Zespół naukowców pracujących pod kierunkiem prof. dr hab. Barbary Machury z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach zajmuje się projektowaniem i otrzymywaniem materiałów fotoluminescencyjnych, które mogą być stosowane w optoelektronice, fotokatalizie i medycynie. Dzięki zaawansowanej aparaturze badacze potrafią określać właściwości tzw. stanu wzbudzonego związków, który powstaje na skutek zaabsorbowania przez cząsteczki kwantu światła.

Młodzi członkowie zespołu Fizykochemii Związków Metali Przejściowych, którym kieruje prof. dr hab. Barbara Machura. Od lewej: mgr Aleksandra Kwiecień, dr Joanna Palion-Gazda, dr Katarzyna Choroba, mgr Anna Kryczka oraz mgr Bartosz Zowiślok

– Jednym z największych wyzwań współczesnej chemii jest świadome projektowanie i otrzymywanie materiałów molekularnych, które mają ściśle określone właściwości fizyczne i chemiczne. Jest to ważne przede wszystkim ze względu na różne interesujące nas praktyczne zastosowania – mówi prof. dr hab. Barbara Machura, chemiczka z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Jak dodaje, jest to szczególnie trudne w przypadku związków fotoluminescencyjnych, którymi zajmuje się wraz ze swoim zespołem: – Próbujemy niejako kształtować właściwości tak zwanego stanu wzbudzonego interesujących nas materiałów, stąd mierzymy się z nie lada wyzwaniem.

Generalnie związki chemiczne występują w stanie podstawowym. Jeśli użyje się bodźca w postaci np. światła, wówczas materiały fotoluminescencyjne przez określony czas będą znajdować się w stanie wzbudzonym.

– W wyniku takiego działania przez chwilę mamy do czynienia z zupełnie nowym indywiduum, charakteryzującym się całkowicie innymi właściwościami. Chcemy nie tylko je poznać, lecz również mieć wpływ zarówno na nie, jak i na czas utrzymania związku w stanie wzbudzonym – mówi badaczka.

Istnieje wiele stanów wzbudzonych, naukowcy znają też mnóstwo możliwości oddziaływania na badane przez siebie związki. Jak wyjaśnia chemiczka, jej zespół analizuje przede wszystkim związki koordynacyjne metali przejściowych, które po wzbudzeniu zwykle występują w stanach trypletowych, często długo żyjących i zdolnych do przekazywania energii. Do projektowania związków metali przejściowych o znacznie wydłużonych czasach życia trypletowych stanów wzbudzonych zespół prof. Barbary Machury stosuje głównie podejście zwane efektem bichromoforowym.

– W takim przypadku mamy do czynienia z dwoma chromoforami. Wystarczy wyobrazić sobie dwie części połączonych ze sobą cząsteczek. Nasze modyfikacje polegają na łączeniu różnych układów w taki sposób, aby jak najdłużej utrzymać związek w stanie wzbudzonym – wyjaśnia chemiczka. Podkreśla również, że każdy z chromoforów ma swój własny stan wzbudzony: – Aby uzyskać długi czas życia takiego układu, musimy doprowadzić do sytuacji, w której stany wzbudzone obu chromoforów będą miały podobny poziom energii.

Dzięki takiemu zabiegowi pierwszy chromofor emituje światło, natomiast drugi jest nieemisyjny, gwarantuje natomiast dłuższy czas życia stanu wzbudzonego całego układu. Innymi słowy: w efekcie połączenia stanów wzbudzonych odpowiednich chromoforów można otrzymać stan emisyjny związku o bardzo długim czasie życia. W roli chromoforów nieemisyjnych, jak mówi badaczka, często stosowane są wielopierścieniowe związki aromatyczne, np. piren czy antracen.

Warto od razu dodać, że w przypadku badanych przez naukowców związków długi czas życia oznacza wartość powyżej 10 mikrosekund.

– Ciekawostką może być fakt, że nasz zespół w ramach projektu dofinansowanego w konkursie „Swoboda Badań” Inicjatywy Doskonałości Badawczej UŚ uzyskał materiały fotoluminescencyjne, których czas życia stanu wzbudzonego wyniósł 1600 μs. To świetny wynik – mówi prof. Barbara Machura.

Naukowcy walczą o jak najlepsze właściwości takich związków – przede wszystkim ze względu na ich praktyczne zastosowania.

Związek w stanie wzbudzonym będzie dążył do tego, aby oddać energię. Ten proces jest wykorzystywany na przykład w walce z nowotworami. Mowa o terapii fotodynamicznej. Odpowiednio zaprojektowany materiał w stanie podstawowym może zostać wprowadzony do ciała pacjenta. Powinien być obojętny dla ludzkich tkanek. Po wzbudzeniu za pośrednictwem światła może oddać swoją energię na przykład reaktywnej cząsteczce tlenu dołączonej do takiego układu. W efekcie otrzymujemy precyzyjną broń do walki z nowotworami.

