Электронная энергетическая структура макромолекул

Санкт-Петербургский Государственный Университет
На правах рукописи
Макарова Анна Алексеевна
Электронная энергетическая структура
макромолекул, содержащих атомы переходных
металлов
01.04.07 – Физика конденсированного состояния
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Научный руководитель
д. ф.-м. н., проф.
Адамчук Вера Константиновна
Санкт-Петербург – 2014
2
Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Глава 1.
5
Экспериментальные методы исследования, оборудова­
ние и подготовка эксперимента . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.1. Фотоэлектронная спектроскопия . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.1.1.
Основные принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
1.1.2.
Длина свободного пробега электрона . . . . . . . . . . . .
14
1.1.3.
Сдвиги энергии внутренних уровней в ФЭ спектрах . . .
15
1.1.4.
Экспериментальные особенности . . . . . . . . . . . . . .
18
1.2. Спектроскопия ближней тонкой структуры рентгеновского по­
глощения (NEXAFS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.2.1.
Сечение поглощения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.2.2.
Электронный и флуоресцентный выход NEXAFS . . . . .
19
1.2.3.
Особенности NEXAFS спектров — информация об элек­
тронной структуре . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.4.
20
Модель строительных блоков (building block) для анализа
спектров больших молекул . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
Экспериментальные особенности . . . . . . . . . . . . . .
24
1.3. Экспериментальное оборудование . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
1.2.5.
1.3.1.
Экспериментальная СВВ станция Escalab 250Xi . . . . . .
1.3.2.
Экспериментальная СВВ станция RGL-Station на Россий­
25
ско-Немецком канале вывода и монохроматизации син­
хротронного излучения электронного накопителя BESSY
II, Гельмгольц Центр Берлин . . . . . . . . . . . . . . . .
25
1.4. Приготовление образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
1.4.1.
Гетерометаллические Au(I)-Cu(I) и Au(I)-Ag(I) комплексы 28
1.4.2.
Гибридные системы металл-белок
. . . . . . . . . . . . .
29
3
Глава 2.
Электронная энергетическая структура люминесцент­
ных супрамолекулярных Au–Cu и Au–Ag комплексов . . . . .
31
2.1. Особенности объектов исследования. Многообразие структурных
типов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
2.1.1.
Тип А . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.1.2.
Тип B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
2.1.3.
Тип C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.1.4.
Тип D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.1.5.
Тип E
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
2.1.6.
Тип F
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
2.2. Экспериментальные исследования электронной энергетической
структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.2.1.
Стехиометрия образцов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
2.2.2.
Разрушение комплексов под действием мягкого рентге­
новского излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
2.2.3.
Свойства металлического ядра . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.2.4.
Электронная структура вблизи уровня Ферми . . . . . .
51
2.3. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
Глава 3.
Взаимодействие макромолекул биологического проис­
хождения с переходными металлами . . . . . . . . . . . . . . . .
66
3.1. Структура белка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
3.1.1.
Аминокислоты как структурные мономеры белков . . . .
3.1.2.
Уровни структуры протеинов: первичная, вторичная, тре­
68
тичная, четвертичная структура. . . . . . . . . . . . . . .
68
Белки в условиях вакуума . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.2. Белки поверхностного слоя бактерий (S-слои) . . . . . . . . . . .
73
3.1.3.
3.2.1.
Белок S-слоя Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602 . . . . .
74
4
3.3. Электронная энергетическая структура белков на примере белка
S-слоя Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602 . . . . . . . . . . . . .
76
3.3.1.
Анализ спектров внутренних уровней . . . . . . . . . . .
77
3.3.2.
Структура незаполненных состояний . . . . . . . . . . . .
79
3.3.3.
Валентная зона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
3.3.4.
Разрушение белка под действием мягкого рентгеновского
излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84
3.4. Формирование систем переходный металл-белок . . . . . . . . . .
87
3.4.1.
Взаимодействие белка S-слоя с золотом . . . . . . . . . .
88
3.4.2.
Взаимодействие белка S-слоя с медью и железом . . . . .
91
3.4.3.
Морфология формирующихся гибридных систем . . . . .
99
3.4.4.
Схема процесса взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . 103
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А.
. . . . . . . . . . . . 115
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Словарь химических терминов . . . . . . . . . . 133
5
Введение
Актуальность работы Развитие наукоемких технологий всегда было
неразрывно связано с созданием новых функциональных материалов. Для де­
тального понимания природы их физико-химических свойств, а также для даль­
нейшей разработки устройств на их основе необходима информация о таких
фундаментальных характеристиках вещества как электронная энергетическая
структура (ЭЭС).
В настоящей работе были исследованы особенности электронной энергети­
ческой структуры двух классов новых материалов.
Первый из них представляет собой семейство гетерометаллических
Au(I)-Cu(I) и Au(I)-Ag(I) супрамолекулярных комплексов с геометрией
«стержни-в-поясе», синтезированное группой химии кластерных соединений
СПбГУ. Широкие перспективы потенциального использования данных систем
связаны, в первую очередь, с их уникальными фотофизическими свойствами.
Представители класса обнаруживают широкий диапазон длин волн эмиссии,
необычно эффективную фосфоресценцию (квантовый выход которой близок к
100 %, и, что важно отметить, несущественно снижается в присутствии кислоро­
да), а также нелинейные оптические свойства — значительную величину сече­
ния двухфотонного поглощения. Все эти характеристики открывают возможно­
сти использования агрегатов, как в различных светоизлучающих устройствах,
так и для молекулярной визуализации биологических структур. Еще одной важ­
ной особенностью данного класса объектов является способность к самосбор­
ке таких высокоупорядоченных молекул с устойчивым структурным мотивом
«стержни-в-поясе», что может найти применение для дизайна новых нанострук­
турированных материалов, создаваемых по технологии «снизу-вверх».
Еще один класс рассматриваемых в настоящей работе объектов представ­
ляет собой синтезируемые in situ гибридные системы на основе биомолекул и
переходных металлов. Детальное понимание особенностей формирования таких
6
искусственных био-гибридных структур и фундаментальных процессов, проис­
ходящих в них, является актуальной задачей отраслей биотехнологий. Особое
внимание здесь должно быть уделено мало изученным на данный момент син­
тезу и химии гибридов в условиях вакуума. Необходимость особых условий
связана с тем, что многие из возможных потенциальных приложений могут
быть созданы или могут функционировать только in vacuo. Это включает та­
кие сценарии, как внедрение биомолекул в электронные схемы, создание кон­
тактов между биомолекулами и металлическими электродами, формирование
массивов металлических или магнитных нанокластеров на биомолекулярных
подложках и т.д. Важной задачей, в связи с этим, является изучение процес­
сов физико-химических взаимодействий между биомолекулярными объектами
и металлами в вакууме, причем особый интерес представляют технологически
важные составляющие: белок S-слоя, и такие металлы, как золото, медь и же­
лезо. Одним из подходов, позволяющим детектировать и охарактеризовать фи­
зико-химические взаимодействия, может являться анализ модификации ЭЭС
белка S-слоя при осаждении на его поверхность металлов в условиях вакуума.
Широко известно, что теоретические расчеты ЭЭС для молекул большо­
го размера, содержащих атомы переходных металлов, нетривиальны, и дают,
в основном, качественное описание. Поэтому поиск экспериментального подхо­
да для детального описания ЭЭС макромолекул и ее модификации является
сложной, но интересной, и, безусловно, актуальной задачей физики конденси­
рованного состояния.
Цель диссертационной работы заключалась в систематическом изуче­
нии особенностей электронной энергетической структуры макромолекул, содер­
жащих атомы переходных металлов.
Для достижения поставленной цели были решены задачи:
∙ контроля стехиометрии образцов поликристаллических пленок комплек­
сов «стрежни-в-поясе»;
7
∙ оценки стабильности комплексов «стрежни-в-поясе» под действием мяг­
кого рентгеновского излучения;
∙ установления закономерностей изменения электронной энергетической
структуры в зависимости от размера комплекса (малый, средний, боль­
шой), свойств центрального ядра (природы атомов металла);
∙ синтеза гибридных систем на основе белка S-слоя и переходных металлов
(золото, медь, железо) in situ;
∙ контроля изменения электронной энергетической структуры белка S-слоя
в процессе формирования гибридной системы металл-белок в зависимости
от природы атомов металла;
∙ установления механизмов и моделей взаимодействия различных переход­
ных металлов (золото, медь, железо) с белком S-слоя.
Научная новизна Работа содержит новые экспериментальные резуль­
таты и сформулированные научные заключения. Ниже перечислены наиболее
важные из них. В работе впервые:
∙ Детально охарактеризована электронная энергетическая структура ново­
го класса супрамолекулярных Au(I)-Cu(I) и Au(I)-Ag(I) комплексов с гео­
метрией типа «стержни-в-поясе». Экспериментально определены характер
и положения высших заполненных и низших незаполненных молекуляр­
ных орбиталей. Установлена взаимосвязь между природой атомов метал­
ла гетерометаллического ядра комплекса и шириной запрещенной зоны.
Экспериментально показано, что с увеличением линейных размеров ком­
плекса ширина запрещенной зоны не изменяется.
∙ На основе анализа фотоэлектронных спектров Au 4f остовного уровня
охарактеризованы взаимодействия металл-металл в комплексах класса
8
«стержни-в-поясе» и установлено, что данные комплексы могут рассмат­
риваться как совокупность слабовзаимодействующих моноядерных ком­
плексов Au(I).
∙ Обнаружена чувствительность комплексов «стержни-в-поясе» к действию
мягкого рентгеновского излучения. Предложена модель, описывающая де­
градацию агрегатов под действием мягкого рентгеновского излучения.
∙ Продемонстрирована эффективность комбинированного использования ме­
тодов рентгеновской абсорбционной и фотоэлектронной спектроскопии
для описания химического взаимодействия между переходными металла­
ми и белком. На основе анализа спектров предложены схемы, описываю­
щие процессы взаимодействия.
∙ Установлено отсутствие сильного химического взаимодействия между бел­
ком S-слоя и золотом. Обнаружено формирование золотых наночастиц на
поверхности S-слоя, причем за их ростом можно проследить по модифи­
кации фотоэлектронных спектров Au 4f остовного уровня, отражающей
размерный эффект.
∙ Обнаружена стабилизация енольной формы пептидной связи при образо­
вании гибридов медь-белок и железо-белок.
∙ Изучена стабильность гибридной системы металл-белок. Установлено, что
гибридная система, образующаяся в процессе осаждения железа на белок
S-слоя, химически нестабильна по сравнению с гибридом медь-белок.
Практическая значимость Научная значимость диссертации определя­
ется тем, что полученные в настоящей работе результаты способствуют разви­
тию фундаментальных знаний о физико-химических свойствах двух классов
новых объектов: недавно синтезированного на химическом факультете СПбГУ
класса супрамолекулярных люминесцентных металлоорганических комплексов
9
с геометрией типа «стержни-в-поясе» и гибридных систем на основе белка S-слоя
и таких переходных металлов, как золото, медь и железо.
Детальная информация об электронной энергетической структуре и ста­
бильности новых материалов необходима для их последующего эффективного
использования в качестве строительных блоков компонент нового поколения
молекулярной электроники, а также в биотехнологиях.
Информация о химическом взаимодействии между переходными металла­
ми и белком позволяет оценить перспективность использования данных мате­
риалов для синтеза гибридных структур. Результаты исследований могут быть
положены в основу разработки технологий получения био-гибридных систем.
На защиту выносятся следующие основные результаты и поло­
жения:
1. Особенности электронной энергетической структуры семейств супрамо­
лекулярных Au-Cu и Au-Ag комплексов с уникальной архитектурой
«стрежни-в-поясе»: (а) Величина запрещенной зоны определяется, глав­
ным образом, свойствами центрального ядра (природой атомов металла в
нем) и существенно не зависит от размера комплекса. (б) Низшие незапол­
ненные молекулярные орбитали для всех рассматриваемых комплексов
расположены вблизи уровня Ферми и, в основном, локализованы на уг­
леродном скелете системы. (в) Энергетические положения высших запол­
ненных молекулярных орбиталей определены как ∼2,2 эВ — для Au-Cu
комплексов, ∼2,5 эВ — для Au-Ag комплексов. (г) Верхняя заполненная
молекулярная орбиталь Au-Cu систем сформирована преимущественно
3d-орбиталями меди и 2p-орбиталями атомов углерода тройной связи, то­
гда как в Au-Ag комплексах верхняя заполненная молекулярная орбиталь
состоит из 2p-орбиталей атомов углерода тройной связи и 4d-орбиталей
серебра, причем вклад d-орбиталей серебра здесь существенно меньше по
сравнению с вкладом d-орбиталей меди в верхнюю заполненную молеку­
10
лярную орбиталь Au-Cu комплексов.
2. Чувствительность рассматриваемых «стрежни-в-поясе» систем к воздей­
ствию мягкого рентгеновского излучения, причем по мере увеличения
размера ядра комплекса эффект усиливается. Модель, описывающая про­
цесс деградации «стрежни-в-поясе» комплексов под воздействием мягкого
рентгеновского излучения, связанной с разрушением противоиона [PF6 ]− .
3. Факт отсутствия химического взаимодействия между белком S-слоя и зо­
лотом, нанесенном в вакууме. В результате осаждения золота на S-слой
наблюдается формирование металлических наночастиц.
4. Факт химического взаимодействия между белком S-слоя и такими пере­
ходными металлами, как медь и железо, нанесенными в вакууме. Модель,
описывающая данный процесс. В результате взаимодействия между ме­
дью/железом и S-слоем происходит стабилизация енольной формы пеп­
тидной связи.
5. Гибридная система, образующаяся в процессе осаждения железа на S-слой,
является химически нестабильной по сравнению с гибридом S-слой-медь и
разлагается на различные неорганические вещества как оксиды, карбиды,
нитриды или цианиды железа.
Апробация работы Результаты работы были представлены на следу­
ющих российских и международных конференциях: VIII Национальная кон­
ференция «Рентгеновское Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны
для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные тех­
нологии» (РСНЭ-НБИК) (Москва, 2011); Joint BER II and BESSY II User
Meetings (Берлин, Германия, 2012, 2013); Конференции Немецкого Физического
Общества «DPG Spring Meetings» (Регенсбург, Германия, 2013; Дрезден, Герма­
ния, 2014); 15th European Conference on Applications of Surface and Interface
Analysis (ECASIA-13) (Кальяри, Италия, 2013); Workshop Crossing Borders,
11
International Student Conference Science and Progress (Санкт-Петербург, 2013);
12th International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and
Nanostructures (ACSIN-12) (Цукуба, Япония, 2013); Gordon Research Conference
«Electronic Processes in Organic Materials» (Лукка (Барга), Италия, 2014),
European Conference on Surface Science (ECOSS-30) (Анталия, Турция, 2014).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных рабо­
тах, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, индексиру­
емых в базе данных Web of Science, и 5 тезисов докладов.
Личный вклад автора Все результаты, представленные в работе, полу­
чены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 3
глав и заключения. Работа изложена на 134 страницах, включая 6 таблиц и
61 рисунок. Список цитированной литературы содержит 172 ссылки.
12
Глава 1
Экспериментальные методы исследования,
оборудование и подготовка эксперимента
1.1. Фотоэлектронная спектроскопия
Фотоэлектронная спектроскопия широко известна как один из наиболее
важных методов для изучения электронной структуры молекул, твердых тел
и поверхностей [1, 2]. Более того, ФЭС широко используется для решения при­
кладных задач в таких областях как химия поверхности или материаловедение,
и дает значительный вклад в понимание фундаментальных принципов физики
твердого тела.
В данном разделе будут изложены основные принципы метода, минималь­
но необходимые для понимания описанных в настоящей работе эксперименталь­
ных исследований. Для более детальной информации, касающейся особенностей
метода, его настоящего и перспектив, можно обратиться к обзорам [3–6] и кни­
гам [1, 2, 7–9].
1.1.1. Основные принципы
Фотоэлектронная спектроскопия является действенным методом исследо­
вания заполненных электронных состояний в атомах, молекулах и твердых те­
лах, основанным на явлении фотоэффекта, в соответствии с которым при погло­
щении фотона с достаточно высокой энергией электрон переходит в континуум
свободных состояний выше уровня вакуума. Кинетическая энергия фотоэлек­
трона зависит как от энергии связи электрона, так и от энергии фотонов. Диа­
грамма процесса фотоэмиссии представлена на рисунке 1.1. Энергетический
баланс задается следующим уравнением:
13
𝐸𝑘𝑖𝑛 = ℎ𝜈 − 𝐸𝑏 − Φ
(1.1)
где 𝐸𝑘𝑖𝑛 — кинетическая энергия фотоэлектрона, ℎ𝜈 — энергия фотонов,
𝐸𝑏 — энергия связи относительно уровня Ферми и Φ — работа выхода спектро­
метра. Из уравнения очевидно, что для того, чтобы определить энергию связи
электронов недостаточно фиксировать энергию фотонов и измерять распреде­
ление электронов по кинетическим энергиям, также необходимо знать работу
выхода спектрометра, значение которой обычно находят путем калибровки с
использованием эталонных металлических образцов, например, золота (учиты­
вается энергетическое положение «ступеньки Ферми» или ФЭ линий остовных
уровней, например Au 4𝑓7/2 при 84,0 эВ (узкая линия)).
Фотоэмиссионный процесс может рассматриваться, как переход электро­
на из основного состояния |𝑖⟩ с волновой функцией 𝜙𝑖 в конечное состояние
|𝑓 ⟩ с волновой фунцией 𝜙𝑓 в результате поглощения фотона с энергией ℎ𝜈. Ве­
роятность этого процесса может быть описана теоретически с использованием
теории возмущений «золотым правилом Ферми»:
𝑃𝑖𝑓 ∝
2𝜋
2
|⟨𝑓 | 𝐻 ′ |𝑖⟩| 𝛿(𝐸𝑓 − 𝐸𝑖 − ℎ𝜈)
~
(1.2)
где 𝐻 ′ — гамильтониан взаимодействия между электроном и фотоном, а
член 𝛿(𝐸𝑓 − 𝐸𝑖 − ℎ𝜈) гарантирует сохранение энергии.
Конечное состояние (обычно несколько эВ или несколько десятков эВ выше
уровня вакуума) может рассматриваться в ФЭ эксперименте как плоская волна,
то есть плотность конечных состояний и фона вторичных электронов не имеют
резко выраженных пиков. Таким образом, все важные особенности ФЭ спектра
соответствуют структуре начальных состояний, то есть ФЭ спектр является
хорошей аппроксимацией плотности занятых электронных состояний в твердом
теле.
Метод ФЭС условно разделяют по энергии возбуждающего излучения на
14
Рис. 1.1. Схематическое представление процесса фотоэмиссии как одночастичного. Распреде­
ление фотоэлектронов 𝐼(𝐸𝑘𝑖𝑛 ) может быть измерено анализатором и в первом приближении
соответствует картине плотности заполненных состояний 𝑁 (𝐸𝐵 ) [5].
(1) ультрафиолетовую ФЭС (энергии фотонов меньше 100 эВ), используемую
для анализа валентных состояний; и (2) рентгеновскую ФЭС (РФЭС) (боль­
шие энергии фотонов), которая позволяет получить доступ к информации об
остовных уровнях.
1.1.2. Длина свободного пробега электрона
Глубина зондирования в фотоэлектронной спектроскопии ограничена и
определяется процессами неупругого рассеяния электронов, причем число элек­
тронов, прошедших слой 𝑑 на пути к поверхности без неупругого рассеяния,
экспоненциально зависит от толщины этого слоя:
𝑑
𝑁 = 𝑁0 · exp (− )
𝜆
(1.3)
где 𝑁0 — число электронов, возбужденных на глубине 𝑑, 𝜆 — длина свобод­
ного пробега электронов по отношению к неупругому рассеянию. Зависимость 𝜆
15
от кинетической энергии электронов, имеющая универсальный характер, изоб­
ражена на рисунке 1.2. Как видно из рисунка, в используемом в ФЭС диапазоне
длина свободного пробега составляет несколько монослоев, чем и обусловлена
поверхностная чувствительность метода.
Рис. 1.2. Зависимость длины свободного пробега (в монослоях) электрона от его кинетической
энергии [10].
1.1.3. Сдвиги энергии внутренних уровней в ФЭ спектрах
Энергии связи внутренних уровней в молекуле и твердом теле могут отли­
чаться от соответствующих свободному атому, подобное изменение энергии на­
зывается химическим сдвигом уровня. Химические сдвиги появляются по двум
основным причинам. С одной стороны, реальная разница в энергии связи может
характеризовать основное состояние системы — эффект начального состояния.
С другой стороны, на энергию перехода в измеряемое конечное состояние обыч­
но оказывают влияние корреляционные и релаксационные эффекты в процессе
фотоэмиссии — так называемые эффекты конечного состояния, за подробным
рассмотрением влияния которых можно обратиться к работе [2]. Влияние эф­
фектов как начального, так и конечного состояния на энергию связи использу­
16
ются для химического анализа с помощью электронной спектроскопии [2, 4].
Точное значение энергии связи электрона атома зависит от его химиче­
ского окружения. Энергия связи электрона остовного уровня в первом при­
ближении определяется кулоновским потенциалом, создаваемым ядром атома
и остальными электронами. Любое изменение в химическом окружении атома
приводит к пространственному перераспределению плотности валентных элек­
тронов, в результате которого изменяется потенциал и, соответственно, происхо­
дит сдвиг энергии связи. Уменьшение электронной плотности, локализованной
на рассматриваемом атоме, приводит к снижению эффективности экраниро­
вания валентными электронами электронов внутренних уровней и наоборот.
Таким образом, согласно общему правилу, энергии связи остовых электронов
атомов, окруженных менее электроотрицательными элементами, претерпевают
химический сдвиг в сторону уменьшения, а энергии связи внутренних электро­
нов атомов в окружении более электроотрицательных элементов — сдвиг в сто­
рону увеличения энергий по сравнению с соответствующими моноэлементной
молекуле или твердому телу.
Простым, но показательным примером данного феномена могут служить
ФЭ спектры 1s уровня металлического лития и оксида лития. Схематическое
изображение электронной структуры двух обсуждаемых веществ дано на ри­
сунке 1.3. В случае металла 2s электроны лития делокализованы по всему твер­
дому телу и дают вклад в экранировку Li 1s электронов от потенциала ядра.
Что касается оксида лития, Li 2s электроны локализованы преимущественно
на более электроотрицательном атоме кислорода, таким образом, плотность
валентных электронов вблизи ядра атома лития сильно уменьшается, а следо­
вательно уменьшается и эффект экранировки Li 1s электронов, что приводит к
увеличению энергии связи. В свою очередь, энергия связи O 1s уровня умень­
шается. Данный пример очень типичен. Химический сдвиг между металлом и
его оксидом(-ами) очень часто позволяет проследить, например, за чистотой по­
верхности образца. Химические сдвиги были исследованы для большого числа
17
молекул и, для того чтобы продемонстрировать потенциал для интерпретации
спектров в рамках данного подхода, обратимся к примерам этил трифтораце­
тата и ацетона на рисунке 1.4. Влияние увеличивающейся электроотрицатель­
ности атомов окружения углерода очевидно и поразительно. Эти примеры од­
нозначно свидетельствуют о том, что, несмотря на значительно упрощенное
рассмотрение в рамках эффектов начального состояния, данный подход поз­
воляет во многих случаях провести успешное объяснение сдвигов внутренних
уровней. Данное утверждение относится преимущественно к молекулам, содер­
жащим легкие атомы (low Z-molecules). В настоящей работе рассматриваются
ФЭ спектры металлоорганических комплексов и систем на основе органических
биомолекул, анализ которых проводится в терминах эффектов начального со­
стояния, с пренебрежением корреляционными эффектами [11].
Рис. 1.3. Схематическое изображение электронной конфигурации Li металла и оксида лития
LiO2 и соответствующие схемы ФЭ спектров Li 1s [2].
18
Рис. 1.4. Химические сдвиги C 1s внутреннего уровня в ФЭ спектрах (a) этил трифторацетат,
(b) ацетона [2].
1.1.4. Экспериментальные особенности
Для корректировки шкалы энергий непроводящих образцов, в спектрах
которых наблюдались сдвиги, вызванные эффектами зарядки, использовалась
спектральная компонента C 1s с энергией связи 285,0 эВ (атомы углерода в
ароматических системах).
1.2. Спектроскопия ближней тонкой структуры
рентгеновского поглощения (NEXAFS)
В настоящее время для детального изучения свойств материалов все актив­
нее развиваются методы анализа, основанные на использовании синхронтронно­
го излучения. Один из таких методов — NEXAFS (near edge X-ray absorption fine
structure — околопороговая тонкая структура рентгеновского спектра поглоще­
ния) — был разработан в 1980-е преимущественно для того, чтобы исследовать
структуру органических молекул, адсорбированных на поверхности [12].
Спектроскопия NEXAFS в отличие от фотоэлектронной спектроскопии,
предназначена для исследования свободных электронных состояний.
В данном разделе будут изложены основы метода, минимально необходи­
19
мые для понимания экспериментальных результатов, обсуждаемых в настоящей
работе, для более подробного изучения особенностей метода можно обратиться
к работе Штера [12].
