Stability of Supramolecular β-Cyclodextrin-Pyrene Complexes in A Silicate Hydrogel Matrix

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In order to use the β-cyclodextrin-pyrene complex as a fluorescent receptor center, its stability in the solid phase of a water-soluble silicate gel was investigated. For this purpose, a technique for obtaining a silicate matrix with a high content of supramolecular complexes was developed and the temperature stability of the resulting material was investigated. Optimal conditions for working with complexes in the silica gel matrix have been identified. Comparative studies of the fluorescence spectra of complexes in liquid and solid phases were carried out by the method of fluorescence spectroscopy. As a result of the work done, it was possible to determine the main patterns of behavior of the supramolecular complex in the silicate hydrogel matrix and to conclude about the influence of the matrix structure on its stability.

Full Text

Введение

Одной из актуальных задач на сегодняшний день является создание высокоэффективных функциональных материалов [1–3]. Комплекс пирена с β-циклодекстрином (Py–2β-CD) (рис. 1) является примером удачной реализации построения рецепторного центра сенсорного материала на основе органического флуорофора [4]. Одной из ключевых особенностей работы рецепторного центра на основе супрамолекулярного комплекса пирен–β-циклодекстрин является способность образования тройных комплексов пирен–β-циклодекстрин–аналит [5]. Особенности строения циклодекстрина, а именно наличие гидрофобной полости [6], позволяют создавать высокочувствительные материалы для определения неполярных аналитов как в газовой, так и в жидкой фазе [7]. Детектирование аналитов, не имеющих полярных групп, представляет большую сложность для материалов, основанных на других принципах работы, обычно вследствие малых констант устойчивости комплексов рецептор–аналит. В отличие от большинства хемосенсорных материалов на основе флуоресцентных молекул, в которых используется эффект изменения интенсивности или положения максимума полосы флуоресценции [8], детектирование присутствия третьего компонента в случае Py–2β-CD происходит по изменению отношения сигналов колебательных полос спектра флуоресценции при изменении диэлектрической проницаемости ближнего окружения молекулы пирена в составе комплекса [9, 10]. Таким образом устраняются проблемы, связанные с деградацией материала в процессе использования, и обеспечивается высокая чувствительность рецепторного центра.

 

Рис. 1. Структура супрамолекулярного комплекса Py–2β-CD [4].

 

Подавляющее большинство исследований рецепторных центров, пригодных для построения сенсорных материалов, проводили в жидкой фазе [5], что накладывает существенные ограничения на области реального применения. В работе [11] в качестве основы для построения материалов были рассмотрены продукты золь-гель синтеза. Благодаря особенностям золь-гель технологии переход от раствора к гелям имеет ряд преимуществ, таких как возможность контроля размера пор, совместимость с биологическими объектами и возможность тонкой подстройки свойств получаемого материала за счет синергетического эффекта рецептор–матрица [12, 13]. Одним из недостатков твердофазных материалов является неоднородность окружения рецепторных молекул. Оптические свойства органических флуорофоров в значительной степени зависят от свойств микроокружения [14–16], в случае твердофазных материалов это может приводить к существенным изменениям в чувствительности системы вплоть до полного отсутствия откликов на целевые аналиты. Включение в силикатные матрицы супрамолекулярных систем Py–2β-CD (рис. 1) дает возможность благодаря контролю локального окружения молекул флуорофора, проводить синтез, обеспечивая стабильность и воспроизводимость сенсорных свойств материала [17–20]. Кроме того, высокая пористость материалов, полученных с помощью золь-гель синтеза, позволяет сравнительно крупным аналитам легко диффундировать к рецепторным центрам. В настоящей работе для получения силикатных материалов был выбран водорастворимый тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликат, поскольку для протекания его гидролиза не требуется использования катализаторов, что позволяет устранить влияние добавок на свойства материала. Еще одной особенностью выбранного исходного соединения является эффективное протекание процесса захвата примесных молекул в объем твердой фазы образующегося материала, что устраняет десорбцию рецепторных центров из материала в случае работы в жидкой фазе [21, 22].

Исследования, проведенные в рамках настоящей работы, направлены на более детальное рассмотрение возможности использования комплекса β-циклодекстрин–пирен состава 2 : 1, заключенного в матрицу водорастворимого силикатного геля, в качестве флуоресцентного химического датчика.

