Диаграмма яблонского объяснение на примере пи связей. I

Е. О. Пучков,
доктор биологических наук, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина РАН
«Химия и жизнь» №9, 2014

Сразу две статьи этого номера «Химии и жизни» рассказывают о свечении биообъектов. На фото слева - малощетинковый червь Fridericia heliota , открытый учеными из Красноярского университета. О том, как был исследован его люциферин - вещество, которое при окислении ферментом люциферазой испускает голубоватый свет, - читайте в статье «Огоньки под ногами» . На фото справа - синтетический люциферин фридериции в присутствии АТФ и других необходимых компонентов демонстрирует такое же свечение, как и белковый экстракт червя. Это подтверждает, что структура люциферина установлена верно.

В отличие от флуоресцентных микроскопов, проточные цитометры не дают возможности полюбоваться флуоресцирующими объектами. Их сильная сторона - скорость регистрации сигналов от единичных объектов, например от клеток в суспензии. Обычный коммерчески доступный цитометр работает со скоростью 1000 клеток в секунду, а специализированные высокопроизводительные - до 25 000 клеток в секунду! В стандартном варианте у каждого объекта измеряются от двух до десяти параметров: светорассеяния и флуоресценции одного или нескольких флуорофоров. Таким образом можно получить статистически достоверные результаты по гетерогенности клеточных, в частности микробных, популяций. Существуют также приборы, способные сортировать клетки по определенным параметрам светорассеяния или флуоресценции, чтобы затем изучать субпопуляции с использованием других методов.

...И что из них можно узнать

Итак, все флуоресцентные репортеры имеют специализацию, то есть способны избирательно характеризовать определенные свойства биологической системы. Остановимся вкратце на некоторых категориях «специалистов».

С помощью ряда флуоресцентных репортеров (как правило, органических флуорофоров) можно следить за ферментативным катализом - исследовать динамику ферментативных реакций, их локализацию в клетках, тканях, органах и т. п. Это, например, субстраты с ковалентно присоединенными флуорофорами, которые начинают флуоресцировать только после высвобождения в ходе реакции, или «профлуорофоры», становящиеся флуоресцентными при взаимодействии с продуктом реакции.

Репортеры, сформированные на основе антител - физические комплексы или ковалентные соединения флуорофоров с антителами, - информируют о протекании иммунологических реакций. Флуоресцирующим компонентом может быть любой из известных органических и неорганических флуорофоров, включая квантовые точки. Кроме того, к антителам можно присоединять ферменты, катализирующие реакции с образованием флуоресцирующего продукта. Современные технологии позволяют получить антитела к любому белку (антигену), интересующему исследователя, антитело же с флуоресцентной меткой заставит светиться этот белок или структуру, из него построенную. Например, с помощью флуоресцентных антител выявлены микрофибриллы в фибробластах мышей (см. фото на второй странице обложки).

Очень информативны методы с использованием флуоресцентных белков (ФБ). Мы уже упоминали о том, как полезны методы внедрения в клетку генов гибридных белков, которые заставляют флуоресцировать естественный белок или даже нуклеиновую кислоту. Вдобавок флуоресценция ФБ-содержащих гибридных белков зависит от кислотности среды, что позволяет измерять рН не только внутри клетки, но и внутри отдельных органелл, если такой белок «адресован» в ядро или митохондрию.

Особый интерес вызывает применение ФБ в сочетании с методиками измерения флуоресценции, основанными на безызлучательной передаче энергии. Представьте себе два гибридных белка, один из которых заставляет флуоресцировать другой при сближении. Подобным же образом можно изучать конформационные (структурные) изменения в белках, если присоединить ФБ к разным участкам одной белковой молекулы.

Чувствительность флуоресценции к физическим свойствам микроокружения флуорофоров позволяет использовать некоторых из них в качестве репортеров различных параметров внутриклеточной среды. В их числе, например, вязкость цитоплазмы, внутреннего содержимого органелл, гидрофобного слоя биомембран. Взаимодействие некоторых флуорофоров с биологическими мембранами зависит от разности электрических потенциалов на мембране: с помощью таких репортеров получают сведения о величине мембранного потенциала. Существуют даже репортеры для измерения внутриклеточной температуры!

Не только на глаз

Возможности зрительного анализа ограничены в основном качественной оценкой: «есть свечение - нет свечения». Гораздо больше информации дают количественные характеристики (см. главу «Язык флуоресцентных репортеров»).

Для количественной характеристики флуоресценции используют две методологии. Первая служит для измерения различных характеристик флуоресценции в сравнительно большой (макроскопической) области объекта, что обеспечивает получение усредненных характеристик по объекту: раствору, суспензии коллоидных частиц, клеток, субклеточных частиц и т. п. Вторая ориентирована на единичные микроскопические объекты, в первую очередь клетки и субклеточные частицы.

Измерения интегральной флуоресценции проводят с помощью спектрофлуориметров (флуоресцентных спектрофотометров) и планшетных флуориметров (англ. plate readers ). Спектрофлуориметры-это, как правило, аналитические приборы, на которых можно получить все основные характеристики флуоресценции. Планшетные флуориметры - устройства для анализа большого количества образцов (иногда более тысяч), но лишь по нескольким фиксированным характеристикам, например по интенсивности флуоресценции в определенной спектральной области и/ или по времени жизни флуорофоров в возбужденном состоянии. Большинство методик с использованием планшетных флуориметров основано на иммунологических реакциях или на анализе развития культур клеток в монослоях.

Методология измерений флуоресценции единичных микроскопических объектов также имеет два варианта.

Первый основан на получении цифровых изображений объектов с последующим компьютерным анализом. Второй - на «поштучном» измерении флуоресценции микрообъектов в потоке, при прохождении через узкий капилляр специального прибора - проточного цитометра.

Флуоресцентная микроскопия недавно пережила настоящую революцию: разработаны новые устройства, прежде всего конфокальные микроскопы, в которых возбуждение и регистрация флуоресценции осуществляются через микроскопическое отверстие, отсекающее «лишнее» свечение, которое возникает вне фокуса объектива. Этот «зрачок» сканирует изображение в горизонтальной и/или вертикальной плоскости, сигналы регистрирует фотоумножитель, и после их компьютерной обработки получается пространственное изображение объекта. Такая конструкция позволяет получать более четкие по сравнению со стандартными микроскопами двумерные и трехмерные изображения. Кроме того, на современных конфокальных микроскопах можно проводить измерения параметров затухания флуоресценции.

Еще один тип «революционных» микроскопов функционирует, казалось бы, вопреки основным физическим принципам флуоресценции. Атомы в них возбуждаются светом с длиной волны, большей, чем у флуоресценции, а не меньшей. На самом деле никакие законы физики при работе этих микроскопов не нарушаются, просто при достаточной интенсивности светового потока с большей длиной волны в один и тот же атом одновременно могут попасть два фотона, поглощенная электронами энергия удваивается, и ее оказывается достаточно для возбуждения флуоресценции. Поэтому такие микроскопы называются двухфотонными. А поскольку световой поток максимально сконцентрирован в фокусе объектива, обеспечивается условие высокого разрешения изображений. Двухфотонные микроскопы отличает также способность регистрировать флуоресценцию в образцах на глубине до 1,5 мм и возможность существенно уменьшить неблагоприятное действие возбуждающего излучения как на исследуемые объекты, так и на флуоресцентные репортеры.

