Versuchsprotokoll Optische Spektroskopie Teil 2 Fluoreszenz und Excimerenbildung

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1 Versuchsprotokoll Optische Spektroskopie Teil 2 Fluoreszenz und Excimerenbildung Physikalisch-chemisches Fortgeschrittenenpraktikum WS 07/08 Johanna Seemann und Veronika Beer Gruppe B Januar 2008

2 Inhaltsverzeichnis 1 Theoretische Grundlagen Aufbau eines Spektralfluorometers Anregungs- und Emissionsspektrum Spektrale und natürliche Bandbreite Spektrale Photonenstromdichte Jablonski-Diagramm Excimerenbildung Auswertung Aufgabe 1: Spektrale Bandbreiten Fluoreszenzemissions- und Absorptionsspektrum Fluoreszenzanregungs- und Absorptionsspektrum Fluoreszenzemissionsspektrum von Pyren Fluoreszenzsanregungsspektrum von Pyren Zusammenhang zwischen Photonenstromdichte und Konzentration

3 Kapitel 1 Theoretische Grundlagen 1.1 Aufbau eines Spektralfluorometers Abbildung 1.1: Aufbau eines Spektralfluorometers Als Leuchtquelle wird eine Xe-Hochdrucklampe verwendet, da sie zum einen eine hohe Photonenstromdichte hat und zum anderen ein kontinuierliches Spektrum aussendet. Es können Gitter- oder Prismenmonochromatoren eingesetzt werden. In unserem Fall handelt es sich um Gittermonochromatoren. An einem Gitter wird langwelliges Licht stärker gebeugt als kurzwelliges, wodurch eine Abtrennung der gewünschten Wellenlänge möglich ist. Die Fluoreszenzküvetten sind aus Quarz und haben vier klare Fenster (im Vergeich zu Absorptionsküvetten mit zwei klaren Fenstern). 1.2 Anregungs- und Emissionsspektrum Möchte man ein Anregungsspektrum messen, so detektiert man eine feste Emissionswellenlänge λ em und variiert die Wellenlänge des anregenden Lichts λ ex. Im Gegensatz dazu hält man bei der Aufnahme eines Emissionsspektrums die Anregungswellenlänge λ ex konstant und beobachtet bei verschiedenen Emissionswellenlängen λ em. 1.3 Spektrale und natürliche Bandbreite Als natürliche Bandbreite ν nat bezeichnet man die Halbwertsbreite einer Bande im Spektrum. Unter spektraler Bandbreite ν sp versteht man die Halbwertsbreite der spektralen Dreiecksbande, 2

4 welche man mit einem höher auflösenden Monochromator messen kann. Wird folgende Bedingung erfüllt, so bezeichnet man eine Bande als aufgelöst: λ sp = λ nat 10 (1.1) 1.4 Spektrale Photonenstromdichte Als spektrale Photonenstromdichte Φ Ph, ν ( ν, t) bezeichnet man die Zahl der Photonen pro Zeit, Fläche und Wellenzahl, die mit einem Photomultiplier detektiert wird. Sie wird in einer willkürlichen Einheit gemessen. 1.5 Jablonski-Diagramm Mit Hilfe eines Jablonski-Diagramms kann man die unterschiedlichen elektronischen Übergänge graphisch darstellen und miteinander vergleichen. Wird ein Molekül aus seinem Grundzustand (elektronisch und vibratorisch) durch Absorption elektromagnetischer Strahlung (Abs) angeregt, so befindet es sich z.b. in einem angeregten Schwingungszustand des zweiten elektronischen Zustandes. Nun können zunächst zwei konkurrierende Prozesse eintreten. Zum einen kann durch Schwingungsrelaxation (SR), d.h. Übergänge zwischen unterschiedlichen Schwingungszuständen eines elektronischen Zustandes, Energie an die umgebenden Lösungsmittelmoleküle abgegeben werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, durch Inner Conversion (IC) von einem elektronischen Zustand in einen niedrigeren elektronischen Zustand zu gelangen. Dieser Vorgang ist isoenergetisch und daher strahlungsfrei. Beide Prozesse können miteinander konkurrieren, da sie mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen. Langsamere Prozesse sind in diesem Fall nicht konkurrenzfähig. Das Phänomen der Fluoreszenz findet normalerweise (Ausnahme Azulen) vom Grundzustand des ersten angeregten elektronischen Zustandes (S1) ausgehend statt und endet in einem der Schwingungszustände des elektronischen Grundzustandes (Kasha-Regel). Konkurrierend zur Fluoreszenz tritt ein Übergang namens Intercrossing System (IX) auf, der von einem angeregten Singulettzustand in einen angeregten Triplettzustand oder umgekehrt erfolgt. Miteinhergehend findet eine Spinumkehr statt. Auch dieser Vorgang ist strahlungsfrei. Nach der Relaxation z.b. auf den Grundzustand des ersten Triplettzustandes kann Phosphoreszenz (P) erfolgen. Dieser Übergang in den elektronischen Grundzustand ist spinverboten, kann jedoch als sehr langsamer Prozess (im Sekundenbereich) dennoch stattfinden. Der Triplettzustand ist folglich recht stabil. Abbildung 1.2: Jablonski-Diagramm 3

