stokes i kashy.pdf

Ę wiczenie 2

Widma absorpcyjne i emisyjne

Losy cz Ģ steczki wzbudzonej elektronowo ilustruje tzw. diagram Jabło ı skiego (rysunek

poni Ň ej).

S 3

ISC

S 2

T 3

ISC

T 2

S 1

T 1

ISC

S 0

Oznaczenia:

A – absorpcja ; F – fluorescencja; Ph – fosforescencja ; IC - konwersja wewn ħ trzna ; ISC -

przej Ļ cie interkombinacyjne.

Wszystkie przej Ļ cia skierowane w gór ħ na diagramie s Ģ przej Ļ ciami absorpcyjnymi ( A ),

w wyniku których cz Ģ steczka przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego lub

do wy Ň szych stanów wzbudzonych. Proces ten odbywa si ħ w czasach rz ħ du 10 -15 sekundy.

Energia promieniowania konieczna do zaj Ļ cia wzbudzenia elektronowego jest rz ħ du 10 5 – 10 4

Jmol -1 , co odpowiada zakresowi ultrafioletu oraz cz ħĻ ciowo widzialnemu (około 150-700

nm). Zwi Ģ zki, które absorbuj Ģ w dalekim nadfiolecie lub na granicy dalekiego i bliskiego

nadfioletu na ogół nie wykazuj Ģ fluorescencji ze wzgl ħ du na zjawisko predysocjacji, czyli

rozpadu cz Ģ steczek.

Nat ħŇ enie absorpcji okre Ļ la si ħ za pomoc Ģ oraz tzw. siły oscylatora (wielko Ļę

wyznaczana metodami teoretycznymi) oraz molowego współczynnika absorpcji (wyznaczana

eksperymentalnie). Ostatnia wielko Ļę wyst ħ puje w zale Ň no Ļ ci Beera, która w sposób

ilo Ļ ciowy opisuje proces absorpcji promieniowania przez cz Ģ steczki:

A =

e cl

gdzie:

A - absorbancja (logarytm ilorazu nat ħŇ enia wi Ģ zki padaj Ģ cej i nat ħŇ enia wi Ģ zki

przechodz Ģ cej, log I O / I ),

- molowy dziesi ħ tny współczynnik absorpcji (M -1 cm -1 ),

c - st ħŇ enie molowe (M),

l - długo Ļę drogi optycznej (cm).

Pochłoni ħ t Ģ energi ħ cz Ģ steczka mo Ň e rozprasza ę w sposób bezpromienisty (przypadek

najcz ħ stszy – ogrzewanie układu) lub promienisty (procesy emisyjne).

Przej Ļ cia bezpromieniste (linie przerywane na diagramie) zachodz Ģ mi ħ dzy

izoenergetycznymi (zdegenerowanymi) poziomami oscylacyjno – rotacyjnymi ró Ň nych

stanów elektronowych. Poniewa Ň całkowita energia układu nie ulega zmianie, nie zachodzi

emisja fotonu. S Ģ to:

- konwersja wewn ħ trzna (IC) - przej Ļ cie mi ħ dzy stanami o tej samej multipletowo Ļ ci.

- przej Ļ cie interkombinacyjne (ISC) - przej Ļ cie mi ħ dzy stanami o ró Ň nej multipletowo Ļ ci.

Do procesów promienistych (linie ci Ģ głe) zaliczamy m.in:

- fluorescencj ħ (F) - przej Ļ cie mi ħ dzy poziomami o tej samej mutlipletowo Ļ ci (np. S 1 ®

S 0 ).

Cz Ģ steczka wzbudzona przechodzi z poziomu wy Ň szego na ni Ň szy z emisj Ģ fotonu.

- fosforescencj ħ (Ph) - przej Ļ cie promieniste mi ħ dzy stanami o ró Ň nej krotno Ļ ci (zazwyczaj

T 1

S 0 ).

W widmach cz Ģ steczek zwi Ģ zków organicznych wyró Ň nia si ħ tzw. pasma absorpcyjne,

pochodz Ģ ce od ró Ň nego rodzaju przej Ļę elektronowych. W prostym przypadku widmo dla

sztywnej i płaskiej cz Ģ steczki aromatycznej b ħ dzie wygl Ģ da ę podobnie jak na poni Ň szym

rysunku.

