Decaimiento de estados superiores S 2 excitados por procesos bifotónicos

En estos experimentos se determinó el decaimiento de los estados excitados S2 para disoluciones en etanol de las cianinas 2QC3, 4QC3 y TC5 (concentraciones ~10^-5 M) después de ser excitadas por procesos bifotónicos (2PA).^53-54 Para los experimentos se usó un haz centrado en 800 nm, de 10 nJ de energía por pulso, 150 fs de ancho temporal y

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enfocado con una lente de f = 5 cm, con el que se obtuvieron las intensidades instantáneas de 10¹¹ W/cm² requeridas para la absorción bifotónica.^4,33,35 El arreglo óptico fue una variación de la técnica de suma de frecuencias usada antes para los experimentos que permitieron cuantificar los decaimientos de los estados superiores S2 con excitaciones 1PA.

Cabe mencionar que estas medidas que permitieron determinar los tiempos de decaimiento del EEE superior S2 son un logro experimental, ya que involucran absorción de dos fotones, generación de estados excitados superiores y detección de fluorescencia de estos estados cuyos rendimientos de fluorescencia son pequeños (~10^-3). Son contadas las investigaciones que reportan la combinación de técnicas de excitación bifotónica con la detección del decaimiento por suma de frecuencias de fluorescencia y ninguno según nuestro conocimiento actual que reporte esto para estados excitados superiores de

~10^-3.^54-55

Las cianinas elegidas para esta parte del estudio presentan sus transiciones lejos de la longitud de onda de 800 nm del haz de excitación, como puede verse en sus respectivos espectros de absorción mostrados en la Figura 4.2, evitando así competencia entre procesos de absorción de un fotón (1PA) y 2PA. Para los experimentos del efecto del disolvente, también se eligieron estas cianinas como moléculas representativas de cada serie. La Figura 4.17 y la Tabla 4.10 muestran las gráficas y los parámetros de ajuste para el decaimiento de los estados S2 de estas cianinas después de ser excitadas por procesos 2PA.

Figur a 4.17. Gráficas de decaimiento del estado S2 para las cianinas 2QC3, 4QC3 y TC5 después de excitación 2PA. Las longitudes de onda de detección son indicadas (fluo).

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Tabla 4.10. Ajustes multiexponenciales para los decaimientos del estado excitados superiores S2 excitados por procesos 2PA

Cianina^a _fluo [nm] 1[ps] a1 2[ps] a2

2QC3 460 <0.2 (0.26) 1

4QC3 460 0.9±0.1 0.78 4.9±1.2 0.21

4QC3 480 1.0±0.1 0.85 5.1±0.9 0.15

TC5 435 0.6±0.1 0.71 15.6±1.9 0.29 TC5 455 0.5±0.2 0.73 15.5±1.4 0.27

aExcitación con 800 nm. Detección indicada como ^fluo. Cada constante de tiempo ^ tiene su correspondiente incertidumbre. Datos obtenidos en disoluciones de etanol.

Los tiempos 1 y 2 calculados por medio de los ajustes multiexponenciales para cada uno de los datos de los decaimientos y para las otras longitudes de onda de detección, son congruentes con los resultados obtenidos cuando se excitó directamente (por procesos 1PA) a los estados superiores con un láser pulsado de 266 nm o 400 nm. También de la detección en dos longitudes de onda para las cianinas TC5 (435 y 455 nm) y 4QC3 (460 y 480 nm) se observa una correspondencia en las magnitudes de ambos tiempos de decaimiento.

Al comparar los tiempos ^obtenidos por ambos tipos de excitación (1PA y 2PA) se observa que las magnitudes de los datos de los S2 más largos de cada ajuste, varían en 1, 5 y 10%

para las cianinas 2QC3, 4QC3 y TC5 respectivamente (comparar Tablas 4.10 contra 4.3, 4.4 y 4.5). Estas discrepancias entre los datos para el S2 pueden tener su explicación en que los procesos 1PA y 2PA generan diferentes estados vibroelectrónicos que poseen diferentes canales de desactivación por relajación vibracional, lo que se refleja en un ligero cambio en los ajustes para los , tal y como se discutió para los procesos 1PA por excitación con 266 y 400 nm. Sin embargo, hay que tener presente que las medidas experimentales tienen incertidumbres asociadas, de manera que los tiempos de decaimiento determinados por ambos procesos son estadísticamente semejantes.

