c. Fotofizika

A kisugárzásoknak, esetünkben döntően fluoreszcenciáknak a színképi jellege még inkább a spektroszkópia területéhez tartozik, de hatékonysága, azaz kvantumhatásfoka és főleg élettartama már a fotofizika tárgykörébe. Előbbi meghatározását a szabad ligandum esetén is mindkét elnyelési tartományon elvégeztem referenciák segítéségvel a 13. egyenlet alapján [225, 267-270].

13. egyenlet. A kisugárzás kvantumhasznosítási tényezőjének meghatározása referencia segítségével azonos közeg esetén.

ahol Φ_i az ismeretlen, Φ_ref az ismert kisugárzási kvantumhasznosítási tényező, T pedig az energiával egyenes arányú skálán (cm^-1) vett színképük alatti területük.

Pontosabban a meghatározás előtt szembesültem azzal, hogy ezeknek az elterjedten alkalmazott külső standardoknak a kvantumhasznosítási tényezőit elég széles tartományon belül közölték az irodalomban [267, 269], ezért a legmegbízhatóbbnak talált ruténium(II)-trisz(bipiridil)-klorid segítségével a többit is pontosítottam (2. táblázat).

2. táblázat. A fluoreszcencia kvantumhasznosítási tényezők meghatározásához alkalmazott referenciák és azok tényezői.

referencia [Ru(bpy)3]Cl2 fluoreszcein rodamin-B

irodalmi 0,78-0,92 0,69-0,97

saját 0,042

0,904 0,665

Ezek után már elvégezhettem a szabad porfirin szingulett-1 fluoreszcenciájának a különböző sávokon gerjesztésével előidézett kisugárzási kvantumhatásfokainak kimérését, mely egész jó egyezést mutatott az irodalmi adattal (IV.2.a. A szingulett-1 fluoreszcencia). Ez a kisugárzás a Qx(0,0) gerjesztéssel betöltötté vált S1(0), első elektrongerjesztett állapot zérus vibrációs szintjéről következik be, ezért amikor ennél kisebb hullámhosszú fotont nyel el a molekula, akkor az energia egy része belső konverziók révén adódik le, melyek kvantumhatásfokait a különböző sávokon kapott fluoreszcencia-hatékonyságok arányából határozhajtuk meg.

3. táblázat. A szabad porfirin elnyelési sávjaira kapott S1-fluoreszcencia hatékonyságok, illetve az annak kiindulási szintjére történő belső konverziók hatásfoka [235].

gerjesztési sáv Soret Qy Qx

Φfluo 0,0562 0,0624 0,0753

φIC(Qx) 0,746 0,828

Ezek után már magát a szabad porfirint használhattam a fém-komplexei kvantumhasznosítási tényezőinek meghatározásához mindkét elnyelési tartományban.

Az időfelbontásos vizsgálatokra [225, 269] a tanszéki Quantel Brilliant Nd-YAG szilárdtest lézer 1064 nm-es jelének második, 532 nm-es (5,6 ns-os félértkszélességgel, átlagosan 150 mJ enegiával) és harmadik, 355 nm-es (3,5 ns, 16 mJ) felharmonikusai szolgáltak Phillips PM 3320/A, 250 MHz és Tektronix TDS 684 A 1 GHz, 5 GSample digitális oszcilloszkópok segítségével detektálva (4. kiegészítő-séma) [271-273]. De mivel a porfirinek mérendő fluoreszcencia-élettartama is ezen időtartományban mozgott, ezért a lézer jeléről dekonvolúcióval le kellett választani a valós jelet; ennek a problémának a megoldására is megfelelt a Solver, mégpedig három paraméter segítéségvel konvolúciót [270] (14.

egyenlet, 2. ábra) hajtottam végre, majd ennek a mért jeltől vett négyzetes eltérését minimalizáltam.

ahol I^λ a minta, I^λlézer a gerjesztő lézer jelének intenzitása adott tmért (s) időpillanatban, α az intenzitásarányokra, β az időskála elcsúszására (triggerelés szórására) illesztendő paraméter (s), τ pedig a minta gerjesztett

állapotának meghatározandó élettartama (s).

II.2.c. Fotofizika

2. ábra. A fluoreszcencia lecsengési idejének meghatározása konvolúcióval.

