Полностью аналитическое решение для первого спектрального момента раствора флуорофора
Автор: Ермоленко И.П., Михайлова Т.В., Михайлова В.А.
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Физика и астрономия
Статья в выпуске: 4 т.27, 2024 года.
Бесплатный доступ
Одним из распространенных способов оценки динамики сольватации флуорисцирующей системы в полярной среде является анализ поведения первого спектрального момента. Существует потребность в построении модели, которая учитывает важные физические процессы и в то же время не требовательна с точки зрения вычислений. В данной работе предложен подход, который при построении динамики сольватации позволяет учитывать параметры возбуждающего лазерного импульса и внутримолекулярную колебательную релаксацию. Показан способ построения аналитического решения для динамики первого спектрального момента. Данная модель не требует использования численных методов и представляет собой простую конструкцию, использующую базовые функции и дополнительную функцию ошибок. Проиллюстрировано влияние всех ключевых параметров на релаксацию системы и показано, что делокализованность во времени импульса накачки, а также увеличение вклада в энергию реорганизации диффузионных и инерционных процессов на ранних этапах релаксации подавляют осциллирующее поведение первого момента и скрывают информацию о затухающей внутримолекулярной моде. Представленная модель может быть обобщена для учета квантовых переходов между колебательными подуровнями высокочастотных внутримолекулярных колебаний.
Динамика сольватации, первый спектральный момент, несущая частота, моды растворителя, релаксация внутримолекулярных колебаний
Короткий адрес: https://sciup.org/149147561
IDR: 149147561 | DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2024.4.5
Список литературы Полностью аналитическое решение для первого спектрального момента раствора флуорофора
- Ермоленко, И. П. Определение релаксационных характеристик растворителей по нестационарным спектрам флуоресценции: роль длительности стробирующего импульса / И. П. Ермоленко, В. А. Михайлова, А. И. Иванов // Оптика и спектроскопия. — 2022. — Т. 130, № 10. — С. 1499-1505. — 001: 10.21883/08.2022.10.53619.3924-22
- Ермоленко, И. П. Проявление внутримолекулярных колебаний в спектрах флуоресценции молекул в полярных средах / И. П. Ермоленко, В. А. Михайлова, А. И. Иванов // Известия Уфимского научного центра РАН. — 2021. — № 1. — С. 27-32. — 001: 10.31040/2222-8349-2021-0-1-27-32
- Ермоленко, И. П. Ускоренный расчет интегралов в теории нетермического переноса электрона / И. П. Ермоленко, Р. Г. Федунов // Математическая физика и компьютерное моделирование. — 2018. — Т. 21, № 3. — С. 48-57. — 001: 10Л5688/трст.]уо18и.2018.3.5
- Махмадбегов, Р. С. Исследование диэлектрических свойств водного раствора иоди-да лития с учетом обобщенной потенциальной энергии взаимодействия / Р. С. Махмадбегов // Математическая физика и компьютерное моделирование. — 2023. — Т. 26, № 1. — С. 75-88. — 001: 10.15688/шрсш.]'уо18и.2023.1.6
- Сипливый, Н. Б. Особенности электронного строения возбужденных квад-рупольных молекул в неполярных растворителях / Н. Б. Сипливый, А. М. Иванов // Математическая физика и компьютерное моделирование. — 2021. — Т. 24, № 2. — C. 68-84. - DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2021.2.6
