Время жизни возбужденного состояния

Время жизни возбужденного состояния — это важнейший параметр флуоресцентных молекул, определяющий длительность нахождения молекулы в электронно возбужденном состоянии до возвращения в основное состояние с излучением фотона. Этот параметр обозначается символом ( ) и имеет размерность времени (обычно наносекунды или пикосекунды).

Основные понятия

Возбужденное состояние молекулы образуется при поглощении фотона, энергия которого соответствует разности между основным (( S_0 )) и возбужденным (( S_1 )) электронными уровнями. Время жизни ( ) определяется суммой вероятностей всех возможных процессов депопуляции возбужденного состояния:

[ = k_f + k_{nr} + k_q]

где:

• ( k_f ) — константа радиативного излучения (флуоресценции),
• ( k_{nr} ) — константа внутренних неблагоприятных (неколлизионных) процессов,
• ( k_q ) — константа квенчинга или взаимодействия с другими молекулами.

Таким образом, время жизни является обратной величиной суммарной скорости депопуляции возбужденного состояния.

Радиативные и нериадиативные процессы

Радиативный переход связан с излучением фотона и описывается законом Ферми о золотом правиле: вероятность перехода обратно в основное состояние пропорциональна квадрату дипольного момента перехода.

Нериадиативные процессы включают внутреннюю конверсию и межсистемное пересечение:

• Внутренняя конверсия — быстрый переход между электронными уровнями одного мультиплетного состояния без излучения.
• Межсистемное пересечение — переход в триплетное состояние ( T_1 ), обычно с большей продолжительностью жизни, что важно для фосфоресценции.

Нериадиативные процессы сильно зависят от температуры, растворителя и химической среды молекулы.

Экспериментальные методы определения времени жизни

Флуоресцентная спектроскопия во временной области использует импульсный лазер для возбуждения молекул и регистрирует затухание интенсивности флуоресценции во времени. Затухание обычно описывается экспоненциальной функцией:

[ I(t) = I_0 , e^{-t/}]

где ( I_0 ) — начальная интенсивность, ( t ) — время после импульса.

Методы фазовой модуляции применяются для более длинных времен жизни (наносекундные диапазоны). Суть метода заключается в наложении модулированного света на молекулы и измерении сдвига фазы излучения относительно возбуждающего сигнала.

Факторы, влияющие на время жизни

1. Химическая структура молекулы Электронные эффекты заместителей, конформация молекулы и наличие тяжёлых атомов (эффект тяжёлого атома) существенно изменяют ( k_{nr} ) и ( k_f ).

2. Полярность и вязкость среды Полярные растворители способствуют внутренней конверсии за счёт эффективного выравнивания дипольного момента, а высокая вязкость ограничивает вращение и колебания, что увеличивает время жизни.

3. Концентрация и взаимодействие с другими веществами Квентирование кислородом, йодидами или другими флуоресцентными молекулами ускоряет депопуляцию возбужденного состояния.

4. Температурные эффекты С ростом температуры увеличивается частота колебаний молекул, повышая вероятность нериадиативного перехода и уменьшая время жизни.

Практическое значение времени жизни

Время жизни флуоресценции позволяет:

• различать молекулы с близкими спектрами по их динамике;
• оценивать микроокружение молекул, включая вязкость и полярность;
• проводить количественные измерения в биохимических и медицинских приложениях (например, ФЛИМ — флуоресцентная микроскопия с временным разрешением).

Особенности многокомпонентных систем

В смесях или белковых матрицах флуорофоры могут иметь несколько компонент времени жизни. Наблюдаемое затухание описывается суммой экспонент:

[ I(t) = _i _i , e^{-t/_i}]

где ( _i ) — доля каждой компоненты. Анализ таких систем требует деконволюции сигналов и позволяет выделять различные молекулярные состояния.

Время жизни возбужденного состояния является фундаментальным параметром, отражающим как внутренние свойства молекулы, так и её взаимодействие с окружающей средой, и служит ключевым инструментом для анализа динамики флуоресценции в химии и смежных науках.