Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Излучательная релаксация высоких электронно-возбужденных состояний молекул 38
1.1. Ступенчатое двухквантовое возбуждение высоких электронных состояний молекул 39
1.2. Кинетика двухквантового ступенчатого возбуждения 43
1.3. Флуоресценция из высоких синглетных состояний сложных молекул 57
1.4. Флуоресценция из высоких триплетных состояний сложных молекул 69
Глава 2. Интеркомбинационная конверсия из высоких триплетных состояний сложных молекул 73
2.1. Флуоресценция сложных молекул, активированная триплет-триплетным возбуждением 74
2.2. Флуоресценция ксантеновых красителей при ступенчатом двухбайтовом возбуждении через нижнее триплетное состояние ... 79
2.2.1. Спектрально-люминесцентные свойства ксантеновых красителей 80
2.2.2. Сечения поглощения из возбужденных состояний молекул ксантеновых красителей 85
2.2.3. Флуоресценция, активированная возбуждением молекул красителей в полосе поглощения 91
2.3. Фотохромные превращения в окрашенных полимерах при двухквантовом возбуждении 101
2.4. Влияние внутреннего и внешнего тяжелого атома на эффективность интеркомбинационных переходов из высоких триплетных состояний сложных молекул 113
Глава 3. Безызлучательная релаксация высоких электронно-возбужденных состояний сложных молекул в конденсированных средах 120
3.1. Термоактивация замедленной флуоресценции многоатомных молекул лазерным импульсом 121
3.2. Кинетика замедленной флуоресценции красителей в полимерах при импульсном локальном нагреве 131
3.2.1. Температурное поле изолированных тепловых центров и кинетика сигнала термостимулированной замедленной флуоресценции 134
3.2.2. Кинетика замедленной флуоресценции при кластерном распределении люминесцентных зондов и тепловых источников 136
3.3. Лазерное термоинициирование аннигиляции электронных возбуждений в конденсированных средах 139
3.4. Аннигиляционная люминесценция органических молекул при ступенчатом возбуждении 148
Глава 4. Интеркомбинационная конверсия из высоких синглетных состояний многоатомных молекул 159
4.1. Интеркомбинационная конверсия из высоких синглетных состояний многоатомных молекул 160
4.2. Интерконверсия из высоких синглетных состояний молекул органических красителей 164
4.3. Зависимость эффективности интеркомбинационной конверсии из высоких синглетных состояний молекул от энергии возбуждения 171
4.4. Тушение высоких триплетных состояний органических молекул, заселяемых в результате интеркомбинационной Sn—>Tm конверсии 174
Глава 5. Перенос энергии с высоких электронно-возбужденных уровней молекул 182
5.1. Перенос энергии с высоких электронно-возбужденных уровней многоатомных молекул 184
5.1.1. Перенос энергии с высоких синглетных уровней 184
5.1.2. Перенос энергии с высоких триплетных уровней 187
5.2. Кинетика двухквантового возбуждения акцепторов в конденсированной среде 191
5.3. Связывание органических красителей с макромолекулами 206
5.3.1. Взаимодействие акридиновых, тиазиновых и трифенилме-тановых красителей с ДНК 208
5.3.2. Определение размеров наноструктур методом углового рассеяния 221
5.4. Фотомодификация нуклеиновых кислот с помощью слабо связанных хромофоров 226
5.5. Фотомодификация макромолекул ДНК с помощью несвязанных красителей 233
Глава 6. Экспериментальные методы исследования свойств электронно-возбужденных состояний сложных молекул 238
6.1 Установка для измерения кинетики затухания наведенного поглощения и просветления образцов 239
6.2 Установка для измерения длительной люминесценции сложных молекул 242
6.3. Средства автоматизации экспериментальных исследований... 245
6.4. Голографическая установка 258
6.5 Атомно-силовой микроскоп 261
Основные результаты и выводы 267
Заключение 273
Список использованной литературы 275
- Флуоресценция из высоких синглетных состояний сложных молекул
- Сечения поглощения из возбужденных состояний молекул ксантеновых красителей
- Кинетика замедленной флуоресценции красителей в полимерах при импульсном локальном нагреве
- Интерконверсия из высоких синглетных состояний молекул органических красителей
Введение к работе
-
Актуальность проблемы
Интенсивное лазерное излучение и кванты высокой энергии широко применяются для возбуждения молекул среды при решении различных исследовательских и прикладных задач в оптике, химической физике, квантовой электронике, биофизике и других областях науки. При таких воздействиях на вещество значительная доля поглощаемой энергии неизбежно трансформируется через высокие электронно-возбужденные состояния (ВЭВС) молекул. Специфика энергообмена с окружением в ходе дезактивации ВЭВС примесей, в свою очередь, во многом предопределяет первичные физико-химические процессы, происходящие в конденсированных средах. В этой связи важное значение приобретает комплексное исследование особенностей релаксации ВЭВС молекул. Информация об эффективности конкурирующих каналов релаксации ВЭВС необходима как для выявления закономерностей внутримолекулярных процессов, так и описания реакций, инициированных этими процессами в средах с различной структурной организацией.
Особого внимания заслуживают явления с участием ВЭВС многоатомных молекул, заселяемых в результате нелинейного фотовозбуждения. Принципиальная важность нелинейного возбуждения состоит в том, что можно передать молекуле значительную энергию и селективно перевести ее в заданное квантовое состояние. Молекулы, находящиеся в различных электронно-возбужденных состояниях имеют разное время жизни, отличаются реакционной способностью, эффективностью обмена энергией с окружением и т.д. Таким образом, нелинейное фотовозбуждение позволяет инициировать прогнозируемые фотопроцессы.