1.2.1. Сечение поглощения
NEXAFS спектр отражает зависимость сечения поглощения от энергии фо­
тонов 𝜎(𝐸) для значений вблизи порога ионизации, которое определяется как
количество возбужденных электронов в единицу времени, отнесенное к количе­
ству падающих фотонов в единицу времени на единицу площади. 𝜎(𝐸) может
быть вычислено с помощью «золотого правила Ферми» для вероятности пе­
рехода электрона за единицу времени из начального состояния |𝑖⟩ (которым
здесь является остовный уровень) в конечное состояние |𝑓 ⟩ (свободное состоя­
ние, состояние зоны проводимости) что в дипольном приближении ( k · r << 1)
приводит к формуле:
𝜎(𝐸) ∝ 𝑃𝑖𝑓 ∝ |⟨𝑓 | e · p |𝑖⟩|2 𝜌𝑓 (𝐸)
(1.4)
где 𝜌𝑓 (𝐸) — плотность конечных состояний, e — вектор поляризации рент­
геновского излучения и p — оператор импульса электрона.
1.2.2. Электронный и флуоресцентный выход NEXAFS
Итак, принцип метода NEXAFS основывается на способности вещества по­
глощать рентгеновские фотоны с энергиями, сравнимыми с энергиями иониза­
ции атомов. В процессе измерения NEXAFS спектра образец облучается моно­
хроматическим пучком фотонов, причем энергии фотонов сканируются вблизи
порога ионизации. Результатом процесса поглощения становятся фотоэлектрон
и дырка на остовном уровне. Данное состояние крайне неустойчиво и в течение
10−15 −10−16 с релаксирует за счет заполнения вакансии электронами с внешних
уровней, что сопровождается высвобождением энергии либо через испускание
20
фотона — флуоресценцию, либо безылучательно через Оже-процесс. Оба ка­
нала распада возбужденного состояния (излучательный и безызлучательный)
являются прямой мерой наличия вакансии на остовном уровне, созданной в про­
цессе поглощения рентгеновского излучения, и соответственно, мерой сечения
поглощения рентгеновского излучения. В принципе, оба канала могут детек­
тироваться, однако, что касается анализа веществ, содержащих, в основном,
легкие элементы (как углерод, азот, кислород), выход Оже-электронов здесь
гораздо выше, чем выход флюоресценции [13].
1.2.3. Особенности NEXAFS спектров — информация об
электронной структуре
Понимание различных особенностей, наблюдаемых в NEXAFS спектре, яв­
ляется необходимым условием использования метода для исследования элек­
тронной структуры. Далее будет дано краткое феноменологическое описание
особенностей спектра и их происхождения [14].
Итак, NEXAFS спектр отражает зависимость сечения поглощения от энер­
гии фотонов для значений вблизи порога ионизации. Вообще, зависимость се­
чения поглощения атома от энергии фотонов представляет собой ступенчатую
функцию, и при больших энергиях, E, оно идентично сечению фотоионизации
и пропорционально 𝐸 −7/2 [15]. Скачок поглощения возникает из-за возбужде­
ния электрона остовного уровня в континуум или квазиконтинуум конечных со­
стояний [14]. Возникновение особенностей NEXAFS спектра схематически про­
иллюстрировано на рисунке 1.5. Здесь изображены эффективный потенциал
и соответствующий спектр двухатомной молекулы. Вблизи порога ионизации
резонансные переходы накладываются на «ступеньку». Такие переходы возни­
кают, если энергия падающих фотонов точно соответствует разности энергий
начального состояния и незаполненной молекулярной орбитали ℎ𝜈 = 𝐸𝑓 − 𝐸𝑖 .
Незаполненные МО отмечены как 𝜋 * и 𝜎 * в соответствии с симметрией.
Нижняя незаполненная молекулярная орбиталь двухатомной молекулы с
21
𝜋-связью обычно имеет 𝜋 * -характер, в то время как 𝜎 * -орбитали располага­
ются при больших энергиях. Для нейтральной молекулы последние часто об­
наруживаются выше уровня вакуума, в то время как 𝜋 * -состояния находятся
ниже потенциала ионизации из-за электронно-дырочного кулоновского взаимо­
действия [12]. Очевидно, что переходы 1𝑠 → 𝜋 * (𝜋 * -резонансы) могут наблю­
даться только для молекул с 𝜋-связыванием, то есть содержащими двойные и
тройные связи, или ароматические системы.
Получаемая ширина резонансов определяется инструментальным разре­
шением (гауссиан), временем жизни возбужденного состояния (лоренциан) и
колебательным движением молекулы, приводящим к асимметричному ушире­
нию. Ширина 𝜋 * -резонанса обычно очень мала, потому что время жизни конеч­
ного состояния, определяемое распадом остовной дырки, достаточно велико.
Более широкие компоненты, соответствующие переходам в орбитали 𝜎 * -типа,
располагаются при больших энергиях, выше порога ионизации. Из-за большо­
го перекрытия этих состояний с состояниями континуума, вероятность распада
возбужденного состояния увеличивается. При достаточно хорошем разрешении
колебательная структура спектра также может быть обнаружена [12]. Асси­
метричный контур 𝜎 * -резонансов является следствием комбинации уширений,
обусловленных конечным временем жизни состояния и колебательным движе­
нием.
1.2.4. Модель строительных блоков (building block) для анализа
спектров больших молекул
Интерпретация NEXAFS спектров, то есть соотнесение наблюдаемых резо­
нансов с конкретными молекулярными орбиталями, для малых молекул может
быть проведена с использованием результатов теоретических расчетов. Что ка­
сается теоретических расчетов для больших молекул, их проведение трудоемко
и нетривиально, поэтому для анализа спектров таких молекул был разработан
альтернативный эмпирический подход, метод «строительных блоков», который
22
Рис. 1.5. Схематический потенциал (нижняя часть) и соответствующий спектр поглощения
вблизи K–края (верхняя панель) двухатомной молекулы [14].
в большом количестве случаев дает удовлетворительный результат. Метод ос­
новывается на предположении, что большая молекула может рассматривать­
ся как ансамбль меньших молекул (в предельном случае только двухатомных
молекул), которые достаточно слабо связаны друг с другом, таким образом,
что влиянием этих взаимодействий на электронную структуру «строительных
блоков» можно пренебречь. Для малых молекул наблюдаемые в спектрах ре­
зонансы могут быть отнесены непосредственно к 𝜋 * и 𝜎 * -орбиталям молекулы.
Основываясь на этом, можно попытаться воссоздать спектр и, соответственно,
электронную структуру больших молекул, используя подходящие малые моле­
23
кулы в качестве «строительных блоков».
Данный подход продемонстрирован на рисунке 1.6 (a) на примере NEXAFS
спектров вблизи K-края углерода для ряда спиртов: метанола, n-пропанола,
аллилового и пропаргилового. Для простейшего из спиртов — метанола — в
спектре наблюдаются два C − H* /ридберговских резонанса при энергии 289 эВ
и C − O 𝜎 * -резонанс при 293 эВ. Данные особенности спектра характерны для
всех рассматриваемых спиртов, однако, с увеличением размера молекулы и с по­
явлением новых функциональных групп в серии спектров начинают появляться
новые компоненты. Так, например, все более сложные спирты содержат группу
C − C, наличие которой отражается в спектре присутствием C − C 𝜎 * -резонанса
при энергии вблизи 292 эВ. Однако, данная компонента перекрывается по энер­
гии с C − O 𝜎 * -резонансом и поэтому трудно различима в спектре. Ожидаемо,
в спектре аллилового спирта появляются C = C 𝜋 * - и 𝜎 * -резонансы, а спектр
пропаргилового спирта характеризуется узким пиком при 285,7 эВ, соответству­
ющим C ≡ C 𝜋 * -резонансу, и широким C ≡ C 𝜎 * -резонансом при 310 эВ [16].
Естественно, метод имеет свои пределы применимости — например, при
рассмотрении делокализованных связей. Спектры сопряженных систем, то есть
систем, в которых взаимодействия между локальными связями становятся зна­
чительными, уже больше не являются спектральной суммой компонент. Также,
когда блоки соединяются в молекулу с понижением или повышением симмет­
рии, некоторые молекулярные орбитали могут расщепляться или вырождать­
ся в соответствии с принципом Паули, приводя к различиям в NEXAFS спек­
трах. Этот эффект может быть продемонстрирован на примере расщепления
C 1𝑠 → 𝜋 * резонанса в спектре CH3 − C ≡ C − C ≡ C − CH3 (см. рисунок 1.6
(b)). Здесь два CH3 − C ≡ C − H блока образуют CH3 − C ≡ C − C ≡ C − CH3
молекулу, которая имеет более высокую симметрию (D2).
Тем не менее, описанные ограничения могут быть преодолены при пра­
вильном выборе блоков. Разделение большой полифункциональной молекулы
на слабовзаимодействующие функциональные подгруппы, которые изначально
24
включают возможные эффекты сопряжения, может дать возможность рассмат­
ривать спектр огромной молекулы как суперпозицию спектральных характери­
стик соответствующих подгрупп. Таким образом, метод «строительных блоков»
может быть применен также и к макромолекулам с больших числом делокали­
зованных связей. Пример успешного использования метода для молекулы фе­
нилаланина приведен на рисунке 1.6 (c). NEXAFS спектр аминокислоты, содер­
жащей сопряженные группы, вблизи K-края углерода благополучно разложен
на два отдельных суб-спектра с использованием бензола и аланина в качестве
«строительных блоков» [17].
Рис. 1.6. (a) Использование подхода для анализа NEXAFS спектров серии спиртов [16]; (b)
Расщепление 𝜋 * -резонанса в 2,4-гексадиене [12]; (c) Использование метода «строительных
блоков» для молекул, содержащих сопряженные связи, на примере спектра вблизи K-края
поглощения углерода для фенилаланина[17].
1.2.5. Экспериментальные особенности
Спектры NEXAFS были получены путем регистрации полного электрон­
ного выхода в режиме измерения тока утечки с образца (Total Electron Yield:
TEY) и нормировались на падающий поток фотонов.
25
1.3. Экспериментальное оборудование
1.3.1. Экспериментальная СВВ станция Escalab 250Xi
Предварительные эксперименты проводились с использованием оборудова­
ния лаборатории «Физической электроники» кафедры Электроники Твердого
Тела физического факультета Санкт-Петербургского Государственного Универ­
ситета (СПбГУ), а также ресурсного центра «Физические методы исследования
поверхности», созданного на базе СПбГУ [18].
В этих экспериментах использовалась сверхвысоковакуумная исследова­
тельская станция, оборудованная фотоэлектронным спектрометром Escalab
250Xi. Экспериментальная установка состоит из трёх камер с независимыми си­
стемами откачки: аналитической камеры, камеры подготовки образцов и каме­
ры загрузки образцов. Аналитическая камера снабжена 5-осевым манипулято­
ром, позволяющим зафиксировать образец и восстановить его положение после
переноса в камеру подготовки. Аналитическая камера оснащена монохромати­
ческим Al K𝛼 (1486,6 эВ) рентгеновским модулем, состоящим из рентгеновского
монохроматора и рентгеновского источника, а также ультрафиолетовым источ­
ником (He I (21,2 эВ), He II (40,8 эВ)) для проведения исследований валентной
зоны.
Базовое давление в аналитической камере составляет 1 × 10−10 мбар.
1.3.2. Экспериментальная СВВ станция RGL-Station на
Российско-Немецком канале вывода и монохроматизации
синхротронного излучения электронного накопителя BESSY
II, Гельмгольц Центр Берлин
Основные экспериментальные исследования проводились с использовани­
ем оборудования Российско-Немецкого канала вывода и монохроматизации син­
хротронного излучения (СИ) [19–21] электронного накопителя BESSY II, Гельм­
гольц Центр Берлин. Фотография экспериментальной сверхвысоковакуумной
26
станции RGL-Station представлена на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Фотография экспериментальной СВВ станции RGL-Station на Российско-Немецком
канале вывода и монохроматизации СИ [22].
Экспериментальная станция состоит из трех основных камер («верхняя»
камера подготовки, «боковая» камера подготовки и аналитическая камера), си­
стемы быстрой загрузки и трансфера образцов. Трехмерная модель станции
изображена на рис. 1.8.
Система трансфера образцов
Экспериментальная станция оснащена трансферной системой Omicron, со­
стоящей из двух дополнительных камер. Первая камера (№ 7 на рис. 1.8) ис­
пользуется для загрузки образцов с воздуха, причем одновременно могут быть
загружены 11 образцов. Эта камера никогда не находится в непосредственном
контакте с основными камерами (подготовки и анализа). Вторая камера (№ 8
на рис. 1.8) является промежуточным звеном между камерой загрузки образ­
цов с воздуха и «боковой» камерой подготовки. В данной камере одновременно
может находиться 4 образца. Здесь используются стандартные держатели об­
разцов Omicron. Максимальная ширина образца составляет 10 мм.
27
«Верхняя» камера подготовки
Верхняя камера подготовки расположена непосредственно над аналитиче­
ской камерой и предназначена для «чистых» экспериментов с достаточно де­
ликатными и химически активными материалами, как, например, редкоземель­
ные элементы. Камера оборудована кварцевым резонатором, фланцами (CF35
и CF63) с возможностью установки испарителей, системой напуска газов, flash­
машиной, «wobble»-стиком, ионной пушкой, несколькими окнами и манипуля­
тором. Поверхности образцов могут быть очищены в данной камере с помощью
следующих методик: (1) скол, (2) травление, (3) прогрев до 2000 ∘ C.
«Боковая» камера подготовки
«Боковая» камера оснащена оборудованием подобным находящемуся в
«верхней» камере и предназначена для работы с различными органическими
образцами, а также образцами биологического происхождения.
Аналитическая камера
Все измерения проводятся в аналитической камере, оснащенной анализа­
тором энергий электронов PHOIBOS 150. Также к образцу, закрепленному на
манипуляторе, может быть подключен пикоамперметр (Keithley - 6514) для ре­
гистрации NEXAFS спектров в режиме полного квантового выхода. Несколько
фланцев (CF63/CF35) могут быть использованы для установки испарителей.
Это позволяет проводить эксперименты в реальном времени, когда одновремен­
но происходят осаждение металла и запись ФЭ спектров. Однако, в таких экс­
периментах могут быть использованы только неактивные металлы, как серебро
или золото.
Аналитическая камера оснащена крио-манипулятором (минимальная воз­
можная температура ∼20 K), который позволяет перемещать образец вдоль
осей x, y и z, а также варьировать полярный и азимутальный углы.
28
Рис. 1.8. Трехмерная модель экспериментальной станции RGL-Station.(1) Анализатор SPECS
PHOIBOS 150, (2) аналитическая камера, (3) «верхняя» камера подготовки, (4) «боковая»
камера подготовки, (5) и (6) манипуляторы, (7) и (8) система быстрой загрузки образцов,
(9) трансферы образцов [22].
1.4. Приготовление образцов
1.4.1. Гетерометаллические Au(I)-Cu(I) и Au(I)-Ag(I) комплексы
Исследуемые в настоящей работе гетерометаллические Au-Cu и Au-Ag су­
прамолекулярные комплексы были приготовлены согласно отработанным про­
цедурам синтеза [23–26] на химическом факультете СПбГУ, группой химии
кластерных соединений. Образцы для спектроскопических исследований пред­
ставляли собой поликристаллические пленки комплексов, нанесенные на по­
верхность SiOx /Si подложек из растворов ацетона или хлороформа (концен­
трация 10−3 M) методом спин-коатинга (центрифугирования) на воздухе (см.
рисунок 1.9).
29
Растворители высокой чистоты (Aldrich) использовались без дополнитель­
ной обработки. Непосредственно перед нанесением пленок кремниевые пластин­
ки со слоем натурального оксида были обработаны ацетоном, этанолом и де­
ионизированной водой в ультразвуковой ванне, и затем высушивались при 100 ∘ C
в течение двух часов.
Далее приготовленные образцы помещались в камеру загрузки на два часа
для предварительной откачки с целью удаления растворителя.
Рис. 1.9. (а) Образцы комплексов представляют собой поликристаллический порошок. (b)
Растворенные в ацетоне или хлороформе порошки комплексов наносились на предваритель­
но очищенные кремниевые пластины методом спин-коатинга. (c) Фотография поликристал­
лической пленки на поверхности кремниевой пластинки.
1.4.2. Гибридные системы металл-белок
Рассматриваемый в настоящей работе белковый S-cлой был отделен от
бактерии Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602. Условия культивирования кле­
ток бактерий и очистки S-cлоев описаны в работе [27]. В качестве подложек
использовались кремниевые пластинки (SiOx /Si(100), n-тип, торговое качество,
25 × 6 мм2 ) со слоем естественного оксида. Перед осаждением белкового слоя,
подложки были тщательно очищены и обработаны плазмой (мощность высоко­
частотного сигнала 20 Вт, 5 минут, давление 1 × 10−2 Торр). Регулярные S-слои
наносились на подложку ex situ путем адсорбции белковой суспензии (1 мг/мл
в 25 мМ Трис-буффера, 10 мМ MgCl2 , pH 7,4) в течение 30 минут. После этого
30
белковая суспензия удалялась, и образец промывался несколько раз в деиони­
зированной воде для того, чтобы избавиться от остатков солей, высушивался и
помещался в камеру спектрометра, в условия высокого вакуума.
Качество покрытия (гомогенность и степень покрытия) белковым слоем
подложки контролировалось различными методами микроскопии (атомно-сило­
вой, сканирующей электронной и просвечивающей электронной) (ТУ Дрезден).
Степень покрытия составляла примерно 80 % общей поверхности пластины (см.
рис. 1.10).
Рис. 1.10. Исходный белок S-слоя Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602. (A) Изображение крем­
ниевой пластины, покрытой S-слоем после адсорбции суспензии концентрацией 1 мг/мл в
течение 10 минут, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. (B) Изображение
негативно контрастированного белка, полученное с помощью просвечивающего электронно­
го микроскопа, (вставка C: обработка изображения быстрым преобразованием Фурье (БПФ),
постоянная решетки — 12,5 нм; вставка D: обратное БПФ от сигнала (белые точки) на встав­
ке C). Изображения обработаны с помощью программы WSxM [28].
Гибридные системы металл-белок были синтезированы in situ в услови­
ях СВВ путем осаждения через газовую фазу высокочистых металлов (золото,
медь, железо) на поверхность S-слоя на кремниевой подложке. Скорость напы­
ления металлов калибровалась по кварцевому резонатору.
31
Глава 2
Электронная энергетическая структура
люминесцентных супрамолекулярных Au–Cu и
Au–Ag комплексов
Синтезированный недавно на кафедре неорганической химии химического
факультета СПбГУ класс супрамолекулярных Au(I)–Cu(I) и Au(I)–Ag(I) ком­
плексов характеризуется необычной топологией «стрежни-в-поясе» и уникаль­
ными фотофизическими свойствами [23–26, 29–37]. Представители класса обна­
руживают широкий диапазон длин волн эмиссии, необычно эффективную фос­
форесценцию (квантовый выход которой близок к 100 %, и, что важно отметить,
несущественно снижается в присутствии кислорода), а также значительную ве­
личину сечения двухфотонного поглощения [36]. Еще одной из важных осо­
бенностей данных объектов является возможность регулировки электронных и
фотофизических характеристик при модификации лигандного окружения. Все
эти свойства открывают огромные перспективы для применения данных агрега­
тов как в светоизлучающих устройствах, так и для молекулярной визуализации
биологических структур [38–40]. Еще одним важным свойством является спо­
собность к самосборке этих высокоструктурированных молекул, что может ис­
пользоваться для дизайна искусственных наноструктур со сложной топологией,
которые могут стать идеальными компоновочными блоками для следующего по­
коления электроники. Важно также и то, что самосборка имеет универсальный
характер, и структурный мотив «стрежни-в-поясе» является устойчивым.
Очевидно, что не только для более глубокого понимания физико-химиче­
ских особенностей рассматриваемых систем, но и для дальнейшего эффектив­
ного использования новых материалов важно проникнуть в суть таких фун­
даментальных свойств системы, как ее электронная энергетическая структура
32
(ЭЭС).
Однако, широко известно, что теоретические расчеты ЭЭС молекул боль­
шого размера, содержащих атомы тяжелых металлов, нетривиальны, и дают,
в основном, качественное описание. Поэтому изучение электронной структу­
ры таких систем представляет собой сложную, но интересную задачу физики
конденсированного состояния и требует отработки индивидуальной эксперимен­
тальной методики, учитывающей структурные и химические особенности мате­
риала.
В настоящей работе продемонстрирована эффективность комбинирован­
ного использования методов фотоэлектронной и рентгеновской абсорбционной
спектроскопии для описания электронного строения и особенностей структуры
серии металлоорганических комплексов с уникальной геометрией, содержащих
Au(I)-Cu(I) и Au(I)-Ag(I) кластерные ядра различного размера [41–45]. Полу­
ченные результаты, безусловно, важны с точки зрения фундаментальной фи­
зики, но, в то же время, они имеют и практическое значение, поскольку позво­
ляют планировать требуемые модификации комплексов с целью последующего
их использования.
Насколько нам известно, на данный момент не существует других литера­
турных прецедентов детального экспериментального исследования ЭСС супра­
молекулярных агрегатов методами ФЭС и NEXAFS спектроскопии.
2.1. Особенности объектов исследования. Многообразие
структурных типов
Новый класс самособирающихся супрамолекулярных люминесцентных
Au(I)-Cu(I) и Au(I)-Ag(I) алкинил-фосфиновых комплексов, синтезированный
на химическом факультете СПбГУ (группа химии кластерных соединений), ха­
рактеризуется необычной топологией «стержни-в-поясе» и широким разнообра­
зием структурных типов [23–26, 29–37, 46]. Уникальные электронные свойства и
33
необычная структура этих комплексов определяются геометрией полидентант­
ных фосфиновых лигандов и металлофильными взаимодействиями [47] в цен­
тральном кластерном ядре.
В данном разделе приведен обзор строения и свойств представителей клас­
са «стержни-в-поясе», разделенных на различные структурные типы.
2.1.1. Тип А
Первоначально было синтезировано именно данное семейство Au(I)-Cu(I)
и Au(I)-Ag(I) агрегатов [23, 24, 26], то есть тип А является исходным. Ниже пред­
ставлено детальное описание структуры его представителей, и далее строение
комплексов других типов будет обсуждаться в сравнении с данными системами.
Структурным мотивом изучаемых соединений является сборка алкиниль­
ных фрагментов внутри дифосфинового «пояса». На рис. 2.1 схематически пред­
ставлены компоновочные блоки комплексов типа A класса «стрежни-в-поясе»:
непосредственно диалкинил-золотой «стержень» («rod») и Au3 (P − P)3 «пояс»
(«belt»), где P − P означает дифосфиновый лиганд с различной длины фени­
леновыми спейсерами между атомами фосфора. При варьировании длины фе­
ниленового спейсера в дифосфиновом лиганде (n = 1, 2, 3) происходит увеличе­
ние кластерного ядра (и, соответственно, числа атомов металла) с сохранением
структурного мотива. Структурный мотив сохраняется и при замене ионов меди
на ионы серебра. На рис. 2.2 схематически изображена молекулярная структура
всех представителей семейства комплексов типа A, которое можно разделить на
две серии: Au–Cu и Au-Ag, причем каждая из них представлена тремя объекта­
ми: малым (small, S), средним (medium, M) и большим (large, L) (см. табл. 2.1).
Рассмотрим более детально молекулярную структуру представителей се­
мейства на примере Au–Cu-S. (см. рис. 2.3) Архитектура комплексов основана
на диалкинил-золотых стержнях ([PhC ≡ C − AuI − C ≡ CPh]− ), фиксирован­
ных благодаря металлофильным взаимодействиям между Au(I) центрами и ге­
тероионами (Сu(I) или Ag(I)), а также 𝜋-связыванию этих ионов с алкинильны­
34
Рис. 2.1. Схематическое представление структуры комплексов «стрежни-в-поясе»: компоно­
вочные блоки.
ми тройными связями. Дополнительно структура комплексов стабилизируется
Au3 (P − P)3 «поясом». «Пояс» окутывает центральное ядро и фиксирует его
благодаря металлофильным и электростатическим взаимодействиям. Атомы зо­
лота центрального фрагмента (в поясе и в стержнях) лежат в одной плоскости,
в то время как гетероионы Сu(I) или Ag(I) лежат в плоскостях выше и ниже
данной, таким образом, что каждый координируется к 3 алкинилам.
Сеть металлофильных взаимодействий и 𝜋-связывания является достаточ­
но эффективной, делая процесс самосборки высокоструктурированных молекул
термодинамически выгодным несмотря на огромное понижение энтропии в ходе
их формирования.
Состав комплексов установлен с помощью ЯМР и ESI-MS (электроспреймасс-спектрометрии). Структуры подтверждены данными рентгеноструктурно­
го анализа.
Наиболее поразительной особенностью люминесценции рассматриваемых
гетерометаллических агрегатов является беспрецедентно высокий квантовый
выход эмиссии (достигает 92 % — для Au-Cu-S), в то время как типичные
35
Рис. 2.2. Схематическое представление структуры комплексов типа «стрежни-в-поясе»: мо­
лекулярная структура.
величины квантового выхода для гомометаллических алкинил- (фосфин-, пи­
ридин-) золотых комплексов составляют всего несколько процентов [48, 49], и
очень немногие полиалкинильные соединения характеризуются хорошей кван­
товой эффективностью (до 52 %) [50, 51]. Беспрецедентно эффективная лю­
минесценция Au-Cu-S сравнима с характеристиками типичных материалов, ис­
пользующихся в лазерах на красителях, как, например, родамин 6G, и откры­
вает широкие перспективы применения комплексов данного класса в качестве
лазерных материалов.
2.1.2. Тип B
Тип B характеризуется измененной структурой алкинильных «стержней» [29].
