References

zhps

Журнал прикладной спектроскопии

Zhurnal Prikladnoii Spektroskopii

0514-7506

B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences

zhps-1318

Research Article

СПЕКТРОСКОПИЯ НАНОСТРУКТУР

SPECTROSCOPY OF NANOSTRUCTURE

Структура, интерфейсные явления и оптические свойства наноансамблей на основе полупроводниковых квантовых точек Ag-In-S/ZnS и молекул порфиринов

Structure, Interface Phenomena, and Optical Properties for Nanoassemblies Based on Semiconductor Quantum Dots Ag-In-S/ZnS and Porphyrin Molecules

Зенькевич

Э. И.

Zenkevich

E. I.

Минск

Minsk

zenkev@tut.by

Шейнин

В. Б.

Sheinin

V. B.

Иваново

Ivanovo

Куликова

О. М.

Kulikova

O. M.

Иваново

Ivanovo

Койфман

О. И.

Koifman

O. I.

Иваново

Ivanovo

Белорусский национальный технический университетBelarussian National Technical University

Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАНG.A. Krestov Institute of Solution Chemistry of the Russian Academy of Sciences

2023

31052023

903434446

2023

Зенькевич Э.И., Шейнин В.Б., Куликова О.М., Койфман О.И.

Zenkevich E.I., Sheinin V.B., Kulikova O.M., Koifman O.I.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1318

На основании спектрально-люминесцентных данных и результатов квантово-химических расчетов (метод ММ+) проанализированы интерфейсные явления и изменения спектральных свойств взаимодействующих компонентов в самособирающихся наноансамблях, сформированных за счет электростатических взаимодействий положительно заряженных тетра-метилпиридилпорфиринов (свободных оснований) и отрицательно заряженных стабилизированных глутатионом полупроводниковых AgInS/ZnS/GSH квантовых точек (КТ) в воде (pH 7.5) при 298 К. В рамках разработанной согласованной по размерам квантово-химической 3D-модели КТ предложена Детальная физикохимическая последовательность процессов, происходящих на поверхности КТ при взаимодействии с присоединенной молекулой порфирина, сопровождающаяся быстрым формированием Zn-комплекса порфирина и его хемосорбцией на SH-поверхность КТ. Полученные результаты являются основой для количественного анализа путей и механизмов релаксации экситонного возбуждения в наноансамблях данного типа.

Based on spectral-luminescent data and results of quantum-chemical calculations (method MM+) interface phenomena and spectral properties changes of interacting components are analyzed for self-assembling nanoassemblies formed via electrostatic interactions of positively charged tetra-methyl-pyridyl porphyrins (free bases) and negatively charged glutathione stabilized core/shell semiconductor quantum dots AgInS/ZnS/GSH (QD) in water (pH 7.5) at 298 K ambient temperature. In frames of elaborated size-consistent quantum chemical atomistic 3D model of QD we propose the detailed physicochemical subsequence of the processes taking place on QD surface upon interaction with the attached porphyrin molecule, accompanied by a fast formation of Zn-porphyrin complex which is directly fixed on the QD SH surface. The obtained results are the basis of the quantitative analysis of pathways and mechanisms of the excitonic excitation relaxation in nanoassemblies of this type.

тетра-мезо-пиридилпорфирины (свободные основания)полупроводниковые квантовые точки AgInS/ZnS/GSHнаноансамбли КТ-порфиринпорфириныэлектростатические взаимодействияметаллизация свободного основания порфиринастационарная и время-разрешенная спектроскопияквантово-химическое моделирование (ММ+)

tetra-meso-pyridyl substituted porphyrins (free bases)semiconductor quantum dots AgInS/ZnS/GSHnanoassemblies QD-porphyrinporphyrinselectrostatic interactionsporphyrin free base metalationsteady-state and time-resolved spectroscopyquantum chemical modeling (MM+)

Авторы выражают благодарность д-ру А.Л. Строюку и д-ру А.Е. Раевской (Институт Гельмгольца по восстанавливаемым источникам энергии, Эрланген-Нюрнберг, Германия) за предоставление и характеризацию исследуемых квантовых точек, а также квалифицированную помощь в ходе выполнения работы и обсуждение результатов. Работа выполнена при финансовой поддержке ГПНИ “Фотоника и электроника для инноваций 2021-2025 гг.” (Беларусь), гранта Президента Республики Беларусь в науке на 2020 г. и Visiting Scholar Program (Технический университет Хемнитца, Германия, 2020-2021 гг.).

