Пути дезактивации электронно-возбужденного состояния молекулы

 

Энергия возбуждения, приобретенная молекулой при поглощении кванта света, реализуется различными путями. На рис. 1 изображены все возможные процессы фотофизической дез­активации электронно-возбужденной молекулы.

Прямые стрелки между уровнями - излучательные переходы, волнистые - безызлучательные. При поглощении молекулой кванта света происходит переход одного электрона с заполненного уровня (S₀) на один из не­заполненных уровней. Молекула при этом оказывается в синглетном (S₁, S₂) электронно-возбужденном состоянии. При переходе между уровнями спины электронов не изменяются. В результате внутренней конверсии (безызлучательный переход) все молекулы вещества, независимо от того, в какое электронно-колебательное состояние они были переведены погло­щенным фотоном, переходят на низший колебательный подуровень первого синглетного возбужденного состояния (S₁). От этого состоя­ния берут начало все последующие, конкурирующие между собой фотофизические процессы, в конечном счете приводящие к дезак­тивации возбужденной молекулы.

С определенной вероятностью могут реализоваться следующие пути превращения энергии возбужденного состояния S₁: 1) в тепло; 2) испускание кванта флуоресценции; 3) фотохимическая реакция; 4) передача (миг­рация) энергии возбуждения другой молекуле; 5) переход молеку­лы в триплетное электронно-возбужденное состояние T₁ с обраще­нием спина электрона. Переход из триплетного состо­яния в основное запрещен, так как спины электронов одинаковы (параллельны). Поэтому в состоянии T₁ молекула находится зна­чительно дольше, чем в состоянии S₁.

 

Рисунок 1 - Электронные переходы в биомолекулах

Известны несколько путей дезактивации триплетного возбуж­денного состояния молекулы: 1) безызлучательный переход в ос­новное синглетное состояние с обращением спина электрона; 2) испускание кванта фосфоресценции в соответствии с пере­ходом; 3) фотохимическая реакция с образова­нием соответствующего фотопродукта; 4) передача энергии воз­буждения другой молекуле.

Излучательные переходы в молекуле (флуоресценция и фосфоресценция) имеют общее название - лю­минесценция. Понятие люминесценции относится как к излучению видимого света, так и к излучению в ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. По виду возбуждения различают фото­люминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение ионизирующей радиацией), электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), триболюминесценцию (воз­буждение механическими колебаниями - деформациями), хемилюминесценцию (возбуждение в результате химических реакций). Способность к люминесценции обнаруживают различные вещества.

Люминесценция биологических объектов позволила получить инфор­мацию о процессах, происходящих в клетках на молекулярном уровне.

Спектры люминесценции (испускания) - это зависимость интен­сивности люминесценции образца от длины волны (частоты) изме­ряемого света. Интенсивность люминесценции возрастает с увеличением интенсивности возбуждающего света, способности вещества по­глощать энергию света и его способности испускать кванты люми­несценции.

Измерение спектров люминесценции проводят с помощью прибо­ров, называемых спектрофлуориметрами. Высокая чувствитель­ность, точность и быстродействие обусловили широкое распростра­нение люминесцентных методов исследования в биологии, медици­не, сельском хозяйстве, химии и других областях знаний. Регистра­цию люминесценции используют для качественного и количествен­ного анализа, а также для изучения структуры и функции биоси­стем различной сложности организации: от макромолекул и мемб­ран до целых органов и организмов.

Спектры флуоресценции сдвинуты в длинноволновую область по сравнению с длинноволновой полосой поглощения (закон Стокса). Закон Стокса означает, что энергия кванта флуоресценции меньше энергии кванта возбуждающего света, так как часть погло­щенной энергии растрачивается в тепло, и испускание флуоресценции происходит всегда с нижнего возбуж­денного энергетического уровня S₁.

Форма спектра люминесценции (правило Каши) и квантовый выход (закон Вавилова) не зависят от длины волны возбуждающего света.

Измерение флуоресценции также проводят с помощью спектрофлуориметров.

Флуоресцентный метод анализа - один из безынерционных, вы­сокочувствительных методов исследования, с успехом применяе­мых для качественного и количественного анализа смесей веществ, изучения механизма фотофизических и фотохимических процессов в биосистемах и конформационных свойств биомакромолекул.

Другим излучательным путем дезактивации электронно-возбуж­денного состояния молекулы, помимо флуоресценции, является фосфоресценция - высвечивание кванта света молекулами, находя­щимися в триплетном возбужденном состоянии.

Спектры фосфоресценции веществ сдвинуты в длинноволновую область по сравнению с их спектрами флуоресценции.

Например, аминокислота тирозин характеризуется спектром поглощения с максимумами при 217 и 275 нм, спектром флуоресценции с макси­мумом при 304 нм и спектром фосфоресценции с максимумом при 387 нм.

Регистрацию фосфоресценции используют для решения многих проблем биологии, химии, медицины, сельского хозяйства и других отраслей народного хозяйства. Осо­бенно полезным оказался этот метод для изучения механизма пер­вичных фотофизических и фотохимических процессов, протекаю­щих в биосистемах (ароматические аминокислоты, белки, хлоро­филл и родственные соединения, флавины, витамины А, В₆, Е, многие лекарственные вещества).

 

Одним из путей дезактивации электронно-возбужденного состо­яния молекулы является миграция энергии. Это самопроизвольная безызлучательная передача энергии от одной частицы (атома, мо­лекулы) к другой на расстояния, значительно превышающие меж­атомные, происходящая без растраты на тепловые колебания и без кинетических соударений донора и акцептора энергии.

Миграция энергии - чисто физический процесс, не сопровождаю­щийся химическими изменениями вещества. Она происходит в га­зах, жидкостях и твердых телах как между одинаковыми, так и между разными частицами в направлении от более высокого к более низкому или одинаковому энергетическо­му уровню. Известно несколько механизмов миграции энергии: ин­дуктивно-резонансный, обменно-резонансный, экситонный и полу­проводниковый.