На рисунке 2.4 схематически представлено строение комплексов данного типа, а
именно Au(I)–Cu(I) алкинил-дифосфиновых кластеров, содержащих в «стерж­
нях» NMe2 и NH2 группы [29]. Наличие аминных заместителей приводит к
появлению новых свойств, а именно: возможности протекания обратимой реак­
ции с сильными сульфокислотами (HSO3 Me и HSO3 CF3 ), в результате которой
происходит протонирование аминных функциональных групп и формирование
36
Таблица 2.1. Особенности строения комплексов типа А
Условное
Химическая
Число атомов
Заряд
обозначение
формула
металла
комплекса
Au-Cu-S
C138 H102 Au6 Cu2 F12 P8
8
2
Au-Cu-M
C204 H144 Au9 Cu6 F18 P9
15
3
Au-Cu-L
C286 H196 Au13 Cu12 F30 P11
25
5
Au-Ag-S
C146 H107 Ag3 Au6 F12 P8
9
2
Au-Ag-M
C204 H144 Au9 Ag6 F18 P9
15
3
Au-Ag-L
C286 H196 Au13 Ag12 F30 P11
25
5
аддуктов.
Формирование аддуктов приводит к значительному изменению характери­
стик люминесценции комплексов. Обнаруживается коротковолновый сдвиг мак­
симума эмиссии и изменение квантового выхода фосфоресценции по сравнению
с исходными супрамолекулами (значительное увеличение для R = 4 − NMe2 ,
4 − NH2 комплексов, уменьшение для 3 − NH2 ). Важно отметить, что формиро­
вание аддуктов является обратимым процессом — добавление основания NEt3
восстанавливает исходные эмиссионные свойства. Таким образом, данные ком­
плексы могут являться индикаторами присутствия органических кислот и ос­
нований.
2.1.3. Тип C
Комплексы типа C сохраняют исходную структуру «стрежней» и цен­
трального ядра, однако, в составе фосфинового «пояса» появляется другой
спейсер [30, 31]. На рисунке 2.5. показан синтез Au–Cu и Au-Ag комплексов,
представителей данного типа. Подробное описание фотофизических характери­
стик данных агрегатов можно найти в работе [31].
37
Рис. 2.3. Молекулярная структура Au-Cu-S комплекса семейства «стрежни-в-поясе»: вид
сбоку (верхняя панель) — стержень выделен цветом, вид сверху (нижняя панель) — пояс
выделен.
2.1.4. Тип D
Тип D отличается от исходного структурой центрального ядра [32,
33]. Один из таких комплексов представлен на рис. 2.6. Изображен­
ная на рис. 2.6 молекула содержит линейный гетерометаллический алки­
нильный кластер [Au8 Ag10 (C2 Ph)16 ]2+ , окруженный двумя нейтральными
Au2 (CRCPh)2 (𝜇 − Ph2 P(C6 H4 )3 PPh2 ) молекулами, которые соединены с цен­
тральной частью благодаря Au–Au, 𝜋 − C ≡ C − Ag связям и слабым Au–Ag
взаимодействиям. Центральный алкинильный [Au8 Ag10 (C2 Ph)16 ]2+ кластер со­
стоит из восьми слегка закрученных [PhC2 AuC2 Ph]– «стержней», которые фик­
сируются благодаря Ag–Au и 𝜋 − C ≡ C − Ag связям.
Обсуждаемый комплекс демонстрирует необычайно эффективную фосфо­
ресценцию, которая лишь несущественно подавляется в присутствии кислорода,
а также проявляет нелинейные оптические свойства — характеризуется значи­
тельной величиной сечения двухфотонного поглощения. Его уникальные свой­
ства вызывают интерес с точки зрения применения в методе двухфотонной
флуоресцентной микроскопии с временным разрешением.
38
Рис. 2.4. Схематическая структура дикатионов [Au3 Cu2 (C2 C6 H4 R)6 Au3 (PPh2 C6 H4 PPh2 )3 ]2+ ,
где R = 4 − NMe2 , 4 − NH2 , 3 − NH2 [29].
Рис. 2.5. Синтез комплексов типа C [31].
2.1.5. Тип E
Комплексы типа E содержат ионы галогенов в качестве кластерообразцу­
ющих элементов [34]. На рисунке 2.7 показана сборка комплексов, подобных
комплексу Au-Ag-L (тип A), однако, здесь центральный «стержень» замещен
тремя хлорид-, бромид- или иодид-ионами. В то время как в случае фосфино­
вого лиганда с тремя фениленовыми спейсерами (P3 P) сборка в отсутствии гало­
идных соединений приводит к формированию комплекса Au-Ag-L (тип A) [26],
то сборка, основанная на дифосфине P5 P (пять фениленовых спейсеров), не
позволяет получить кластер большего размера, пока не будут добавлены хло­
рид-ионы. Таким образом, добавление в смесь хлорид-ионов позволяет синте­
зировать гигантский Au21 Ag30 (C2 Ph)36 Cl9 (PPh2 (C6 H4 )5 PPh2 )3 ](PF6 )6 кластер,
39
Рис.
2.6.
Две
проекции
молекулярной
структуры
комплекса
[{Au8 Ag10 (C2 Ph)16 }{(PhC2 Au)2 − PPh2 (C6 H4 )3 PPh2 }2 ]2+ . На панели B бензольные кольца
опущены для ясности [32].
изображенный на рис. 2.8.
2.1.6. Тип F
Тип F представлен гетерометаллическими Au(I)-Cu(I) алкинильными кла­
стерными комплексами, декорированными ферроценильными группами [35, 37,
46]. Схематические структуры супрамолекул типа F изображены на рис. 2.9. Ин­
тересно, что декорирование исходных комплексов ферроценильными группами
приводит к полному нивелированию фотолюминесценции, однако, в результате
такой модификации возникают интересные электрохимические свойства. Элек­
40
Рис. 2.7. Сборка кластеров [Au12 Ag12 (C2 Ph)18 X3 (P3 P)3 ]3+ (CH2 Cl2 /ацетон, 12 ч); X=Cl, Br, I
[34].
трохимическая активность комплексов типа F обусловлена процессами окисле­
ния на ферроценильных группах.
Рассматриваемые супрамолекулы являются основой для новых электрохи­
мических сенсоров, функционирующих в водных растворах. Графитовые и зо­
лотые электроды, модифицированные гетерометаллическими агрегатами типа
F, могут использоваться как потенциометрические сенсоры на фторид , хло­
рид-, бромид-, перхлорат-, гидрокарбонат-, карбонат-, фосфат-, гидрофосфат-,
дигидрофосфат- и нитрат- анионы [46].
Итак, большинство рассмотренных выше комплексов с геометрией
«стержни-в-поясе» являются люминофорами, однако, особое место в их ряду
занимают комплексы типа A, так как характеризуются наибольшим кванто­
вым выходом и значительной стабильностью. Комплексы типа A были выбраны
нами для детального исследования ЭЭС также и в силу того, что представля­
ют собой две серии, по которым можно систематически проследить за моно­
тонным изменением структуры и свойств с увеличением размера кластерного
ядра, а также провести сравнительный анализ серий подобных Au(I)-Cu(I) и
Au(I)-Ag(I) комплексов. В следующих разделах речь пойдет только о предста­
вителях класса «стержни-в-поясе» структурного типа A, обозначение структур­
41
Рис. 2.8. DFT (Density functional theory, теория функционала плотности) — оптимизирован­
ная молекулярная структура комплекса Au21 Ag30 (C2 Ph)36 Cl9 (PPh2 (C6 H4 )5 PPh2 )3 ](PF6 )6 [34].
ного типа далее будет опускаться.
2.2. Экспериментальные исследования электронной
энергетической структуры
Итак, в данном разделе мы рассмотрим информацию об электронной энер­
гетической структуре и свойствах, полученную методами фотоэлектронной спек­
троскопии, спектроскопии поглощения рентгеновского излучения и резонансной
фотоэмиссии, для класса гетерометаллических комплексов «стержни-в-поясе».
2.2.1. Стехиометрия образцов
Качество и стехиометрия приготовленных для ФЭ эксперимента образцов
могут быть проконтролированы по ФЭ спектрам внутренних уровней.
42
Рис. 2.9. Схематические структуры комплексов [Au3 Cu2 (C2 R)6 Au3 (PPh2 C6 H4 PPh2 )3 ](PF6 )2
(L1, R = Fc; L2, R = C6 H4 Fc) [46].
Обзорный спектр
Для того чтобы произвести элементный анализ и первоначальную грубую
оценку качества приготовленных образцов, были получены обзорные фотоэлек­
тронные спектры в широком диапазоне энергий связи при энергии фотонов
1000 эВ. Такая энергия возбуждающего излучения была выбрана как позволя­
ющая детектировать вклады от наиболее интенсивных линий внутренних уров­
ней атомов всех элементов, входящих в состав образцов. Рассмотрим структуру
спектра на примере комплекса Au-Ag-M (рис. 2.10). Здесь отмечены наиболее
интенсивные спектральные особенности, соответствующие фотоэмиссии элек­
тронов с F 1s, Ag 3d, C 1s, P 2p, Au 4f внутренних уровней. Таким образом, мы
детектировали наличие всех химических элементов, входящих в состав комплек­
са. Стоит отметить, что мы не наблюдаем значительного сигнала от кремниевой
подложки, а также несущественно количество адсорбированного из воздуха кис­
лорода.
43
Рис. 2.10. Обзорный ФЭ спектр, полученный для комплекса Au-Ag-M.
C 1s
Следующим шагом в оценке качества исследуемых образцов, приготовлен­
ных ex situ, является анализ ФЭ спектра остовного уровня C 1s. На рис. 2.11
представлены соответствующие спектры для семейства Au-Cu комплексов. От­
четливо видно, что помимо основного пика при энергии связи 285 эВ, относя­
щегося к атомам углерода в ароматических системах молекулы, наблюдается
лишь одна второстепенная низкоинтенсивная особенность при энергии связи
около 292 эВ, являющаяся shake-up сателлитом (сателлитом типа «встряски»)
и отражающая потерю энергии фотоэлектронами на возбуждение переходов
𝜋 → 𝜋 * в ароматических кольцах. В спектрах не наблюдается иных компонент,
которые могли бы быть отнесены к атомам углерода, находящимся в окружении
более электроотрицательных атомов, таких как кислород, хлор или фтор [52].
Небольшая асимметрия основного пика говорит о наличии в составе комплек­
са различных типов углеродных атомов, однако, все они достаточно близки по
энергии связи ввиду отсутствия высоко электроотрицательных элементов в со­
ставе комплексов.
Таким образом, мы можем сделать выводы о (i) полном удалении молекул
44
растворителя (CHCl3 или (CH3 )2 CO), использованного для ex situ приготовле­
ния образцов, (ii) отсутствии повреждений углеродного скелета из-за окисления
или фторирования.
Рис. 2.11. ФЭ спектры внутреннего C 1s уровня для Au–Cu комплексов, демонстрирующие
отсутствие атомов углерода, связанных с более электроотрицательными элементами как O,
F или Cl.
P 2p
Далее, наиболее логичным будет проанализировать стехиометрию образ­
цов с помощью ФЭ P 2p спектров, так как каждый комплекс содержит 2 типа
атомов фосфора в различном химическом окружении: фосфор в дифосфиновом
поясе и фосфор в составе противоиона [PF6 ]− . Количество атомов фосфора обо­
их типов строго фиксировано для каждого представителя семейства «стержни­
в-поясе»: число атомов фосфора в поясе для всех комплексов одинаково и равно
6, в то время как количество противоионов увеличивается с увеличением заряда
комплекса (от дикатионного (2) — к пентакатионному (5)). Благодаря наличию
45
химических сдвигов в P 2p ФЭ спектре мы можем различить вклады от двух
типов атомов. Это позволяет нам не только проконтролировать стехиометрию
образца, следя за отношением интенсивностей компонент (Pпояс /Pпротивоион ) в
P 2p спектрах внутренних уровней, но и проследить за монотонным изменени­
ем структуры комплексов — от дикатионного до пентакатионнного.
Рис. 2.12. ФЭ спектры P 2p для Au-Cu (a) и Au-Ag (b) комплексов. Компонента с мень­
шей энергией связи отражает эмиссию электронов из атомов фосфора «пояса», в то время
как компонента с большей энергией связи соответствует фотоэмиссии из атомов фосфора
противоиона. Соотношение компонент позволяет оценить стехиометрию комплексов.
На рис. 2.12 представлены серии ФЭ спектров P 2p внутреннего уровня
для семейств Au-Cu и Au-Ag комплексов в начале эксперимента. Очевидно, что
каждый спектр представляет собой два дублета, сдвинутых друг относительно
друга на 4,2 эВ. Дублетная структура каждой компоненты является результа­
том спин-орбитального взаимодействия 2p электронов атомов фосфора, величи­
на которого, полученная из фит-анализа (отображен на спектрах), составляет
примерно 0,9 эВ. Широко известно, что энергии связи внутренних уровней вы­
сокочувствительны к химическому окружению атома. При его модификации
46
соответствующие энергии связи могут значительно варьироваться (претерпе­
вать так называемый химический сдвиг) ввиду изменения экранировки ядра
валентными электронами. Именно из-за наличия различных типов химического
окружения для атомов фосфора в комплексах, и, соответственно, наличия хи­
мических сдвигов, в данных P 2p спектрах мы наблюдаем две компоненты, сдви­
нутые друг относительно друга на значительную величину 4,2 эВ. Причем для
атомов фосфора в составе противоиона [PF6 ]− характерен сдвиг электронной
плотности в сторону более электроотрицательных атомов фтора, вследствие че­
го эффективная экранировка ядер атомов фосфора валентными электронами
уменьшается, и, соответственно, уменьшается кинетическая энергия 2p фото­
электронов. Энергия связи компоненты 2p3/2 составляет 136,1 эВ, что находит­
ся в соответствии со значениями, полученными в экспериментах с гетероме­
таллическими агрегатами, противоионом в которых служит также [PF6 ]− [53].
Данное наблюдение позволяет нам отнести компоненту с большей энергией свя­
зи к эмиссии 2p электронов атомов фосфора, входящих в состав противоиона.
Таким образом, компонента с меньшей энергией связи 131,9 эВ соответствует
электронной эмиссии из атомов фосфора, находящихся в дифосфиновом поясе.
Здесь следует отметить, что в комплексах, где 𝜎-координация атомов фосфора
сопровождается обратным связыванием металл → лиганд, электронная плот­
ность на атоме фосфора сохраняется почти неизменной относительно свободно­
го лиганда, и, соответственно, энергия связи атома фосфора близка к энергии
связи, характерной для свободного лиганда и равной 131,1 эВ [54]. Однако, в
изучаемых комплексах энергия связи выше, что говорит об отсутствии вклада
обратного связывания (Au → фосфиновый лиганд), или же обратное связыва­
ние может присутствовать лишь в малой степени.
Так как сечение фотоионизации уровня не зависит от химического окруже­
ния атома, и интенсивность ФЭ спектральных линий пропорциональна концен­
трации атомов, то по соотношению интенсивностей компонент Pпояс /Pпротивоион
мы можем провести количественный анализ. Это позволяет нам проанализиро­
47
вать стехиометрию образца. В таблице 2.2 приведено сравнение эксперименталь­
но полученных отношений интенсивностей Pпояс /Pпротивоион с рассчитанными из
химических формул рассматриваемых объектов. После внимательного изуче­
ния представленных величин становится понятным, что хорошее соответствие
между рассчитанными и экспериментально полученными величинами наблю­
дается для малых и средних комплексов, в то время как для больших систем
характерно существенное расхождение. Особое внимание стоит обратить на си­
стему Au-Ag-L, для которой расхождения наиболее значительны: относитель­
ная интенсивность компоненты, соответствующей противоиону, гораздо меньше
ожидаемой. В следующем разделе мы рассмотрим подробнее данную ситуацию
и определим причины подобного рода несоответствий.
Таблица 2.2. Оценка стехиометрии по отношению Pпояс /Pпротивоион . * — первый скан, далее
изменения со временем.
Pпояс /Pпротивоион
Комплекс Эксперимент Теория
Au-Cu-S
2,74
3,0
Au-Cu-M
1,82
2,0
Au-Cu-L
1,43
1,2
Au-Ag-S
2,95
3,0
Au-Ag-M
2,04
2,0
Au-Ag-L
1,74*
1,2
2.2.2. Разрушение комплексов под действием мягкого
рентгеновского излучения
Итак, при анализе ФЭ P 2p спектров комплекса Au-Ag-L была обнару­
жена низкая относительная интенсивность компоненты, относящейся к атомам
48
фосфора противоионов [PF6 ]− . Для того чтобы подробнее изучить данную си­
туацию, мы провели анализ фотоэлектронных спектров P 2p и F 1s внутрен­
них уровней системы Au-Ag-L в реальном времени. Измерение спектров скан
за сканом позволяет нам проследить модификацию образца, вызванную рент­
геновским излучением, что и отражено на рисунке 2.13. Полученные данные
иллюстрируют особенно значительное уменьшение интенсивности ФЭ сигнала,
отражающего эмиссию электронов из атомов фтора и фосфора, образующих
противоион. Понижение интенсивности ФЭ сигнала, относящегося к атомам
фосфора в поясе, также наблюдается, однако, в значительно меньшей степени.
Данное наблюдение может быть объяснено деградацией противоиона [PF6 ]− ,
его разрушением под действием рентгеновского излучения. Однако, нужно от­
метить, что, в то же время, значительные изменения в структурах остальных
спектров обнаружены не были, что говорит о том, что полного разрушения ком­
плекса не происходит, то есть функцию противоиона далее несет в себе другой
анион. В связи с этим возникает несколько вопросов: (i) как происходит вы­
шеупомянутая деградация, (ii) что берет на себя функцию противоиона после
деградации [PF6 ]− и (iii) почему деградация противоиона не сопровождается
изменениями в металлсодержащем катионе супрамолекулярного комплекса.
Для объяснения происходящих химических изменений под действием из­
лучения может быть предложен следующий сценарий. Противоион [PF6 ]− раз­
лагается следующим образом: [PF6 ]− → PF5 + F− , в результате образуется ле­
тучий PF5 , который покидает систему, тогда как оставшиеся ионы F− остаются
в образце и компенсируют положительный заряд металлсодержащего агрегата.
Очевидно, что интенсивность ФЭ сигнала, относящегося к фтору, уменьшается
ввиду потери атомов фтора образцом. Широко известная каталитическая ак­
тивность наноразмерных Au и Ag систем [55, 56], подтверждает предложенную
гипотезу.
49
Рис. 2.13. Спектры внутренних уровней P 2p (a) и F 1s (b) полученные для Au-Ag-L комплек­
са в зависимости от времени, подчеркивают изменения вызванные мягким рентгеновским
излучением.
2.2.3. Свойства металлического ядра
Обратимся далее к свойствам гетерометаллических ядер комплексов. Здесь
стоит отметить, что, вообще, природа и свойства связей металл-металл и ме­
талл-лиганд в подобных комплексах остается темой для дискуссий и предметом
продолжительных теоретических и, в особенности, экспериментальных исследо­
ваний.
Рассмотрим свойства гетерометаллических ядер комплексов «стержни-в­
поясе» на примере серии Au-Ag агрегатов. На рис. 2.14 представлены в сравне­
нии ФЭ спектры остовных уровней Au 4f (a) и Ag 3d (b) Au-Ag серии комплек­
сов. Демонстрируемые спектры представляют собой спин-орбитальные дублеты
Au 4f7/2 — Au 4f5/2 и Ag 3d5/2 — Ag 3d3/2 . Для трех комплексов серии мы не
обнаружили заметных различий в форме и положении пиков, лишь рост интен­
сивностей, вызванный увеличением числа атомов золота и серебра в ряду от S
комплекса к L, соответственно. Положение Au 4f7/2 пика было оценено для всех
спектров как ∼85,4 эВ, что сдвинуто в сторону больших энергий связи отно­
50
сительно металлического золота и соответствует Au(I). Что касается спектров
Ag 3d, положение Ag 3d5/2 оценено как 368,8 эВ и соответствует значениям для
Ag(I) соединений.
Ранее анализ методами ФЭС был проведен для множества моноядерных
комплексов и кластеров, содержащих ковалентно связанные атомы золота [57–
60]. Результаты исследований четко показывают, что в серии комплексов уве­
личение размера металлического ядра (то есть числа атомов металла/золота)
приводит к сдвигу Au 4f линии в сторону меньших энергий связи. Уменьшающа­
яся ширина ФЭ пика и близость энергии связи к соответствующей объемному
металлу является индикатором усиления металлических свойств кластерного
ядра в соединениях такого типа [54, 61, 62]. Интересно отметить, что наблюдае­
мый для комплексов с ковалентно связанными атомами золота эффект подобен
размерному эффекту [63, 64], характерному для наночастиц металлов. В таком
случае с увеличением размера частицы наблюдается эволюция ФЭ спектров и,
соответственно, свойств, приближающихся постепенно к металлическим.
Примечательно, что для изучаемых Au-Cu и Au-Ag комплексов, подобная
модификация спектров замечена не была, несмотря на значительное увеличение
размера металлического ядра систем в ряду от маленького комплекса до боль­
шого. Полученные данные для систем «стержни-в-поясе» не демонстрируют
каких-либо значительных изменений ни в энергетических положениях пиков,
ни в форме и ширине линии, несмотря на увеличение числа атомов золота в
металлическом ядре комплекса от 6 до 13 и общего числа атомов металла от 9
(8-для Au-Cu-S системы) до 25. Данное наблюдение свидетельствует о фунда­
ментально ином характере взаимодействий внутри металлического ядра иссле­
дуемых комплексов, чем в металлических кластерах и комплексах с ковалентно
связанными атомами металлов. В нашем случае формирование металлическо­
го ядра может рассматриваться как процесс самосборки, управляемый слабыми
металлофильными взаимодействиями между d10 ионами в отсутствии металли­
ческих или ковалентных связей между атомами металлов. При этом, стержни
51
могут рассматриваться как совокупность слабо взаимодействующих моноядер­
ных Au(I) комплексов.
Наши заключения также подтверждаются значительными различиями в
длинах связей металл-металл в комплексах с ковалентно связанными атома­
ми металлов и изучаемых супрамолекулярных комплексах. Данные из таблицы
2.3 демонстрируют, что длины связей в ковалентно связанных кластерах зна­
чительно меньше, чем, например, в Au-Cu-S и Au-Ag-S супрамолекулярных
металлофильных комплексах.
Рис. 2.14. ФЭ спектры Au 4f (a) и Ag 3d (b) остовных уровней, полученные для семейства
Au-Ag комплексов. Размер металлического ядра увеличивается от 9 атомов для S системы
до 25 для L комплекса, причем количество атомов золота изменяется от 6 до 13 атомов,
соответственно.
2.2.4. Электронная структура вблизи уровня Ферми
Структура незаполненных состояний
Чтобы получить экспериментальную информацию о структуре незапол­
ненных состояний изучаемых супрамолекулярных комплексов, мы использова­
ли метод NEXAFS спектроскопии. Наиболее информативным для изучения си­
52
Таблица 2.3. Средние длины связей Au-Au для некоторых кластерных соединений. L = ней­
тральный лиганд, например, фосфин, Х = галоген-анион
Вещество
Au-Au среднее Au-M среднее Ссылка
расстояние, Å
расстояние, Å
[Au6 L6 ]2+
3,0325
[65]
[Au13 L10 X2 ]3+
2,8714
[66]
[Au9 L8 ]3+
2,7414
[67]
[Au11 L7 X3 ]
2,8773
[68]
[Au11 L10 ]
2,8697
[62]
Au-Cu-S
3,1064
2,8530
[24]
Au-Ag-S
3,5709
2,9401
[26]
стем с подобной структурой будет спектр поглощения рентгеновского излуче­
ния вблизи K-края углерода, отражающий переходы C 1s электронов в незапо­
леннные состояния со значительным вкладом атомных орбиталей 2p-типа. На
рисунке 2.15 показаны NEXAFS спектры вблизи C K-края поглощения, получен­
ные для серии Au-Cu комплексов. Они имеют достаточно сложную структуру
ввиду разнообразия молекулярных орбиталей, локализованных на атомах угле­
рода. Однако, внутри серии Au–Cu комплексов спектры подобны и обладают,
по крайней мере, пятью характерными спектральными особенностями, обозна­
ченными на рисунке буквами A-E: (A) 285,0 эВ, (B) 285,4 эВ, (C) 287,5 эВ,
(D) 288,8 эВ, (E) 293,5 эВ. Они могут быть отнесены к следующим электрон­
*
*
ным переходам: (A) 1s → 𝜋C=C
в ароматических системах, (B) 1s → 𝜋C≡C
, (C)
*
*
*
*
1s → 𝜋highenergy
+ 𝜎C−H
, (D) 1s → 𝜋highenergy
и (E) 1s → 𝜎benzene−like
, соответствен­
но [69, 70].
Учитывая структуру C 1s внутреннего уровня и предполагая подобную
экранировку дырки, остающейся в процессах фотоэмиссии и поглощения рентге­
новского излучения, можно заключить, что уровень Ферми располагается вбли­
53
Рис. 2.15. (a) Серия спектров поглощения рентгеновского излучения на K-краю углерода для
Au-Cu комплексов. (b) Сравнение ширины линии для спектральной особенности, отражаю­
щей переходы C 1s электронов в 𝜋 * − C = C (285 эВ) и 𝜋 * − C ≡ C (285,4 эВ) состояния.
зи низшей незаполненной молекулярной орбитали [71–73]. Полученные спек­
тральные картины также подразумевают, что низшая незаполненная МО состо­
ит в основном из 𝜋 * − C ≡ C and 𝜋 * − C = Caromatic орбиталей, что согласуется
с данными теоретических расчетов [24, 26].
