RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Complessi porfirinici autoorganizzati su scala nanoscopica: proprietà e applicazioni tecnologiche

Università di riferimento

Università degli Studi del SALENTO - INGEGNERIA DELL'INNOVAZIONE - ()

Responsabile dell'Unità di ricerca

Ludovico Valli

Descrizione

L'U.O. di Lecce seguirà quattro filoni di ricerca, diversi ma strettamente correlati, che consentono notevoli interazioni con le altre tre Unità coinvolte ed STMicroelectronics.
i) La maggior parte dei sistemi biologici di trasporto elettronico riguardano la bioenergetica: tra questi il sistema fotosintetico è quello più caratterizzato. L'evento fondamentale è la separazione di carica primaria indotta dalla luce. Esistono particolari complessi, Light Harvesting Complexes (LHC), costituiti da proteine e derivati porfirinici intimamente associati, le clorofille, che assorbono energia luminosa e la trasferiscono ad una coppia di molecole di clorofilla a collocate nei Centri di Reazione Fotosintetici (PRC). Un elettrone è promosso in uno stato eccitato e può essere trasferito ad una feofitina con un potenziale redox più basso quindi ad un accettore secondario, un chinone. Così gli elettroni possono migrare attraverso i pigmenti legati alla proteina e promuovere lo splitting dell'acqua, con l'intervento di un residuo di tirosina e atomi di Manganese.
La modificazione di superfici con tali pigmenti rende possibile direzionare il trasferimento elettronico verso elettrodi esterni. Perciò c'è molto interesse nell'uso dei sistemi biologici di trasferimento di carica in elettronica molecolare. Ciò giustifica l'attenzione rivolta alla realizzazione di film contenenti clorofilla a: useremo il metodo LB per ottenere film di clorofilla a pura e in miscela con un forte elettron-accettore, il C60. Stupisce che in letteratura i lavori sulle diadi fullerene-porfirina siano numerosi, mentre il sistema clorofilla a-fullerene sia quasi assente. Sarà interessante studiare fenomeni fotoindotti in miscele di queste specie: il potente accettore sintetico C60 (capace di catturare in soluzione fino a 6 elettroni con una trascurabile energia di riorganizzazione) e quello naturale della clorofilla a. Le proprietà fotofisiche della clorofilla a dipendono dalla sua organizzazione supramolecolare, cosicché è utile investigare le sue forme di aggregazione nei film sottili. La spettroscopia FTIR può essere impiegata efficacemente per identificare aggregati nei quali ossigeno e acqua svolgono un ruolo chiave coordinando gruppi carbonilici periferici. La caratterizzazione di sistemi clorofilla a/fullerene relativamente agli stati di aggregazione della porzione clorinica, consentirebbe di correlare la struttura supramolecolare alle proprietà fotoelettriche. Molecole di clorofilla diverse dalla a, naturali o artificiali, possono essere sperimentate per migliorare le proprietà fotofisiche. La presenza di gas e soluti può influenzare gli stati di aggregazione della clorofilla, dunque è interessante studiare i cambiamenti molecolari indotti da tali specie mediante perfusion-induced ATR-FTIR spectroscopy. Questa tecnica innovativa è stata usata con successo per lo studio di transizioni redox di cofattori porfirinici in proteine di membrana. Nella spettroscopia ATR-FTIR il raggio IR interagisce con il campione depositato come film esplorandolo all'interfaccia mediante l'onda IR evanescente. L'interesse del metodo risiede nella possibilità di variare il mezzo sovrastante la superficie esterna del film, in modo che le proprietà dello strato sottostante, in contatto con il raggio IR, siano modificate. Quindi, spettri differenziali ATR-FTIR di clorofilla possono essere acquisiti in base ai cambiamenti nello stato di aggregazione indotti dalla variazione del fluido che lambisce la superficie del film, consentendo di identificare gruppi funzionali coinvolti nelle modificazioni strutturali. Tutte le altre Unità nel progetto hanno acquisito notevole competenza nelle indagini di superstrutture e aggregati della clorofilla.
Vari dispositivi molecolari artificiali sono stati fabbricati mimando il meccanismo di trasporto elettronico della fotosintesi. Abbiamo cominciato ad incorporare meso-tetra(4-solfonil)porfirina in sistemi multistrato con un metodo misto che prevede l'uso della tecnica Langmuir-Schäfer e del Layer-by-Layer, depositando un derivato fulleropirrolidinico recante una carica positiva insieme ad una porfirina anionica. La tecnica può essere usata per sostanze oligo-cariche, come porfirine contenenti sostituenti diversi dai gruppi solfonici, quali i fosfonati. Una soluzione del derivato fullerenico viene spruzzata sulla superficie acquosa, mentre la porfirina recante gruppi anionici periferici è dissolta nella subfase. Evidenze dell'interazione tra le due sostanze all'interfaccia aria-acqua sono state ottenute dall'analisi dei film flottanti, attraverso le curve di Langmuir pressione superficiale/area. In futuro, la Brewster Angle Microscopy e la UV-Vis Reflection Spectroscopy direttamente all'interfaccia aria-acqua saranno usate per verificare tale interazione. La caratterizzazione UV-Vis dei film depositati rivela che i due componenti si comportano come sistemi p discreti e debolmente interagenti. L'impiego di luce polarizzata suggerisce l'esistenza di un'orientazione preferenziale degli anelli macrociclici con un arrangiamento edge-on rispetto alla superficie del substrato. Misure preliminari su film depositati mediante un unico lifting orizzontale su elettrodi di ITO hanno evidenziato la generazione di fotocorrente; la dipendenza della sua intensità dalla pressione superficiale di trasferimento resta tuttora da chiarire.
Infine, la spettroscopia IR può fornire informazioni anche per i sistemi donore-accettore, nei quali il trasferimento di carica comporta un riarrangiamento strutturale e sterico e quindi una diversa organizzazione dei livelli vibrazionali.
La linea di ricerca alla voce i) prevede profonda collaborazione con l'UR di Bari ed STMicroelectronics.