A hullámhosszal kissé változott a meghatározott élettartam, ezért a maximum körüli legmegbízhatóbb tartományban átlagoltam (2. kiegészítő-ábra). Azért kellett a dekonvolúciónak ezt a munkaigényesebb módját választanom, mert a jóval egyszerűbb statisztikai momentum-, például az első momentum módszer állandósult hibával terheltnek bizonyult [270] (15. egyenlet, 3. kiegészítő-ábra).

15. egyenlet. A k-adik momentum meghatározása, illetve az első momentum-módszer.

lézer

A Strickler-Berg-egyenlet (16. egyenlet) [274] segítségével jó közelítést lehetett adni a sugárzásos átmenet sebességi állandójára, melyből a kvantumhatásfok felhasználásával (17.

egyenlet) [225] az élettartam becsülhető volt, ami egész jó egyezést mutatott a szingulett-1-fluoreszcenciára (kr(S1)=8,15*10⁶ s^-1), míg a S2 kimérésével kapcsolatos reményeket a várható módon szertefoszlatta a szabad ligandum esetén is (τ0(S2)=58,9 fs); hiszen ehhez sokkalta komolyabb berendezésre lenne szükségünk [275].

16. egyenlet. A Strickler-Berg-egyenlet.

ahol kr a sugárzásos lecsengés sebességi állandója (s^-1) , ni a kisugárzási és az elnyelési színkép felvételekor használt közeg törésmutatója, I a kisugárzás intenzitása, ε az elnyelés moláris együtthatója (M^-1cm^-1) az adott

hullámszámon (cm^-1).

17. egyenlet. A kisugárzás kvantumhatásfokának definíciója.

Viszont a szingulett-2-fluoreszcencia színképének felvétele és kvantumhatásfokának meghatározása a nagyon kis intenzitása miatt ütközött nehézségekbe, amit még az oldószer Raman-szórása is zavart, de a kis Stokes-eltolódása miatt a belső elnyelés is nagy valószínűséggel ronthatja a detektálhatóságát. Utóbbi elkerülésére szilárd mintatartót, előbbi kiküszöbölésére a tisztán felvett szórás levonását alkalmaztam, de a gerjesztő fény kis beszóródása is jelentős nehézségeket okozott, mely korrigálására pedig a spektrumanalízisben számomra már rutinfeladattá vált Gauss-görbés megillesztést alkalmaztam. Ezen trükkök bevetésével vált csak megbízhatóvá az észlelése, ám amíg nem derítettem fényt mindegyikre, addig olyan hibákba estem, melyet nemcsak a diplomadolgozatomban, hanem még a legutóbbi publikációmban is elkövettem [235]. A kvantumhasznosítási tényezőjének meghatározásához pedig az általam jóval kisebb hibával terheltnek ítélt belső standardizálást alkalmaztam a szingulett-1 fluoreszcencia már alaposan kimért adatainak a felhasználásával.

A szingulett-1 gerjesztett állapotból a triplett-1 felépülése is meghatározható konvolúciós módszerrel [221], melyet ki is dolgoztam, csak az időigényessége miatt még csak néhány esetre tudtam kivitelezni, de ennek segítségével a spinváltó átmenet (ISC=intersystem crossing) ideje, vagyis sebességi állandója is meghatározhatóvá válik, így a kvantumhatásfoka, sőt ezáltal a spintartó belső konverzió (IC=internal conversion) adatai is, hiszen a sugárzásmentes átmenetek (knr) ezen kettőből állnak össze. Vagyis ennek a meghatározásához a számomra még kissé talányos külső standardizálást, vagyis összehasonlító módszert [221, 250, 270] is ki lehet váltani a közvetlen kimérésével, melyhez még optoakusztikus, illetve nIR detektálásra sincs ezúton szükség [276].