Рисунок 2.15(b) отображает область 𝜋 * особенностей при меньших энерги­
ях фотонов более подробно. Можно отметить, что для наименьшего по размеру
комплекса Au-Cu-S рассматриваемый пик является более широким по сравне­
нию с соответствующими Au-Cu-M и Au-Cu-L системам. В соответствии с дан­
ным наблюдением можно предположить, что для малого Au-Cu-S комплекса
характерны более сильные гибридизация орбиталей и электронный обмен меж­
ду металлическим ядром и углеродным скелетом по сравнению с комплексами
большего размера. Данное наблюдение является вполне логичным, если учесть
меньшие расстояния между атомами и меньший размер молекулы по сравнению
с трикатионным и пентакатионным комплексами. Таким образом, делокализа­
ция свободных состояний по углеродному скелету в Au-Cu-S комплексе более
эффективна.
Логично было бы ожидать подобные различия также и в серии Au-Ag ком­
54
плексов, однако, они не были обнаружены. Данный факт, в первую очередь,
может быть связан с отличием молекулярного строения малого Au-Ag комплек­
са от всех остальных, ведь его центральное ядро характеризуется большими
линейными размерами, вследствие чего «пояс» комплекса представляет собой
незамкнутую петлю (см. рис. 2.2).
Структура заполненных состояний
Для изучения электронной энергетической структуры заполненных состо­
яний и закономерностей ее изменения внутри семейства комплексов необходимо
провести отнесение спектральных особенностей фотоэлектронных спектров ва­
лентной зоны к молекулярным орбиталям, оценить вклад определенных атом­
ных орбиталей в молекулярные. Однако, в отличие от химически избиратель­
ных спектров поглощения рентгеновского излучения, ФЭ спектры валентной
зоны содержат в себе суперпозицию вкладов всех структурных единиц изуча­
емого материала, что делает интерпретацию данных более сложной. Тем не
менее, к решению этой задачи существует несколько подходов. Помимо теоре­
тических расчетов, которые нетривиальны для комплексов со сложной струк­
турой, существуют экспериментальные способы выделить вклад конкретных
структурных единиц в спектр, соотнести ФЭ полосы с определенными молеку­
лярными орбиталями. Известно, что интенсивности отдельных компонент ФЭ
спектров валентной зоны, снятых в широком диапазоне энергий возбуждающе­
го излучения, могут претерпевать значительные изменения, что может быть
обусловлено, в основном, двумя эффектами: (1) изменением сечения фотоио­
низации соответствующих состояний в зависимости от энергии фотонов, (2)
резонансными эффектами вблизи краев поглощения.
Для более подробного описания структуры заполненных состояний рас­
сматриваемых систем мы использовали экспериментальные методики, которые
выявляют вышеописанные эффекты.
55
Резонансная фотоэмиссия Для того чтобы описать вклад орбиталей уг­
лерода в состояния валентной зоны комплексов, мы использовали метод резо­
нансной фотоэмиссии, которая ранее успешно применялась для интерпретации
спектров валентной зоны ряда органических материалов [74–79].
Метод резонансной спектроскопии, который получил развитие благодаря
использованию синхротронного излучения, позволяет выделить парциальные
вклады электронных состояний определенного типа. При энергиях фотонов
близких к краю поглощения процесс прямой фотоэмиссии из валентной зоны
может сопровождаться усилением ФЭ полос, связанным с возникновением ре­
зонансного состояния.
Резонансная ФЭС рассматривается как двухстадийный процесс, схемати­
ческие диаграммы его описывающие представлены на рис. 2.16. На первой ста­
дии происходит поглощение фотона определенной энергии электроном остов­
ного уровня и последующий переход этого электрона в свободное состояние
вблизи уровня Ферми. Вторая стадия представляет собой Оже-процесс, причем
существует две потенциальные возможности дальнейшего развития событий —
снятия возбуждения системы: возбужденный электрон либо непосредственно
участвует (to participate) в Оже-процессе, либо «наблюдает» (to spectate) за
Оже-распадом. В первом случае мы наблюдаем Оже-participator распад: фото­
электрон либо заполняет вакансию на остовном уровне, либо участвует в про­
цессе как Оже-электрон, который получает энергию в результате Оже-распада
и выходит в вакуум. И в том, и в другом случае мы имеем конечные состояния
с дыркой в валентной зоне энергетически эквивалентные тем, что образуются в
результате прямой фотоэмиссии из валентной зоны, и, вследствие этого, полу­
чаем резонансное усиление ФЭ сигнала. Для того чтобы резонансное усиление
сигнала фотоэмиссии имело место, необходима достаточная локализация элек­
тронных состояний в одной области пространства. Поскольку остовный уровень
обладает большой энергией связи и сильной локализацией на определенном ато­
ме, то и плотность свободных состояний, и состояний валентной зоны, участву­
56
ющих в данном процессе, должны быть в значительной степени локализованы
на данном атоме. Вторая возможность — Оже-spectator распад, Оже-процесс, в
котором фотоэлектрон непосредственно не участвует, а «наблюдает», и, тем не
менее, оказывает влияние на происходящее, экранируя Оже-электроны. В дан­
ном случае, Оже-линии в спектре сдвигаются в сторону больших кинетических
энергий относительно соответствующих нормальному Оже-процессу. Конечное
состояние характеризуется двумя вакансиями в валентной зоне.
Рис. 2.16. Схематическая диаграмма процессов: (a) прямой фотоэмиссии, (b) participator-рас­
пада, (c) spectator-распада, (d) нормального Оже-процесса.
Серии спектров, полученных при энергиях фотонов вблизи C 1s порога
поглощения, всех изученных комплексов проявляют схожие закономерности.
57
Рассмотрим подробнее одну из них, а именно для Au-Cu-S. Спектр поглощения
рентгеновского излучения вблизи K-края углерода показан на верхней пане­
ли рисунка 2.17. Энергии фотонов вблизи края поглощения C 1s (от 281,5 эВ
до 299,5 эВ), отмеченные символами, были использованы для получения со­
ответствующих спектров валентной зоны, представленных на нижней панели
рисунка. Малоинтенсивные пики, отмеченные треугольниками на нижней па­
нели, отражают электронную эмиссию с остовного C 1s уровня, вызванную
излучением второго порядка (то есть ∼570 эВ). На спектрах при энергиях фо­
тонов ниже края поглощения не наблюдается значительных изменений по срав­
нению со спектрами, полученными при энергиях фотонов вдали от края C 1s —
спектр для 200 эВ представлен для сравнения в нижней части рисунка. Одна­
ко, начиная с энергии возбуждающего излучения 284,6 эВ (точка 3), в спектрах
появляется «горб» при больших энергиях связи, который относится к spectator­
распаду. При рассмотрении серии спектров далее становится очевидным, что
интенсивность некоторых ФЭ сигналов валентной зоны значительно увеличи­
вается при энергии фотонов вблизи 285 эВ, которая соответствует переходам
*
. Очевидно, что спектральная особенность при энергии связи
C 1s → 𝜋aromatic
∼4,2 эВ имеет чисто participator-характер, то есть фотоэлектрон, возбужден­
*
ный на 𝜋aromatic
орбиталь, участвует в процессе Оже-распада возбужденного со­
стояния. В таком случае конечное состояние атома с вакансией в валентной зоне
энергетически эквивалентно конечному состоянию при прямой фотоэмиссии из
валентной зоны, и, вследствие этого, мы получаем резонансное усиление ФЭ
сигнала. Известно, что подобное усиление возможно при условии достаточной
локализации свободных состояний и состояний валентной зоны, участвующих
в процессе, на данном атоме. Таким образом, полоса, проявляющая увеличи­
вающуюся интенсивность, относится к 2p состояниям углерода ароматических
структур, то есть мы можем заключить, что значительный вклад в структуру
заполненных состояний вблизи верха валентной зоны (∼4,2 эВ) дают орбитали,
локализованные на ароматических кольцах комплекса.
58
Рис. 2.17. Спектр поглощения рентгеновского излучения вблизи K-края углерода для
Au-Cu-S комплекса (верхняя панель), ФЭ спектры валентной зоны, полученные при энер­
гиях фотонов вблизи C 1s края поглощения (нижняя панель).
Тот факт, что мы не наблюдаем значительных усилений ФЭ сигнала при
дальнейшем увеличении энергий фотонов предполагает, что в отличие от доста­
*
точно локализованных 𝜋aromatic
орбиталей, остальные состояния имеют более де­
локализованный характер. Подобная ситуация наблюдалась также, например,
и для молекул полистирола, где значительное резонансное усиление сигнала
*
наблюдалось только в случае 1s → 𝜋aromatic
[74].
Варьирование энергии фотонов Итак, далее для анализа характера со­
стояний валентной зоны комплексов воспользуемся известными зависимостя­
59
ми сечений фотоионизации от энергии фотонов для атомных орбиталей [80] и
моделью Гелиуса-Зигбана [81] (приближение независимых центров), согласно
которой сечение фотоионизации для j-ой молекулярной орбитали может быть
выражено следующей формулой:
𝜎𝑗𝑀 𝑂 =
∑︁
𝑃𝑖𝑗 · 𝜎𝑖𝐴𝑂
(2.1)
𝑖
где 𝑃𝑖𝑗 — весовой коэффициент вклада i-ой атомной орбитали (АО) в мо­
лекулярную (МО), а 𝜎𝑖𝐴𝑂 — сечение фотоионизации i-ой АО. Суммирование
ведется по всем АО. То есть, сечение фотоионизации молекулярной орбитали
зависит от характера атомных орбиталей, из которых образована МО.
Таким образом, имея информацию об атомных сечениях фотоионизации
как функциях энергии фотонов, мы можем проанализировать поведение отно­
сительных интенсивностей компонент спектра валентной зоны при изменении
энергии возбуждающего излучения и оценить относительные вклады атомных
орбиталей в конкретную молекулярную орбиталь.
Ранее подобный анализ успешно проводился для ряда органических моле­
кул при сравнении фотоэлектронных спектров валентной зоны, полученных с
применением излучения гелиевой лампы He I и He II [82] . В настоящее вре­
мя возможность применения синхротронного излучения открывает все новые
и новые перспективы для изучения электронной структуры материалов. Воз­
можность варьирования энергии фотонов в широких пределах позволяет экс­
периментально определять, например, характер высшей заполненной МО (как,
например, в работе [83] для ацетилацетоната Ni(II)).
Из-за высокой плотности электронных состояний в многоатомных молеку­
лах, таких как изучаемые нами супрамолекулярные Au–Cu и Au–Ag комплексы,
анализ состава молекулярных орбиталей нетривиален и затруднителен, однако,
в рамках описанной выше модели, мы попытаемся выделить доминирующие
вклады атомных орбиталей в молекулярные, используя синхротронное излуче­
60
ние в диапазоне энергий фотонов 80—240 эВ. В данном эксперименте мы скон­
центрируемся на разделении индивидуальных вкладов атомных Cu 3d (Ag 4d)
и Au 5d орбиталей в молекулярные орбитали комплексов.
На рисунке 2.18 (a) показаны кривые сечения фотоионизации для Au 5d
и Cu 3d валентных состояний, нормированные на полное сечение фотоиониза­
ции Au-Cu-S, в рассматриваемом диапазоне энергий. Очевидно, что, в то время
как нормированное сечение фотоионизации Cu 3d уровня монотонно растет с
увеличением энергии фотонов, кривая сечения фотоионизации Au 5d проходит
через локальный минимум при энергии возбуждения ∼180 эВ [80] . То есть,
при энергиях фотонов около 180 эВ эмиссия 5d электронов атомов золота будет
минимальна, что должно найти отражение в серии спектров валентной зоны, и
позволит нам идентифицировать вклад Au 5d орбиталей в молекулярные.
На рисунке 2.18 (b) изображена серия спектров валентной зоны системы
Au-Cu-S, полученная при варьировании энергии фотонов от 80 до 240 эВ. Дан­
ная серия спектров демонстрирует отсутствие ФЭ сигнала на уровне Ферми, что
свидетельствует об отсутствии у изучаемых объектов металлических свойств.
Аккуратный анализ спектров позволяет сделать следующие выводы:
(i) Состояния с энергией связи выше ∼13 эВ могут быть отнесены преиму­
щественно к C 2s АО [84].
(ii) Спектральные особенности в энергетическом интервале между 6 и
13 эВ претерпевают значительное ослабление интенсивности ФЭ сигнала, ука­
зывающее на существенный вклад эмиссии 5d электронов Au в измеряемый ФЭ
сигнал.
(iii) Изменение интенсивности ассиметричной особенности вблизи высшей
заполненной молекулярной орбитали, с энергией связи около 4 эВ, при варьиро­
вании энергии фотонов хорошо согласуется с поведением кривой сечения фото­
ионизации для Cu 3d состояний, свидетельствуя о значительном вкладе Cu 3d
АО в МО вершины валентной зоны.
С другой стороны, известно, что C 2p АО также локализованы вблизи
61
Рис. 2.18. (a) Нормированное сечение фотоионизации Au 5d и Cu 3d атомных орбиталей
Au-Cu-S комплекса. (b) Спектры валентной зоны для Au-Cu-S комплекса, полученные при
энергиях фотонов в диапазоне от 80 до 240 эВ.
4 эВ, и с помощью метода резонансной ФЭС было показано, что C 2p орбита­
ли, относящиеся к атомам углерода, находящимся в ароматических кольцах,
дают значительный вклад в состояния с энергией связи около 4,2 эВ. Тем не
менее, гибридизация Cu 3d и C 2p состояний, локализованных на ароматиче­
ских структурах, маловероятна вследствие того, что данные состояния либо
не перекрываются, либо перекрываются очень слабо. Вклад Au 5d состояний в
структуру высшей заполненной МО также маловероятен, так как данные состо­
яния лежат глубже по энергии. Следовательно, наиболее вероятно, что высшая
заполненная МО образована, преимущественно, 2p электронами атомов угле­
62
рода тройной связи из стержней и 3d электронами атомов меди центрального
ядра.
Сравнение структуры заполненных состояний При сравнении спектров
валентной зоны для трех комплексов серии Au-Cu (рисунок 2.19) мы не наблю­
даем никаких радикальных изменений структуры кроме значительного усиле­
ния интенсивности ФЭ сигнала вблизи высшей заполненной МО при переходе
от дикатионного комплекса к пентакатионному. Причины данной модификации
становятся очевидными после анализа количественных изменений элементного
состава молекул серии. При увеличении линейных размеров комплексов наблю­
дается значительное относительное увеличение числа атомов меди в молеку­
ле (соотношение атомов Cu:Au = 1:3, 2:3, 12:13 или, например, соотношение
Cu:C=1:69, 1:34, 1:23,83 для S, M, L комплексов, соответственно). Данное на­
блюдение подтверждает наш вывод о существенном вкладе Cu 3d АО в состоя­
ния вершины валентной зоны. В то же самое время вершина валентной зоны,
и, вероятно, положение высшей заполненной молекулярной орбитали остаются
неизменными для всех золото-медных систем с геометрией «стержни-в-поясе».
Рис. 2.19. Эволюция спектров валентной зоны с увеличением линейных размеров Au-Cu
комплексов.
63
Здесь было бы также интересно сравнить попарно комплексы Au-Cu и
Au-Ag семейств. На рисунках 2.20 и 2.21 представлены спектры валентной зо­
ны для комплексов малого (S) и среднего размера (M), соответственно. Ввиду
идентичного молекулярного строения комплексов логично ожидать подобную
структуру молекулярных орбиталей Au-Cu и Au-Ag систем и то, что высшая
заполненная МО золото-серебряных комплексов локализована преимуществен­
но на атомах серебра и углерода тройных связей. При сравнении спектров два
различия становятся очевидными: (i) Ag 4d состояния лежат глубже по энергии
относительно Cu 3d; (ii) в отличие от Cu 3d состояний Ag 4d значительно пере­
крываются с Au 5d. Таким образом, вклад Ag 4d состояний в структуру высшей
заполненной МО возможен, однако, менее значителен, чем вклад d-состояний
меди в высшую заполненную МО Au-Cu комплексов.
Рис. 2.20. Сравнение спектров валентной зоны комплексов малого размера семейств Au-Cu
и Au-Ag.
При попарном сравнении ФЭ спектров валентной зоны золото-медных и
золото-серебряных комплексов также очевидно, что высшие заполненные MO
в золото-серебряных комплексах лежат глубже по энергии, чем высшие запол­
ненные орбитали золото-медных комплексов.
64
Рис. 2.21. Сравнение спектров валентной зоны комплексов среднего размера семейств Au-Cu
и Au-Ag.
Энергетическое положение высшей заполненной молекулярной орбитали
было оценено как 2,2 эВ для Au-Cu комплексов, в то время как высшая за­
полненная МО Au-Ag систем лежит примерно при энергии 2,5 эВ. Принимая
во внимание то, что для обеих серий было определено, что низшая незапол­
ненная МО расположена вблизи уровня Ферми, можно заключить, что медь­
содержащие системы характеризуются меньшей шириной запрещенной зоны,
чем серебро-содержащие. Стоит отметить, что данное наблюдение согласуется
с результатами теоретических расчетов. [23–26]
2.3. Выводы
Методами фотоэлектронной и NEXAFS спектроскопии была исследова­
на электронная энергетическая структура класса новых супрамолекулярных
Au(I)-Cu(I) и Au(I)-Ag(I) комплексов с геометрией «стрежни-в-поясе».
В результате исследований экспериментально определены характер и поло­
жения высших заполненных и низших незаполненных молекулярных орбиталей
комплексов «стержни-в-поясе», а также выявлена взаимосвязь между природой
65
атомов металла гетерометаллического ядра комплекса и шириной запрещенной
зоны. Экспериментально показано, что с увеличением линейных размеров ком­
плекса ширина запрещенной зоны не изменяется.
Обнаружена чувствительность рассматриваемых систем к действию мяг­
кого рентгеновского излучения. Деградация комплексов связана с разрушени­
ем противоиона [PF6 ]− , причем по мере увеличения размера ядра комплекса
эффект усиливается. Экспериментально охарактеризованы взаимодействия ме­
талл-металл в комплексах «стержни-в-поясе» и установлено, что данные систе­
мы могут рассматриваться как совокупность слабовзаимодействующих моно­
ядерных комплексов Au(I).
66
Глава 3
Взаимодействие макромолекул биологического
происхождения с переходными металлами
В настоящее время растущий интерес исследователей вызывают гибрид­
ные материалы, которые, сочетая в себе органическую и неорганическую ком­
поненты, могут обладать улучшенными или абсолютно новыми физико-химиче­
скими свойствами. Так, например, материалы на основе кремниево-углеродных
матриц, приготовленные по золь-гель методу [85, 86], обладают не только меха­
нической прочностью, термической и химической стабильностью, а также и уни­
кальными оптическими [87], электрическими свойствами, люминесценцией [88],
ионной проводимостью [89] и селективностью [90], а также химической [91] и
биохимической [92] активностью. Возможности использования гибридных си­
стем широки. Что касается медицины, то различные гибридные материалы при­
меняются для протезирования, так как обладают механической прочностью за
счет неорганической составляющей и хорошей биосовместимостью за счет орга­
нических молекул.
В области химии созданных по подобию биологических систем материа­
лов высок интерес к гибридным системам на основе биомолекул. Одной из важ­
ных задач в этой развивающейся сфере является изучение фундаментальных
процессов взаимодействия между металлом и биомолекулой в различных усло­
виях. Здесь нужно отметить, что ранее значительный прогресс был достигнут
в понимании механизмов взаимодействий между молекулами белков и ионами
металлов in vivo и структуры результирующих систем в настоящее время все­
сторонне охарактеризованы. Связано это, прежде всего, с важнейшей ролью
подобных процессов для функционирования живых организмов. Что касается
химии искусственных систем металл-биомолекула, синтезированных на воздухе
или в вакууме, на основе металлов в степени окисления 0, а не ионов, она кар­
67
динально отличается от описывающей процессы in vivo или in vitro и остается
до сих пор почти не исследованной областью. Тем не менее, детальное пони­
мание фундаментальных процессов в искусственных системах является необ­
ходимым условием для развития отраслей биоэлектроники, наномедицины и
биоробототехники. Здесь большой интерес вызывают такие приложения, как
формирование массивов металлических или магнитных нанокластеров на био­
молекулярных подложках, создание контактов биомолекул с металлическими
электродами, как внедрение биомолекул в электронные схемы, так и внедре­
ние металлических контактов в биологические ткани. Тем не менее, в большин­
стве случаев взаимодействия, происходящие между металлом и биомолекулами,
остаются неизвестной областью. Однако, широкие возможности применения ги­
бридных систем обуславливают необходимость исследования химических взаи­
модействий между биомолекулярными объектами и металлами в искусственных
условиях.
С помощью методов фотоэлектронной спектроскопии и абсорбционной рент­
геновской спектроскопии нами были исследованы взаимодействия между бел­
ком и переходными металлами в вакууме. Для наших экспериментов был ис­
пользован белок поверхностного слоя бактерии Lysinibacillus sphaericus NCTC
9602 (далее, SL, S-слой), который является наиболее стабильной природной бел­
ковой мембраной, и поэтому часто используется как биомолекулярная матрица,
а также наиболее важные с точки зрения электронных и магнитных приложе­
ний металлы — золото, медь и железо [93, 94].
3.1. Структура белка
В данном разделе мы ограничимся лишь самой поверхностной характери­
стикой молекул белка, приведя только те сведения, которые понадобятся для
дальнейшего обсуждения. Для более глубокого ознакомления со структурой и
химией белков можно обратиться, например, к книгам [95–97].
68
3.1.1. Аминокислоты как структурные мономеры белков
Вещества белковой природы представляют собой полимеры, мономерами
которых являются L-аминокислоты. Только 20 L-аминокислот (так называе­
мые, основные) могут формировать полипептидную цепь в процессе трансля­
ции, то есть их положение в цепи кодируется ДНК. Аминокислоты существу­
ют преимущественно в форме цвиттерионов (биполярных ионов) и отличают­
ся друг от друга структурой боковых групп (радикалов). Эти группы имеют
разную химическую структуру и формируют поверхность макробиомолекулы,
определяя многие физические и химические свойства белков и пептидов.
На рисунках 3.1 и 3.2 представлены структуры 20 L-аминокислот, разделен­
ных на группы на основе химической природы их радикалов — так называемая
структурная классификация .
3.1.2. Уровни структуры протеинов: первичная, вторичная,
третичная, четвертичная структура.
Белки образуются в результате реакции конденсации аминокислот (см. ри­
сунок 3.3), причем пептидная связь (на рисунке обозначена красным цветом)
формируется в результате взаимодействия карбоксильной группы (−COOH)
одной аминокислоты с аминогруппой (−NH2 ) другой аминокислоты. Концы
белка называют N- и C-концом. Последовательности, включающие менее 50
аминокислотных остатков, обычно называют пептидами, термины же полипеп­
тид и белок используются для более длинных цепочек. Различают несколько
уровней структурной организации белков: первичную, вторичную, третичную,
а для белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей (олигомерных) —
четвертичную структуру [98] (см. рис. 3.4).
Первичная структура белка определяется последовательностью амино­
кислот. Она определяет все последующие возможные конформации белка, и,
соответственно, его свойства и функции. Интересно, что замена хотя бы одной
69
Рис. 3.1. Аминокислоты, разделенные на группы согласно структурной классифика­
ции. Часть 1.
из аминокислот может привести к серьезным нарушениям структуры и функ­
ции белка. Химические и биологические свойства белка также очень сильно
зависят от его трехмерной структуры.
Конформационное расположение пептидного остова («позвоночника») бел­
ка в независимости от относительного расположения боковых звеньев аминокис­
лот является вторичной структурой. Различают два главных типа вторичной
структуры — 𝛼-спираль и 𝛽-слой. 𝛼-спираль характеризуется плотными вит­
ками вокруг длинной оси молекулы и стабилизируется водородными связями
между карбонильной группой одного аминокислотного остатка и аминогруппой
другого, отстоящих друг от друга на 4 звена. Шаг спирали составляет 0,54 нм.
70
Рис. 3.2. Аминокислоты, разделенные на группы согласно структурной классифика­
ции. Часть 2.
Вообще, существуют спирали, которые могут быть и левозакрученными, и пра­
возакрученными, с разным периодом и шагом. Однако, преобладающей формой
в белках является 𝛼-спираль. 𝛽-слой, или складчатый слой, представляет собой
две параллельные полипептидные цепи, связанные водородными связями, пер­
пендикулярными цепям. Однако, большинство белков имеют значительно более
сложную пространственную конформацию, нежели традиционные вторичные
структуры в виде 𝛼-спиралей и 𝛽-слоев.
Третичная структура белков формируется за счет возникновения допол­
нительных взаимодействий и связей, возникающих между боковыми звеньями
аминокислотных остатков, которые линейно удалены друг от друга. Это ди­
сульфидные связи, ионные и гидрофобные взаимодействия. Молекула белка
изгибается и закручивается таким образом, чтобы достичь минимума энергии
71
Рис. 3.3. Схема образования пептида из двух аминокислот. Пептидная связь выделена крас­
ным цветом.
и максимальной стабильности.
Рис. 3.4. Уровни структуры белков [99].
В физиологических условиях гидрофобные боковые звенья нейтральных,
неполярных аминокислот, таких как фенилаланин и изолейцин, стремятся
скрыться во внутренней части молекулы белка, таким образом, защищаясь от
контакта с молекулами воды. Будучи гидрофильными, кислотные и основные
боковые звенья будут в основном располагаться на поверхности. Формирова­
ние дисульфидных мостиков при окислении тиольных групп цистеина также
является важным аспектом стабилизации третичной структуры, то есть, раз­
личные части белка могут быть связаны ковалентно. В том числе, между раз­
личными боковыми группами могут формироваться водородные связи. Ионные
взаимодействия между положительно и отрицательно заряженными боковыми
звеньями аминокислот также помогают стабилизировать третичную структуру
белка [100, 101].
