A = εcl - pke.gdansk.pl

1
Ćwiczenie 2
Widma absorpcyjne i emisyjne
Losy cząsteczki wzbudzonej elektronowo ilustruje tzw. diagram Jabłońskiego (rysunek
poniżej).
S3
ISC
T3
S2
IC
IC
ISC
T2
S1
T1
A
F
IC
Ph
ISC
S0
Oznaczenia:
A – absorpcja; F – fluorescencja; Ph – fosforescencja; IC - konwersja wewnętrzna; ISC przejście interkombinacyjne.
Wszystkie przejścia skierowane w górę na diagramie są przejściami absorpcyjnymi (A),
w wyniku których cząsteczka przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego lub
do wyższych stanów wzbudzonych. Proces ten odbywa się w czasach rzędu 10-15 sekundy.
Energia promieniowania konieczna do zajścia wzbudzenia elektronowego jest rzędu 105 – 104
Jmol-1, co odpowiada zakresowi ultrafioletu oraz częściowo widzialnemu (około 150-700
nm). Związki, które absorbują w dalekim nadfiolecie lub na granicy dalekiego i bliskiego
nadfioletu na ogół nie wykazują fluorescencji ze względu na zjawisko predysocjacji, czyli
rozpadu cząsteczek.
Natężenie absorpcji określa się za pomocą oraz tzw. siły oscylatora (wielkość
wyznaczana metodami teoretycznymi) oraz molowego współczynnika absorpcji (wyznaczana
eksperymentalnie). Ostatnia wielkość występuje w zależności Beera, która w sposób
ilościowy opisuje proces absorpcji promieniowania przez cząsteczki:
A = εcl
gdzie:
A - absorbancja (logarytm ilorazu natężenia wiązki padającej i natężenia wiązki
przechodzącej, log IO / I),
ε - molowy dziesiętny współczynnik absorpcji (M-1cm-1),
c - stężenie molowe (M),
l - długość drogi optycznej (cm).
Pochłoniętą energię cząsteczka może rozpraszać w sposób bezpromienisty (przypadek
najczęstszy – ogrzewanie układu) lub promienisty (procesy emisyjne).
Przejścia bezpromieniste (linie przerywane na diagramie) zachodzą między
izoenergetycznymi (zdegenerowanymi) poziomami oscylacyjno – rotacyjnymi różnych
stanów elektronowych. Ponieważ całkowita energia układu nie ulega zmianie, nie zachodzi
emisja fotonu. Są to:
2
- konwersja wewnętrzna (IC) - przejście między stanami o tej samej multipletowości.
- przejście interkombinacyjne (ISC) - przejście między stanami o różnej multipletowości.
Do procesów promienistych (linie ciągłe) zaliczamy m.in:
- fluorescencję (F) - przejście między poziomami o tej samej mutlipletowości (np. S1→S0).
Cząsteczka wzbudzona przechodzi z poziomu wyższego na niższy z emisją fotonu.
- fosforescencję (Ph) - przejście promieniste między stanami o różnej krotności (zazwyczaj
T1→S0).
W widmach cząsteczek związków organicznych wyróżnia się tzw. pasma absorpcyjne,
pochodzące od różnego rodzaju przejść elektronowych. W prostym przypadku widmo dla
sztywnej i płaskiej cząsteczki aromatycznej będzie wyglądać podobnie jak na poniższym
rysunku.
Pierwsze pasmo absorpcyjne posiada wyraźną strukturę oscylacyjną, ale następne
(wyższe) pasma są zwykle szersze i pozbawione tej struktury ze względu na silne sprzężenie
pomiędzy stanami oscylacyjnymi (oznaczonymi poziomymi cienkimi liniami) np. typu S1-S2,
S2-S3 (tzw. sprzężenie wibronowe).