Экспериментальная часть

Для получения супрамолекулярных комплексов использовали пирен (Aldrich), β-циклодекстрин (Aldrich), этанол (Химмед) без предварительной очистки, в качестве основного растворителя при синтезе силикатной матрицы – дистиллированную воду.

Матрицы силикатного гидрогеля получали из водорастворимого тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликата (THEOS). Синтез прекурсора и последующий процесс золь-гель синтеза осуществляли при pH 6.8 в соответствии с методикой, описанной в [23].

Исходный раствор β-циклодекстрина готовили из навески массой 65.3 мг, которую растворяли в 10 мл H2О, концентрация β-CD составляла 5 × 10–3 моль/л. Исходный раствор пирена получали растворением 0.1 мг пирена в 5 мл C2H5OH, концентрация исходного раствора составляла 10–4 моль/л.

Для оценки воспроизводимости результатов были получены четыре идентичных образца объемом 3 мл на основе водного раствора комплексов Py–2β-CD. Реакционную смесь объемом 3 мл готовили разбавлением исходных растворов, доли компонентов по объему для итоговой смеси составвляли 40 : 0.2 : 59 : 0.8 для исходного раствора β-CD, исходного раствора пирена, H2О и этанола. Пирен вводили в кювету под прямым углом к поверхности раствора строго в центр без перемешивания. Итоговые концентрации пирена и β-циклодекстрина в реакционной смеси составляли: CPy = 2 × 10–7 моль/л и Cβ-CD = 2 × 10–3 моль/л.

Образцы для исследования влияния pH были приготовлены по аналогичной методике с добавлением к двум образцам вместо воды 1.2 мл буфера для поддержания pH системы 9.18.

Влияние температуры на агрегатный состав исследовали на четырех образцах, выдержанных в течение реакции гелеобразования в следующих температурных режимах: 23оС с буфером (1) и без буфера (2); 0оС с буфером (3) и без буфера (4).

Спектры флуоресценции образцов получены на спектрофлуориметре Agilent Cary Eclipse с использованием стандартных одноразовых пластиковых кювет с длиной хода луча 1 см (пропускание от 260 нм). Полученные спектры флуоресценции для удобства анализа нормировали по второй колебательной полосе спектра флуоресценции пирена.

Результаты и обсуждение

Образование комплексов Py–2β-CD в водном растворе можно зафиксировать по росту интенсивности и изменению вибронной структуры флуоресценции [4]. Для пирена, относительная интенсивность колебательных полос которого в спектрах флуоресценции сильно зависит от природы растворителя, отношение интенсивности перехода на вибронный уровень при ~800 см–1 основного состояния к интенсивности линии флуоресценции перехода 0–0 I3/I1 используется в качестве основной характеристики флуоресцентного зонда. Изменения люминесцентных свойств также наблюдаются при добавлении к водному раствору комплексов различных спиртов [24, 25] и перемешивании готового или промежуточного раствора [26]. Поэтому при разработке оптимальной рецептуры особое внимание уделяли стабильности комплексов Py–2β-CD. Добавление в водный раствор комплекса небольшого количества этилового спирта приводит к увеличению интенсивности флуоресценции за счет повышения концентрации пирена в жидкой фазе и повышению концентрации супрамолекулярного комплекса. Для спектра раствора пирена в воде характерно соотношение колебательных полос I3 : I1 ~ 0.53 (рис. 2, кривая 2). Нами достигнуто устойчивое значение 1.29 со стандартным отклонением 0.02 (рис. 2, кривая 1). Для комплексов в матрице гидрогеля первоначальное содержание комплексов оценивали аналогичным образом, результаты приведены в табл. 1.

 

Рис. 2. Спектры флуоресценции комплекса Py–2β-CD (1) и водного раствора пирена (2), нормированные на интенсивность второй колебательной полосы.

 

Таблица 1. Результаты приготовления образцов для исследования

№ образца

tгелеобраз, оС

pH

I3/I1

1

23

9.18

1.40

2

6.8

1.24

3

0

9.18

1.66

4

6.8

1.63

 

Полученные данные могут свидетельствовать о сохранности и продолжении образования комплексов в каждом образце в ходе гелеобразования. При пониженной температуре значения соотношения колебательных полос существенно выше, что связано со смещением равновесия в сторону образования комплексов при уменьшении температуры [27].

