БИОХИМИЯ, 2019, том 84, вып. 2, с. 240–251
УДК 577.32
Кинетические измерения фосфоресценции синглетного кислорода методом разрешенного во времени счета фотонов в растворителях, не содержащих водородных атомов*
1 ФИЦ Биотехнологии РАН, Институт биохимии им. А.Н. Баха, 119071 Москва, Россия; электронная почта: phoal@mail.ru
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119234 Москва, Россия
Поступила в редакцию 02.09.2018
После доработки 29.10.2018
Принята к публикации 29.10.2018
DOI: 10.1134/S0320972519020076
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: cинглетный кислород, фосфоресценция, светодиодный (лазерный) спектрометр, счет фотонов, время жизни, тушение кислородом, абсорбционные коэффициенты, растворители, не имеющие водородных атомов.
Аннотация
Растворители, не содержащие водородных атомов, в которых время жизни синглетного кислорода достигает несколько десятков миллисекунд — исключительно удобная модель для изучения свойств синглетного кислорода, а измерение собственной ИК фосфоресценции синглетного кислорода при 1270 нм является наиболее надежным методом его детектирования. Однако для эффективного применения фосфоресценции к этой модели необходимо располагать оборудованием для стационарных и кинетических измерений фосфоресценции при малой скорости генерации синглетного кислорода, что связано с серьезными техническими трудностями. В данной работе описан сконструированный в лаборатории новый высоко чувствительный светодиодный (лазерный) спектрометр для стационарных и кинетических исследований миллисекундной фосфоресценции кислорода. В стационарном режиме этот спектрометр позволил наблюдать фосфоресценцию синглетного кислорода при прямом беспигментном возбуждении молекул кислорода в области его темно-красных абсорбционных полос (690 и 765 нм). Для кинетических измерений применен метод разрешенного во времени счета фотонов при фотовозбуждении фотосенсибилизатора феналенона микросекундными светодиодными импульсами 405 нм средней мощностью <50 мкВт/см2. С помощью нового спектрометра измерено время жизни синглетного кислорода в насыщенных воздухом ССl4, C6F6 и фреоне 113, а также тушение синглетного кислорода феналеноном и растворенными триплетными молекулами кислорода. Определены относительные значения константы скорости излучательной дезактивации синглетного кислорода в исследованных средах. Результаты сопоставлены с абсорбционными коэффициентами кислорода, полученными методом лазерной фотохимии. Приводится обсуждение полученных результатов в сравнении с данными других исследовательских групп.
Текст статьи
Сноски
* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM18-244, 24.12.2018.
** Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Работа частично поддержана Программой президиума РАН «Фундаментальные науки-медицине» и грантом РФФИ (проект № 15-04-05500).
Благодарности
Авторы благодарят фирму «Инновационные хирургические технологии Ltd», Москва и «Милон-Лахта, Ltd», С. Петербург за диодные лазеры и техническую помощь.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Список литературы
1. Красновский А.А., мл. (2015) Синглетный кислород и первичные механизмы фотодинамической и лазерной медицины, Фундаментальные науки – медицине. Биофизические медицинские технологии (под ред. А.И. Григорьева и Ю.А. Владимирова), ООО «Maкс Пресс», Москва, с. 173–217.
2. Nonell, S., and Flors, C. (Eds.) (2016) Singlet Oxygen Applications in Biosciences and Nanosciences, in Comprehensive series in photochemistry and photobiology, Vol. 13.
3. Krasnovsky, A.A., Jr. (1979) Photoluminescence of singlet oxygen in pigment solutions, Photochem. Photobiol., 29, 29–36.
4. Krasnovsky, A.A., Jr. (1993) Detection of photosensitized singlet oxygen luminescence in systems of biomedical importance. Steady-state and time-resolved spectral measurements based on application of S-1 photomultiplier tubes, SPIE Proceedings, 1887, 177–186.
