stringtranslate.com

Графики фотохимического действия

Графики фотохимического действия являются научным инструментом, используемым для понимания эффектов различных длин волн света на фотохимические реакции . Методология включает в себя воздействие на реакционный раствор одинаковым количеством фотонов при различных монохроматических длинах волн, мониторинг конверсии или выхода реакции исходных материалов и/или продуктов реакции. Такой глобальный анализ химической реактивности, зависящей от длины волны, с высоким разрешением показал, что максимумы поглощения и реактивности часто не совпадают. [1] Графики фотохимического действия исторически связаны со спектрами (биологического) действия .

Историческое развитие

Изучение биологических реакций на определенные длины волн восходит к концу 19 века. Исследования в основном были сосредоточены на оценке фотоповреждения от солнечного излучения с использованием широкополосных ламп и узких фильтров. Эти исследования количественно определяли такие эффекты, как жизнеспособность клеток, [2] возникновение эритемы, [3] деградация витамина D3, [4] [5] изменения ДНК, [6] [7] и появление рака кожи. [8] Первый спектр биологического действия был зарегистрирован Энгельманном , который использовал призму для получения различных цветов света, а затем осветил кладофоры в суспензии бактерий. Он открыл влияние различных длин волн света на фотосинтез , отметив первый зарегистрированный спектр действия фотосинтеза. [9]

Критические оценки активных областей длин волн в этих исследованиях помогли идентифицировать хромофоры, способствующие таким процессам, как фотосинтез. Эти хромофоры играют ключевую роль в преобразовании солнечной энергии в химическую энергию , при этом их поглощение близко соответствует скорости фотосинтеза, обычно определяемой выработкой кислорода или фиксацией углерода. [10] Эта корреляция привела к открытию хлорофилла как ключевого хромофора в росте растений. Такие исследования также сыграли важную роль в определении ДНК как основного генетического материала, [11] ключевых длин волн, приводящих к раку кожи, [12] прозрачного оптического окна биологической ткани, [13] и влияния цвета на циркадные ритмы. [14]

В конце 20-го века спектры действия стали существенными при разработке оптических устройств для фотокатализа [15] и фотовольтаики , [16] в частности, при измерении эффективности фототока на различных длинах волн. Эти исследования были жизненно важны для понимания основных факторов, вносящих вклад в генерацию фототока, [17] [18] что привело к прогрессу в материалах, [19] [20] морфологии, [21] [22] и конструкции устройств [23] [24] для улучшения захвата и использования солнечной энергии.

В фотохимии спектры действия в основном использовались в исследованиях фотодиссоциации . Они включают монохроматический источник света, часто лазер, в сочетании с масс-спектрометром для регистрации зависимой от длины волны диссоциации ионов в газообразных фазах. [25] Эти спектры помогают идентифицировать способствующие хромофоры в молекулярных системах, [26] [27] характеризовать генерацию радикалов и нестабильные изомеры , [28] [29] и понимать динамику электронов более высокого состояния. [30] [31]

Область претерпела трансформацию, когда группа под руководством Барнера-Коволлика и Гешайдта записала первый современный график фотохимического действия с использованием настраиваемой монохроматической наносекундной импульсной лазерной системы , обнаружив сильное несоответствие между фотохимической реакционной способностью и поглощательной способностью и ознаменовав критический прогресс в картировании зависимых от длины волны преобразований в фотоиндуцированных полимеризациях. [32] После этого были записаны многочисленные графики фотохимического действия в различных молекулярных и полимеризационных системах. [33] [34]

Экспериментальная установка

Ключевые различия между традиционными (биологическими) спектрами действия и современными графиками фотохимического действия заключаются в точности разрешения длин волн (монохроматичность) и в том, что применяется точное число фотонов на каждой длине волны, а также в том, что реакции образования ковалентных связей были исследованы впервые. [32]

A) Экспериментальная установка с регулируемым источником монохроматического света, светящим снизу в прозрачную пробирку с реакционной смесью, что обеспечивает постоянную доставку фотонов на каждой целевой длине волны. B,C) Два примера графиков действия двух различных фотоинициаторов, демонстрирующих их поглощение (синяя линия) и экспериментально определенную конверсию мономера.