Oczywiście otrzymanie odpowiedniego związku nie jest łatwym zadaniem, ponieważ musi on spełnić wiele wymogów, aby mógł zostać zastosowany w kontakcie z tkankami ludzkimi. W literaturze znane są już obiecujące rozwiązania, zespół prof. Barbary Machury pracuje nad kolejnymi.

Druga przestrzeń dla praktycznych zastosowań fotosensybilizatorów to fotokataliza, gdzie do rozpoczęcia reakcji potrzebne są katalizator oraz światło. Wśród obiecujących procesów zasilanych energią słoneczną znajduje się fotochemiczna redukcja dwutlenku węgla, która może znacznie przyczynić się do ograniczenia efektu cieplarnianego.

– Wróćmy jeszcze do związku w stanie trypletowym, a więc takiego, który jest długożyjący i dąży do oddania energii. Taki układ może oddać ją innej cząsteczce i wywołać emisję z jej stanu wzbudzonego. Zmieniamy zatem jego energię. Przykładowo: naświetlając związek w zakresie światła czerwonego, wywołujemy emisję w zakresie wyżej energetycznego światła niebieskiego. Proces ten, nieco tajemniczo i skomplikowanie, nazywamy konwersją w górę według mechanizmu anihilacji tryplet-tryplet – wyjaśnia naukowczyni kierująca zespołem.

Kolejna przestrzeń praktycznego zastosowania związków opracowywanych przez zespół prof. Barbary Machury to bioobrazowanie. Jest to wielowymiarowa wizualizacja, która pozwala charakteryzować struktury i procesy biologiczne w czasie rzeczywistym. Znów związki takie wprowadza się do organizmu człowieka. – Wiemy, że komórki pod wpływem naświetlenia także emitują krótko żyjącą fluorescencję. Możemy jednak poprowadzić obrazowanie w taki sposób, że nie będziemy odbierać sygnałów od komórek biologicznych, lecz właśnie z zaprojektowanych związków dzięki temu, że ich czas życia w stanie wzbudzonym jest odpowiednio dłuższy. Innymi słowy: odbieramy sygnały niezakłócone emisją układów biologicznych – mówi prof. Barbara Machura. Jeśli zatem przykładowy związek kumuluje się w określonych komórkach rakowych, szybko będzie można się dowiedzieć, gdzie są one zlokalizowane.

Prowadzenie tak specjalistycznych badań nie byłoby możliwe, gdyby nie doskonale wyposażone laboratorium, w którym pracują naukowcy. Najważniejszym urządzeniem jest spektrometr absorpcji przejściowej wraz ze strojonym laserem femtosekundowym, umożliwiającym obserwację wyższych stanów molekularnych cząsteczek.

– Ten skomplikowany labirynt wielu drobnych elementów pozwala sterować czasem obserwacji o wartościach pomiędzy femtosekundami a nanosekundami. Możemy wychwycić ten moment, w którym układy znajdują się w stanie wzbudzonym, i je opisać. W praktyce specjalny laser wysyła promieniowanie o dużej częstotliwości. Wiązka dzieli się na dwie części. Pierwsza z nich wzbudza naszą cząsteczkę, druga to tzw. część próbkująca opóźniona w czasie, która zachowuje się jak detektor. To ona pozwala obserwować próbkę i zapisać obraz widma w detektorze – wyjaśnia dr Katarzyna Choroba, członkini zespołu. – Dzięki specjalnemu układowi lusterek jesteśmy w stanie wydłużać drogę drugiej wiązki, dzięki czemu uzyskujemy nawet kilkunanosekundowe opóźnienie względem pierwszej – dodaje.

– Odkąd dysponujemy tym sprzętem, osiągamy coraz lepsze wyniki. Mogę śmiało powiedzieć, że jesteśmy ekspertami z dziedziny fotodynamiki, o czym świadczy chociażby rosnąca liczba ośrodków naukowych zainteresowanych współpracą z naszym zespołem – mówi z kolei prof. Barbara Machura.

Nad udoskonalonymi fotosensybilizatorami do zastosowań w fotokatalizie, bioobrazowaniu i terapii fotodynamicznej pracują obecnie dr Katarzyna Choroba i dr Joanna Palion-Gazda. Badania nad fotoemisyjnymi związkami metali przejściowych jako fotoaktywnymi cytotoksykami realizuje dr Anna Maroń w ramach grantu NCN Sonata „Fotodynamika funkcjonalizowych arylami i N-donorami kompleksów metali z pochodnymi 2,6-bis(tiazolo-2-ylo)pirydyny jako fotoaktywnych cytostatyków”.

– Niezmiernie cieszy mnie również fakt, że udaje nam się zainteresować tą tematyka badawczą studentów. W chwili obecnej prace doktorskie realizują w naszym zespole mgr Bartosz Zowiślok oraz mgr Anna Kryczka – podsumowuje prof. Barbara Machura.