Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування
Наведено результати досліджень люмінесцентних властивостей перспективного класу наночастинок — високовпорядкованих молекулярних нанокластерів органічних барвників (J-агрегатів). Показано, що на формування люмінесценції в J-агрегатах істотно впливають два механізми: екситон-фононна взаємодія та ексит...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вісник НАН України |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37357 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування / О.В. Сорокін // Вісн. НАН України. — 2012. — № 8. — С. 71-75. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-37357 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Сорокін, О.В. 2012-10-02T20:18:02Z 2012-10-02T20:18:02Z 2012 Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування / О.В. Сорокін // Вісн. НАН України. — 2012. — № 8. — С. 71-75. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37357 535.37 Наведено результати досліджень люмінесцентних властивостей перспективного класу наночастинок — високовпорядкованих молекулярних нанокластерів органічних барвників (J-агрегатів). Показано, що на формування люмінесценції в J-агрегатах істотно впливають два механізми: екситон-фононна взаємодія та екситонний транспорт. Продемонстровано можливість керування люмінесцентними властивостями J-агрегатів за умови використання молекулярних шаблонів. Наведено приклади технічних і біомедичних застосувань J-агрегатів. Приведены результаты исследований люминесцентных свойств перспективного класса наночастиц – высокоупорядоченных молекулярных нанокластеров органических люминофоров (J-агрегатов). Показано, что на формирование люминесценции в J-агрегатах существенно влияют два механизма: экситон-фо нон ное взаимодействие и экситонный транспорт. Продемонстрирована возможность управления люминесцентными свойствами J-агрегатов при использовании молекулярных шаблонов. Приведены примеры технических и биомедицинских применений J-агрегатов. It has been given the results of a luminescent properties investigation for a perspective class of nanoparticles, namely highly ordered molecular nanoclusters of organic luminophores (J-aggregates). It has been shown an influence of two mechanisms on the luminescence formation in the J-aggregates, which are exciton-phonon interaction and exciton transport. A possibility of luminescence properties control for the J-aggregates has been demonstrated. Examples of technical and biomedical applications of the J-aggregates have been provided. Автор висловлює глибоку вдячність керівництву Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України та своїм колегам, зокрема академіку НАН України Б.В. Гриньову, науковому керівнику члену-кореспонденту НАН України Ю.В. Малюкіну, доктору фізико-математичних наук С.Л. Єфімовій та іншим за всебічну підтримку під час підготовки доповіді, яку було зроблено на засіданні Президії НАН України. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Молоді вчені Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування Люминесцентные молекулярные нанокластеры: фундаментальные свойства, технические и биомедицинские применения Luminescent molecular nanoclusters: fundamental properties, technical and biomedical applications Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування |
| spellingShingle |
Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування Сорокін, О.В. Молоді вчені |
| title_short |
Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування |
| title_full |
Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування |
| title_fullStr |
Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування |
| title_full_unstemmed |
Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування |
| title_sort |
люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування |
| author |
Сорокін, О.В. |
| author_facet |
Сорокін, О.В. |
| topic |
Молоді вчені |
| topic_facet |
Молоді вчені |
| publishDate |
2012 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Вісник НАН України |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Люминесцентные молекулярные нанокластеры: фундаментальные свойства, технические и биомедицинские применения Luminescent molecular nanoclusters: fundamental properties, technical and biomedical applications |
| description |
Наведено результати досліджень люмінесцентних властивостей перспективного класу наночастинок — високовпорядкованих молекулярних нанокластерів органічних барвників (J-агрегатів). Показано, що на формування люмінесценції в J-агрегатах істотно впливають два механізми: екситон-фононна взаємодія та екситонний транспорт. Продемонстровано можливість керування люмінесцентними властивостями J-агрегатів за умови використання молекулярних шаблонів. Наведено приклади технічних і біомедичних застосувань J-агрегатів.
Приведены результаты исследований люминесцентных свойств перспективного класса наночастиц – высокоупорядоченных молекулярных нанокластеров органических люминофоров (J-агрегатов). Показано, что на формирование люминесценции в J-агрегатах существенно влияют два механизма: экситон-фо нон ное взаимодействие и экситонный транспорт. Продемонстрирована возможность управления люминесцентными свойствами J-агрегатов при использовании молекулярных шаблонов. Приведены примеры технических и биомедицинских применений J-агрегатов.