Обоснованием актуальности изучения процессов с участием ВЭВС молекул служат реальные перспективы применения полученных результатов при создании элементной базы оптоэлектроники, совершенствовании люминесцентных датчиков и сенсоров, разработке методов считывания и ввода сигналов в биополимерные структуры, в оптической записи информации, при проектировании лазеров на сложных органических соединениях, в современных биомедицинских технологиях.
Несомненный научный и практический интерес представляет лазерная модификация биополимеров, обусловленная безызлучательной релаксацией ВЭВС адресованных хромофоров. Локальная фото деструкция полимеров (денатурация макромолекул, фрагментация полимерных непей и др.), осуществ-
ляется через высоковозбужденные состояния лигандов, селективно связанных с данным типом макромолекул или местом в первичной структуре полимерной цепи. Использование адресованных хромофоров позволяет детально исследовать молекулярные механизмы реакций, сенсибилизированных воздействием внешних излучений на вещество. Эффективность фотопревращений зависит от состава, строения и упаковки полимерных цепей и дает информацию о структуре полимеров. Особое значение имеют названные фотопроцессы в биологически важных макромолекулах - нуклеиновых кислотах и белках. Практически любая модификация компонентов нуклеиновых кислот сопровождается изменениями в метаболизме клетки и ее генетических свойств. Следует также иметь в виду реальную возможность пространственно локализованной адресной модификации биополимеров in vivo. В этой связи актуальной является задача поиска оптимальных фотосенсибилизаторов реакций, обеспечивающих высокую эффективность оптического воздействия на вещество и отвечающих основным требованиям по физико-химическим, биологическим и технологическим критериям.
Среди прочих каналов релаксации ВЭВС многоатомных молекул наименее изучены прямые и обратные интеркомбинационные переходы между синг-летными и триплетными состояниями. Ценность сведений об эффективности интерконверсии из ВЭВС в том, что этот процесс заметно влияет на динамику заселенности различных энергетических уровней молекул при возбуждении интенсивным лазерным излучением. Учет интеркомбинационной конверсии необходим для выявления доминирующего канала поглощения, а, следовательно, определения квантового состояния, через которое преимущественно будут реализованы фотореакции при заданных условиях облучения.
Установление механизмов превращения энергии, запасенной молекулами при переходе в высокие электронные состояния, и определение закономерных связей между конкурирующими каналами релаксации, позволяет избирательно управлять процессами в молекулярных системах для целенаправленного изменения их свойств и характеристик.
Цель работы
Цель настоящей работы - установление общих закономерностей релаксации высоких электронно-возбужденных состояний многоатомных молекул при различных условиях фотовозбуждения и определение особенностей реакций, инициированных этими релаксационными процессами в средах с различной структурной организацией.
Методы исследования
Основные экспериментальные результаты, представленные в работе, получены при изучении кинетики затухания замедленной флуоресценции, фосфоресценции и наведенного поглощения сложных молекул при ступенчатом двухквантовом возбуждении через промежуточные нижние электронно-возбужденные синглетные и триплетные состояния. На разных стадиях исследований использовались методы спектрофотометрии и флуориметрии, динамической голографии, зондовой сканирующей атомно-силовой и туннельной микроскопии.
Научная новизна
-
На примере галогензамещенных флуоресцеина впервые показано, что обратная Tm—*Si интеркомбинационная конверсия (ИКК) из высоковозбужденных триплетных в синглетные состояния может не только успешно конкурировать с другими возможными переходами, но и быть основным каналом релаксации ВЭВС многоатомных молекул. Предложен метод и определены значения квантовых выходов процесса обратной 7,,,-+51 интерконверсии для молекул различных органических соединений. Исследованы особенности флуоресценции, активированной заселением высоких триплетных уровней сложных молекул в различных средах. Обнаружено и исследовано проявление эффектов возмущающего действия внутреннего и внешнего тяжелого атома на интеркомбинационные переходы из высоких триплетных в синглетные состояния молекул органических красителей.
-
Получены экспериментальные данные, свидетельствующие о локальном разогреве среды, обусловленном безызлучательной дезактивацией ВЭВС молекул. Изучены особенности кинетики термостимулированной замедленной флуоресценции в условиях кратковременного импульсного нагрева окрашенной среды. За счет локальной гипертермии макромолекул в результате тепловыделения при безызлучательной дезактивации ВЭВС связанных хромофоров, осуществлена адресная денатурация биополимеров и изучены конформацион-ные изменения полимерных цепей под влиянием локальных температурных полей.
-
Обнаружена эффективная ИКК из высоких синглетных в триплетные состояния многоатомных молекул. Определены значения величин квантовых выходов этого процесса для молекул ксантеновых красителей. Исследована зависимость квантового выхода интерконверсии из высоких синглетных состояний от энергии кванта, возбуждающего молекулы в полосе S\—>Sn погло-
щения, при двухквантовом ступенчатом возбуждении через нижний синглет-ный уровень. Показано, что в конденсированных средах интеркомбинационные переходы осуществляются с термализованных колебательных подуровней данного электронного состояния, а эффективность ИКК увеличивается с ростом энергии Sa уровня.
4. Изучена кинетика двухквантового нелинейного возбуждения молекул
через промежуточные электронные уровни. Рассмотрена динамика заселенно
сти различных энергетических состояний органических молекул при возбуж
дении интенсивным (насыщающим) лазерным излучением. С учетом прямых и
обратных интеркомбинационных переходов между нижними Si<-»7"i и высоки
ми Sa*-*Tm электронными состояниями для различных органических соедине
ний определены доминирующие каналы (синглетные или триплетные) погло
щения возбуждающего излучения.