5 1.6 Excimerenbildung Ein angeregtes Molekül A(S 1 ) kann folgendermaßen seine Energie verringern: ˆ Emission eines Photons: A (S 1 ) A(S 0 ) + hν (1.2) ˆ Reaktion mit Molekül im Grundzustand A (S 1 ) + A(S 0 ) [AA] (S 1 ) (1.3) Der zweite Prozess nennt sich Excimerenbildung und verläuft strahlungsfrei. Je höher die Konzentration der unangeregten Moleküle und je langlebiger das angeregte Molekül, desto wahrscheinlicher ist die Bildung der Excimeren. Den Begriff Exciplex verwendet man, wenn das unangeregte Molekül in 1.3 anderer Art ist als das angeregte. Die angeregten Excimere bzw. Exciplexe können nun wiederum durch Abgabe von Strahlung oder strahlungsfrei zerfallen: [AA] (S 1 ) A(S 0 ) + A(S 0 ) + hν (1.4) 4

6 Kapitel 2 Auswertung 2.1 Aufgabe 1: Spektrale Bandbreiten Zur Vorbereitung wurde ein Anregungsspektrum von 2-Chlornaphthalin in Cyclohexan aufgenommen, um eine geeignete Anregungswellenlänge zu finden (entsprechend einem Minimum im Anregungsprektum). Es wurden fünf Emissionsspektren einer Lösung von 2-Chlornaphthalin in Cyclohexan bei einer Geschwindigkeit on 200 nm/min aufgenommen, wobei die spektrale Bandbreite variiert wurde. Die Parameter der einzelnen Messungen können Tabelle 2.1.entnommen werden, die Spektren Abbildung 2.1 # λ ex λ ex λ em c / 10 9 m / 10 9 / 10 9 mol m ,0 15,0 0, ,0 10,0 0, ,0 5,0 0, ,0 3,0 0, ,0 3,0 0,11 Tabelle 2.1: Parameter für die Messung des Anregungsspektrums von 2-Chlornaphthalin Abbildung 2.1: Emissionsspektrum bei verschiedenen spektralen Bandbreiten In Abbildung 2.1 werden die Auswirkungen verschiedener spektraler Bandbreiten für die Emissi- 5

7 onswellenlänge λ em deutlich. Je kleiner der Spalt, desto niedriger ist die Photonenstromdichte und desto geringer ist λ em,sp. Messung 4 und 5 schwanken nur leicht um den Nullpunkt. Außerdem wird das Signal-Rausch-Verhältnis bei kleinem Spalt sehr schlecht, was besonders bei den Messungen 4 und 5 deutlich wird, da hier keine herausstechenden Banden mehr beobachtet werden. (Messung 4 beinhaltet quasi keine Banden, bei Messung 5 fluktuiert die Photonenstromdichte statistisch um eine Grundlinie). Allerdings ist ein zu großer Spalt ebenfalls nachteilig, da so die Banden nicht mehr sauber aufgelöst werden und somit ineinander verschwimmen. Im Folgenden soll das Verhältnis 1.1 bei verschiedenen Öffnungen des Ausgangsspalts untersucht werden. Die natürliche Bandbreite wird aus vergrößerten Ausschnitten der Spektren ermittelt. Hierbei werden die Messungen 4 und 5 nicht berücksichtigt. Bei Messung 4 sind die Banden so neidrig, dass die natürliche Bandbreite weit unterhalb der Genauigkeit der spektralen bandbreite liegt. Bei Messung 5 wurde keine Bande, deren maximum oberhalb der Nulllinie liegt, beobachtet. In beiden Fällen ist deshalb das Verhältnis 1.1 nicht erfüllt. Abbildung 2.2: Natürliche Bandbreite (Messung 1) Abbildung 2.3: Natürliche Bandbreite (Messung 2) Das beste Emissionsspektrum ist das, das mit einer spektralen Bandbreite von 10,0 nm gemessen wurde: Hier ist das Verhältnis 1.1 erfüllt und die Banden sind klar aufgelöst. Der Spalt im Anregungsstrahlengang sollte groß und die Wellenlänge niedrig sein, damit das Licht, 6

