Phđn tử sau khi hấp thụ năng lượng ânh sâng để chuyển lín trạng thâi kích thích có mức năng lượng lă S1 hoặc S2 đều có giâ trị lớn hơn mức năng lượng ban đầu của phđn tử lă So. Trong khoảng 10-13 giđy, phđn tử ở mức năng lượng E2 phải giải phóng một phần năng lượng dư thừa qua con đường thải nhiệt ra môi trường để trở về trạng thâi kích thích có mức năng lượng thấp hơn lă S1 (con đường 1 ở hình 8.3). Khi phđn tử ở mức năng lượng S1 nó sẽ trở về mức năng lượng cơ bản So qua câc con đường sau:
Quâ trình tỏa nhiệt (đường 2, 3, 4 trín hình 8.3) Phât huỳnh quang (đường b trín hình 8.3) S1 Phât lđn quang (đường c trín hình 8.3)
Vận chuyển năng lượng
Cung cấp năng lượng cho câc phản ứng quang hóa
1. Sự phât huỳnh quang
Khi câc phđn tử chuyển từ trạng thâi kích thích có mức năng lượng thấp nhất lă S1 xuống trạng thâi cơ bản lă So thì sẽ phât ra ânh sâng huỳnh quang. Sự phât ra ânh sâng huỳnh quang có thể biểu diễn dưới dạng:
S1 → So + hγ'
γ': Tần số ânh sâng huỳnh quang ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ λ = γ ' v '
v: Vận tốc ânh sâng; λ': Bước sóng huỳnh quang
Thời gian phđn tử dừng ở trạng thâi singlet S1 lă từ 10-9đến 10-8 giđy, cho nín cũng được xem lă thời gian kĩo dăi của sự phât ra ânh sâng huỳnh quang. Do vậy, sự phât huỳnh quang chỉ xảy ra trong thời gian chiếu sâng mẫu vật, còn khi ngừng chiếu sâng thì sự phât huỳnh quang sẽ tắt.
Đặc trưng của ânh sâng huỳnh quang lă phổ huỳnh quang. Phổ huỳnh quang lă đường cong phụ thuộc của cường độ huỳnh quang văo bước sóng ânh sâng huỳnh quang (λ'). Để
nghiín cứu phổ huỳnh quang, câc nhă nghiín cứu dùng hệ thống câc kính lọc, được bố trí theo sơđồ sau:
1 2 3 hγ', 4 hγ
Hình 8.4: Sơđồ ghi phổ huỳnh quang.
1) Kính lọc chỉ cho ânh sâng có λ mă dung dịch nghiín cứu hấp thụ (với dung dịch protein thì λ = 280 nm) đi qua.
2) Dung dịch nghiín cứu phổ huỳnh quang (dung dịch protein).
3) Kính lọc chỉ cho ânh sâng huỳnh quang do phđn tử chất nghiín cứu phât ra. 4) Mây ghi phổ huỳnh quang.
Sự phât huỳnh quang tuđn theo câc qui luật sau:
* Qui luật Stock: Phổ huỳnh quang luôn dịch chuyển về phía bước sóng dăi hơn so với
điểm hấp thụ cực đại của phổ hấp thụ. Bởi vì phđn tử hấp thụ năng lượng ânh sâng kích thích có E = h.γ = h.
λ
v
(đường A trín hình 8.3) đê mất một phần năng lượng do thải nhiệt (đường 1 trín hình 8.3) để trở về mức S1 vă khi chuyển về mức So đê phât ra ânh sâng huỳnh quang có năng lượng E' = hγ' = h.
' v
λ . Ởđđy E > E' nín λ < λ', tức lă năng lượng ânh
sâng kích thích lớn hơn năng lượng ânh sâng huỳnh quang nín bước sóng ânh sâng kích thích ngắn hơn so với bước sóng ânh sâng huỳnh quang. Ví dụ chiếu dung dịch protein ânh sâng kích thích có λ=280nm thì câc phđn tử protein sẽ phât ra ânh sâng huỳnh quang có bước sóng dăi hơn lă λ=340nm.