-
Исследовано взаимодействие органических красителей различных классов с нуклеиновыми кислотами. Показано, что в результате самоорганизации лигандов при кооперативном связывании с полианионами, на внешней стороне двойной спирали за счет слабых межмолекулярных взаимодействий образуются и сохраняют устойчивость наноструктуры определенной формы и размеров. С целью оптимизации режимов синтеза наноструктур определены критические концентрации самоагрегации молекул в растворах полианионов, исследована зависимость степени связывания от ионной силы растворов и его состояния (температуры, давления, рН и др.), ингибирование связывания ионами различных металлов и зависимость константы диссоциации от типа иона. Оценено количество молекул красителей в первичных субмикронных структурах, исследовано распределение образующихся структур вдоль двойной спирали ДНК и их слияние в более крупные агрегаты. Сделан вывод об инактивации нуклеиновых кислот связанными красителями за счет стерического экранирования формирующимися структурами.
-
Экспериментально и теоретически исследован межмолекулярный перенос энергии электронного возбуждения с участием ВЭВС. Изучена кинетика двухквантового ступенчатого возбуждения молекул-доноров, находящихся в конденсированной среде акцепторов. Определена эффективность переноса энергии с Sa и Тт уровней доноров и для различных соединений оценен вклад каждого канала в возбуждение акцепторов при заданных условиях облучения.
7. Исследованы процессы фотомодификации биополимеров в растворах,
сенсибилизированных органическими красителями, интенсивным лазерным
излучением. Осуществлено селективное лазерное разрезание макромолекул
нуклеиновых кислот в растворах и изучены молекулярные механизмы явления. Показано, что первичным процессом фрагментации полимерных цепей с помощью слабо связанных хромофоров является безрадиационный синглет-синглетный перенос энергии с высоких уровней хромофоров на акцептор. Фо-тосенсибилизированная генерация химически активных форм молекулярного кислорода несвязанными люминофорами также приводит к деструкции полимерных цепей. На основании полученных данных сделан вывод о том, что предварительное связывание красителя с субстратом, в общем, не является необходимым условием фотодинамического действия.
Практическая значимость результатов
-
Накопленные нами результаты многолетних исследований фотохррм-ных превращений в окрашенных полимерах, происходящих в результате последовательных So—>S\ и Т\—*Тт переходов, могут быть положены в основу разработки важных элементов оптоэлектронных устройств - модуляторов и коммутаторов световых потоков. Управляемое внешним воздействием обратимое изменение цвета вещества, возникающее вследствие перераспределения его поглощательной способности при фотовоздействии, позволит достичь высокой скорости и практически неограниченного числа циклов переключения.
-
Многократное усиление интенсивности флуоресценции люминофоров, обусловленное обратной ИКК из высоких триплетных в синглетные состояния молекул, нашло применение при разработке датчика бесконтактного определения концентрации кислорода в жидкостях и газовых смесях (А.с. "Способ определения концентрации кислорода в жидкостях и газах" SU 17/2839 А1, G01 № 21/64 Регистрационный № 4734087/25 от 15.02.92 г.).
-
Предложенный в работе метод обнаружения и исследования особенностей локального нагрева среды за счет безызлучательной релаксации ВЭВС молекул люминофоров, открывает возможности получения новой информации о формировании и распространении тепловых фронтов в конденсированных средах. Экспериментальные данные, получаемые при исследовании кинетики затухания замедленной флуоресценции молекул добавок, в условиях кратковременного нагрева образцов импульсом лазерного излучения, позволяют ко-' личественно оценивать термодинамические характеристики среды.
4. Результаты исследования взаимодействия органических молекул с
нуклеиновыми кислотами могут быть использованы в биологии и медицине
для контрастирования биообъектов, в диагностических и терапевтических це
лях. Установленные закономерности существенно облегчат поиск оптималь-
ных фотосенсибилизаторов физико-химических процессов в биосистемах. Сведения о теплофизических свойствах связанных макромолекулами наноструктур окажутся полезными при использовании их в качестве микротеплогенераторов и сенсоров в современных биомедицинских технологиях.
-
Лазерная фотомодификация окрашенных макромолекул, характеризующихся специфической организацией, дает важную информацию для фотофизики и фотохимии полимеров, биофизики и молекулярной биологии. Селективное поражение лазерным излучением макромолекул в присутствии органических красителей, положено в основу современного, относительно безвредного метода фотодинамической терапии. Полученные нами сведения о лазерном локализованном воздействии на макромолекулы с помощью синтезированных наноструктур, несомненно, будут полезными при совершенствовании данного метода терапии.
-
Сведения о процессах с участием ВЭВС многоатомных молекул, внедренных в полимерные пленки, важны для выяснения механизмов топографической записи информации (Регистрирующая среда для записи голограмм. Патент на изобретение № 2000102251/28 (002193) от 19.10.2001 г.).
-
Подученные в работе результаты найдут применение при расчетах и разработке оптических квантовых генераторов на сложных молекулах, так как окрашенные полимерные материалы являются перспективными средами для конструирования лазеров.
Публикации
Основные результаты проведенных исследований опубликованы в 59 печатных работах. В перечне опубликованных работ 30 статей в центральных отечественных и международных журналах, рецензируемых научных сборниках и материалах конференций, патент и авторское свидетельство об изобретении, 29 тезисов докладов на международных, всесоюзных и республиканских конференциях.