8 Abbildung 2.4: Natürliche Bandbreite (Messung 3) # λ sp λ nat λ sp λ nat 10 / 10 9 m / 10 9 m 1 5,0 80,3 ja 2 5,0 58,8 ja (knapp) 3 5,0 3,5 nein das die Probe erreicht, möglichst intensiv ist. So kann die Probe auch in höhere Energieniveaus angeregt werden. Allerdings ist der Wellemlänge eine Untergrenze gesetzt: Wird sie zu niedrig gewählt, können fotochemische Reaktionen stattfinden, bei denen die untersuchte Probe zerstört wird. Deshalb ist es ratsam, eine ideale Anregungswellenlänge beginnend bei großen Wellenlängen vor einer Messung empirisch zu bestimmen. 2.2 Fluoreszenzemissions- und Absorptionsspektrum Abbildung 2.5: Fluoreszenzemissions- und Absorptionsspektrum In Abbildung 2.5 sieht man deutlich, dass die Absorptionsbanden zu geringeren Wellenlängen, 7

9 Abbildung 2.6: Fluoreszenzanregungs- und Absorptionsspektrum d.h. zu höherer Energie verschoben sind im Vergleich zu den Fluoreszenzbanden. Die absorbierten Photonen sind also energiereicher als die bei der Fluoreszenz abgegebenen Photonen. Bevor Fluoreszenz stattfindet, kann durch strahlungslose Prozesse, wie z.b. Innere Conversion, Schwingungsrelaxation oder Intersystem Crossing Energie verloren gehen, was die Rotverschiebung erklärt. Im Absorptionsspektrum treten bei Wellenlängen von nm niedrige, breite Banden auf, während im Fluoreszenzspektrum nur schmale, hohe Banden zu beobachten sind. Dies hängt damit zusammen, dass Fluoreszenz beim Übergang zwischen energetisch eher weit auseinanderliegenden Zuständen stattfindet während Absorption z.b auch zur Anregung in einen energetisch ähnlichen Schwingungszustand desselben elektronischen Zustands führen kann. Die Abstände der Schwingungsbanden variieren von Spektrum zu Spektrum, da es im Emissionsspektrum zu Reabsorption und Wechselwirkungen zwischen 2-Chlornaphthalin und dem Lösungsmittel kommt. Außerdem sinken mit steigender Energie die Abstände der Energieniveaus, woraus auch unterschiedliche Abstände der Banden resultieren. Wollte man gleiche Abstände der Schwingungsbanden in beiden Spektren erhalten, so müsste man strahlungsfreie Prozesse unterbinden, sodass nach einer Absorption direkt eine Emission erfolgt. Die 0,0-Schwingungsübergänge liegen bei ähnlichen Wellenzahlen, da Fluoreszenz nur aus dem Grundzustand des ersten angeregten Zustandes möglich ist (Kasha-Regel). Die Energien von Absorption und Fluoreszenz sind daher beim Übergang S 0,0 1,0 bzw. S 1,0 0,0 gleich. 2.3 Fluoreszenzanregungs- und Absorptionsspektrum Wir erwarteten, dass das Fluoreszenzanregungs- und das Absorptionsspektrum 2.4 Fluoreszenzemissionsspektrum von Pyren Im folgenden Versuchsteil soll das Fluoreszenzsemissionsspektum von Pyren in Cyclohexan bei verschiedenen Konzentrationen gemessen werden. Die Lösungen werden über eine Verdünnungsreihe hergestellt, wobei sich die Konzentration c P, 0 der Stammlösung folgendermaßen berechnet: c P, 0 = m P,0ρ Cyclo M P m Cyclo (2.1) 8

10 c P, 0 = ( ) ( ) 2 2 ρ Cyclo m P ρ Cyclo m P, 0 + m Cyclo M P m Cyclo M P m 2 (2.2) Cyclo Hierbei sind ˆ Masse Pyren: m P,0 = (0, ± 0, 00001)g ˆ Dichte Cyclohexan 1 : ρ Cyclo = g m 3 ˆ Masse Cyclohexan: m Cyclo = (7, 720 ± 0, 001) g Damit erhält man c 0 = (10, 95 ± 0, 05) mol m 3 Die Konzentrationen der verdünnten Lösungen erhält man mit folgender Gleichung: c i = ±ρ ( V Cyclo c i-1 i-1 c i = V i-1 ρ Cyclo + m i ρ Cyclo c i-1 V i-1 i-1 ρ (2.3) Cyclo + m Cyclo, i V ) 2 + ( V i-1 Hierbei sind c i-1 V i-1 ρ Cyclo + M i ) 2 + ( ˆ Konzentration der in der Verdünnungsreihe vorhergehenden Lösung c i-1 V ˆ entnommenes Volmen der in der Verdünnungsreihe vorhergehenden Lösung V i-1 ˆ Masse des neu zugegebenen Cyclohexans: m Cyclo i-1 c i-1 V i-1ρ Cyclo (V i-1 ρ Cyclo + m i ) 2 Da der Volumenfehler der verwendeten Pipetten nicht in unserem Signifikanzbereich liegt ( V i-1 < 0, 0005mL), kann er vernachlässigt werden. Es werden folgende Lösungen erhalten: Es wird von einer Probe jeder Konzentration ein Fluoreszenzemissionsspektrum gemessen. Im Spektrum sind zwei Emissionsbanden bei 390 nm und 470 nm zu beobachten, wobei erstere schmal und stark und zweitere breit und mittelstark ist. Auffallend ist, wie sich die Banden bei verschiedenen Konzentrationen verändern: Die höherenergetische Bande wird mit abnehmender Konzentration stärker, bei der niedrigsten Konzentration ist sie so stark wie bei c 4. Die Zunahme der Photonenstromdichte mit sinkender Teilchenzahl ist damit zu begründen, dass bei hoher Konzentration Selbstabsorption stattfindet, d.h. dass nicht angeregte Moleküle die bei der Fluoreszenz frei werdenden Photonen absorbieren. Die niederenergetische Bande wird zunächst stärker, ab c 3 jedoch wieder schwächer. Dies ist auf Excimerenbildung zurückzuführen (siehe Kapitel 1.6). Bei sehr hoher Konzentration findet Selbstabsorption statt, bei mittlerer Konzentration jedoch können sich Excimere, die bei ca. 470 nm emittieren, bilden. Je niedriger die Konzentration des Pyrens wird, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein angeregtes Pyrenmolekül auf ein Pyrenmolekül im grundzustand trifft, sodass ein Excimer entstehen kann; die Excimerenkonzentration nimmt ab, somit auch die Emission bei diesem Peak. Auch die Breite dieser Bande deutet auf Excimere hin: Zerfällt ein Excimer, wird die Energie sowohl in Form von Photonen als auch kinetischer Energie durch die Abstoßung der beiden Moleküle voneinander frei. Da kontinuierlich variieren kann, unterscheidet sich auch die Energie des emittierten Lichts. Durch kontinuierliche Emission in einem größeren Wellenlängenbereich entsteht eine breite Bande im Spektrum. 1 CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press 2007 (2.4) ) 2 + ( m i (V i-1 ρ C 9