- A Femtosecond Fluorescence Study of Vibrational Relaxation and Cooling Dynamics of UV Dyes / O. Braem, T. J. Penfold, A. Cannizzo, M. Chergui // Phys. Chem. Chem. Phys. — 2012. — Vol. 14. — P. 3513-3519. — DOI: 10.1039/c2cp23167k
- An Ab Initio Microscope: Molecular Contributions to the Femtosecond Time-Dependent Fluorescence Shift of a Reichardt-Type Dye / C. Allolio, M. Sajadi, N. P. Ernsting, D. Sebastiani // Angew. Chem., Int. Ed. — 2013. — Vol. 6. — P. 1813-1816. — DOI: 10.1002/anie.201204532
- Bagchi, B. Solvation Dynamics in Dipolar Liquids / B. Bagchi, B. Jana // Chem. Soc. Rev. — 2010. — Vol. 39. — P. 1936-1954. — DOI: 10.1039/B902048A
- Broad-Band Pump-Probe Spectroscopy Quantifies Ultrafast Solvation Dynamics of Proteins and Molecules / C. C. Jumper, P. C. Arpin, D. B. Turner, S. D. McClure, S. Rafig, J. C. Dean, J. A. Cina, P. A. Kovac, T. Mirkovic, G. D. Scholes // J. Phys. Chem. Lett. — 2016. — Vol. 7. — P. 4722-4731. — DOI: 10.1021/acs.jpclett.6b02237
- Bruehl, M. Dielectric friction and solvation dynamics: a molecular dynamics study / M. Bruehl, J. T. Hynes // J. Phys. Chem. — 1992. — Vol. 96. — P. 4068-4074. — DOI: 10.1021/j100189a028
- Burghardt, I. On the Dissociation of Aromatic Radical Anions in Solution. II. Reaction Path and Rate Constant Analysis / I. Burghardt, D. Laage, J. T. Hynes // J. Phys. Chem. A. — 2003. — Vol. 107. — P. 11292-11306. — DOI: 10.1021/jp035638m
- Caldeira, A. O. Path integral approach to quantum Brownian motion / A. O. Caldeira, A. J. Leggett // Physica A. — 1983. — Vol. 121. — P. 587. — DOI: 10.1016/0378-4371(83)90013-4
- Calero, C. Self-thermophoresis at the nanoscale using light induced solvation dynamics / C. Calero, E. L. Sibert, R. Rey // Nanoscale. — 2020. — Vol. 12. — P. 7557-7562. — DOI: 10.1039/D0NR01169J
- Carter, E. A. Solvation dynamics for an ion pair in a polar solvent: Time-dependent fluorescence and photochemical charge transfer / E. A. Carter, J. T. Hynes // J. Chem. Phys. — 1991. — Vol. 94. — P. 5961-5979. — DOI: 10.1063/1.460431
- Castner, E. W. Solvent dynamics derived from optical Kerr effect, dielectric dispersion, and timeresolved stokes shift measurements: an empirical comparison / E. W. Castner, M. Maroncelli // J. Mol. Liq. — 1998. — Vol. 77. — P. 1-36. — DOI: 10.1016/S0167-7322(98)00066-X
- Cho, M. Electron Transfer and Solvent Dynamics in Two- and Three-State Systems / M. Cho, G. R. Fleming // Adv. Chem. Phys. — 1999. — Vol. 107. — P. 311-370.
- Chong, S.-H. Mode-coupling theory for molecular liquids based on the interaction-site model / S.-H. Chong, F. Hirata // Phys. Rev. E. — 1998. — Vol. 58. — P. 6188. — DOI: 10.1103/PhysRevE.58.6188
- Conductivity and Solvation Dynamics in Ionic Liquids / X. X. Zhang, M. Liang, N. P. Ernsting, M. Maroncelli // J. Phys. Chem. Lett. — 2013. — Vol. 4. — P. 1205-1210. — DOI: 10.1021/jz400359r
- DNA Solvation Dynamics / S. Mukherjee, S. Mondal, S. Acharya, B. Bagchi // J. Phys. Chem. B. — 2018. — Vol. 122. — P. 11743-11761. — DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b08140
- Dynamical and Environmental Effects on the Optical Properties of an Heteroleptic Ru(II)-Polypyridine Complex: A Multilevel Approach Combining Accurate Ground and Excited State QM-Derived Force Fields, MD and TD-DFT / G. Prampolini, F. Ingrosso, A. Segalina, S. Caramori, P. Foggi, M. Pastore // J. Chem. Theor. Comp. — 2019. — Vol. 15. — P. 529-545. — DOI: 10.1021/acs.jctc.8b01031