It has been given the results of a luminescent properties investigation for a perspective class of nanoparticles, namely highly ordered molecular nanoclusters of organic luminophores (J-aggregates). It has been shown an influence of two mechanisms on the luminescence formation in the J-aggregates, which are exciton-phonon interaction and exciton transport. A possibility of luminescence properties control for the J-aggregates has been demonstrated. Examples of technical and biomedical applications of the J-aggregates have been provided.
|
| issn |
0372-6436 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/37357 |
| citation_txt |
Люмінесцентні молекулярні нанокластери: фундаментальні властивості, технічні та біомедичні застосування / О.В. Сорокін // Вісн. НАН України. — 2012. — № 8. — С. 71-75. — Бібліогр.: 8 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT sorokínov lûmínescentnímolekulârnínanoklasterifundamentalʹnívlastivostítehníčnítabíomedičnízastosuvannâ AT sorokínov lûminescentnyemolekulârnyenanoklasteryfundamentalʹnyesvoistvatehničeskieibiomedicinskieprimeneniâ AT sorokínov luminescentmolecularnanoclustersfundamentalpropertiestechnicalandbiomedicalapplications |
| first_indexed |
2025-11-26T05:44:01Z |
| last_indexed |
2025-11-26T05:44:01Z |
| _version_ |
1850614212226711552 |
| fulltext |
71ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 8
МОЛОДІ ВЧЕНІ
Наведено результати досліджень люмінесцентних властивостей перспективного класу наночастинок — висо-
ковпорядкованих молекулярних нанокластерів органічних барвників (J-агрегатів). Показано, що на формування
люмінесценції в J-агрегатах істотно впливають два механізми: екситон-фононна взаємодія та екситонний
транспорт. Продемонстровано можливість керування люмінесцентними властивостями J-агрегатів за умови
використання молекулярних шаблонів. Наведено приклади технічних і біомедичних застосувань J-агрегатів.
Ключові слова: молекулярні нанокластери, люмінесценція, J-агрегати, ціанінові барвники, екситони.
УДК 535.37
О.В. СОРОКІН
Інститут сцинтиляційних матеріалів НАН України
пр. Леніна, 60, Харків, 61001, Україна
ЛЮМІНЕСЦЕНТНІ МОЛЕКУЛЯРНІ НАНОКЛАСТЕРИ:
ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ, ТЕХНІЧНІ
ТА БІОМЕДИЧНІ ЗАСТОСУВАННЯ
За матеріалами наукового повідомлення
молодого вченого на засіданні Президії НАН України
30 березня 2011 року
© О.В. Сорокін, 2012
За останнє десятиріччя домінантною но-
тою в науковому розвитку можна без сум-
ніву назвати нанотехнології. Їх бурхливий
розвиток пов’язаний з можливостями на-
дання традиційним матеріалам нових влас-
тивостей тільки завдяки зменшенню їхніх
розмірів. Це відкриває настільки широкі
перспективи, що захоплення всім, що по-
в’язано з магічним префіксоїдом «нано», за-
хлеснуло не лише наукову спільноту, а й
широкий загал населення. Виробники від-
гукнулися на попит і пропонують усе біль-
ше «нанотоварів», які асоціюють із найсу-
часнішими розробками та найкориснішими
властивостями. Втім, на наш погляд, нано-
розмірні матеріали передусім потребують
не повсюдного широкого використання, а
докладного вивчення їхніх фундаменталь-
них властивостей, на яке має спиратися
прикладне застосування.
Серед різноманітних типів наноматеріа-
лів високий інтерес становлять люміне-
сцентні наноматеріали, або нанолюмінофо-
ри, тобто матеріали, люмінесцентні власти-
вості яких змінюються залежно від їхнього
розміру. Це пов’язано з розробленням нових
типів люмінесцентних зондів для біології й
ме дицини, нових фотоелектричних систем
та систем освітлення. Так, передбачається,
що на основі одного з найвідоміших пред-
ставників цього класу — квантових точок —
можна створити сонячні елементи з коефі-
цієнтом перетворення сонячної енергії на
елект ричну близько 90%.