Chlorophyll) không phụ thuộc văo bước sóng ânh sâng kích thích vì ânh sâng huỳnh quang được phât ra khi phđn tử chuyển từ mức năng lượng S1→So. Khi phđn tử hấp thụ
năng lượng ânh sâng để chuyển lín câc mức năng lượng cao hơn S1, qua con đường thải nhiệt để cuối cùng đều chuyển về mức S1 để sau đó phât ânh sâng huỳnh quang. Ví dụ
Chlorophyll có thể hấp thụ cả ânh sâng xanh (λ=440nm) vă ânh sâng đỏ (λ=700nm) nín khi chiếu dung dịch Chlorophyll dù lă ânh sâng xanh hay ânh sâng đỏ thì phổ huỳnh quang của Chlorophyll vẫn không thay đổi.
* Qui luật Levin: Phổ hấp thụ vă phổ huỳnh quang đối xứng quanh một bước sóng λo (xem hình 8.5). Qui luật đúng với phđn tử có cấu trúc đơn giản.
1
2
λ1 λo λ2 λ
D
Hình 8.5: Phổ hấp thụ (1) vă phổ huỳnh quang (2) đối xứng qua λo
2. Sự phât lđn quang
Khi phđn tử hấp thụ năng lượng ânh sâng để chuyển từ mức năng lượng cơ bản So lín mức kích thích S1 vă khi trở về trạng thâi ban đầu có thể bằng sự thải nhiệt (đường 2, hình 8.3) hoặc phât huỳnh quang (đường b, hình 8.3), hoặc thải nhiệt để chuyển về mức triplet (đường 3, hình 8.3), sau đó phđn tử chuyển từ mức triplet về mức So vă phât ra ânh sâng lđn quang (đường c, hình 8.3). Sự phât lđn quang có thể biểu diễn dưới dạng:
T→So+hγ*
γ*: Tần số ânh sâng lđn quang ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ λ = γ* v* .
Lđn quang cũng được đặc trưng bởi phổ lđn quang. Phổ lđn quang lă đường cong phụ
thuộc của cường độ ânh sâng lđn quang văo bước sóng ânh sâng lđn quang (λ*). Phổ lđn quang luôn dịch chuyển về phía ânh sâng có bước sóng dăi hơn so với phổ hấp thụ vă phổ
huỳnh quang. Nguyín do vì ht 'hq Elq h. v* ' v . h E v . h E λ = > λ = > λ
= suy ra bước sóng ânh sâng hấp thụ (λ) nhỏ hơn bước sóng ânh sâng huỳnh quang vă bước sóng ânh sâng huỳnh quang (λ') lại nhỏ hơn bước sóng ânh sâng lđn quang (λ*) (xem hình 8.6). Sự phât lđn quang kĩo dăi từ 10-4 đến 10-2 giđy, tức lă lđu hơn so với sự phât huỳnh quang. Do vậy khi đê tắt ânh sâng chiếu nhưng sự phât lđn quang vẫn có thể xảy ra.
1 2 λ λ' λ D 3 λ*
Hình 8.6: Phổ hấp thụ (1), phổ huỳnh quang (2) vă phổ lđn quang (3) (λ<λ'<λ*).
3. Sự vận chuyển năng lượng
Phđn tử hấp thụ năng lượng ânh sâng đê chuyển từ mức năng lượng thấp lă So lín mức năng lượng cao lă S1. Khi phđn tử chuyển từ mức năng lượng S1→So, nó có thể qua con
đường thải nhiệt, phât huỳnh quang hay lđn quang, hoặc nó có thể chuyền năng lượng cho phđn tử khâc. Giả sử phđn tửở trạng thâi kích thích lă chất cho năng lượng (ký hiệu lă M1*) còn chất nhận năng lượng lă phđn tử ở trạng thâi cơ bản (ký hiệu lă Mo) thì quâ trình chuyền năng lượng có thể viết dưới dạng:
M*1+Mo→M1+M*0 *
0
M lă phđn tửở trạng thâi kích thích vă có mức năng lượng cao hơn so với năng lượng của phđn tử Mo.
Quâ trình chuyền năng lượng lă một quâ trình vật lý, không kỉm theo sự biến đổi hoâ học vă không cần M1 va chạm với Mo. Sự chuyền năng lượng có thể xảy ra theo nhiều cơ chế
nhưng ở đđy chỉ xĩt cơ chế chuyền năng lượng theo cộng hưởng cảm ứng. Để có sự
chuyền năng lượng theo cơ chế năy cần có một sốđiều kiện sau:
- Chất cho năng lượng phải có khả năng phât huỳnh quang, đặc trưng bởi cường độ
phât quang lă J.
