Метод электронного парамагнитного резонанса для изучения нанобиосистем

1. МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Константинова Елизавета Александровна
Метод электронного парамагнитного
резонанса для изучения
нанобиосистем

2. Содержание работы

1. Введение
2. Формирование нанокристаллов кремния для биологических
применений
3. Метод исследования образцов
4. ЭПР-диагностика генерации синглетного кислорода при
фотовозбуждении нанокристаллов кремния
5. Исследование фотосенсибилизации молекулярного кислорода
в нанокремнии методом импульсного ЭПР
6. Спектры ЭПР молекулярного кислорода при
фотовозбуждении кремниевых нанокристаллов
7. Заключение

3. Введение

Рис.2 Взрывная реакция
окисления нанокристаллического
кремния
Рис.1 Фотодинамическая терапия рака с
использованием биосовместимых
суспензий
нанокристаллов кремния

4. Формирование нанокристаллов кремния

Состав электролита: HF(48%):C2H5OH=1:1
1 Si+2HF+2h+
SiF2 +H2
Образование
бифторида кремния
2 2SiF2
Si+SiF4
Химическое
восстановление
кремния из бифторида
кремния
3 SiF2 +2H2O
SiO2
+2HF+H2
SiO2 +6HF
H2SiF6+2H2O
Химическое окисление
бифторида кремния до
двуокиси кремния с
последующим
растворением ее в HF
Модель электрохимического
травления поверхности кремния

5. Формирование нанокристаллов кремния

Микропористый Si
Мезопористый Si
, Ом см
10…20
(10…20) 10-3
j, мА/см2
50
50
4 нм
> 4 нм
Размер
нанокристаллов

6. Формирование нанокристаллов кремния

7. Нанокристаллы кремния в слоях пористого кремния

m1 m2
Расчет пористости с
p
помощью гравиm1 m3
метрического метода:
m1 - исходный вес подложки c-Si
m2 - вес подложки c-Si с выращенной
на ней пленкой ПК
m3 - вес подложки c-Si без пленки ПК
Микрофотографии микропористого
кремния Стрелками показана
нитевидная структура кремниевого
скелета. Cullis A. G. et.al. J. Appl. Phys.,
1997, v.82, p.909.

8. Метод исследования образцов: Объекты, изучаемые методом ЭПР

Атомы и молекулы с нечетным числом электронов (напр., атомы азота
и водорода молекулы оксида азота (II) ).
Молекулы с четным числом электронов, обладающие отличным от нуля
результирующим моментом импульса (напр., молекула кислорода ).
Ионы, имеющие частично заполненные внутренние электронные
оболочки (например, ионы элементов переходных и редкоземельных
металлов титана и эрбия, соответственно).
Свободные радикалы (напр., метильный , гидроксильный радикалы).
Такие радикалы являются химическими соединениями с неспаренным
электроном.
Так называемые центры окраски, которые представляют собой
электроны (F-центры) и дырки, захваченные вакансиями отрицательных
и положительных ионов, соответственно, (например, вакансии в
кристаллах ).
Свободные электроны в полупроводниках.

9. Метод исследования образцов: Возможности метода ЭПР

Метод ЭПР (в тех случаях, когда его можно применить) дает
наиболее прямые и точные сведения
о природе, валентном состоянии и конфигурации
парамагнитных центров и об их ближайшем окружении
позволяет получить концентрации парамагнитных центров
оценить их времена релаксации
определить магнитную восприимчивость вещества
Если спиновые центры находятся в кристалле, то анализ
спектра ЭПР позволяет
найти симметрию кристаллического электрического поля и
рассчитать энергетический спектр исследуемых центров.

10.

Метод исследования образцов:Уравнение ЭПР
e g B S ,
e
B
ˆ e g B Sˆ Hˆ ˆ e H g B HSˆ
2mc
E 1 =+1/2gµBH0
mS = 1/2
Z
H0
mS = -1/2
E 2 =-1/2gµBH0
H
Схема расщепления энергетических уровней системы со
спином ½ в магнитном поле для случая
n=const
DE = hn = gµBH0 = 30 µeV (для n 9 Ггц )

11. Метод исследования образцов: Спектр ЭПР и его основные параметры

hn g x B H x g Mn B H Mn
g Mn H Mn
gx
Hx
N
abc
x
abc
эт
N Sx
S эт
N xabc спин
N xabc спин
N xabc спин
Nx
3
г
см
см 2
m
V
S
Линия спектра поглощения ЭПР (а) и
кривая первой производной спектра ЭПР
(б) для лоренцевой формы линии

12.

Метод исследования образцов:
Устройство ЭПР-спектрометра
max. sample size:
temperature range:
microwave power:
4..5 mm x 15 mm
3 K - 700K
2 µW - 250 mW

13. Метод исследования образцов

Электронный парамагнитный резонанс:
прибор BRUKER ELEXSYS 580, X-диапазон: n= 9.5
ГГц, чувствительность прибора 5 1010
Q-диапазон:
n=
35
ГГц,
спин/Гс;
чувствительность
прибора 5·109 спин/ Гс;
импульсный ЭПР: чувствительность прибора
1015 спинов, временное разрешение 5 нс.

