A foto-gerjesztett molekulák viselkedése

Az előző alfejezetben tárgyaltuk az abszorpció folyamatát. Mi történik azután, hogy a mo-lekula elnyelt egy fotont? Az elnyelt energia milyen relaxációs folyamatokban távozik a rendszerből? A Kasha által (1953) megfogalmazott szabály szerint a gerjesztett molekula a gerjesztéstől függetlenül gyorsan (1 ps alatt) visszatér az első gerjesztett (LUMO) álla-potba sugárzásmentes átmeneteken keresztül (4.3.2. ábra). Vagyis a rendszert úgy tekint-hetjük, hogy a sugárzó átmenetek mindig a LUMO és HOMO állapotok között alakulnak ki. A molekuláris átmenetek energiahelyes ábrázolására szolgál az ún. Jablonski-diagram (4.3.1. ábra). Az alábbiakban összefoglaljuk a foto-gerjesztett molekulák lehetséges rela-xációs folyamatait.

4.3.1. ábra: A Jablonski-diagram (a), valamint a szinglet és triplet spinállapotok értelmezése (b)

4.3.1. Sugárzásmentes átmenet

Sugárzásmentes átmenet (4.3.2. ábra) során a gerjesztett rendszer magasabb energiájú álla-potból a legalsó gerjesztett (LUMO) állapotba, illetve innen alapállapotba kerülhet (LUMOHOMO átmenet). A LUMO állapot fölé gerjesztett elektron energiája vibrációs energiává (fononná) alakul. Ennek eredményeképpen megnő a molekula belső hőmérsékle-te, amely gyorsan (<10 ps alatt) visszatér a környezeti értékre úgy, hogy a hő a környezet felé sugárzódik. A LUMOHOMO átmenet hasonlóan zajlik, de lényegesen hosszabb, ns

időskálán. Kivételt képeznek pl. a vastartalmú porfirinek (hemek és citrokrómok), amelyek

~1 ps alatt relaxálódnak. Ezek a vegyületek a vasnak köszönhetően a LUMO szint alatt a relaxációt támogató extra állapotokkal rendelkeznek. A relaxáció során ezeknek a moleku-láknak a belső hőmérséklete a 200 C-ot is elérhetik. Azonban a hő olyan gyorsan disszipálódik a környezetben, hogy a molekulák nem károsodnak.

4.3.2. ábra: A sugárzásmentes átmenet

4.3.2. Lumineszcencia

A lumineszcencia olyan fénykibocsátás, mely nem a fonontér rovására, hanem egyéb ger-jesztés következményeként jelentkezik, és azt követően 100 ps-nál hosszabb idő után kö-vetkezik be. A lumineszcencia centrumok nem egy időben emittálnak: jellemző a lumi-neszcencia élettartam (~s … néhány nap). Mivel az Ilum lumineszcens és az Iterm hőmér-sékleti sugárzás intenzitása között adott hőmérsékleten fennáll, hogy

Ilum(T) > Iterm(T),

ezért a lumineszcens sugárzást „hidegfény”-nek is nevezik. Két alapvető lumineszcens átmenetet különböztetünk meg:

 Fluoreszcencia (4.3.3. ábra) során az emisszió ugyanabból a (szinglet) spin-állapotból történik, amibe az elektron a gerjesztéssel jutott. A fluoreszcencia időlandója ns nagyságrendű. Speciális esete a késleltetett fluoreszcencia (gerjesztett ál-lapot  metastabil állapot  termikusan ismét gerjesztett állapot  emisszió).

Mesterséges környezetben a biológiai molekulák nagy része jelentős fluoreszcenci-át mutat. Természetes környezetben (in vivo) azonban a fluoreszcencia nagymér-tékben csökken. Egyrészt más molekulák reabszorbeálják, másrészt a gerjesztett molekula a szomszédos molekulának energiát vagy gerjesztett elektront adhat át.

4.3.3. ábra: A fluoreszcencia

 Foszforeszcencia (4.3.4. ábra) esetén az emisszió az alapállapottól eltérő (triplet) spin-állapotból történik. A direkt T1S0 átmenet tiltott, mert sérti a spin-momentum megmaradását. Azonban kvantumfolyamatokban a triplet állapot metastabil tripletté alakul. Amikor ez bekövetkezik, létrejöhet a sugárzásos átme-net. Minthogy az említett folyamatok miatt a spinváltás kis valószínűségű, ezért a foszforeszcencia-élettartamok hosszúak. In vivo a foszforeszcencia ritka: rendsze-rint a triplet állapot energia-, töltéstranszfer vagy egyéb – a foszforeszcencia-élettartamnál gyorsabb (pl. másik triplet állapotú rendszerrel történő) reakcióban visszaalakul szingletté.

4.3.4. ábra: A foszforeszcencia

A gerjesztés módja szerint a lumineszcencia lehet: foto- (fény) / radio- (ionizáló sugár-zás) / katód- (gyors elektron) / kemo- (kémiai folyamat) / tribo- (mechanikai törés, dörzsö-lés) / elektro- (elektromos tér). A lumineszcencia jelensége a makromolekula vizsgálat fontos eszköze: pl. fehérjékben lumineszkáló aromás aminosavak (triptofán, tirozin, fenilalanin) környezettel való kölcsönhatása befolyásolja a lumineszcencia jellemzőit (pl.

merev struktúrában 1 s élettartam).