Апробация работы
Результаты диссертационного исследования докладывались на 30 научных конференциях, совещаниях и симпозиумах, из которых 23 - международного уровня. Основные результаты работы обсуждались на: X Всесоюзной конференции "Кинетика и механизмы химических реакций в твердом теле", (Черноголовка, 1989 г.), I Всесоюзной конференции "Полимерные органические полупроводники и регистрирующие среды на их основе" (Киев, 1989 г.), П Республиканской конференции "Физика твердого тела и новые области ее
применений" (Караганда, 1990 г.), The 3-rd International Conference on Laser Scattering Spectroscopy and Diagnostics of Biological Objects LALS-90 (Moscow, USSR, 1990), Всесоюзной конференции "Органические люминофоры и их применение в народном хозяйстве" (Харьков, 1990 г.), Всесоюзной конференции с международным участием "Релаксационные явления и свойства полимерных материалов" (Воронеж, 1990 г.), Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991 г.), 1 Международном Совещании "Физика, химия и технология полимеров" (Ставрополь, 1992 г.), Международном Симпозиуме по фотохимии и фотофизике молекул и ионов, посвященному 100-летию со дня рождения А.Н. Теренина (Санкт-Петербург, 1996 г.), Международной научно-практической конференции "Инновационные процессы в образовании, науке и экономике России на пороге XXI века", (Оренбург, 1998 г.), International Conference on Optoelectronic Information Technologies "Photonics-ODS 2000", (Vinnitsya, Ukraine, 2000 г.), Международном оптическом конгрессе "Оптика XXI век", конференция "Фундаментальные проблемы оптики", (Санкт-Петербург, 2000 г.), Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию КГТУ (Калининград, 2000г.), 8th International Conference on Laser Applications in Life Sciences LALS-2000, (Tokyo, Japan, 2000 г.), Third International Conference "Electronic Processes in Organic Materials" (ICEPOM-3) (Kharkiv, Ukraine, 2000 г.), ХП симпозиуме "Современная химическая физика'" (Туапсе, 2000 г.), Международной научно-практической конференции, посвященная 30-летию ОГУ (Оренбург, 2001 г.), VII Международная конференция "Лазерные и лазерно-информационные технологии: фундаментальные проблемы и приложения", (Суздаль, 2001 г.), XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO-2001), (Minsk, Belarus, 2001 г.), Международной конференции "Оптика, оптоэлектроника и технологии О2Т-2001", (Ульяновск, 2001 г.), V Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул", (Томск, 2001 г.), Международном форуме "Инновации - 2002", (Оренбург, 2002 г.), XVII Международной конференции "Уравнения состояния вещества", (п. Эльбрус, 2002 г.), Conference on Laser, Applications, and Technologies LAT - 2002, (Moscow, Russia, 2002 г.), International Quantum Electronic Conference IQEC -.2002, (Moscow, Russia, 2002 г.), П Международном симпозиуме "Молекулярный дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур" (Казань, 2002 г.), Международной конференции "Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии", (Кисловодск, 2002 г.), IV Международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - 2002" (Москва, 2002 г.), Международной кон-
ференции "Лазеры. Измерения. Информация", (Санкт-Петербург, 2002 г. и 2003 г.)
Основные защищаемые положения
-
В сложных, галогенсодержащих молекулах, одним из основных каналов релаксации высоковозбужденных триплетних состояний является обратная интеркомбинационная конверсия в синглетные состояния. Триплет-синглетная интерконверсия, следующая за возбуждением молекул в полосе электронного триплет-триплетного поглощения, приводит к возникновению S\—*So флуоресценции. Присутствие тяжелых атомов в структуре молекулы (внутренний тяжелый атом) или в среде (внешний тяжелый атом) повышает эффективность интеркомбинационных переходов из высоковозбужденных триплетних в синглетные состояния.
-
Безызлучательная дезактивация высоковозбужденных состояний молекул сопровождается локальным разогревом конденсированных сред. По кинетике затухания замедленной флуоресценции молекул добавок при кратковременном нагреве образцов импульсом лазерного излучения можно получать информацию о формировании и режимах распространения тепловых фронтов и количественно оценивать термодинамические характеристики среды.
-
В многоатомных молекулах существует эффективная интеркомбинационная конверсия из высоких электронно-возбужденных синглетных в три-плетные состояния. В конденсированных средах интеркомбинационные переходы осуществляются с термализованных колебательных подуровней данного электронного уровня. Квантовый выход интерконверсии увеличивается с ростом энергии S„ состояния. В сложных молекулах, содержащих в своем составе тяжелые атомы галогенов, интеркомбинационная конверсия - основной канал релаксации высоких синглетных состояний.
-
В конденсированных средах возможен прямой безызлучательный перенос энергии фотовозбуждения с высоких синглетных и триплетных уровней \ доноров на акцепторы без промежуточного участия молекул среды. Доминирующий канал сенсибилизированного заселения акцепторов определяется взаимным расположением реагентов, условиями селективного возбуждения и эффективностью интеркомбинационных переходов между ВЭВС в молекулах доноров.
-
Облучение растворов окрашенных полимеров интенсивным лазерным излучением видимого диапазона сопровождается фотомодификацией макромолекул. Первичным процессом фрагментации полимерных цепей с помощью
связанных хромофоров является безрадиационный перенос энергии с высоких электронных уровней хромофоров на акцептор. Фотосенсибилизированная генерация химически активных форм молекулярного кислорода несвязанными люминофорами также приводит к деструкции полимерных цепей. Предварительное связывание красителя с субстратом не является необходимым условием фотодинамического действия красителей.
Флуоресценция из высоких синглетных состояний сложных молекул
Заселение высших синглетных Sn состояний молекул с использованием фотонов высоких энергий, в результате поглощения которых реализуются - частота перехода S0-+Sn), позволяет уверенно изучать только сравнительно долгоживущие состояния Sn (TS 1 пс) с квантовым выходом свечения 10 3 [1]. У большинства же веществ квантовый выход люминесценции из высоковозбужденных состояний много меньше 10"3, что затрудняет ее регистрацию на фоне свечения примесей и рассеянного света. Прием повышения интенсивности полезного сигнала путем увеличения концентрации люминофоров не всегда приводит к успеху. Причиной тому может быть перепоглощение люминесценции, в результате чего уменьшается интенсивность сигнала и изменяется форма спектра излучения. При больших концентрациях многие вещества имеют тенденцию к самоагрегации с образованием ассоциатов, спектральные характеристики которых отличны от мономеров. Наконец, растворимость многих веществ в различных растворителях ограничена.