В области фотохимического анализа обычно измеряют экстинкцию химических веществ с высокой точностью, часто в субнанометровом масштабе, с помощью УФ/видимой спектроскопии . Чтобы понять фундаментальные связи между поглощением химического вещества и его фотореактивностью, требуется подробный анализ реакционной способности на аналогичном уровне разрешения. [35] Традиционные методы, использующие широко излучающие источники света или фильтры, имеют присущие им ограничения в разрешении истинной зависимости длины волны в фотореактивности. [36] [37] [38] [39] Для записи графика действия используется настраиваемая по длине волны лазерная система, способная доставлять стабильное количество фотонов на каждой длине волны. [40] Фотореактивная реакционная смесь делится на аликвоты и подвергается воздействию монохроматического света независимо. Выход или конверсия фотохимического процесса впоследствии измеряется с помощью датчиков, таких как датчики поглощения УФ-видимой области или изменения частоты ядерного магнитного резонанса (ЯМР) .

Выводы и выводы

Ключевым открытием современных графиков фотохимического действия [32] является то, что спектр поглощения фотореактивной молекулы или реакционной смеси плохо коррелирует с фотохимической реакционной способностью как функцией длины волны во многих случаях. Первоначальные исследования показали значительное красное смещение выхода фотополимеризации по сравнению со спектром поглощения используемых фотоинициаторов, которые показали чрезвычайно низкую поглощательную способность в этих областях. Это несоответствие между спектрами поглощения и графиками фотохимического действия к настоящему времени наблюдалось в широком спектре фотореактивных систем. [41] [42] [43] Ярким примером является фотоиндуцированное [2+2] циклоприсоединение производного стильбена , стирипирена, которое показало расхождение в 80 нм между графиком действия и спектром поглощения. [33] Текущие исследования сосредоточены на понимании причин этих часто наблюдаемых несоответствий. Для фотохимических приложений последствия несоответствия поглощательной и реакционной способности имеют далеко идущие последствия, поскольку только графики фотохимического действия могут выявить наиболее эффективную длину волны для данного процесса, что является отходом от прежней парадигмы, согласно которой спектры поглощения служат руководством для выбора наиболее эффективной длины волны.

