Ученые синтезировали и описали новые яркие люминофоры

10:01, 22 декабря 2020

Соединения растворяются в воде и обладают ярким свечением

Научный коллектив, в состав которого входит Григорий Зырянов, создал новые комплексы лантаноидов. Фото: Илья Сафаров.

Сотрудники Уральского федерального университета совместно с коллегами из Института органического синтеза УрО РАН создали новые комплексы лантаноидов и исследовали их свойства. Соединения растворимы в воде и обладают ярким свечением за счет включения в систему атомов фтора. Люминофоры используются в обнаружении различных химических веществ, получения изображений биологических объектов и многом другом. Результаты работы опубликованы в журнале Polyhedron.

Люминофоры применяются в самых разных областях: это и детекция соединений (например, активных форм кислорода и металлов), и исследование биологических объектов, в том числе в медицине, и в источниках света, и в разнообразных электронных устройствах. Такие соединения поглощают энергию и переизлучают ее в виде света. В качестве основы для синтеза люминофоров перспективны органические комплексы лантаноидов. Положительно заряженные ионы (катионы) металлов III группы 6-го периода периодической таблицы находятся внутри органической «шубы», называемой лигандом. Она помогает лантаноиду проявить свои фотофизические свойства — такой эффект их сенсибилизации известен еще с 1942 года. Лиганд принципиально состоит из двух функциональных частей: антенна поглощает энергию и передает ее катиону, а хелат образует (насыщает) связи с лантаноидом, предотвращая его взаимодействие с молекулами воды — из-за них возможно значительное подавление свечения.

«Мы в несколько стадий синтезировали комплексы европия (III) и тербия (III). В качестве антенны у нас был бипиридин — это два ароматических азотсодержащих кольца, которые образуют устойчивые комплексы с металлами, способными менять свою степень окисления. Они обладают отличными оптическими характеристиками и эффективно передают электроны и энергию. В качестве хелитирующего лиганда мы использовали полиаминокарбоновую кислоту. Такие системы часто модифицируют, добавляя атомы галогенов, например, фтора, брома и хлора. Так можно значительно увеличить эффективность передачи энергии от лиганда к хелатированному катиону лантанида и тем самым усилить люминесценцию соединения. Мы пошли по этому же пути: атомы галогена (фтора) включали в состав фенильного остатка C6H5», — рассказывает профессор кафедры органической и биомолекулярной химии УрФУ Григорий Зырянов.

Структуру синтезированных комплексов авторы подтвердили методами элементного анализа и масс-спектрометрии (основана на ионизации образцов). Больше всего ученых интересовали фотофизические свойства и растворимость соединений. Спектры поглощения соответствовали описанным ранее в литературе для аналогичных соединений. Эффективность люминесценции оценивали по такому параметру, как квантовый выход фотолюминесценции. Он выражается в процентах и равен отношению испускаемого количества квантов света (если возбуждение, как в данном случае, происходило с помощью света) к поглощенному. В случае комплексов европия максимального значения (16,2%) удалось достичь, вводя в систему фторфенильный остаток. Это примерно в 1,5 раза выше среднего значения для такого класса соединений. Результаты с тербием получились еще лучше — 49,2% (в случае с тем же фторфенилом), что почти в 10 и более раз эффективнее, чем у ранее описанных аналогичных комплексов. Более того, последние обладали плохой растворимостью в воде, что негативно влияет на возможность использования таких систем для биоимиджинга, тогда как разработанные авторами системы этим не грешат.

Таким образом, химикам удалось удачно сочетать отличные фотофизические характеристики и фоторастворимость. Это очень важно при разработке новых подходов к выявлению в среде различных соединений, а также биоимиджинга.

Отметим, работа поддержана Российским научным фондом (грант № 18-73-10119) и Советом по грантам при президенте Российской Федерации (№ НШ-2700.2020.3).