научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ CПЕКТPАЛЬНО-ЛЮМИНЕCЦЕНТНЫX ПPОЯВЛЕНИЙ АГPЕГАЦИИ ТИМИНОВЫX XPОМОФОPОВ В ВОДНЫX PАCТВОPАX ПОЛИТИМИДИЛОВОЙ КИCЛОТЫ ПPИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕPАТУPЕ В CВЯЗИ C ЗАДАЧЕЙ ФОТОXИМИЧЕCКОЙ ЗАПИCИ ИНФОPМАЦИИ НА ТИМИНЕ Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ CПЕКТPАЛЬНО-ЛЮМИНЕCЦЕНТНЫX ПPОЯВЛЕНИЙ АГPЕГАЦИИ ТИМИНОВЫX XPОМОФОPОВ В ВОДНЫX PАCТВОPАX ПОЛИТИМИДИЛОВОЙ КИCЛОТЫ ПPИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕPАТУPЕ В CВЯЗИ C ЗАДАЧЕЙ ФОТОXИМИЧЕCКОЙ ЗАПИCИ ИНФОPМАЦИИ НА ТИМИНЕ»

БИОФИЗИКА, 2008, том 53, вып.5, c.734-739

МОЛЕКУЛЯР НАЯ БИОФИЗИКА =

УДК 535.373.2

ИЗУЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ АГРЕГАЦИИ ТИМИНОВЫХ ХРОМОФОРОВ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ ПОЛИТИМИДИЛОВОЙ КИСЛОТЫ ПР И КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУР Е В СВЯЗИ С ЗАДАЧЕЙ ФОТОХИМИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ НА ТИМИНЕ

© 2008 г. В.М. Малкин, В.Л. Рапопорт

Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока, Санкт-Петербургского государственного университета, 198504, Санкт-Петербург, Старый Петергоф, ул. Ульяновская, 1 E-mail: vidor.гаророг1@ра1ота.ьрЬи.ги Поступила в p едакцию 12.11.07 г.

После доработки 20.03.08 г.

Исследованы спектры люминесценции и возбуждения водных растворов политимидиловой кислоты при комнатной температуре (Гкомн.). При разных длинах волн возбуждения кроме описанной ранее полосы 338 нм обнаружены новые полосы 320 и 350 нм. Изучение спектр ов возбуждения, не исследованных р анее, и их сравнение с полученными нами ранее дифференциальными спектрами поглощения в ходе реакции фотодимеризации позволило интерпретировать полосу 320 нм как полосу невзаимодействующих хромофоров, полосу 338 нм как полосу наиболее фотохимически активных пло^гноупакованных стэкинг-димеров (экситонное расщепление полосы поглощения ~ 4000 см- ) и полосу 350 как полосу фотохимически неактивных больших стэкинг-агрегатов (n > 10, экситонное расщепление ~ 8000 см-1). И сследованы изменения оптической плотности водного раствор а политимидиловой кислоты при X = 270 нм пр и последовательном облучении раствора светом 297 + 302 и 248 нм. Обсуждены причины их неполной обратимости.

Ключевые слова: стэкинг-агрегаты, политимидиловая кислота, люминесценция.

В 1991 г. одним из нас было предложено использовать обратимую циклобутановую фо-тодимеризацию пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот для записи информации [1]. Суть заключается в том, что при фотохимическом образовании (под действием света с X « 280 нм) из мономер ов тимина циклобута-нового димера исчезает полоса поглощения с максимумом 265 нм, а при фотолизе циклобу-танового димер а под действием УФ -света с X < 240 нм тимин восстанавливается и соответственно восстанавливается полоса поглощения 265 нм. Эффективность рассматриваемого пр оцесса зависит от взаимного положения мономеров тимина в облучаемой ср еде. В водных растворах квантовый выход циклобутановой фотодимеризации тимина близок к 0,001, при этом параллельно происходит образование разнообразных побочных фотопродуктов (фотоад-дуктов тимина), что ограничивает обр атимость пр оцесса. Однако, как отмечалось в работе [1], ранее наблюдалось формирование пар пирими-динов с идеально подходящей для фотодимеризации структур ой. Это пр оисходило пр и фо-