14. Исследование спиновых центров в пористом кремнии методом ЭПР

IЭПР , отн. ед.
эксперимент
теория
Pb0
Pb1
Pb1
Pb0
3340
3360
H, Гс
3380
Схематичное изображение Pb0- и
Pb1-центров. Черные кружки –
атомы Si, светлые кружки- атомы
кислорода.
Разложение экспериментального спектра ЭПР пористого кремния (точки) на
спектры ЭПР от Pb0- и Pb1-центров. Для сравнения представлен результат
сложения теоретических спектров ЭПР (черная линия).
Pb0-центры: gІІ=2.0021, DHІІ=3.7 Гс, g =2.0091, DH =4 Гс
Pb1-центры: g1=2.0039, g2=2.0059, g3=2.0079, DH=5 Гс

15. Взаимодействие молекул кислорода с оборванными связями кремния на поверхности нанокристаллов

t=7s
1
Взаимодействие молекул кислорода с
оборванными связями кремния на
поверхности нанокристаллов
S
Фрагмент поверхности пористого кремния
O2
1.63 eV
t = 50 min
1
D
H
Pb
0.98 eV
3
O
Si
S
O
O
Схематичное изображение энергетических уровней молекулы кислорода
3
1
1
(основного S и первых двух возбужденных D, S). Указаны времена
жизни молекулы в возбужденном состоянии и энергии переходов.

16. Фотосенсибилизация молекулярного кислорода

Нанокристалл Si
Energy Transfer
S1
T0
Синглетный
кислород
hn
S
S0
T
Donor
R
Acceptor
Механизм фотосенсибилизации кислорода объясняется передачей
энергии от экситонов в нанокристаллах кремния молекулам
триплетного кислорода (3О2, полный спин молекулы равен 1) на их
поверхности.

17. ЭПР-диагностика генерации синглетного кислорода при фотовозбуждении нанокристаллов в слоях микропористого кремния

1,0
0,5
Сигнал ЭПР (отн. ед.)
(a)
3
1
0,0
-0,5
0,5
IEPR (отн. ед.)
2
1,0
в кислороде
в кислороде
при освещении
мезопористый
кремний
0,0
-0,5
Pmw = 200 мВт
-1,0
(б)
0,05
1
0,00
-0,05
2
Pmw = 0.64 мВт
3340
3360
Магнитное поле (Гс)
3380
-1,0
3300
3320
3340
3360
3380
3400
3420
H (Гс)
Спектры ЭПР микро-ПК в вакууме (1), а также в
атмосфере кислорода в темноте (2) и при
освещении (3) с интенсивностью Iexc=650 мВт/см2,
измеренные при Pmw=200 мВт.
(б) Спектры, ЭПР микро-ПК, измеренные при
Pmw =0.64 мВт в атмосфере кислорода в темноте
(1) и при освещении (2).
Уменьшение амплитуды сигнала ЭПР для микро-ПК в вакууме и в кислороде при
освещении происходит вследствие эффекта насыщения микроволновой мощностью.

18. ЭПР-диагностика генерации синглетного кислорода при фотовозбуждении нанокристаллов кремния

3
(*)
I EPR
a Pmw
H1T2 2
4
Ypp 3
2
2
2
1 bPmw
3 1 H1 TT
1 2
light
vac
dark
I EPR
I EPR
I EPR
1
dark
light
I EPR
I EPR
dark
vac
I EPR I EPR
Кривые I(Pmw) в кислороде в темноте (1), в кислороде при освещении (2) и в вакууме (3).
Аппроксимационные зависимости I(Pmw) получены с использованием выражения (*).
Интенсивность освещения составляла 650 мВт/см2, давление кислорода 760 Торр.
Учитывая исходную концентрацию триплетного кислорода в порах ПК – 2.7 1019
см-3 при = 1 бар (число Авогадро, деленное на молярный объем), величину можно
пересчитать непосредственно в концентрацию молекул 1О2.

19. Изучение процесса генерации синглетного кислорода в микропористом кремнии при различных давлениях кислорода и интенсивностях

0,0
0,4
0
700
1400 2100
2
Интенсивность возбуждения, мВт/см
Зависимости амплитуды сигнала
ЭПР ПК и концентрации
фотовозбужденных молекул 1О2 от
величины Iexc, измеренные при
Pmw =200 мВт и PO2=1 Торр.
-3
IЭПР, отн. ед.
-3
0,2
19
0,6
0,4
NSO , 10 см
0,8
0,6
19
1,0
NSO , 10 см
IЭПР , отн. ед.
Изучение процесса генерации синглетного кислорода в
микропористом кремнии при
различных давлениях
кислорода и интенсивностях возбуждающего света
1,0
1
0,5
2
а
0,0
0,6
0,4
0,2
б
0,0
0
250
500
PO , Торр
750
2
(а) Зависимость амплитуды сигнала ЭПР
образцов ПК от величины PO2 в темноте (1) и при
освещении (2). (б) Зависимость концентрации
образующихся при фото-возбуждении ПК
молекул 1О2 от величины PO2. Iexc=650 мВт/см2,
Pmw=200 мВт.

