Сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН, Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова и Института спектроскопии РАН синтезировали комплексы металла иттербия с органическими молекулами (лигандами), которые имеют рекордно высокую эффективность свечения в ближнем инфракрасном диапазоне (длиной волны 980 нанометров). Так, под действием ультрафилетового излучения (350—390 нанометров) такие соединения излучают инфракрасный свет с квантовой эффективностью до 7 %, что вдвое выше, чем у известных аналогов.
Полученные комплексы в перспективе можно будет использовать в биомедицине для исследования живых тканей, а также в оптоэлектронике и лазерных технологиях, где нужны эффективные люминофоры инфракрасного излучения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Molecular Sciences.
Комплексы на основе трёхвалентных ионов некоторых редкоземельных металлов, например иттербия, и органических молекул (лигандов) способны светиться в инфракрасном диапазоне, когда на них действуют ультрафиолетовым излучением. Благодаря этой способности комплексы иттербия используются в медицинской диагностике для исследования живых тканей, например поиска опухолей, а также в люминесцентной термометрии — методе измерения температуры по интенсивности свечения материала.
Однако применение таких соединений ограничено из-за низкой эффективности свечения (квантового выхода) — обычно не более 3,5 %. Большая часть энергии, которую комплексу передают ультрафиолетовые лучи, теряется и не переходит в собственное излучение иона из-за того, что энергия между лигандами и центральным ионом в соединении переносится не полностью. Кроме того, для ионов, излучающих в инфракрасном диапазоне, характерно так называемое тушение — процесс, когда часть энергии возбужденного светом иона расходуется не на излучение, а уходит, например, в тепло. Повысить эффективность люминесценции до сих пор удавалось лишь сложными и дорогостоящими методами, поэтому учёные ищут более доступные альтернативы.
Авторы работы синтезировали и детально изучили новые комплексы трёхвалентного иона иттербия с органическими лигандами. В качестве органических компонентов авторы использовали производные пиразолона — гетероциклического соединения, содержащего атомы углерода, азота и кислорода. Кроме того, исследователи ввели в комплексы вспомогательные лиганды, содержащие атомы фосфора или мышьяка.
Оказалось, что механизм передачи энергии в синтезированных соединениях сильно отличается от описанного в литературе для похожих комплексов. В частности, установлено, что основную роль в передаче энергии играют так называемые состояния с переносом заряда, возникающие при возбуждении молекулы светом и существующие за счёт передачи электронов между молекулами лигандов. Помимо этого, исследователи показали, что правильно подобранные дополнительные лиганды одновременно подавляют процессы тушения. Сочетание всех факторов приводит к повышению эффективности люминесценции вдвое по сравнению со всеми ранее известными комплексами аналогичного строения.
«Работа позволяет по-новому посмотреть на способы создания комплексов на основе координационных соединений иттербия с ярким свечением в ближнем инфракрасном диапазоне. Такие молекулы перспективны для разработки новых материалов для биовизуализации, люминесцентной микроскопии и люминесцентной термометрии — метода измерения температуры объектов по их свечению. В дальнейшем мы продолжим изучать механизмы передачи энергии в комплексах лантаноидов — группы элементов, к которой относится иттербий, — для разработки новых методов направленного дизайна эффективных и практически значимых люминесцентных материалов», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Илья Тайдаков, доктор химических наук, заведующий лабораторией «Молекулярная спектроскопия люминесцентных материалов» отделения оптики ФИАН.
Ранее авторы показали, что повысить эффективность люминесценции координационных соединений с европием можно, если ввести в них большое количество атомов фтора. Такие соединения, излучающие свет видимого диапазона, могут использоваться для разработки люминесцентных маркеров, сенсоров и защитных меток.
