ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2004, том 38, № 6, с. 429-433
= ФОТОХИМИЯ
УДК 543.421 / 422:543.426
АБСОРБЦИОННО-ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ РЕЛАКСАЦИИ ЦИАНИНОВЫХ КРАСИТЕЛЕЙ
© 2004 г. М. Н. Гулаков*, Н. X. Петров*, М. В. Алфимов*, С. Техерт** (S. Techert)
*Центр фотохимии Российской академии наук 119421 Москва, ул.Новаторов, 7а E-mail: npetrov@photonics.ru **Max-Planck-Institut für biophysikalishe Chemie, Abteilung Spektroskopie und Photochemische Kinetik
37077 Göttingen, Am Fassberg 11, Germany Поступила в редакцию 22.06.2004 г.
В рамках стационарной оптической спектроскопии предложен метод оценки эффективности бе-зызлучательной релаксации электронно-возбужденного состояния флуорофора на примере растворов 3,3'-диэтилтиакарбоцианиниодида в бинарных смесях толуола и диметилсульфоксида (ДМСО). В частности, обнаружено, что при уменьшении содержания ДМСО в смеси заметно уменьшается квантовый выход фотоизомеризации красителя.
Флуоресцентные методы активно применяются в химических, биохимических и медицинских исследованиях [1]. Наряду со спектрофотометрами, традиционные спектрофлуориметры, обладающие высокой чувствительностью и простотой в использовании, являются непременным атрибутом современной физико-химической лаборатории. Хотя работающие в стационарном режиме приборы позволяют получать данные, усредненные по временам много большим, чем характерные времена изучаемых элементарных процессов в типичных молекулярных системах, в некоторых случаях удается использовать эти приборы для изучения сверхбыстрых фотофизических процессов. В настоящей работе предложен простой способ оценки эффективности безызлучательной релаксации электронно-возбужденных состояний флуорофора (на примере растворов типичного цианинового красителя) на основе сравнения стационарных спектров оптического поглощения и спектров возбуждения флуоресценции.
Абсорбционно-флуоресцентный метод анализа эффективности релаксационных процессов. В первом приближении энергия молекулы в растворе может быть представлена как сумма электронной и колебательной энергий. На рис. 1 приведена диаграмма колебательных уровней энергии двух электронных состояний: основного 50 и первого возбужденного 5 (диаграмма Яблонского). Этим формам энергии соответствуют электронные спектры, возникающие при переходах с различных колебательных уровней одного электронного состояния на различные колебательные уровни другого электронного состояния. При
комнатной температуре в жидком растворе большинство органических молекул находятся в основном колебательном состоянии 50 [1, 2]. Следовательно, при поглощении света почти все электронные переходы в возбужденное состояние 5 происходят с основного колебательного подуровня. Безызлучательные переходы между колебательными подуровнями данного электронного уровня происходят очень быстро (<1 пс) по сравнению со временем, необходимым для электронного перехода с испусканием фотона (1-10 нс). Таким образом, любой избыток колебательной энергии быстро теряется в процессе возвращения молекулы на основной колебательный подуровень данного электронного состояния, с которого и происходит электронный переход на 51
Спектр возбуждения флуоресценции Е(Х), по определению, - это зависимость интенсивности флуоресценции, регистрируемой на фиксированной длине волны излучения, от длины волны возбуждения [2]. В разбавленном растворе
F (X) = 2.3ф 10 [e(X) cl].
(1)
Здесь ф - квантовый выход флуоресценции, 10 -интенсивность возбуждающего света, е(К) - молярная экстинкция, с - концентрация флуорофора, I - длина оптического пути. Так как спектр поглощения, записываемый спектрофотометром, есть
Abs(X) = e(X) cl,
(2)
то существует независящий от длины волны возбуждающего света коэффициент к:
Abs(X) = к F (X),
(3)
Рис. 1. Диаграмма Яблонского; к - константа скорости фотоизомеризации, ку - константа скорости флуоресценции.
ти3
и3с'
N I
си2
вует вероятность а, а безызлучательной релаксации апг, по определению
а у + апг = 1.
(4)
Умножим обе части равенства (4) на е(^), получим:
е(^)а/ + е(^)апг = е(^). (5)
Следует отметить, что величина е(^), появляющаяся в законе Бугера-Ламберта, имеет смысл сечения поглощения. Принимая во внимание уравнение (5), можно ввести сечение флуоресценции Еу (X) = е(^)а/ и сечение безызлучательной релаксации Епг(Х) = Е(^)апг. Таким образом
Е(Х) = Е {(X) + ЕпГ(1).
(6)
Рис. 2. Структурная формула 3,3'-диэтилтиакарбоци-аниниодида.
в предположении коррекции интенсивности возбуждающего света на возможную зависимость от длины волны и возможные эффекты внутреннего фильтра. Очевидно, что это соотношение может не выполняться, если с колебательных подуровней возбужденного электронного состояния возможны безызлучательные переходы, скорость которых сравнима с колебательной релаксацией, как, например, в случае реакции фотоизомеризации (рис. 1). Для синглетно-возбужденной молекулы есть два пути потери энергии: флуоресценция (ку) и безызлучательная релаксация (с константой к). Пусть люминесценции соответст-
Подставляя уравнение (6) в формулы (1) и (2), получим:
ЛМХ) = [Еу (X) + Епг(Х)] С1, (7)
Р (X)- 2.3ф 10 [Еу (X)] с1. (8)
Вместо формулы (3) в общем случае справедливо
ЛЬя(Х) = кР(Х) + Епг(Х) с1. (9)
Величина Асг(Х) = Епг(Х)с1 есть мера потерь энергии возбуждения в безызлучательных процессах, и ее можно назвать спектром действия [2]. Если положить к = 1/2.3ф/0, то из формулы (9) следует
Ас^Х) = АЬя(Х) - кР(X) =
= [Е у (X) + Епг^)] с1 -2.3кф/о [Е у (X)] с1 = (10) = ЕпГ^) с1.