20. Измерение времен парамагнитной релаксации Pb-центров пористого кремния методом импульсного ЭПР

Микро-ПК
1/Т2 = 1/Тd + 1/(2T1)
T1
в кислороде
в темноте
в кислороде
при освещении
в вакууме
IЭПР, отн. ед.
(а)
0
20
40
60
80
100
T2
(б)
0
4
8
12
Время, мкс
16
Т1 - время продольной релаксации,
характеризует скорость установления
равновесного значения продольной
компоненты полной намагниченности
образца. Т2 - время поперечной
релаксации, характеризует
релаксацию компоненты полной
намагниченности образца,
поперечной постоянному магнитному
полю, до нуля. Тd – время,
характеризует взаимодействия, не
приводящие к перевороту спина.
Кинетики релаксации
продольной (а) и поперечной (б)
составляющей полной
намагниченности микро-ПК в
кислороде в отсутствие, при
наличии освещения и в вакууме.
Точки – эксперимент, линии аппроксимирующие экспоненты.

21. Измерение времен парамагнитной релаксации Pb-центров пористого кремния методом импульсного ЭПР

25
Микро-ПК
22.4
Времена релаксации, мкс
20
T1
15
10
10.5
7.7
T2
5
6.1
Мезо-ПК
17.2
15
4.6
13.8
T1
11.1
11.4
3.4
3.4
10
5
4.3
T2
в вакууме в кислороде в кислороде
в темноте при освещении
Зафиксировано
увеличение
времен
продольной
Т1
и
поперечной
Т2
релаксации
спиновых центров при освещении
образцов в атмосфере кислорода,
что объясняется уменьшением
эффективности
дипольдипольного
взаимодействия
оборванных связей кремния и
молекул триплетного кислорода
вследствие
перехода
части
последних
в
возбужденное
состояние (S=0).
Времена релаксации спиновых
центров Т1 (красный цвет) и Т2
(синий цвет) для микро-ПК и мезоПК при различных внешних
условиях.

22. Прямое детектирование уменьшения концентрации триплетного кислорода при освещении пористого кремния

Наличие
нескольких линий
Спектр ЭПР триплетного кислорода
0,8
IЭПР (отн. ед.)
C
E
F
G
J
K
0,0
-0,8
в темноте
при освещении
9000
12000
15000
Магнитное поле (Гс)
Спектры ЭПР молекул 3О2 в порах микро-ПК в
темноте и при освещении. Измерения
выполнялись при Iexc=650 мВт/см2 и PO2 500
Торр.
обусловлено взаимодействием
вращательного K и спинового S
моментов импульса.
Полный момент J = K 1, так как
S = 1.
Линиям С, E, F, G, K, J
соответствуют
различные
переходы J, MJ → J’, M’J.
Уменьшение
амплитуды
сигнала ЭПР при освещении
образца свидетельствует об
уменьшении
концентрации
триплетного кислорода за
счет перехода части молекул
(около 30 %) в синглетное
состояние.

23. Заключение

Выявлены
особенности
применения
метода
ЭПР для исследования
нанобиосистем.
Предложен новый метод ЭПР-диагностики генерации синглетного кислорода и
определения его концентрации в ансамблях кремниевых нанокристаллов,
основанный на изменении времен релаксации спинов – оборванных связей
кремния.
С помощью предложенного метода в режиме непрерывного воздействия
микроволнового излучения изучен процесс генерации синглетного кислорода в
слоях микропористого кремния при различных давлениях кислорода и
интенсивностях возбуждающего света и получены оценки концентрации
генерируемого синглетного кислорода.
С использованием метода импульсного ЭПР зафиксировано увеличение времен
продольной Т1 и поперечной Т2 релаксации спиновых центров при освещении
образцов микропористого кремния в кислороде, что объясняется генерацией
синглетного кислорода.
Выполнено детектирование молекул триплетного кислорода на поверхности
пористого кремния методом ЭПР спектроскопии. Обнаружено уменьшение их
концентрации примерно на 30 % при фотовозбуждении нанокристаллов кремния в
слоях микропористого кремния , что свидетельствует о переходе части молекул
3О в синглетное состояние и согласуется с другими данными по исследованию
2
процесса генерации синглетного кислорода.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности использования
кремниевых нанокристаллов в качестве фотосенсибилизатора молекулярного
кислорода для биомедицинских применений.

24.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

25.

Релаксация величины MXY: T2-процесс
Как долго сохраняется MXY после выключения СВЧ импульса?
Аналогия с бегунами
M XY (t ) M XY 0 e t / T2
Спин-спиновое взаимодействие

26.

Релаксация величины MZ: T1-процесс
B0
1/T1
M Z (t ) M 0 1 e
t / T1
Аналогия с бегунами
Релаксация энергии: взаимодействие с фононами

27.

Спиновое ЭХО
Аналогия с бегунами
-импульс соответствует
отсчету времени назад
/2
B1
FID
t
ЭХО
FID
t
t