Transcript Wykład 5 (3.3 MB PPT

Chemia koloru cz.5
Fluorescencja
Prof. Daniel T. Gryko
Plan wykładu
• Podstawy zjawiska fluorescencji
• Zależność fluorescencji od struktury
• Zastosowania fluorescencji
Podstawy zjawiska
Luminescencja
Emisja fotonów (w zakresie ultrafioletu, widzialnym
i podczerwonym) z elektronowych stanów wzbudzonych.
Elektroluminescencja
Pod wpływem prądu elektrycznego
Chemiluminescencja
Pod wpływem reakcji chem.
Fotoluminescencja
Pod wpływem światła
Podstawy zjawiska
FotoLuminescencja
Fluorescencja
Fosforescencja
Ze stanów singletowych
Ze stanów trypletowych
Fluorescencja opóźniona
•Termiczna (T1 → S1, mała różnica energii, czas życia T1 długi)
•Zderzenia T1 + T1 energia na powrót do S1
Diagram Jabłońskiego
Co się może stać?
fosforescencja
ISC
fluorescencja
Fluorescencja
opóźniona
Zmiany
konformacyjne
IC
hv
Cząsteczka
wzbudzona
Przekształcenia
fotochemiczne
Ekscymery i
ekscypleksy
Transfer
elektronu
Transfer
energii
Czasy procesów fotofizycznych
Absorpcja
10-15 s
Relaksacja oscylacyjna
10-12 - 10-10 s
Czas życia stanu S1
10-10 - 10-17 s
Przejście międzysystemowe
10-10 - 10-8 s
Wewnętrzna konwersja
10-11 - 10-9 s
Czas życia stanu T1
10-6 - 1 s
Jak powstaje widmo
fluorescencyjne?
Dlaczego jest przesunięte
batochromowo?
Pasma 0-0 i reguła Kashy
Stan S1
z geometrią S0
Stan S1
z geometrią S1
Stan S0
z geometrią S1
Stan S0
z geometrią S0
Reguła Kashy
Obserwowana luminescencja niemal wyłącznie pochodzi
z najniższego stanu wzbudzonego o danej multipletowości.
Podstawowe pojęcia
Widmo
Maksimum emisji λem
Szerokość sygnałów
Ilość sygnałów
Wydajność kwantowa
Φ = fotony wyemitowane/fotony zaabsorbowane
Czas życia fluorescencji
Opóźnienie pomiędzy absorpcją a emisją
Przesunięcie Stokesa
Różnica energii pomiędzy sygnałem absorpcji o
najniższej energii a sygnałem emisji o najwyższej
energii (wyrażona w częstościach)
Intensywność fluorescencji
v  va  vf
Fluoresceina
Stokes Shift is 25 nm
495 nm
Dlugość fali
520 nm
Preferowane właściwości
związków fluorescencyjnych
• Duża molowa absorbancja w rejonie
wzbudzenia
• Wysoka wydajność kwantowa
• Fotostabilność
• Długi czas życia w stanie wzbudzonym
• Duże przesunięcie Stokesa
Struktura a fluorescencja
Efekt ciężkiego atomu
NH2, OH etc.
SO3H
Zwiazki karbonylowe
Zmiana przejścia o najniższej
energii z π →π* na n→π*
powoduje zmianę
preferowanego procesu na ISC.
Struktura a fluorescencja
n→π* ma nizszą energię niż
π →π* ale gdy są wiązania wodorowe
może to ulec odwróceniu.
Tak więc Φ wzrasta
ze wzrostem H-donorowości
rozpuszczalnika.
N
N
H
Struktura a fluorescencja
COOH
Et2N
O
NEt2
Φ = 0.54
COOH
N
O
N
Φ = 0.91
Usztywnienie cząsteczki zmniejsza możliwości
przejść bezpromienistych a tym samym prowadzi do wyższej
wydajności kwantowej fluorescencji.
