1.1 Спектральні властивості та енергетична структура органічних макромолекул

Спектральні властивості та перебіг фотофізичних процесів в органічних сполуках визначаються особливостями енергетичної структури їх молекул. Зокрема, важливу роль відіграє наявність π-електронмістких систем у молекулі.

Нуклеїнові кислоти (НК): ДНК та РНК належать до полімерів в яких - електрони локалізовані в межах елементарної ланки, а точніше у хромофорних групах бічного ланцюга. Розглянемо детальніше особливості фотофізичних процесів в системах такого типу.

Енергетичні стани та можливі фотофізичні процеси в органічних макромолекулах можуть схематично бути представлені за допомогою діаграми Яблонського (Рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1 Діаграма енергетичних станів органічної молекули (діаграма Яблонського).

Основний, перший та другий збуджені електронні стани позначені відповідно S ,S та S , а перший збуджений триплетний стан – T . Кожен електронний рівень розщепляється на серію коливальних (позначені як 0,1,2 і т.д.), а кожен коливальний в свою чергу на серію дуже близько розташованих обертальних рівнів [11].

Після поглинання фотона один з електронів, який належить молекулярній орбіталі молекули в основному стані, переходить на молекулярну орбіталь з більшою енергією, що відповідає переходу молекули в збуджений стан. Причому, якщо спін електрона при переході не змінюється (рис. 1.1.2), то квантове спінове число лишається рівним 0, а мультиплетність обох станів дорівнює 1. Енергетичні стани з таким набором квантових чисел називаються синглетними (S₀ – основний стан, S₁, S₂ – збуджені синглетні стани). Якщо ж електрон зі збудженого синглетного стану може перейти безвипромінювально в інший збуджений стан зі зміною спіну на протилежний (рис. 1.1.2), то в такому випадку загальне спінове число дорівнюватиме 1, а мультиплетність відповідно – 3 (триплетний стан). Відповідно до правила Хунда триплетний стан має енергію нижчу за енергію синглетного рівня з такою ж електронною конфігурацією.

Рис. 1.1.2 Схематичне зображення основного синглетного, збуджених синглетного та триплетного електронних рівнів з врахуванням їх спіну.

Згідно правил відбору існує так звана спінова заборона на переходи між станами з різною мультиплетністю. Тобто переходи синглет-синглетні та триплет-триплетні – дозволені, а синглет-триплетні – заборонені. Однак, можливі відхилення від цієї заборони за наявності слабкої взаємодії між хвильовими функціями станів з різною мультиплетністю, що реалізується через спін-орбітальну взаємодію. Саме завдяки спін-орбітальній взаємодії стає можливою інтеркомбінаційна конверсія (рис. 1.1.1) – безвипромінювальні переходи між рівнями S₁ та T₁.

Після поглинання молекулою фотона відбувається ряд процесів, які призводять до локалізації та деактивації електронного збудження. Деактивація збудження в молекулі може відбуватися двома шляхами: безвипромінювальним та випромінювальним. До безвипромінювальних каналів деактивації електронного збудження належать: процес релаксації молекули з верхнього на нижній коливальний рівень збудженого стану внаслідок втрати енергії при зіткненнях з іншими молекулами, внутрішня конверсія (швидка релаксація молекули з коливального рівня збудженого стану на найнижчий коливальний рівень стану S (рис. 1.1.1), час релаксації 10^-12с) та інтеркомбінаційна конверсія (конверсія зі стану S в T ). Ще одним з можливих безвипромінювальних деактиваційних процесів є перенесення електронного збудження на іншу молекулу. Детально процеси перенесення енергії електронного збудження будуть розглянуті в п.1.2.

До випромінювальних каналів деактивації збудження належить люмінесценція. Люмінесценція за визначенням С.І. Вавілова (1945р.) – це випромінювання надлишкове над тепловим з тривалістю більшою ніж 10^-10 с. Згідно із загальною схемою фотофізичного процесу (рис. 1.1.1) люмінесценція молекул зумовлена випромінювальними переходами S₁S₀ (флюоресценція, характерний час загасання 10^-9  10^-8с) та T₁S₀ (фосфоресценція, характерний час загасання 10^-6  10³с) [12, 13].

Варто зазначити, що флюоресцентні властивості органічних сполук визначаються не лише їх енергетичною структурою, а й ймовірністю процесів деактивації збудження та особливостями перебігу процесів, що відбуваються між поглинанням та випромінюванням (зокрема механізмом переносу енергії збудження) в - електронмістких системах [12].