Таким образом, третичную структуру можно определить, как расположе­
ние в пространстве всех, входящих в белковую молекулу, атомов.
Под четвертичной структурой понимают объединение отдельных поли­
72
пептидных цепей с третичной структурой в функционально активную молекулу
белка. Полипептидные цепи удерживаются в молекуле вместе за счет гидрофоб­
ных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей.
3.1.3. Белки в условиях вакуума
Для рассмотрения искусственно созданных био-неорганических гибридных
систем необходимо принимать во внимание особенности структуры белка в ва­
кууме.
Особенности структуры белков в высоком вакууме вызывают растущий ин­
терес в течение последних лет ввиду различных причин. Во-первых, все больше
и больше для описания свойств белков используются методы и технологии, тре­
бующие вакуумных условий. Среди них, например, электронная микроскопия,
масс-спектрометрия, методы электронной спектроскопии, которые дают уни­
кальную информацию о структуре, электронных свойствах и химии биологиче­
ских систем. Тем не менее, по сравнению с большим объемом знаний о структуре
и свойствах биомолекул в водных растворах или в условиях атмосферного дав­
ления, доступно очень мало информации как о вторичной и третичной струк­
туре, так и о свойствах белков в вакууме. Во-вторых, важность информации
об особенностях структуры белков в подобных искусственных условиях связа­
на с синтезом гибридных систем в вакууме, где вакуум является необходимым
условием для осаждения химически чистых металлов.
Будучи извлеченным из жидкой фазы в газовую, а затем и в вакуум, белок
претерпевает некоторые изменения, связанные, прежде всего, с потерей окружа­
ющих молекул воды. Соответствующие изменения в структуре белка занимают
в среднем от нескольких секунд до нескольких минут [102]. Во многих случа­
ях, подобного рода изменения несущественны, и исходная структура белка (как
в растворе) в большей степени сохраняется [103, 104]. Вообще, структура бел­
ков может изменяться из-за развертывания и рефолдинга в газовой фазе и in
vacuo, так как гидрофобные взаимодействия перестают играть ключевую роль,
73
после того, как белок был извлечен из водной среды и потерял оболочку жид­
кости, в то время как роль дальнодействующих кулоновских взаимодействий
увеличивается. Это вызывает изменения, как в третичной, так и частично во
вторичной структуре молекул белка, тем не менее, степень изменений для каж­
дого белка зависит от его молекулярной массы и исходной формы молекулы
в растворе и варьируется от пренебрежимо малой до умеренной [105]. Белки
могут также сохранять свою цвиттер-ионную форму как в газовой фазе, так и
в вакууме [106, 107].
3.2. Белки поверхностного слоя бактерий (S-слои)
Многие из безъядерных организмов (бактерии и археи) имеют на своей по­
верхности слой, состоящий из отдельных молекул белков или гликопротеинов,
так называемый S слой (surface layer, S-layer, SL) [108]. Белки S слоя форми­
руют регулярную решетку как внешнюю часть стенки клетки. Такая белковая
оболочка обладает не только прочностью, но и значительной гибкостью и про­
ницаемостью, именно поэтому ее часто сравнивают с кольчугой средневековых
рыцарей. С момента открытия, белки S-слоя были обнаружены более чем в
300 различных видах прокариотов [109], однако, число таких белков, для кото­
рых расшифрованы аминокислотные последовательности, значительно меньше.
Функции S-слоя многообразны и могут варьироваться от вида к виду. S слои
служат для механической стабилизации мембраны, важны для роста и выжи­
вания клетки, а также несут функции поддержания ее целостности.
Уникальной особенностью белков S-слоя является их способность к само­
сборке и формированию упорядоченных структур после отделения от бактери­
альной клетки (см. рисунок 3.5). Данное свойство имеет большой потенциал с
точки зрения применения в молекулярной биологии и нанотехнологиях.
Белки S-слоя характеризуются молекулярной массой от 40 до 230 кДа [111],
после самосборки образуют периодические решетки с различными типами сим­
74
Рис. 3.5. Схематическое изображение отделения белков S-слоя (оболочки) от клетки бакте­
рии и вторичная сборка белков S-слоя в кристаллические матрицы в суспензии, на твердой
подложке, на границе раздела вода-воздух и на плоской пленке липида. Показан пример для
S-слоя с гексагональной симметрией (p6) [110].
метрии: косоугольные, тетрагональные, гексагональные (см. рисунок 3.6). В
зависимости от числа белков составляющих ячейку решетки (от 1 до 6), ре­
шетки относятся к различным типам p1 - p6. Размер морфологической ячейки
решетки варьируется от 3 до 30 нм. Общая площадь пор составляет от 30 до
70 % площади поверхности белка S-слоя. Типичный размер пор — от 2 до 8 нм.
Толщина мономолекулярного слоя белка, в среднем, 5—15 нм [112].
3.2.1. Белок S-слоя Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602
Далее в таблице 3.1 приведены характеристики белка S-слоя бактерии
Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602, который использовался нами в эксперимен­
75
Рис. 3.6. Схематическое изображение наиболее часто встречающихся типов кристаллических
решеток S-слоев бацилл. (a) Косоугольная (p2), (b) тетрагональная (p4), (c) гексагональная
(p6) решетки [113].
тальных исследованиях при формировании гибридных систем металл-белок. В
таблице 3.2 также представлен аминокислотный состав белка, а на рисунке 3.7
продемонстрировано изображение изучаемого белка S-слоя, полученное с помо­
щью просвечивающего электронного микроскопа, и подтверждающее наличие
p4 симметрии.
Таблица 3.1. Особенности строения S-слоя Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602 [114].
S-слой
Характеристика
Lysinibacillus sphaericus
NCTC 9602
молекулярная масса, кДа
126
симметрия
тетрагональная решетка (p4)
толщина мономолекулярного слоя, нм
5
постоянная решетки, нм
12,5
диаметр пор, нм
2—3
число аминокислотных остатков
1228
76
Рис. 3.7. ПЭМ-изображение (метод негативного контрастирования) S-слоя Lysinibacillus
sphaericus NCTC 9602. На вставке продемонстрирована реконструированная решетка S-слоя,
полученная в результате быстрого преобразования Фурье. Определенный размер ячейки ре­
шетки составляет 12,5 нм× 12,5 нм [116].
3.3. Электронная энергетическая структура белков на
примере белка S-слоя Lysinibacillus sphaericus
NCTC 9602
Перед тем, как изучать электронную энергетическую структуру гибрид­
ных систем на основе биомолекул в условиях СВВ, необходимо ознакомиться
с особенностями электронной структуры биомолекулярной составляющей со­
здаваемых гибридов, а именно белков S-слоя Lysinibacillus sphaericus NCTC
9602. Электронная энергетическая структура белка была проанализирована с
помощью методов фотоэлектронной спектроскопии и спектроскопии поглоще­
ния рентгеновского излучения ранее в работах [72, 117, 118]. В рассматривае­
мых ниже экспериментах методика приготовления образцов белков S-слоя на
SiOx /Si подложках аналогична описанной в главе 1.
77
3.3.1. Анализ спектров внутренних уровней
На рисунке 3.8 изображены фотоэлектронные спектры O 1s, N 1s, C 1s
внутренних уровней атомов, составляющих белковый S-слой. Рассмотрим их
структуру. В отличие от спектров O 1s и N 1s, которые описываются одним пи­
ком, спектр углерода C 1s имеет более сложную, трехкомпонентную структуру.
При разложении спектра на компоненты, его форма хорошо воспроизводится в
трех пиках (a, b, c) с примерно одинаковой шириной линии с энергиями связи
∼288,1, ∼286,5 и ∼285 эВ (см. рисунок 3.9).
Рис. 3.8. Обзорный (верхняя панель) и O 1s, N 1s, C 1s (нижняя панель) ФЭ спектры белка
S-слоя, адсорбированного на SiOx/Si(100) подложке [117].
Оценивая величину химических сдвигов можно сделать выводы о химиче­
ском окружении атомов углерода в данном соединении. Итак, мы наблюдаем
три компоненты в спектре, которые соответствует трем различным окружени­
ям, причем электроотрицательность окружающих углерод атомов увеличива­
78
ется от пика c к пику a. Таким образом, пик c относится к атомам углерода
в связях углерод-водород C-H и углерод-углерод C-C, компонента b — к ато­
мам углерода, связанным с одиночными атомами азота или кислорода, а пик
a соответствует атомам углерода в пептидной связи (-CONH) или карбоксиль­
ных группах (-COOH, -COO- ). То есть в данном случае наибольшая энергия
связи, характерная для атомов углерода в пептидных звеньях, соответствует
значительному смещению электронной плотности от атома углерода к более
электроотрицательным «соседям», кислороду и азоту.
Рис. 3.9. C 1s ФЭ спектр S-слоя, полученный при энергии фотонов 400 эВ. Анализ спектра
обнаруживает три компоненты с энергиями связи 285, 286,5, 288,1 эВ [117].
Форму N 1s спектра белка можно описать одиночным пиком при энергии
связи ∼400,1 эВ, но, безусловно, у данного пика существует подструктура с
несколькими компонентами, близкими по значениям энергий связи. Известно,
что примерно 81 % атомов азота в данном белке участвуют в формировании
пептидных связей, ∼8 % атомов находятся в подобных амидных группах в бо­
ковых звеньях аминокислотных остатков, ∼10 % азотных атомов включено в
аминные группы, остальные атомы азота — это индольный азот в триптофане
(trp, 0,3 %) и имидазольный азот гистидина (his, 0,5 %) (см. состав белка, таб­
лица 3.2). Очевидно, вклад ФЭ сигналов от всех вышеописанных типов атомов
79
азота объединяется в одной компоненте N при энергии связи 400,1 эВ [119–121].
Спектр O 1s также хорошо описывается одним пиком при энергии связи
∼531,8 эВ. Около 86 % атомов кислорода включены в пептидную связь и подоб­
ные карбоксильные группы, в то время как остальные 14 % атомов участвуют
в формировании гидроксильных групп.
3.3.2. Структура незаполненных состояний
Информация о структуре незаполненных состояний была получена с по­
мощью методов абсорбционной рентгеновской спектроскопии.
На нижней панели рисунка 3.10 представлен спектр поглощения рентге­
новского излучения вблизи C 1s края для молекулы S-слоя. C 1s NEXAFS
спектр исходного белка может быть разделен на две характерные области: до­
статочно резкие спектральные особенности при энергиях фотонов от 283 до
289 эВ, отражающие, в основном электронные переходы в свободные состояния
𝜋 * -характера, и область более широких структур при энергиях фотонов больше
290 эВ, связанных с коротким временем жизни соответствующего возбужден­
ного состояния и относящихся к 1𝑠 → 𝜎 * переходам. Информация о струк­
туре и положении 𝜎 * - резонансов необходима, например, для оценки длины
конкретных связей. Для молекулы белка подобный анализ значительно затруд­
нен, поэтому здесь была произведена только интерпретация особенностей при
меньший энергиях фотонов, особенностей 𝜋 * -характера. Для анализа NEXAFS
спектра сложной молекулы белка, состоящей из множества аминокислот, мо­
жет быть использован принцип «строительных блоков» (building-block model),
согласно которому структура белка рассматривается как совокупность неболь­
ших составных частей — блоков [122–124] (см. Главу 1), дающих независимый
вклад в итоговую структуру спектра. Таким образом, спектральные особенно­
сти могут быть сопоставлены с вкладом, происходящим от индивидуальных
функциональных групп аминокислот. Однако, нужно принимать во внимание,
что подобная модель является достаточно грубым приближением. При более ак­
80
куратном рассмотрении взаимодействия между отдельными блоками, безуслов­
но, должны быть учтены.
Тем не менее, в данном случае простая модель «строительных блоков»
позволяет интерпретировать происхождение характерных особенностей C 1s
NEXAFS спектра в области 𝜋 * - резонансов. На основе полученных ранее [122,
123] серий спектров аминокислот и их интерпретации с помощью теоретиче­
ского ab initio расчета, компонента при энергии фотонов 285 эВ может быть
отнесена к переходам электронов 1𝑠 → 𝜋 * , локализованным на ароматических
структурах боковых звеньев аминокислотных остатков. Пик C 1s NEXAFS спек­
тра, расположенный при энергии фотонов 288,1 эВ, связан с переходами элек­
тронов 1𝑠 → 𝜋 * , локализованных в основном на атомах углерода карбонильных
групп C=O (пептидная связь, карбоксильные и амидные группы боковых зве­
ньев аминокислот). Что касается компоненты с энергией фотонов ∼287 эВ, она
*
может быть отнесена к электронным переходам в как 𝜎C−H
состояния, так и
*
орбитали 𝜋C=N
характера.
Как O 1s (рис. 3.10 верхняя панель), так и N 1s NEXAFS спектры (рис. 3.11)
проявляют один основной пик (при 531,8 эВ и 401,3 эВ, соответственно) в обла­
сти 𝜋 * -резонансов. Оба пика отражают электронные переходы с 1s внутреннего
уровня на свободную молекулярную орбиталь, локализованную на пептидных
связях.
3.3.3. Валентная зона
Структура заполненных состояний была исследована методом фотоэлек­
тронной спектроскопии валентной зоны [72, 78, 117, 118]. На рисунке 3.12 пока­
заны спектры валентной зоны белка S-слоя, осажденного на кремниевую под­
ложку, SiOx /Si подложки, а также разностный спектр, отражающий ФЭ сигнал
исходного белка. Подобно спектрам других органических молекул, спектр белка
состоит из серии отдельных пиков, относящихся к различным молекулярным
орбиталям. Три основных особенности отмечены на рисунке как HOMO, A и B.
81
Рис. 3.10. O 1s (верхняя панель) и C 1s (нижняя панель) спектры поглощения рентгеновского
излучения S-слоя. Сигнал от SiOx подложки дает вклад в O 1s сигнал, в основном, в области
энергий фотонов 535—542 эВ [117]
В связи с тем, что спектр валентной зоны не является элемент-специфич­
ным, для того чтобы описать характер молекулярных орбиталей (в особенности,
высших заполненных — HOMO), рассмотрим эксперимент с применением ре­
зонансной ФЭ спектроскопии [78], результаты которого представлены на рис.
3.13. На верхней панели представлен спектр поглощения рентгеновского излу­
чения вблизи C 1s края, на нижней — спектры валентной зоны, полученные
при варьировании энергии фотонов от 282 до 294 эВ, через C 1s край поглоще­
ния. Для сравнения также показан спектр валентной зоны для энергии фотонов
40,8 эВ. С приближением энергии возбуждающего излучения к 285 эВ (соответ­
*
ствующей первому 𝜋 * -резонансу, переходам 1s → 𝜋aromatic
) значительное усиле­
ние ФЭ сигнала наблюдается в области HOMO пика (энергия связи ∼4,5 эВ).
82
Рис. 3.11. N 1s NEXAFS спектр белка S-слоя [117]
При дальнейшем увеличении энергии фотонов усиление сигнала вблизи HOMO
больше не наблюдается. При энергии фотонов около 288,1 эВ (что соответствует
*
второму 𝜋 * -резонансу, переходам 1s → 𝜋C=O
) наблюдается сильное увеличение
ФЭ интенсивности широкого пика A при энергии связи примерно 8 эВ. Таким
образом, доминирующий вклад в ФЭ сигнал HOMO структуры относится, в
основном, к эмиссии электронов, локализованных на ароматических системах
боковых звеньев аминокислот, а пик A, в свою очередь, связан со значительным
вкладом эмиссии электронов карбонильных групп (в т.ч. пептидной связи).
Дополнительные аргументы для интерпретации структуры валентной зо­
ны можно получить из сравнения с теоретическими расчетами. Так как подоб­
ного расчета для белков S-слоев не существует, то сравнение проводилось с ре­
зультатами для небольших пептидов (например, харибдотоксин [125]) с предпо­
ложением, что интегральная плотность состояний качественно должна быть по­
добной для всех протеинов. На рисунке 3.14 отображена электронная структура
S-слоя в сравнении с рассчитанной плотностью состояний для харибдотоксина.
На рисунке заполненные и свободные электронные состояния S-слоя, получен­
ные при помощи ФЭС и NEXAFS, отнесены к общему уровню Ферми. Учитывая
очевидное подобие полученных теоретически и экспериментально электронных
структур, можно проанализировать характер заполненных состояний S-слоев в
83
Рис. 3.12. (a) ФЭ спектр валентной зоны белка S-слоя на кремниевой подложке и чистой
подложки. (b) Разностный спектр, отражающий ФЭ сигнал от S-слоя [72].
сравнении с рассчитанными. В соответствии с этим основной вклад в высшую
заполненную МО дают 𝜋-орбитали ароматических колец и состояния, локали­
зованные на неподеленных парах электронов кислорода и азота. Особенность
A соответствует, в основном, 𝜎C−H молекулярным орбиталям, а пик B — 𝜎C−C
состояниям.
Таким образом, электронная структура двумерного белкового S-слоя име­
ет сходство со структурой широкозонного полупроводника. Ширина запрещен­
ной зоны составляет 3 эВ, причем уровень Ферми расположен вблизи нижней
незаполненной МО.
84
Рис. 3.13. Левая панель: C 1s NEXAFS спектр. Красные круги отмечают энергии фотонов,
при которых снимались спектры валентной зоны. Во вставке представлен ФЭ спектр C 1s
остовного уровня с разложением на компоненты. Правая панель: серия резонансных ФЭ
спектров, снятых при варьировании энергии фотонов от 282 до 294 эВ, через C 1s край
поглощения. Пик, выделенный серым цветом, относится к эмиссии с C 1s внутреннего уровня,
вызванной излучением второго порядка [78].
3.3.4. Разрушение белка под действием мягкого рентгеновского
излучения
Широко известно, что в связи с чрезвычайной чувствительностью струк­
тур биологического происхождения, посвященные им экспериментальные иссле­
дования, требуют особой осторожности и аккуратности. Так и в экспериментах
с применением рентгеновского излучения, неоднократно наблюдалось разруше­
ние структуры аминокислот [126, 127] и белков [128, 129]. Несмотря на то, что
белки S-слоя являются одними из наиболее стабильных природных белковых
мембран, они также подвергаются разрушению под действием интенсивного
синхротронного излучения, что и было продемонстрировано в работе [130].
Эксперимент по изучению разрушения белка S-слоя под действием мягкого
рентгеновского излучения [130] проводился с использованием излучения источ­
ника Advanced Light Source (ALS, Berkeley). Плотность потока фотонов состав­
85
Рис. 3.14. (a) Структура валентной зоны и незаполненных состояний S-слоя, полученная из
ФЭ и NEXAFS экспериментов. (b) Рассчитанная плотность заполненных состояний для ха­
рибдотоксина [125]. Энергетическая шкала выровнена по положениям верхних заполненных
молекулярных орбиталей [72].
ляла 1013 фотонов/(с·см2 ) во время измерений C 1s и N 1s NEXAFS спектров и
1014 фотонов/(с·см2 ) для O 1s. Поглощенная доза излучения [Гр] определяется
формулой:
𝐷 =𝜇·𝑁 ·𝐸·𝑡
(3.1)
где 𝜇[м2 /кг] — зависящий от массы коэффициент поглощения, 𝑁 [фотоны/с·м2 ] —
плотность потока фотонов, 𝐸[Дж] — энергия фотонов и 𝑡[с] — время экспози­
ции.
Таким образом, доза излучения, поглощенная белком в течение каждого
отдельного C 1s, N 1s, или O 1s NEXAFS скана составляла примерно 3, 13, или
17 МГр, соответственно.
На рис. 3.15 представлены спектры поглощения рентгеновского излуче­
ния вблизи C 1s, O 1s, N 1s краев, полученные с помощью Фотоэлектронного
Эмиссионного Микроскопа в режиме реального времени, скан-за-сканом [130].
86
Очевидна деградация спектров со временем, а именно — уменьшение интен­
сивности компонент спектров, относящихся к пептидной связи (пики при энер­
гиях фотонов 288,1, 531,8 и 401,3 эВ в C 1s, O 1s, N 1s NEXAFS спектрах,
соответственно), свидетельствующее о разрушении пептидных связей. Учиты­
вая уменьшение общей интенсивности спектров, можно отметить также потерю
массы белком, например, вследствие образования различных газов (O2 , COn и
т.п.) и их последующей десорбции с поверхности. Наряду с этим, наблюдаются
также дополнительные изменения в NEXAFS спектрах: увеличение интенсив­
ности компоненты, соответствующей ароматическим структурам (связи C-C) в
C 1s и возникновение новых низкоэнергетических компонент в N 1s спектре, ин­
тенсивность которых увеличивается с увеличением дозы облучения. Появление
новых компонент в спектре связано с образованием различных новых систем
углерод-азот, например, соединений типа пиридина.
Рис. 3.15. Изменения в структуре C 1s, O 1s, N 1s NEXAFS спектров под воздействием
мягкого рентгеновского излучения [130].
Количественный анализ числа разрушенных C-O и C-N связей и увеличе­
ния количества C-C связей может быть проведен на основе разложения C 1s,
N 1s, и O 1s NEXAFS спектров на компоненты и учета изменения интенсив­
ности пиков (площади под пиками), соответствующих определенным связям.
Интенсивности субспектров, полученных при разложении и описывающих вкла­
ды различных связей, построены как функции поглощенной дозы на рисунке
3.16. Для того чтобы определить критическую для разрушения вещества дозу
(𝐷𝑐 ), полученные зависимости могут быть аппроксимированы в соответствии
87
со следующим уравнением:
𝐵𝐷 = 𝐵𝐷∞ + Δ𝐵𝐷 · exp (−𝐷/𝐷𝑐 )
(3.2)
где 𝐵𝐷 — относительная мера разрушения связей, 𝐵𝐷∞ — насыщение
«разрушения» в той же шкале (число неразрушившихся после действия беско­
нечно большой дозы излучения связей), Δ𝐵𝐷 — константа, и 𝐷𝑐 — критическая
доза радиации, которая соответствует уменьшению интенсивности определен­
ной спектральной компоненты на 63 % [131, 132].
В таблице 3.3 подытожены данные, полученные в результате количествен­
ного анализа спектров и аппроксимации кривых с помощью экспоненциальной
зависимости 3.2. Таким образом, согласно представленным результатам, для
разрушения, например, связей C-N критическая доза составляет 34 МГр, что
соответствует дозе, полученной за три неполных (2,6) NEXAFS N 1s скана в
описанном эксперименте. Для разъяснения причин расхождений в критических
дозах, полученных для C-O связи из C 1s и O 1s NEXAFS спектров можно об­
ратиться к работе [130].
Здесь стоит отметить, что поток фотонов во время описываемых в настоя­
щей работе спектроскопических исследований на Российско-Германском канале
вывода и монохроматизации синхротронного излучения, BESSY (Berlin) [21],
меньше, чем в рассмотренном выше эксперименте по крайней мере в 102 раз
[133]. То есть для получения критической дозы необходима в 102 раз большая
экспозиция, что делает Российско-Германский канал подходящим для проведе­
ния исследований с деликатными образцами.
3.4. Формирование систем переходный металл-белок
Для того чтобы проанализировать особенности процессов физико-химиче­
ского взаимодействия между биомолекулой и металлами, будем рассматривать
модификацию ФЭ спектров гибридной системы по мере ее формирования со
88
Рис. 3.16. Плотности связей C-N (a), C-O (b), полученные из анализа N 1s и O 1s NEXAFS
спектров, соответственно, и C-O (c) и C-C (d), полученные из анализа C 1s NEXAFS спек­
тров, как функции поглощенной дозы. Сплошная линия представляет кривую, полученную
аппроксимацией экспериментальных результатов с помощью уравнения 3.2 [130].
стороны обеих составляющих гибрида — белка (атомы углерода, азота, кисло­
рода) и металлов.
3.4.1. Взаимодействие белка S-слоя с золотом
Сначала, для того чтобы получить более детальное представление о струк­
туре рассматриваемых систем металл-белок, был проведен эксперимент с оса­
ждением инертного металла, а именно золота, на поверхность белкового слоя.
На рис. 3.17 показаны ФЭ спектры N 1s и O 1s остовных уровней для ис­
ходного белка и после напыления на него золота. Очевидно, что в результате
контакта с осажденным металлом структура обоих спектров не претерпевает
значительных изменений: не изменяется ни форма, ни положения спектраль­
89
ных особенностей, то есть существенной модификации химических связей бел­
ка в результате такого взаимодействия не происходит. Таким образом, будучи
осажденными на S-слой, атомы золота не вступают в активное химическое взаи­
модействие с молекулами белка, что приводит к возможности диффузии атомов
по поверхности и формированию металлических кластеров и наночастиц.
Рис. 3.17. Серии ФЭ спектров остовных N 1s (а) и O 1s (b) уровней, полученные для исходного
S-слоя и (нижний спектр) и далее по мере осаждения золота на поверхность белка. Спектры
нормированы на максимум интенсивности.
Детектировать формирование низкоразмерных металлических структур и
проследить за их модификацией, можно по ФЭ спектрам Au 4f, показанным на
рисунке 3.18. Здесь мы наблюдаем размерный эффект (cluster-size effect), широ­
ко описанный в литературе [63, 64, 134]. Он проявляется в сдвиге линий спек­
тра наночастиц в сторону больших энергий связи по отношению к значениям,
характерным для объемного материала. Эффект усиливается при уменьшении
размеров наночастиц. Данное явление подробно исследовано для нанокластеров
90
с линейными размерами менее 5—6 нм. Причем одни авторы рассматривают по­
добное поведение как эффект начального состояния, имеющий место из-за sp-d
регибридизации [64]. Другие же связывают наблюдаемые сдвиги энергий с эф­
фектом конечного состояния: невозможностью системы экранировать дырку,
которая остается на остовном уровне в результате фотоэмиссионного процесса.