- Dynamics of the dissipative two-state system / A. J. Leggett, S. Chakravarty, A. T. Dorsey, P. A. Fisher, A. Garg, W. Zwerger // Rev. Mod. Phys. — 1987. — Vol. 1. — P. 59. — DOI: 10.1103/RevModPhys.59.1
- Femtosecond Solvation Dynamics in Water / R. J. Jimenez, G. R. Fleming, P. V. Kumar, M. Maroncelli // Nature. — 1994. — Vol. 369. — P. 471-473. — DOI: 10.1038/369471a0
- Fleming, G. R. Chromophore-Solvent Dynamics / G. R. Fleming, M. H. Cho // Ann. Rev. Phys. Chem. - 1996. - Vol. 47. - P. 109-134. - DOI: 10.1146/annurev.physchem.47.1.109
- Full relaxation dynamics recovery from ultrafast fluorescence experiments by means of the stochastic model: Does the solvent response dynamics depend on the fluorophore nature? / A. E. Nazarov, A. I. Ivanov, A. Rosspeintner, G. Angulo // J. Mol. Liq. — 2022. — Vol. 360. - P. 119387. - DOI: 10.1016/j.molliq.2022.119387
- Golosov, A. A. Probing Polar Solvation Dynamics in Proteins: A Molecular Dynamics Simulation Analysis / A. A. Golosov, M. Karplus // J. Phys. Chem. B. - 2007. - Vol. 111. -P. 1482-1490. - DOI: 10.1021/jp065493u
- Grote, R. F. The Stable States Picture of Chemical Reactions.II. Rate Constants for Condensed and Gas Phase Reaction Models / R. F. Grote, J. T. Hynes // J. Chem. Phys. -1980. - Vol. 73. - P. 2715-2732. - DOI: 10.1063/1.440485
- Halle, B. Does the Dynamic Stokes Shift Report on Slow Protein Hydration Dynamics? / B. Halle, L. Nilsson // J. Phys. Chem. B. - 2009. - Vol. 113. - P. 8210-8213. - DOI: 10.1021/jp9027589
- Hirata, F. Interaction-site representation of the Smoluchowski-Vlasov equation: The space-time correlation functions in a molecular liquid / F. Hirata // J. Chem. Phys. - 1992. -Vol. 96. - P. 4619-4624. - DOI: 10.1063/1.462797
- How good is the generalized Langevin equation to describe the dynamics of photo-induced electron transfer in fluid solution? / G. Angulo, J. Jedrak, A. Ochab-Marcinek, P. Pasitsuparoad, C. Radzewicz, P. Wnuk, A. Rosspeintner // J. Chem. Phys. - 2017. -Vol. 146. - P. 244505. - DOI: 10.1063/1.4990044
- Hynes, J. T. Outer-sphere electron-transfer reactions and frequency-dependent friction / J. T. Hynes // J. Phys. Chem. - 1986. - Vol. 90. - P. 3701-3706. - DOI: 10.1021/j100407a044
- Importance of fast solvent relaxation components to electron-transfer rates: comparisons between barriercrossing frequencies and subpicosecond time-resolved solvation dynamics / M. J. Weaver, G. E. McManis, J. Wlodzimiez, P. F. Barbara // J. Phys. Chem. - 1990. -Vol. 94. - P. 1715-1719. - DOI: 10.1021/j 100368a001
- Kasahara, K. A theory of diffusion controlled reactions in polyatomic molecule system / K. Kasahara, H. Sato // J. Chem. Phys. - 2016. - Vol. 145. - P. 194502. - DOI: 10.1063/1.4967400
- Kobrak, M. N. Characterization of the Solvation Dynamics of a Room-Temperature Ionic Liquid via Molecular Dynamics Simulation / M. N. Kobrak // J. Chem. Phys. - 2006. -Vol. 125. - P. 064502. - DOI: 10.1063/1.2227026
- Kubo, R. The fluctuation-dissipation theorem / R. Kubo // Rep. Prog. Phys. - 1966. -Vol. 29. - P. 255. - DOI: 10.1088/0034-4885/29/1/306
- Malhado, J. Dynamical Friction Effects on the Photoisomerization of a Model Protonated Schiff Base in Solution / J. Malhado, R. Spezia, J. T. Hynes // J. Phys. Chem. A. - 2011. - Vol. 115. - P. 3720-3735. - DOI: 10.1021/jp106096m
- Marx, D. Ab initio molecular dynamics: basic theory and advanced methods / D. Marx, J. Hutter. - Cambridge: Cambridge University Press, 2009. - 578 p.