Количественную информацию из цифровых изображений извлекают с помощью компьютерных программ анализа изображений. Измеряют интенсивность флуоресценции и ее пространственное распределение, оценивают спектральные характеристики излучения, определяют количество флуоресцирующих частиц, например клеток, характеризуют временные и поляризационные параметры флуоресценции. Специальные аналитические приемы (так называемая флуоресцентная корреляционная спектроскопия) позволяют использовать конфокальную и двухфотонную микроскопию для исследования движения даже единичных флуоресцирующих молекул!

Что высветили в микромире флуоресцентные репортеры

Флуоресцентные репортеры долго и успешно служат во многих, если не во всех областях экспериментальной биологии. Однако есть такие области, где они сыграли ключевую роль.

С использованием флуоресцентных репортеров была экспериментально доказана модель жидкокристаллической структуры всех биологических мембран. Согласно этой модели, при всей ее структурной целостности мембрана достаточно «жидкая», чтобы отдельные ее компоненты могли перемещаться в нужные стороны. Такое представление позволяет понять основные молекулярные механизмы функционирования мембран, а также свойства живых клеток в целом.

В значительной мере благодаря информации от флуоресцентных репортеров прояснились механизмы трансформации энергии в клетках. Особую роль здесь сыграли флуорофоры, позволяющие регистрировать внутриклеточный и внутримитохондриальный рН, а также разность электрических потенциалов на мембранах. С их помощью прежде всего был выявлен механизм сопряжения энергодонорных реакций окисления с энергозатратным синтезом аденозинтрифосфата (АТФ) - универсального поставщика энергии для большинства метаболических процессов. Кроме того, была изучена природа накопления различных веществ в цитоплазме и в клеточных органеллах за счет мембранного электрического потенциала и градиента рН.

Жизнедеятельность клеток обеспечивается совокупностью скоординированных в пространстве и времени биохимических реакций, а за координацию отвечают так называемые сигнальные системы. Основные компоненты этих систем были изолированы и охарактеризованы с помощью методов традиционной биохимии и молекулярной биологии. Однако только подходы, основанные на применении флуоресцентных репортеров, показали напрямую, где пролегают эти пути и как по ним проходят сигналы, - стало возможным в реальном времени следить за взаимодействиями сигнальных белков или оценивать динамику экспрессии генов в отдельно взятой клетке. С помощью флуоресцентных репортеров удалось обнаружить и неизвестные ранее сигнальные компоненты, например выявить роль ионов Са +2 как сигнального посредника во многих регуляторных реакциях.

Во второй половине ХХ века в микробиологии возникла проблема, которую окрестили «великой аномалией учета микроорганизмов с помощью чашек Петри». «Виновниками» оказались флуоресцентные репортеры, два красителя нуклеиновых кислот - акридиновый оранжевый и 4,6-диамидино-2-фенилиндол. Оценить содержание микроорганизмов в природном образце можно, либо подсчитывая колонии, выросшие на чашке Петри (при достаточном разведении «посевного материала» каждую колонию образуют потомки лишь одной клетки), либо напрямую подсчитывая под микроскопом сами микроорганизмы, прокрашенные флуоресцентными красителями нуклеиновых кислот. Так вот, флуоресцентные репортеры всегда выявляли значительно больше микроорганизмов, чем анализ с чашками Петри.

Для объяснения этого противоречия были выдвинуты две гипотезы. Согласно первой, часть клеток, находящихся в состоянии покоя, не размножается на чашках Петри. Согласно второй, условия культивирования (состав среды, температура и др.) не соответствуют потребностям некоторой части популяции. Проверка этих гипотез показала, что возможно и то, и другое. Более того, был дан толчок к формированию двух новых больших направлений исследований. Первое связано с изучением так называемого жизнеспособного, но некультивируемого состояния микроорганизмов. Понятна практическая значимость таких исследований: например, патогены человека в этом состоянии могут быть невидимы для стандартных методов диагностики и более устойчивы к лекарственным препаратам. Второе направление - выявление и изучение микроорганизмов в природных образцах путем прямого анализа их нуклеиновых кислот, без предварительного получения чистых культур, как это делалось раньше. Это направление получило собственное название - метагеномика. Благодаря методам метагеномики (кстати, некоторые из этих методов предполагают использование флуоресцентных репортеров) появилась возможность по-новому увидеть биологическое разнообразие микроорганизмов в отдельных экосистемах и на Земле в целом.

Итак, современные флуоресцентные репортеры - это огромная армия специалистов, и многие из них уже имеют громкую славу в экспериментальной биологии. Их репортажи позволили лучше разглядеть те уголки микромира, куда может заглянуть свет. Однако многие исследователи, работающие в данной области, считают, что все, увиденное нами в свете флуоресценции до сих пор, - это только начало!

Люминесценция возникает после поглощения света и представляет собой излучательный переход из электронно-возбужденных состояний в основное состояние. В зависимости от природы основного и возбужденного состояний люминесценцию можно разделить на два типа. Как известно, спины электронов, один из которых находится в основном синглетном состоянии, а второй в возбужденном синглетном состоянии имеют противоположную ориентацию (спины электронов спарены). Переход электрона из возбужденного синглетного состояния в основное синглетное состояние квантовомеханически разрешен, поскольку в этом случае изменение ориентации спина не должно происходить. Иная ситуация наблюдается для триплетного состояния, в котором спин электрона имеет туже ориентацию, что и спин электрона в основном синглетном состоянии. Поэтому при переходе электрона из триплетного состояния в основное синглетное состояние необходимо изменение ориентации спина электрона. А данный процесс квантовомеханически запрещен.

Очевидно, что для этих двух типов переходов электронов должны существенно различаться величины скоростей испускания. Действительно, для квантовомеханически разрешенных синглет-синглетных переходов типичные величины скоростей испускания ~ 108 с-1, что соответствует временам затухания свечения ~ 10-8 с. Данный тип люминесценции и получил называние флуоресценция. Второй тип люминесценции называется фосфоресценцией - и представляет собой испускание, происходящее при переходе между состояниями различной мультиплетности, как правило из возбужденного триплетного состояния в синглетное состояние. Поскольку данные переходы квантовомеханически запрещены, то типичный диапазон времени затухания фосфоресценции колеблется от микросекунд до секунд, что главным образом зависит от вклада других процессов дезактивации энергии электрона в возбужденном состоянии. Таким образом, в зависимости от длительности послесвечения люминесценцию можно разделить на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Процессы поглощения и испускания света безотносительно к изменению ядерных координат можно наглядно продемонстрировать с помощью диаграммы Яблонского (см. рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма Яблонского, иллюстрирующая энергетические уровни
молекулы и скорости переходов. Прямые линии - радиационные переходы,
волнистые - безызлучательные переходы

Основное синглетное состояние, первое и второе возбужденное синглетные состояния обозначим S0, S1, S2 соответственно. Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных подуровней, а те в свою очередь состоят из множества вращательных подуровней (не показаны на рис. 1).