Таким образом, спектр поглощения можно представить в виде двух слагаемых, соответствующих флуоресцентным и безызлучательным процессам. На практике, чтобы определить константу к, т.е. фактор масштабирования спектра возбуждения флуоресценции, нужно иметь в виду следующие ограничения. Во-первых, к не зависит от длины волны поглощения, что следует из закона Вавилова о независимости квантового выхода флуоресценции от длины волны возбуждающего света [3]. Во-вторых, она должна быть такова, чтобы спектр возбуждения флуоресценции не превосходил по амплитуде спектр поглощения на всех длинах волн. Последнее утверждение не что иное, как условие выполнения закона сохранения энергии, поскольку Е^^) > 0 (см. формулу(9)).
В случае цианиновых красителей основным процессом безызлучательной дезактивации является фотоизомеризация (к на диаграмме Яблонского, рис. 1). В рамках общепринятой схемы Ру-лье [4] этот процесс требует перехода через энергетический барьер (1-2 ккал/моль [5]), поэтому можно ожидать, что Е^) > Е,,,.^) в длинноволновой части спектра поглощения. Другими словами,
5
1
к
5
0
I
Длина волны, X, нм
Рис. 3. Зависимость спектра поглощения ЭТС1 от объемной доли ДМСО в смеси: 100 об. % ДМСО (1), 7. 7 об. % ДМСО (2), 3. 2 об. % ДМСО (3), 1. 6 об. % ДМСО (4).
коэффициент масштабирования к можно определить исходя из того, что спектры поглощения и возбуждения флуоресценции должны совпадать в длинноволновой спектральной области. Процедуру нахождения к легко автоматизировать при помощи, например, пакета Mathematica 5 или Origin 5.0, учитывая, что значение к соответствует минимуму функции Abs(k)/Exc(k). Для количественных оценок безызлучательных потерь энергии возбужденного состояния можно ввести параметр qnr, который, по определению, равен отношению площади спектра действия к площади спектра поглощения
J Act(X) dX J Abs(X) dX
(11)
где интегрирование проводится по всей полосе поглощения.
Мы проиллюстрируем возможности описанного выше метода на примере растворов типичного цианинового красителя, в которых, как известно [5], эффективный процесс фотоизомеризации из возбужденного состояния конкурирует с процессом колебательной релаксации. Поэтому можно ожидать заметного вклада спектра действия Ас^(Х) в спектр оптического поглощения (см. формулу (9).
Выборочная сольватация в смеси полярного и неполярного растворителей может заметно влиять на физико-химические процессы с участием
заряженных частиц или частиц с большим ди-польным моментом. Цианиновые красители в растворе существуют в виде ионных пар или свободных ионов, поэтому можно ожидать, что выборочная сольватация будет влиять на их фотофизику, что и было обнаружено экспериментально [6]. Вследствие этого мы выбрали бинарную смесь толуол-ДМСО в качестве растворителя.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Для приготовления растворов использовался толуол и ДМСО для флуоресцентной спектроскопии (Uvasol™, "Merck") c содержанием воды не более 0.1 об.%. Коэффициент диэлектрической проницаемости для толуола 8 = 2.4, вязкость п = 0. 55 сП, для ДМСО 8 = 49, п = 1.98 сП. Краситель, 3,3'-диэтилтиакарбоцианиниодид (DTCI), синтезированный фирмой "Fluka", использовали без дополнительной очистки. Структурная формула красителя приведена на рис. 2. Концентрация красителя в рабочих растворах равнялась 2 х 10-6 М, оптическая плотность образцов не превышала 0.3. Кроме того, в качестве флуоресцентного стандарта использовались растворы перилена в этиловом спирте. Стационарные спектры флуоресценции и возбуждения флуоресценции записывались на спек-трофлуориметре "Fluorolog-Зт", спектры поглощения - на спектрофотометре "Cary 5E" или "Hitachi 330". Все измерения проводились со свежеприготовленными образцами при комнатной темпера-
qnr
Интенсивность флуоресценции 501 2
40
30
20
10
450 500 550 600 Длина волны, X, нм
650
Рис. 4. Типичные спектры возбуждения флуресцен-ции (1) и флуоресценции (2) для БТС1.
Оптическая плотность 0.3
360 400 440
Длина волны, X, нм
480
Рис. 5. Применение абсорбционно-флуоресцентного метода оценки безызлучательных потерь для раствора перилена в этаноле: спектры действия (1), поглощения (2), возбуждения флуоресценции (3).
0
туре в стандартной 10 мм (2 мм для перилена) кварцевой кювете.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 3 приведены спектры поглощения БТ-С1 в зависимости от состава смеси толуол-ДМСО.
Отсутствие заметных изменений в спектрах поглощения БТС1 согласуется с известным фактом, что данный краситель не склонен к агрегации в полярных средах. Спектры возбуждения флуоресценции и спект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.