Pierwsze pasmo absorpcyjne posiada wyra Ņ n Ģ struktur ħ oscylacyjn Ģ , ale nast ħ pne

(wy Ň sze) pasma s Ģ zwykle szersze i pozbawione tej struktury ze wzgl ħ du na silne sprz ħŇ enie

pomi ħ dzy stanami oscylacyjnymi (oznaczonymi poziomymi cienkimi liniami) np. typu S 1 -S 2 ,

S 2 -S 3 (tzw. sprz ħŇ enie wibronowe).

Stan elektronowo wzbudzony jest z natury stanem nietrwałym. Tylko niektóre

cz Ģ steczki emituj Ģ cz ħĻę pochłoni ħ tej energii w postaci Ļ wiatła (luminezuj Ģ ). Luminescencja

powstaje podczas przej Ļę promienistych, w czasie których cz Ģ steczka wzbudzona traci

pochłoni ħ t Ģ energi ħ i emituje foton przechodz Ģ c do stanu podstawowego. Kiedy stan

wzbudzony ma tak Ģ sam Ģ multipletowo Ļę co stan podstawowy (tzn. spinowe liczby kwantowe

obu stanów s Ģ takie same) proces emisji nazywany jest fluorescencj Ģ i zachodzi on w czasach

rz ħ du 10 -9 - 10 -8 sekundy. Poniewa Ň zanim dojdzie do emisji promieniowania cz Ģ steczka

zawsze traci cz ħĻę energii (w formie tzw. relaksacji oscylacyjnej), barwa fluorescencji jest

przesuni ħ ta w stron ħ fal o mniejszej energii (fal dłu Ň szych) ani Ň eli długo Ļę fal Ļ wiatła

wzbudzaj Ģ cego. Zjawisko to nazywamy przesuni ħ ciem Stokesa .

W przypadku, gdy stan wzbudzony ma inn Ģ multipletowo Ļę ni Ň stan podstawowy (z

przej Ļ ciem wi ĢŇ e si ħ zmiana kwantowej liczby spinowej), przej Ļ cie nazywamy

„wzbronionym”. Odpowiadaj Ģ c Ģ takiemu przej Ļ ciu emisj ħ nazywamy fosforescencj Ģ .

Fosforescencj ħ charakteryzuje czas zaniku od około 10 -4 do kilku sekund, jest wi ħ c on kilka

rz ħ dów wielko Ļ ci dłu Ň szy ni Ň czas zaniku fluorescencji. Fosforescencja jest zwi Ģ zana z

emisj Ģ z tzw. stanów trypletowych (T n ) do stanu podstawowego (S o ). Energia stanu

trypletowego T n jest zawsze ni Ň sza ni Ň energia odpowiedniego stanu singletowego S n , dlatego

widmo fosforescencji jest bardziej długofalowe ni Ň widmo fluorescencji.

Schemat widm absorpcji ( A ), fluorescencji ( F ) i fosforesencji ( P ) dla sztywnej

cz Ģ steczki wieloatomowej przedstawiono poni Ň ej (a). Rysunek po prawej stronie (b) ilustruje

sposób wyznaczania przesuni ħ cia Stokesa.

Najwa Ň niejsze poj ħ cia dotycz Ģ ce procesów emisyjnych zebrano w poni Ň szej tabeli.

= liczba cz Ģ steczek które uległy wzbudzeniu / liczba

pochłoni ħ tych fotonów

Wydajno Ļę kwantowa jest zwykle mniejsza od jedno Ļ ci, co Ļ wiadczy o

istnieniu innych dróg dezaktywacji stanów wzbudzonych.

Przesuni ħ cie Stokesa ( S ) Ró Ň nica poło Ň e ı odpowiednich maksimów widm absorpcji i

emisji.

Jego warto Ļę podaje si ħ zwykle w cm -1 .

)

Reguła Kashy

Obserwowana luminescencja cz Ģ steczek organicznych

pochodzi niemal wył Ģ cznie z najni Ň szego stanu wzbudzonego

(S 1 lub T 1 ).

Zwi Ģ zane jest to z faktem, Ň e relaksacja oscylacyjna zachodzi o wiele

szybciej ni Ň procesy emisyjne (czas rz ħ du 10 -12 s).

Reguła Wawiłowa

Wydajno Ļę kwantowa luminescencji wieloatomowych

cz Ģ steczek organicznych jest (zwykle) niezale Ň na od długo Ļ ci

fali Ļ wiatła wzbudzaj Ģ cego.

Własno Ļ ci fluorescencyjne zwi Ģ zków organicznych s Ģ zwi Ģ zane z ich struktur Ģ .

Dotyczy to zwłaszcza układów aromatycznych i pier Ļ cieniowych, gdzie to zjawisko

wyst ħ puje stosunkowo cz ħ sto. Przykładowo, widma fluorescencji w ħ glowodorów

aromatycznych o pier Ļ cieniach skondensowanych k Ģ towo (np. fenantren) le ŇĢ w zakresie fal

krótszych ni Ň widma fluorescencji w ħ glowodorów o tej samej liczbie pier Ļ cieni

skondensowanych liniowo (np. antracen). Podstawienie cz Ģ steczek zwi Ģ zków aromatycznych

fluorowcami (F, Cl, Br i I) obni Ň a fluorescencj ħ w podanym porz Ģ dku, za Ļ obecno Ļę grupy -

NO 2 zwykle powoduje zanik fluorescencji. Z kolei grupy -OH oraz –OR cz ħ sto wzmacniaj Ģ

fluorescencj ħ cz Ģ steczek aromatycznych, powoduj Ģ c jednocze Ļ nie przesuni ħ cie długofalowe

widm.

Ciekaw Ģ wła Ļ ciwo Ļ ci Ģ fluorescencji jest tzw. wygaszanie st ħŇ eniowe. Przy wy Ň szych

st ħŇ eniach luminofora mog Ģ tworzy ę si ħ dimery cz Ģ steczek, co preferuje rozpraszanie energii,

a tak Ň e mo Ň e zachodzi ę reabsorpcja emitowanego Ļ wiatła. Powoduje to cz ħĻ ciowy lub

całkowity zanik fluorescencji.

Czuło Ļę metod opartych o zjawisko fluorescencji jest zwykle 3-4 rz ħ dy wielko Ļ ci wy Ň sza

od czuło Ļ ci metod absorpcyjnych. Dlatego metody emisyjne wykorzystuje si ħ do oznaczania

Ļ ladowych ilo Ļ ci zwi Ģ zków organicznych (np. analizy Ļ rodowiskowe wielopier Ļ cieniowych

w ħ glowodorów aromatycznych), w analityce medycznej (tzw. znaczniki luminescencyjne). Z

kolei zale Ň no Ļę nat ħŇ enia widm fluorescencji od p H roztworu w przypadku fluoroforów

zawieraj Ģ cych grupy zdolne do jonizacji umo Ň liwia wykorzystanie niektórych z nich jako

tzw. wska Ņ ników fluorescencyjnych (np. chinina, pochodne kumaryny i inne).

Wydajno Ļę kwantowa (

Pomiary fluorescencji

Pomiaru fluorescencji (tzw. widma stacjonarne) dokonuje si ħ w aparacie zwanym

spektrofluorymetrem przy ustalonej długo Ļ ci fali wzbudzenia, któr Ģ nale Ň y wst ħ pnie okre Ļ li ę

na podstawie widma absorpcji elektronowej. Z uwagi na to, Ň e z rejestratorem mo Ň na

poł Ģ czy ę monochromator toru wzbudzenia albo monochromator toru emisji, otrzymuje si ħ dwa

rodzaje charakterystyk. Widmo emisji fluorescencji otrzymujemy, gdy monochromator toru

wzbudzenia ustawiony jest na okre Ļ lon Ģ długo Ļę fali absorbowan Ģ przez prób ħ , natomiast

monochromator toru emisji przemiata i analizuje emitowane Ļ wiatło. Z kolei widmo wzbudzenia

fluorescencji otrzymujemy w przypadku, gdy monochromator analizuj Ģ cy ustawiony jest na

okre Ļ lon Ģ długo Ļę fali w zakresie fluorescencji, natomiast monochromator toru wzbudzenia

przemiata długo Ļ ci fali Ļ wiatła wzbudzaj Ģ cego. Widma wzbudzenia fluorescencji s Ģ

zazwyczaj podobne do odpowiednich widm absorpcji w roztworach rozcie ı czonych.

Schemat nowoczesnego spektrofluorymetru „Cary Eclipse” firmy Varian przedstawiono

poni Ň ej.

Najwa Ň niejsze elementy spektrofluorymetru „Cary Eclipse” :

- Wi Ģ zka Ļ wiatła wzbudzaj Ģ cego

- Komora pomiarowa

- Ksenonowa lampa impulsowa

- Monochromatory z filtrami optycznymi

- Rura fotopowielacza z korekcj Ģ czuło Ļ ci na zakres długofalowy (do 900 nm)

- Uchwyt do celki pomiarowej.

Wykonanie ę wiczenia

1. Sporz Ģ dzi ę roztwory jednego nast ħ puj Ģ cych fluoroforów (rysunek poni Ň ej) w

wybranych rozpuszczalnikach organicznych

Fluorofory:

CH 3

10-metylo-9-akrydon

2-metylo-10-metylo-9-akrydon

NH(CH 3 ) 2

(H 3 C) 2 N

CO 2 H

Fluoresceina

Rodamina B

Rozpuszczalniki:

Metanol; acetonitryl; octan etylu; aceton; chloroform; dioksan, toluen.

St ħŇ enie :

około 10 -3 M

Obj ħ to Ļę :

10 mL (kolby miarowe).

2. Zarejestrowa ę widma absorpcyjne (UV-Vis) na spektrofotometrze „Lambda 40” ( Perkin

Elmer ) w kuwetach o poj. 3 mL. Zakres: 220 – 600 nm.

Uwaga: Je Ļ li maksymalna absorbancja przekroczy 1 A.U. nale Ň y odpowiednio rozcie ı czy ę

próbki.

Pozostałe ustawienia przyrz Ģ du skonsultowa ę z prowadz Ģ cym.

3. Poprzednio otrzymane roztwory rozcie ı czy ę 100-krotnie tak, aby otrzyma ę st ħŇ enia

rz ħ du 10 -5 M. Zarejestrowa ę w tych samych kuwetach i rozpuszczalnikach widma emisji

fluorescencji (nat ħŇ enie wzgl ħ dne emisji promieniowania w funkcji długo Ļ ci fali),

wykorzystuj Ģ c spektrofotometr fluorescencyjny „Cary Eclipse”. Próbk ħ nale Ň y wzbudza ę

przy ustalonej długo Ļ ci fali; powinna to by ę warto Ļę w pobli Ň u maksimum (tzn. na zboczu)

długofalowego pasma w widmie absorpcyjnym substancji.

Ustawienia przyrz Ģ du według wskazówek prowadz Ģ cego.

4. Zarejestrowa ę nat ħŇ enie fluorescencji roztworu luminofora w metanolu dla ró Ň nych

st ħŇ e ı substancji. W tym celu pobra ę kolejno 0.1 cm 3 , 0.5 cm 3 , 1 cm 3 , 1.5 cm 3 , 2 cm 3 , 2.5

cm 3 roztworu sporz Ģ dzonego poprzednio do pomiarów absorpcji (metanol, c = 10 -3 M) i

rozcie ı cza ę w kolejnych kolbach miarowych o pojemno Ļ ci 10 cm 3 .

Opracowanie wyników

1. Dane eksperymentalne dotycz Ģ ce widm absorpcji (pliki typu ‘.txt’) wklei ę do arkusza

kalkulacyjnego (MS Excel) i dla ka Ň dego punktu pomiarowego (absorbancji, A) obliczy ę

warto Ļę molowego dziesi ħ tnego współczynnika absorpcji (

abs , M -1 cm -1 ) bior Ģ c pod uwag ħ

dokładne st ħŇ enie roztworu i długo Ļę drogi optycznej (1 cm). Wykona ę wykres zbiorczy

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: