Флуоресценция — это процесс испускания света молекулами или ионами после поглощения фотонов. В мицеллярных системах и везикулах флуоресцентные свойства часто существенно отличаются от свойств тех же молекул в растворе, что связано с уникальной структурой этих самособранных агрегатов. Мицеллы представляют собой коллоидные структуры, образованные амфифильными молекулами в водных растворах, где гидрофобные хвосты скрыты внутри агрегата, а полярные головки ориентированы наружу. Везикулы — это замкнутые билипидные структуры, способные инкапсулировать гидрофильные вещества в водном внутреннем объёме и гидрофобные вещества в билипидном слое.
Флуорофоры, встроенные в мицеллы или везикулы, испытывают изменения полярной среды, жесткости и ограниченной подвижности, что влияет на спектры поглощения и испускания, квантовый выход флуоресценции и динамику флуоресцентного выдоха. Эти эффекты используют для изучения микроокружения внутри агрегатов, мониторинга динамических процессов и оценки эффективности доставки молекул.
Полярность среды Флуоресцентные молекулы чувствительны к полярности окружающей среды. В гидрофобных ядрах мицелл или в билипидных слоях везикул часто наблюдается сдвиг эмиссионного максимума в синюю область спектра, что связано с уменьшением поляризационного взаимодействия с растворителем. Этот эффект называется солватохромизмом.
Вязкость и подвижность молекул Ограничение вращения или колебаний флуорофоров в плотной микросреде приводит к увеличению флуоресцентного выхода. Примером служат молекулы, такие как родамин или пирен, которые демонстрируют усиление флуоресценции при включении в мицеллы или липосомы.
Энергетическая передача и самоассоциация Высокая локальная концентрация флуорофоров внутри агрегатов может вызывать самоассоциацию и поглощение энергии с последующей передачей (FRET — Förster Resonance Energy Transfer). Эти процессы используются для изучения размеров мицелл, толщины билипидного слоя и расстояний между флуорофорами.
Спектрофлуорометрия Измерение спектров поглощения и эмиссии позволяет оценить микросреду флуорофора. Изменение формы спектра или сдвиги максимумов сигнализируют о взаимодействии с гидрофобными ядрами мицелл или билипидным слоем везикул.
Время жизни флуоресценции Измерение времени жизни возбужденного состояния позволяет различать свободные и ассоциированные молекулы. Вязкая или ограниченная среда приводит к увеличению времени жизни флуорофора, что отражает снижение неконкурентных процессов релаксации.
Флуоресцентное смещение и квантовый выход В мицеллярных системах наблюдаются характерные синие сдвиги эмиссии и рост квантового выхода, что используется для оценки степени включения молекул в ядро мицелл и распределения в билипидном слое везикул.
Флуоресцентное зондирование динамики Использование поляризационного и анизотропного флуоресцентного зондирования позволяет изучать динамику вращения и диффузии молекул внутри агрегатов. Вязкая среда мицелл или билипидного слоя ограничивает вращение флуорофоров, что отражается в повышении анизотропии.
Флуоресцентные мицеллярные системы и везикулы используются для:
Гидрофобные флуорофоры (например, пирен, НАФТАЛИНовые производные) активно внедряются в ядро мицелл и билипидный слой. Их эмиссия сильно зависит от плотности упаковки и полярности среды.
Гидрофильные флуорофоры (например, флюоресцеин, родамин) чаще инкапсулируются в водном объёме везикул, позволяя изучать внутреннее водное пространство.
Мембрано-ориентированные зонд-молекулы обладают специфическими локализационными свойствами и чувствительны к толщине, фазовому состоянию и локальной полярности мембран.
При работе с мицеллярными системами и везикулами необходимо учитывать:
Флуоресцентная химия в мицеллярных системах и везикулах представляет собой мощный инструмент для изучения структуры, динамики и взаимодействий внутри самособранных агрегатов. Глубокое понимание этих процессов позволяет разрабатывать эффективные системы доставки молекул и исследовать механизмы биологических мембранных процессов на молекулярном уровне.