Изменение рН реакционной смеси вносит существенные изменения в морфологию твердой фазы силикатных гидрогелей. Из литературы известно, что рН ˂ 6.8 способствует образованию структур из фрагментов размером 2–4 нм, рН ˃ 6.8 приводит к размерам от 10 до 100 нм [27]. Таким образом, можно оптимизировать оптические свойства получаемых материалов в процессе золь-гель синтеза. Для устранения рассеяния на длине волны поглощения пирена была проведена серия экспериментов, в ходе которых получены гидрогели на основе THEOS при различных значениях рН. Результаты представлены на рис. 3. При этом стоит отметить, что изменение pH не влияет на константу устойчивости комплекса, поскольку конкурентного комплексообразования с заряженными ионами не происходит. Соответственно, изменение внешнего окружения циклодекстрина не влияет на диэлектрическую проницаемость внутри полости комплекса, и соотношение колебательных полос в спектре флуоресценции остается постоянным.

 

Рис. 3. Пропускание гелей на основе THEOS, полученных при разных значениях pH.

 

Из представленных данных видно, что гидрогели, полученные при рН 9.18, обладают низким рассеянием в области поглощения пирена. Светопропускание такого материала ˃80%, что сопоставимо с пропусканием пустой одноразовой флуориметрической кюветы. Полученные с использованием основного гидролиза гидрогели позволили провести более аккуратное сравнение спектральных свойств образцов, содержащих супрамолекулярные комплексы пирена. При этом необходимо отметить, что время гелеобразования для образцов с различными значениями pH также различается (реакцию гелеобразования продолжали 5 ч для образца с pH 9.18 и 10 ч для образца с pH 6.8), что соответствует кинетическим закономерностям протекания реакции гелеобразования для THEOS [28].

Для пирена характерно образование комплексов возбужденного состояния, проявляющихся в спектрах флуоресценции в виде широкой полосы испускания при 450–470 нм. Спектры силикатного материала не содержат полос в этой области, однако можно отметить наличие широкой спектральной полосы с максимумом при 422 нм для образцов с нейтральным значением pH (рис. 4). Из литературы известно, что появление полосы с максимумом при 422 нм характерно для ассоциатов пирена (высокоэнергетических эксимеров) сэндвичевой конфигурации [29, 30]. Отсутствие этой полосы испускания в случае образцов 1 и 3 можно связать с более плотной структурой гидрогелей, полученных при pH 6.8, что влияло на доступный пирену свободный объем пор.

 

Рис. 4. Спектры флуоресценции образцов после окончания процесса гелеобразования, выдержанных при 0оС с буфером при pH 9.18 (1) и без буфера (2), нормированные на интенсивность второй колебательной полосы.

 

При получении образцов отмечена существенная зависимость соотношения колебательных полос комплекса и свободного пирена от температуры окружающей среды. Проанализирована зависимость соотношения колебательных полос от температуры при нагревании и охлаждении образцов гидрогелей (рис. 5). Для каждого образца при понижении температуры до 0оС равновесие смещается в сторону образования комплексов. При последующем нагреве с шагом 5оС соотношение вибрационных полос сохраняется вплоть до 10оС. Начиная с 15оС при дальнейшем нагревании наблюдается быстрое разрушение комплексов до практически полного их исчезновения при температуре 40оС. Однако при охлаждении нами отмечено восстановление структуры комплексов, при этом для некоторых образцов наблюдаются соотношения колебательных полос спектров флуоресценции, соответствующие начальным значениям. Это говорит о том, что при разрушении комплексов его компоненты остаются в непосредственной близости, что, в свою очередь, может свидетельствовать о захвате комплексов в объем твердой фазы гидрогеля. Причем в случае образцов 2 и 4 процесс сборки супрамолекулярного комплекса проходит значительно быстрее.

 

Рис. 5. Температурная зависимость флуоресценции комплекса Py–2β-CD в геле, где 1 – процесс нагревания, 2 – процесс охлаждения.