- Molecular Dynamics Simulation of Solvation Dynamics in Methanol-Water Mixtures / M. Horng, J. Gardecki, A. Papazyan, M. Maroncelli, M. S. Skaf, B. M. Ladanyi // J. Phys. Chem. - 1996. - Vol. 100. - P. 18258-18268. - DOI: 10.1021/jp961634o
- Nandi, N. Dielectric Relaxation and Solvation Dynamics of Water in Complex Chemical and Biological Systems / N. Nandi, K. Bhattacharyya, B. Bagchi // Chem. Rev. - 2000. -Vol. 100. - P. 2013-2045. - DOI: 10.1021/cr980127v
- Nazarov, A. E. Principles of modeling the fluorescence spectral dynamics of dye molecules in solutions / A. E. Nazarov, A. I. Ivanov // Comp. Phys. Comm. - 2022. -Vol. 270. - P. 108178. - DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108178
- Nilsson, L. Molecular origin of time-dependent fluorescence shifts in proteins / L. Nilsson, B. Halle // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. - 2005. - Vol. 102. -P. 13867-13872. - DOI: 10.1073/pnas.0504181102
- Origin of Slow Solvation Dynamics in DNA: DAPI in Minor Groove of Dickerson-Drew DNA / D. Sardana, K. Yadav, H. Shweta, N. S. Clovis, P. Alam, S. Sen // J. Phys. Chem. B. - 2019. - Vol. 123. - P. 10202-10216. - DOI: 10.1021/acs.jpcb.9b09275
- Raineri, F. O. The power law aspect of solvation dynamics, based on the convolutionless generalized Langevin equation / F. O. Raineri, H. L. Friedman // J. Chem. Phys. - 1994. -Vol. 101. - P. 6111-6115. - DOI: 10.1063/1.467326
- Rasaiah, J. C. Computer Simulation Studies of the Structure and Dynamics of Ions and NonPolar Solutes in Water / J. C. Rasaiah, R. M. Lynden-Bell // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. - 2001. - Vol. 359. - P. 1545-1574. - DOI: 10.1098/rsta.2001.0865
- Remsing, R. C. Solvation dynamics in water confined within layered manganese dioxide / R. C. Remsing, M. L. Klein // Chem. Phys. Lett. - 2017. - Vol. 683. - P. 478-482. -DOI: 10.1016/j.cplett.2017.02.082
- Rey, R. Solvation Dynamics in Water. 4. On the Initial Regime of Solvation Relaxation / R. Rey, J. T. Hynes // J. Chem. Phys. B. - 2020. - Vol. 124. - P. 7668-7681. - DOI: 10.1021/acs.jpcb.0c05706
- Smith, B. B. Well and barrier dynamics and electron transfer rates. A molecular dynamics study / B. B. Smith, A. Staib, J. T. Hynes // Chem. Phys. - 1993. - Vol. 176. -P. 521-537. - DOI: 10.1016/0301-0104(93)
- Solution Structure and Ultrafast Vibrational Relaxation of the PtPOP Complex Revealed by Delta SCFQM/MM Direct Dynamics Simulations / G. Levi, M. Papai, N. E. Henriksen, A. O. Dohn, K. B. Moller // J. Phys. Chem. C. - 2018. - Vol. 122. - P. 7100-7119. - DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b00301
- Solvation dynamics on the diffusion timescale elucidated using energy-represented dynamics theory / K. Okita, N. Ito, H. Umakoshi, K. Kasahara, N. Matubayasi // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2024. - Vol. 26. - P. 12852-12861. - DOI: 10.1039/D4CP00235K
- Solvent Structure, Dynamics, and Ion Mobility in Aqueous Solutions at 25 C / S. Koneshan, J. C. Rasaiah, R. M. Lynden-Bell, S. H. Lee // J. Phys. Chem. B. - 1998. -Vol. 102. - P. 4193-4204. - DOI: 10.1021/jp980642x
- Stratt, R. M. Nonreactive Dynamics in Solution: The Emerging View of Solvation Dynamics and Vibrational Relaxation / R. M. Stratt, M. Maroncelli // J. Phys. Chem. -1996. - Vol. 100. - P. 12981-12996. - DOI: 10.1021/jp9608483
- Stratt, R. M. The short-time dynamics of solvation / R. M. Stratt, M. Cho // J. Chem. Phys. - 1994. - Vol. 100. - P. 6700-6708. - DOI: 10.1063/1.467030
