Fluorescence ve službách polymerních chemiků

Obálka knihy Fluorescence Studies of Polymer Containing Systems
Editors: Procházka, Karel (Ed.) Obrázek: Springer 

Vážený pane profesore, dovolte, abych Vám úvodem poblahopřál, že jste byl tak prestižním nakladatelstvím vyzván k tomu, abyste se stal editorem svazku na téma vaší odbornosti. Můžete nám přiblížit, čeho se týká Vaše  práce, jejíž výsledky Vám vysloužily tak významnou pozici ve vědecké komunitě?

Naše skupina Soft Matter Research Group se zabývá výzkumem v oblasti fyzikální chemie makromolekul. Studujeme procesy samouspořádávání (self-essembly) polymerů v roztocích. Tyto procesy umožňují přípravu nanočástic, které je možné dále  využít např. ve farmaceutickém průmyslu či při likvidaci polutantů zatěžujících životní prostředí. Používáme řadu různých experimentálních technik běžných v polymerní chemii, s jejichž pomocí lze získat strukturní informace o polymerních řetězcích a jejich asociátech (rozptyl světla, rozptyl neutronů). Zároveň však využíváme i metody v polymerní chemii méně běžné, např. fluorescenční spektroskopii.

Jde o metodu v chemickém výzkumu exotickou?  

Nikoliv, fluorescence je používána prakticky ve všech oblastech chemického výzkumu. Je cenná zejména při studiu struktury a dynamického chování systému. Řada polymerních vědců tuto metodu sice využívá, ale pouze její nejjednodušší varianty. Moderní přístroje ale nabízejí řadu pokročilých variant - jejich plné využití však předpokládá pokročilé znalosti principů fluorescenční spektroskopie.

Cílem publikace je tedy uvést čtenáře do světa pokročilé fluorescenční spektroskopie?

Částečně. Hlavním cílem bylo napsat knihu, která sice nemusí plně uspokojit odborníky v obou oblastech, jimiž se zabývá (tedy fluorescenční spektroskopie a polymerní chemie), ale stát se jakýmsi mostem, který umožní oběma komunitám vzájemně efektivně komunikovat. Obsahuje  např. kapitolu, která je v podstatě malou učebnicí teoretických principů fluorescenční spektroskopie. Některé kapitoly mají dát odborníkům ve fluorescenci lepší představu o tom, co je čeká, budou-li spolupracovat s polymerním chemikem. Polymerní vědci by se zase měli seznámit se základy i pokročilejšími metodikami fluorescenční spektroskopie.

Proč je tato metoda využívána makromolekulárními chemiky méně často?

Jde  o metodu nepřímou, kterou je proto třeba vždy kombinovat s dalšími metodami. Fluorescence má totiž jednu velkou přednost, která je však zároveň nebezpečím pro její rutinní aplikaci: fluorescenční charakteristiky jsou silně ovlivněny interakcí s okolím. Např. v přítomnosti nečistot (nebo v případě chování jiného než očekávaného) mohou být výsledky ovlivněny jinak, než bychom předpokládali a proto mohou být mylně interpretovány.

​ Prof. RNDr. Karel Procházka, DrSc. u prezentačního posteru své skupiny v budově chemických ústavů. Foto: Michal Andrle

Čím je to způsobeno?

Časově rozlišená spektroskopie - na rozdíl od většiny jiných spektroskopických metod má tu výhodu, že absorpce a emise jsou dva děje, oddělené časovou prodlevou v řádu jednotek až stovek nanosekund. Na takovéto časové škále probíhá řada dějů v bezprostředním okolí - flourofor je proto možné používat jako určitou sondu, jejímž prostřednictvím je možno monitorovat dynamické chování jeho okolí. Využívá se proto ke studiu řady dynamických procesů probíhajících na molekulární úrovni (např. termický pohyb molekul, konformační změny syntetických makromolekul a biopolymerů, přenos a migrace excitační energie).

K jakým konkrétním účelům využívá fluorescenci Váš tým?

My využíváme fluorescenci ke studiu asociace polymerů. Spolupracujeme přitom s odborníky v oblasti syntézy polymerů, kteří nám připraví fluorescenčně značné polymery, protože pouze v případě, kdy je fluorofor přímo kovalentně navázán na polymer, monitoruje bezprostředně chování polymerního řetězce. Nejčastěji studujeme chování blokových kopolymerů. Blokový kopolymer je polymer, který sestává ze dvou spojených bloků homopolymerů. Je-li jeden blok hydrofobní a druhý hydrofilní, mohou se ve vodném prostředí vytvářet asociáty typu micel s nepolárním jádrem a polární slupkou. V tomto případě lze také volný nepolární fluorofor rozpustit v nepolárním jádře micely a pomocí fluorescenční spektroskopie nepřímo měřit například viskozitu či polaritu uvnitř micely. To jsou charakteristiky polymerních systémů, které jsou jinými metodami velmi obtížně přístupné. Právě těmto pokročilým aplikacím je věnována významná část knihy, kterou jsem editoval.

Obrázek (převzatý z knihy Fluorescence Studies of Polymer Containing Systems) znázorňuje tzv. Jablonského diagram, který se používá k vysvětlení dějů, které následují po absorpci fotonu ze základního stavu do vyšších vibračních stavů prvního elektronově excitovaného stavu (levá část) a následujících dějů, včetně fluorescence, tj. emise fotonu (pravá část). Ve uvedeném případě dochází mezi absorpcí a emisí  v okolí fluoroforu k reorganizaci polárních molekul v jeho solvátovém obalu v důsledku změny dipólového momentu fluoroforu po excitaci. Tento děj se nazývá relaxace solvátového obalu a jeho důsledkem je tzv. Stokesův rudý posuv fluorescence v polárních rozpouštědlech.

Čtenáře bude jistě zajímat, jak vypadá zákulisí procesu vzniku publikace pro tak prestižní nakladatelství. Do jaké míry reprezentuje výsledná podoba knihy původní představu nakladatele?

Vydavatel dává ve skutečnosti editorovi dosti velkou volnost. Zadává v první řadě téma - v našem případě s jediným omezením, že se jednotlivé kapitoly nemají týkat biologických systémů, jelikož o nich vychází samostatná monografie, ale v první řadě syntetických polymerů.

Seznam přispěvatelů tedy také nebyl dopředu dán?

Ne - ten vznikl čistě na základě našich kontaktů s odborníky v oboru. Kapitolu na podobné téma jsem v jiné monografii věnované polymerům publikoval již dříve - znal jsem tudíž řadu lidí a sám jsem v odborné komunitě také dostatečně znám.  Pro spolupráci se mi proto podařilo získat nejen řadu odborníků z naší fakulty (doc. Zuzana Limpouchová, doc. Miroslav Štěpánek), ale prakticky z celého světa.

My Vám za celou fakultu k významné publikaci gratulujeme a knize v první řadě přejeme, aby brzy našla své čtenáře.  

ptal se: Michal Andrle

Úvodní obrázek: micela blokového kopolymeru tvořená hydrofobním jádrem a hydrofilní slupkou (nepublikovaná momentka simulačního boxu)

Image credit: F. Uhlík, Z. Limpouchová, K. Jelínek and K. Procházka, Journal of Chemical Physics, 2004, 121, 2367-2375.