Таким образом, кратковременный положительный заряд наночастицы в фото­
эмиссионном процессе приводит к уменьшению кинетической энергии фотоэлек­
трона [134].
Рис. 3.18. Эволюция Au 4f спектра по мере осаждения золота на поверхность белка.
Размер наночастиц может быть оценен по величине сдвигов энергии связи
соответствующих фотоэмиссионных линий на основе имеющихся литературных
данных. Однако, в нашем случае более подробно описать размеры образующих­
ся золотых кластеров и наночастиц затруднительно ввиду, во-первых, широко­
го распределения частиц по размеру, отражающегося в ассиметрии ФЭ пиков.
Во-вторых, значительным препятствием для более детального и аккуратного
анализа является наблюдаемый эффект зарядки образца, а именно сосущество­
91
вание в спектрах двух сигналов: от наночастиц, образующихся на поверхности
S-слоя, и, следовательно, заряжающихся в процессе фотоэмиссии вместе с са­
мим белком, а также от частиц, находящихся в контакте с подложкой, что
позволяет заряду «стекать». То же самое касается и спектров C 1s, N 1s и O 1s,
где сигналы от «заряжающихся» и «незаряжающихся» составляющих наклады­
ваются.
Данный эксперимент дает нам представление о морфологии гибридных си­
стем в отсутствии значительного химического взаимодействия между ее состав­
ляющими: формирующаяся система SL+Au представляет собой совокупность
металлических наноразмерных частиц, увеличивающихся в размере в процессе
осаждения золота. Результаты, демонстрирующие, как инертный металл ведет
себя на поверхности S-слоя, служат также прекрасным вспомогательным мате­
риалом для наших последующих рассуждений, касающихся систем с химически
более активными металлами.
3.4.2. Взаимодействие белка S-слоя с медью и железом
Анализ спектров внутренних уровней элементов, составляющих
молекулу белка
Сначала рассмотрим модификацию электронной энергетической структу­
ры молекулы белка при взаимодействии с металлом. С этой целью проанали­
зируем изменения структуры ФЭ спектров внутренних уровней C 1s, N 1s и
O 1s (энергии фотонов составляли 400 эВ, 520 эВ и 650 эВ, соответственно) при
осаждении металлов на белковый слой. Энергии фотонов были выбраны по­
добным образом для того, чтобы детектировать фотоэлектроны с одинаковой
кинетической энергией, тем самым обеспечивая одинаковую глубину зондиро­
вания образца при записи спектров всех внутренних уровней.
Здесь стоит отметить, что наибольшее внимание мы будем уделять ана­
лизу N 1s ФЭ спектра, так как он служит источником наиболее достоверной
92
информации о белке, в то время как два других спектра (O 1s, C 1s) также со­
держат компоненты, относящиеся к включениям и примесям, имеющим место
по причине ex situ приготовления образцов, а также вклад сигнала от кремни­
евой подложки.
В ходе напыления как меди, так и железа на S-слой до толщин ∼7 Å наи­
более существенные изменения наблюдаются в структуре спектров остовного
уровня азота N 1s, в то время как в структуре спектров O 1s, C 1s очевидных из­
менений не происходит. На рисунке 3.19 представлены серии ФЭ спектров N 1s
внутреннего уровня для исходного белка (нижние спектры) и после осаждения
меди (a) и железа (b). ФЭ спектр N 1s уровня исходного белка характеризуется
наличием одного пика при энергии связи ∼400,1 эВ. Рис. 3.19 демонстрирует,
что на первой стадии напыления на белковый слой как меди, так и железа
происходят аналогичные изменения в структуре N 1s спектров: при толщинах
∼0,5—1,5 Å обнаруживается появление новой компоненты N2, сдвинутой от ос­
новного пика на ∼1,7 эВ в сторону меньших энергий связи. Появление новой
компоненты в спектре свидетельствует об изменении природы химической свя­
зи, в которую вовлечены атомы азота молекулы протеина. Энергия связи новой
компоненты составляет ∼398,4 эВ, что характерно для атомов азота в составе
связей C=N [135–138]. Нужно отметить, что в то же время, на данной стадии,
не было обнаружено значительных изменений в спектрах O 1s и C 1s.
По мере дальнейшего осаждения металлов на S-слой процессы взаимодей­
ствия между медью и белком, железом и белком развиваются по разным сце­
нариям. При последующем осаждении меди (вплоть до 45 Å) мы наблюдаем
дальнейший рост компоненты N2 в N 1s спектре. Опять же, значительные из­
менения в структуре спектров O 1s (рисунок 3.20) и C 1s отсутствуют. А в случае
железа, когда толщина покрытия достигает величины 9—12 Å, в спектре N 1s
в дополнение к пику N2 проявляется компонента N3 с энергией связи ∼397 эВ.
(рис. 3.19) Более того, при дальнейшем осаждении железа интенсивность этой
спектральной особенности продолжает увеличиваться, формируется отдельно
93
стоящий пик, причем при номинальной «толщине слоя» железа ∼45 Å данная
компонента становится доминирующей в спектре. В соответствии с литератур­
ными данными для нитридов [139] и цианидов [140] железа новая компонента
при ∼397 эВ может относиться к формированию тройных Fe≡N и C≡N связей.
Рис. 3.19. Серии ФЭ спектров остовного N 1s уровня, полученные для исходного S-слоя и
(нижний спектр) и далее по мере осаждения меди (а) и железа (b) на поверхность белка.
Спектры нормированы на максимум интенсивности.
Однако, появление компоненты N3 в спектре N 1s системы S-слой-железо
является неединственным различием, наблюдаемым при взаимодействии белка
с медью и с железом. На рис. 3.20 изображены O 1s спектры, полученные при
постепенном осаждении металлов. Определенные различия в сериях для систем
SL+Cu (а) и SL+Fe (б) очевидны. В спектре O 1s белка, модифицированного
железом, появляется новая компонента с энергией связи ∼530 эВ. Данный пик
начинает проявляться при покрытии в 12 Å и его интенсивность растет при
увеличении количества железа. Этот пик может быть связан с формировани­
94
ем оксидов железа [141–143]. В отличие от системы SL+Fe, в спектре O 1s
для SL+Cu формируется только слабоинтенсивное плечо со стороны меньших
энергий связи относительно основного пика. При этом важно отметить, что в
спектрах C 1s системы SL+Fe (см. рис. 3.21) появляется новая низкоэнергети­
ческая компонента с энергией связи ∼283,6 эВ, характерной для карбидов [144]
и цианидов [145] железа.
Рис. 3.20. ФЭ спектров остовного O 1s уровня, полученные для исходного S-слоя и (нижний
спектр) и далее по мере осаждения меди (а) и железа (b) на поверхность белка. Спектры
нормированы на максимум интенсивности.
Таким образом, даже очень большое количество меди (вплоть до 45 Å) не
приводит к дальнейшим значительным изменениям в ФЭ спектрах, а значит,
и в структуре сформированного гибрида медь-белок, а для системы с желе­
зом мы наблюдаем вторую стадию процесса взаимодействия между металлом
и биомолекулой.
95
Рис. 3.21. ФЭ спектры остовного C 1s уровня, полученные для исходного S-слоя и после
осаждения 45 Å железа на поверхность белка. Спектры нормированы на максимум интен­
сивности.
Анализ спектров металлов
Перейдем к рассмотрению второй составляющей гибридных систем — ме­
таллов. С целью определить химическое состояние металла, осажденного на
протеиновый слой, мы измеряли наиболее информативные спектры: ФЭ Fe 2p
и спектры поглощения рентгеновского излучения вблизи L3 -края меди.
На рис. 3.22 продемонстрирована модификация ФЭ Fe 2p спектров систе­
мы «железо-белок» по мере увеличения количества осажденного металла — от
1,5 до 7 Å. Анализ энергий связи отдельных компонент позволяет установить
возможные конфигурации железа, присутствующие в образце, путем сравнения
с энергиями связи других соединений железа в различных степенях окисления.
Компонента A при энергии связи ∼707 эВ, интенсивность которой возрастает с
увеличением количества металла, очевидно, относится к Fe0 [143, 146] (стоит от­
метить, что та же энергия связи характерна и для наночастиц железа [147, 148]).
Широкая полоса B при больших энергиях связи ∼710 эВ, наиболее вероятно, яв­
96
ляется мультикомпонентной и отражает наличие мультиплетного расщепления
в Fe 2p ФЭ спектре, характерного для FeII (высокоспиновый) и FeIII . Присут­
ствие высокоэнергетической сателлитной структуры у фотоэлектронных линий
в данных спектрах также подтверждает наличие в исследуемом образце железа
в степени окисления +2 или +3. Таким образом, рис. 3.22 демонстрирует нали­
чие окисленного железа в системе металл-протеин, и, для того чтобы выделить
основную форму железа (FeII или FeIII ), необходимо проанализировать относи­
тельное положение сателлитных линий. Известно, что в Fe 2p спектрах для FeII
сателлитная структура отстоит от основного пика на ∼4,3—6 эВ и проявляется
как плечо со стороны больших энергий связи, в то время как для сателлитов
в спектрах FeIII соединений характерно большее энергетическое расстояние от
главной компоненты, порядка ∼8—8,5 эВ [143, 149–151]. В случае системы бе­
лок-железо, наряду с основной компонентой при энергии связи ∼710 эВ (малые
толщины) в ФЭ спектре проявляется сателлитная структура при энергии связи
∼715 эВ, что предполагает доминирующую долю FeII .
По мере увеличения количества металла интенсивность сателлитных ли­
ний, так же, как и пика B уменьшается на фоне роста интенсивности особенно­
сти A, то есть на начальных стадиях доминирует компонента, относящаяся к
окисленному железу, затем увеличивается доля железа в нулевой степени окис­
ления.
По отсутствию сателлитов в структуре ФЭ спектра Cu 2p остовного уровня
(см. рис. 3.23) можно сделать вывод о незначительной доле Cu2+ в полученном
соединении, и, поскольку разделить вклады Cu+ и Cu0 по данным спектрам
затруднительно [152], было решено проанализировать более информативные
рентгеновские абсорбционные спектры вблизи L3 -края меди. Для того чтобы по­
лучить представление об особенностях структуры спектров, характерных для
низкоразмерных медных образований, параллельно мы исследовали систему,
образованную при осаждении меди на графит. Предполагается, что инертная
графитовая подложка не взаимодействует с медью при комнатной температу­
97
Рис. 3.22. Серия ФЭ спектров внутреннего Fe 2p уровня, полученных для осажденного на
S-слой железа.
ре [153]. Таким образом, в отсутствии теоретических расчетов, система медных
кластеров и наночастиц на графитовой подложке служит вспомогательной (мо­
дельной) для описания спектров низкоразмерных медных структур.
На рисунке 3.24 представлены в сравнении NEXAFS спектры вблизи Cu
L3 -края, измеренные для систем SL+Cu (а) и графит+Cu (b). Тонкая струк­
тура полученных спектров обусловлена дипольно-разрешенными переходами
электронов с 2p остовного уровня в свободные электронные состояния систе­
мы белок-медь (графит-медь), которые локализованы в области поглощающего
атома меди и включают вклады, в основном, Cu 4s- и Cu 3d-состояний. Что ка­
сается NEXAFS спектра системы графит-медь, он отражает особенности струк­
туры свободных состояний низкоразмерных систем — металлических кластеров
и наночастиц, которая, естественно, будет отличаться от характерной для объ­
емного металла. Сравнив структуру спектров для систем SL+Cu и графит+Cu
на начальных стадиях эксперимента (малые количества осажденной меди), мы
можем подтвердить факт наличия химической реакции на интерфейсе медь­
98
Рис. 3.23. Серия ФЭ спектров внутреннего Cu 2p уровня, полученных для меди, осажденной
на S-слой.
белок, наблюдаемой ранее по спектрам N 1s. При малом количестве осажден­
ного на белок металла доминирует процесс окисления меди — химического вза­
имодействия между белком и металлом, однако, далее мы наблюдаем также и
рост металлических наноструктур, вклад сигнала от которых в спектр начина­
ет преобладать при толщинах 5—8 Å, и далее на его фоне сигнал от гибридной
составляющей (окисленный металл) уже неразличим.
Стоит отметить, что наши выводы по ФЭ Cu 2p спектрам подтверждает
отсутствие в NEXAFS спектре вблизи Cu L3 -края системы белок-медь узкого
высокоинтенсивного пика («white line») при энергии ∼931 эВ, являющегося хо­
рошо известной характеристикой конфигурации начального состояния с непол­
ностью заполненной d-оболочкой (3d9 ), и служащего однозначным референсом
для определения соединений двухвалентной меди [154, 155]. Что касается спек­
тров соединений CuI , то для них характерна более широкая, но меньшая по
интенсивности особенность, лежащая выше по энергии и отражающая перехо­
ды электронов меди с 2p внутреннего уровня в свободные состояния образован­
ной системы, в основном, Cu 4s-типа, гибридизованные s,d-состояния, с малым
вкладом d-характера, или на свободные орбитали лигандов. Подобная струк­
99
тура спектров наблюдается и для изучаемой системы при малом количестве
металла. Далее при увеличении количества металла очевидна трансформация
формы спектров для обеих систем, и появление «трехпиковой структуры», от­
ражающей структуру свободных состояний в объемном металле [154, 156], что
говорит о формировании достаточно больших островков металла или металли­
ческой пленки на поверхности, и об обретении системой металлических свойств.
Таким образом, представленные выше спектры демонстрируют, что и медь,
и железо окисляются в процессе взаимодействия с протеином в СВВ условиях
до форм CuI и FeII , соответственно. Причем вклад сигналов от CuI и FeII ком­
понент в ФЭ спектр преобладает при малых количествах металлов до 2—3 Å,
далее начинает доминировать сигнал от Cu0 и Fe0 . Данное наблюдение свиде­
тельствует о том, что, вероятнее всего, химическая реакция между S-слоем и
металлами происходит преимущественно на интерфейсе, то есть диффузия ато­
мов металла внутрь белкового слоя играет незначительную роль, иначе интен­
сивность пиков, соответствующих окисленным металлам CuI и FeII , в спектрах
при больших толщинах была бы более существенной. Далее, при больших ко­
личествах металла достаточно эффективным становится процесс образования
металлических наноструктур.
Здесь возникает вопрос о морфологии формируемой системы, о природе
металлических структур, дающих значительный вклад в спектры. Насколько
однородным является покрытие металлом поверхности белка, возможно ли об­
разование монослоя, формируются ли в данных системах нанокластеры? К об­
суждению этих вопросов обратимся подробнее в следующем разделе.
3.4.3. Морфология формирующихся гибридных систем
При рассмотрении рисунков 3.19, 3.20, 3.21 (эволюция спектров N 1s, O 1s
и C 1s в процессе напыления металла) может возникнуть справедливый вопрос,
касающийся номинальной толщины слоя металлов. Известно, что ФЭС явля­
ется поверхностно чувствительным методом, что обусловлено малой глубиной
100
Рис. 3.24. Абсорбционные рентгеновские спектры вблизи L3 -края меди для S-слоя, покрытого
медью (a) и для модельной системы- графита, покрытого тем же количеством меди (b).
выхода фотоэлектронов, которая в данном эксперименте составляет несколько
монослоев. Встает логичный вопрос: какой же сигнал мы измеряем в N 1s, O 1s
и C 1s спектрах при «толщинах слоев» металла 25 Å и, тем более, 45 Å. Здесь
важно отметить, что мы должны принимать во внимание морфологию обра­
зующейся системы, которая, в свою очередь, сильно зависит от морфологии
белковой подложки, то есть достаточную условность термина «толщина слоя».
Ввиду сложной структуры как ФЭ, так и NEXAFS спектров для меди и
железа достаточно сложно проследить размерный эффект, подобный наблю­
даемому в эксперименте с золотом. Однако, для того чтобы охарактеризовать
морфологию формирующейся структуры и ее модификацию в процессе осажде­
ния металла на основе фотоэмиссионных данных, мы можем проанализировать
изменение интенсивностей спектров N 1s, O 1s и C 1s остовных уровней по
мере напыления металла. Известно, что если покрытие подложки является од­
нородным, то есть пленка растет послойно, слой за слоем, интенсивности ФЭ
линий, относящихся к подложке (в нашем случае S-слой) будут ослабляться по
экспоненциальному закону с увеличением толщины слоя:
101
𝐼
𝑑
= exp −( )
𝐼0
𝜆
(3.3)
,
где I — наблюдаемая интенсивность при определенной толщине слоя по­
крытия, I0 — исходная интенсивность (подложки без покрытия), d — толщина
осажденного слоя, 𝜆 — длина свободного пробега [157].
На рисунке 3.25 представлены наблюдаемая нами в эксперименте с медью
зависимость ослабления интенсивности ФЭ линий N 1s спектра от толщины
слоя металла, а также график, отражающий экспоненциальный закон (формула
3.3), справедливый для послойных покрытий. Очевидно, что прослеживающая­
ся в наших экспериментах зависимость значительно отклоняется от 3.3. Нужно
отметить что, то же касается и эксперимента с железом, где также имеют место
значительные отклонения. Данные наблюдения подразумевают неоднородность
покрытия металлом поверхности белкового слоя, то есть наличие совокупности
различных металлических низкоразмерных структур (кластеры, наночастицы,
островки), сосуществующих с непокрытыми металлом областями исходного бел­
ка. Таким образом, мы можем исключить формирование монослоя металла и
последующий послойный рост пленки на поверхности S-слоя. То есть в данной
главе термин «толщина слоя» является условным и служит только характери­
стикой количества осажденного вещества-металла.
Здесь также не стоит обходить стороной вопрос о расхождении в зави­
симости информативности данных о гибридной системе от «толщины слоя»
металлов, получаемых из спектров составляющих белка и спектров металлов.
В ФЭ сигнал спектров внутренних уровней углерода, азота и кислорода
дают вклад как исходный белок, так и гибрид, образующийся преимуществен­
но на интерфейсе. По мере увеличения количества осажденного металла бу­
дет увеличиваться количество продукта реакции — гибрида металл-белок, и,
соответственно, вклад «гибридной» компоненты (N2 или O1 ) в спектры. То
102
Рис. 3.25. Изменение интенсивности ФЭ линий спектра N 1s внутреннего уровня S-слоя по
мере осаждения на него меди (красные треугольники). Экспоненциальная зависимость (см.
формулу 3.3), описывающая ослабление интенсивности ФЭ линий, относящихся к подложке,
при послойном росте на ней медной пленки (синяя линия). Для данного интервала кинети­
ческих энергий, длина свободного пробега фотоэлектронов в меди составляет ∼5 Å [158].
есть, наиболее информативными для описания гибридных систем будут C 1s,
N 1s и O 1s спектры, полученные при больших количествах осажденного ме­
талла. С точностью до наоборот дело обстоит при анализе структуры гибрида
по спектрам металлов. Здесь также нужно учитывать вклад двух составляю­
щих: гибрида металл-белок, а также металлических низкоразмерных структур.
По мере увеличения количества осажденного металла будет увеличиваться как
количество гибрида металл-белок, так и количество металлических кластеров,
наночастиц, островков. Причем, учитывая, что гибрид образуется в основном на
интерфейсе, а процесс кластерообразования достаточно эффективен (см. рис.
3.22, 3.24), то по мере увеличения количества осажденного металла вклад сиг­
нала от «металлической» компоненты будет расти и доминировать в спектре
таким образом, что при толщинах ∼8—9 Å вклад «гибридной» компоненты
103
будет практически неразличим. Следовательно, для анализа гибридной струк­
туры с позиции спектров металлов, наиболее информативными будут данные,
полученные на начальных стадиях эксперимента (малое количество осажденно­
го металла).
3.4.4. Схема процесса взаимодействия
Итак, представленные выше экспериментальные результаты демонстриру­
ют, что как медь, так и железо окисляются в процессе взаимодействия с белком
в СВВ условиях до форм CuI и FeII , соответственно. Данный факт можно счи­
тать вполне логичным, принимая во внимание, что исследуемый протеин содер­
жит достаточное количество концевых карбоксильных и гидроксильных групп
(29,2 % от общего содержания функциональных групп (см. табл. 3.2, состав бел­
ка)), которые могут участвовать в окислительно-восстановительном процессе.
Этот процесс отображен на рисунке 3.26 A и представляет собой окисление ме­
талла и восстановление водорода. Предполагается, что одновременно с протека­
нием окислительно-восстановительной реакции (рисунок 3.26 A), в химической
системе происходит замыкание хелатных циклов с участием пептидных связей
биомолекулы [159] (рисунок 3.26 2 B).
В то же время в спектрах N 1s (рис. 3.19) наблюдаются значительные из­
менения, связанные с формированием C=N связей. И поскольку подавляющее
большинство атомов азота (81 %) находится в составе пептидных связей, то
логично предположить, что наблюдаемые нами изменения спектра N 1s явля­
ются следствием изменений происходящих именно с этими связями. Это может
быть объяснено следующим образом. Известно, что введение иона металла в мо­
лекулу полипептида провоцирует кето-енольную таутомерию пептидной связи
(амид-иминольную таутомерию) [160], что приводит к реорганизации хелатного
цикла и стабилизации связи C=N (3.26 C).
Вероятно, протон -ОН группы енольной формы III (рис. 3.26 C) может
дальше участвовать в окислительно-восстановительном процессе, подобном опи­
104
Рис. 3.26. Схематическое представление окислительно-восстановительного процесса, включа­
ющего карбоксильные и гидроксильные группы протеина (A) и последующая реорганизация
химической связи (B, C) на примере меди и боковых групп аминокислотных остатков аспа­
рагиновой кислоты и серина.
санному выше (рис. 3.26 A), и протеин «прошивается» сетью донорно-акцептор­
ных связей с ионами металла.
С другой стороны, на сегодня установленным фактом является то, что пеп­
тидные связи в макробиомолекулах подвергаются кето-енольной таутомерии и
в отсутствие внешнего воздействия [161] (рисунок 3.27 (A)). Таким образом, пеп­
тидная связь в молекуле белка в какой-то момент времени находится в енольной
форме и несет группу -OH. Эта группа также может вступать в реакцию, кото­
рая приводит к окислению металла и выделению водорода (рисунок 3.27 B).
Следует отметить, что процессы депротонирования пептидных связей с по­
следующим донорно-акцепторным взаимодействием с 3d-металлами известны и
описаны в литературе [162, 163]. Дальнейшее развитие событий в рамках про­
цесса, описанного на рисунке 3.27 A-B, может приводить к переносу (миграции)
катиона металла между двумя донорными центрами (рис. 3.27 C).
Вероятно, существование форм I-IV (рисунок 3.27) для разных металлов
ограничено природой кислот Льюиса [164]. Так, более жесткое железоII пре­
105
Рис. 3.27. Кето-енольная таутомерия (A); окислительно-восстановительный процесс (B); пе­
ренос иона металла между двумя донорными центрами (C).
имущественно будет координировано к кислороду (формы I и II), а медьI —
к азоту иминной связи/основания Шиффа (форма IV). Следует отметить, что
в этих формах кратный характер связи углерод-азот сохраняется. Форма III
представляет собой переходное состояние (интермедиат).
Здесь также следует отметить, что процессы, представленные на рисунках
3.26 и 3.27, независимы и могут происходить одновременно. В первом процессе
металл взаимодействует с боковой группой протеина, а далее следует координа­
ция пептидной связи к иону металла, в то время как во втором процессе ОВР
происходит непосредственно с участием пептидной связи, которая находится в
енольной форме.
Изучая представленные выше схемы нужно, все-таки, иметь ввиду, что
они не являются уравнениями реакции, а просто схематически иллюстрируют
элементарный акт взаимодействия между металлом и белком. На схемах пред­
ставлен акт взаимодействия белка с медью, в то время как ситуация с желе­
зом аналогична, однако, для того чтобы сохранить электростатический баланс,
атом железа должен участвовать в двух таких актах, что достаточно затрудни­
тельно отобразить на схеме, учитывая огромный размер и сложную структуру
молекулы белка.
Действительно, для того чтобы отразить и электростатический, и мате­
106
риальный баланс, можно описывать наблюдаемые нами процессы с помощью
уравнений реакций в стандартной форме (как представлено ниже на схеме 3.28).
Однако, такие уравнения не являются предпочтительным выбором, так как не
могут продемонстрировать, как происходит замыкание циклов и интеграция
ионов металлов в полипептидную цепь.
Рис. 3.28. Схемы ОВР с участием карбоксильных и гидроксильных групп боковых звеньев
аминокислот и металлов (Cu, Fe).
Также следует помнить, что процессы, описанные выше, происходят при
участии других донорных групп и сайтов протеина, «зашивая» катион металла
не только в систему донорно-акцепторных связей, но и в систему нековалент­
ных взаимодействий. Поэтому нужно обязательно рассматривать схемы, изоб­
раженные на рисунках 3.26 и 3.27, как примитивную демонстрацию, а не как
достоверное и полноценное описание механизма процесса.
Таким образом, предложенные химические процессы согласуются с резуль­
татами анализа ФЭ спектров для системы медь-белок, и для системы железо­
белок на начальных стадиях взаимодействия.
Дальнейшее увеличение количества металла в гибридной системе приво­
107
дит к различным результатам для меди и железа. Если в системе медь-белок
продолжается образование гибридного комплекса и параллельно эффективно
протекает кластеризация атомов меди, а затем и рост пленки металла, то для
системы с железом мы наблюдаем вторую стадию процесса химического взаи­
модействия между металлом и биомолекулой. Экспериментальные результаты
показывают, что в результате этого процесса происходит разрушение молеку­
лы белка, которое приводит к образованию оксидов, карбидов, нитридов и/или
цианидов железа.
