Fluorescencja Prof. Daniel T. Gryko 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 Fosforescencja 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? hv Fluorescencja opóźniona fosforescencja ISC Zmiany konformacyjne IC hv Cząsteczka wzbudzona Transfer elektronu Przekształcenia fotochemiczne Ekscymery i ekscypleksy 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 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 Wydajność kwantowa Czas życia fluorescencji 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) Stokes Shift is 25 nm Fluoresceina 495 nm 520 nm Intensywność fluorescencji Dlugość fali
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 Zmiana przejścia o najniższej energii z π →π* na n→π* powoduje zmianę preferowanego procesu na ISC. Zwiazki karbonylowe
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.
Struktura a fluorescencja Φ = 0.54 Φ = 0.91 Usztywnienie cząsteczki zmniejsza możliwości przejść bezpromienistych a tym samym prowadzi do wyższej wydajności kwantowej fluorescencji.
Inwersja energii – polarność rozpuszczalnika
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
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 Cząst. obojętne Kationy
Sensory pH Chemia i biochemia analityczna Biologia komórki Medycyna Rozkład pH w komórce (mikroskopia fluorescencyjna)
Typy sensorów pH Fotoindukowany transfer H+ Transfer elektronu Hydroksykumaryny, piranina Fluoresceina, benzoksazyny FL-CH2-NR2 Widmo fl. nie zmienia się. Widmo wzbudzenia zmienia się. Gdy pH rośnie, fluorescencja HX maleje a fl. X- rośnie. Po sprotonowaniu intensywność fluorescencji rośnie.
Struktury sensorów pH
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 transfer elektronu Tworzenie ekscymerów Dodatkowy transfer energii 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)*
Kationy – fotoindukowany rozdział ładunku