Прямое So—+Tm возбуждение высоких триплетных состояний молекул запрещено правилами отбора. Поэтому, при исследовании свойств как синглетных, так и триплетных ВЭВС многоатомных молекул предпочтительней использовать метод ступенчатого возбуждения через промежуточный электронный уровень.
Ступенчатое двухквантовое возбуждение высоких электронных состояний сложных молекул впервые было реализовано Галаниным с сотрудниками [2-3]. Для заселения Sn состояний родамина 6Ж использовались вторая гармоника и основная частота излучения неодимового лазера, индуцирующие соответственно переходы So— S\ и S\—+Sn. Зарегистрирована флуоресценция родамина 6Ж из высоковозбужденных синглетных состояний с квантовым выходом — 10"5. Метод ступенчатого двухквантового возбуждения теперь широко используется для изучения свойств высоких синглетных состояний молекул красителей [4-6], ароматических углеводородов [7-9] и других многоатомных молекул [10-14].
Ступенчатое двухквантовое возбуждение ВЭВС молекул, используемое в настоящей работе, нелинейный процесс. Принципиально важно именно нелинейное возбуждение, позволяющее передать молекуле значительную энергию и селективно перевести ее в заданное квантовое состояние. Поэтому, целесообразно определить значение термина "нелинейное возбуждение" и классифицировать различные типы заселения ВЭВС молекул.
В работе будет использована терминология и классификация типов селективного фотовозбуждения молекул, предложенная Летоховым [15]. Нелинейность возбуждения означает возможность поглощения молекулой двух или большего числа фотонов, вероятность которого по своей природе зависит от интенсивности излучения нелинейно. Различные способы нелинейного фотовозбуждения молекул схематически представлены на рис. 1.1.
Заданное квантовое состояние может быть достигнуто за счет поглощения молекулой двух фотонов hvl и hv2 через реальный промежуточный колебательный (рис 1.1, а) или электронный (рис 1.1,6) уровень. Частоты лазерного излучения должны быть в точном резонансе с последовательными переходами. Возбуждающие импульсы могут подаваться как одновременно, так и последовательно друг за другом, но с задержкой не превышающей времени жизни промежуточных состояний. Такой способ заселения высоких электронных состояний молекул будем называть ступенчатым двухквантовым возбуждением. Вследствие сложной квазивырожденной структуры уровней многоатомных молекул в промежуточном электронном состоянии, а также из-за наличия различных внутри- и межмолекулярных механизмов релаксации, фазовая память системы в промежуточном состоянии теряется весьма быстро. Это позволяет рассматривать ступенчатый двухквантовый процесс как некогерентный и описывать его скоростными уравнениями.
Селективное заселение высоколежащих колебательных и даже возбужденных электронных состояний возможно за счет многократного поглощения молекулой фотонов одной частоты, как правило, ИК диапазона (рис 1.1, в). Такой способ заселения квантовых состояний называют многофотонным возбуждением. Заметим, что многофотонное возбуждение возможно не только через реальное, но и виртуальное промежуточное квантовое состояние. В данном случае условию резонанса должна удовлетворять только суммарная энергия фотонов. Для реализации многофотонного возбуждения лазерные импульсы должны подаваться на образец одновременно, т.е. здесь более жесткие условия задержки между импульсами. Вероятность многофотонного перехода критически зависит от расстройки AE = hAv энергии виртуального и реального промежуточных уровней. Так, вероятность двухфотонного перехода W вдали от насыщения зависит от АЕ следующим образом [16]: где Г- однородная полуширина перехода. Поэтому, часто используется возбуждение с почти резонансным промежуточным состоянием, когда вероятность двухфотонного процесса сильно возрастает. Такой случай возбуждения является промежуточным между многофотонным и ступенчатым. Строго говоря, различить их можно, только принимая во внимание скорость релаксации когерентности промежуточного квантового состояния и сравнивая ее со скоростью возбуждения [17]. Однако такое различие имеет определенное значение для спектроскопии, но совершенно не существенно для лазерной фотохимии и фотофизики, где промежуточный случай возбуждения является довольно типичным.
В большей части экспериментов, представленных в данной работе, использовался метод двухквантового ступенчатого возбуждения молекул через реально возбужденное электронное синглетное или триплетное состояние под действием двух лазерных импульсов с частотами vx и v2.
Сечения поглощения из возбужденных состояний молекул ксантеновых красителей
Анализ электронно-колебательных уровней в молекулах люминофоров (см. рис. 1.2) приводит к выводу о том, что можно наблюдать множество процессов поглощения и излучения, связанных с переходами между различными электронными состояниями. Практически же, для большинства органических молекул в конденсированных средах выполняется правило Каша [32], согласно которому из всех электронных уровней данной мультиплетности наиболее вероятным излучающим, является нижний возбужденный уровень. Это значит, что за люминесценцию ответственны электронные переходы ИЗ СОСТОЯНИЙ S\ и Т\, независимо оттого, какие состояния возбуждаются при поглощении кванта света молекулой. Эмпирическое правило Каша, является отражением закона Вавилова [33-35], согласно которому в растворах спектры и квантовый выход люминесценции не зависят от длины волны возбуждающего света. Данный закон обусловлен тем, что в конденсированной среде возникают значительные взаимодействия между сталкивающимися или просто сблизившимися молекулами, причем они происходят многократно за излучательное время жизни данного возбужденного состояния. При этих взаимодействиях энергия может переноситься от одной молекулы к другой и в результате таких неупругих столкновений, до момента испускания, независимо от энергии возбуждающего кванта, устанавливается равновесное распределение молекул по колебательным уровням возбужденного электронного состояния.