References1

H. Barhom, C. Carmeli, I. Carmeli. J. Phys. Chem. B, 125 (2021) 722—728

K. D. Wolfe, D. Dervishogullari, C. D. Stachurski, J. M. Passantino, G. K. Jennings, D. E. Cliffel. Chem. Electro. Chem., 7 (2020) 596—603

Z. Jin, N. Dridi, G. Palui, V. Palomo, J. V. Jokerst, P. E. Dawson, Q.-X. Amy Sang, H. Mattoussi. Anal. Chem., 95, N 5 (2023) 2713—2722 ,

S. Navalon, A. Dhakshinamoorthy, M. Alvaro, B. Ferrer, H. Garcia. Chem. Rev., 123, N 1 (2023) 445—490

Multiporphyrin Arrays: Fundamentals and Applications, Singapore, Ed. D. Kim, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2012)

E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski. In: Biophysical and Physicochemical Studies of Tetrapyrroles, Eds. K. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard, Singapore, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. (2012) 68—159

K. Biswas, M. Urbani, A. Sanchez-Grande, D. Soler-Polo, K. Lauwaet, A. Matej, P. Mutombo, L. Veis, J. Brabec, K. Pernal, J. M. Gallego, R. Miranda, D. Eci.ja, P. Jelinek, T. Torres, J. I. Urgel. J. Am. Chem. Soc., 144, N 28 (2022) 12725—12731

H. Jing, J. Rong, M. Taniguchi, J. S. Lindsey. Coord. Chem. Rev., 456 (2022) 214278, https://doi.org/10.1016Zj.ccr.2021.214278

P. P. Roy, S. Kundu, J. Valdiviezo, G. Bullard, J. T. Fletcher, R. Liu, S. J. Yang, P. Zhang, D. N. Beratan, M. J. Therien, N. Makri, G. R. Fleming. J. Am. Chem. Soc., 144, N 14 (2022) 6298—6310

J. Zhang, X. Lu, Y. Sun, J. Liu, Y. Dong, H. Li, C. Li, Y. Yi, L. Jiang. ACS Mater. Lett., 4 (2022) 548—553

D. J. Li, Q. H. Li, Z. G. Gu, J. Zhang. Nano Lett., 21 (2021) 10012—10018

Y. Y. Enakieva, E. A. Zhigileva, A. N. Fitch, V. V. Chernyshev, I. A. Stenina, A. B. Yaroslavtsev, A. A. Sinelshchikova, K. A. Kovalenko, Y. G. Gorbunova, A. Yu. Tsivadze. Dalton Transact., 50, N 19 (2021) 6549—6560

Т. Н. Годнев. Хлорофилл. Его строение и образование в растении, Минск, Наука и техника (1963)

Хлорофилл, под ред. А. А. Шлыка, Минск, Наука и техника (1974) 416

И. Д. Волотовский. Фотобиология и мембранная биофизика, Минск, Технопринт (1999)

Г. П. Гуринович, А. Н. Севченко, К. Н. Соловьев. Спектроскопия хлорофилла и родственных соединений, Минск, Наука и техника (1968)

Г. П. Гуринович А. М. Шульга. Биофизика, 13, № 1 (1968) 42—48

Г. П. Гуринович, В. П.Субоч, А. П. Лосев, А. Н. Севченко. Докл. АН СССР, 194, № 3 (1970) 723—726

Б. М. Джагаров, Е. И. Сагун, Г. П. Гуринович. Журн. прикл. спектр., 15, № 3 (1971) 476—480