Ссылки

  1. ^ Уолден, Сара Л.; Кэрролл, Джошуа А.; Унтеррайнер, Андреас-Нил; Барнер-Коволлик, Кристофер (2023-11-08). «Графики фотохимического действия выявляют фундаментальное несоответствие между поглощательной способностью и фотохимической реактивностью». Advanced Science . 11 (3): e2306014. doi : 10.1002/advs.202306014 . ISSN  2198-3844. PMC  10797470 . PMID  37937391.
  2. ^ Ньюман, Кейр К.; Чадд, Эдмунд Х.; Лиу, Грейс Ф.; Бергман, Керен; Блок, Стивен М. (ноябрь 1999 г.). «Характеристика фотоповреждения Escherichia coli в оптических ловушках». Biophysical Journal . 77 (5): 2856–2863. Bibcode :1999BpJ....77.2856N. doi :10.1016/S0006-3495(99)77117-1. PMC 1300557 . PMID  10545383. 
  3. ^ Шмальвизер, Алоиз В.; Валлиш, Сильвия; Диффи, Брайан (декабрь 2012 г.). «Библиотека спектров действия для эритемы и пигментации». Фотохимические и фотобиологические науки . 11 (2): 251–268. doi :10.1039/c1pp05271c. ISSN  1474-905X. PMID  22194032. S2CID  205797837.
  4. ^ MacLaughlin, JA; Anderson, RR; Holick, MF (1982-05-28). «Спектральный характер солнечного света модулирует фотосинтез превитамина D 3 и его фотоизомеров в коже человека». Science . 216 (4549): 1001–1003. doi :10.1126/science.6281884. ISSN  0036-8075. PMID  6281884.
  5. ^ Норвал, Мэри; Бьёрн, Ларс Олоф; де Груйл, Франк Р. (январь 2010 г.). «Правилен ли спектр действия для УФ-индуцированной выработки превитамина D3 в коже человека?». Фотохимические и фотобиологические науки . 9 (1): 11–17. doi :10.1039/b9pp00012g. ISSN  1474-905X. PMID  20062839.
  6. ^ Setlow, Richard B.; Setlow, Jane K. (июнь 1972 г.). «Влияние радиации на полинуклеотиды». Annual Review of Biophysics and Bioengineering . 1 (1): 293–346. doi :10.1146/annurev.bb.01.060172.001453. ISSN  0084-6589. PMID  4567755.
  7. ^ Freeman, SE; Hacham, H; Gange, RW; Maytum, DJ; Sutherland, JC; Sutherland, BM (июль 1989). «Зависимость длины волны образования димера пиримидина в ДНК человеческой кожи, облученной in situ ультрафиолетовым светом». Труды Национальной академии наук . 86 (14): 5605–5609. Bibcode : 1989PNAS...86.5605F. doi : 10.1073/pnas.86.14.5605 . ISSN  0027-8424. PMC 297671. PMID 2748607  . 
  8. ^ de Gruijl, FR; Sterenborg, HJ; Forbes, PD; Davies, RE; Cole, C.; Kelfkens, G.; van Weelden, H.; Slaper, H.; van der Leun, JC (1993-01-01). "Зависимость длины волны индукции рака кожи ультрафиолетовым облучением бесшерстных мышей-альбиносов". Cancer Research . 53 (1): 53–60. ISSN  0008-5472. PMID  8416751 . Получено 16.12.2023 .
  9. ^ McGraw-Hill, Tata. Банк вопросов по биологии для класса Xi. McGraw-Hill Education (Индия) Pvt Limited. ISBN 978-0-07-026383-3.
  10. ^ "XIII. О действии света на растения и растений на атмосферу". Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 126 : 149–175. 1836-12-31. doi :10.1098/rstl.1836.0015. ISSN  0261-0523. S2CID  186209183.
  11. ^ Гейтс, Фредерик Л. (1930-09-20). «Исследование бактерицидного действия ультрафиолетового света». Журнал общей физиологии . 14 (1): 31–42. doi :10.1085/jgp.14.1.31. ISSN  1540-7748. PMC 2141090. PMID 19872573  . 
  12. ^ Setlow, RB; Grist, E; Thompson, K; Woodhead, AD (1993-07-15). «Длины волн, эффективные при индукции злокачественной меланомы». Труды Национальной академии наук . 90 (14): 6666–6670. Bibcode : 1993PNAS...90.6666S. doi : 10.1073/pnas.90.14.6666 . ISSN  0027-8424. PMC 46993. PMID 8341684  . 
