pH-чувствительные флуоресцентные индикаторы представляют собой органические или координационные системы, в которых кислотно-основные превращения напрямую связаны с изменением фотолюминесцентных свойств. Их применение охватывает аналитическую химию, физическую химию растворов, биохимию и материаловедение, где требуется локальное и высокочувствительное определение кислотности среды.
Флуоресценция молекулы определяется электронной структурой возбуждённого состояния. Протонирование или депротонирование функциональных групп изменяет распределение электронной плотности, энергию π–π* или n–π* переходов и вероятность безызлучательных процессов. В результате наблюдаются:
В простейшем приближении равновесие между протонированной (HIn) и депротонированной (In⁻) формами описывается уравнением Гендерсона–Хассельбаха, адаптированным для флуоресцентных сигналов:
[ = K_a + ]
где (I) — интенсивности флуоресценции соответствующих форм при выбранной длине волны.
Флуоресцеин и его аналоги (эозин, родаминовые флуоресцеинаты) демонстрируют сложную многостадийную кислотно-основную химию. В кислой среде преобладают лактонные или катионные формы с низкой флуоресценцией, тогда как в нейтральной и слабощелочной области возникает сильно флуоресцирующая дианионная форма.
Ключевые особенности:
Родамины характеризуются обратимым переходом «закрытое лактонное кольцо — открытая катионная форма». Протонирование стабилизирует открытое состояние, что сопровождается резким ростом флуоресценции.
Отличительные черты:
В этих красителях pH-чувствительность связана с протонированием донорно-акцепторных фрагментов, влияющим на длину сопряжённой цепи.
Характерные эффекты:
Данные соединения образуют две флуоресцирующие формы с различными максимумами эмиссии. Отношение интенсивностей на двух длинах волн служит аналитическим сигналом.
Преимущества:
Фотоиндуцированный перенос электрона (PET). В протонированном состоянии донорный фрагмент подавляет PET, увеличивая флуоресценцию; депротонирование активирует PET и гасит эмиссию.
Внутримолекулярный перенос заряда (ICT). Изменение степени донорно-акцепторного взаимодействия приводит к сдвигам спектров и изменению интенсивности.
Структурные перестройки. Циклизация или раскрытие кольца, изомеризация, изменение плоскостности хромофора напрямую влияют на вероятность излучательных переходов.
Точное соответствие pKₐ индикатора требуемому диапазону достигается:
Смещение pKₐ на 1–2 единицы возможно без существенного ухудшения флуоресцентных характеристик при рациональном молекулярном дизайне.
Практическое использование требует строгой калибровки в условиях, идентичных анализируемой системе. Определяются:
Особое внимание уделяется температурной зависимости и влиянию ионов, способных образовывать комплексы с индикатором.
Несмотря на высокую чувствительность, pH-чувствительные флуоресцентные индикаторы подвержены:
Эти факторы учитываются при интерпретации данных и выборе конкретного класса соединений.
Флуоресцентные pH-индикаторы используются для:
Современные тенденции направлены на создание многофункциональных систем, сочетающих pH-чувствительность с селективностью к ионам, молекулам или внешним физическим воздействиям.