В основному люмінесцентні наноматеріа-
ли представлені трьома класами речовин —
це напівпровідникові наночастинки, або
квантові точки, активовані й неактивовані
діелектричні нанокристали та молекулярні
наночастинки (нуклеїнові кислоти, вуглеце-
ві наноструктури, дендримери та J-агрегати
барвників) [1]. У цій статі йдеться про один
72 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 8
МОЛОДІ ВЧЕНІ
із представників молекулярних нанокласте-
рів, а саме, про J-агрегати (так звані агрегати
Джеллі) ціанінових барвників, що є висо-
ковпорядкованими молекулярними ансамб-
лями нековалентно сполучених люмінофо-
рів [2, 3]. Їхня назва пов’язана з ім’ям Едвар-
да Джеллі (E. Jelley) — вченого, що у 30-х
роках ХХ ст. одним із перших відкрив
J-агрегати. Завдяки впорядкуванню під час
поглинання фотона електронне збудження
не залишається на одній молекулі, а розподі-
ляється на деякому сегменті молекулярного
ланцюжка. При цьому утворюється новий
колективний стан, який називають ексито-
ном Френкеля. Важливим є те, що екситон
не залишається на місці, а може рухатися
вздовж молекулярного ланцюжка [2–4].
Утворення екситону зумовлює появу у спек-
трі поглинання дуже вузької смуги (J-смуги),
зміщеної в довгохвильову ділянку щодо сму-
ги мономерів, і резонансної до J-смуги смуги
люмінесценції (рис. 1).
Залежно від упакування молекул барвни-
ка в молекулярному ланцюжку екситонна
смуга може бути зміщеною в короткохви-
льову ділянку (H-смуга, від hypsochromic —
гіпсохромно зміщена) [2, 3]. У деяких ви-
падках (кілька молекул в елементарній ко-
мірці) у спектрах можна спостерігати обидві
смуги (рис. 1) [2, 3]. Ці агрегати можуть
мати різну будову, але однією з найпошире-
ніших є їх циліндрична структура (рис. 2).
Одним із фундаментальних механізмів,
що визначає формування люмінесценції у
твердих тілах, є взаємодія електронів із
кристалічними ґратками, так звана елект-
рон-фононна взаємодія. Зазвичай прийма-
ли, що для J-агрегатів вона слабка, тому її не
враховували. Однак у наших роботах пока-
зано, що в деяких J-агрегатах електрон-фо-
нонна взаємодія може бути досить значною
[5]. Внаслідок цього рух екситону вздовж
молекулярного ланцюжка спричинює змі-
щення ядер з їхнього положення (говорять,
що екситон «одягнутий» у полярну шубу).
Врешті-решт екситон виявляється захопле-
ним у потенційній ямі, що утворюються вна-
слідок значної деформації ланцюжка, тобто
він автолокалізується. Оскільки на деформа-
ції молекулярного ланцюжка витрачається
енергія, то енергія автолокалізованого екс-
итону зменшується і в спектрах люмінес-
ценції можна спостерігати появу нової сму-
ги, зміщеної в довгохвильову ділянку спек-
тра відносно смуги люмінесценції вільних
екситонів. Саме це вдалося спостерігати для
Рис. 1. Типовий спектр поглинання J-агрегатів ціаніно-
вих барвників
Рис. 2. Зображення J-агрегатів, виконане за допомогою
електронного мікроскопа
73ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 8
МОЛОДІ ВЧЕНІ
деяких J-агрегатів за низьких температур
(рис. 3, суцільна крива) [5].
Обчисливши коефіцієнти електрон-фо-
нон ної взаємодії для низки J-агрегатів, ми
встановили, що вони можуть значною мірою
відрізнятися для різних агрегатів. Було вияв-
лено, що електрон-фононну взаємодію мож-
на зменшувати у разі формування навколо
J-аг регатів оболонки з поверхнево-активних
речовин (ПАР). Це спричинює зменшення
смуги світіння автолокалізованих екситонів,
тобто зменшення ймовірності їх формування
(рис. 3, пунктирна крива). Крім того, це зу-
мовлює значне збільшення квантового вихо-
ду люмінесценції — параметра, що відобра-
жує ефективність світіння люмінесцентного
матеріалу [6]. Отриманий результат відкри-
ває широкі можливості для керування люмі-
несцентними властивостями J-агрегатів.
Ще одним важливим процесом з погляду
практичного застосування J-агрегатів є мі-
грація енергії, або екситонний транспорт. У
літературі є досить суперечливі дані щодо
ефективності такого процесу. Для дослі-
дження екситонного транспорту в J-аг ре га-
тах ми використовували так звані екситонні
пастки — молекули інших барвників, вбудо-
ваних у J-агрегат, які захоплюють екситони.