Большая скорость безызлучательных переходов с неустойчивых высоких синглетных состояний в устойчивое люминесцентное S\ состояние, существенно затрудняющая регистрацию свечения, соответствующего оптическим переходам Sn— Sm (m n), во многом определяется внутримолекулярными параметрами и прежде всего величиной энергетического интервала ЬЕпп_х между соседними электронными уровнями. Как известно [36-37], скорость дезактивации высоковозбужденных электронных состояний Кпт определяется выражением где Le- электронный матричный элемент оператора неадиабатичности, F-фактор Франка-Коидона акцептирующих колебаний, р- плотность колебательных уровней состояния Ет при значении колебательной энергии, равной Е„ -Ет. При сильной связи между колебательными состояниями, величина Кпт возрастает приблизительно по экспоненциальному закону при понижении энергетического интервала АЕпт в основном за счет увеличения фактора Франка -Кондона [37]. В связи с тем, что наблюдаются сильные зависимости Кпт от АЕпт основным каналом безызлучательной дезактивации высоковозбужденных состояний является внутренняя конверсия в нижележащие электронные состояния, скорость которой определяется энергетическим интервалом АЕпп_і [1]. Вместе с тем, в [38] теоретически показано, что в ситуации близкого расположения электронных Sn и Sm синглетных ятг состояний имеет место торможение процесса внутренней Sn— Sm конверсии. Значение Кпт при АЕ сор (й)р- частота промотирующей моды) будет малым по сравнению с Кпт при АЕ сор. Это должно приводить к принципиальному изменению зависимости Кпт от АЕпт при сближении электронных состояний Sn и Sm: рост Кпт с уменьшением АЕпт должен сменяться падением Кпт при АЕ сор. Таким образом, величина энергетического интервала определяет многие свойства высоких возбужденных электронных состояний.
Первыми соединениями, для которых была обнаружена и убедительно доказана Sz— So флуоресценция, являются азулен и некоторые его производные [39-40]. Ультрафиолетовая полоса поглощения азулена подобна полосе поглощения ароматических углеводородов, но кроме нее у азулена есть слабая полоса поглощения в красной области спектра. Возбуждение этанольных растворов азулена во второй, т.е. ультрафиолетовой (Лвозб =313 нм) полосе поглощения приводит к испусканию флуоресценции в области 330 нм, близкой к зеркальному отражению второй полосы поглощения. Несмотря на ряд попыток [39-40], испускание, отвечающее первой полосе поглощения, не удалось зарегистрировать даже при низких температурах. Поскольку энергетический интервал AES s велик ( 14000 см"1), то интенсивную S2— So флуоресценцию авторы объясняли аномально малой вероятностью .%—»i внутренней конверсии.
В настоящее время надежно измерены спектры S\— So и S2— S0 флуоресценции азулена [41-42]. В [41] исследованы пары азулен- /0 и азулен- и определены скорости внутренней конверсии .%— SQ с нулевых колебательных уровней, равные 2.2-10 с и 1.0-10 с соответственно. При этом, константа KSISQ 10й с 1. В [42] изучены спектры оптического перехода S\—+So молекул азулена в молекулярной струе Не. Определена истинная однородная спектральная ширина полосы 0-0 перехода S\—»5Ь ( 5.5 см 1) соответствующая скорости внутренней конверсии 1.0-1012 с"1. Спектральная ширина вибронных полос перехода Si— So, в тех же условиях, -1.0-1.5 см 1. Как видно, скорости конверсии из состояний Si и S\ различаются между собой примерно на три порядка величины, что и определяет люминесцентные характеристики данного соединения - хорошо регистрируемое излучение из состояния S2 и очень слабое свечение из состояния S\. Квантовый выход.%— -So флуоресценции и время жизни «% состояния соответственно равны Ps2sQ= 0.03 [43] и rs = 1.4 пс [44]. Для производных азулена, у которых AES _+s уменьшается, наблюдается резкое падение значения ps s .
Достаточно интенсивная флуоресценция из S2 состояний наблюдается не только у азуленов, но и веществ других классов. Si— SQ флуоресценция растворов г/н///с(7 -тетрафенилпорфина в ЭПА с квантовым выходом 10 3 регистриру-ется даже при возбуждении слабым светом ( 5-Ю " фотон-см Ч") [45]. В работах [46-47] исследованы 1,2-бензперилен и ортогидроксибензальдегид (квантовый выход (ps s в парах 1.6-10"4). Большая величина (Ps2sQ» по сравнению с (ps s , объяснена большим энергетическим зазором между і% и S\ уровнями.
Кинетика замедленной флуоресценции красителей в полимерах при импульсном локальном нагреве
В работе [77] получены спектры двухфотонно-возбуждаемой (условию резонанса удовлетворяла только суммарная энергия двух фотонов, см. рис. 1.1) люминесценции в твердотельной фазе ДНК и проведено их сопоставление с аналогичными спектрами азотистых оснований нуклеиновых кислот. Обнаружено, что спектр люминесценции в таких соединениях имеет вид широкой ас-симетричной полосы, расположенной в диапазоне 285 - 440 нм, характерной для ароматических соединений. Установлено, что интенсивность двухфотонно-возбуждаемой люминесценции в азотистых основаниях ДНК на порядок меньше, чем в ароматических аминокислотах. Для возбуждения люминесценции применялся лазер на парах меди, и использовалась линия с длиной волны X, = 510.6 нм. В [78] получены спектры двухфотонно-возбуждаемой люминесценции генетических структур, содержащих ароматические и гетероциклические кольца. Увеличение интенсивности люминесценции в ДНК и нуклеогис-тоне достигалось путем введения в исследуемые образцы активатора. Показано, что при наличии активатора создаются условия для реализации инверсной населенности при двухфотонной лазерной накачке, приводящие к суперфлуоресценции.