Tehát a triplett állapot felépüléséhez – annak szobahőmérsékletű foszforeszcenciájának híjján [221] – a tranziens elnyelési színképek felvételét kellett megoldani a készülékünk Xe-detektorlámpája nélkül, mivel annak kicseréléséhez csak mostanra sikerült az anyagi fedezetét megteremteni, így viszont én időben lecsúsztam volna erről a fontos információszerzési lehetőségről, de szerencsére Horváth Attila tanár úr kezdeményezésére olcsóbb, átmeneti megoldást is tudtunk találni, vagyis LED-ek sorozatát szereztük be (4. kiegészítő-ábra), és ezekkel oldottuk meg időlegesen a detektálást; ám csak a 410-530 nm tartományban bizonyult használhatónak a detektor érzékenysége miatt is, de – mondhatni szerencsére – ebbe a szűk tartományba pont beleesik a porfirinek T1-T3 legintenzívebb triplett elnyelési sávja, melynek pontos kiméréséhez 2 nm-eket lépkedtem a detektálásban.

A triplett állapot koncentrációját pedig a maximális fakulásból becsültem, azaz belső standardizálást alkalmaztam, mivel a fakulás maximuhelye egybeesett az alapállapotú elnyelések maximumhelyével, és mert a külső standardizálás [270] szerintem bizonytalanabb, hiszen nehéz biztosítani egy ismeretlen minta esetén azt, hogy a referenciával megegyező koncentrációjú mennyiségét gerjesszük triplett állapotba, hiszen legfeljebb csak az alapállapotú elnyelésüket a gerjesztő hullámhosszon szokták azonosra állítani, de mivel az legtöbbször nem közvetlenül okozza a jellemezni kívánt triplett állapot betöltöttségét, hanem inkább csak magasabb szingulettét, melyről akár belső konverziók sorával jut vissza az első szingulett gerjesztettre, hogy egy spinváltó átmenet révén betöltődhessen az első triplett állapot. Vagyis egy sor IC és egy ISC szorzata vélhetően elrontja a triplett állapotok koncentrációjának egyezését – szerintem még a teljes konverziós vagy a szaturációs módszernél is [270]. És erre a számomra még kissé talányos problémára utaltam az előbb a spinváltó (ISC) átmenet meghatározásával kapcsolatban is.

II.2.c. Fotofizika

18. egyenlet. A tranziens abszorbancia molarizálása belső standardizálással.

λ

Természetesen a hosszúélettartamú triplett állapotok vizsgálatához komoly oxigénmentesítésre volt szükség, a több száz mikroszekundumos tartományban már az argonnal történő átbuborékoltatás kevésnek bizonyult, ezért Schlenck-rendszert kellett felállítanunk, mellyel viszont még az irodalmi értékek fölé is sikerült több komplex esetén is mérni, ami meggyőzött az eszköz működőképességéről. A triplett állapot oxigén általi kioltási állandóját is meghatároztam, bár csak a Stern-Volmer egyenesének két pontja alapján, mivel a levegővel telített, illetve a teljesen levegőtlenítettnek ítélt oldatok élettartamának különbségéből számoltam, pedig a megbízhatóbb eredmény eléréséhez a szakirodalom szerint még oxigénnel való telítést is illenék végezni. A levegővel telített oldatban az oldott O2

koncentrcióját a parciális nyomása alapján lehet számolni a Henry-állandójából származtatva:

KO2H1,67*10^-6 M/torr vízben 25^oC-on , így [O2]=2,67*10^-4 M (760 torr légköri nyomáson 21

%-os O2 tartalom mellett) [277].

19. egyenlet. A kioltási állandó meghatározása.

] lecsengési sebességi állandók (s^-1), vagyis az élettartamok reciprokai.

Tapasztalataim szerint a kioltási állandó nagysága szinte csak k-tól függött, mivel k0

elhanyagolhatóan kis értéknek bizonyult mellette. A ZnP olyan nagyon hosszú élettartammal rendelkezett (τ~3 ms), hogy lehetővé tette felhasználást az oxigén-mentesítési technikák, például a Schlenck-rendszer előtt alkalmazott 30-45 perces argonnal történő átbuborékoltatás ellenőrzésére.

A szakirodalomban 10 ns feletti fluoreszcencia-élettartamok esetén az oldott O2 20 %-os kioltó hatását észlelték [182], amivel viszont én nem találkoztam, és számomra kissé kétséges is, hogy a paramágneses dioxigén miért is lépne ennyire hatékonyan, vagyis ekkora kioltási állandó mellett kontaktusba a diamágneses porfirinekkel?