ii) Un altro fertile campo di ricerca è costituito dallo studio di equilibri conformazionali direttamente sulla superficie dell'acqua per bis-porfirine nelle quali i due macrocicli siano connessi da un ponte saturo -C2H4-. In particolare è stato investigato il dimero della Zn-octaetilporfirina, che può esistere in due conformeri syn ed anti con proprietà differenti (Fig. 1). Questo switching conformazionale è accompagnato da variazioni significative nello spettro d'assorbimento della bisporfirina: l'intensità della banda B del conformero syn, centrata a 397 nm, gradualmente decresce quando l'equilibrio viene spostato verso la forma anti; questo comporta la comparsa di una banda, centrata a 420 nm e splittata. Per la prima volta abbiamo trasferito questo studio dalla soluzione all'interfaccia aria-acqua e poi su film LB e siamo anche riusciti a spostare l'equilibrio verso un conformero anziché un altro tramite aggiunta nella spreading solution di legandi più o meno forti (ammine, alcoli o acidi grassi).


Figura 1


Un ulteriore sviluppo è rappresentato dalle misure di fluorescenza ed assorbimento transiente condotte in collaborazione con l'UO di Catania. Si è notata fluorescenza nei film LB di porfirina e di acido arachidico solo quando un elevato rapporto molare tra i due componenti è stato utilizzato (miscele bis-porfirina/ac. arachidico con rapporto molare di 1:30). Nei casi di miscele bis-porfirina/acido arachidico equimolari e nei loro film alternati, si è osservato un quenching della fluorescenza. Ciò ha permesso di attribuire il quenching alla formazione di aggregati interporfirinici che si verifica negli ultimi due casi. Quindi, nel film ottenuto con miscele 1:30 l'acido grasso agisce da spaziatore impedendo (o, quanto meno, limitando) l'aggregazione tra i macrocicli. La figura 2 illustra i due differenti casi.


Figura 2




Figura 3


Il sistema che useremo prevede l'uso dell'(1S,2S)-(+)-diamminocicloesano come ospite nella bisporfirina. Misure preliminar, tra cui dicroismo circolare, svolte all'interfaccia aria-acqua e sui film LS dimostrano che è possibile modulare le proprietà dei film di Langmuir e LS sia agendo sulla concentrazione della diammina nella subfase che sulla pressione superficiale.
Infine, è tipica nei film LB la presenza di aggregati di tipo H o J. Con l'UR di Bari saranno investigate le proprietà di assorbimento a due fotoni in virtù della possibile risposta ottica non lineare di questi sistemi organizzati.

iii) Parte della ricerca sui film LB riguarda la variazione delle proprietà fisiche in risposta a basse concentrazioni di gas o analiti in soluzione. I chemiresistori LB sono dispositivi semplici da produrre e contengono strati attivi che mostrano talvolta enormi variazioni di conducibilità per esposizione a ppm di analita. Essi forniscono un voltaggio o una corrente di output e in tal caso deve essere utilizzato un convertitore da voltaggio a frequenza per ottenere un segnale digitale o una frequenza in uscita. Si può evitare questa complicazione di post-processing usando trasduzione ottica o piezoelettrica. Sebbene la nostra U.O. abbia accumulato una significativa esperienza nel campo dei sensori ottici, ci si sta muovendo verso l'utilizzo di apparati QCM. La variazione della frequenza di risonanza (?f) di un cristallo piezoelettrico, indotta dall'interazione con un analita gassoso, si può esprimere secondo l'equazione di Sauerbrey. Da questa si può dedurre che per un cristallo che oscilla a circa 10 MHz si può avere una sensibilità sulla massa ?f/?m dell'ordine di 0.5 Hz ng-1cm2. Il limite di risoluzione è all'incirca 10-11g. In un'idonea configurazione i quarzi piezoelettrici possono oscillare nei liquidi. In tal caso la frequenza di oscillazione dipende da altri parametri quali viscosità, densità e conducibilità della soluzione. Intendiamo impiegare oscillatori a cristallo di quarzo risonanti in soluzioni acquose di derivati fenolici, già segnalati da USEPA come inquinanti prioritari. Il cristallo sarà rivestito con strati di macrocicli sensibili (ftalocianine e porfirine fornite dall'UR di Messina) che possono adsorbire molecole di soluto dalla fase acquosa, incrementando la massa e causando uno spostamento della frequenza di oscillazione del dispositivo di quarzo.
Ulteriore interazione con le UR di Bari e Messina è il controllo dell'avvenuta immobilizzazione del fotosistema II su cristalli QCM e della successiva interazione del PSII immobilizzato con analiti di interesse ambientale (erbicidi, fenoli, ecc.)