В соответствии с распределением Больцмана, при комнатной температуре большинство молекул находятся на самом нижнем колебательном уровне основного синглетного состояния S0. Именно такие молекулы преимущественно и будут погло-
щать излучение.

Итак, возбуждение как правило происходит из основного синглетного состояния S0 на различные колебательные уровни возбужденных синглетных состояний Sn (n = 1, 2, …). Переходы между различными подуровнями показаны прямыми линиями. Такое представление используется для того, чтобы показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происходит за время порядка периода световых колебаний, т.е. примерно за 10-15 с. За это время ядра не претерпевают заметного смещения (принцип Франка - Кондона).

Далее для молекул в конденсированной фазе наиболее вероятным процессом является их переход из возбужденных синглетных состояний на самый нижний колебательный уровень возбужденного состояния S1 за счет быстрых безызлучательных переходов (внутренняя конверсия) за время порядка фемтосекунд. Поскольку типичные времена затухания флуоресценции близки к 10-8 с, то внутренняя конверсия обычно заканчивается до момента акта испускания. Поэтому, испускание флуоресценции чаще всего осуществляется из термически равновесного возбужденного состояния.

Обратный излучательный переход электронов (флуоресценция), аналогично акту поглощения, может происходить на различные колебательные уровни основного синглетного состояния S0 со скоростью Kф. После чего происходит их безызлучательная дезактивация на основной колебательный уровень за времена порядка 10-12 с.

Молекулы в состоянии S1 могут подвергаться и другим переходам. Например, возможен безызлучательный переход (внутренняя конверсия) в состояние S0 со скоростью Kвк, безызлучательная передача энергии соседним молекулам со скоростью Kпэ. Кроме того, молекулы в состоянии S1 могут также подвергаться интеркомбинационной конверсии в первое триплетное состояние Т1 со скоростью Kикк. Далее возможен излучательный переход молекулы из триплетного состояния в основное синглетное (фосфоресценция). Однако, как было сказано ранее такой переход квантовомеханически запрещен, в результате чего константа скорости для фосфоресценции на несколько порядков меньше соответствующей константы для флуоресценции.

Сумма всех кинетических скоростей обратно пропорциональна времени жизни τ возбужденного состояния S1, т.е.:

Отношение представляет собой квантовый выход флуоресценции. На испускание флуоресценции могут влиять и другие факторы, например, тушение люминесценции, влияние растворителя и др.

Люминесценция – свечение атомов, ионов, молекул, возникающее в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом молекула преобразует поглощенную энергию в собственное излучение (В. Л. Левшин) Люминесценцию называют холодным свечением Люминесцирующие вещества могут находиться в любом агрегатном состоянии 2

Классификация видов люминесценции 1. По длительности свечения 2. По способу возбуждения 3. По механизму свечения: свечение дискретных центров – поглощающими и излучающими центрами являются одни и те же частицы (атомы, молекулы, ионы) рекомбинационное свечение – процессы поглощения и излучения разделены во времени и в пространстве; в процессе возбуждения происходит разделение частицы вещества на две противоположно заряженные части; последующая их рекомбинация сопровождается выделением энергии А + hv A + + e A + + e A * A * A + hv 3

Классификация люминесценции по длительности свечения флуоресценция (~10 -8 c) При флуоресценции молекула переходит в основное состояние из короткоживущего возбужденного состояния Она наблюдается сразу же после поглощения света, быстро спадает и исчезает в результате столкновений излучающей молекулы с другими молекулами в растворе (тушение флуоресценции) фосфоресценция (>10 -6 с) Фосфоресценция наблюдается при переходе молекулы в основное состояние из относительно долгоживущего возбужденного состояния, так что между поглощением и испусканием света может пройти относительно много времени Для фосфоресценции характерны большая длина волны излучения, меньшая интенсивность и большее влияние матрицы 4 10 -6 с) Фосфоресценция наблюдается при переходе молекулы в основное состояние из относительно долгоживущего возбужденного состояния, так что между поглощением и испусканием света может пройти относительно много времени Для фосфоресценции характерны большая длина волны излучения, меньшая интенсивность и большее влияние матрицы 4">

Классификация люминесценции по способам возбуждения Электромагнитное излучение УФ- и видимого диапазона Фотолюминесценция Поток электронов (катодные лучи) Катодолюминесценция Поток ионов щелочных металлов Ионолюминесценция Рентгеновское излучениеРентгенолюминесценция Радиоактивное излучениеРадиолюминесценция Тепловая энергияТермолюминесценция УльтразвукСонолюминесценция Механическое воздействиеТриболюминесценция Энергия химической реакцииХемилюминесценция 5

В аналитической практике чаще используют фото - и хемилюминесценцию Флуоресцентные измерения более избирательны, чем спектрофотометрические, поскольку зависят от двух длин волн: поглощаемого и испускаемого света По сравнению с молекулярной абсорбционной спектроскопией метод обладает большей чувствительностью Это обусловлено тем, что метод относится к силовым, в котором выходной сигнал увеличивается с увеличением интенсивности излучения Пределы обнаружения для большинства соединений составляют ~ мкг / мл, что на 1-2 порядка ниже, чем в абсорбционной спектроскопии 6

Кроме того, в ряде случаев наблюдается большой диапазон определяемых содержаний – иногда до 4- х порядков величин концентраций – при той же воспроизводимости результатов анализа, что и в молекулярной абсорбционной спектроскопии Все это предопределило развитие люминесцентного метода анализа 7

Молекулярная люминесцентная спектроскопия (флуориметрия) Фотопроцессы в молекулах Электронное возбуждение молекулы связано с переходом электрона из основного состояния в возбужденное с большей энергией Возбужденные молекулы переходят в основное состояние, часто испуская свет Конкурирующие физические процессы могут приводить к образованию нового возбужденного состояния, при этом общая потеря электронной энергии несколько задерживается В конечном счете все же происходит быстрый переход всех возбужденных состояний в основное состояние системы Происхождение люминесцентного излучения поясняется диаграммой Яблонского 8

Рассмотрим процесс возбуждения валентных электронов молекулы На каждый электронный уровень или энергетическое состояние (жирные линии на схеме) накладываются колебательные подуровни с квантовыми числами 0,1,2,3 и т. д. (тонкие линии) При поглощении кванта света электрон переходит с основного уровня на более высокий. Различают синглетное возбужденное состояние (все спины электронов антипараллельны, неспаренные электроны отсутствуют) и триплетное (параллельные спины) Основное состояние не может быть триплетным (по принципу Паули два электрона не могут иметь полный набор одинаковых квантовых чисел) 10

Механизмы возвращения молекулы из возбужденного состояния в основное Избыточная энергия возбужденных молекул может быть потеряна за счет ряда процессов Все эти процессы конкурируют друг с другом и вклад каждого из них в общую потерю энергии зависит от соотношения их скоростей Вернемся к диаграмме Яблонского 11