  13. ^ Андерсон, Р. Рокс; Пэрриш, Джон А. (июль 1981 г.). «Оптика человеческой кожи». Журнал исследовательской дерматологии . 77 (1): 13–19. doi : 10.1111/1523-1747.ep12479191 . PMID  7252245.
  14. ^ Брэйнард, Джордж К.; Ханифин, Джон П.; Грисон, Джеффри М.; Бирн, Бренда; Гликман, Джена; Гернер, Эдвард; Роллаг, Марк Д. (2001-08-15). «Спектр действия для регуляции мелатонина у людей: доказательства нового циркадного фоторецептора». Журнал нейронауки . 21 (16): 6405–6412. doi :10.1523/JNEUROSCI.21-16-06405.2001. ISSN  0270-6474. PMC 6763155. PMID 11487664  . 
  15. ^ Мельчионна, Микеле; Форнасьеро, Паоло (15.05.2020). «Обновления дорожной карты для фотокатализа». ACS Catalysis . 10 (10): 5493–5501. doi : 10.1021/acscatal.0c01204 . hdl : 11368/2979800 . ISSN  2155-5435.
  16. ^ Nayak, Pabitra K.; Mahesh, Suhas; Snaith, Henry J.; Cahen, David (28.03.2019). «Технологии фотоэлектрических солнечных элементов: анализ современного состояния». Nature Reviews Materials . 4 (4): 269–285. Bibcode : 2019NatRM...4..269N. doi : 10.1038/s41578-019-0097-0. ISSN  2058-8437. S2CID  141233525.
  17. ^ Pettersson, Leif AA; Roman, Lucimara S.; Inganäs, Olle (1999-07-01). «Моделирование спектров действия фототока фотоэлектрических устройств на основе органических тонких пленок». Journal of Applied Physics . 86 (1): 487–496. Bibcode : 1999JAP....86..487P. doi : 10.1063/1.370757. ISSN  0021-8979.
  18. ^ Terao, Yuhki; Sasabe, Hiroyuki; Adachi, Chihaya (2007-03-05). "Корреляция подвижности дырок, длины диффузии экситонов и характеристик солнечных элементов в органических солнечных элементах на основе фталоцианина/фуллерена". Applied Physics Letters . 90 (10). Bibcode : 2007ApPhL..90j3515T. doi : 10.1063/1.2711525. ISSN  0003-6951.
  19. ^ Cushing, Scott K.; Li, Jiangtian; Meng, Fanke; Senty, Tess R.; Suri, Savan; Zhi, Mingjia; Li, Ming; Bristow, Alan D.; Wu, Nianqiang (2012-09-12). "Фотокаталитическая активность, усиленная плазмонным резонансным переносом энергии от металла к полупроводнику". Журнал Американского химического общества . 134 (36): 15033–15041. doi :10.1021/ja305603t. ISSN  0002-7863. PMID  22891916.
  20. ^ Куанг, Дайбин; Учида, Сатоши; Хамфри-Бейкер, Робин; Закееруддин, Шайк М.; Гретцель, Майкл (22.02.2008). «Солнечные элементы на основе ионной жидкости, сенсибилизированные органическими красителями: значительное улучшение производительности за счет молекулярного дизайна индолиновых сенсибилизаторов». Angewandte Chemie International Edition . 47 (10): 1923–1927. doi :10.1002/anie.200705225. ISSN  1433-7851. PMID  18214873.
  21. ^ Сан, Баоцюань; Снайт, Генри Дж.; Дхут, Ануп С.; Вестенхофф, Себастьян; Гринхэм, Нил К. (2005-01-01). «Вертикально разделенные гибридные смеси для фотоэлектрических устройств с улучшенной эффективностью». Журнал прикладной физики . 97 (1): 014914–014914–6. Bibcode : 2005JAP....97a4914S. doi : 10.1063/1.1804613. ISSN  0021-8979.
  22. ^ Ван, Чжун-Шэн; Каваучи, Хироши; Кашима, Такео; Аракава, Хиронори (июль 2004 г.). «Значительное влияние морфологии фотоэлектрода TiO2 на эффективность преобразования энергии солнечного элемента, сенсибилизированного красителем N719». Coordination Chemistry Reviews . 248 (13–14): 1381–1389. doi :10.1016/j.ccr.2004.03.006.
