Chemia koloru cz.5

FluorescencjaProf. Daniel T. Gryko

Plan wykładu

• Podstawy zjawiska fluorescencji

• Zależność fluorescencji od struktury

• Zastosowania fluorescencji

Podstawy zjawiska

LuminescencjaEmisja fotonów (w zakresie ultrafioletu, widzialnym

i podczerwonym) z elektronowych stanów wzbudzonych.

FotoluminescencjaPod wpływem światła

ElektroluminescencjaPod wpływem prądu elektrycznego

ChemiluminescencjaPod wpływem reakcji chem.

Podstawy zjawiska

FotoLuminescencja

Fluorescencja opóźniona•Termiczna (T1 → S1, mała różnica energii, czas życia T1 długi)

•Zderzenia T1 + T1 energia na powrót do S1

FluorescencjaZe stanów singletowych

FosforescencjaZe stanów trypletowych

Diagram Jabłońskiego

Co się może stać?

Cząsteczkawzbudzona

fluorescencja Zmianykonformacyjne

ISC

IC

Transferelektronu

hv

Przekształceniafotochemiczne

Ekscymery iekscypleksy

Transferenergii

fosforescencja Fluorescencjaopóźniona

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 KashyObserwowana luminescencja niemal wyłącznie pochodzi

z najniższego stanu wzbudzonego o danej multipletowości.

Stan S1

z geometrią S0

Stan S0

z geometrią S0

Stan S1

z geometrią S1

Stan S0

z geometrią S1

Podstawowe pojęcia

WidmoMaksimum emisji λem

Szerokość sygnałówIlość sygnałów

Wydajność kwantowaΦ = fotony wyemitowane/fotony zaabsorbowane

Czas życia fluorescencjiOpóźnienie pomiędzy absorpcją a emisją

Przesunięcie StokesaRóżnica energii pomiędzy sygnałem absorpcji o

najniższej energii a sygnałem emisji o najwyższej energii (wyrażona w częstościach)

495 nm 520 nm

Stokes Shift is 25 nmFluoresceina

Inte

nsy

wno

ść f

luor

esce

ncj

i

Dlugość fali

fa vvv

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

Zwiazki karbonylowe

SO3H

NH2, OH etc.

Zmiana przejścia o najniższejenergii z π →π* na n→π* powoduje zmianępreferowanego procesu na ISC.

Struktura a fluorescencja

n→π* ma nizszą energię niżπ →π* ale gdy są wiązania wodorowe

może to ulec odwróceniu.Tak więc Φ wzrasta

ze wzrostem H-donorowościrozpuszczalnika.

N

NH

Struktura a fluorescencja

Usztywnienie cząsteczki zmniejsza możliwościprzejść bezpromienistych a tym samym prowadzi do wyższej

wydajności kwantowej fluorescencji.

OEt2N NEt2

COOH

O

COOH

N N

Φ = 0.54 Φ = 0.91

Inwersja energii – polarność rozpuszczalnika

O ORO

CHO

• 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

Fotoindukowane wewnątrzcząsteczkowe przeniesienie

ładunkuCN

NMe2

Zastosowania

• Sensory

• Wizualizacja związków biologicznie czynnych w komórkach

• Mikroskopia fluorescencyjna

• Polarność rozpuszczalnika

• Pomiary gęstości cieczy

InformacjeDziedzina 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

Podziałsensorów

Co badamy?

Sensory

Kationy

pH Aniony

Cząst. obojętne

Sensory pH

• Chemia i biochemia analityczna

• Biologia komórki

• Medycyna

• Rozkład pH w komórce (mikroskopia fluorescencyjna)

Typy sensorów pH

Fotoindukowany transfer H+

Fotoindukowany transfer H+

Fotoindukowany transfer H+

Transfer elektronu Transfer elektronu 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

O OHO

OHNaO3S

NaO3S SO3Na

OO

COOH

OH

OO

COOH

OH

N

OH

OH

Umbeliferon Fluoresceina

Piranina SNAFL-1

Typ A Typ B Typ C

Zmiany emisji fluoresceiny

Sensory pH oparte na eT (typ C)

Sensory kationów

• Chemia, biologia, biochemia kliniczna, zanieczyszczenia środowiska

• Selektywność!!!

• Różne kompleksy, różne stechiometrie

Fotoindukowanytransfer elektronu

Fotoindukowanerozdzielenie ładunku

Sensory kationów – fotoindukowany eT

OO

O

ONO

Fotoindukowanytransfer elektronu

O O

N

O

N

O

Tworzenie ekscymerów

transferenergii

Dodatkowytransfer energiiN

CO2Me

NN

CO2Me

OO

OO

N

O

Eu3+

OO

O

O NO

eT

Excimers and exciplex

Excited dimer – tworzą się gdy przez zderzeniecząsteczki wzbudzonej z cząsteczką niewzbudzoną1M* + 1M 1(MM)*

Excited complex - tworzą się gdy przez zderzeniecząsteczki wzbudzonej z inną cząsteczką niewzbudzoną1D* + 1A 1(DA)*

NEt2

Kationy – fotoindukowany rozdział ładunku

O

CNNC

OO

N

OO

N O O

O OO

N

OO