Inwersja energii – polarność
rozpuszczalnika
RO
O
O
CHO
Fotoindukowane
wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie
ładunku
• Zmiana momentu dipolowego (duża dla układów
Donor-Akceptor)
• Lokalny stan wzbudzony (LE) nie jest w
równowadze z cząsteczkami polarnego
rozpuszczalnika
• Wewnątrzcząsteczkowy stan z przeniesieniem
ładunku (Intramolecular charge transfer state ICT)
• Jeżeli zachodzi obrót części cząsteczki to TICT
Fotoindukowane
wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie
ładunku
CN
NMe2
Zastosowania
• Sensory
• Wizualizacja związków biologicznie
czynnych w komórkach
• Mikroskopia fluorescencyjna
• Polarność rozpuszczalnika
• Pomiary gęstości cieczy
Informacje
Dziedzina
Informacje
Polimery
Dynamika, rozdział faz, dyfuzja
Roztwory
surfaktantów
Krytyczne stęż. micelli, przemiany fazowe, surfactant
aggregation numbers
Membrany
biologiczne
Oddział. białko-lipidy, potencjał m., lokalizacja białek,
efekty dodatków
Białka
Denaturacja, dynamika, przemiany konformacyjne
Kwasy nukleinowe
Dynamika, str. helikalna, deformacje (też fotofizyczne),
dostępność
Żyjące komórki
Wizualizacja membran, DNA, RNA, aktywność
enzymów, H+, Na+, K+, oddział komórka-wirus,
endocytoza
Fluoroimmunochemia
Fluoroinmmunoessays
Podział
sensorów
Co badamy?
Sensory
pH
Aniony
Kationy
Cząst. obojętne
Sensory pH
•
•
•
•
Chemia i biochemia analityczna
Biologia komórki
Medycyna
Rozkład pH w komórce (mikroskopia
fluorescencyjna)
Typy sensorów pH
Fotoindukowany Fotoindukowany Fotoindukowany
transfer H+
transfer H+
transfer H+
Transfer elektronu Transfer elektronu Transfer elektronu
Hydroksykumary
ny, piranina
Widmo fl. nie
zmienia się.
Widmo
wzbudzenia
zmienia się.
Fluoresceina,
benzoksazyny
Gdy pH rośnie,
fluorescencja HX
maleje a fl. Xrośnie.
FL-CH2-NR2
Po sprotonowaniu
intensywność
fluorescencji
rośnie.
Struktury sensorów pH
Typ A
Typ B
O
HO
O
OH
COOH
O
O
Typ C
Umbeliferon
Fluoresceina
OH
NaO3S
OH
O
OH
O
N
COOH
NaO3S
SO3Na
Piranina
SNAFL-1
OH
Zmiany emisji fluoresceiny
Sensory pH oparte na eT (typ C)
Sensory kationów
• Chemia, biologia, biochemia kliniczna,
zanieczyszczenia środowiska
• Selektywność!!!
• Różne kompleksy, różne stechiometrie
Fotoindukowany
transfer elektronu
Fotoindukowane
rozdzielenie ładunku
Sensory kationów –
fotoindukowany eT
O
eT
O
O
N
O
O
O
N
N
O
Fotoindukowany
transfer elektronu
O
N
N
O
O
O
O
Tworzenie ekscymerów
O
O
O
N
N
O
N
CO2Me
Eu
transfer
energii
CO2Me
3+
O
O
O
Dodatkowy
transfer energii
Excimers and exciplex
Excited dimer – tworzą się gdy przez zderzenie
cząsteczki wzbudzonej z cząsteczką niewzbudzoną
1M* + 1M
1(MM)*
Excited complex - tworzą się gdy przez zderzenie
cząsteczki wzbudzonej z inną cząsteczką niewzbudzoną
1D* + 1A 1(DA)*
NEt2
Kationy – fotoindukowany
rozdział ładunku
NC
CN
O
O
N
O
O
O
O
O
O
N
N
O
O
O
O