Ще одним шляхом деактивації збудження є фосфоресценція, як один з можливих наслідків інтеркомбінаційної конверсії між рівнями S₁ в T₁, яка реалізується завдяки спін-орбітальній взаємодії. Таким чином, щоб отримати фосфоресценцію, необхідно заселити триплетний стан, що досить важко зробити через слабку смугу синглет – триплетного поглинання. Тому для його заселення використовують явище інтеркомбінаційної конверсії через синглетний рівень (рис. 1.1.1). Щодо спектрального розташування, то зазвичай спектри фосфоресценції зсунуті в більш довгохвильовий бік порівняно зі спектрами флюоресценції, адже триплетний рівень за правилом Хунда міститься нижче синглетного [13].

Варто додати, що при кімнатних температурах деактивація збудження триплетного стану T₁ реалізується в основному безвипромінювальним шляхом, а не через фосфоресцентне випромінювання, оскільки даний перехід заборонений правилами відбору, а отже його ймовірність дуже мала. При низьких же температурах час життя триплетного рівня збільшується та стає достатнім для спостереження фосфоресценції [13, 14].

В окремих випадках випромінювальна деактивація збудження може реалізуватися через затриману флюоресценцію. Затримана флюоресценція поділяється на два типи [14]:

1) Е-тип (тому що вперше спостерігалася для еозину). При умові, що енергетична різниця між станами Т₁ та S₁ досить мала, а час життя триплетного рівня достатньо великий може відбутися зворотній перехід Т₁→S₁. В результаті такого процесу буде спостерігатися додатковий внесок у спектр флюоресцентного випромінювання, але з більшим часом затримки, оскільки молекули певний час перебувають в триплетному стані, що передує випромінюванню з S₁. Із збільшенням температури ефективність затриманої флюоресценції такого типу значно зростає. Зазвичай такий тип флюоресценції не спостерігається в ароматичних сполуках через значну енергетичну різницю між їх синглетними та триплетними станами. Проте даний процес є дуже ефективним у фулеренах.

2) P-тип (тому, що вперше спостерігалася для пірену). Існує ймовірність зіткнення двох триплетних збуджень, в результаті чого з’явиться достатня кількість енергії для повернення однієї з молекул в синглетний стан S₁. Отже анігіляція триплет-триплетного збудження призведе до появи затриманого в часі флюоресцентного випромінювання. Зазвичай час затримки флюоресценції становить половину часу життя триплетного рівня [14].

Однією з важливих характеристик флюоресцентного випромінювання є його поляризація або анізотропія. Поляризаційні вимірювання дозволяють отримати інформацію про конформацію молекул в розчиннику, їх рухливість, розміри, про наявність взаємодії між молекулами, про міграцію енергії електронного збудження та ін. Для вимірювання анізотропії флюоресценції зазвичай використовують два методи: однопроменевий (використовується один канал реєстрації випромінювання) та двопроменевий (паралельна та перпендикулярна складова одночасно реєструються в двох каналах) [13].

Теоретичні значення величини анізотропії лежать в межах -0.2≤r≤0.4. Значення r досягає максимуму (0.4) за умови, що моменти переходу поглинання та випромінювання паралельні, а мінімуму (-0.2) – перпендикулярні [14].

В природі існує ряд процесів, що призводять до зменшення анізотропії або, іншими словами, до деполяризації флюоресценції. Основні з них [13, 15]:

1) обертальна деполяризація: дипольні моменти молекули при поглинанні та при випромінюванні світла різні, за умови що молекула встигає повернутися на певний кут за час життя збудженого стану;

2) резонансна передача енергії між флюорофорами, що призводить до додаткового кутового зміщення дипольних моментів, а отже і до зменшення анізотропії.

Розглянемо детальніше вищезгадані процеси.

1) Обертальна деполяризація: якщо розчин не є жорстким середовищем, тобто його в’язкість порівняно мала, то молекули розчиненої речовини швидко обертаються і за час 1-10 нс – що є середнім часом життя збудженого стану, встигають до початку процесу випромінювання змінити орієнтацію в просторі (за умови відсутності інших каналів деактивації збудження, крім флюоресценції). За рахунок таких процесів відбувається зменшення анізотропії або навіть повна деполяризація випромінювання. Вплив вищевказаних процесів на ступінь поляризації описується формулою [13]:

- для вертикально поляризованого світла; (1.1.1)

- для неполяризованого світла. (1.1.2)

Де р – ступінь поляризації, р₀ – гранична поляризація (значення р у відсутності деполяризації), τ – час життя випромінювання, ρ – обертальна релаксація.

2) Результатом передачі енергії між двома молекулами флюорофору буде деполяризація, яку можна описати формулою [13]:

, (1.1.3)

де знак мінус (-) відповідає збудженню вертикально поляризованим світлом, а знак плюс (+) – збудженню неполяризованим світлом, N – число Авогадро, 2а – діаметр молекули, с – концентрація в молях/л=М, R_с – критична відстань між диполями, на якій ймовірність перенесення енергії дорівнює ймовірності випромінювання.