Триплетнный уровень и фосфоресценция

Давно замечено, что многие вещества (особенно при низкой температуре) продолжают интенсивно светиться даже после выключения света. В случае молекул, находящихся в растворе, это последнее обусловлено переходом с так называемого триплетного уровня, который расположен несколько ниже синглетного возбужденного уровня. В отличие от флуоресценции, наблюдаемой лишь при освещении, этот тип люминесценции называется фосфоресценцией.

В триплетном состоянии длительность и выход фосфоресценции подчиняется, аналогичным флуорисценции феноменологическим соотношениям.

Фосфоресценция является одним из путей безизлучательной дезактивации возбужденной молекулы.

Так дезактивация возбужденной молекулы происходит за счет интеркомбинационной конверсии в триплетное состояние. поскольку колебательный подуровень первого (низшего) триплетного состояния Т₁ (рис.12-2) находится ниже самого низкого подуровня первого синглетного возбужденного состояния S1, более высокие колебательные подуровни для Т₁ могут оказаться на одном уровне с этим колебательным подуровнем S₁. Интеркомбинационная конверсия как раз и происходит вследствие перехода с нижнего подуровня S₁ на высокий колебательный подуровень Т₁. Если в соответствии с принципом Франка-Кондона представить электронно-возбужденные состояния молекул, способных переходить в триплетное состояние, в виде потенциальных кривых, то очевидно, что кривые для S₁ и Т₁ должны пересечься в некоторой точке М. При поглощении света молекула переходит из основного состояния Sо в первое электронно-возбужденное состояние S1. Молекула быстро теряет избыток колебательной энергии, что соответствует движению изображающей точки вдоль потенциальной кривой S₁ до точки М. В точке М положения и импульсы ядер для возбужденного синглетного уровня Т₁ оказываются одинаковыми. Это означает, что молекула в точке м может перейти на соответствующий подуровень триплетного состояния. Поскольку вероятность заселения триплета не зависит от длины волны возбуждающего света, можно считать, что у сплошных молекул должна существовать хотя бы одна точка, расположенная в непосредственной близости от наиболее низкого колебательного подуровня возбужденного синглетного состояния.

Для некоторых молекул интеркомбинационная конверсия возникает вследствие термической активации из нижнего на высшие колебательнные подуровни S1-состояния. Излучательный переход (запрещенный по спину) с триплетного уровня на основной (Т₁ ®- So + hv***)

Т₁ -® So + hv_фосф приводит к появлению фосфоресценции с полосой, расположенной в спектре в более длинноволновой области, чем полоса флуорисценции. Время жизни, как правило, существенно больше времени жизни флуоресценции и доходит в ряде случаев до секунд. Квантовый выход фосфоресценции, обычно ниже квантового выхода флуорисценции. ет *****.

Константа скорости интеркомбиниционной конверсии kic в триплетное состояние является важным фотохимическим параметром. В растворах скорость излучательного перехода (Т₁ - So) оказывается гораздо меньшей по сравнению со скоростями интеркомбиниционной конверсии и (или) тушения триплетного состояния примесями. Поэтому фосфоресценцию наблюдают, как правило, в относительно жестких системах и при низких температурах. Ин-тенсивность фосфоресценции затухает обычно по экспоненциальному закону.

Фосфоресценцию необходимо отличать от замедленной флуо-рисценции, совпадающей по спектру с обычной (быстрой) флуорисценцией и различающейся с последней лишь большей длительностью. Появление замедленной флуоресценции связано с возвращением молекулы из триплетного состояния в возбужденное первое синглетное состояние (например за счет вибрационной энергии, подведенной термическим окружением молекулы). С последующим излучательным переходом в основное состояние, что сопро-вождается возникновением флуорисценции.

Отсюда очевидно, что спектр замедленной флуорисценции сдвинут в коротковолновую сторону по сравнению со спектром фосфоресценции.

С понижением температуры (с понижением запаса тепловой энергии молекулы) вероятность возращения триплетной молекулы в возбужденное синглетное состояние (на уровень S1) резко уменьшается, следовательно, возрастает вероятность фосфоресценции.

Прямым отождествлением фосфоресцентного состояния с триплетным можно считать определением его парамагнетизма. Хорошо известно, что в основном состоянии у большинства органических молекул все электроны спарены, поэтому эти молекулы димагнитны. Однако6 в триплетном состоянии такие многоатомные молекулы парамагнитные, поскольку они имеют два электрона с параллельными спинами, которые обычно сильно взаимодействуют с внешним магнитным полем.

В ходе прямого возбуждения образование триплетного состояния маловероятно (So -- Т1), поскольку спин возбужденного электрона должен изменить свое направление относительно исходного. Это может произойти только при взаимодействии определенного типа с окружающей средой. Такому переходу будут способствовать, например, магнитное поле тяжелого атома. Так интен-сивная полоса поглощения и излучения ртути (около 254 нм) связана с переходами между синглетными и триплетным состояниями. Однако, обычно переход в триплетное состояние с большей вероятностью происходит именно из синглетного возбужденного состояния. Это связанно с тем, что возбужденный электрон распределен в большем объеме и следовательно, взаимодействие с окружающими магнитными полями может увеличиваться, что уменьшает магнитное сопряжение электронной пары с антипараллельными спинами.

Молекула в триплетном состоянии может обладать высокой реакционной способностью, поскольку она пребывает в этом состоянии достаточно долго (порядка миллисекунд и больше). С другой стороны, в триплетном состоянии распределение электронов происходит в большем объеме, чем в ее синглетном состоянии. По этим причинам в триплетном состоянии у молекулы возрастает вероятность обмена электроном с ближайшим окружением. Молекулы в триплетном состоянии особенно эффективно дезактивируются растворенными молекулами, которые обладают не спаренными электронами, в частности молекулами кислорода. Эти вещества («тушители») могут взаимодействовать с триплетными молекулами, находясь даже в ничтожных концентрациях.

Степень поляризации флуоресцентного излучения. Ценную информацию об организации биообъектов и патологических изменениях в тканях, клетках и субклеточных частиц можно получить измеряя поляризацию люминесценции. Измерение поляризованной (анизотропной) флуорисценции дает информацию о размерах, конформации, внутренней подвижности макромолекул, о миграции энергии возбуждения между различными компонентами сложных систем и об ориентации их дипольных моментов электронных переходов.

Флуоресцентное излучение сложных молекул (в частности красителей) поляризовано даже при естественном падающем свете. Теория поляризации люминисценции была разработана Вавиловым и Феофиловым. Возбуждающий свет поглощается молекулами, определенным образом ориентированными по отношению к электрическому вектору световой волны. После поглощения энергии излучается в результате другого электронного перехода, которому, вообще говоря, иная поляризация в молекуле, т.е. иное направление переходного диполя. Если время жизни возбужденного состояния, т.е. время передачи энергии, мало по сравнению со временем переориентации молекулы, то люминесценция поляризована.