Stan elektronowo wzbudzony jest z natury stanem nietrwałym. Tylko niektóre
cząsteczki emitują część pochłoniętej energii w postaci światła (luminezują). Luminescencja
powstaje podczas przejść promienistych, w czasie których cząsteczka wzbudzona traci
pochłoniętą energię i emituje foton przechodząc do stanu podstawowego. Kiedy stan
wzbudzony ma taką samą multipletowość co stan podstawowy (tzn. spinowe liczby kwantowe
obu stanów są takie same) proces emisji nazywany jest fluorescencją i zachodzi on w czasach
rzędu 10-9 - 10-8 sekundy. Ponieważ zanim dojdzie do emisji promieniowania cząsteczka
zawsze traci część energii (w formie tzw. relaksacji oscylacyjnej), barwa fluorescencji jest
przesunięta w stronę fal o mniejszej energii (fal dłuższych) aniżeli długość fal światła
wzbudzającego. Zjawisko to nazywamy przesunięciem Stokesa.
W przypadku, gdy stan wzbudzony ma inną multipletowość niż stan podstawowy (z
przejściem wiąże się zmiana kwantowej liczby spinowej), przejście nazywamy
„wzbronionym”. Odpowiadającą takiemu przejściu emisję nazywamy fosforescencją.
Fosforescencję charakteryzuje czas zaniku od około 10-4 do kilku sekund, jest więc on kilka
rzędów wielkości dłuższy niż czas zaniku fluorescencji. Fosforescencja jest związana z
emisją z tzw. stanów trypletowych (Tn) do stanu podstawowego (So). Energia stanu
trypletowego Tn jest zawsze niższa niż energia odpowiedniego stanu singletowego Sn, dlatego
widmo fosforescencji jest bardziej długofalowe niż widmo fluorescencji.
Schemat widm absorpcji (A), fluorescencji (F) i fosforesencji (P) dla sztywnej
cząsteczki wieloatomowej przedstawiono poniżej (a). Rysunek po prawej stronie (b) ilustruje
sposób wyznaczania przesunięcia Stokesa.
3
Najważniejsze pojęcia dotyczące procesów emisyjnych zebrano w poniższej tabeli.
Wydajność kwantowa (φ)
φ = liczba cząsteczek które uległy wzbudzeniu / liczba
pochłoniętych fotonów
Wydajność kwantowa jest zwykle mniejsza od jedności, co świadczy o
istnieniu innych dróg dezaktywacji stanów wzbudzonych.
Przesunięcie Stokesa (S)
Różnica położeń odpowiednich maksimów widm absorpcji i
emisji.
Jego wartość podaje się zwykle w cm-1.
Reguła Kashy
Obserwowana
luminescencja
cząsteczek
organicznych
pochodzi niemal wyłącznie z najniższego stanu wzbudzonego
(S1 lub T1).
Związane jest to z faktem, że relaksacja oscylacyjna zachodzi o wiele
szybciej niż procesy emisyjne (czas rzędu 10-12 s).
Reguła Wawiłowa
Wydajność
kwantowa
luminescencji
wieloatomowych
cząsteczek organicznych jest (zwykle) niezależna od długości
fali światła wzbudzającego.
Własności fluorescencyjne związków organicznych są związane z ich strukturą.
Dotyczy to zwłaszcza układów aromatycznych i pierścieniowych, gdzie to zjawisko
występuje stosunkowo często. Przykładowo, widma fluorescencji węglowodorów
aromatycznych o pierścieniach skondensowanych kątowo (np. fenantren) leżą w zakresie fal
krótszych niż widma fluorescencji węglowodorów o tej samej liczbie pierścieni
skondensowanych liniowo (np. antracen). Podstawienie cząsteczek związków aromatycznych
fluorowcami (F, Cl, Br i I) obniża fluorescencję w podanym porządku, zaś obecność grupy NO2 zwykle powoduje zanik fluorescencji. Z kolei grupy -OH oraz –OR często wzmacniają
fluorescencję cząsteczek aromatycznych, powodując jednocześnie przesunięcie długofalowe
widm.
Ciekawą właściwością fluorescencji jest tzw. wygaszanie stężeniowe. Przy wyższych
stężeniach luminofora mogą tworzyć się dimery cząsteczek, co preferuje rozpraszanie energii,
a także może zachodzić reabsorpcja emitowanego światła. Powoduje to częściowy lub
całkowity zanik fluorescencji.
Czułość metod opartych o zjawisko fluorescencji jest zwykle 3-4 rzędy wielkości wyższa
od czułości metod absorpcyjnych. Dlatego metody emisyjne wykorzystuje się do oznaczania
śladowych ilości związków organicznych (np. analizy środowiskowe wielopierścieniowych
węglowodorów aromatycznych), w analityce medycznej (tzw. znaczniki luminescencyjne). Z
kolei zależność natężenia widm fluorescencji od pH roztworu w przypadku fluoroforów
zawierających grupy zdolne do jonizacji umożliwia wykorzystanie niektórych z nich jako
tzw. wskaźników fluorescencyjnych (np. chinina, pochodne kumaryny i inne).
4
Pomiary fluorescencji
Pomiaru fluorescencji (tzw. widma stacjonarne) dokonuje się w aparacie zwanym
spektrofluorymetrem przy ustalonej długości fali wzbudzenia, którą należy wstępnie określić
na podstawie widma absorpcji elektronowej. Z uwagi na to, że z rejestratorem można
połączyć monochromator toru wzbudzenia albo monochromator toru emisji, otrzymuje się dwa
rodzaje charakterystyk. Widmo emisji fluorescencji otrzymujemy, gdy monochromator toru
wzbudzenia ustawiony jest na określoną długość fali absorbowaną przez próbę, natomiast
monochromator toru emisji przemiata i analizuje emitowane światło. Z kolei widmo wzbudzenia
fluorescencji otrzymujemy w przypadku, gdy monochromator analizujący ustawiony jest na
określoną długość fali w zakresie fluorescencji, natomiast monochromator toru wzbudzenia
przemiata długości fali światła wzbudzającego. Widma wzbudzenia fluorescencji są
zazwyczaj podobne do odpowiednich widm absorpcji w roztworach rozcieńczonych.
Schemat nowoczesnego spektrofluorymetru „Cary Eclipse” firmy Varian przedstawiono
poniżej.
6
5
1
2
4
3
Najważniejsze elementy spektrofluorymetru „Cary Eclipse”:
1
2
3
4
5
6
- Wiązka światła wzbudzającego
- Komora pomiarowa
- Ksenonowa lampa impulsowa
- Monochromatory z filtrami optycznymi
- Rura fotopowielacza z korekcją czułości na zakres długofalowy (do 900 nm)
- Uchwyt do celki pomiarowej.
Wykonanie ćwiczenia
1.
Sporządzić roztwory jednego następujących fluoroforów (rysunek poniżej) w
wybranych rozpuszczalnikach organicznych
5
Fluorofory:
O
O
CH3
N
N
CH3
CH3
10-metylo-9-akrydon
HO
2-metylo-10-metylo-9-akrydon
O
O
(H3C)2N
NH(CH3)2
O
CO2H
CO2H
Cl
Fluoresceina
Rodamina B
Rozpuszczalniki:
Metanol; acetonitryl; octan etylu; aceton; chloroform; dioksan, toluen.
Stężenie:
około 10-3 M
Objętość:
10 mL (kolby miarowe).
2.
Zarejestrować widma absorpcyjne (UV-Vis) na spektrofotometrze „Lambda 40” (Perkin
Elmer) w kuwetach o poj. 3 mL. Zakres: 220 – 600 nm.
Uwaga: Jeśli maksymalna absorbancja przekroczy 1 A.U. należy odpowiednio rozcieńczyć
próbki.
Pozostałe ustawienia przyrządu skonsultować z prowadzącym.
3.
Poprzednio otrzymane roztwory rozcieńczyć 100-krotnie tak, aby otrzymać stężenia
rzędu 10-5 M. Zarejestrować w tych samych kuwetach i rozpuszczalnikach widma emisji
fluorescencji (natężenie względne emisji promieniowania w funkcji długości fali),
wykorzystując spektrofotometr fluorescencyjny „Cary Eclipse”. Próbkę należy wzbudzać
przy ustalonej długości fali; powinna to być wartość w pobliżu maksimum (tzn. na zboczu)
długofalowego pasma w widmie absorpcyjnym substancji.
Ustawienia przyrządu według wskazówek prowadzącego.
4.
Zarejestrować natężenie fluorescencji roztworu luminofora w metanolu dla różnych
stężeń substancji. W tym celu pobrać kolejno 0.1 cm3, 0.5 cm3, 1 cm3, 1.5 cm3, 2 cm3, 2.5
cm3 roztworu sporządzonego poprzednio do pomiarów absorpcji (metanol, c = 10-3 M) i
rozcieńczać w kolejnych kolbach miarowych o pojemności 10 cm3.
Opracowanie wyników
1.
Dane eksperymentalne dotyczące widm absorpcji (pliki typu ‘.txt’) wkleić do arkusza
kalkulacyjnego (MS Excel) i dla każdego punktu pomiarowego (absorbancji, A) obliczyć
wartość molowego dziesiętnego współczynnika absorpcji (εabs, M-1cm-1) biorąc pod uwagę
dokładne stężenie roztworu i długość drogi optycznej (1 cm). Wykonać wykres zbiorczy
6
absorpcji badanego związku w funkcji długości fali (λ, nm) dla wszystkich rozpuszczalników
w których rejestrowano widma. Odczytać w każdym przypadku maksimum absorpcji (λabsmax,
nm).
2.
Sporządzić zbiorczy wykres względnego natężenia emisji promieniowana (RLU) w
funkcji długości fali światła dla substancji badanej w kolejnych rozpuszczalnikach.
Wyznaczyć w każdym przypadku długość fali, przy której natężenie fluorescencji jest
maksymalne (λflumax, nm).
3.
Sporządzić wykres natężenia fluorescencji (N, RLU) badanej substancji w zależności od
jego stężenia molowego (c, M) w rozpuszczalniku organicznym: N = f (c).
4.
Obliczyć przesunięcia Stokesa dla fluorofora rozpuszczonego w każdym z
rozpuszczalników: ∆νST = (λflumax − λabsmax). Wartości ∆νST przeliczyć z nm na jednostki
energii, cm-1.
5.
Obliczyć parametry polaryzowalności orientacyjnej (∆f) dla każdego z
rozpuszczalników (tzw. stałe Lipperta), korzystając z tabelarycznych wartości przenikalności
dielektrycznej (ε), wartości współczynników załamania światła (n) oraz zależności:
∆f = (ε −1)/(2ε +1) − (n2 −1)/(2n2 +1).
Wyniki zebrać w tabeli.
L.P.
Rozpuszczalnik
Przenikalność
dielektryczna (εP)
Stała Lipperta
( ∆f )
Przesunięcie Stokesa
(∆νST, cm-1)
6.
Sporządzić wykres zależności przesunięć Stokesa badanego luminofora w każdym z
rozpuszczalników w funkcji stałych Lipperta: ∆νST (cm-1) = f (∆f ). Wykres zlinearyzować,
podać jego parametry oraz współczynnik korelacji.
7.
Przeprowadzić dyskusję merytoryczną otrzymanych wyników. Omówić kolejno każdy z
badanych aspektów.
Literatura:
1.
2.
3.
4.
S. Paszyc, „Podstawy fotochemii”, PWN, Warszawa, 1992.
J.A. Baltroop, J.D. Coyle, „Fotochemia - podstawy”, PWN, Warszawa 1987.
P. Suppan, „Chemia i światło”, PWN, Warszawa 1982.
P.W. Atkins, „Chemia fizyczna”, PWN, Warszawa 2003.