4.3.3. Szinglet–triplet átmenet

A Pauli-elv értelmében a molekulák legnagyobb energiájú HOMO elektronijait gerjeszt-hetjük, vagyis a rendszer kételektronosnak tekinthető. Kételektronos rendszerek spinállapota kétféle lehet. Mindkét elektron ½ spinnel rendelkezik. Az egyik elektron spin-je vagy egyirányú, vagy ellentétes irányú a másikéval, így az eredő spin S=1, vagy S=0. Az S=0 az ún. szinglet állapot, mert csak egyféleképpen kapható (4.3.1. ábra): a teljes spin-hullámfüggvény antiszimmetrikus lesz. Az S=1 esetén az eredő spin vektor háromféle ori-entációjú lehet: MS = {+1, 0, –1}, innen a triplet elnevezés. Ekkor a teljes spin-hullámfüggvény bármely lineáris kombinációja szimmetrikus. A Pauli-elv értelmében a rendszer teljes hullámfüggvénye antiszimmetrikus kell, hogy legyen (biztosítva az elektro-nok eltérő kvantumállapotait). Mivel az alapállapotú molekula kötőpályája szimmetrikus, az n=1 alapállapot minden esetben szinglet (antiszimmetrikus spin-hullámfüggvénnyel).

4.3.5. ábra: Szinglet–triplet átmenet (ISC)

A szinglet–triplet átmenetben (4.3.5. ábra) a gerjesztett állapotú molekula szinglet álla-potból triplet állapotba kerül (vagy fordítva). Ezt az átmenetet „ISC”-nek is nevezhetjük (Intersystem Crossing). A triplet állapotok hosszú élettartamúak (ms … s). Addig léteznek, amíg erős elektromostér-változás, vagy másik triplet állapotú rendszer hatására vissza nem alakulnak. Ilyen pl. a triplet normálállapotú oxigénnel történő reakció:

2 S S

2 T

Tmolekula O  molekula O

4.3.4. Energiatranszfer

Az energiatranszfer két molekula között lezajló folyamat (4.3.6. ábra): a gerjesztett állapo-tú molekula átadja energiáját egy szomszédos, alapállapoállapo-tú molekulának. Foton-kibocsátás nem történik, az energiakicserélődés mechanizmusa dipólus–dipólus csatolás. Az energia-transzfer _E időállandója és _E hatásfoka a csatolásra jellemző hatodik hatvány szerint függ a molekulák r távolságától:

6 0 6 6

0

~ ) ,

/ ( 1

1

R r R

r ^E

E 

   ,

ahol R0 az ún. Förster-sugár, amely az a távolság, amelynél az energiaátadás hatásfoka 50%. Ez a távolság tipikusan néhány nm. A hatásfok függ a donor és akceptor molekula távolságától, a donor emissziós és az akceptor abszorpciós spektrumától, valamint a donor emissziós és az akceptor abszorpciós dipólusmomentumának relatív orientációjától.

4.3.6. ábra: Az energiatranszfer

Ha a két molekula különböző, és mindkettő fluoreszcens, távolságuk függvényében vagy a gerjesztett molekula fluoreszkál (r > R0), vagy az akceptor molekula (r < R0). Ez a jelenség az ún. fluoreszcens rezonáns energiatranszfer (FRET, 4.3.7. ábra), amely pl. fluo-reszcensen jelölt fehérjék kölcsönhatásának vizsgálatára alkalmazható.

4.3.7. ábra: Fluoreszcens rezonáns energiatranszfer (FRET)

Az energiaátadás igen nagy jelentőségű a fotoszintézisben. Az oldott klorofill hatéko-nyan fluoreszkál. Növényekben azonban a fluoreszcencia az energiatranszfer következté-ben kioltódik. A fotoszintetikus egységekkövetkezté-ben több száz klorofill molekula helyezkedik el egy fehérje-komplex, az ún. reakcióközpont körül. A szétszórt molekulák az ún. fénybe-gyűjtő komplexek (light harvesting complexes – LHC), amelyek mintegy napkollektorként működnek; a reakció centrumhoz közelebbi pigment (Chl-a)–protein komplexeket (core proteins – CP) pedig antennáknak nevezik, és lényegi feladatuk az energiatranszfer: a be-gyűjtött energiát néhány ps alatt továbbítják a reakcióközpont felé (4.3.8. ábra). A reakció-központ aktív eleme 2 klorofillmolekula-alegységből álló dimer, mely csapdaállapottal rendelkezik. Az itt megkötött energia aztán fotokémiai reakciókat táplál.

4.3.8. ábra: Az energiatranszfer szerepe a fotoszintetikus reakcióközpont működésében

4.3.5. Töltéstranszfer

Hasonlóan az energiaátadáshoz, a töltéstranszfer is gerjesztett és alapállapotú két molekula között lezajló folyamat (4.3.9. ábra). A töltésátadás időállandója széles tartományban mo-zog (~ps … s) és exponenciálisan nő a molekulák távolságával – ahogy az a kvantumme-chanikai alagúteffektus elméletéből várható.

4.3.9. ábra: A töltéstranszfer

A természetben előforduló fényindukált töltéstranszfer-reakcióra jó példa a fotoszinte-tikus reakcióközpont, amely úgy épül fel, hogy a töltéseket a rekombinációs élettartamnál gyorsabban szétválassza, így biztosítva elektronokat a további reakciókhoz.