  23. ^ Ghosh, Amal K.; Morel, Don L.; Feng, Tom; Shaw, Robert F.; Rowe, Charles A. (1974-01-01). "Фотоэлектрические и выпрямительные свойства ячеек с барьером Шоттки на основе фталоцианина Al/Mg/Ag". Journal of Applied Physics . 45 (1): 230–236. Bibcode :1974JAP....45..230G. doi :10.1063/1.1662965. ISSN  0021-8979.
  24. ^ Томпсон, Барри К.; Ким, Янг-Джи; Рейнольдс, Джон Р. (2005-06-01). "Спектральное расширение в фотоэлектрических устройствах на основе MEH-PPV:PCBM с помощью смешивания с узкозонным полимером циановинилена-диокситиофена". Macromolecules . 38 (13): 5359–5362. Bibcode :2005MaMol..38.5359T. doi :10.1021/ma0505934. ISSN  0024-9297.
  25. ^ Данбар, Роберт С.; Тенг, Гарри Хо И.; Фу, Эмиль В. (октябрь 1979 г.). «Фотодиссоциативная спектроскопия галогензамещенных ионов бензола». Журнал Американского химического общества . 101 (22): 6506–6510. doi :10.1021/ja00516a004. ISSN  0002-7863.
  26. ^ Полфер, Николас С.; Стедвелл, Кори Н. (2013), «Инфракрасная фотодиссоциация биомолекулярных ионов», Lecture Notes in Chemistry , Cham: Springer International Publishing, стр. 71–91, doi :10.1007/978-3-319-01252-0_4, ISBN 978-3-319-01251-3, получено 2023-12-16
  27. ^ Uleanya, Kelechi O.; Dessent, Caroline EH (2021). «Исследование отображения возбуждений хромофора на спектр отрыва электронов: фотодиссоциативная спектроскопия кластеров иодид-ион–тиоурацил». Physical Chemistry Chemical Physics . 23 (2): 1021–1030. Bibcode :2021PCCP...23.1021U. doi :10.1039/D0CP05920J. ISSN  1463-9076. PMID  33428696. S2CID  231587688.
  28. ^ Кабре, Гизела; Гарридо-Шарль, Аида; Морено, Микель; Босх, Микель; Порта-де-ла-Рива, Монтсеррат; Криг, Майкл; Гаскон-Мойя, Марта; Камареро, Нурия; Гелаберт, Рикар; Ллуч, Хосе М.; Буске, Феликс; Эрнандо, Хорди; Горостиза, Пау; Алибес, Рамон (22 февраля 2019 г.). «Рационально разработанные азобензольные фотопереключатели для эффективного двухфотонного возбуждения нейронов». Природные коммуникации . 10 (1): 907. Бибкод : 2019NatCo..10..907C. дои : 10.1038/s41467-019-08796-9. ISSN  2041-1723. PMC 6385291. PMID  30796228 . 
  29. ^ Marlton, Samuel JP; McKinnon, Benjamin I.; Ucur, Борис; Bezzina, James P.; Blanksby, Stephen J.; Trevitt, Adam J. (2020-05-21). «Дискриминация между протонированными изомерами хиназолина по подвижности ионов и УФ-фотодиссоциационной спектроскопии действия». The Journal of Physical Chemistry Letters . 11 (10): 4226–4231. doi :10.1021/acs.jpclett.0c01009. ISSN  1948-7185. PMID  32368922. S2CID  218505627.
  30. ^ Wellman, Sydney MJ; Jockusch, Rebecca A. (2015-06-18). «Переход к действию: экспериментальное сравнение спектроскопии возбуждения флуоресценции и фотодиссоциативного действия». Журнал физической химии A . 119 (24): 6333–6338. Bibcode :2015JPCA..119.6333W. doi :10.1021/acs.jpca.5b04835. ISSN  1089-5639. PMID  26020810.
  31. ^ Wellman, Sydney MJ; Jockusch, Rebecca A. (2017-06-07). «Настройка внутренних фотофизических свойств хлорофилла a». Chemistry – A European Journal . 23 (32): 7728–7736. doi :10.1002/chem.201605167. ISSN  0947-6539. PMID  27976433.
  32. ^ abc Fast, David E.; Lauer, Andrea; Menzel, Jan P.; Kelterer, Anne-Marie; Gescheidt, Georg; Barner-Kowollik, Christopher (2017-03-14). "Зависящая от длины волны фотохимия фотоинициаторов эфиров оксима". Macromolecules . 50 (5): 1815–1823. Bibcode :2017MaMol..50.1815F. doi :10.1021/acs.macromol.7b00089. ISSN  0024-9297.