*1 1 M
- Phổ huỳnh quang của chất cho phải có vùng chung với phổ hấp thụ của chất nhận M
*1 1 M
o (xem hình 8.7), đặc trưng bởi mật độ quang học lă D.
J
D
λ
- Khoảng câch giữa chất cho vă chất nhận năng lượng M
*1 1 M
o phải nhỏ hơn giâ trị tới hạn cho phĩp. Ở một số điều kiện khi khoảng câch trung bình giữa chất cho vă chất nhận năng lượng đạt khoảng câch từ 20 đến 100 thì có thể chuyền toăn bộ năng lượng cho M
o
A M1*
o, tức lă hiệu suất chuyển năng lượng bằng một (ϕ=1). Với hệ có chứa nhiều phđn tử có khả năng hấp thụ ânh sâng để chuyển lín trạng thâi kích thích thì khả
năng xảy ra sự chuyền năng lượng đối với phđn tử
protein đạt chỉ văi phần trăm còn axit nucleic đạt 30% J D
Hình 8.7: Phổ phât quang của chất M*1
lă J vă phổ hấp thụ của chất Mo lă D có vùng chung (phần gạch ngang)
vă ở hệ có nhiều phđn tử hấp thụ ânh sâng thì có thểđạt tới 100%.
V. Phản ứng quang hóa
Phản ứng quang hóa lă những phản ứng xảy ra trong hệ dưới tâc dụng của ânh sâng. Phản
ứng quang hóa năo cũng đều trải qua hai giai đoạn. Giai đoạn đầu lă giai đoạn được chiếu sâng đê xảy ra sự hấp thụ năng lượng ânh sâng để tạo nín những phđn tử bị kích thích, câc ion vă câc gốc tự do. Giai đoạn thứ hai lă giai đoạn tối (không cần sự chiếu sâng) tiếp tục xảy ra câc phản ứng với sự tham gia của câc sản phẩm quang hóa được hình thănh từ
giai đoạn sâng để tạo nín sản phẩm quang hóa bền vững. Tốc độ phản ứng quang hóa
được xâc định bằng nồng độ phđn tử chất tham gia văo phản ứng trong một đơn vị thời gian (ký hiệu lă
dt dC
). Phđn tử chỉ có thể tham gia văo phản ứng khi đê hấp thụ lượng tử
ânh sâng để chuyển lín trạng thâi kích thích (tức đê được hoạt hóa). Do vậy, tốc độ phản
ứng quang hóa phải bằng số lượng tử ânh sâng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian (ký hiệu lă dt dN ). Từđó có phương trình: dt dN dt dC = (8.15)
Số lượng tử ânh sâng được hấp thụ trong một đơn vị thời gian tỉ lệ thuận với số lượng tử
ânh sâng chiếu văo hệ (ký hiệu lă I), nồng độ phđn tử chất hấp thụ (C) vă tiết diện bề mặt bị chiếu sâng (S). Từđó có phương trình:
dt dN = S.C.I (8.16) Từ (8.15) suy ra: dt dC = S.C.I (8.17)
Tuy nhiín, không phải tất cả năng lượng photon đều được câc phđn tử hấp thụđể chuyển lín trạng thâi kích thích vă sau đó phđn tử kích thích tiếp tục tham gia văo phản ứng mă có một số phđn tử kích thích không tham gia văo phản ứng mă trở về trạng thâi ban đầu bằng câch thải nhiệt ra môi trường hay phât quang. Vì thế có khâi niệm hiệu suất quang hóa (hay suất lượng tử, ký hiệu lă ϕ) được xâc định theo công thức:
Số photon được phđn tử hấp thụđể tham gia văo phản ứng (N2)
ϕ = Số photon được hệ hấp thụ (N1) Hay: 1 2 N N = ϕ (8.18)
Trín thực tế giâ trịϕ bao giờ cũng nhỏ hơn 1 vă chỉđạt văi phần trăm đến văi chục phần trăm. Ví dụ như hiệu suất quang hóa của phản ứng khử hoạt tính của men khi bị chiếu sâng chỉđạt từ 10-3đến 10-2 (tức từ 1000→1%), nghĩa lă một phđn tử men phải hấp thụ từ
100 đến 1000 photon mới bị mất hoạt tính xúc tâc. Sở dĩ hiệu suất quang hóa có giâ trị
thấp như vậy lă do chỉ có một số ít phđn tử sau khi hấp thụ photon đê tham gia văo phản
ứng. Từ đó dẫn tới khâi niệm tiết diện quang sinh (δ) vă được cho rằng chỉ khi photon
đập trúng tiết diện quang sinh của phđn tử mới dẫn tới phđn tử tham gia văo phản ứng. Bđy giờ hiệu suất quang hóa được tính theo công thức:
S
δ =
ϕ (8.19)
δ < S →ϕ < 1
Phương trình (8.17), thay khâi niệm tiết diện bề mặt bị chiếu sâng bằng tiết diện quang sinh sẽđược viết dưới dạng:
dt dC
= - δ.C.I (8.20)
Dấu trừ biểu hiện nồng độ phđn tử kích thích khi tham gia văo phản ứng quang hóa sẽ
giảm dần theo thời gian. Phương trình (8.20) có thể viết dưới dạng: C
dC
= - δ.I.dt (8.21)
Nếu lấy thời gian bắt đầu xảy ra phản ứng quang hóa lă không giđy, ứng với nồng độ ban
đầu của câc phđn tử tham gia văo phản ứng quang hóa lă Co thì sau thời gian lă t, số phđn tử kích thích chưa tham gia văo phản ứng lă C. Lấy tích phđn hai vế (8.21) ta có:
∫ =−δ C C t O o dt I . C dC ∫ → o C C ln = - δ.I.t t . I . o t . I . o e . C C e C C = −δ → = −δ (8.22)
Nồng độ phđn tử kích thích tham gia văo phản ứng quang hóa sẽ giảm dần theo thời gian.
Đểđânh giâ tốc độ phản ứng quang hóa có phụ thuộc văo bước sóng ânh sâng chiếu (λ), người ta đo tốc độ phản ứng quang hóa ⎟
⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ dt dC
ở những bước sóng khâc nhau nhưng có cùng một cường độ ânh sâng lă I (tức lă cùng số lượng tử ânh sâng chiếu văo mẫu vật). Khi đó giâ trị
dt dC
/I sẽ phụ thuộc văo bước sóng ânh sâng chiếu được gọi lă đo quang phổ
hoạt động của phản ứng quang hóa.
Quang phổ hoạt động của phản ứng quang hóa có dạng trùng với quang phổ hấp thụ của câc phđn tửđê tham gia văo phản ứng quang hóa.
Ví dụ: Trong quang phổ hoạt động của quâ trình quang hợp, xuất hiện đỉnh cực đại ở
vùng bước sóng 480nm - 500nm mă carotin cũng có đỉnh hấp thụ cực đại tại vùng bước sóng năy, chứng tỏ carotin có tham gia văo quâ trình quang hợp. Hoặc khi chiếu ânh sâng lín dung dịch men thể hiện phổ hoạt động của phản ứng quang hóa dẫn tới khử hoạt tính men trùng với phổ hấp thụ của axit amin thơm. Điều năy chứng tỏ axit amin thơm trong thănh phần cấu tạo của phđn tử men đê tham gia văo phản ứng quang hóa nín dẫn tới lăm cho phđn tử men bị mất hoạt tính xúc tâc.
Nếu chất A hấp thụ năng lượng ânh sâng nhưng tham gia văo phản ứng quang hóa lại lă chất B thì phổ hoạt động vă phổ hấp thụ của chất B phải trùng nhau. Như vậy có nghĩa lă chất A đê chuyền năng lượng cho chất B (A+hγ→A*→B→B*) để chất B chuyển lín trạng thâi kích thích (B*) vă tham gia văo phản ứng quang hóa. Nếu trong hệ có nhiều chất, khi chiếu sâng vă nghiín cứu phổ hoạt động, sau đó so sânh với phổ hấp thụ của những chất đê biết sẽ xâc định được chất năo đê chuyền năng lượng (nín không có phổ
hoạt động) vă chất năo đê tham gia văo phản ứng quang hóa (nín có phổ hoạt động).