5. Merkel, P.B., and Kearns, D.R. (1972) Radiationless decay of singlet molecular oxygen in solution. An experimental and theoretical study of electronic-to-vibrational energy transfer, J. Am. Chem. Soc., 94, 7244–7253.
6. Салохиддинов К.И., Бытева И.М., Джагаров Б.М. (1979) Длительность люминесценции синглетного кислорода в растворах при импульсном лазерном возбуждении, Опт. спектр., 47, 881–886.
7. Byteva, I.M., and Gurinovich, G.P. (1979) Sensitized luminescence of oxygen in solutions, J. Luminescence, 21, 17–20.
8. Бытева И.М. (1979) Исследование люминесценции кислорода в растворах методом импульсной спектроскопии, Журн. прикл. спектр., 31, 333–335.
9. Schmidt, R., and Brauer, H.-D. (1987) Radiationless deactivation of singlet oxygen (1Δg) by solvent molecules, J. Am. Chem. Soc., 109, 6976–6981.
10. Schmidt, R. (1989) Influence of heavy atoms on the deactivation of singlet oxygen (1Δg) in Solution, J. Am. Chem. Soc., 111, 6983–6987.
11. Losev, A.P., Byteva, I.M., and Gurinovich, G.P. (1988) Singlet oxygen luminescence yield in organic solvents and water, Chem. Phys. Lett., 143, 127–129.
12. Лосев А.П., Бытева И.М., Гуринович Г.П. (1989) Дезактивация синглетного кислорода в ССl4 и CS2, Хим. физика, 8, 732–739.
13. Afshari, E., and Schmidt, R. (1991) Isotope-dependent quenching of singlet molecular oxygen (1Δg) by ground-state oxygen in several perhalogenated solvents, Chem. Phys. Lett., 184, 128–132.
14. Schweitzer, C., and Schmidt, R. (2003) Physical mechanisms of generation and deactivation of singlet oxygen, Chem. Rev., 103, 1685–1757.
15. Багров И.В., Белоусова И.М., Данилов В.М., Киселев В.М., Муравьева Т.Д., Соснов E.H. (2007) Фотоиндуцированное тушение люминесценции синглетного кислорода в растворах фуллеренов, Опт. спектр., 102, 58–65.
16. Багров И.В., Киселев В.М., Кисляков И.М., Соснов E.H. (2014) Прямое оптическое возбуждение синглетного кислорода в органических растворителях, Опт. спектр., 116, 609–618.
17. Wang, J., Leng, J., Yang, H., Sha, G., and Zhang, C. (2014) Luminescence properties and kinetic analysis of singlet oxygen from fullerene solutions, J. Luminescence, 149, 267–271.
18. Hasebe, N., Suzuki К., Horiuchi, H., Suzuki, Н., Yoshihara, T., Okutsu, T., and Tobita, S. (2015) Absolute phosphorescence quantum yields of singlet molecular oxygen in solution determined using an integrating sphere instrument, Anal. Chem., 87, 2360–2366.
19. Егоров С.Ю., Красновский А.А., мл. (1983) Фотосенсибилизированная люминесценция кислорода при импульсном лазерном возбуждении. Кинетика затухания в водных растворах, Биофизика, 28, 497–498.
20. Krasnovsky, A.A., Jr., Egorov, S.Yu., Nasarova, O.V., Yartsev E.I., and Ponomarev, G.V. (1988) Photosensitized formation of singlet molecular oxygen in solutions of water-soluble porphyrins. Direct luminescence measurements, Studia biophys., 124, 123–142.
21. Еgorov, S.Yu., Kamalov, V.F., Koroteev, N.I., Krasnovsky, A.A., Jr., Toleutaev, B.N., and Zinukov, S.V. (1989) Rise and decay kinetics of photosensitized singlet oxygen luminescence in water. Measurements with nanosecond time-correlated photon counting technique, Chem. Phys. Lett., 163, 421–424.