  33. ^ аб Маршнер, Дэвид Э.; Фриш, Хендрик; Оффенлох, Джанин Т.; Тутен, Брайан Т.; Бесер, К. Ремзи; Вальтер, Андреас; Гольдманн, Аня С.; Цветкова, Павлета; Барнер-Коволлик, Кристофер (22 мая 2018 г.). «Циклоприсоединения видимого света [2 + 2] для обратимого лигирования полимеров». Макромолекулы . 51 (10): 3802–3807. Бибкод : 2018МаМол..51.3802М. doi : 10.1021/acs.macromol.8b00613. ISSN  0024-9297.
  34. ^ Menzel, Jan P.; Noble, Benjamin B.; Lauer, Andrea; Coote, Michelle L.; Blinco, James P.; Barner-Kowollik, Christopher (2017-11-08). «Зависимость длины волны индуцированных светом циклоприсоединений». Журнал Американского химического общества . 139 (44): 15812–15820. doi : 10.1021/jacs.7b08047. hdl : 1885/209117 . ISSN  0002-7863. PMID  29024596.
  35. ^ Bandyopadhyay, Disha; Ji, Yiming; Yee, Daryl W. (август 2024 г.). «Свет, химия, сюжеты действий: переосмысление дизайна фотосмолы в аддитивном производстве». Matter . 7 (8): 2745–2747. doi :10.1016/j.matt.2024.06.019. ISSN  2590-2385.
  36. ^ «Исследования биологического действия света». Труды Лондонского королевского общества. Серия B, содержащая статьи биологического характера . 98 (688): 171–187. 1925-06-02. doi : 10.1098/rspb.1925.0029 . ISSN  0950-1193.
  37. ^ "Optica Publishing Group". opg.optica.org . Получено 2024-09-02 .
  38. ^ Haxo, FT; Blinks, LR (1950-03-20). "Спектры фотосинтетического действия морских водорослей". Журнал общей физиологии . 33 (4): 389–422. doi :10.1085/jgp.33.4.389. ISSN  1540-7748. PMC 2147193. PMID 15406376  . 
  39. ^ Майерс, Джек; Френч, Ч.С. (1960-03-01). «Доказательства специфического участия хлорофилла b в фотосинтезе, полученные с помощью спектров действия». Журнал общей физиологии . 43 (4): 723–736. doi :10.1085/jgp.43.4.723. ISSN  1540-7748. PMC 2195029. PMID 14425592  . 
  40. ^ Уолден, Сара Л.; Кэрролл, Джошуа А.; Унтеррайнер, Андреас-Нил; Барнер-Коволлик, Кристофер (январь 2024 г.). «Графики фотохимического действия выявляют фундаментальное несоответствие между поглощательной способностью и фотохимической реактивностью». Advanced Science . 11 (3): e2306014. doi :10.1002/advs.202306014. ISSN  2198-3844. PMC 10797470 . PMID  37937391. 
  41. ^ Ma, Congkai; Han, Ting; Efstathiou, Spyridon; Marathianos, Arkadios; Houck, Hannes A.; Haddleton, David M. (2022-11-22). «Aggregation-Induced Emission Poly(meth)acrylates for Photopatterning via Wavelength-Dependent Visible-Light-Regulated Controlled Radical Polymerization in Batch and Flow Conditions». Macromolecules . 55 (22): 9908–9917. Bibcode :2022MaMol..55.9908M. doi :10.1021/acs.macromol.2c01413. ISSN  0024-9297. PMC 9686136 . PMID  36438594. 
  42. ^ Ривз, Дженнифер А.; Де Алвис Ватутантриге, Нетми; Бойер, Сирил; Конколевич, Доминик (ноябрь 2019 г.). «Внутренняя и катализируемая фотохимия фенилвинилкетона для контролируемой полимеризации, чувствительной к длине волны». ChemPhotoChem . 3 (11): 1171–1179. doi :10.1002/cptc.201900052. ISSN  2367-0932. S2CID  155141292.
  43. ^ Иршадин, Ишрат Мохамед; Уолден, Сара Л.; Вегенер, Мартин; Труонг, Винь X.; Фриш, Хендрик; Блинко, Джеймс П.; Барнер-Коволлик, Кристофер (2021-12-22). «Диаграммы действия в действии: углубленный анализ фотохимической реактивности». Журнал Американского химического общества . 143 (50): 21113–21126. doi :10.1021/jacs.1c09419. ISSN  0002-7863. PMID  34859671. S2CID  244880552.