Материал: спектроскопические методы анализа

возбужденного триплетного состояния в синглетное основное. Такие переходы не разрешены, и константы скорости испускания малы. Типичный диапазон времени затухания фосфоресценции – от миллисекунд до секунд, что главным образом зависит от вклада других процессов дезактивации.

Флуоресцентные спектральные данные обычно представляют в виде спектров испускания. Спектр испускания флуоресценции – это зависимость интенсивности флуоресценции от длин волн (в нанометрах) или волновых чисел (в см 1). Два типичных спектра испускания флуоресценции приведены на рис. 3.44.

Рис. 3.44. Спектры поглощения и испускания флуоресценции натриевой соли терасульфоперилена (а) и флуоресцеина (б) в воде

Спектры испускания сильно изменяются и зависят как от химической структуры флуорофора, так и от растворителя. Спектры некоторых соединений, таких как перилен и его производные, имеют четкую структуру, обусловленную отдельными колебательными уровнями

81

энергии основного и возбужденного состояний. Другие соединения, такие как флуоресцеин, имеют спектры без колебательной структуры.

Флуоресценция и другие релаксационные процессы возбужденных молекул

Поглощение и испускание света хорошо иллюстрирует диаграмма уровней энергии, предложенная А. Яблонским (рис. 3.45).

Рис. 3.45. Диаграмма Яблонского

Основное, первое и второе электронные состояния обозначают S0, S1, и S2 соответственно. Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных энергетических уровней, обозначаемых 0, 1, 2 и т. д. Переходы между различными электронными уровнями обозначают вертикальными линиями. Такое представление используется, чтобы наглядно показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происходит примерно за 10 15 с, время, слишком короткое для заметного смещения ядер (принцип Франка – Кондона).

За поглощением света обычно следует несколько других процессов. Возбуждение флуорофора, как правило, происходит до некоторого

82

высшего колебательного уровня состояний (S1 либо S2). 3а некоторыми редкими исключениями, для молекул в конденсированной фазе характерна быстрая релаксация на самый нижний колебательный уровень состояния S1. Этот процесс называется внутренней конверсией. Внутренняя конверсия – безызлучательный переход между двумя электронными уровнями с одинаковой спиновой мультиплетностью, происходит за 10 12 с. Поскольку типичные времена затухания флуоресценции близки к 10 8 с, внутренняя конверсия обычно полностью заканчивается до процесса испускания. Таким образом, спектр поглощения молекулы отражает колебательную структуру возбужденных электронных состояний, а спектр испускания – колебательную структуру основного электронного состояния. В большинстве случаев электронное возбуждение не сильно изменяет расположение колебательных уровней энергии. В результате этого колебательные структуры, проявляющиеся в спектрах поглощения и испускания, сходны.

Молекулы в состоянии S1 могут также подвергаться конверсии в первое триплетное состояние Т1. Испускание из Т1, называемое фосфоресценцией, обычно сдвинуто в сторону больших длин волн (меньших энергий) по сравнению с флуоресценцией. Конверсия из S1 в Т1 называется интеркомбинационной конверсией. Интеркомбинационная конверсия – безызлучательный переход между двумя изоэнергетическими колебательными уровнями, принадлежащими электронным состояниям с различной мультиплетностью. Переход из Т1 в основное состояние запрещен, в результате чего константа скорости такого испускания на несколько порядков меньше соответствующей константы для флуоресценции.

Когда молекула возбуждена поглощением фотона, она может вернуться в основное состояние путем испускания флуоресценции, однако возможны и другие пути релаксации: внутренняя конверсия, интеркомбинационная конверсия, внутримолекулярный перенос протона или электрона, конформационное изменение, образование эксимеров и эксиплексов, перенос энергии и фотохимические трансформации. Взаимодействия в возбужденном состоянии с другими молекулами также могут конкурировать с релаксацией: электронный перенос, перенос

83

протонов, перенос энергии, образование эксимеров и эксимерных комплексов.

Данные направления релаксации могут конкурировать с испусканием флуоресценции, если они протекают в масштабно-временном соответствии со средним временем (временем жизни), в течение которого молекулы находятся в возбужденном состоянии. Это среднее время представляет собой экспериментальное временное окно для наблюдения динамического процесса. Характеристики флуоресценции (спектр, квантовый выход, время жизни), на которые влияет любой процесс в возбужденном состоянии, включая взаимодействия возбужденных молекул с их ближайшим окружением, могут дать информацию о такой микросреде. Необходимо отметить, что некоторые процессы в возбужденном состоянии (изменение конформации, электронный перенос, перенос протонов, перенос энергии, образование эксимеров или эксимерных комплексов) могут преобладать для флуоресцентных соединений, эмиссия которых способна накладываться на эмиссию начально-возбужденной молекулы. Такое излучение следует отличать от «первичной» флуоресценции, возникающей от возбужденной молекулы.

Закон Стокса: спектр флуоресценции лежит в более длинноволновой области по сравнению со спектром поглощения, так как энергия испускаемого кванта ниже, чем энергия поглощенного кванта.

Потери энергии между возбуждением и испусканием неизменно наблюдаются для флуоресцирующих молекул в растворах. Одной из основных причин возникновения стоксова сдвига является быстрая релаксация на нижний колебательный уровень состояния S1. К тому же обычно происходит переход на возбужденные колебательные уровни состояния S0, что приводит к дополнительной потере колебательной энергии.

Кроме того, стоксов сдвиг может быть еще более увеличен благодаря влияниям растворителя на флуорофоры и реакциям в возбужденных состояниях. В газовой фазе у атомов и молекул не всегда имеется стоксов сдвиг. Испускание без сдвига наблюдают тогда, когда концентрации газа достаточно малы для того, чтобы возбужденные молекулы не претерпевали столкновений с другими молекулами до процесса

84

испускания. Такие столкновения приводят к релаксации. В жидкой фазе процессы соударения происходят непрерывно.

Стоксов сдвиг – важный параметр, который может дать информацию о возбужденных состояниях. Например, когда дипольный момент флуоресцентной молекулы в возбужденном состоянии больше, чем в основном, стоксов сдвиг растет вместе с полярностью растворителя. На этом явлении основаны флуоресцентные датчики полярности раствора.

С практической точки зрения обнаружение флуоресцентных молекул тем проще, чем больше стоксов сдвиг.

Закон зеркальной симметрии (правило Левшина) – спектр испускания флуоресценции представляет собой зеркальное отражение спектра поглощения, поскольку структура колебательных подуровней одинакова в основном и возбужденном состоянии. Схематично правило представлено на рис. 3.46.

Рис. 3.46. Правило зеркальной симметрии Левшина

Несмотря на то, что правило зеркальной симметрии часто выполняется, из него существует множество исключений. Например, дифенил. В спектре испускания видна колебательная структура, которая отсутствует в спектре поглощения. Такое отклонение от правила

85