При комнатной температуре молекулы обычно находятся в основном состоянии S 0, и почти все переходы при поглощении света происходят с нижнего (основного) колебательного подуровня на колебательные подуровни возбужденного синглетного состояния S 1 или S 2 Время жизни электрона в возбужденном синглетном состоянии составляет с Безызлучательные переходы Возбужденная молекула за счет так называемой колебательной релаксации при столкновении с окружающими молекулами очень быстро, за время меньше с, теряет избыточную колебательную энергию и переходит на основной колебательный уровень возбужденного синглетного состояния (переход обозначен волнистыми стрелками) 13

Таким же быстрым является процесс внутренней конверсии в высших электронно - возбужденных состояниях Это безызлучательный переход между колебательными уровнями различных электронных состояний, имеющих одинаковую энергию (горизонтальная волнистая линия) Внутренняя конверсия в нижних электронных состояниях S 1 S 0 процесс более медленный, он может конкурировать с излучательным переходом S 1 S 0 Флуоресценция - процесс излучательного перехода с низшего возбужденного синглетного состояния в основное (S 1 S 0) Время затухания флуоресценции с Флуоресценция протекает в одну стадию 14

Энергия испускаемого фотона ниже, чем энергия поглощенного фотона, поэтому спектр флуоресценции молекулы находится в области более длинных волн по сравнению со спектром поглощения - закон Стокса - Ломмеля h люм

Напомним, что кроме синглетного возможно триплетное возбужденное состояние (параллельные спины электронов) Прямой переход из основного состояния в возбужденное триплетное в результате поглощения фотона практически невозможен Молекула может оказаться в триплетном состоянии только в результате переходов с возбужденных синглетных состояний – интеркомбинационная конверсия – S 1Т 1 (безызлучательный переход, обозначен волнистой стрелкой) Время жизни электрона в возбужденном триплетном состоянии – не менее с В триплетном состоянии так же, как и в синглетном происходит колебательная релаксация, и электрон переходит на нижний колебательный уровень Т 1 20

Безызлучательная дезактивация Т 1 S 0 конкурирует с излучательным Т 1 S 0 переходом Фосфоресценция – излучательный переход между состояниями различной мультиплетности Хотя такие переходы теоретически запрещены, они имеют место, хотя и менее вероятны, чем S S и ТТ переходы Это происходит вследствие спин - орбитального взаимодействия, связанного с движением ядер, поэтому с увеличением массы ядра спин - орбитальное взаимодействие резко возрастает (~Z 4) Т. о., эффективность фосфоресценции возрастает при введении в молекулу люминофора (или растворителя) атомов с большими атомными номерами, например, йода или брома – эффект тяжелого атома 21

Излучательное время фосфоресценции с, поэтому триплетные молекулы могут легко терять свою энергию в различных безызлучательных процессах В растворах это происходит при столкновении с молекулами кислорода, имеющими неспаренные электроны Для наблюдения фосфоресценции из растворов удаляют кислород, более эффективно замораживание растворов, либо закрепление люминофоров на поверхности сорбентов 22

С участием Т 1 - состояния может осуществляться еще один излучательный процесс – замедленная флуоресценция, который происходит в результате термической активации молекул Т 1 S 1 и последующим излучением из него Условия проявления замедленной флуоресценции довольно специфичны. Этот тип молекулярной люминесценции наблюдается в весьма ограниченных диапазонах температур, вязкостей и концентраций растворов По сравнению с флуоресценцией и фосфоресценцией ее интенсивность невелика (несколько процентов от интенсивности флуоресценции) и достигает максимальных значений при комнатной и более высоких температурах, заметно ослабевая с понижением температуры Спектр замедленной флуоресценции совпадает со спектром быстрой флуоресценции, однако время жизни замедленной флуоресценции равно времени жизни фосфоресценции 25

Характеристики люминесцирующих молекул Спектр возбуждения люминесценции - зависимости интенсивности люминесценции I от частоты (волнового числа) или длины волны возбуждающего света Спектр люминесценции - зависимость интенсивности люминесценции от ее длины волны I = f(λ); I = f(v) Время жизни люминесценции – время, за которое интенсивность излучения уменьшится в е раз, поскольку затухание люминесценции происходит по закону: I t = I 0 e -t/ τ 27

Для возбуждения люминесценции используется УФ - излучение. Источники излучения – газоразрядные лампы, чаще всего ртутно - кварцевые и ксеноновые Измерение люминесцентного излучения чаще всего проводят под прямым углом к падающему лучу света, поэтому кюветы должны быть прозрачны во всех направлениях Высококачественный прибор имеет 2 монохроматора – для регистрации спектра возбуждения и флуоресценции Приемником излучения может служить глаз человека. В современных приборах используются фотоумножители Для регистрации фосфоресценции необходимо устройство для охлаждения пробы и механический или электронный прерыватель, позволяющий облучать пробу короткими импульсами и тем самым отделять длительную фосфоресценцию от кратковременной флуоресценции 31

C пектрофлуориметр фирмы Horiba Fluoromax

В основе количественного анализа лежит зависимость интенсивности люминесценции от концентрации люминесцирующего вещества где К – коэффициент пропорциональности В кв – квантовый выход люминесценции I 0 – интенсивность возбуждающего света ε - молярный коэффициент поглощения l – толщина слоя раствора Это соотношение справедливо, если постоянны: квантовый выход интенсивность возбуждающего света 34

10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции " title="Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (10 -7 -10 -4 М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции " class="link_thumb"> 35 Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации флуоресцирующего вещества 35 10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции "> 10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации флуоресцирующего вещества 35"> 10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции " title="Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (10 -7 -10 -4 М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции "> title="Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (10 -7 -10 -4 М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции ">

Тушение люминесценции происходит при столкновении возбужденной молекулы с другими, особенно парамагнитными (растворенный кислород), которые стимулируют процессы интеркомбинационной конверсии Повышение температуры уменьшает выход люминесценции. Это связано с тем, что возрастает частота соударений, при которых происходит безызлучательная дезактивация возбужденных молекул. Поэтому определения проводятся, как правило, при комнатной температуре Присутствие посторонних веществ также понижает выход люминесценции. Наиболее активные тушители люминесценции - катионы и анионы « тяжелых » элементов (I -, Br -, Cs + и др.), парамагнитные ионы и молекулы (Mn 2+, O 2 и др.), молекулы растворителя Самопоглощение – состоит в поглощении части испускаемого света слоем люминесцирующего вещества 36

Применение метода 37 Число флуоресцирующих веществ ограничено. Метод применим для определения веществ, обладающих собственной люминесценцией (соединения U(VI), особенно уранил - иона UO 2 +, РЗЭ и др.) ионов металлов в виде комплексов с органическими реагентами: 8- оксихинолин и его производные (более 25 элементов, в т. ч. Li, Ca, Mg, Ba, Sc, Al, In, Ga) оксиазо - и оксиазометиновые соединения (Al, Ga, Mg и др.) полиоксифлавоны (Zr, Hf, Sn, Th, Al,Be) родаминовые красители (Au, In, Ga, Hg, B, Te и др.) органических веществ - конденсированных полиароматических систем (антрацен, флуорен, флуоресцеин)

