.
Упомянутая экстремальная узость бесфононной линии хромофорных молекул, а также тот факт, что спектральные параметры этой линии (ширина и частота) сильно зависят от параметров ближайшего наноокружения, позволяют использовать эти молекулы как чрезвычайно чувствительные нанозонды, дающие ценную информацию о локальных параметрах изучаемой матрицы. Именно на способности изолированных хромофорных молекул “чувствовать” локальные параметры окружающей твердотельной среды и сконцентрированы наши исследования.
Мы регистрируем и анализируем сигналы флуоресценции внедренных хромофорных молекул при их оптическом возбуждении с помощью перестраиваемого по частоте узкополосного лазера и, таким образом, определяем их индивидуальные оптические спектры. Концентрация внедренных молекул выбирается такой низкой, чтобы сигналы свечения от каждой из них не перекрывались. Для получения большого объема информации мы регистрируем одновременно флуоресцентные изображения большого числа молекул. Разработанная нами методика позволяет получать огромные массивы данных: от сотен тысяч и более молекул в поле флуоресцентного микроскопа.
Речь идет о сложных органических молекулах, состоящих из нескольких бензольных колец, например молекулах террилена. Для использования в качестве точечных спектральных датчиков они должны обладать как минимум двумя важными свойствами. Одно из них – при освещении в нужном диапазоне длин волн молекулы должны давать яркую флуоресценцию в видимой области спектра. Эффективность преобразования квантов возбуждающего флуоресценцию оптического излучения в молекуле должна быть очень высокой, близкой к 100%. Или, как говорят физики, квантовый выход должен быть близок к единице. Другая принципиально важная особенность используемых молекул – наличие при температурах ниже 77оК (температура жидкого азота) бесфононной линии, без существования которой нельзя получить высокую чувствительность датчиков к внешнему окружению.
Это то, что касается сути нашего подхода. Смысл же исследований состоит не в том, чтобы изучать сами молекулы, а в получении с их помощью информации о свойствах твердотельной матрицы, в которую они вводятся. Надо заметить, что молекулы, которые мы используем в качестве зонда, в принципе одинаковы. Однако при введении в матрицу все они попадают в разные точки образца и в результате дают разные спектры. Это вызвано разбросом локальных параметров в твердотельных веществах, особенно органического происхождения, которые мы как раз и исследуем. Даже в кристаллах хорошего качества, как показывают многочисленные эксперименты, локальные параметры среды сильно различаются в разных точках. А в неупорядоченных средах (аморфные тела, в частности стекла, поликристаллы, кристаллы с большим количеством локальных дефектов) разброс таких параметров – обычное явление. Поэтому необходимое условие исследований – усреднение получаемой информации по ансамблю примесных молекул.
Более-менее сведущий человек может спросить: “Зачем тогда детектировать одиночные молекулы, используя достаточно сложную и дорогостоящую экспериментальную методику, когда хорошо известны и отработаны методы (например, метод выжигания спектральных провалов или метод фотонного эха), в ходе которых сама природа проводит усреднение по огромному числу примесных хромофорных молекул?”
 С таким аргументом трудно было бы поспорить, если бы не одно огромное “но”. Алгоритм усреднения, заложенного природой в каждом конкретном методе, определяется физической сущностью самого метода и не может быть нами изменен. Такое усреднение чревато потерей интересной для нас информации, чего мы не должны допустить. Другое дело – измерение индивидуальных спектров большого числа одиночных молекул. В этом случае измеренные спектры можно усреднять, пользуясь той процедурой обработки, которую мы считаем наиболее адекватной для конкретной решаемой задачи.
Чтобы пояснить сказанное, вспомним типичную ситуацию в экспериментальной физике элементарных частиц. Индивидуальные треки частиц, возникающие после облучения мишени на выходе ускорителя, имеют чаще всего случайный, статистический характер. Только усреднение по большому числу треков дает корректную информацию об изучаемых частицах, что и делается в реальных исследованиях в этой области. Такую же процедуру усреднения можно проводить при исследовании вещества по спектрам одиночных молекул, если измерять большое число частиц. При указанном подходе алгоритм усреднения может выбираться в зависимости от решаемой задачи. Именно эту идею я выдвинул около 15 лет назад, и она оказалась весьма плодотворной.
Мы измеряем индивидуальные спектры и их эволюцию во времени для большого числа хромофорных молекул (до сотен тысяч и более молекул) и затем с помощью подобранных для каждого конкретного случая алгоритмов обработки извлекаем нужную нам информацию.
Детектировать спектры одиночных флуоресцирующих молекул научились в 1989 году в США. Однако эту экспериментальную возможность долго не использовали для исследования свойств самих матриц. Причиной в основном было то соображение, о котором мы уже говорили: ученые полагали бессмысленным занятием измерять случайные параметры окружения примесных молекул. Считалось, что только усредненные по большому объему вещества локальные параметры правильно характеризуют вещество и протекающие в нем процессы. И мы были первыми, кто стал применять метод спектроскопии одиночных молекул для систематического изучения свойств матриц путем измерения индивидуальных спектров большого числа таких молекул, вводимых в эту матрицу. После этого проводим статистическую обработку и анализируем полученные данные. Данный метод оказался эффективным и для исследования внутренней динамики неупорядоченных твердотельных органических сред (стекол и полимеров).
Наша идея была активно поддержана одним из пионеров спектроскопии одиночных молекул профессором Лотаром Кадором из Байройтского университета (Бавария, ФРГ). Сотрудничество с немецкими коллегами мы ведем начиная с 2000 года. С того времени было опубликовано по этой тематике около 40 статей в ведущих зарубежных и российских научных журналах (включая Angewandte Chemie, Physical Review Letters, “Успехи физических наук”), сделано более 200 докладов на международных и отечественных научных симпозиумах, опубликована глава в монографии. Совсем недавно вышла в свет в журнале Journal of Chemical Physics наша очередная совместная статья. Защищены две докторские и три кандидатские диссертации по этой тематике. За цикл работ мне присудили премию Президиума РАН им. Д.С.Рождественского, а наш сотрудник Андрей Наумов получил медаль и премию Президиума РАН для молодых ученых, а также был удостоен медали и премии Европейской академии наук Europian Academia.

Фирюза ЯНЧИЛИНА
Фото предоставлено Ю.Вайнером

Нет комментариев