К тому же, образование оксида, нитрида, цианида и карбида железа вы­
годно энергетически (с точки зрения термодинамики) — это стабильные неорга­
нические соединения, по всей видимости, стабильнее, чем гибрид железо-белок.
Можно также принимать во внимание, что потеря третичной структуры приво­
дит к повышению уязвимости протеина по отношению к рентгеновскому излуче­
нию, что провоцирует разрушение химических связей и приводит к деградации
белка [135]. Однако, стоит отметить, что в нашем случае этот процесс вносит
малый вклад по сравнению с химическим разрушением протеина вследствие
взаимодействия с железом.
В случае меди, наоборот, при дальнейшем напылении металла продолжает
формироваться достаточно стабильная система медь-белок. Данный факт дела­
ет медь потенциальным кандидатом для возможного будущего использования
в гибридных структурах металл-белок, или, например, при создании электри­
ческих контактов.
Разницу в химическом поведении белка при взаимодействии с медью и же­
лезом можно объяснить следующими причинами. Химическая природа меди и
железа различна. Во-первых, для достижения стабильных степеней окисления
(CuI и FeII ) металлы восстанавливают различное количество протонов, а это
значит, что при взаимодействии с железом протеин теряет в два раза больше
-COOH и -OH функциональных групп. В свою очередь, потеря этих групп озна­
чает разрушение водородных связей, отвечающих за вторичную и третичную
108
структуру белка, и при взаимодействии с железом этот процесс протекает значи­
тельно глубже, чем при взаимодействии с медью. Во-вторых, типичные коорди­
национные числа для CuI и FeII составляют 4 и 6. Это, в свою очередь, означает,
что для удовлетворения координационной ненасыщенности, железо использует
больше донорных групп, чем медь. При этом изменения в структуре белковой
молекулы протекают глубже и, вероятно, приводят к потере третичной и вто­
ричной структуры, а затем и к окончательной деградации макробиомолекулы.
109
Таблица 3.2. Аминокислотный состав белка S-слоя бактерии Lysinibacillus sphaericus NCTC
9602 [115].
Аминокислота
Сокращение
Количество
в
% от общего
данном числа АК в
белке
данном белке
Аланин
Ala
A
145
11,8 %
Аргинин
Arg
R
13
1,1 %
Аспарагин
Asn
N
84
6,8 %
Аспарагиновая
Asp
D
77
6,3 %
Цистеин
Cys
C
0
0,0 %
Глутамин
Gln
Q
38
3,1 %
Глутаминовая
Glu
E
64
5,2 %
Глицин
Gly
G
88
7,2 %
Гистидин
His
H
4
0,3 %
Изолейцин
Ile
I
56
4,6 %
Лейцин
Leu
L
57
4,6 %
Лизин
Lys
K
115
9,4 %
Метионин
Met
M
4
0,3 %
Фенилаланин
Phe
F
39
3,2 %
Пролин
Pro
P
36
2,9 %
Серин
Ser
S
65
5,3 %
Треонин
Thr
T
152
12,4 %
Триптофан
Trp
W
4
0,3 %
Тирозин
Tyr
Y
41
3,3 %
Валин
Val
V
144
11,7 %
кислота
кислота
110
Таблица 3.3. Параметры, полученные при аппроксимации экспериментальных данных с ис­
пользованием уравнения 3.2
Спектр Связь Δ𝐵𝐷 𝐷𝑐 𝐵𝐷∞
C 1s
C-O
0,8
23
0,2
C-C
-1,0
22
2,0
N 1s
C-N
1,0
34
0,0
O 1s
C-O
0,8
86
0,2
111
Заключение
Информация об электронной энергетической структуре является ключе­
вой для понимания свойств молекул и материалов. В том случае, когда мы име­
ем дело с такими сложными объектами как макромолекулы, к тому же содер­
жащими атомы переходных металлов, особенно важно подобрать и отработать
экспериментальный подход, учитывающий особенности исследуемых объектов
и позволяющий получить необходимые данные, поскольку теоретические рас­
четы для таких систем нетривиальны и дают преимущественно качественное
описание.
В настоящей работе была продемонстрирована возможность эффективно­
го использования комбинации методов фотоэлектронной и NEXAFS спектроско­
пии для изучения электронной энергетической структуры таких нетривиальных
объектов, как супрамолекулярные Au-Cu и Au-Ag комплексы и гибридные си­
стемы на основе макробиомолекул (белков).
Результаты экспериментальных исследований, изложенные в главе 2, пред­
ставляют собой систематическую детальную характеризацию электронной энер­
гетической структуры и особенностей химического строения серии уникальных
супрамолекулярных комплексов металлов подгруппы меди, обладающих гео­
метрией «стержни-в-поясе». С помощью метода фотоэлектронной спектроско­
пии остовных уровней установлена стехиометрия комплексов в условиях сверх­
высокого вакуума, описаны свойства металлического ядра, а также обнаружена
чувствительность рассматриваемых систем к действию мягкого рентгеновского
излучения.
Наблюдение за модификацией структуры ФЭ спектров внутренних уров­
ней в режиме реального времени позволило провести подробное исследование
деградации супрамолекулярных агрегатов под действием мягкого рентгеновско­
го излучения. Установлено, что деградация кластерных комплексов связана с
разрушением противоиона [PF6 ]− , причем по мере увеличения размера кластер­
112
ного ядра данный эффект усиливается.
На основе фотоэлектронной спектроскопии остовных уровней в настоящей
работе впервые проведен анализ металлофильных взаимодействий. Получен­
ные данные позволяют наглядно проиллюстрировать особенность металлофиль­
ных взаимодействий, а именно: образование лишь слабой связи металл-металл,
вследствие чего соединения архитектуры «стержни-в-поясе» могут рассматри­
ваться как совокупность моноядерных комплексов.
Для исследования структуры электронных состояний вблизи уровня Фер­
ми использовалась комбинация NEXAFS спектроскопии и ФЭС валентной зо­
ны. В результате были определены энергетические положения и охарактеризо­
вана природа высших заполненных и низших незаполненных орбиталей. Экспе­
риментально обнаружено, что низшие незаполненные молекулярные орбитали
для всех рассматриваемых комплексов расположены вблизи уровня Ферми и
локализованы преимущественно на углеродном скелете системы. Для харак­
теризации структуры заполненных состояний были использованы следующие
подходы: резонансная ФЭС и варьирование энергии фотонов. Установлено, что
верхняя заполненная молекулярная орбиталь Au-Cu систем сформирована пре­
имущественно 3d-орбиталями меди и 2p-орбиталями атомов углерода тройной
связи, тогда как в Au-Ag комплексах верхняя заполненная молекулярная ор­
биталь состоит из 2p-орбиталей атомов углерода тройной связи и 4d-орбита­
лей серебра, причем вклад d-орбиталей серебра здесь существенно меньше по
сравнению с вкладом d-орбиталей меди в верхнюю заполненную молекулярную
орбиталь Au-Cu комплексов.
Также выявлена взаимосвязь между природой атомов металла гетероме­
таллического ядра комплекса и шириной запрещенной зоны: Au-Cu комплексы
характеризуются шириной запрещенной зоны примерно 2,2 эВ, Au-Ag агрега­
ты – 2,5 эВ. Экспериментально показано, что с увеличением линейных размеров
комплекса ширина запрещенной зоны не изменяется.
Насколько нам известно, на данный момент не существует других опубли­
113
кованных в литературе примеров детального экспериментального исследования
электронной энергетической структуры супрамолекулярных кластерных ком­
плексов.
Проведенные экспериментальные исследования, результаты которых изло­
жены в главе 3, расширяют современные представления о химии макробиомо­
лекул, а именно, дают новую информацию о фундаментальных процессах фи­
зико-химических взаимодействий между переходными металлами и белком в
условиях вакуума. В настоящей работе для исследований использовались наи­
более технологически важные металлы: золото, медь и железо, а также белок
S-слоя Lysinibacillus sphaericus NCTC 9602, являющийся стабильной природной
белковой мембраной.
На основе анализа ФЭ спектров остовных уровней белка показано, что
при нанесении золота на S-слой в вакууме не происходит значительного хими­
ческого взаимодействия между белком и металлом. Это приводит к диффузии
атомов металла по поверхности S-слоя, и, как следствие, к образованию нано­
частиц золота. За формированием и ростом наночастиц можно проследить по
размерному эффекту в ФЭ спектрах Au 4f остовного уровня.
Экспериментально обнаружено, что в результате химического взаимодей­
ствия между белком S-слоя и такими переходными металлами, как медь и
железо, происходит образование гибридных комплексов меди(I) и железа(II),
соответственно. Особенностью взаимодействия, происходящего между рассмат­
риваемыми металлами и S-слоем, является стабилизация енольной формы пеп­
тидной связи. На основании спектроскопических данных предложены модели,
описывающие данные процессы. Выявлено, что образование гибридов «медь­
белок» и «железо-белок» происходит преимущественно на интерфейсе, что обу­
словлено незначительной степенью диффузии атомов металла внутрь белкового
S-слоя. Обнаружено, что гибридная система на основе меди и белка S-слоя явля­
ется достаточно стабильной, что делает медь потенциальным кандидатом для
возможного будущего применения в гибридных структурах «металл-белок». По­
114
казано, что гибридная система, образующаяся в процессе осаждения железа на
белок S-слоя, является химически нестабильной и разлагается на различные
неорганические вещества как оксиды, карбиды, нитриды или цианиды железа.
Материалы диссертации опубликованы в печатных работах [41–45, 93, 94,
165].
115
Список сокращений и условных обозначений
АО — атомная орбиталь
МО — молекулярная орбиталь
ОВР — окислительно-восстановительная реакция
СВВ — сверхвысокий вакуум
СИ — синхротронное излучение
ФЭ — фотоэлектронный
ФЭС — фотоэлектронная спектроскопия
ЯМР — ядерный магнитный резонанс
DFT — density functional theory (теория функционала плотности)
LUMO — lowest unoccupied molecular orbital (нижняя незаполненная моле­
кулярная орбиталь)
HOMO — highest occupied molecular orbital (верхняя заполненная молеку­
лярная орбиталь)
NEXAFS — near-edge absorption fine structure (ближняя тонкая структура
рентгеновских спектров поглощения)
TEY — полный квантовый выход
116
Список литературы
1. Photoemission in Solids I / Ed. by M. Cardona, L. Ley. Berlin: Springer, 1978.
2. Huefner S. Photoelectron Spectroscopy, Principles and Applications.
Berlin-Heidelberg-New York: Springer, 2003.
3. Carlson T. A. Photoelectron Spectroscopy // Annual Review of Physical Chem­
istry. 1975. Vol. 26. P. 211–234.
4. Siegbahn K. Electron spectroscopy for atoms, molecules, and condensed mat­
ter // Rev. Mod. Phys. 1982. Vol. 54. P. 709.
5. Reinert F., Hüfner S. Photoemission spectroscopy-from early days to recent
applications // New Journal of Physics. 2005. Vol. 7. P. 97.
6. Fadley C. S. X-ray photoelectron spectroscopy: Progress and perspectives //
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2010. Vol. 178-179.
P. 2–32.
7. B. Feuerbacher B. F., Willis R. F. Photoemission and the Electronic Properties
of Surfaces. Chichester: Wiley, 1978.
8. Kevan S. D. Angle Resolved Photoemission-Theory and Current Applications.
Amsterdam: Elsevier, 1992.
9. Solid-State Photoemission and Related Methods: Theory and Experiment /
Ed. by W. Schattke, M. A. V. Hove. Weinheim: Wiley-VCH, 2003.
10. Seah M. P. Data compilations: their use to improve measurement certainty
in surface analysis by AES and XPS // Surf. Interface Annal. 1986. Vol. 9.
P. 85–98.
11. Wilson S. Electron correlation in molecules. USA: Oxford University Press,
1984.
12. Stöhr J. NEXAFS Spectroscopy. Berlin: Springer, 1992.
13. Synchrotron Radiation Research / Ed. by H. Winick, S. Doniach. New York:
Plenum Press, 1980.
14. Hähner G. Near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy as a tool to
117
probe electronic and structural properties of thin organic films and liquids //
Chem. Soc. Rev. 2006. Vol. 35. P. 1244–1255.
15. Dawydow A. S. Quantenmechanik. Berlin: VEB Deutscher Verlag der Wis­
senschaften, 1981.
16. Outka D. A., Stöhr J., Madix R. J. et al. NEXAFS studies of complex alcohols
and carboxylic acids on the Si(111)(7×7) surface // Surface Science. 1987.
Vol. 185. P. 53–74.
17. Cooper G., Gordon M., Tulumello D. et al. Inner shell excitation of glycine,
glycyl-glycine, alanine and phenylalanine // J. Electron Spectrosc. Relat. Phe­
nom. 2004. Vol. 137-140. P. 795–799.
18. Сайт
тоды
Ресурсного
исследования
Центра
СПбГУ
поверхности».
«Физические
URL:
ме­
http://
surface.spbu.ru/ru/oborudovanie/2-uncategorised/
4-kompleksnyj-spektrometr-thermo-scientific-escalab-250xi.
19. Vyalikh D. V., Fedoseenko S. I., Iossifov I. E. et al. Commissioning of the
Russian-German XUV Beamline at BESSY II // Synch. Rad. News. 2002.
Vol. 15. P. 25–29.
20. Fedoseenko S. I., Vyalikh D. V., Iossifov I. F. et al. Commissioning results and
performance of the high-resolution Russian–German Beamline at BESSY II //
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A: Nucl. Instr. and Meth. 2003. Vol.
505. P. 718–728.
21. Molodtsov S. L., Fedoseenko S. I., Vyalikh D. V. et al. High-resolution Rus­
sian–German beamline at BESSY // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2009.
Vol. 94. P. 501–505.
22. Web-page of Russian-German Laboratory at BESSY II. URL: http://www.
bessy.de/rglab/spmeter.html.
23. Koshevoy I. O., Koskinen L., Haukka M. et al. Self-assembly of supramolec­
ular luminescent Au(I)-Cu(I) complexes: “wrapping” an Au6 Cu6 cluster in
a [Au3 (diphosphine)3 ]3+ “belt” // Angew. Chem., Int. Ed. 2008. Vol. 47.
118
P. 3942–3945.
24. Koshevoy I. O., Karttunen A. J., P S. et al. Supramolecular luminescent
gold(I)-copper(I) complexes: self-assembly of the Aux Cuy clusters inside the
[Au3 (diphosphine)3 ]3+ triangles // Inorg. Chem. 2008. Vol. 47. P. 9478–9488.
25. Koshevoy I. O., Lin Y.-C., Karttunen A. J. et al. Intensely Luminescent
Alkynyl-Phosphine Gold(I)-Copper(I) Complexes: Synthesis, Characterization,
Photophysical, and Computational Studies // Inorg. Chem. 2009. Vol. 48.
P. 2094–2102.
26. Koshevoy I. O., Karttunen A. J., Tunik S. P. et al. Synthesis, Char­
acterization, Photophysical, and Theoretical Studies of Supramolecular
Gold(I)-Silver(I) Alkynyl-Phosphine Complexes // Organometallics.
2009.
Vol. 28. P. 1369–1376.
27. Wahl R., Mertig M., Raff J. et al. Electron-Beam Induced Formation of High­
ly Ordered Palladium and Platinum Nanoparticle Arrays on the S Layer of
Bacillus sphaericus NCTC 9602 // Adv. Mater. 2001. Vol. 13. P. 736–740.
28. Horcas I., Fernandez R., Gomez-Rodriguez J. M. et al. WSXM: A software for
scanning probe microscopy and a tool for nanotechnology // Rev. Sci. Instrum.
2007. Vol. 78. P. 013705.
29. Koshevoy I. O., Karttunen A. J., Tunik S. P. et al. Reversible protonation
of amine-functionalized luminescent Au-Cu clusters: Characterization, photo­
physical and theoretical studies // Dalton Trans. 2010. Vol. 39. P. 2676–2683.
30. Krytchankou I. S., Krupenya D. V., Gurzhiy V. V. et al. Synthesis, character­
ization and photophysical properties of gold(I)-copper(I) alkynyl clusters with
1,4-bis(diphenylphosphino)butane, effect of the diphosphine ligand on lumines­
cence characteristics // J. Organomet. Chem. 2013. Vol. 723. P. 65–71.
31. Koshevoy I. O., Ostrova P. V., Karttunen A. J. et al. Assembly of the het­
erometallic Au(I)-M(I) (M = Cu, Ag) clusters containing the dialkyne-derived
diphosphines: Synthesis, luminescence and theoretical studies // Dalton Trans.
2010. Vol. 39. P. 9022–9031.
119
32. Koshevoy I. O., Lin Y.-C., Karttunen A. J. et al. An intensely and oxygen
independent phosphorescent gold(I)-silver(I) complex: “trapping” an Au8 Ag10
oligomer by two gold-alkynyl-diphosphine molecules // Chem. Commun. 2009.
Vol. 20. P. 2860–2862.
33. Koshevoy I. O., Lin C.-L., Karttunen A. J. et al. Highly luminescent octanucle­
ar Au(I)-Cu(I) clusters adopting two structural motifs: The effect of aliphatic
alkynyl ligands // Chem. Eur. J. 2011. Vol. 17. P. 11456–11466.
34. Koshevoy I. O., Karttunen A. J., Shakirova J. R. et al. Halide-directed assem­
bly of multicomponent systems: highly ordered Au(I)-Ag(I) molecular aggre­
gates // Angew. Chem., Int. Ed. 2010. Vol. 49. P. 8864–8866.
35. Domenech A., Koshevoy I. O., Montoya N., Pakkanen T. A. Estimation of free
energies of anion transfer from solid-state electrochemistry of alkynyl-based
Au(I) dinuclear and Au(I)-Cu(I) cluster complexes containing ferrocenyl
groups // Electrochem. Commun. 2011. Vol. 13. P. 96–98.
36. Lin Y.-C., Chou P.-T., Koshevoy I. O., Pakkanen T. A. Studies of two-photon
property of intensely luminescent alkynyl-phosphine Gold(I)-Copper(I) com­
plexes // J. Phys. Chem. A. 2009. Vol. 113. P. 9270–9276.
37. Koshevoy I. O., Smirnova E. S., Domenech A. et al. Synthesis, electrochemi­
cal and theoretical studies of the Au(I)-Cu(I) heterometallic clusters bearing
ferrocenyl groups // Dalton Trans. 2009. Vol. 39. P. 8392–8398.
38. Dereza P. Y., Krytchankou I. S., Krupenya D. V. et al. Synthesis, struc­
tural characterization, and photophysical properties of AuI-CuI heterometal­
lic alkynyl cluster complexes containing N-protected amino acid groups // Z.
Anorg. Allg. Chem. 2013. Vol. 639. P. 398–402.
39. Krupenya D. V., Snegurov P. A., Grachova E. V. et al. New Supramolecular
AuI -CuI Complex as Potential Luminescent Label for Proteins // Inorg. Chem.
2013. Vol. 52(21). P. 12521–12528.
40. Chelushkin P. S., Krupenya D. V., Tseng Y.-J. et al. Water-Soluble Noncovalent
Adducts of the Heterometallic Copper Subgroup Complexes and Human Serum
120
Albumin with Remarkable Luminescent Properties // Chem. Commun. 2014.
Vol. 50. P. 849–851.
41. Makarova A. A., Grachova E. V., Krupenya D. V. et al. Combined photoemis­
sion and X-ray absorption study of the “rods-in-belt” supramolecular complex­
es containing gold-copper and gold-silver clusters // Fourth Joint BER II and
BESSY II Users Meeting (Berlin, Germany); Book of abstracts. 2012. P. 34.
42. Makarova A. A., Grachova E. V., Krupenya D. V. et al. Self-Assembled
Supramolecular Complexes with “Rods-in-Belt” Architecture in the Light of
Soft X-rays // J. Phys. Chem. C. 2013. Vol. 117. P. 12385–12392.
43. Makarova A. A., Grachova E. V., Krupenya D. V. et al. Self-assembled
supramolecular complexes with “rods-in-belt” architecture in the light of soft
X-rays // 15th European Conference on Applications of Surface and Interface
Analysis (ECASIA ’13) (Cagliari, Italy) - Book of abstracts. 2013. P. 156.
44. Makarova A. A., Grachova E. V., Krupenya D. V. et al. Self-Assembled
Supramolecular Complexes with “Rods-in-Belt” Architecture in the Light of
Soft X-Rays // 12th International Conference on Atomically Controlled Sur­
faces, Interfaces and Nanostructures (ACSIN-12) (Tsukuba, Japan);– Book of
abstracts. 2013. P. 213.
45. Makarova A. A., Grachova E. V., Krupenya D. V. et al. Insight into the
electronic structure of the supramolecular “rods-in-belt” Au(I)-Cu(I) and
Au(I)-Ag(I) self-assembled complexes from X-ray photoelectron and absorp­
tion spectroscopy // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2014. Vol. 192.
P. 26–34.
46. Domenech A., Koshevoy I. O., Montoya N., Pakkanen T. A. Electrochemi­
cal anion sensing using electrodes chemically modified with Au(I)–Cu(I) het­
erotrimetallic alkynyl cluster complexes containing ferrocenyl groups // Anal.
Bioanal. Chem. 2010. Vol. 397. P. 2013–2022.
47. Pyykkö P. Theoretical Chemistry of Gold // Angew. Chem. Int. Ed. 2004.
Vol. 43. P. 4412–4456.
121
48. Li D., Hong X., Che C.-M. et al. Luminescent gold(I) acetylide com­
plexes. Photophysical and photoredox properties and crystal structure of
[Au(C ≡ CPh)2 (𝜇 − Ph2 PCH2 CH2 PPh2 )] // J. Chem. Soc., Dalton Trans.
1993. Vol. 19. P. 2929–2931.
49. Wong K. M.-C., Hung L.-L., Lam W. H. et al. A Class of Lu­
minescent Cyclometalated Alkynylgold(III) Complexes: Synthesis, Char­
acterization,
and
Electrochemical,
Photophysical,
and
Computational
Studies of [Au(C∧ N∧ C)(C≡C-R)] (C∧ N∧ C=k3 C,N,C Bis-cyclometalated
2,6-Diphenylpyridyl) // J. Am. Chem. Soc. 2007. Vol. 129. P. 4350–4365.
50. Liu L., Wong W.-Y., Poon S.-Y. et al. Effect of Acetylenic Chain Length
on the Tuning of Functional Properties in Fluorene-Bridged Polymetallaynes
and Their Molecular Model Compounds // Chem. Mater. 2006. Vol. 18.
P. 1369–1378.
51. Huang C.-C., Lin Y.-C., Lin P.-Y., Chen Y.-J. Star-Shaped Molecules Con­
taining Polyalkynyl Groups with Metal Moieties on Benzene and Triphenylene
Cores // Eur. J. Org. Chem. 2006. Vol. 19. P. 4510–4518.
52. Maiti J., Kakati N., Lee S. H., Yoon Y. S. Fluorination of multiwall carbon
nano-tubes by a mild fluorinating reagent HPF6 // J. Fluorine Chem. 2012.
Vol. 135. P. 362–366.
53. Aw B. H., Looh K. K., Chan H. S. O. et al. X-Ray photoelec­
tron
spectroscopic
characterization
of
[Pt(PPh3 )2 (𝜇3 − S)2 PtCl2 ],
[Pt2 (PPh3 )4 (𝜇3 − S)2 Cu2 (𝜇 − dppf)][PF6 ]2 [dppf = Fe(C5 H4 PPh2 )2 ]
and
other heterometallic aggregates derived from [Pt(PPh3 )2 (𝜇 − S)2 ] // J. Chem.
Soc., Dalton Trans. 1994. Vol. 21. P. 3177–3182.
54. Battistoni C., Mattogno G., Mingos D. M. P. Characterization of some gold
cluster compounds by X-Ray photoelectron spectroscopy // Journal of Electron
Spectroscopy and Related Phenomena. 1984. Vol. 33. P. 107–113.
55. Ananikov V. P., Beletskaya I. P. Toward the ideal catalyst: from atomic centers
to a “cocktail” of catalysts // Organometallics. 2012. Vol. 31. P. 1595–1640.
122
56. Qian H., Zhu M., Wu Z., Jin R. Quantum sized gold nanoclusters with atomic
precision // Acc. Chem. Res. 2012. Vol. 45. P. 1470–1479.
57. Battistoni C., Mattogno G., Cariati F. et al. XPS photoelec-tron spectra of
cluster compounds of gold // Inorg. Chim. Acta. 1977. Vol. 24. P. 207–210.
58. Wertheim G. K., Kwo J., Teo B. K., Keating K. A. XPS study of bond-ing in
ligated Au clusters // Solid State Commun. 1985. Vol. 55. P. 357–361.
59. Attekum P. M. T. M. V., der Velden J. W. A. V., Trooster J. M. X-ray
photo-electron spectroscopy study of gold cluster and gold(I) phosphine com­
pounds // Inorg. Chem. 1980. Vol. 19. P. 701–704.
60. Irwin M. J., Jia G., Payne N. C., and R. J. P. Rigid-rod polymers and model­
compounds with gold(I) centers bridged by diisocyanides and diacetylides //
Organometallics. 1996. Vol. 15. P. 51–57.
61. Shul’ga Y. M., Bulatov A. V., Could R. A. T. et al. X-ray photoelectron
spectroscopy of a series of heterometallic gold-platinumphosphine cluster com­
pounds // Inorg. Chem. 1992. Vol. 31. P. 4704–4706.