38 кристаллофосфоров или твёрдых растворов. Обычно их получают спеканием основного вещества (ZnS, CdS, CaS, SrS и др.) с активатором (соединения Ag, Cu, Mn, Ce и др.) и плавнем (NaCl, NaNO 3, K С l, CaF 2 и др.). В некоторых случаях кристаллофосфор удается получить сокристаллизацией активатора и основного вещества из насыщенного раствора последнего. Спектр люминесценции кристаллофосфора определяется типом активатора Кристаллофосфоры обозначают химическими символами основного вещества, образующего кристаллическую структуру активатора и плавня. Например, запись ZnS × Ag × NaCl означает, что данный кристаллофосфор представляет собой сульфид цинка, активированный атомами серебра, и при синтезе его использован плавень хлорид натрия

Например, уран в количестве 10 –5 мкг можно определить с применением кристаллофосфора на основе NaF, сурьму в количестве 10 –6 мкг – на основе CaO, редкоземельные элементы в количестве 10 –6 мкг – на основе ThO 2 Чувствительность определения сопоставима, а иногда и превосходит атомно - спектроскопические методы: селективность не очень высока 39

Определение органических соединений основано на а) прямых методах по флуо - и фосфоресценции б) эффекте Шпольского в) фосфоресценции при комнатной температуре Эффект Шпольского – возникновение квазилинейчатых спектров люминесценции и поглощения в специально подобранных растворителях, размеры молекул которых совпадают с размерами молекул люминофора при низких температурах При этом молекулы изолированы друг от друга и жестко закреплены в растворителе, вследствие чего спектры представляют собой серию узких спектральных линий и обладают ярко выраженной индивидуальностью 42

Фосфоресценция органических молекул обусловлена дезактивацией возбужденных триплетных состояний. Время жизни триплетных состояний столь велико (до 100 с), что для наблюдения фосфоресценции необходимо зафиксировать молекулу в триплетном состоянии в жесткую матрицу, т. е. иммобилизовать. Иммобилизация уменьшает вероятность безызлучательной дезактивации триплетных молекул посредством соударений и внутренней конверсии Для получения спектров фосфоресценции применяют органические растворители, кристаллизующиеся при низких температурах чаще всего используют смеси: этиловый спирт – диметилформамид; этиловый спирт – изопентан – диэтиловый эфир, которые кристаллизуются в стеклообразную массу при температуре кипения жидкого азота 77 К 44

45 Для измерения фосфоресценции при комнатной температуре люминофор закрепляют на сорбенте, обработанном солями Ag, Tl, Hg, бромидами, иодидами и др. (эффект тяжелого атома) Сорбенты – фильтровальная бумага, оксиды кремния, алюминия интенсивность фосфоресценции выше, поэтому круг определяемых веществ расширяется Кроме того, повышается селективность, т. к. эффект тяжелого атома весьма специфичен

Качественный анализ 46 Спектр люминесценции есть индивидуальная характеристика люминесцирующего вещества. Спектры могут быть использованы для качественного люминесцентного анализа. Обычно такой анализ проводится визуально по цвету излучения. Качественный люминесцентный анализ применяют для исследования минералов, определения марок стёкол, сортов смазочных масел и т. п. Очень чувствительны качественные люминесцентные реакции, используемые для обнаружения ионов Возникновение или исчезновение люминесценции обычно наблюдается визуально при добавлении органических реагентов к растворам неорганических солей Так, ярко - зеленая люминесценция лития с 8- оксихинолином возникает в присутствии 0,1 мкг / мл Li, медь открывают по ярко синей люминесценции ее соединения с салицилалазином при концентрации 0,05 мкг / мл и т. д.

Хемилюминесцентный анализ 47 Хемилюминесцентное излучение наблюдается тогда, когда в ходе химической реакции образуется возбужденная молекула, способная люминесцировать при переходе в основное состояние Возбужденная частица, образующаяся в ходе реакции, может испустить квант света сама (прямая хемилюминесценция) или передать энергию постороннему люминофору, который перейдет в возбужденное состояние и затем испустит квант света (косвенная или сенсибилизированная хемилюминесценция) Для возбуждения хемилюминесценции в видимой области спектра требуется энергия 160 кДж / моль. Это характерно для радикальных, цепных и окислительно - восстановительных реакций, протекающих по свободно - радикальному механизму

48 На практике чаще всего используют реакции окисления ряда органических веществ, таких, как люминол (V), лофин (VI), люцигенин (VII) и др. Неорганический хемилюминесцентный анализ основан на способности элементов с незаполненной d- оболочкой тушить флуоресценцию, катализировать, реже ингибировать хемилюминесцентную реакцию Изменение интенсивности при этом пропорционально концентрации элементов Для выполнения анализа требуется лишь измерить интенсивность возникающего люминесцентного излучения с помощью фотоумножителя Поскольку единственным источником излучения является химическая реакция, разложения света в спектр не требуется, т. е. не требуются ни монохроматор, ни источник излучения

49 Метод хемилюминесценции используется для определения неорганических и органических веществ с пределом обнаружения до 10 –8 %. Разработаны методики определения платиновых металлов, Fe, Co, Ni, Cu, Cr и др. с ПО до мкг / мл, но эти методики не обладают высокой селективностью Более селективны методики газового анализа: определение озона, оксидов азота и аммиака после их перевода в NO. Реакции NO + O 2 NO 2 * + O 2 NO 2 * NO 2 + hv сопровождаются люминесценцией с максимумом при 800 нм Чувствительность определения озона с красителем родамином В составляет до % (1 ppb)

Атомно - флуоресцентная спектроскопия 50 Атомно - флуоресцентный анализ метод элементного анализа по спектрам атомной флуоресценции Анализируемый образец атомизируют, образовавшийся атомный пар для возбуждения флуоресценции облучают потоком света. Испускаемую возбужденными атомами флуоресценцию (как правило, резонансную) регистрируют Если поток света содержит кванты с энергией, соответствующей возбуждению первого уровня, облучаемый атом перейдет в возбужденное состояние, а затем при возвращении будет испускать свет с длиной волны, соответствующей резонансному переходу. Этот процесс также называют резонансной флуоресценцией

51 Схема возбуждения флуоресценции: а и б резонансная флуоресценция с различных уровней; в резонансная и стоксовая флуоресценция; г резонансная и антистоксовая флуоресценция; д каскадная флуоресценция; е ступенчатое возбуждение флуоресценции двумя квантами (ν 12 + ν 23)

52 В зависимости от количества фотонов, приходящихся на один акт возбуждения, механизм возбуждения может быть однофотонным или ступенчатым многофотонным Основные процессы, вызывающие появление спектров атомной флуоресценции, приведены на схеме, которая объясняют появление в спектре наряду с линиями резонансной флуоресценции (а, б) линий нерезонансной флуоресценции (в – е) Нерезонансную флуоресценцию называют стоксовой, если испускаемый фотон меньше поглощенного, и антистоксовой, когда испускаемый фотон больше поглощенного Если переход из возбужденного состояния в основное осуществляется путем последовательных переходов, каждый из которых сопровождается испусканием фотонов, то такой тип флуоресценции называют каскадной флуоресценцией (д) В реальных атомах число электронных энергетических уровней больше трех. Для заселения любого из них существует ряд возможностей с участием ступенчатых и каскадных переходов при столкновительных и излучательных процессах Спектры атомной флуоресценции содержат гораздо меньше линий, чем спектры испускания тех же атомов в газоразрядных источниках возбуждения (лампы с полым катодом, высокочастотные безэлектродные лампы). Как правило, число линий в спектрах атомной флуоресценции не превышает десятка.

