Механізми взаємодії в нанокомпозитах π-спряжених барвників з наноструктурами та біомолекулами

Гапонов А.М. Механізми взаємодії в нанокомпозитах π-спряжених барвників з наноструктурами та біомолекулами : дис. … доктора філософії : 104 Фізика та астрономія / Гапонов Антон Миколайович ; наук. кер. О. Л. Павленко. Київ, 2025. 136 с.

Дисертаційну роботу присвячено вивченню механізмів взаємодії молекул барвників, які мають π-спряжену електронну будову з наночастинками різних типів (наночастинки золота, срібла, вуглецеві наноструктури) у плівках нанокомпозитів, а також з молекулами протеїнів.
Показано, що мають місце суттєві відмінності спектрів оптичного поглинання барвників, осаджених на наночастинки золота, срібла у порівнянні зі спектрами, отриманими від розчинів молекул барвників, а також на відміну від спектрів плівок барвників, осаджених на кварцові підкладинки шляхом напилення у різних режимах, для яких характерним є утворення агрегатів типу J та H залежно від швидкості осадження молекул.
Встановлено, що при осадженні барвників на наночастинки срібла та золота спостерігається зміна J-агрегації барвників, що підтверджується значною перебудовою спектрів та батохромним зсувом абсорбційної смуги у порівнянні зі спектрами плівок чистих барвників та розчинів. Проведені квантово-хімічні розрахунки будови комплексу барвника з наночастинкою срібла, вказують, що при взаємодії з наночастинкою на атомах вуглецю молекули барвника спостерігається суттєвий перерозподіл величин зарядів у порівнянні із розподілом зарядів, які характерні для атомів вільної молекули барвника, що може призвести до змін електронної будови та зміщення спектрів поглинання.
При покритті наночастинки срібла поліетиленгліколем, у спектрах барвника, нанесеного на такі наночастинки, виникають короткохвильові смуги поглинання. Розрахунки електронної структури комплексу, що складається зі сквараїнового барвника з ланкою поліетиленгліколю (ПЕГ), показали, що зміни у спектрі оптичного поглинання спричинені перебудовою електронних рівнів та утворенням нових молекулярних орбіталей, делокалізованих на обох компонентах комплексу. Перебудова електронної структури відбувається і для амінокислоти триптофан при її термічному осадженні на наночастинки срібла, вкритих ПЕГ: проведені квантово-хімічні розрахунки вказують на можливість утворення комплексів амінокислоти з ланками полімеру, вказують на зміни електронної структури комплексів в результаті перерозподілу зарядів, встановлено природу електронних переходів.
Показано, що осадження сквараїнових барвників на вуглецеві наноструктури супроводжується змінами оптичних властивостей, що відмінні від інших типів наноструктур. Більше того, встановлено, що для плівок нанокомпозитів на основі барвників з вуглецевими наноструктурами залежно від типу вуглецевої наноструктури (одно- чи багатостінні нанотрубки, фулерени) трансформація спектрів поглинання відбувається з особливостями порівняно зі спектрами плівок барвників на кварцових підкладках.
Для систем нанокомпозитів на основі протеїнів БСА з π-спряженим барвником тіохромом методами оптичного поглинання, комбінаційного розсіювання світла, квантово-хімічного моделювання встановлено, що має місце формування комплексів БСА-тіохром, які утворюються за рахунок π-πстекової взаємодії тіохрому з π-спряженими амінокислотами протеїну. Встановлене зміщення спектрів поглинання в область вищих довжин хвиль для композитних плівок у порівнянні зі спектрами окремих компонент, перерозподіл інтенсивностей коливних смуг в області амідної групи ІІ, зміщення та зростання інтенсивності коливань індольної групи підтверджують взаємодію триптофану з барвником тіохромом. Квантово-хімічні розрахунки електронної та коливної будови комплексів молекул триптофану з тіохромом підтверджують можливість реалізації π-π-стекової взаємодія між молекулами тіохрому та триптофану БСА. Результати показують, що барвник тіохром з π - спряженою структурою є чутливим природним сенсором, який дозволяє виявляти особливості триптофану в білках.