Це дало нам можливість встановити, що ек-
ситонний транспорт у наших J-агрегатах до-
сить ефективний і екситон може мігрувати
на відстані у середньому до 50 нм. Більш
того, у разі утворення навколо J-агрегатів
оболонки з ПАР, про яку згадано вище,
ефективність екситонного транспорту може
бути збільшена, так що екситон може мігру-
вати на відстані у середньому до 100 нм [7].
Такий вплив на екситонний транспорт у
J-агрегатах було продемонстровано вперше,
і він має велике значення для створення лю-
мінесцентних нанокластерів з керованими
оптичними властивостями.
Завдяки своїм оптичним властивостям,
якими можна керувати, J-агрегати широко
використовують, зокрема як нові типи лю-
мінесцентних зондів для біологічних засто-
сувань. Наприклад, нами було показано, що
один із ціанінових барвників агрегується на
поверхні нуклеїнових кислот, причому в
спектрі поглинання спостерігається три
екситонні смуги, зміщені як у коротко-, так і
довгохвильову ділянки відносно смуги мо-
номерів [8]. Люмінесценція ж спостеріга-
ється тільки з найбільш довгохвильової
J-смуги. Виявилося, що ці J-агрегати чутли-
ві до структури нуклеїнових кислот і дають
можливість розділяти ДНК і РНК за пере-
розподілом інтенсивностей екситонних
смуг, а також за інтенсивністю люмінесцен-
ції. Це пов’язане з різною структурою ДНК і
РНК. Тому такі J-агрегати було запропоно-
вано як нові ефективні люмінесцентні зонди
для детекції нуклеїнових кислот у розчині.
Крім того, J-агрегати є перспективними у
процесах створення різних оптичних при-
строїв як фотосенсибілізатори, тобто мате-
ріали, що ефективно поглинають світло й
передають поглинену енергію на інший функ-
ціональний матеріал. Їх можна використову-
вати як сенсибілізатори у фото елект ро хі-
мічних елементах Гретцеля, для перетворення
сонячного світла на електричні заряди. Пер-
ші результати показали пер спективність цьо-
го напряму для створення дешевих перетво-
рювачів сонячної енергії. Також J-аг ре га ти
можуть ефективно «накачувати» й такі попу-
лярні сьогодні наноматеріали, як квантові
Рис. 3. Спектри люмінесценції J-агрегатів
amphi-PIC за відсутності (суцільна крива)
та за наявності (пунктирна крива) ПАР; Т = 80 К
74 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 8
МОЛОДІ ВЧЕНІ
точки, що зумовлює підвищення інтенсив-
ності їхнього світіння.
На підставі цієї роботи можна зробити
такі висновки:
• вперше для низки J-агрегатів визначе-
но величину електрон-фононної взаємодії,
показано можливість впливу на неї, завдяки
чому можна керувати квантовим виходом
їхньої люмінесценції;
• вперше показано можливість керуван-
ня ефективністю екситонного транспорту в
J-агрегатах;
• J-агрегати є перспективними нанодис-
персними молекулярними системами для
різноманітних біомедичних і технічних за-
стосувань.
Автор висловлює глибоку вдячність керів-
ництву Інституту сцинтиляційних матері-
алів НАН України та своїм колегам, зокрема
академіку НАН України Б.В. Гриньову, науко-
вому керівнику члену-кореспонденту НАН
Ук раїни Ю.В. Малюкіну, доктору фізико-ма-
тематичних наук С.Л. Єфімовій та іншим за
всебічну підтримку під час підготовки допо-
віді, яку було зроблено на засіданні Президії
НАН України.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Prasad P.N. Nanophotonics. — Hoboken, New Jersey:
John Wiley & Sons, Inc., 2004. — 415 p.
2. Wurthner F., Kaiser T.E., Saha-Muller Ch.R. J-Aggre-
gates: from serendipitous discovery to supramolecu-
lar engineering of functional dye materials // Angew.
Chem. Int. Ed. — 2011. — V. 50. — P. 3376–3410.
3. Шапиро Б.И. Молекулярные ансамбли полиме-
тиновых красителей // Успехи химии. — 2006. —
Т. 75, № 5. — С. 484–510.
4. Agranovich V.M., Bassani G.F. Thin Films and Nano-
structures: Electronic Excitations in Organic Based
Nanostructures. — V. 31. — Amsterdam, Oxford: El-
sevier, 2003. — 494 p.
