Excited state dynamics of internal twisting and electron transfer dyes in condensed phases

Abstract

분광학에서 다양한 형광 염료들의 여기 상태의 역학은 액체와 고체 상태에서 심도있게 연구된다. 본 연구에서는 내부 회전 운동 (internal rotation)을 하는 형광 염료들을 이용하여 점탄성의 액체와 고분자 나노구조에 대하여 집중적으로 연구한다. 내부 회전 운동을 하는 염료들과 매질 사이의 관계를 조사하기 위하여 형광 수명시간을 시간 상관 단일 광자 계수법 (TCSPC)를 이용하여 측정하고 형광 수명시간 이미징 현미경법 (FLIM)으로 형광 수명시간을 이미지로 나타낸다. 첫째로, 본 연구는 국소화된 여기 상태 (localized excited sate) 에서 뒤틀린 분자내의 전하이동 상태(twisted intramolecular charge transfer state)로의 내부 뒤틀림(internal twisting) 현상을 겪는 세 개의 헤미시아닌(hemicyanine) 형광 염료들의 여기 상태의 역학을 알아보고자 하였다. 형광염료들은 아닐린 부분을 구성하는 알킬 사슬의 길이를 다르게 하였고, 이 변화에 따라 내부 회전 운동을 하는 부분의 부피가 분자의 여기 상태의 포텐셜 면(potential surface)에 큰 영향을 주지 않으면서 증가한다. 본 연구에서는 새롭게 올리고에틸렌글리콜(oligo(ethylene glycol)) 시리즈를 용매로 도입함으로써 높은 점성도의 범위까지 다루었다. 헤미시아닌 염료의 여기 상태의 형광수명시간을 측정함으로써 주어진 점성도에서 분자의 치환기 크기가 클수록 형광수명시간이 증가함을 확인하였다. 본 연구 결과인 용액 상에서의 광이성질화 과정을 스톡의 법칙 (Stokes’ law)의 와해, 다차원성 (multidimensionality), 그리고 허버드 관계식(Hubbard relation)으로 새롭게 해석하였다. 둘째로, 본 연구를 통해 환경에 민감한 형광 분자를 이용하여 연성의 재료들의 영의 모듈러스 (Young’s modulus)를 예측할 수 있는 새로운 기법을 탐구하였다. 아밀로이드 응집 프로브인 Thioflavin T (ThT)를 rigidity 프로브로 선택하여 고분자 필름과 나노구조 상에서 연구하였다. ThT가 섞인 poly(vinyl alcohol) (PVA) 필름과 나노섬유를 만든 후 형광 수명시간 분포를 FLIM을 통하여 얻었다. 그 결과는 ThT 의 여기상태 역학이 주변 매질의 기계적 특성에 의존한다는 점에서 본 연구의 목적에 잘 부합한다. 더 나아가 영의 모듈러스 값이 크게 다른 poly(ethylene oxide) (PEO) 와 poly(acrylic acid) (PAA) 고분자 필름과 나노섬유에서의 ThT 형광 수명 시간을 측정하여 여기 상태 운동이 매질의 rigidity가 증가함에 따라 느려짐을 관찰하였다. 본 연구는 ThT 를 이용하여 전자 현미경으로는 구별할 수 없는 PEO와 PAA 나노섬유 구조를 FLIM 기법으로 쉽게 구분할 수 있음을 처음으로 입증하였다. 마지막으로, 본 연구는 응축된 상 (condensed phase)에서 광유도 전자 전달 (PET) 반응을 조사하였다. 여기된 형광 염료의 형광은 주변에 존재하는 소광 분자들과의 PET 현상에 영향을 받는다. 단일 받개-다중 주개 시스템의 PET를 연구하기 위하여 coumarin 314(C314)와 lumiflavin, riboflavin, 그리고 flavin mononucleotide를 선택하였다. 플라빈은 많은 생화학적 반응에 참여하고 트립토판(Trp)이 존재할 때 PET현상이 일어난다. C314와 플라빈을 다양한 농도의 Trp 에서 PVA 필름에 넣었다. 형광 분자들의 형광 소멸 곡선은 TCSPC 시스템으로 측정되었고 형광 수명 시간은 측정된 소멸 곡선으로부터 추출하였다. C314의 형광 수명시간은 Trp농도가 증가함에 따라 매우 적은 변화를 보였는데 반해 플라빈은 매우 큰 변화를 보였다. 측정된 형광 수명시간으로부터 얻은 전자 전달 속도 상수를 분석함으로써 반응의 자유 에너지와 특정 interaction, 그리고 배제부피 효과를 기반으로 결과를 해석하였다. ;The excited state dynamics of various dyes in the spectroscopy have been studied intensively at the liquid and solid states. We especially focused on the viscoelastic liquids and polymer nanostructures with the fluorescent dyes which undergo internal twisting motion. To investigate the relation between internal twisting dyes and media, their fluorescence was detected by the fluorescence lifetime measurement and fluorescence lifetime imaging technique through time-correlated single photon counting (TCSPC) system and fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). We firstly focused on the excited state dynamics of three hemicyanine dyes which undergo internal twisting from the localized excited (LE) state to the twisted intramolecular charge transfer (TICT) state. The dyes differ in the length of the alkyl chain in the aniline moiety and, thus, the volume of the motional moiety increases without having much of an effect on the excited-state potential surface. By employing oligo(ethylene glycol)s as a new homologous series of solvents that covers a high viscosity region, we showed that the excited-state lifetime of the hemicyaines gradually increases at any given viscosity when the size of the substituent increases. We described our results for the solution-phase photoisomerization processes in terms of the breakdown of Stokes’ law, multidimensionality, and the Hubbard relation. Secondly, we explored a new technique with which the Young’s modulus of soft materials can be obtained using environment-sensitive fluorescent dyes. The amyloid aggregation probe, Thioflavin T (ThT) is selected as a rigidity probe to explore the polymer films and nanostructures. ThT-embedded poly(vinyl alcohol) (PVA) films and nanofibers were prepared and the fluorescence lifetime distribution was obtained by fluorescence-lifetime imaging microscopy (FLIM). It appears that the ThT dye is an excellent probe for our purpose because the excited dynamics of ThT depends on the mechanical properties of surrounding matrices. After we discovered that ThT is a superb rigidity probe, we measured the fluorescence lifetimes of ThT in poly(ethylene oxide) (PEO) and poly(acrylic acid) (PAA) polymer films and nanofibers and observed that the excited-state motion of ThT is slowed down as the mechanical rigidity of medium increases. Using ThT as a rigidity sensor, we first demonstrate that the FLIM technique can easily distinguish the PEO and PAA nanofiber structures, which were not discernable by electron microscopy. In addition, we investigated the photoinduced electron transfer (PET) reaction in condensed phases. The fluorescence of an electronically excited dye is influenced by surrounding quenchers through PET. To investigate the PET of single acceptor-multiple donors, we have chosen Coumarin 314 (C314), a well-known photostable laser dye, and flavins that include lumiflavin, riboflavin, and flavin mononucleotide. Flavins participate in many biochemical reactions and undergo PET in the presence of tryptophan (Trp). C314 and flavins were embedded in the films of polyvinyl alcohol, which contains various concentration of Trp. The fluorescence decay curves of the fluorophores were measured by time-correlated single photon counting system and the fluorescence lifetimes were extracted from the measured decay curves of the chromophores. The fluorescence lifetime of C314 shows little change with respect to the increase of Trp concentration. On the other hand, the decrease in the fluorescence lifetimes of flavins becomes significant as the Trp concentration increases. By analyzing the rate constants obtained from the measured fluorescence lifetimes, we described our observations based on the free energy of reaction, specific interactions and excluded volume effects for the PET processes.