B. M. Dzhagarov, E. I. Sagun, G. P. Gurinovich. J. Appl. Spectr., 15 (1971) 1195—1198

А. П. Лосев, Э. И. Зенькевич, Е. И. Сагун. Журн. прикл. спектр., 27, № 2 (1977) 244—247

A. P. Losev, E. I. Zenkevich, E. I. Sagun. J. Appl. Spectr., 27 (1977) 996—998

Г. П. Гуринович, И. Ф. Гуринович, Н. М. Ксенофонтова, С. Н. Терехов. Журн. прикл. спектр., 43, № 1 (1985) 75—82

G. P. Gurinovich, I. F. Gurinovich, N. M. Ksenofontova, S. N. Terekhov. J. Appl. Spectr., 43 (1985) 758—763

Г. П. Гуринович, Б. М. Джагаров, Ю. В. Тиминский, В. С. Чирвоный. Докл. АН СССР, 247, № 3 (1979) 728—731

I. M. Byteva, G. P.Gurinovich. J. Lumin., 21 (1979) 17—20

Э. И. Зенькевич. Рос. хим. журн., LXI, № 3 (2017) 110—142

S. Francesca, J. W. H. Wennink, P. I. Makinen, L. P. Holappa, P. N. Trohopoulus, S. Yla-Herttuala, C. van Nostrum, A. Escosura, T. Torres. J. Mater. Chem. B, 8 (2020) 282—289

K. Pal. Hybrid Nanocomposites: Fundamentals, Synthesis, and Applications, USA, Jenny Stanford Publishing (2019)

V. Lesnyak. J. Phys. Chem. Lett., 12 (2021) 12310—12322

M. La Rosa, E. H. Payne, A. Credi. Chem. Open, 9 (2020) 200—213

E. Jang, H. Jang. Chem. Rev. (2023), https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00695

E. I. Zenkevich, E. I. Sagun, V. N. Knyukshto A. S. Stasheuski, V. A. Galievsky, A. P. Stupak, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski. J. Phys. Chem. C., 115 (2011) 21535—21545

F. A. Sewid, K. I. Annas, A. Dubavik, A. V. Veniaminov, V. G. Maslov, A. O. Orlova. RSC Adv., 12 (2022) 899—906

A. Y. Rybkin, A. Y. Belik, N. S. Goryachev, P. A. Mikhaylov, O. A. Kraevaya, N. V. Filatova, I. I. Parkhomenko, A. S. Peregudov, A. A. Terent'ev, E. A. Larkina, A. F. Mironov, P. A. Troshin, A. I. Kotelnikov. Dyes and Pigments, 180 (2020) 108411

E. Zenkevich, T. Blaudeck, V. Sheinin, O. Kulikova, O. Selyshchev, V. Dzhagan, O. Koifman, C. von Borczyskowski, D. R. T. Zahn. J. Mol. Struct., 1244 (2021) 131239

X. T. Yu, S. Y. Sui, Y. X. He, C. H. Yu, Q. Peng. Biomater. Adv., 135 (2022) 212725

T. P. Martyanov, S. A. Tovstun, S. G. Vasil'ev, E. G. Martyanova, M. G. Spirin, A. V. Kozlov, L. S. Klimenko, S. B. Brichkin, V. F. Razumov. J. Nanopart. Res., 24, N 7 (2022), doi: 10.1007/s11051-022-05513-4

N. Wu, N. Kirkwood, N. S. Neto, R. Pervin, P. Mulvaney, W. H. Wong. J. Phys. Chem. C, 127, N 4 (2023) 2116—2126

J. J. Calvin, A. S. Brewer, A. P. Alivisatos. Nature Synthesis, 1 (2022) 127—137

E. Zenkevich, C. von Borczyskowski. Self-Assembled Organic-Inorganic Nanostructures: Optics and Dynamics, Singapore, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd. (2016)

Y. Hamanaka, T. Ogawa, M. Tsuzuki, K. Ozawa, T. Kuzuya. J. Lumin., 133 (2013) 121—124

C. Ruan, Y. Zhang, M. Lu, C. Ji, C. Sun, X. Chen, H. Chen, V. L. Colvin, W. W. Yu. Nanomaterials, 6, N 1 (2016) 13, https://doi.org/10.3390/nano6010013

S. R. Thomas, C. W. Chen, M. Date, Y. C. Wang, H. W. Tsai, Z. M. Wang, Y. L. Chueh. RSC Adv., 6 (2016) 60643—60656

I. V. Martynenko, A. S. Baimuratov, F. Weigert, J. X. Soares, L. Dhamo, P. Nickl, I. Doerfel, J. Pauli, I. D. Rukhlenko, A. V. Baranov, U. Resch-Genger. Nano Res., 12 (2019) 1595—1603

A. Raevskaya, V. Lesnyak, D. Haubold, V. Dzhagan, O. Stroyuk, N. Gaponik, D. R. T. Zahn, A. Eychmuller. J. Phys. Chem. C, 121 (2017) 9032—9042

O. Stroyuk, A. Raevskaya, F. Spranger, O. Selyshchev, V. Dzhagan, S. Schulze, D. R. T. Zahn, A. Eychmuller. J. Phys. Chem. C, 122 (2018) 13648—13658

O. Stroyuk, F. Weigert, A. Raevskaya, F. Spranger, C. Wurth, U. Resch-Genger, N. Gaponik, D. R. T. Zahn. J. Phys. Chem. C, 123 (2019) 2632—2641

V. Dzhagan, O. Selyshchev, O. Raievska, O. Stroyuk, L. Hertling, N. Mazur, M. Valakh, D. R. T. Zahn. J. Phys. Chem. C, 124 (2020) 1551—1552

O. Stroyuk, O. Raievska, C. Kupfer, D. Solonenko, A. Osvet, M. Batentschuk, C. J. Brabec, D. R. T. Zahn. J. Phys. Chem. C, 125 (2021) 12185—12197

R. Wang, Y. Shang, P. Kanjanaboos, W. Zhou, Z. Ning, E. H. Sargent. Energy Environ. Sci., 9 (2016) 1130—1143

R. C. Pleus, V. Murashov. Physico-Chemical Properties of Nanomaterials, USA, Pan Stanford (2018)

M. A. Boles, D. Ling, T. Hyeon, D. V. Talapin. Nat. Mater., 2 (2016) 141—153

S. Chen, M. Ahmadiantehrani, N. G. Publicover, K. W. Hunter, Jr., X. Zhu. RSC Adv., 5, N 74 (2015) 60612—60620

M. D. Regulacio, K. Y. Win, S. L. Lo, S.-Y. Zhang, X. Zhang, S. Wang, M.-Y. Han, Y. Zheng. Nanoscale, 5, N 6 (2013) 2322—2327

I. A. Mir, V. S. Radhakrishanan, K. Rawat, T. Prasad, H. B. Bohidar. Sci. Rep., 8, N 1 (2018) 1—12

М. С. Истомина, Н. А. Печникова, Д. В. Королёв, Е. И. Почкаева, Д. С. Мазинг, М. М. Галагудза, В. А. Мошников, Е. В. Шляхто. Вестн. Рос. гос. мед. ун-та, № 6 (2018) 103—110

И. Г. Мотевич, Э. И. Зенькевич, А. Л. Строюк, А. Е. Раевская, О. М. Куликова, В. Б. Шейнин, О. И. Койфман, Д. Р. Т. Цан, Н. Д. Стрекаль. Журн. прикл. спектр., 87, № 6 (2020) 926—935

I. G. Motevich, E. I. Zenkevich, A. L. Stroyuk, A. E. Raevskaya, O. M. Kulikova, V. B. Sheinin, О. I. Koifman, D. R. T. Zahn, N. D. Strekal. J. Appl. Spectr., 87 (2020) 1057—1066

E. I. Zenkevich, V. B. Sheinin, O. M. Kulikova, O. I. Koifman. J. Porphyrins and Phthalocyanines, 27 (2023) 19, https://dx.doi.org/10.1142/S1088424623500323

J. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy, New York, Springer (2006)