- Subpicosecond Measurements of Polar Solvation Dynamics Coumarin 153 Revisited / M. Horng, J. Gardecki, A. Papazyan, M. Maroncelli // J. Phys. Chem. - 1995. - Vol. 99. -P. 17311-17337. - DOI: 10.1021/j 100048a004
- Terranova, Z. L. Decompositions of Solvent Response Functions in Ionic Liquids: A Direct Comparison of Equilibrium and Nonequilibrium Methodologies / Z. L. Terranova, S. A. Corcelli // J. Phys. Chem. B. - 2018. - Vol. 122. - P. 6823-6828. - DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b04235
- Theory of fluorescence spectrum dynamics and its application to determining the relaxation characteristics of the solvent and intramolecular vibrations / R. G. Fedunov, I. P Yermolenko, A. E. Nazarov, A. I. Ivanov, A. Rosspeintner, G. Angulo // J. Mol. Liq. -2020. - Vol. 298. - P. 112016. - DOI: 10.1016/j.molliq.2019.112016
- Stadelmaier, D. Thermal Diffusion of Dilute Polymer Solutions: The Role of Chain Flexibility and the Effective Segment Size / D. Stadelmaier, W. Kohler // Macromolecules. -2009. - Vol. 42. - P. 9147-9152. - DOI: 10.1021/ma901794k
- Time dependence of the velocity autocorrelation function of a fluid: An eigenmode analysis of dynamical processes / S. Bellissima, M. Neumann, E. Guarini, U. Bafile, F. Barocchi // Phys. Rev. E. - 2015. - Vol. 92. - P. 042166. - DOI: 10.1103/PhysRevE.92.042166
- Ultrafast Dielectric Response of Proteins from Dynamics Stokes Shifting of Coumarin in Calmodulin / P. Changenet-Barret, C. T. Choma, E. F. Gooding, W. F. DeGrado, R. M. Hochstrasser // J. Phys. Chem. B. - 2000. - Vol. 104. - P. 9322-9329. - DOI: 10.1021/jp001634v
- Understanding THz and IR Signals beneath Time-Resolved Fluorescence from Excited-State Ab Initio Dynamics / A. Petrone, G. Donati, P. Caruso, N. Rega // J. Am. Chem. Soc. - 2014. - Vol. 136. - P. 14866-14874. - DOI: 10.1021/ja507518k
- Van der Zwan, G. Time-dependent Fluorescence Solvent Shifts, Dielectric Friction, and Nonequilibrium Solvation in Polar Solvents / G. Van der Zwan, J. T. Hynes // J. Phys. Chem. - 1985. - Vol. 89. - P. 4181-4188. - DOI: 10.1021/j 100266a008
- Vinales, A. D. Anomalous Diffusion Induced by a Mittag-Leffler Correlated Noise / A. D. Vinales, M. A. Desposito // Phys. Rev. E. - 2007. - Vol. 75. - P. 042102. - DOI: 10.1103/PhysRevE.75.042102
- Weiss, U. Quantum Dissipative Systems / U. Weiss. - Singapore: World Scientific, 3rd ed., Series in Modern Condensed Matter Physic, 2008. - 588 p.
- Yamaguchi, T. Interaction-site Model Description of the Reorientational Relaxation of Molecular Liquids: Incorporation of the Interaxial Coupling into the site-site Generalized Langevin/Mode-coupling Theory / T. Yamaguchi, F. Hirata // J. Chem. Phys. - 2002. -Vol. 117. - P. 2216-2224. - DOI: 10.1063/1.1488586
- Yamaguchi, T. Solvation Dynamics in Electronically Polarizable Solvents: Theoretical Treatment Using Solvent-polarizable Three-dimensional Reference Interaction-site Model Theory Combined with Time-dependent Density Functional Theory / T. Yamaguchi, N. Yoshida // J. Chem. Phys. - 2021. - Vol. 154. - P. 044504. - DOI: 10.1063/5.0036289
- Yoshimori, A. Time-Dependent Density Functional Methods and Their Application to Chemical Physics / A. Yoshimori // J. Theor. Comput. Chem. - 2004. - Vol. 3. -P. 117-144. - DOI: 10.1142/S0219633604000878
- Yoshimori, A. Time-Dependent Density Functional Theory Formulated Using the Interaction-Site Model / A. Yoshimori // J. Phys. Soc. Jpn. - 2011. - Vol. 80. -P. 034801. - DOI: 10.1143/JPSJ.80.034801
- код на github. - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: https://github.com/YermolenkoIgor/RelaxFuns. - Загл. с экрана.