Лабораторная работа № 1. Изучение спектров поглощения и люминесценции сложных молекул

Целью работы является освоение универсальной люминесцентной установки, методик регистрации спектров люминесценции, возбуждения, экспериментальная проверка основных закономерностей для спектров поглощения и испускания сложных молекул в растворах.

Задание:

1. Приготовить растворы требуемых для проведения измерений спектров концентраций органического красителя родамин 6Ж в этиловом (либо пропиловом, изопропиловом) спирте.

2. Измерить спектр поглощения раствора.

3. Измерить спектр люминесценции. Обосновать выбор концентрации, длины волны возбуждения, скоростей сканирования, ширин щелей монохроматоров возбуждения и люминесценции.

4. Получить исправленные с учетом спектральной чувствительности спектры люминесценции. Преобразовать спектры поглощения и люминесценции к виду, позволяющему анализировать выполнимость зеркальной симметрии. Представить спектры графически, найти частоту 0-0-перехода, сделать заключение о выполнимости правила зеркальной симметрии для исследуемого объекта.

5. Проверить выполнимость универсального соотношения Степанова. Определить из анализа спектров температуру, сопоставить с температурой опыта.

Методические рекомендации

1. При выборе концентрации для проведения люминесцентных измерений следует иметь в виду, что хотя, на первый взгляд, более высокие концентрации должны обеспечивать больший уровень сигнала, при высоких концентрациях может иметь место ряд осложнений, искажающих результаты измерений.

Так, возможно формирование в растворе ассоциатов (димеров, тримеров и т.д.) из молекул красителя. Ассоциаты имеют спектры, существенно отличающиеся от спектров индивидуальных (как их обычно называют, мономерных) молекул.

При высоких концентрациях и, соответственно, высоких оптических плотностях образца, могут возникать проблемы, связанные с ослаблением возбуждающего света по мере прохождения его через слой раствора. В результате различные области люминесцирующей кюветы с красителем будут иметь различную интенсивность свечения. Предлагается оценить, насколько сильным может быть указанный эффект, задавшись величиной коэффициента экстинкции ε для красителя родамин 6Ж в максимуме в 10⁵ л/Моль·см и концентрацией 10^-4Моль/л на длине пути возбуждающего света в растворе порядка размеров кюветы (1 см). Т.к. обычно в люминесцентной установке свет регистрируется не со всего объекта, а с некоторого его участка, проецируемого светособирающей оптикой на входную щель монохроматора люминесценции, очевидно, что сильная неоднородность свечения образца сделает результаты измерений экстремально чувствительными к юстировке кюветы и т.п. Предлагается оценить концентрацию, при которой обсуждаемая проблема практически не проявится.

За счет перекрывания спектров поглощения и люминесценции при высоких концентрациях возможна реабсорбция (перепоглощение) света люминесценции молекулами вещества, находящимися между излучающей молекулой и системой регистрации. Реабсорбция имеет спектрально-селективный характер, т.е. перепоглощается в большей степени коротковолновая часть спектра люминесценции, перекрытая со спектром поглощения. Регистрируемый спектр люминесценции в результате оказывается искаженным. (Иногда обсуждаемое искажение называют эффектом внутреннего фильтра). Картина дополнительно усложняется за счет вторичной люминесценции молекул, возбудивщихся в результате поглощения света люминесценции других молекул.

Предлагается обсудить проявление указанных эффектов при различных геометриях возбуждения и светосъема люминесценции.

2. Величина отклика системы регистрации флуоресценции на излучение одной и той же интенсивности обычно различна для различных длин волн, т.е. спектральная чувствительность установки α(ν) ≠ const. Причиной этого является зависимость от длины волны чувствительности фотоприемника, а также пропускания монохроматора люминесценции. В результате зависимость сигнала на выходе регистрирующей системы люминесцентной установки от частоты (т.е. регистрируемый, или аппаратурный спектр люминесценции I_ап (ν)) по форме не совпадает с истинным спектром люминесценции I (ν), и можно записать:

I_ап (ν)= α(ν) I (ν). (1.1)

Калибровка люминесцентной установки по спектральной чувствительности производится путем регистрации спектра источника с известным спектральным распределением интенсивности и нахождения α(ν) из соотношения (1.1).

Применяемая в настоящей работе универсальная установка прокалибрована, результаты представлены в виде файла, табулирующего функцию κ(λ), обратную α(ν), причем исходно калибровка сделана для представления спектра не в виде спектра мощности испускания, а в квантовых единицах, т.е. для нахождения спектра мощности люминесценции необходимо выполнить процедуру, даваемую соотношением:

(1.2)

3. В самом простом варианте частоту чисто электронного перехода приближенно можно отождествить с точкой пересечения зеркально симметричных спектров поглощения и испускания. Однако могут иметь место ситуации, в которых частота чисто электронного перехода в спектре испускания и в спектре поглощения не совпадают. Такое несовпадение автоматически подразумевает различие схем уровней энергии для молекулы в момент поглощения и в момент испускания. Реорганизация системы уровней энергии в молекуле может являться результатом структурной перестройки молекулы после ее перевода в возбужденное состояние (например, изомеризации). Другая часто встречающаяся причина – структурная реорганизация микроокружения молекулы после перехода в возбужденное состояние, которая приводит к сдвигам энергетических уровней основного и возбужденного состояний.

В случае соединений со структурными спектрами частоты чисто электронных переходов в поглощении и испускании обычно отождествляют с частотами наиболее длинноволонового и коротковолнового вибронных максимумов соответствующих полос (0-0 переходы).

Определение величин и по спектрам, лишенным колебательной структуры, проводится с использованием косвенных методов.

Можно показать, что контуры зеркально-симметричных полос поглощения и испускания ряда сложных молекул могут быть соответственно представлены как произведения множителей и функции , симметричной относительно . Тогда кривую можно рассчитать, используя экспериментальные спектры поглощения и испускания, изображаемые в координатах и , по формулам

, (2.4)

. (2.5)

Частоты электронных переходов в поглощении и испускании и определяются графически по максимумам симметричных кривых и . Используются и другие методы.

Контрольные вопросы

1. Указать на схеме уровней энергии молекулы, за счет каких переходов формируется область спектра флуоресценции с частотами, большими частоты чисто электронного перехода. Как должна изменяться интенсивность в этой области с изменением температуры?

2. Как изменяется спектр люминесценции при переходе от возбуждения в полосе поглощения S₀→S₁ к возбуждению в полосе S₀→S₂ ?

3. Условия выполнимости универсального соотношения Б.И.Степанова.

4. Что требуется для выполнения зеркальной симметрии спектров поглощения и флуоресценции?

5. Какими факторами определяется зависимость чувствительности люминесцентной установки от длины волны?

6. Как соотносятся формы спектра поглощения и спектра возбуждения люминесценции? Какие условия должны быть выполнены, чтобы эти формы совпадали?

7. Почему вторичная люминесценция не компенсирует искажения в спектре флуоресценции, вызванные реабсорбцией?

8. Чем определяется расстояние между максимумами спектров флуоресценции и фосфоресценции?

9. Как изменяется с температурой интенсивность термически активированной замедленной флуоресценции?

10. Почему для выполнения зеркальной симметрии спектры люминесценции и поглощения представляют в координатах и соответственно?