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