толизе сгъ-ъуп циклобутановых димеров диме-тилтимина, фиксированных в стеклующейся при 77 К смеси этиленгликоля с водой (ЭГ:Н20) (см. [2-5]). Полученные таким путем пары мономеров имеют квантовый выход фотодимери-зации, равный 1,0, и экситонное расщепление УФ -спектра поглощения, приблизительно равное 4000 см-1, что соответствует межплоскост-

о

ному расстоянию 2,9 А [2-5]. Позднее столь малое межплоскостное расстояние было объяснено плотной упаковкой [6].

Параллельно с работой [1] была опубликована работа [7], в которой также предлагалось использование обратимой циклобутановой фо-тодимеризации пиримидиновых оснований для фотохимической записи информации. Для экспериментальной проверки этой идеи авторы использовали пленки Ленгмюр а-Блодже из до-децилтимина, в которых квантовый выход фо-тодимеризации должен был быть относительно высок (по сравнению с растворами) за счет взаимной ориентации мономеров. Он действительно был равен 0,04, что выше квантового

X, нм

Рис. 1. Нормированные по максимуму спектры поли(Т) в водных растворах: поглощения (1); люминесценции при Хв = 260 нм (2), Хв = 270 нм (3) и Хв = 250 нм (4); спектры возбуждения люминесценции при Хр = 330 нм (6), = 340 нм (7) и Хр = 355 нм (8). Нормированные по максимуму спектр люминесценции водного раствора тимина (рН 7,0), Ав = 260 нм (5), спектр действия циклобутановой фотодимеризации в водных растворах поли(Т) (рН 7,0) [8] (9), спектр поглощения плотноупакованного стэкинг-димера диметилтимина в этиленгликоле с водой при 77 K (10) [2 -5] и разностный спектр возбуждения 8-6 (11).

выхода, характер ного для фотодимер изации в водных растворах тимина и его производных при Гкомн (менее 0,001). Однако обратимость реакции в этой системе была неполной, видимо, за счет побочных фотохимических реакций.

П р едставляется перспективным поиск условий, при котор ых в разных системах (растворы тимина, его твердые слои, растворы политими-диловой кислоты (поли(Т)) при Гкомн квантовый выход фотодимеризации тимина будет максимален, возможно - р авен 100%, что исключит побочные фотореакции и приведет к полной обратимости фотодимеризации.

О собый интерес представляют пр иведенные в работе [8] данные о неоднократной обратимости реакции циклобутановой фотодимериза-ции в водных растворах поли(Т) (фосфатный буфер, рН 7,0) при Гкомн - наблюдалось как падение поглощения этих растворов пр и облучении с X > 280 нм, вызванное циклобутановой фотодимеризацией, так и рост поглощения при следовавшим за этим облучении с X < 240 нм. Однако при этом не указывалось точно, сколько раз можно было последовательно наблюдать такого рода падение и восстановление поглощения растворов. Также подчеркивалось отсут-

ствие в этих условиях проявлений в спектрах поглощения побочных фотохимических реакций (обратимых или необратимых), обычно сопровождающих циклобутановую фотодимери-зацию. Это позволяло надеяться на то, что в данной системе циклобутановая фотодимериза-ция полностью обр атима, в таком случае она была бы пригодна для записи информации.

Особенно интер есно, что в работе [8] спектр действия циклобутановой фотодимеризации сдвинут относительно спектра поглощения в коротковолновую сторону (рис. 1, кривые 1 и

9) и, как мы отметили в работе [9], близок по максимуму спектра поглощения плотно упакованного стопочного агрегата диметилтимина в этиленгликоле с водой при 77 К (рис. 1, кривая

10) [2-5]. К сожалению, спектр действия был пр иведен только для длин волн короче 280 нм. Мы предположили, что в водных растворах поли(Т) присутствуют агрегаты тиминовых хр омофоров с плотной упаковкой и экситонным спектром поглощения, более фотохимически активные, чем изолированные хр омофор ы. Методом разностных спектров нами было исследовано изменение поглощения водных растворов поли(Т) под действием ультрафиолетового све-

та. В pезультате на первом этапе облучения были получены экситонные спектры поглощения плотно упакованны x и более фотохимически активных агрегатов, близкие к кривой 10 на рис. 1, что подтвердило наше пр едположение

[9].