Двухфотонно-возбуждаемую люминесценцию дезоксирибонуклеотидов и ДНК на длине волны излучения второй гармоники лазера на YAG:Nd3+ наблюдали авторы [79]. Были получены спектры люминесценции и измерены сечения двухфотонного поглощения. Все спектры представляли собой широкие бесструктурные полосы люминесценции из первого возбужденного синглетно-го состояния S\ и практически совпадали со спектрами свечения при однофо-тонном возбуждении. Возможность эффективного двухфотонного возбуждения фталоцианина алюминия в водных растворах излучением с длиной волны X = 1064 нм продемонстрирована в работе [80]. Сечения двухфотонного поглощения определялись путем регистрации вторичного процесса - двухфотонно-возбуждаемой люминесценции. Используя метод двухквантового ступенчатого возбуждения для заселе ния высоких синглетных состояний молекул, мы исследовали люминесценцию из ВЭВС родаминов, феналемина и галогензамещенных флуоресцеина в вод ных и спиртовых растворах, а также, в полимерных пленках поливинилового спирта (ПВС) и поливинилбутираля (ПВБ). Удалось надежно зарегистрировать коротковолновое свечение родамина 6Ж, родамина В, и феналемина при воз буждении красителей по схеме S0 V-L— SX - Sn (I), где hv2 - квант из лучения второй гармоники лазера на YAG:Nd и при возбуждении по схеме S0 2— Sl — Sn (И), где hv2 и hvl - кванты второй гармоники и ос новной частоты излучения лазера на YAG:Nd соответственно. Квантовые вы ходы Sn— So флуоресценции определялись как отношение числа квантов, ис пускаемых в соответствующей полосе свечения, к числу квантов возбуждаю щего излучения, поглощенных при переходах Si— Sn, по методике, предложен ной в [57]. Полученные нами численные значения величин квантовых выходов флуоресценции ps практически совпадают с известными литературными данными и лежат в пределах от 10 5 при возбуждении по схеме (I) до 3 10"5 при возбуждении по схеме (II). Время жизни ВЭВС молекул красителей оценивалось по формуле: тп = (ks s ) V5" где s s излучательная константа скорости релаксации Sn состояний. Времена жизни ВЭВС исследованных молекул лежат в интервале (1+4)-10"13 с. Спектры флуоресценции из высоких синглетных состояний молекул родамина В в пленках ПВС приведены на рис. 1.9. Попытки обнаружить коротковолновую люминесценцию у производных флуоресцеина закончились безрезультатно. Чувствительность установки позволяла уверенно зарегистрировать свечение с q s вплоть до 10 7, поэтому эта величина может служить верхним пределом оценки квантового выхода флуоресценции галогензамещенных флуоресцеина в водных и спиртовых растворах, а также в пленках ПВС и ПВБ. Из приведенных примеров различных типов люминесценции из ВЭВС молекул следует, что высокая интенсивность флуоресценции обусловлена либо низкой скоростью Si— S\ внутренней конверсии для больших интервалов Л21 либо высокой скоростью термически инициированных переходов Si— S2 при малых интервалах АЕ2 j. Реально у большинства многоатомных молекул интервалы АЕ2 \ составляют примерно 3000 - 8000 см"1, что не настолько много, чтобы существенно снизить скорость внутренней конверсии и, вместе с тем, такой зазор достаточно велик для эффективного термического заброса на % уровни. Поэтому у подавляющего большинства молекул высокие скорости внутренней конверсии и малые квантовые выходы люминесценции из ВЭВС. Значения величин квантового выхода люминесценции их ВЭВС и времени жизни этих состояний приведены в таблице 1.1. Крайне малое время жизни ВЭВС молекул (TS 1 пс) является причиной важной отличительной особенности коротковолновой люминесценции — ее анизотропии. Эксперименты показали [1, 5-6, 54, 60, 66] что короткоживу-щая люминесценция всегда поляризована. Степень поляризации Si— SQ флуоресценции на заданной частоте регистрации vрег зависит от частоты возбуждающего излучения увозб (эта зависимость представляется в виде поляризационного спектра Р(увозб)). Люминесценция из ВЭВС характеризуется еще и спектром Р(урег), описывающим зависимость степени поляризации от частоты регистрируемого свечения при фиксированной частоте ve036 Вид функции Р(урег) в общем случае зависит от частоты возбуждающего излучения. Поляризация люминесценции растворов часто используется для идентификации свечения из ВЭВС молекул.
Интерконверсия из высоких синглетных состояний молекул органических красителей
Высокая скорость безызлучательной внутренней Тт— Т\ конверсии (в конденсированных средах 1012-1013 с"1 [21]) и запрет интеркомбинационных переходов правилами отбора дают основания считать процесс Tm— S\ ИКК маловероятным по сравнению с другими каналами релаксации Тт состояний многоатомных молекул. Возможно поэтому Тт— S\ интерконверсия малоизученна и до недавнего времени была обнаружена лишь у небольшой группы ароматических углеводородов в растворах и газовой фазе [26, 88-92]. Для всех исследованных в [88-92] молекул квантовый выход срТ s процесса Tm— S\ ИКК не превышает значений 10"5 - 10"\ т.е. основным внутримолекулярным каналом дезактивации их высоких триплетных состояний действительно является внутренняя Тт— Т\ конверсия. При этом следует отметить имеющие место значительные расхождения (до двух порядков величины!) численных значений величин (рт s , определенных разными авторами для одних и тех же соединений.