iv) Il set-up dello spettrofotometro ATR-FTIR della UdR di Lecce, opportunamente potenziato per acquisire spettri in modalità differenziale, sarà utilizzato per una svariata gamma di indagini. L'accessorio ATR impiegato è particolarmente versatile grazie al cosiddetto sistema di "sampling" orizzontale in cui il campione viene depositato come film su un microprisma di pochi millimetri di diametro, l'elemento di riflessione interna (IRE), montato all'interno di un disco di acciaio inossidabile. Il sistema è riportato in Fig. 4.


Figura 4


Il campione risulta così accessibile all'operatore che può intervenire sulla sua superficie esterna senza turbare l'interazione col raggio infrarosso. Infatti, l'onda evanescente penetra per 1-2 µm entro lo spessore del materiale depositato sull'IRE e quindi interagisce solo con il sottile strato in contatto col prisma. L’accessorio ATR, disponibile presso la nostra UdR, è stato opportunamente modificato e potenziato mediante la realizzazione di microcelle. Tali celle permettono di ottenere microcamere in prossimità dell’IRE, nelle quali è possibile sottoporre il campione a diverse tipologie di trattamento chimico-fisico. L’effetto di tale trattamento viene monitorato in tempo reale mediante l’acquisizione di spettri vibrazionali. Saranno utilizzate le due celle: a flusso ed elettrochimiche. Nelle celle a flusso (Fig. 5), una pompa peristaltica garantisce il movimento continuo e controllato di opportune soluzioni dentro la cella.


Figura 5


Inoltre, mediante un sistema di valvole automatizzato, è possibile flussare sul campione, in modo alternato, due soluzioni diverse per vari cicli allo scopo di registrare spettri differenziali diretti e inversi e valutare la reversibilità delle trasformazioni indotte nel campione. Con tale tecnica sarà possibile investigare con successo fenomeni di riconoscimento molecolare tra macrocicli idrofobici e piccole molecole idrosolubili, d’interesse ambientale o biologico. L’analisi delle bande differenziali permette di valutare in tal caso sia la costante di affinità relativa al binding, sia la porzione della macromolecola coinvolta attivamente nel processo di riconoscimento molecolare. Materiali tetrapirrolici, che presentano segnali anche nella regione spettrale del visibile, possono essere studiati mediante l’utilizzo di una cella a flusso analoga, dotata di un alloggiamento per una sonda di riflessione a fibre ottiche che consente di inviare luce visibile sul campione e di raccogliere la luce riflessa inviandola ad un opportuno rivelatore (Fig. 6).


Figura 6


In tal modo è possibile condurre la spettroscopia infrarossa e quella visibile simultaneamente ampliando notevolmente la gamma di informazioni disponibili. Transizioni redox dei campioni macrociclici depositati possono essere studiate scegliendo opportune soluzioni contenenti specie riducenti e ossidanti oppure attraverso l'apparato mostrato di seguito in Fig. 7.


Figura 7


In tal caso la parte superiore della camera è costituita da un disco di glassy carbon, che costituisce l’elettrodo di lavoro e che, una volta sistemata la celletta, risulta posizionato nelle immediate vicinanze del campione depositato sul prisma. In tal modo il campione può equilibrarsi in tempi relativamente brevi con il potenziale dell’elettrodo di lavoro. Per l’impostazione del potenziale, l’elettrodo di lavoro, un controelettrodo di platino e un elettrodo di riferimento ad Ag/AgCl vengono collegati ad un potenziostato convenzionale.
Come si può notare l'apparato ATR si presta alle più svariate applicazioni e modificazioni operative. Per quanto riguarda i sistemi porfirinici, di notevole interesse risultano gli effetti indotti dalla luce. Lo studio di processi fotoindotti sarà condotto attraverso la configurazione mostrata in Fig. 8, in cui un fascio di luce visibile o di frequenza più elevata, anche proveniente da una sorgente laser, viene inviata perpendicolarmente sul campione inducendo modificazioni di tipo fotochimico che possono essere studiate mediante l’analisi delle bande d’assorbimento IR differenziali.


Figura 8