ĆWICZENIE 3 LUMINOFORY ORAZ ZJAWISKA WYGASZANIA LUMINESCENCJI

Transkrypt

1 Laboratorium specjalizacyjne Chemia sądowa ĆWICZENIE 3 LUMINOFORY ORAZ ZJAWISKA WYGASZANIA LUMINESCENCJI Zagadnienia: Podział luminoforów: fluorofory oraz fosfory Luminofory organiczne i nieorganiczne Różnorodność stanów wzbudzonych w związkach metali przejściowych Zjawiska statycznego i dynamicznego wygaszania luminescencji Równanie Sterna-Volmera Wygaszenia stężeniowe Ekscymery i ekscypleksy Celem ćwiczenia jest charakterystyka właściwości luminescencyjnych przykładowych luminoforów organicznych (naftalen, benzofenon) i nieorganicznych ([Ru(bpy) 3 ] 2+ ), a także obserwacja zjawisk wygaszeń luminescencji pod wpływem jonów halogenowych jako wygaszaczy, wygaszeń stężeniowych oraz wpływu odczynu ph na intensywność luminescencji. WSTĘP Luminoforem jest cząsteczka lub grupa funkcyjna zdolna do luminescencji. Ze względu na podział zjawisk luminescencji na fluorescencję i fosforescencję wyróżniamy odpowiednio fluorofory i fosfory. Zdolność luminescencji posiada wiele substancji zarówno organicznych jak i nieorganicznych. Ze względu na stany wzbudzone podstawowy podział pozwala wyodrębnić trzy grupy: -fluorofory organiczne, m.in. cząsteczki aromatyczne i heterocykliczne, cząsteczki licznych barwników (np. fluoresceina, eozyna), cząsteczki o znaczeniu biologicznym (aromatyczne aminokwasy, zasady nukleinowe, chlorofil i karotenoidy oraz niektóre witaminy i hormony) -związki metali przejściowych, m.in. związki koordynacyjne rutenu(ii), renu(i), platyny(ii), irydu(iii), miedzi(i); -związki metali bloku f, m.in. jony lantanowców na +3 stopniu utlenienia (europu, terbu)

2 Przykłady luminoforów wykorzystanych w ćwiczeniach zaprezentowane są na rysunku poniżej. benzofenon naftalen fluoresceina rywanol chinina [Ru(bpy) 3 ]Cl 2 Rys.. Przykładowe luminofory Możemy mówić o zjawiskach statycznego i dynamicznego (kolizyjnego) wygaszania fluorescencji. Procesy statyczne związane są m.in. z asocjacją dwóch lub więcej molekuł substancji w stanie podstawowym. Dimery nie wykazują właściwości fluorescencyjnych. W odróżnieniu od statycznego procesu wygaszania, dynamiczne wygaszanie fluorescencji zależy od prędkości dyfuzji i stężenia substancji luminezującej. Molekuła wzbudzona spotyka się z molekułą gaszącą, niezdolną do fluorescencji. Na skutek zderzeń z wygaszaczem substancja fluoryzująca traci bezpromieniście swoją energię. Zależność pomiędzy stężeniem wygaszacza a zmianą intensywności fluorescencji opisuje równanie Sterna-Volmera: gdzie: F oraz F o intensywność fluorescencji odpowiednio w obecności i nieobecności substancji wygaszającej, K sv stała Sterna-Volmera, - stężenie substancji wygaszającej. Zależności intensywności fluorescencji od stężenia substancji wygaszającej są nierozróżnialne w przypadku mechanizmów wygaszania wyłącznie kolizyjnych bądź

3 wyłącznie statycznych. Ponadto w wielu układach statyczne i dynamiczne wygaszenie fluorescencji może zachodzić jednocześnie. Określenie, który mechanizm jest odpowiedzialny za wygaszanie fluorescencji jest możliwe przez śledzenie wpływu temperatury i lepkości na wykresy F 0 /F od, a także badanie wpływu różnych czynników na czasy fluorescencji za pomocą czasowo-rozdzielczej spektroskopii fluorescencyjnej. (A) (B) (C) Temperatura Temperatura Rys. 3. Wykresy Sterna-Volmera: Przejawy kolizyjnego (A), statycznego (B) i mieszanego (C) mechanizmu wygaszania fluorescencji (przez Q) obserwowane za pomocą klasycznej (I o /I) i czasowo rozdzielczej (τ o /τ) fluorescencji. ĆWICZENIE. Charakterystyka właściwości luminescencyjnych przykładowych luminoforów organicznych i nieorganicznych. Odczynniki Sprzęt, aparatura pomiarowa Naftalen Spektrofotometr UV-Vis-NIR Nicolet is-50 Benzofenon Spektrofluorymetr Hitachi F-7000 [Ru(bpy) 3 ] 2+ Dewar do pomiarów niskotemperaturowych Acetonitryl Zlewki Dichlorometan Pipety Mieszanina metanol : etanol (:4) Gruszki Wykonanie:. Przygotować roztwory podstawowe luminoforów (ok M) w acetonitrylu, dichlorometanie oraz mieszaninie metanol : etanol (:4). 2. Zarejestrować widma absorpcyjne roztworów w rozpuszczalnikach: acetonitrylu, dichlorometanie. Na tej podstawie określić parametry pomiarów widm emisyjnych (długości fali wzbudzenia).