В отличие от [88-92], в работах [28-29, 93-95], на основе результатов измерения флуоресценции галогензамещенных флуоресцеина, активированной наносекундным возбуждением молекул в полосе электронного Т-Т поглощения, продемонстрировано, что имеются соединения в которых обратная Tm— S\ ИКК не только успешно конкурирует с внутренней конверсией, но и является основным каналом релаксации высоких электронно-возбужденных триплет-ных состояний. Позже, изучая свойства ВЭВС органических красителей с использованием техники пикосекундного возбуждения, авторы [96] подтвердили этот вывод, а в [97] показано, что и в цианиновых красителях депопуляция высоких триплетных уровней происходит преимущественно по каналу Тт—»Sj ИКК.
Получение достоверных сведений о роли Гщ— Si интерконверсии в дезактивации высоковозбужденных триплетных состояний молекул возможно только при оценке вклада каждого канала релаксации Тт состояний. Для этого необходимо использовать независимые методы обнаружения и измерения из-лучательных и безызлучательных потерь энергии на всех этапах дезактивации ВЭВС молекул. В данной главе представлены результаты исследования процессов обратной 7"т— St ИКК в различных органических соединениях.
Первые сведения о S\— SQ флуоресценции, возникающей в результате обратной Tm— S\ ИКК, содержатся в работе [88]. Были исследованы растворы нафталина и флуорена при 77 К с использованием стационарных источников возбуждения. Для изученных молекул, квантовый выход срТ с интерконверсии, оцениваемый сравнением интенсивности свечения после возбуждения триплетных молекул ртутной лампой и интенсивности быстрой флуоресценции, оказался равным соответственно 5-Ю 7 и 10"6.
Флуоресценция, инициированная возбуждением молекул в триплетном состоянии, наблюдалась также в [89-90]. Для заселения высоких Тт уровней этанольных растворов антрацена, 9-метилантрацена и 9-фенилантрацена, авторы использовали излучение основной частоты рубинового лазера. Молекулы в триплетном Грсостоянии образовывались в результате интерконверсии S\— T\ после предварительного облучения растворов вспышкой импульсной лампы, с длительностью импульса 1 мкс. Обнаружено, что квантовый выход процесса Tm— S\ (при m 2) увеличивался для метил- и фенил- замещенных антрацена. Это объяснялось тем, что Тг уровень антрацена лежит ниже Si уровня, в то время как Тг уровни замещенных антрацена лежат выше их S\ уровней. Такой вывод основывался на предположении о том, что интеркомбинационные переходы в . -состояние осуществляются с Тг уровня исследуемых молекул, заселяемого в результате внутренней Тт-+Тг конверсии и, экспериментально исследованной зависимостью эффективности Tm— S\ ИКК антрацена от температуры, необходимой, по мнению авторов, для термической активации Тг— S\ процесса. Величины срт s для замещенных антрацена от температуры не зависят [91]. Позже, в работе [98] этих же авторов, было изучено влияние температуры на эффективность Tm— S\ интерконверсии в антрацене, 1,5- дихлорантра-цене, 9-метилантрацене, 9,10- дихлорантрацене и 9,10- дибромантрацене. Для первых двух соединений уровни Тг расположены ниже S\ уровней АЕ = (Es - ЕТ ) = 435 и 600 см"1 соответственно, а для остальных уровни Тг расположены выше соответствующих i уровней АЕ = (Ет - Es ) = 760, 1350 и 1390 см"1 соответственно. Зависимость срт s от температуры наблюдалась только для антрацена и 1,5- дихлорантрацена. Из этих результатов был сделан вывод, что у ароматических молекул в растворах сначала протекает внутренняя Тт— Тг конверсия, с константой скорости 1012-1013 с"1, а затем, из состояния Тг заселяются синглетные S\ уровни, с константами скорости kTs равными 3.4-109, 1.5-109, 4.9-109, 7.2-1010 и 9.1-1011 с"1 для перечисленных соединений соответственно. Значения величин (Prmsx обратной Tm— S\ ИКК для исследованных молекул определялись из уравнения где к - постоянная Больцмана, ATS - константа, принимавшаяся равной скорости конверсии kTS, АЕ - для антрацена и 1,5- дихлорантрацена составляла 435 и 600 см"1, для остальных соединений принималось АЕ= 0. При 296 К значения рт s в порядке перечисления соединений оказались соответственно равными 2.6 10 5, 2.6 10"4, 3.6 10"4, 1.5 10 2 и 1.9 10 1. Обращает на себя внимание значительный рост величины РттБ, ПРИ переходе от антрацена к 9,10-дибромантрацену. Получив линейную зависимость \g{kTS Ikjj) от lg( ), где И% - сумма квадратов факторов спин-орбитального взаимодействия, авторы [98] связали рост рТ s у 9,10-дибромантрацена с проявлением эффекта внутреннего тяжелого атома в процессе Tm— S\ интерконверсии.
Увеличение интенсивности замедленной флуоресценции (ЗФ) 9-метил- и 9,10-диметилантрацена (примерно в 10-15 раз), при возбуждении молекул в триплетном состоянии излучением с X. = 415 нм, зарегистрировано и в работе [99]. Флуоресценция антрацена, наблюдаемая в этих же условиях, сравнима по интенсивности с аннигиляционной ЗФ. При двухквантовом возбуждении через нижний триплетный уровень молекул 1,2-бензантрацена, хризена и диацетила не наблюдается увеличения интенсивности свечения, хотя концентрация молекул в триплетном состоянии, оцениваемая по интенсивности аннигиляционной ЗФ, уменьшается. Для антрацена был определен квантовый выход (prmsx» который в условиях эксперимента оказался равным 2 10 3.