22. Krasnovsky, A.A., and Kozlov, A.S. (2017) Laser photochemistry of oxygen. Application to studies of the absorption spectra of dissolved oxygen molecules, J. Biomed. Photon. Engin., 3, 1–10.
23. Benditkis, A.S., Kozlov, A.S., Goncharov, S.E., and Krasnovsky, A.A., Jr. (2018) Absorption of dark red laser light by oxygen molecules in organic media. Results of photochemical and luminescence measurements, in Proc. International Conference on laser optics, IEEE Xplor Digital library, p. 598, doi: org/10.1109/LO.2018.8435689.
24. Oliveros, E., Suardi-Murasecco, P., Aminian-Saghafi, T., and Braun, A.M. (1991) 1H-Phenalen-1-one: photophysical properties and singlet oxygen production, Helv. Chim. Acta, 74, 79–90.
25. Krasnovsky, A.A., Jr., Sukhorukov, V.L., Egorov, S.Yu., and Potapenko, A.Ya. (1986) Generation and quenching of singlet molecular oxygen by furocoumarins. Direct luminescence measurements, Studia Biophys., 114, 149–158.
26. Scurlock, R.D., and Ogilby, P.R. (1989) Singlet molecular oxygen (1Δ2O2) formation upon irradiation of an oxygen (3Σg–O2) organic molecule charge-transfer absorption band absorption band, J. Phys. Chem., 93, 5493–5500.
27. Bregnhoj, M., Kraegpoth, M.V., Serensen, R. J., Westberg, M., and Ogilby, P.R. (2016) Solvent and heavy-atom effects on the O2(X3Σg–) → O2(b1Σg+) absorption transition, J. Phys. Chem. A, 120, 8285–8296.
28. Красновский А.А., мл., Неверов К.В. (2010) О механизме фотосенсибилизированной люминесценции димолей синглетного кислорода в насыщенных воздухом растворах пигментов, Биофизика, 55, 389–393.
29. Batino, R., Rettich, T.R., and Tominaga, T. (1983) The solubility of oxygen and ozone in liquids, J. Phys. Chem. Ref. Data, 12,163–178.
30. Murov, S.L., Charmichael, I., and Hug, G.L. (1993) Handbook of Photochemistry, Marcel Dekker Inc., New York, Basel, Hong Kong.
31. Matheson, I.B.C., Lee, J., Yamanashi, B.S., and Wolbarsht, M.L. (1974) Measurement of the Absolute Rate Constants for Singlet Molecular Oxygen (1Δg) Reaction with 1,3-diphenylisobenzofuran and physical quenching by ground state molecular oxygen, J. Am. Chem. Soc., 96, 3343–3358.
32. Schmidt, R., Tanelian, C., Dunsbach, R., and Wolff, C.J. (1994) Phenalenon, a universal reference compound for the determination of yields of singlet oxygen O2(1Δg) sensitization, J. Photochem. Photobiol. A Chem., 79, 11–17.
33. Krasnovsky, A.A., Jr. Roumbal, Ya.V., Ivanov, A.V., and Ambartzumian, R.V. (2006) Solvent dependence of the steady-state rate of 1O2 generation upon excitation of dissolved oxygen by cw 1267 nm laser radiation in air-saturated solutions. Estimates of the absorbance and molar absorption coefficients of oxygen at the excitation wavelength, Chem. Phys. Lett., 430, 260–264.
34. Krasnovsky, A.A., Jr., and Kozlov, A.S. (2014) New approach to measurement of IR absorption spectra of dissolved oxygen molecules based on photochemical activity of oxygen upon direct laser excitation, Biofizika, 59, 199–205.
35. Krasnovsky, A.A., Jr., and Kozlov, A.S. (2016) Photonics of dissolved oxygen molecules. Comparison of the rates of direct and photosensitized excitation of oxygen and reevaluation of the oxygen absorption coefficients, J. Photochem. Photobiol., A Chemistry, 329, 167–174.