53 Для атомизации жидких образцов (растворов) можно использовать любой способ атомизации пламя, аргоновую высокочастотную индуктивно - связанную плазму или электротермические атомизаторы (нагреваемые электрическим током графитовые трубки, нити, стержни, тигли) Атомизацию порошкообразных проб осуществляют электротермическими способом в графитовых тиглях или капсулах, которые иногда вносят в пламя для дополнительного нагрева паров пробы Химический состав пламен выбирают так, чтобы выход флуоресценции (т. е. доля поглощенной энергии, излучаемой в виде флуоресценции) и степень атомизации были максимальны Для предотвращения тушения флуоресценции в пламя добавляют некоторое количество аргона, а электротермический атомизатор обычно помещают в атмосферу аргона с целью увеличения выхода

55 Возбуждение атома происходит под действием внешнего источника излучения Доля возбужденных атомов определяется не температурой атомизатора, как в АЭС, а интенсивностью этого источника Для свободных атомов величины квантовых выходов, как правило, крайне невелики ввиду высокой температуры среды, поэтому в АФС используют мощные источники излучения Для возбуждения флуоресценции используют интенсивные лампы с линейчатым или непрерывным спектром (лампы с полым катодом или безэлектродные), а также лазеры с перестраиваемой длиной волны В последнее время метод АФС развивается исключительно в лазерном варианте – ЛАФС Использование лазеров позволило резко увеличить чувствительность метода

56 Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные источники когерентного излучения Физической основой работы лазера служит явление вынужденного индуцированного излучения Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его « точной копией ») ; чрезвычайно высокая степень его монохроматичности недостижима в излучении нелазерных источников В результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества происходит усиление света Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до –10 13 Вт (в импульсном режиме)

Гелий - неоновый лазер 58 В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в возбужденное состояние Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация Светящийся луч в центре это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки

59 Аналитическим сигналом служит излучение в УФ - части спектра, испускаемого возбужденными атомами Интенсивность атомной резонансной флуоресценции в первом приближении пропорциональна концентрации излучающих частиц: I 0 – интенсивность возбуждающего света В кв – квантовый выход флуорес ценции k – коэффициент поглощения l – толщина слоя раствора

60 Основной помехой при атомно - флуоресцентных определениях элементов является рассеянное излучение, которое возникает вследствие рассеяния излучения от источника возбуждения на атомах и молекулах анализируемого образца Рассеянное излучение часто маскирует слабые сигналы резонансной флуоресценции При больших интенсивностях рассеянного света выделение из шума сигнала резонансной флуоресценции затруднено, поскольку длина волны аналитической линии совпадает с длиной волны рассеянного света Во избежание помех, связанных с рассеянным излучением, для измерения используют линии нерезонансной флуоресценции В этом случае эффект возбуждения достигается лишь с помощью лазеров

61 Для регистрации спектра флуоресценции применяют светосильные спектрофотометры с большим углом Измеряют интенсивность излучения, распространяющегося под прямым углом к возбуждающему излучению (в этом направлении интенсивность рассеянного света обычно минимальна)

69 Линейчатый характер спектров атомной флуоресценции обеспечивает атомно - флуоресцентному анализу высокую селективность Линии в спектре атомной флуоресценции очень узкие, и это дает возможность определять одновременно несколько элементов. Для этого вокруг атомизатора устанавливают соответствующее число светосильных спектрофотометров Метод АФС легко автоматизируется, стоимость аппаратуры относительно невысока Метод применяется для анализа пород (земных и лунных), почв, природных и сточных вод, сталей, сплавов, нефтей, пищевых продуктов, биологических объектов (крови, мочи), различных химических соединений, для дистанционного определения элементов в верхних слоях атмосферы

Сравнение пределов обнаружения элементов (нг / мл) методами атомной спектроскопии ЭлементААС (пламя) ААС (э/т)АЭС (пламя) АЭС (ППТ) АЭС (ИСП) АФС Al Ba Be B V Bi W Gd Ga Ge Fe Au In Cd K ,5 1 0,01 0,04 0,1 8 0,01 0,1 0,01 0,02 0,0002 0,01 2 0,5 0,3 0,2 0,01 0,003 0,1 0,8 0,4 0,6 0,5 0,09 0,9 0,4 0,2 0,001 0,8 70

Сравнение пределов обнаружения элементов (нг / мл) методами атомной спектроскопии ЭлементААС (пламя) ААС (э/т)АЭС (пламя) АЭС (ППТ) АЭС (ИСП) АФС Mg Mn Cu Mo As Na Ni Sn Hg Pb Se Ag Sb U Zn 0,1 0,02 0,02 0,9 0,1 0,8 0,0002 0,0005 0,005 0,02 0,08 0,004 0,05 0,03 0,2 0,007 0,05 0,001 0,2 0,5 2 0,5 45 0,003 0,01 0,04 0,2 2 0,1 0,2 10 1,5 0,1 0,4 0,06 0,1 0,

Классификация электронных переходов

Диаграмма Яблонского

Физические процессы, протекающие в электронно-возбужденном состоянии молекул, принято представлять в виде диаграммы Яблонского. Основными безызлучательными процессами дезактивации нижнего возбужденного состояния S 1 являются внутренняя конверсия (переход между состояниями одинаковой мультиплетности) и интеркомбинационная конверсия (переход между состояниями разной мультиплетности, например, синглет-триплетный переход S 1 ®T 1 ). Внутренняя конверсия S 1 ®S 0 – сравнительно медленный процесс. Поэтому в возбужденном состоянии S 1 могут наблюдаться процессы спонтанного испускания фотона (спонтанное излучение) и фотохимические реакции. Излучательными процессами являются разрешенная по спину флуоресценция и запрещенная по спину фосфоресценция.

Электронные спектры поглощения в УФ и видимом диапазонах, дают важную информацию о структуре и свойствах электронно-возбужденных состояний молекул. Знание спектра поглощения вещества является обязательным условием фотолюминесцентных и фотохимических исследований. Кратко остановимся на классификации электронных переходов

Электроны в органической молекуле располагаются на молекулярных s-, p- и n -орбиталях. На каждой молекулярной орбитали помещаются два электрона, отличающихся спинами. При возбуждении молекулы светом происходит переход электрона с занятой связывающей орбитали на свободную разрыхляющую орбиталь. Такие переходы обозначают в соответствии с их орбитальной природой: s-s*, n -s*, p-p* и n -p*.

