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

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.

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

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

3. 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 ,

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

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

6. 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

7. 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

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

9. 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

10. 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

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

12. 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

25. 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

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

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

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

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

30. 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

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

32. 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

33. 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

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

35. 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

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

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

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

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

40. 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

41. 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

42. 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

43. 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

44. 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

45. 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

46. 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

47. 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

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

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

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

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

52. 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

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

54. 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

55. 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

56. 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

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

58. 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

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

60. 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

61. 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)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

77. 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

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

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

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

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

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

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