5. Katrunov I.K., Sorokin A.V., Yefimova S.L., Maly-
ukin Yu.V. Manifestation of exciton-lattice interaction
in J-aggregates // Mol. Cryst. Liq. Cryst. — 2011. —
V. 535. — P. 57–63.
6. Guralchuk G.Ya., Katrunov I.K., Grynyov R.S. et al.
Anomalous surfactant-induced enhancement of lumi-
nescence quantum yield of cyanine dye J-aggregates //
J. Phys. Chem. C. — 2008. — V. 112, N 38. — P. 14762–
14768.
7. Sorokin A.V., Filimonova I.I., Grynyov R.S. et al. Con-
trol of exciton migration efficiency in disordered
J-aggregates // J. Phys. Chem. C. — 2010. —
V. 114, N 2. — P. 1299–1305.
8. Guralchuk G.Ya., Sorokin A.V., Katrunov I.K. et al.
Specificity of cyanine dye L-21 aggregation in
solutions with nucleic acids // J. Fluorescence —
2007. — V. 17, N 4. — P. 370–376.
А.В. Сорокин
Институт сцинтилляционных материалов
Национальной академии наук Украины
пр. Ленина, 60, Харьков, 61001, Украина
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАНОКЛАСТЕРЫ:
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА,
ТЕХНИЧЕСКИЕ И БИОМЕДИЦИНСКИЕ
ПРИМЕНЕНИЯ
Приведены результаты исследований люмине-
сцентных свойств перспективного класса наноча-
стиц – высокоупорядоченных молекулярных нано-
кластеров органических люминофоров (J-агрегатов).
Показано, что на формирование люминесценции в
J-агрегатах существенно влияют два механизма:
экситон-фо нон ное взаимодействие и экситонный
транспорт. Продемонстрирована возможность управ-
ления люминесцентными свойствами J-агрегатов при
использовании молекулярных шаблонов. Приведены
примеры технических и биомедицинских примене-
ний J-агрегатов.
Ключевые слова: молекулярные нанокластеры,
люминесценция, J-агрегаты, цианиновые красители,
эк ситоны.
A.V. Sorokin
Institute for Scintillation Materials of NAS of Ukraine,
60 Lenin ave., Kharkiv, 61001, Ukraine
LUMINESCENT MOLECULAR NANOCLUSTERS:
FUNDAMENTAL PROPERTIES, TECHNICAL AND
BIOMEDICAL APPLICATIONS
It has been given the results of a luminescent properties
investigation for a perspective class of nanoparticles,
namely highly ordered molecular nanoclusters of organic
luminophores (J-aggregates). It has been shown an influ-
ence of two mechanisms on the luminescence formation in
the J-aggregates, which are exciton-phonon interaction and
exciton transport. A possibility of luminescence properties
control for the J-aggregates has been demonstrated. Examp-
les of technical and biomedical applications of the J-aggre-
gates have been provided.
Keywords: molecular nanoclusters, luminescence, J-ag-
gre gates, cyanine dyes, excitons.
75ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2012, № 8
МОЛОДІ ВЧЕНІ
Кандидат фізико-математичних наук,
завідувач лабораторії наноструктурних органічних матеріалів,
в.о. вченого секретаря Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України.
ОЛЕКСАНДР СОРОКІН
У 2001 році закінчив з відзнакою фізичний фа-
культет Харківського національного університету
ім. В.Н. Каразіна і вступив до аспірантури Інсти-
туту монокристалів НАН України. 2006 року за-
хистив кандидатську дисертацію на тему «Влас-
тивості екситонних збуджень J-агрегатів в умо-
вах статичного та динамічного безладу (зв’язок
із структурою)» (науковий керівник — член-ко-
рес пон дент НАН України Ю.В. Малюкін).
Є співавтором 39 наукових статей. Індекс Хір-
ша за базою даних Scopus становить 4. Лауреат
премії Президента України для молодих учених
2008 р. (у співавторстві з к.ф.-м.н. А.О. Масаловим
і к.т.н. О.С. Крижанівською). У 2008 р. нагородже-
ний також іменною стипендією Харківської облас-
ної державної адміністрації для молодих учених у
галузі фізики та астрономії ім. К.Д. Синельникова.
Коло наукових інтересів — люмінесцентні орга-
нічні нанокластери, J-агрегати ціанінових барв-
ників, мічення люмінесцентними барвниками ор-
ганічних та неорганічних наночастинок, динаміка
екситонних збуджень у молекулярних наноклас-
терах, люмінесцентна мікроспектроскопія, піко-
секундна лазерна спектроскопія, створення люмі-
несцентних зондів для біологічних об’єктів на
основі органічних нанокластерів.
|