Estos resultados permiten comprobar la magnitud y la escala temporal en que ocurre la relajación del estado superior S2 por conversión interna, y además determinan que es posible acceder al estado superior S2 de las cianinas por absorción simultánea de dos fotones. Esta propiedad es de suma importancia pues permite que estos compuestos puedan utilizarse en tecnologías que requieran localización y excitación selectiva de cro móforos.

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Es conocido que las cianinas simétricas poseen altos valores para el coeficiente de sección transversal bifotónico (_2PA), debido a que son sistemas moleculares altamente conjugados del tipo D--D, con momentos dipolares de transición a estados excitados casi-paralelos y de elevada magnitud (proporcionales a _s0s110⁵ M^-1cm^-1). Las transiciones 2PA en estas cianinas cumplen con la doble condición de resonancia debido a la existencia de un estado virtual cercano a la transición del estado (real) S1.^33,56-58 La transición 2PA en cianinas de este tipo es permitida por las propiedades de simetría que tienen sus diferentes estados excitados. Dentro del contexto de la regla de Laporte las transiciones 2PA cuyos estados electrónicos tienen la misma simetría son permitidas. Esta regla aplica para las cianinas de este estudio, de manera que las transiciones permitidas por procesos lineales (1PA) son prohibidas por 2PA y viceversa, haciendo que ambos procesos sean mutuamente excluyentes.^47,59 Como los estados excitados de las cianinas alternan entre las simetrías B1 a A1 respecto al estado fundamental de simetría A1, en las cianinas 2QC3, 4QC3 y TC5 (con simetrías C2V)⁴⁷ la transición por procesos 1PA al primer singulete excitado de simetría B1, y la transición por procesos 2PA al estado superior S2 de simetría A1 son permitidas.^33,47,59 La Figura 4.18 representa el proceso 2PA para las cianinas TC5 y 4QC3, donde se observa que dos fotones de 800 nm son absorbidos simultáneamente por la molécula. Las energías relativas de los estados excitados superiores Sn de estas dos cianinas están entre 2.9 y 3.1 eV, las cuales corresponden a la energía del fotón de 400 nm (3.1 eV) o a dos fotones de 800 nm (1.55+1.55 eV). El estado fluorescente S1 está en energía aproximadamente entre 1.7 y 1.8 eV, claramente a mucha más energía que la asociada al fotón de 800 nm. Al usar estas energías relativas para cada unos de los estados excitados S2 y S1, se puede graficar a escala como estas moléculas poseen un estado virtual cercano a la mitad de la energía para la transición 2PA (800 nm  ~3/2 eV). Este estado permite cumplir con la doble condición de resonancia y eleva considerablemente el coeficiente de sección transversal _2PA de absorción bifotónica en este tipo de moléculas. También la excitación por dos fotones permite generar selectivamente una población de estados excitados superiores de acuerdo con las reglas de simetría. De la Figura 4.18 se aprecia que tanto la transición por 2PA S0(A1)S2(A1) como la transición S0(A1)S3(B1) por 1PA son permitidas por simetría.

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Figur a 4.18. Esquemas para los procesos bifotónicos y monofotónicos en cianinas.

En la literatura no se reportan datos para el coeficiente de sección transversal (_2PA) para todas las moléculas de este estudio, motivo por el cual se realizaron experimentos para cuantificar este parámetro para las cianinas 4QC3 y TC5 a 800 nm, que corresponde a la longitud de onda con la cual se realizaron los experimentos 2PA para la dinámica de los estados superiores de las cianinas. Estas moléculas se eligieron como cianinas representativas de cada serie, porque son las que muestran los mayores tiempos de vida del estado excitado superior S2. Se excluyó la cianina 2QC3 debido a que su estado superior S2

decae muy rápido. Con la técnica experimental de TPE (emisión de fluorescencia por excitación bifotónica) descrita en la metodología se midió la propiedad espectroscópica de coeficiente _2PAde las cianinas TC5 y 4QC3. Para cada experimento se monitoreó la dependencia cuadrática de la intensidad de fluorescencia detectada en el máximo de emisión de cada cianina (y de la rodamina B) en función de la potencia de excitación. Se encontró que la pendiente para cada experimento fue cercana a 1.7 (Figura 4.19), lo cual es indicativo de la existencia de procesos bifotónicos.⁴

Figur a 4.19. Gráficas dedependencia cuadrática de la señal de fluorescencia detectada respecto a la potencia de irradiación con la que se excitó por dos fotones a las cianinas TC5 y 4QC3 y a la rodamina B.

