Спектры поглощения и излучения

Флуоресценция — это явление испускания света молекулой после её возбуждения фотоном. При поглощении энергии фотона электрон в молекуле переходит из основного состояния (S_0) в одно из возбужденных синглетных состояний (S_n) ((n )). Возврат к основному состоянию сопровождается испусканием фотона с энергией, меньшей, чем энергия поглощённого света, что обусловлено внутримолекулярной диссипацией энергии и колебательной релаксацией.

Флуоресценция характеризуется следующими ключевыми параметрами:

• **Длина волны поглощения ((_{abs}))** — соответствует переходу из основного состояния в возбужденное.
• **Длина волны излучения ((_{em}))** — длина волны испускаемого фотона.
• Сдвиг Стокса (()) — разница между ({abs}) и ({em}), обусловленная потерями энергии на нерадиационные процессы.
• **Квантовый выход флуоресценции ((_f))** — отношение числа испущенных фотонов к числу поглощённых.

Энергетические уровни и переходы

Молекулы обладают синглетными ((S_0, S_1, S_2…)) и триплетными ((T_1, T_2…)) электронными состояниями. Основные флуоресцентные переходы происходят из первого возбужденного синглетного состояния (S_1 S_0).

Схема Дж. Дж. Перринда (Jablonski diagram) наглядно демонстрирует:

• Поглощение: (S_0 S_n)
• Внутримолекулярная релаксация: (S_n S_1) без излучения
• Флуоресценция: (S_1 S_0 + h_{em})
• Фосфоресценция: (T_1 S_0 + h_{ph}), которая происходит медленнее и имеет большую длительность жизни.

Спектры поглощения

Спектры поглощения молекул зависят от структуры молекулы и её окружения. Основные типы переходов:

• **(^*)** — характерны для ароматических соединений, проявляются сильными полосами в УФ и видимой области.
• **(n ^*)** — менее интенсивные, наблюдаются у соединений с неподелёнными электронными парами (например, карбонилы, нитро-группы).

Спектры поглощения представлены полосами поглощения, каждая из которых отражает конкретный электронный и колебательный переход. Форму полос определяют:

• колебательные уровни,
• взаимодействие с растворителем,
• структурная гибкость молекулы.

Спектры излучения

Флуоресцентные спектры имеют полосовую структуру, смещённую в сторону длин волн по сравнению с поглощением. Это объясняется:

• частичной потерей энергии на колебательные переходы,
• взаимодействием с молекулярной средой (растворитель, температура, рН).

Характеристики спектров излучения:

• Полуширина полосы ((_{1/2})) отражает распределение колебательных уровней в возбужденном состоянии.
• Форма спектра часто асимметрична, с длинноволновым хвостом, что связано с неоднородностью среды и различием в колебательных состояниях.

Влияние растворителя и среды

Растворитель оказывает значительное влияние на флуоресценцию:

• Полярные среды стабилизируют возбужденное состояние, увеличивая сдвиг Стокса.
• Водородные связи могут снижать квантовый выход за счёт усиления нерадиационных процессов.
• Вязкость среды влияет на вращательную релаксацию молекулы, замедляя депопуляцию возбужденного состояния и увеличивая интенсивность флуоресценции.

Квантовый выход и динамика излучения

Квантовый выход (_f) определяется соотношением радиационных и нерадиационных процессов:

[ _f = ]

где (k_f) — скорость флуоресцентного перехода, (k_{nr}) — суммарная скорость всех нерадиационных процессов (внутримолекулярная релаксация, коллизионная депопуляция).

Длительность жизни флуоресценции () также критически важна:

[ = ]

Измерения () позволяют определить механизмы депопуляции и взаимодействие с окружающей средой.

Методики исследования

Флуоресцентные спектры изучаются с использованием спектрофотофлуориметров, позволяющих измерять:

• интенсивность флуоресценции,
• полуширину полос,
• сдвиг Стокса,
• временные характеристики (()).

Дополнительно применяются методы двухфотонного возбуждения, временной резольвной спектроскопии и флуоресцентной поляризации, которые позволяют детально изучить динамику и пространственное распределение молекул.

Практическое значение

Флуоресцентная химия используется для:

• анализа биомолекул (нуклеиновые кислоты, белки),
• детекции малых концентраций веществ,
• изучения взаимодействий молекул и структуры среды,
• разработки флуоресцентных датчиков и красителей.

Особое значение имеют молекулы с высокой квантовой эффективностью и стабильностью, такие как флуоресцеин, родамин и пиреновые производные, применяемые в аналитической химии и биофизике.