62. Nunokawa K., Onaka S., Ito M. et al. Synthesis, single crystal X-ray analysis,
and TEM for a single-sized Au11 cluster stabilized by SR ligands: The interface
between molecules and particles // J. Organomet. Chem. 2006. Vol. 691.
P. 638–642.
63. Wertheim G. K., DiCenzo S. B. Cluster growth and core-electron binding en­
ergies in supported metal clusters // Phys. Rev. B. 1988. Vol. 37. P. 844–847.
64. Mason M. G. Electronic structure of supported small metal clusters // Phys.
Rev. B. 1983. Vol. 27. P. 748–762.
65. Bellon P., Manassero M., Sansoni M. An Octahedral Gold Cluster: Crystal and
Molecular Structure of hexakis[tris-(p-tolyl)phosphine]-octahedro-hexagold
bis(tetraphenylborate) // J. Chem. Soc. Dalton. 1973. Vol. 22. P. 2423–2427.
66. Briant C. E., Theobald B. R. C., White J. W. et al. Synthesis and X-Ray Struc­
tural Characterization of the Centred Icosahedral Gold Cluster Compound
[Au13 (PMe2 Ph)10 Cl2 ](PF6 )3 ; the Realization of a Theoretical Prediction // J.
123
Chem. Soc., Chem. Commun. 1981. Vol. 5. P. 201–202.
67. Hall K. P., Theoblad B. R. C., Gilmour D. I. et al. Synthesis and Structural
Characterization of [Au9 {P(p − C6 H4 OMe)3 }8 ](BF4 )3 ; a Cluster with a Cen­
tred Crown of Gold Atoms // J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1982. Vol. 10.
P. 528–530.
68. Bellon P., Manassero M., Sansoni M. Crystal and Molecular Structure of
tri-iodoheptakis(tri-p-fluorophenylphosphine)undecagold // J. Chem. Soc. Dal­
ton. 1972. Vol. 14. P. 1481–1487.
69. Kong M. J., Teplyakov A. V., Lyubovitsky J. G., Bent S. F. NEXAFS studies of
adsorption of benzene on Si(100)-2×1 // Surf. Sci. 1998. Vol. 411. P. 286–293.
70. Flesch R., Serdaroglu E., Blobner F. et al. Gas-to-solid shift of C 1s-excited
benzene // Phys. Chem. Chem. Phys. 2012. Vol. 14. P. 9397–9402.
71. Kummer K., Vyalikh D. V., Gavrila G. et al. Electronic structure of genomic
DNA: a photoemission and X-ray absorption study // J. Phys. Chem. B. 2010.
Vol. 114. P. 9645–9652.
72. Vyalikh D. V., Danzenbächer S., Mertig M. et al. Electronic structure of regular
bacterial surface layers // Phys.Rev. Lett. 2004. Vol. 93. P. 238103.
73. Oji H., Mitsumoto R., Ito E. et al. Core hole effect in NEXAFS spec­
troscopy of polycyclic aromatic hydro-carbons: benzene, chrysene, perylene,
and coronene // J. Chem. Phys. 1998. Vol. 109. P. 10409–10418.
74. Kikuma J., Tonner B. P. Photon energy dependence of valence band photoe­
mission and resonant photoemission of polystyrene // J. Electron Spectrosc.
Relat.Phenom. 1996. Vol. 82. P. 41–52.
75. Friedlein R., Sorensen S. L., Baev A. et al. Role of electronic localization and
charge-vibrational coupling in resonant photoelectron spectra of polymers: ap­
plication to poly(para-phenylenevinylene) // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 69.
P. 125204.
76. Porwol T., Dömötör G., Freund H.-J. et al. Autoinozation versus photoioniza­
tion and Auger decay of physisorbed molecular adsorbates: condensed benzene
124
on Cu (110) // Phys. Scripta. 1992. Vol. T41. P. 197–207.
77. Wurth W., Menzel D. Decay channels of resonant and continuum core excita­
tions in condensed ethylene and cyclohexane // J. Electron Spectrosc. Relat.
Phenom. 1993. Vol. 62. P. 23–31.
78. Vyalikh D. V., Kummer K., Kade A. et al. Site-specific electronic structure of
bacterial surface protein layers // Appl. Phys. A. 2009. Vol. 94. P. 455–459.
79. Vyalikh D. V., Maslyuk V. V., Blüher A. et al. Charge transport in pro-teins
probed by resonant photoemission // Phys. Rev. Lett.
2009.
Vol. 102.
P. 098101.
80. Yeh J. J., Lindau I. Atomic Subshell Photoionization Cross Sections and Asym­
metry Parameters: 1 ≤ 𝑍 ≤ 103 // At. Data Nucl. Data Tables. 1985. Vol. 32.
P. 1–155.
81. Gelius U., Siegbahn K. ESCA studies of molecular core and valence levels in
the gas phase // Faraday Discuss. Chem. Soc. 1972. Vol. 54. P. 257–268.
82. Cannington P. H., Ham N. S. He(I)/He(II) photoelectron band intensity ra­
tios for simple organic molecules // J. of Electron Spectroscopy and Related
Phenomena. 1983. Vol. 31. P. 175–179.
83. Cauletti C., de Simone M., Stranges S. et al. Gas-phase valence photoelectron
spectra of Ni(II) acetylacetonate with synchrotron radiation // J. of Electron
Spectroscopy and Related Phenomena. 1995. Vol. 76. P. 277–281.
84. Pireaux J. J., de Meulemeester R., Roberfroid E. M. et al. Excimer Laser (𝜆=
193 nm) versus Al K𝛼 X-ray Damages on Polymer Surfaces: An XPS (Core
and Valence Levels) Analysis of Polytetrafluoroethylene, Polypropylene and
Polyethylene // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. 1995. Vol. 105.
P. 186–191.
85. Novak B. M. Hybrid Nanocomposite Materials-between inorganic glasses and
organic polymers // Adv. Mater. 1993. Vol. 5. P. 422.
86. Wysokowski M., Behm T., Born R. et al. Preparation of chitin–silica compos­
ites by in vitro silicification of two-dimensional Ianthella basta demosponge
125
chitinous scaffolds under modified Stober conditions // Materials Science and
Engineering: C. 2013. Vol. 33. P. 3935–3941.
87. Harreld J. H., Dunn B., Zink J. I. Effects of organic and inorganic network
development on the opticalproperties of ORMOSILs // J. Mater. Chem. 1997.
Vol. 7. P. 1511–1517.
88. Dire S., Babonneau F., Sanchez C., Livage J. Sol–gel synthesis of siloxane–oxide
hybrid coatings [𝑆𝑖(𝐶𝐻3 )2 𝑂Δ𝑀 𝑂𝑥 : 𝑀 = 𝑆𝑖, 𝑇 𝑖, 𝑍𝑟, 𝐴𝑙] with luminescent
properties // J. Mater. Chem. 1992. Vol. 2. P. 239–244.
89. Fujinami T., Sugie K., Mori K., Mehta M. A. New Inorganic-Organic Hybrid
Li+ Ion Conducting Polymer Electrolytes // Chem. Lett. 1998. Vol. 27. P. 619.
90. Hernan P., Pino C. D., Ruiz-Hitzky E. Rhodium complexes with nitrogen-donor
ligands anchored on silicic supports. 1. Synthesis and characterization // Chem.
Mater. 1992. Vol. 4. P. 49–55.
91. Battioni P., Cardin E., Louloudi M. et al. Metalloporphyrinosilicas: a new class
of hybrid organic–inorganic materials acting as selective biomimetic oxidation
catalysts // Chem. Commun. 1996. Vol. 17. P. 2037–2038.
92. Reetz M. T. Entrapment of biocatalysts in hydrophobic sol-gel materials for
use in organic chemistry // Adv. Mater. 1997. Vol. 943-954. P. 9.
93. Makarova A. A., Neudachina V. S., Grachova E. V. et al. Chemistry in Met­
al-Protein Systems under Vacuum // Fifth Joint BER II and BESSY II Users
Meetings (Berlin, Germany);- Book of abstracts. 2013. P. 84.
94. Makarova A. A., Grachova E. V., Neudachina V. S. et al. Insight into Bio-metal
Interface Formation in vacuo: Interplay of S-layer Protein with Copper and
Iron // 30th European Conference on Surface Science (ECOSS’30); (Antalya,
Turkey) - Book of abstracts. 2014. P. 263.
95. Anfinsen C., Edsall J., Richards F., Eisenberg D. Advances in Protein Chem­
istry. New York: Academic Press, 1995.
96. Howard G. C., Brown W. E. Modern Protein Chemistry: Practical Aspects,.
CRC Press, 2001.
126
97. Langel U., Cravatt B. F., Graslund A. et al. Introduction to Peptides and
Proteins. CRC Press, 2009.
98. Макурина О. Н. Химия белка и ферментов. Самара: Универс Групп, 2007.
99. book
Introduction
ological.
to
Chemistry:
URL:
General,
Organic,
and
Bi­
http://2012books.lardbucket.org/books/
introduction-to-chemistry-general-organic-and-biological/
s21-04-proteins.html.
100. Protein Stability and Folding, Theory and Practice, Methods in Molecular
Biology, / Ed. by B. A. Shirley. Humana Press, 1995.
101. Protein Structure, Stability and Folding, Methods in Molecular Biology / Ed.
by K. P. Murphy. Humana Press, 2001.
102. Breuker K., McLafferty F. W. Stepwise evolution of protein native structure
with electrospray into the gas phase, 10-12 to 10-2 s // PNAS. 2008. Vol. 105.
P. 18145–18152.
103. Ruotolo B. T., Robinson C. V. Aspects of native proteins are retained in vac­
uum // Curr. Opinion Chem. Biol. 2006. Vol. 10. P. 402.
104. Meyer T., Gabelica V., Grubmüller H., Orozco M. Proteins in the gas phase //
Computational Molecular Science. 2012. Vol. 3. P. 408–425.
105. Barrera N. P., Robinson C. V. Advances in the mass spectrometry of membrane
proteins: from individual proteins to intact complexes // Annu. Rev. Biochem.
2011. Vol. 80. P. 247–271.
106. Kjeldsen F., Silivra O. A., Zubarev R. A. Zwitterionic States in Gas-Phase
Polypeptide Ions Revealed by 157-nm Ultra-Violet Photodissociation // Chem.
Eur. J. 2006. Vol. 12. P. 7620.
107. Marchese R., Grandori R., Carloni P., Raugei S. On the Zwitterionic Nature
of Gas-Phase Peptides and Protein Ions // PLOS Comp. Biol. 2010. Vol. 6.
P. e1000775.
108. Fagan R. P., Fairweather N. F. Biogenesis and functions of bacterial S-layers //
Nature Reviews Microbiology. 2014. Vol. 12. P. 211–222.
127
109. Boot H. J., Pouwels P. H. Expression, secretion and antigenic variation of
bacterial S-layer proteins // Mol. Microbiol. 1996. Vol. 21. P. 1117–1123.
110. Sleytr U. B., Egelseer E. M., Ilk N. et al. S-Layers as a basic building block in
a molecular construction kit // FEBS Journal. 2007. Vol. 274. P. 323–334.
111. Schuster B., Gyorvary E., Pum D., Sleytr U. B. Nanotechnology with S-layer
proteins // Methods Mol. Biol. 2005. Vol. 300. P. 101–123.
112. Sleytr U. B., Beveridge T. J. Bacterial S-layers // Trends Microbiol. 1999.
Vol. 7. P. 253–260.
113. Sidhu M. S., OIsen I. S-layers of Bacillus species // Microbiology. 1997. Vol.
143. P. 1039–1052.
114. Pollmann K., Raff J., Merroun M. et al. Metal binding by bacteria from ura­
nium mining waste piles and its technological applications // Biotechnology
Advances. 2006. Vol. 24. P. 58– 68.
115. Pollmann K., Raff J., Schnorpfeil M. et al. Novel surface layer protein genes in
Bacillus sphaericus associated with unusual insertion elements // Microbiology.
2005. Vol. 151. P. 2961–2973.
116. Aichmayer B., Mertig M., Kirchner A. et al. Small-Angle Scattering of S-Layer
Metallization // Adv. Mater. 2006. Vol. 18. P. 915–919.
117. Vyalikh D. V., Kirchner A., Danzenbächer S. et al. Photoemission and
Near-Edge X-Ray Absorption Fine Structure studies of the bacterial surface
protein layer of Bacillus sphaericus NCTC 9602 // J. Phys. Chem. B. 2005.
Vol. 109. P. 18620.
118. Vyalikh D. V., Kirchner A., Kade A. et al. Spectroscopic studies of the electron­
ic properties of regularly arrayed two-dimensional protein layers // Journal of
Physics: Condensed Matter. 2006. Vol. 18. P. 131.
119. Polzonetti G., Battocchio C., Dettin M. et al. Self-assembling peptides: A
combined XPS and NEXAFS investigation on the structure of two dipeptides
Ala–Glu, Ala–Lys // Mat. Sci. Eng. C. 2008. Vol. 28. P. 309–315.
120. Shamsi F., Coster H. G. L., Jolliffe K. A., Chilcott T. Characterization of
128
the substructure and properties of immobilized peptides on silicon surface //
Mater. Chem. Phys. 2011. Vol. 126. P. 955–961.
121. Eby D. M., Artyushkova K., Paravastu A. K., Johnson G. R. Probing the
molecular structure of antimicrobial peptide-mediated silica condensation using
X-ray photoelectron spectroscopy // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22. P. 9875.
122. Boese J., Osanna A., Jacobsen C., Kirz J. Carbon edge XANES spectroscopy
of amino acids and peptides // J. Electron Spectrosc.Relat. Phenom. 1997.
Vol. 85. P. 9–15.
123. Kaznacheyev K., Osanna A., Jacobsen C. et al. Innershell Absorption Spec­
troscopy of Amino Acids // J. Phys. Chem. A. 2002. Vol. 106. P. 3153–3168.
124. Carravetta V., Plashkevych A., Aagren H. A theoretical study of the near-edge
X-ray absorption spectra of some larger amino acids // J. Chem. Phys. 1998.
Vol. 109. P. 1456–1464.
125. Ireta J., Galvan M., Cho K., Joannopoulos J. D. Local Reactivity of Charyb­
dotoxin, a K+ Channel Blocker // J. Am. Chem. Soc.
1998.
Vol. 120.
P. 9771–9778.
126. Zubavichus Y., Zharnikov M., Shaporenko A. et al. Soft X-ray induced decom­
position of phenylalanine and tyrosine: a comparative study // J. Phys. Chem.
A. 2004. Vol. 108. P. 4557–4565.
127. Zubavichus Y., Fuchs O., Weinhardt L. et al. Soft X-Ray-Induced Decompo­
sition of Amino Acids: An XPS, Mass Spectrometry, and NEXAFS Study //
Radiation Research. 2004. Vol. 161. P. 346–358.
128. Carugo O., Carugo K. D. When X-rays modify the protein structure: radiation
damage at work // Trends Biochem Sci. 2005. Vol. 30. P. 213–219.
129. Sliz P., Harrison S. C., Rosenbaum G. How does radiation damage in protein
crystals depend on X-ray dose? // Structure. 2003. Vol. 11. P. 13–19.
130. Kade A., Vyalikh D. V., Danzenbächer S. et al. Photoemission electron mi­
croscopy of bacterial surface protein layers: X-ray damage // J. Phys. Chem.
B. 2007. Vol. 111. P. 13491.
129
131. Beetz T., Jacobsen C. Soft X-ray radiation-damage studies in PMMA using a
cryo-STXM // J. Synchrotron Rad. 2002. Vol. 10. P. 280–283.
132. Wang J., Morin C., Li L. et al. Radiation damage in soft X-ray microscopy //
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 2009. Vol. 170.
P. 25–36.
133. Kade A., Kummer K., Vyalikh D. V. et al. X-ray damage in protein-metal hy­
brid structures: A photoemission electron microscopy study // J. Phys. Chem.
B. 2010. Vol. 114. P. 8284–8289.
134. Wertheim G. K., DiCenzo S. B., Youngquist S. E. Unit Charge on Supported
Gold Clusters in Photoemission Final State // Phys. Rev. Lett. 1983. Vol. 51.
P. 2310.
135. Johnson P. S., Cook P. L., Liu X. et al. Universal mechanism for breaking amide
bonds by ionizing radiation // J. Chem. Phys. 2011. Vol. 135. P. 044702.
136. Derylo-Marczewska A., Goworek J., Pikus S. et al. Characterization of
Melamine-Formaldehyde Resins by XPS, SAXS, and Sorption Techniques //
Langmuir. 2002. Vol. 18. P. 7538–7543.
137. Lim S. L., Tan K. L., Kang E. T. In Situ XPS Study of the Interactions of
Evaporated Copper Atoms with Neutral and Protonated Polyaniline Films //
Langmuir. 1998. Vol. 14. P. 5305–5313.
138. Liu X.-H., Guan C.-Z., Ding S.-Y. et al. On-Surface Synthesis of Single-Lay­
ered Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks via Solid-Vapor Interface
Reaction // J. Am. Chem. Soc. 2013. Vol. 135. P. 10470–10474.
139. Biwer B. M., Bernasek S. L. Electron spectroscopic study of the iron surface
and its interaction with oxygen and nitrogen // J. Electron Spectrosc. 1986.
Vol. 40. P. 339–351.
140. Yatsimirskii K. B., Nemoshkalenko V. V., Nazarenko Y. et al. Use of X-ray
photoelectron and Mössbauer spectroscopies in the study of iron pentacyanide
complexes // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1977.
Vol. 10. P. 239–245.
130
141. Schedel-Niedrig T., Weiss W., Schlögl R. Electronic structure of ultrathin or­
dered iron oxide films grown onto Pt(111) // Phys. Rev. B. 1995. Vol. 52.
P. 17449–17460.
142. McIntyre N. S., Zetaruk D. G. X-ray Photoelectron Spectroscopic Studies of
Iron Oxides // Anal. Chem. 1977. Vol. 49. P. 1521–1529.
143. Brundle C. R., Chuang T. J., Wandelt K. Core and valence level photoemission
studies of iron oxide surfaces and the oxidation of iron // Surface Science. 1977.
Vol. 68. P. 459–468.
144. Goretzki H., v. Rosenstiel P., Mandziej S. Small area MXPS- and TEM-mea­
surements on temper-embrittled 12% Cr steel // Fresenius’ Zeitschrift für An­
alytische Chemie. 1989. Vol. 333. P. 451–452.
145. Vannerberg N. G. ESCA-spectra of sodium and potassium cyanide and of sodi­
um and potassium salts of hexanometallates of 1st transition-metal series //
Chemica scripta. 1976. Vol. 9(3). P. 122–126.
146. Graat P. C. J., Somers M. A. J. Simultaneous determination of composition and
thickness of thin iron-oxide films from XPS Fe 2p spectra // Applied Surface
Science. 1996. Vol. 100/101. P. 36–40.
147. Sun Y.-P., Li X., Cao J. et al. Characterization of zero-valent iron nanoparti­
cles // Advances in Colloid and Interface Science. 2006. Vol. 120. P. 47–56.
148. Li X., Elliott D. W., Zhang W. Zero-Valent Iron Nanoparticles for Abatement
of Environmental Pollutants: Materials and Engineering Aspects // Critical
Reviews in Solid State and Materials Sciences. 2006. Vol. 31. P. 111–122.
149. Lin T.-C., Seshadri G., Kelber J. A. A consistent method for quantitative
XPS peak analysis of thin oxide films on clean polycrystalline iron surfaces //
Applied Surface Science. 1997. Vol. 119. P. 83–92.
150. Descostes M., Mercier F., Thromat N. et al. Use of XPS in the determination
of chemical environment and oxidation state of iron and sulfur samples: con­
stitution of a data basis in binding energies for Fe and S reference compounds
and applications to the evidence of surface species of an oxidized pyrite in a
131
carbonate medium // Applied Surface Science. 2000. Vol. 165. P. 288–302.
151. Gurgul J., Latka K., Hnat I. et al. Identification of iron species in FeSiBEA
by DR UV-vis, XPS and Mossbauer spectroscopy: Influence of Fe content //
Microporous and Mesoporous Materials. 2013. Vol. 168. P. 1–6.
152. Kim Y. S., Shimogaki Y. X-ray photoelectron spectroscopic characterization
of the adhesion behavior of chemical vapor deposited copper films // J. Vac.
Sci. Technol. A. 2001. Vol. 19. P. 2642.
153. Crescenzi M. D., Picozzi P., Santucci S. et al. Cluster growth of Cu on graphite:
XPS, Auger and Electron Energy Loss studies // Solid State Communications.
1984. Vol. 51. P. 811–815.
154. Grioni M., Goedkoop J. B., Schoorl R. et al. Studies of copper valence states
with Cu L3 X-ray-absorption spectroscopy // Phys. Rev. B. 1989. Vol. 39.
P. 1541–1545.
155. van der Laan G., Pattrick R. A. D., Henderson C. M. B., Vaughan D. J. Oxida­
tion state variations in copper minerals studied with Cu 2p X-ray absorption
spectroscopy // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1992. Vol. 53.
P. 1185–1190.
156. Dose V., Reusing G. The density of unoccupied electronic states in copper //
Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1982. Vol. 27.
P. 261–266.
157. D. Briggs J. T. G. Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spec­
troscopy. Chichester: IM Publications, 2003.
158. Tanuma S., Powell C. J., Penn D. R. Calculations of electorn inelastic mean free
paths. II. Data for 27 elements over the 50-2000 eV range // Surface Interface
Anal. 1991. Vol. 17. P. 911–926.
159. Sovago I., Osz K. Metal ion selectivity of oligopeptides // Dalton Trans. 2006.
Vol. 32. P. 3841–3854.
160. Dunbar R. C., Steill J. D., Polfer N. C. et al. Peptide Bond Tautomerization In­
duced by Divalent Metal Ions: Characterization of the Iminol Configuration //
132
Angew. Chem. Int. Ed. 2012. Vol. 51. P. 4591–4593.
161. Kamiya K., Boero M., Shiraishi K., Oshiyama A. Enol-to-keto Tautomerism
of Peptide Groups // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P. 4443–4450.
162. Shook R. L., Borovik A. S. Role of the Secondary Coordination Sphere in Met­
al-Mediated Dioxygen Activation // Inorg. Chem. 2010. Vol. 49. P. 3646–3660.
163. Ng G. K.-Y., Ziller J. W., Borovik A. S. Structural Diversity in Metal Com­
plexes with a Dinucleating Ligand Containing Carboxyamidopyridyl Groups //
Inorg. Chem. 2011. Vol. 50. P. 7922–7924.
164. Dunbar R. C., Polfer N. C., Berden G., Oomens J. Metal ion binding to pep­
tides: Oxygen or nitrogen sites? // Int. J. Mass Spectrom. 2012. Vol. 330.
P. 71–77.
165. Попова А. А., Шикин А. М., Рыбкин А. Г. и др. Роль ковалентного взаимо­
действия в формировании электронной структуры графена на поверхности
Ni(111) с интеркалированными слоями Au и Cu // Физика твердого тела.
2011. Т. 53. С. 2409–2413.
166. Ингольд К. Теоретические основы органической химии. Москва: Мир,
1973.
167. Тюкавкина Н. А., Бауков Ю. И., Зурабян С. Е. Биоорганическая химия.
Москва: Дрофа, 2010.
168. Ramachandran G. N., Sasisekharan V. Conformation of Polypeptides and Pro­
teins // Adv. Prot. Chem. 1968. Vol. 23. P. 283–437.
169. Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянц, Н. С. Зефиров.
Москва: Большая Российская энциклопедия, 1998. Т. 5. С. 224–225.
170. Стид Дж. В., Этвуд Дж. Л. Супрамолекулярная химия. Москва: Акаде­
мкнига, 2007. Т. 1. С. 38–41.
171. International Union of Pure and Applied Chemistry, Gold book. URL: http:
//goldbook.iupac.org/L03508.html.
172. International Union of Pure and Applied Chemistry, Gold book. URL: http:
//goldbook.iupac.org/S05498.html.
133
Приложение А
Словарь химических терминов
Таутомерия — явление обратимой структурной изомеризации; способные
к таутомерии вещества при установившемся равновесии (таутомерном равнове­
сии) одновременно содержат молекулы всех изомеров (таутомеров) в определён­
ном соотношении [166].
Сущность таутомерии заключается во взаимном превращении изомеров с
переносом какой-либо подвижной группы и соответствующим перераспределе­
нием электронной плотности [167].
Чаще всего при таутомеризации происходит миграция протона между край­
ними атомами триады — системы трёх атомов, два из которых связаны двойной
связью; миграция сопровождается перемещением двойной связи. Классическим
примером данного явления служит кето-енольная таутомерия, представлен­
ная на рисунке А.1.
Рис. А.1. Обратимый переход из енольной в кетоформу.
Частным случаем кето-енольной является амид-иминольная таутоме­
рия, которой подвергается пептидная связь в пептидах и белках (см. рис. А.2).
Миграция водорода от атома азота к кислороду приводит к перемещению двой­
ной связи. Таутомерное равновесие в белках смещено в сторону кетоформы
[168].
Хелатный цикл - координационное соединение, образуемое при взаимо­
действии атомов или ионов с полидентатными (то есть имеющими несколько
донорных центров) лигандами [169, 170].
134
Рис. А.2. Кето-енольная таутомерия пептидной связи (амид-иминольная таутомерия)
Кислота Льюиса – это любое химическое соединение (молекула либо
ион), являющееся акцептором электронной пары, и, таким образом, способное
принять пару электронов соединения-донора (основания Льюиса) на незапол­
ненную орбиталь с образованием соединения-аддукта [171].
Основания Шиффа – органические соединения общей формулы
R1 R2 C = NR3 , в которых R1 и R2 — водород, алкил или арил, R3 — алкил
или арил [172].