Эта работа посвящена исследованию спектр ов люминесценции и ее возбуждения водных раствор ов поли(Т) пр и Гкомн и поиску спектр ально-люминесцентных проявлений стэкинг-агрегатов тиминовых хр омофор ов. Ранее спектр ы люминесценции водных раствор ов поли(Т) пр и Гкомн исследовали Виньи и Балини [10]. Они обнаружили две полосы люминесценции с максимумами 338 и 410 нм. Спектры возбуждения исследованы не были, полоса 338 нм не была интерпретир ована. О пр ир оде полосы 410 нм было сделано два пр едположения: она может быть обязана 1) фотоаддуктам или 2) стэкинг-агрегатам.

В этой работе кроме полосы 338 нм нами были обнаружены две новые полосы: 320 и 350 нм. Исследование спектров возбуждения и их ср авнение с дифференциальными полосами поглощения, полученными в ходе фотохимической димеризации [9], позволило интерпретировать полосу 320 нм как полосу невзаимодействующих хромофоров, полосу 338 нм как полосу фотохимически активных стэкинг-димер ов и полосу 350 как полосу фотохимически неактивных больших стэкинг-агрегатов. Полоса 410 нм, описанная в работе [10], не наблюдалась в нашем исследовании, и ее природа остается неизвестной.

Кроме того, исследованы изменения оптической плотности при X = 270 нм водного раствора поли(Т) при последовательных облучениях раствора светом 297+302 и 248 нм и обсуждены причины их неполной обратимости.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Использовали коммерческий препарат по-лириботимидиловой кислоты (1П;егас1;1уа, Ф РГ) без дополнительной очистки. Химическая гомогенность препарата гарантирована производителем: препарат очищался методом жидкостной хр оматогр афии под давлением.

В качестве растворителя использовали воду (бидистиллят), причем интенсивность раманов-ского рассеяния в ней превосходила люминесценцию примесей более чем в 20 раз. При такой чистоте воды интенсивность люминесценции растворителя с фосфатным буфером (фон) (Ка2НР04:КаН2Р0ф Sigma, рН 7,0, Сб^ = J-10-4 - 10-3 M) при Хв = 260 нм была не более 1/15 от интенсивности пика рамановского рас-

сеяния и со ставляла менее 1/5 от интенсивности люминесценции образца при концентрации ти-миновых хромофоров 5-10-5 - 10-4 М. П ри обработке спектров люминесценции и ее возбуждения фон вычитался из общей интенсивности люминесценции образца с учетом поглощения в нем люминесценции (существенно для поли(Т) в области 300 - 310 нм) и возбуждающего ее света.

Все спектры флуор есценции, ее возбуждения и спектры поглощения были зарегистрированы с помощью высококлассного спектрофлуори-метра НйасЫ-850 (Япония). В нем используется двойной монохр оматор возбуждения, благодаря чему доля рассеянного света не превышает 0,00001 от интенсивности света выделенной полосы, что позволяет регистрировать люминесценцию с малым квантовым выходом. Для регистр ации люминесценции используется светосильный монохроматор регистрации. Прибор оборудован встроенным процессором, позволяющим получать корректированные спектры испускания и возбуждения. Коррекцию спектр ов проводили по методу квантового счетчика (с родамином-Б [11]).

Запись спектров люминесценции и ее возбуждения большей части образцов приходилось вести с накоплением (усредняя многократно полученные интенсивности люминесценции), что было связано с низкими квантовыми выходами люминесценции тимина и его производных при комнатной температуре (порядка 10-4 [12])

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком