光的吸收
除了在部分或透明的物質(zhì)上發(fā)生折射、散射、干涉和衍射現(xiàn)象外,還可以產(chǎn)生一種顏色印象,如彩虹、蔚藍的天空、閃閃發(fā)光的肥皂泡、華麗的孔雀羽毛或薄薄的油膜和層,顏色主要通過光的吸收或反射出現(xiàn)在我們的環(huán)境中。
物質(zhì)的“色彩"是通過選擇性吸收來自電磁輻射光譜的可見部分的光而產(chǎn)生的。這個范圍介于紫外線和紅外光之間。在分子水平上,這意味著分子進入電子激發(fā)態(tài):通過吸收光量子(光子),電子從占據(jù)的最高分子軌道上移走(HOMO = h最遠 o被占用 m耳目 o比妥;能源 E1)進入最di的未占用分子軌道(LUMO= l奧韋斯特 u已占用 m耳目 o比妥;能源 E2)已提出。
E光子= h ? υ = (h ? c) / λ = ΔE = E 2 - E 1
E光子:光子的能量
h:普朗克常數(shù)
υ:輻射頻率
c:光速
λ:輻射波長
ΔE:兩個能級之間的能量差
被吸收的光子的能量正好對應于兩個能級的能量差,即分子只能以離散的能量狀態(tài)存在,能量被“量子化",只能以規(guī)定的部分被吸收或釋放。
紫外/可見光譜
可以測量光的吸收 - 例如在染料溶液中 - 可以測量。定量紫外/可見光譜的基礎是朗伯-比爾定律:
E = lg(I0 / I) = ε ?c ? d
E:吸光度
ε:摩爾消光系數(shù)
c:濃度
d:層厚
我0:樣品前的光強度
I:樣品后的光強度
通過變換方程,得到化合物的濃度c。
c = E / (ε ? d)
蘭伯特-比爾定律適用于單色輻射。通過繪制波長上的吸光度,可以獲得不同波長的化合物的紫外/可見光譜。
朗伯-比爾定律對于高濃度溶液以及濃度依賴性反應的發(fā)生(例如 染料的聚集 代表。
當穿過溶液時,光束變?nèi)酰糠止庖驯蝗芤褐械姆肿游?,即忽略散射和反射?
A + T = 1 = (I0 – I)/ I0 + I/ I0
A = 吸收 = 光的吸收部分 = (I 0 – I) / I 0
T = 透射 = 光的透射部分 = I / I 0
因此適用以下內(nèi)容:
E = -lg (T)
Lambert-Beer 定律中的比例常數(shù)是與波長相關的材料常數(shù),并且描述了允許激發(fā)的所謂躍遷概率。適用光譜選擇規(guī)則,即區(qū)分允許和禁止的躍遷。最重要的選擇規(guī)則是保持多重性(見下文)。允許的躍遷具有更高的躍遷概率,因此具有更高的消光系數(shù)。對于有機染料,長波吸收最大值處的消光系數(shù)值 > 10 5 L mol -1 cm -1;這些是共軛 π 系統(tǒng)中允許的躍遷。
吸收是一個非??焖俚倪^程(10 -15到 10 -14秒),不會發(fā)生自旋反轉(zhuǎn)。分子通過吸收光子吸收的能量在激發(fā)態(tài)的有限壽命后以不同形式再次釋放。如果排除光化學反應,則除了以熱能形式發(fā)射之外,還可能發(fā)生熒光或磷光等發(fā)光現(xiàn)象。這些基本的光物理過程,其中分子的化學特性保留在最后,可以用 Jablonski 圖或 Jablonski 項圖的形式圖形表示。
其中緊挨著電子能級 S 0 – S 2和 T 1還顯示了相關的振動子級別。輻射過程(波浪線)和非輻射過程(線)之間的表示有所區(qū)別。
單線態(tài)S只有成對電子,總自旋為S = 0;三重態(tài) T 有兩個不成對的電子,總自旋為 S = 1;這給出了多重性 M = 2 S + 1(存在磁場時的能級數(shù))。 M = 1 for singlet states and M = 3 for triplet states. 因此,多重性守恒的選擇規(guī)則僅允許單線態(tài)或三線態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的轉(zhuǎn)換(“自旋禁止")。
熒光
熒光(10 -9至 10 -7s) 表示通過從第一激發(fā)單重態(tài) S 1的振動能級躍遷到 電子基態(tài) S 0的振動能級 (即在等多重態(tài)之間)使受激分子失活時可觀察到的光發(fā)射(“Kasha 規(guī)則")。因此,觀察到的熒光與激發(fā)波長無關。
GG Stokes 在發(fā)光礦物螢石 (CaF 2) 如此命名,可以根據(jù)經(jīng)驗與有機分子的某些結(jié)構(gòu)特征相關:非芳烴不顯示任何熒光;即使它們有 11 個共軛雙鍵,如番茄紅素,也不會,而芳香族化合物幾乎能夠發(fā)出熒光。
因此,在許多(如果不是全部)情況下,剛性和平面分子結(jié)構(gòu)(通常是“芳烴"的情況)可能被視為良好熒光能力的先決條件。
此外,已經(jīng)表明,將某些基團引入芳烴會削弱熒光。其中包括硝基,這意味著例如硝基苯不會發(fā)出熒光。
組合 (ISC)
然而,溴或碘原子也會降低熒光。然后人們談到了內(nèi)部重原子效應。這些取代基通過更大的自旋軌道耦合促進了實際上自旋禁止的轉(zhuǎn)變?yōu)槿€態(tài)系統(tǒng)。單重態(tài)系統(tǒng)和三重態(tài)系統(tǒng)的等能振動能級之間的這種相互轉(zhuǎn)變被稱為“系統(tǒng)間交叉" ( ISC) 。具有不成對電子的順磁性物質(zhì),例如分子氧 O 2,也充當介導這種轉(zhuǎn)變的催化劑。 三重態(tài) T 1的振動基態(tài)失活中的磷光A
在電子基態(tài)S 0的振動能級發(fā)生的光發(fā)射 稱為磷光。與只有在激發(fā)時才能觀察到的熒光不同,磷光也可以在激發(fā)結(jié)束后發(fā)生或持續(xù)很長時間(“余輝")。這又與自旋禁令有關,導致三線態(tài)的壽命更長(10 -4到 10 2秒),從而延遲到單線態(tài)基態(tài)的失活。
斯托克斯位移
由于熒光或磷光總是來自電子激發(fā)態(tài) S 1或 T的振動基態(tài) v 01發(fā)生時,與激發(fā)帶相比,發(fā)射帶總是移動到更高的波長,即紅移。與熒光相比,磷光移動到更長的波長。
內(nèi)部轉(zhuǎn)換 (IC)此外,可以發(fā)生稱為
“內(nèi)部轉(zhuǎn)換"(IC) 的失活,例如,通過從第一電子激發(fā)態(tài) S 1的振動基態(tài) 到電子基態(tài) S 0的等能電子振動能級的轉(zhuǎn)變 .然后從這種較高的激發(fā)振動水平(10 -12s) 放出熱量。這種類型的無輻射失活總是比發(fā)光過程更快。這個過程似乎對流動性很強的分子特別有效。因此,在脂肪族化合物的情況下,人們發(fā)現(xiàn)幾乎是內(nèi)部轉(zhuǎn)變到電子基態(tài)并且沒有熒光。在大多數(shù)其他分子中,非輻射失活過程也支配著發(fā)光過程。
熒光染料
只有極少數(shù)有機染料的非輻射失活速度足夠慢,足以保證激發(fā)態(tài)到基態(tài)的轉(zhuǎn)變,在這種轉(zhuǎn)變中,多余的能量通過光子的發(fā)射以熒光的形式釋放出來。
熒光染料的特征在于其光譜特性,例如激發(fā)和發(fā)射光譜、熒光量子產(chǎn)率 (η fl ) 和熒光衰減時間 (τ fl )。染料的熒光與激發(fā)波長無關。
選擇染料作為熒光標記時需要考慮的事項在相應部分中顯示。
光譜特性
熒光染料的光譜特性在很大程度上取決于分子結(jié)構(gòu)。為了使分子的吸收在可見波長范圍 (400 - 700 nm) 內(nèi),基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能量差必須足夠低。有機染料最顯著的結(jié)構(gòu)特征是共軛π電子系統(tǒng),即所謂的“發(fā)色團"(希臘色載體)。
在大多數(shù)情況下,染料的熒光光譜在一級近似下是最長波長吸收帶的鏡像,熒光通常移動 25 - 40 nm 到更長的波段。
吸收羅丹明染料
最ATTO-染料,發(fā)色團具有剛性分子骨架。許多代表屬于羅丹明染料家族。這些染料的共同結(jié)構(gòu)元素是呫噸骨架中心碳原子上的羧基苯基取代基。
羧基(紅色)位于 2 位或鄰位,顯著影響所有羅丹明的物理化學性質(zhì)。例如
,由于存在游離的鄰位羧基,ATTO 565和ATTO 590及其衍生物具有在處理這兩種染料時必須考慮的特殊性質(zhì)。用作熒光標記的有ATTO 565和ATTO 590苯基取代基的 4 位或 5 位上的額外羧基:
吸收波長對 pH 值的依賴性
鄰位羧基的質(zhì)子化-去質(zhì)子化平衡影響羅丹明的光學性質(zhì)發(fā)色團強。染料ATTO 565和ATTO 590
的吸收最大值位置對于染料的質(zhì)子化和去質(zhì)子化形式是不同的。例如,相對于質(zhì)子化形式,通過兩個羧基的去質(zhì)子化(添加三乙胺),乙醇中ATTO 565的吸收最大值移動16 nm 至更短的波(亞光):
染料-螺內(nèi)酯平衡在平衡狀態(tài)下, ATTO 565和ATTO 590
也 可以形成去質(zhì)子形式的無色螺內(nèi)酯:在羧酸根陰離子對中心碳進行親核攻擊的過程中形成五元環(huán),染料的發(fā)色系統(tǒng)被打斷, 因此形成的化合物不再被可見光吸收并發(fā)出熒光: 螺內(nèi)酯的比例或這種平衡的位置在很大程度上取決于溶劑、pH 值、溫度和染料結(jié)構(gòu)。在極性非質(zhì)子溶劑中,平衡幾乎位于螺內(nèi)酯一側(cè);在無水丙酮中是ATTO 565染料的溶液
因此,ATTO 590幾乎是無色的。另一方面,在水或乙醇等極性質(zhì)子溶劑中,平衡——如上所述——幾乎在有色形式的一側(cè)。
熒光光譜在大多數(shù)情況下,染料的熒光光譜是長波吸收帶的鏡像,這里以ATTO 514
為例可以很好地看出: 熒光最大值通常偏移 25 - 40 nm與吸收最大值相比更長的波。這種所謂的斯托克斯位移
進一步受到激發(fā)態(tài)壽命期間染料周圍溶劑分子重新定向的影響,因此發(fā)射發(fā)生在較低能量的“溶劑松弛態(tài)"。激發(fā)期間電子分布變化越大,能量差就越大,因此斯托克斯位移就越大。這在我們的ATTO LS 染料中得到了實際應用。
熒光量子產(chǎn)率 (η fl )
熒光染料最重要的特性之一是熒光量子產(chǎn)率 (η fl )。量子產(chǎn)率描述了發(fā)射光子的比率 (n fl) 到吸收的光子數(shù) (n abs )。
η fl = n fl / n abs
因此,熒光量子產(chǎn)率永遠不會超過 100%。如上所述,非輻射失活過程經(jīng)常與熒光競爭,從而降低量子產(chǎn)率。
高熒光量子產(chǎn)率對于通過熒光研究染料當然是有利和可取的。我們將在別處更詳細地探討熒光量子產(chǎn)率
的實驗測定。熒光衰減時間 (τ fl )
激發(fā)后熒光光子的發(fā)射是一個統(tǒng)計過程。因此,單個分子保持在激發(fā)態(tài)的時間也是一個統(tǒng)計量。然而,如果考慮許多相同分子的集合,則會產(chǎn)生明確定義的衰變統(tǒng)計結(jié)果。在通過短激光脈沖激發(fā)后,分子數(shù)量在簡單的情況下呈指數(shù)下降。激發(fā)分子的數(shù)量 (n 1 ) 下降到 1/e 系數(shù)(約 37%)之后的時間稱為熒光衰減時間 (τ fl )。
n 1 (t) = n 1 (0) exp(- t / τ fl )
熒光衰減時間是染料的重要特性,可用于識別染料。我們的ATTO染料的 τ fl值通常在納秒范圍內(nèi)。熒光衰減時間 的確定在別處描述。分子相互作用 熒光衰減時間與染料的熒光量子產(chǎn)率一樣,不是一個固定的量,而是受染料所處環(huán)境(即溶劑和溫度)的影響。染料的衰減時間和量子產(chǎn)率不是彼此獨立的,而是通過以下關系相互關聯(lián)的: τ fl
= τ 0 × η fl
τ 0是在沒有無輻射失活的情況下發(fā)生的所謂自然衰減時間(η fl
= 100%)。 因此,熒光衰減時間的變化可以提供有關染料分子局部環(huán)境變化的信息。