 

Из температурной зависимости интенсивности присутствующего в некоторых образцах эксимера можно судить о том, что с повышением температуры в образце становится все больше пирена в свободном состоянии (рис. 6). На отметке 50оС для всех образцов зафиксированы минимальные значения I3 к I1 при максимальном значении Iex. При повторном охлаждении вся система возвращается в исходное равновесное состояние, поэтому с уверенностью можно говорить о том, что процесс разрушения комплексов вследствие изменения температуры является обратимым.

 

Рис. 6. Зависимость флуоресценции эксимеров на длине волны 422 нм от температуры, где 1 – процесс нагревания, 2 – процесс охлаждения.

 

Заключение

Рассмотрена температурная устойчивость супрамолекулярного комплекса Py–2β-CD в трехмерной силикатной матрице тетракис(2-гидроксиэтил)ортосиликата. Исследование зависимости соотношения интенсивности колебательных полос от температуры окружающей среды позволило определить оптимальные условия реакции гелеобразования водорастворимого исходного соединения и определить температурный диапазон, в котором могут сохраняться сенсорные свойства полученного материала. Установлено, что в условиях пониженной температуры (до 0оС) наблюдается самое высокое значение I3/I1. При повышении температуры зафиксировано обратимое разрушение комплекса, при этом инкапсуляция в твердую фазу препятствует свободной диффузии пирена, и при понижении температуры наблюдается протекание обратного процесса. Скорость реакции сборки комплекса зависит от морфологии твердой фазы силикагеля, что было показано с помощью изменения структуры силикатной матрицы путем варьирования pH среды в процессе гелеобразования. Наблюдаемые изменения интенсивности спектра флуоресценции в процессе гелеобразования позволили сделать вывод о сохранности комплексов Py–2β-CD и проанализировать влияние температуры на спектральные свойства и агрегатный состав полученных материалов. Таким образом, в результате проделанной работы доказана возможность получения флуоресцентных сенсорных материалов на основе силикатных гидрогелей, рецепторными центрами в которых выступают комплексы Py–2β-CD.

Конфликт интересов

Конфликт интересов отсутствует.

×

About the authors

A. V. Kondakova

Center of Photochemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: anv.kond@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119421

A. A. Medvedeva

Center of Photochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: anv.kond@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119421

A. V. Koshkin

Center of Photochemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: anv.kond@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119421

References

  1. Odinokov A., Alfimov M. // Chem. Phys. Lett. 2017. V. 667. P. 108. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2016.11.054
  2. Yan H., He L., Zhao W. et al. // Anal. Chem. 2014. V. 86. № 22. P. 11440. https://doi.org/10.1021/ac503546r
  3. Xie Y., Wang N., Li Y. et al. // Anal. Chim. Acta. 2019. V. 1088. P. 137. https://doi.org/10.1016/j.aca.2019.08.059
  4. Avakyan V.G., Nazarov V.B., Koshkin A.V. et al. // High. Energy Chem. 2015. V. 49. № 3. P. 177. https://doi.org/10.1134/S0018143915030030
  5. Avakyan V.G., Nazarov V.B., Odinokov A.V. et al. // J. Lumin. 2016. V. 180. P. 328. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2016.08.051
  6. Ogoshi T., Harada A. // Sensors. 2008. V. 8. № 8. P. 4961. https://doi.org/10.3390/s8084961
  7. Oborina E.N., Adamovich S.N. // Russ. J. Gen. Chem. 2021. V. 91. № 12. P. 2424. https://doi.org/10.1134/S1070363221120100
  8. Bender M.L., Komiyama M. Cyclodextrin Chem. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin, Heidelberg, 1978. https://doi.org/10.1007/978-3-642-66842-5
  9. Dong D.C., Winnik M.A. // Photochem. Photobiol. 1982. V. 35. № 1. P. 17. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.1982.tb03805.x
  10. Nakajima A. // Bull. Chem. Soc. Jpn. 1971. V. 44. № 12. P. 3272. https://doi.org/10.1246/bcsj.44.3272
  11. Matsui K. // Langmuir. 1992. V. 8. № 2. P. 673. https://doi.org/10.1021/la00038a061
  12. Matsui K., Tominaga M., Arai Y. et al. // J. Non-Cryst. Solids. 1994. V. 169. № 3. P. 295. ttps://doi.org/10.1016/0022-3093(94)90325-5
  13. Kaufman V.R., Avnir D. // Langmuir. 1986. V. 2. № 6. P. 717. https://doi.org/10.1021/la00072a008
  14. Kalyanasundaram K., Thomas J.K. // J. Am. Chem. Soc. 1977. V. 99. № 7. P. 2039. https://doi.org/10.1021/ja00449a004
  15. Гирсова М.А., Головина Г.Ф., Куриленко Л.Н. и др. // Физика и химия стекла. 2021. V. 47. № 4. P. 428. https://doi.org/10.31857/S0132665121040077
  16. Girsova M.A., Kurilenko L.N., Anfimova I.N. // Glass Phys. Chem. 2021. V. 47. № 1. P. 62. https://doi.org/10.1134/S1087659621010053
  17. Tegge G. // Starch – Stärke. 1982. V. 34. № 11. P. 395. https://doi.org/10.1002/star.19820341113
  18. Rekharsky M.V., Inoue Y. // Chem. Rev. 1998. V. 98. № 5. P. 1875. https://doi.org/10.1021/cr970015o
  19. Harata K. // ChemInform. 2010. V. 29. № 39. https://doi.org/10.1002/chin.199839315
  20. Saenger W., Jacob J., Gessler K. et al. // Chem. Rev. 1998. V. 98. № 5. P. 1787. https://doi.org/10.1021/cr9700181
  21. Medvedeva A., Dubinets N., Koshkin A. et al. // J. Mol. Liq. 2024. V. 393. P. 123651. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.123651
  22. Ionova I.V., Medvedeva A.A., Koshkin A.V. et al. // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2022. V. 101. № 2. P. 335. https://doi.org/10.1007/s10971-021-05696-7
  23. Koshkin A.V., Aleksandrova N.A., Ivanov D.A. // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2017. V. 81. № 1. P. 303. https://doi.org/10.1007/s10971-016-4183-0
  24. Munoz de la Pena A., Ndou T.T., Zung J.B. et al. // J. Am. Chem. Soc. 1991. V. 113. № 5. P. 1572. https://doi.org/10.1021/ja00005a019
  25. Nelson Gregory., Patonay Gabor., Warner I.M. // Anal. Chem. 1988. V. 60. № 3. P. 274. https://doi.org/10.1021/ac00154a018
  26. Messner M., Kurkov S.V., Palazón M.M. et al. // Int. J. Pharm. 2011. V. 419. № 1–2. P. 322. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2011.07.041
  27. Connors K.A. // Chem Rev. 1997. V. 97. № 5. P. 1325. https://doi.org/10.1021/cr960371r
  28. Айлер Р.К. // Химия кремнезема: растворимость, полимеризация, коллоидные и поверхностные свойства, биохимия. М.: Мир, 1982. https://books.google.ru/books?id=Dc0RAQAAIAAJ (accessed October 16, 2023).
  29. Yamanaka T., Takahashi Y., Kitamura T. et al. // J. Lumin. 1991. V. 48–49. P. 265. https://doi.org/10.1016/0022-2313(91)90119-G
  30. Barashkov N.N., Sakhno T.V., Nurmukhametov R.N. et al. // Russ. Chem. Rev. 1993. V. 62. № 6. P. 539. https://doi.org/10.1070/RC1993v062n06ABEH000032

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The structure of the supramolecular complex Py–2β-CD [4].

Download (191KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Fluorescence spectra of the Py–2β-CD (1) complex and an aqueous solution of pyrene (2), normalized for the intensity of the second vibrational band.

Download (86KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Transmission of THEOS-based gels obtained at different pH values.

Download (94KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Fluorescence spectra of samples after the end of the gelation process, sustained at 0 ° C with a buffer at pH 9.18 (1) and without a buffer (2), normalized to the intensity of the second vibrational band.

Download (114KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Temperature dependence of the fluorescence of the Py–2β-CD complex in a gel, where 1 is the heating process, 2 is the cooling process.

Download (75KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of excimer fluorescence at a wavelength of 422 nm on temperature, where 1 is the heating process, 2 is the cooling process.

Download (87KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».