Полосы поглощения, обусловленные переходами s®s* , находятся преимущественно в вакуумной УФ области < 200 нм, где обычные спектрофотометры не применимы.

Переходам n -s* соответствуют полосы поглощения в УФ области. Например, органические соединения, содержащие n -электроны, локализованные на орбиталях гетероатомов, О, N, S, поглощают УФ свет в области около 200 нм.

Переходам p®p* и n ®p* соответствуют полосы поглощения в средней УФ-области. При сопряжении кратных связей полосы, обусловленные этими переходами, смещаются в ближнюю УФ- и видимую область спектра. Переходы n ®p* характерны для соединений, содержащих такие хромофорные группы, как С=О, C=S, N=N; эти переходы часто оказываются запрещенными, и соответствующие им полосы поглощения имеют сравнительно низкую интенсивность.

Эта классификация пригодна в основном для относительно простых молекул. В сложных молекулах определенный вклад в электронный переход могут вносить электроны, находящиеся на орбиталях разного типа.

Значительный интерес представляют электронные переходы с переносом заряда. Если в молекуле имеются электронодонорная и акцепторная группы, и они находятся в p-электронном сопряжении, то переход S 0 ®S 1 может сопровождаться переносом заряда от донора к акцептору по цепи сопряжения, как например, в данном стириловом красителе:

В этом случае говорят об электронном переходе с внутренним переносом заряда . Соответствующие полосы поглощения обычно характеризуются высокой интенсивностью и располагаются в видимой, а иногда и в ближней ИК области.

Для слабосвязанных органических донорно-акцепторных комплексов могут наблюдаться полосы поглощения, относящиеся к электронному переходу с переносом заряда от донора к акцептору через пространство (межмолекулярный перенос заряда ). Такие комплексы часто называют комплексами с переносом заряда. Длинноволновые полосы поглощения таких комплексов имеют сравнительно низкую интенсивность и могут находиться в ближней УФ, видимой и ближней ИК области спектра.

В металлорганической химии различают полосы поглощения, соответствующие переносу заряда от лиганда к металлу (ПЗЛМ ) и от металла к лиганду (ПЗМЛ ).

Электронная спектроскопия

в супрамолекулярной химии

Основные разделы:

Физические основы поглощения света и фотолюминесценции

Техника измерения электронных спектров поглощения и люминесценции

Современные методы обработки спектроскопических данных

Примеры применения электронной спектроскопии для исследования свойств супрамолекулярных систем

Экспериментальные методы химии высоких энергий: Учебное пособие / Под общ. ред. М. Я. Мельникова. – М.: Изд-во МГУ, 2009. – 824 с

(ISBN 978-5-211-05561-2).

Е.Н. Ушаков / Самосборка и фотохимия супрамолекулярных систем на основе краунсодержащих непредельных соединений // дисс. док. хим. наук, ИПХФ РАН, Черноголовка, 2006. – 263 с.

[email protected] )

Дополнительная литература:

E.N. Ushakov et al , Sandwich-type complexes of alkaline-earth metal cations with a bisstyryl dye containing two crown ether units, J. Phys. Chem. A, 1999, vol. 103, p. 11188-11193.

(имеется в электронном виде, PDF-файл, [email protected] )

I. Физические основы поглощения света и фотолюминесценции

Взаимодействие света с веществом

Свет, как известно, характеризуется длиной волны  и частотой  , которые связаны соотношением

где с – скорость света в вакууме, n – показатель преломления среды.

Волновую теорию света используют для интерпретации таких явлений как отражение, преломление, дифракция света, т.е. явлений, при которых свет не поглощается средой.

Однако для описания поглощения и испускания света веществом необходимо использовать квантовую теорию, согласно которой световая энергия может поглощаться только определенными порциями, или квантами. Энергия, переносимая одним квантом света, или, другими словами, фотоном, определяется уравнением Планка:

где h – постоянная Планка. То есть, монохроматический свет характеризуется не только длиной волны, но также и энергией фотона.

Поглощение монохроматического света гомогенной средой, содержащей поглощающее свет вещество, подчиняется закону ЛамбертаБера:

где I 0 – энергия монохроматического света, падающего за единицу времени на поверхность слоя вещества; I – энергия, прошедшая через слой вещества за единицу времени; l – толщина слоя, см; C – концентрация поглощающего свет вещества, моль/л;  – молярный коэффициент поглощения (экстинкция), л/(мольсм), который зависит от природы вещества, длины волны света и температуры.

В фотохимии для характеристики поглощения обычно используют понятие оптическая плотность раствора (D , безразмерная величина)

Закон ЛамбертаБера не выполняется в тех случаях, когда значительная доля молекул переходит в возбужденное состояние (например, при очень высокой интенсивности падающего света). Отклонения от закона ЛамбертаБера иногда наблюдаются и при низких интенсивностях света. Однако эти отклонения являются кажущимися; как правило, они связаны либо с недостаточной разрешающей способностью спектрометра, либо с такими явлениями как ассоциация молекул.

Возбужденные электронные состояния

Используя слово свет, мы обычно подразумеваем оптическое излучение, видимое человеческим глазом. Спектральная кривая чувствительности человеческого глаза лежит в диапазоне 400 £ l £ 750 нм. Максимум чувствительности находится около 555 нм (зеленый свет). Для фотохимии интерес представляет более широкая область излучения, которую формально можно разделить следующим образом:

ближнее ультрафиолетовое (200 £ l £ 400 нм )

видимое (400 £ l £ 750 нм)

ближнее инфракрасное излучение (750 £ l £ 1000 нм)

При поглощении кванта света с l = 200–1000 нм возбуждаются внешние электроны молекулы, осуществляющие химическую связь; их возбуждение может приводить к химическому превращению. Этот спектральный диапазон является основным для спектроскопии поглощения и испускания света.

Спектры поглощения

Спектр поглощения вещества обычно состоит из полос разной интенсивности и ширины. Происхождение этих полос можно проиллюстрировать с помощью энергетической диаграммы молекулярных орбиталей (МО). Электроны в молекуле в основном состоянии располагаются парами на МО с разной энергией. Длинноволновая полоса в электронном спектре поглощения обычно соответствует переходу электрона с верхней занятой МО (ВЗМО) на нижнюю вакантную МО (НВМО). Полосы поглощения с большей энергией соответствуют переходам на вышележащие вакантные МО (например, S 0 S 2) или переходам с нижележащих занятых МО (например, S –1 S 1).

Структура и форма полосы поглощения

Полосы в спектрах поглощения нередко имеют определенную структуру. Это связано с тем, что каждому электронному состоянию соответствует набор разных колебательных состояний.

На рисунке показана зависимость потенциальной энергии двухатомной молекулы в основном электронном состоянии от межъядерного расстояния (кривая S 0 ).