11 2.5 Fluoreszenzsanregungsspektrum von Pyren ls Werte der Photonenstromdichten wurden die Maximalwerte bei λ em = 380nm und λ em = 470nm aus Aufgabe 4 verwendet: In folgender Messung wird das Anregungsspektrum von Pyren in Cyclohexan aufgenommen. Das der niederenergetischen Emissionsbande zugeordnete Anregungsspektrum weist zwei Peaks auf, einen bei 360 nm und einen be 470 nm. Das zur höherenergetischen Emissionsbande gehörende Spektrum hat nur eine Anregungsbande bei 360 nm. Insgesamt ist die Anregung der niederenergetischen Fluoreszenz stets stärker als die zur höherenergetischen. Dass das zur Fluoreszenz der Excimeren gehörende Spektrum (λ em = 470nm) bei 360 nm den gleichen Peak aufweist wie das Spektrum zur Anregung der Monomeren beweist, dass sich die Excimere aus einm angeregten Pyrenmolekül und einem Pyrenmolekül im Grundzustand bilden und sich nicht zunächst ein Dimer zweier Pyrenmoleküle im grundzustand bildet, das schließlich angeregt wird. Statt einem Fluoreszenzanregungsspektrum hätte man auch ein Absorptionsspektrum heranziehen können, um diese Tatsache zu zeigen. 2.6 Zusammenhang zwischen Photonenstromdichte und Konzentration Im folgenden sind die mit verschiedenen Gleichgewichtskonstanten k i ablaufenden Reaktionen der aus dem Monomer [A] gebildeten Excimere in der Probelösung aufgelistet: A + A k 1 [AA] [AA] [AA] [AA] (2.5) k2 A + A + hν (2.6) k3 A + A (2.7) k 1 A + A Hieraus lässtt sich folgendes Geschwindigkeitsgesetz aufstellen: (2.8) d [ [AA] ] dt = k 1 [A] [A ] k 1 [ [AA] ] k 2 [ [AA] ] k 3 [ [AA] ] (2.9) = k 1 [A] [A ] [ [AA] ] (k 1 + k 2 + k 3 ) (2.10) Im Gleichgewicht ändert sich die Geschwindigkeit nicht mehr, die Änderung kann also mit Null gleichgesetzt werden: d [ [AA] ] = 0 (2.11) dt es ergibt sich nun [ k ] 1 [AA] [A] = k 1 + k 2 + k 3 [A ] Für die spektrale Photonenstromdichte gilt (2.12) Ψ P h ( [AA] ) = a [[AA] ] (2.13) Ψ P h (A ) = b [A ] (2.14) Setzt man diese Beziehung in Gleichung 2.13 ein, erhält man k 1 [A] = b Ψ ( ) Ph [AA] k 1 + k 2 + k 3 a Ψ Ph (A Ψ ( ) Ph [AA] ) Ψ Ph (A = k [A] (2.15) ) 10

12 a k 1 b (k 1+k 2+k 3) hierbei ist abhängig von den Geschwindigkeitskonstanten und den Proportionalitätsfaktoren a und b. Der hergeleitete Zusammenhang soll anhand unserer Messergebnisse überprüft werden. Die Photonenstromdichten werden aus Abbildung 2.7 erhalten. Für die durch das Excimer wird sie bei λ em = 470nm und für das Monomer bei λ em = 390nm abgelesen. Durch Auftragung und lineare Regression 2 erhält man für die Steigung m = 0, 5390 ± 0, 0217 Der Achsenabschnitt ist nahe dem theoretischen Achsenabschnitt b = 0: b = 0, 1569 ± 0, Die geringe Standardabweichung R 2 = 0, 9951 bestätigt den linearen Zusammenhang. 2 Die lineare Regression wurde mit dem Programm QtiPlot durchgeführt. 11

13 V i-1 V Cyclo c i / mol m 3 c i / mol m 3 c 1-10,95 0,05 c 2 4:6 4,401 0,020 c 3 1:1 2,207 0,010 c 4 1:1 1,105 0,005 c 5 2:8 0,2233 0,0010 Tabelle 2.2: Konzentration der Pyrenlösungen λ ex λ ex λ em Geschwindigkeit 345 nm 10 nm 15 nm 200 nm min 1 Tabelle 2.3: Messparameter für das Anregungsspektrum von Pyren Abbildung 2.7: Fluoreszenzemissionsspektrum von verschiedenen Pyrenkonzentrationen in Cyclohexan λ em 380 nm und 470 nm λ ex 10 nm λ em 15 nm Geschwindigkeit 200 nm min 1 Konzentration c 3 Tabelle 2.4: Messparameter für das Anregungsspektrum von Pyren c p /mol m 3 ( Ψ ) Ph [AA] Ψ Ph (A ) ( Ψ ) Ph [AA] Ψ Ph (A ) c 1 25,99 4,44 5,85 c 2 148,72 75,51 1,97 c 3 222,42 233,64 0,95 c 4 191,50 373,35 0,51 c 5 42,80 386,27 0,11 Tabelle 2.5: Werte zur Überprüfung des hergeleiteten theoretischen Zusammenhangs 12

14 Abbildung 2.8: Fluoreszenzanregungsspektrum von Pyren 13