I. Trenkmann, T. Blaudeck, C. von Borczyskowski. In: Self-Assembled Organic-Inorganic Nanostructures: Optics and Dynamics, Eds. E. I. Zenkevich, C. von Borczyskowski, USA, Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., Ch. 4 (2016) 215—243

J. E. Falk. Porphyrins and Metalloporphyrins, Ed. K. M. Smith, Elsevier Scientific Publ. Co. (1975)

Y. Pan, L. Li, F. Qiu, Y. Wei, W. Hua, G. Tian. J. Chem. Phys., 150, N 16 (2019) 164308, doi: 10.1063/1.5090964

J. K. M. Sanders, N. Bampos, Z. Clyde-Watson, S. L. Darling, J. C. Hawley, H. J. Kim, C. C. Mak, S. Webb. In: The Porphyrin Handbook, Eds. K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard, New York, Acad. Press, 3, Ch. 15 (2000)

J. Zito, I. Infante. Acc. Chem. Res., 54 (2021) 1555—1564

G. D. Barmparis, Z. Lodziana, N. Lopez, I. N. Remediakis. Beilstein J. Nanotechnol., 6 (2015) 361—368

S. V. Kilina, P. K. Tamukong, D. S. Kilin. Acc. Chem. Res., 49 (2016) 2127—2135

C. Giansante. J. Phys. Chem. C, 122 (2018) 18110—18116

C. L. Hartley, M. L. Kessler, J. L. Dempsey. J. Am. Chem. Soc., 143 (2021) 1251—1266

I. Du Fosse, S. Lal, A. N. Hossaini, I. Infante, A. J. Houtepen. J. Phys. Chem. C, 125 (2021) 23968—23975

J. J. Calvin, E. A. O’Brien, A. B. Sedlak, A. D. Balan, A. P. Alivisatos. ACS Nano, 15 (2021) 1407—1420

J. J. Calvin, A. S. Brewer, A. P. Alivisatos. Nature Synthesis, 1 (2022) 127—137

A. L. Efros, L. E. Brus. ACS Nano, 15 (2021) 6192—6210

E. Zenkevich, A. Stupak, C. Gohler, C. Krasselt, C von Borczyskowski. ACS Nano, 9 (2015) 2886—2903

Z. Hens, J. C. Martins. Chem. Mater., 25 (2013) 1211—1221

I. Moreels, B. Fritzinger, J. C. Martins, Z. Hens. J. Am. Chem. Soc., 130 (2008) 15081—15086

D. H. Webber, R. L. Brutchey. Dalt. Trans., 41 (2012) 7835—7838

J. J. Buckley, M. J. Greaney, R. L. Brutchey. Chem. Mater., 26 (2014) 6311—6317

Y. Shen, R. Tan, M. Y. Gee, A. B. Greytak. ACS Nano, 9 (2015) 3345—3359

V. Dzhagan, O. Selyshchev, E. Havryliuk, N. Mazur, O. Raievska, O. Stroyuk, S. Kondratenko, A. P. Litvinchuk, M. Y. Valakh, D. R. T. Zahn. Materials (Basel), 14 (2021) 3593, doi: 10.3390/ma14133593

F. Knittel, E. Gravel, E. Cassette, T. Pons, F. Pillon, B. Dubertret, E. Doris. Nano Lett., 13 (2013) 5075—5078

J. W. Ball, D. K. Nordstrom. Open-File Rep. (1991) 90—129

M. Tachiya. Chem. Phys. Lett., 33 (1975) 289—292

A. J. Morris-Cohen, V. Vasilenko, V. A. Amin, M. G. Reuter, E. A. Weiss. ACS Nano, 6 (2012) 557—565

G. Beane, K. Boldt, N. Kirkwood, P. Mulvaney. J. Phys. Chem. C, 118 (2014) 18079—18086

A. Stupak, T. Blaudeck, E. Zenkevich, S. Krause, C. von Borczyskowski. Phys. Chem. Chem. Phys., 20 (2018) 18579—18600

The authors declare that there are no conflicts of interest present.