4 3. Zarejestrować widma emisyjne w temperaturze pokojowej. 4. Zarejestrować widma emisyjne roztworów w mieszaninie metanol : etanol (:4) w temperaturze ciekłego azotu. 5. Zmierzyć czasy zaniku fluorescencji oraz/lub fosforescencji. ĆWICZENIE 2. Zjawiska wygaszania luminescencji. Odczynniki Sprzęt, aparatura pomiarowa Fluoresceina Spektrofotometr UV-Vis-NIR Nicolet is-50 Jodek potasu Spektrofluorymetr Hitachi F-7000 Bromek potasu Kolby miarowe pojemności 25 ml, 00 ml Chinina Pipety Rywanol tabletki Gruszki Kwas siarkowy Wodorotlenek sodu Wykonanie: A. Wygaszanie fluorescencji fluoresceiny przez jony halogenkowe. a. Przygotować roztwór podstawowy fluoresceiny (ok M) w 0, M NaOH. Przygotować roztwory robocze w kolbach miarowych o pojemności 25 ml przez odpowiednie rozcieńczenie roztworu podstawowego tj. 2 ml roztworu podstawowego. Jeden z roztworów uzupełnić do kreski wodą demineralizowaną. b. Zarejestrować widmo absorpcyjne fluoresceiny. Na tej podstawie określić parametry pomiaru widma emisyjnego (długość fali wzbudzenia). c. Zarejestrować widmo emisyjne fluoresceiny. d. Przygotować 0,5 M roztwór jodku potasu (25 ml) w wodzie. e. Przygotować serię roztworów (kolby miarowe 25 ml) zawierających 2 ml roztworu podstawowego fluoresceiny oraz kolejno: 0,; 0,25; 0,5; ; 2; 3; 4; 5 ml 0,5 M roztworu jodku potasu. f. Przygotować 0,5 M roztwór chlorku/bromku potasu (wskaże prowadzący ćwiczenie). Przygotować analogiczną serię roztworów jak w przypadku jodku potasu. Zarejestrować widma emisyjne dla przygotowanych roztworów. B. Wygaszanie stężeniowe.

5 Sporządzić roztwór rywanolu w wodzie (tabletka 00 mg w l ciepłej wody). 0 ml, ml oraz 0, ml przygotowanego roztworu rywanolu rozcieńczyć do 00 ml wodą. Porównać intensywność świecenia poszczególnych roztworów w świetle ultrafioletowym. Zarejestrować widmo absorpcyjne roztworu rywanolu. Określić długość fali wzbudzenia i zarejestrować widmo emisyjne. Porównać widma emisyjne roztworów o różnych stężeniach. C. Intensywność fluorescencji a ph Przyłączenie lub odszczepienie protonu może wpływać na zmianę właściwości spektroskopowych w tym także fluorescencji. Wpływ ph na właściwości fluorescencyjne zostanie zilustrowany na przykładzie roztworu chininy. We wskazanych fiolkach umieścić przygotowany roztwór chininy. Do jednego z roztworów dodać ml roztworu NaOH. Porównać fluorescencję obu roztworów. Następnie do zalkalizowanego roztworu dodawać kroplami (nie mieszając) roztwór kwasu siarkowego. Obserwować zmianę fluorescencji. OPRACOWANIE WYNIKÓW - na podstawie przeprowadzonych pomiarów przygotować widma absorpcji, wzbudzenia i emisji oraz porównać właściwości poszczególnych luminoforów oraz scharakteryzować cechy stanów wzbudzonych odpowiedzialnych za emisję. - na podstawie przeprowadzonych pomiarów ocenić zdolność wygaszania fluorescencji fluoresceiny przez odpowiednie jony halogenkowe wykorzystując równanie Sterna-Volmera. Wyznaczyć stałą wygaszania. Przeprowadzić dyskusję wyników. Odpowiedzi uzasadnić. - wyjaśnić wpływ stężenia substancji fluoryzującej na intensywność fluorescencji. Odpowiedź uzasadnić. - wyjaśnić wpływ ph na zmianę fluorescencji roztworu chininy. Odpowiedź uzasadnić ilustrując ją odpowiednimi wzorami. BIBLIOGRAFIA: ) J. R. Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy. III edycja Springer 2) V. Balzani, P. Ceroni, A. Juris, Photochemistry and photophysics Willey VCH.