Максимумы на кривых для колебательных состояний ( = 0, 1, 2, 3, 4) отвечают наиболее вероятным межъядерным расстояниям. Для нулевого колебательного состояния  = 0 наиболее вероятное межъядерное расстояние находится в области минимума кривой потенциальной энергии. Для более высоких колебательных уровней наиболее вероятные межъядерные расстояния находятся вблизи точки поворота колебания.

Принцип Франка  Кондона

Для объяснения относительной интенсивности переходов между колебательными уровнями основного и возбужденного электронных состояний используют принцип ФранкаКондона. Этот принцип основан на том, что электронный переход является намного более быстрым процессом (~10  15 с), чем движение ядер в молекуле (~10  13 с), то есть за время электронного перехода взаимное расположение ядер и их импульсы практически не изменяются. Поэтому электронно-колебательные переходы можно представить вертикальными линиями, соединяющими поверхности потенциальной энергии основного S 0 и возбужденного S 1 электронных состояний.

Большинство молекул при комнатной температуре находится на нулевом колебательном уровне, поэтому фотоиндуцированные электронные переходы происходят именно с этого уровня.

При данном расположении потенциальных кривых S 0 и S 1 наиболее вероятным электронно-колебательным переходом будет (0  2 )-переход. Интенсивность (0  0 )-перехода сравнительно мала, поскольку этому переходу соответствует маловероятное межъядерное расстояние.

В многоатомной молекуле кривая потенциальной энергии переходит в многомерную поверхность, поэтому одному электронному переходу соответствует множество колебательных переходов. Часто эти колебательные переходы близки по энергии и им соответствует одна общая широкая полоса поглощения. Форма этой полосы, тем не менее, определяется принципом Франка-Кондона.

Процессы релаксации в электронно-возбужденных состояниях.

В жидких растворах при комнатной температуре электронно-возбужденные состояния молекул подвергаются сравнительно быстрым процессам релаксации электронно-колебательной энергии. Основные процессы релаксации: внутренняя конверсия из верхних возбужденных состояний S n в нижнее возбужденное состояние S 1 (< 10  12 с) и колебательная релаксация в состоянии S 1 , т.е. диссипация избыточной энергии колебаний в среде за счет столкновений возбужденных молекул вещества с молекулами среды (~10  11 с).

Эти процессы, как правило, происходят существенно быстрее по сравнению с процессом спонтанного испускания фотона, т.е. излучательной дезактивацией возбужденного состояния S 1 (~10  9 с). Поэтому излучательный переход из состояния S 1 в основное состояние S 0 , называемый флуоресценцией , происходит, как правило, из нулевого колебательного состояния.

Таким образом, общим переходом при поглощении и испускании света является переход между нулевыми колебательными уровнями основного и возбужденного состояний, который называют (0  0 )-переходом. Энергия (0  0 )-перехода  наименьшая при поглощении и наибольшая при испускании.

Состояния S 0 и S 1 обычно имеют аналогичные распределения колебательных уровней по энергиям, поэтому спектр флуоресценции, как правило, близок к зеркальному отражению спектра поглощения, если оба спектра представлены в шкале энергии фотона.

Стоксов сдвиг

Для сложных молекул в жидкой фазе (0  0 )-переход в спектре флуоресценции имеет меньшую энергию, чем (0  0 )-переход в спектре поглощения. Это связано с тем, что сразу после поглощения или испускания фотона молекула оказывается в неравновесном состоянии сольватации. В невязких растворителях при комнатной температуре переход возбужденного флуорофора в равновесное состояние сольватации происходит до испускания фотона. Поэтому (0  0 )-переход при испускании света имеет меньшую частоту, чем (0  0 )-переход при поглощении. Смещение полосы флуоресценции в красную область относительно длинноволновой полосы поглощения называется стоксовым сдвигом .

Мультиплетность

Мультиплетность электронного состояния равна n + 1, где n – число неспаренных электронов. Молекулярные орбитали молекул с четным числом электронов заполнены парами электронов с противоположно направленными спинами. Мультиплетность основного состояния большинства молекул с четным числом электронов равна 1, т.е. это синглетные состояния . При переходе электрона на верхнюю орбиталь его спин может оказаться ориентированным в том же или в противоположном направлении относительно оставшегося на нижней орбитали электрона. Если ориентации спина сохраняется, то мультиплетность возбужденного состояния, как и основного состояния, будет синглетным. Если же возбуждаемый электрон меняет направление спина, возбужденное состояние будет триплетным . Таким образом, одному основному состоянию соответствуют разные возбужденные состояния – синглетные и триплетные.

Диаграмма Яблонского

Физические процессы, протекающие в электронно-возбужденном состоянии молекул, принято представлять в виде диаграммы Яблонского. Основными безызлучательными процессами дезактивации нижнего возбужденного состояния S 1 являются внутренняя конверсия (переход между состояниями одинаковой мультиплетности) и интеркомбинационная конверсия (переход между состояниями разной мультиплетности, например, синглет-триплетный переход S 1  T 1 ). Внутренняя конверсия S 1 S 0 – сравнительно медленный процесс. Поэтому в возбужденном состоянии S 1 могут наблюдаться процессы спонтанного испускания фотона (спонтанное излучение) и фотохимические реакции. Излучательными процессами являются разрешенная по спину флуоресценция и запрещенная по спину фосфоресценция.

Классификация электронных переходов

Электроны в органической молекуле располагаются на молекулярных -, - и n -орбиталях. На каждой молекулярной орбитали помещаются два электрона, отличающихся спинами. При возбуждении молекулы светом происходит переход электрона с занятой связывающей орбитали на свободную разрыхляющую орбиталь. Такие переходы обозначают в соответствии с их орбитальной природой: *, n *, * и n *.

Полосы поглощения, обусловленные переходами  * , находятся преимущественно в вакуумной УФ области < 200 нм, где обычные спектрофотометры не применимы.

Переходам n  * соответствуют полосы поглощения в УФ области. Например, органические соединения, содержащие n -электроны, локализованные на орбиталяхгетероатомов, О, N, S, поглощают УФ свет в области около 200 нм.

П ереходам  * и n  * соответствуют полосы поглощения в средней УФ-области. При сопряжении кратных связей полосы, обусловленные этими переходами, смещаются в ближнюю УФ- и видимую область спектра. Переходы n * характерны для соединений, содержащих такие хромофорные группы, как С=О, C=S, N=N; эти переходы часто оказываются запрещенными, и соответствующие им полосы поглощения имеют сравнительно низкую интенсивность.

Значительный интерес представляют электронные переходы с переносом заряда. Если в молекуле имеются электронодонорная и акцепторная группы, и они находятся в -электронном сопряжении, то переход S 0 S 1 может сопровождаться переносом заряда от донора к акцептору по цепи сопряжения, как например, в данном стириловом красителе:

Вам могут быть интересны следующие материалы

Как приготовить котлеты из рыбы в духовке Тресковые котлеты в духовке

Сообщение о химическом элементе железо

Елки

Вязаные

Поздравления

Новый год

Сценарии

Игрушки для елки