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La Tabla 4.11 muestra los resultados obtenidos para algunas cianinas disueltas en metanol, e indica que estas cianinas son buenos absorbedores bifotónicos porque tienen un coeficiente _2PA de más de 100 unidades de GM (1 GM = 10^-50 cm⁴ / fotón).

Tabla 4.11. Coeficiente de sección transversal 2PA para caninas TC5 y 4QC3 medidas por TPE

N° Molécul a F C

10^-5 [M] f 2PA [GM]

Liter atur a calculado

1 RB 38,298 1.5044 0.71 ^a 150^a

R6G 46,143 1.5882 0.95 ^a 134^a 128

2 RB 11,247 1.9659 0.71^a 150^a

TC5 3,581 1.3849 0.15^b 600^c 321

3 RB 43,208 2.0026 0.71^a 150^a

4QC3 472 1.7795 0.007^d 187

a) Referencia⁶⁰ b) Referencia⁴² c) Referencia³³, valor experimental a 780 nm para una cianina similar a la TC5 d) Referencia³⁹

En la tabla anterior la letra F es el área bajo la curva del espectro de emisión, C es la concentración molar de cada una de las disoluciones, _f es el rendimiento de fluorescencia de las moléculas reportado en metanol y 2PA es el coeficiente de sección transversal bifotónica en unidades de Goppert-Meyer o GM (1GM = 10^-50 cm⁴ s/fotón). Coeficientes

_2PA típicos de moléculas orgánicas son de 0.01 a 5 GM. La detección de las cianinas 4QC3 y TC5 evidenciaron máximos en 722 y 670 nm respectivamente, donde la magnitud de la emisión en esas longitudes de onda se usaron como datos para construir las gráficas de log(Intensidad) vs log(potencia) de la Figura 4.19. Los resultados muestran que estas moléculas, que tienen los mayores tiempos de vida del conjunto de cianinas estudiado aquí, también tienen coeficientes _2PA de cientos de GM cuando son excitadas en la región del infrarrojo. Sin embargo, a 800 nm para ninguna de las dos cianinas 4QC3 y TC5 se obtuvo el máximo de absorción 2PA, por lo que las eficiencias con que estas cianinas pueden absorber dos fotones deben ser mayores. Esto requiere de futuros experimentos donde se obtenga el espectro completo en el intervalo que corresponda para cada molécula, por ejemplo de 720 a 880 nm para la TC5.

Todos los resultados 2PA mostrados hasta aquí son muy importantes para esta investigación, debido a que adicionan como variable de diseño para sistemas moleculares la

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absorción bifotónica por parte de cianinas simétricas. Esta propiedad espectroscópica puede ser utilizada en sistemas que usen estos compuestos como componentes de nuevas moléculas, de manera que contengan dentro de su estructura una antena que absorbe simultáneamente dos fotones del infrarrojo. Compuestos diseñados así, tienen ventajas tan importantes como la excitación selectiva de estados excitados, la disminución de la descomposición debido al uso de pulsos lejos de la transición de resonancia, el uso de longitudes de onda del infrarrojo las cuales son transparentes al tejido biológico, y la excitación a profundidad variable, localizada y con un volumen de excitación pequeño de unos cuantos femtolitros, gracias al enfoque del haz laser. Todo ello sugiere que las cianinas pueden ser usadas en aplicaciones donde se requiera focalización y selectividad de fluoróforos que puedan ser excitados por procesos 2PA (de 800 a 900 nm), como por ejemplo, para microscopia de fluorescencia o almacenamiento de información 3D.

4.7. Experime ntos para la cianina simétrica cloroheptame ntincianina Cl-TC7