Lumineszcencia. Lumineszcencia. Molekulaszerkezet. Atomszerkezet

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Lumineszcencia. Lumineszcencia. Molekulaszerkezet. Atomszerkezet"

Emil Fehér
5 évvel ezelőtt
Látták:

Lumineszcencia Lumineszcencia Alapok, tulajdonságok Molekula energiája Spinállapotok

lumineszcencia mérése Polarizáció, anizotrópia Alkalmazások, néhány specialitás

kibocsátani - lumineszcencia Növekvő energiájú pályák Molekula: kovalens kötéssel

, hidrogénmolekula) Vonalas emissziós Fotonemisszió: E=hf magasabb energiájú (

Példák a vibrációs mozgásra háromatomos (metilén) csoportban (-CH 2-): Vibráció:

1 Lumineszcencia Lumineszcencia Alapok, tulajdonságok Molekula energiája Spinállapotok Lumineszcencia típusai Lumineszcencia átmenetei A lumineszcencia paraméterei A lumineszcencia mérése Polarizáció, anizotrópia Alkalmazások, néhány specialitás Atomszerkezet Molekulaszerkezet A testek a hőmérsékleti sugárzáson felül képesek fényt kibocsátani - lumineszcencia Növekvő energiájú pályák Molekula: kovalens kötéssel összekapcsolt atomok Legegyszerűbb eset: kétatomos molekula (pl., hidrogénmolekula) Vonalas emissziós Fotonemisszió: E=hf magasabb energiájú ( gerjesztett állapotok) A molekulák vibrációs és rotációs mozgásokat végeznek! Példák a vibrációs mozgásra háromatomos (metilén) csoportban (-CH 2-): Vibráció: kovalens kötés mentén történő periodikus mozgás Rotáció: kovalens kötés tengelye körüli periodikus mozgás Aszimmetrikus nyúlás Szimmetrikus nyúlás Ollózás

Molekula energiája Energia állapotok ábrázolása Max Born (1882-1970) J.

2 Molekula energiája Energia állapotok ábrázolása Max Born ( ) J. Robert Oppenheimer ( ) Born-Oppenheimer - közelítés: E total = E e + E v + E r Fontos megjegyzések: Energia állapotok egymástól függetlenek (csatolás elhanyagolható) Állapotok energianívói kvantáltak Átmenetek energia csomag elnyelésével/kibocsátásával járnak Energiaszintek közötti különbségek nagyságrendje különbözik: ~100x ~100x E e > E v > E r ~3x10-19 J (~2 ev) > ~3x10-21 J > ~3x10-23 J Jabłoński-féle termséma: egy molekula elektronállapotait, és a közöttük végbemenő átmeneteket (nyilakkal) mutatja Elektron energiaszintek (vastag vonalak) Alexander Jabłoński ( ) Vibrációs energiaszintek (vékony vonalak) Első gerjesztett állapot Alapállapot Wolfgang Pauli ( ) Spinállapotok Pauli-elv: Minden kvantumállapotot csak egyetlen elektron tölthet be. Egy atomon belül nem létezhet két olyan elektron, amelynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. betöltött alhéj: spin párosítás (ellentétes spinű elektronok párosodnak) Szingulett és triplett állapotok: az eredő spinállapothoz rendelt mágneses momentum orientációinak száma (mágneses térben) = 2S+1 = 1 (szingulett) vagy 3 (triplett). (S = eredő spin, pl. betöltött alhéj esetén (+1/2)+(-1/2) = 0) S: szingulett állapot: ellentétes spinű párosított elektronok, eredő spin (S) = 0, orientációk száma (2S+1) = 1. T: triplett állapot: a molekulában azonos spinállapotú elektronok vannak, eredő spin = 1 (pl. (+1/2)+(+1/2) = 1), orientációk száma (2S+1 = 2+1) = 3. gerjesztett energianívó Lumineszcencia Gerjesztett állapotból fényemisszióval járó relaxáció A hőmérsékleti sugárzáson felül kibocsátott sugárzás Hideg fény Fluoreszcencia és foszforeszcencia alap energianívó Szingulett alapállapot Gerjesztett szingulett állapot Gerjesztett triplett állapot

A lumineszcencia egyszerűsített lépései A lumineszcencia típusai (Atomi rendszer!

Biolumineszcencia kémiai reakció kemilumineszcencia, biolumineszcencia termikusan aktivált ion-rekombináció termolumineszcencia töltés

szonolumineszcencia Emisszió De-excitáció (relaxáció az alapállapotba) Gerjesztett állapot szerint első gerjesztett szingulett állapot

Kasha-szabály Energia Jablonski diagram (termséma) Belső konverzió Vibrációs relaxáció Intersystem crossing Belső konverzió: sugárzásmentes

S 2 S 1) Vibrációs relaxáció: egy adott elektron energiaállapoton belüli de-excitációs folyamat Intersystem crossing : rendszerek közötti,

3 A lumineszcencia egyszerűsített lépései A lumineszcencia típusai (Atomi rendszer!) Abszorpció Gerjesztés (magasabb energiaszintre lépés) Gerjesztés módja szerint abszorpció Lumineszcencia típusa fotolumineszcencia Biolumineszcencia kémiai reakció kemilumineszcencia, biolumineszcencia termikusan aktivált ion-rekombináció termolumineszcencia töltés injekció elektrolumineszcencia nagyenergiájú radioaktív sugárzás radiolumineszcencia súrlódás tribolumineszcencia hanghullámok szonolumineszcencia Emisszió De-excitáció (relaxáció az alapállapotba) Gerjesztett állapot szerint első gerjesztett szingulett állapot legalsó (gerjesztet) triplett állapot Lumineszcencia típusa fluoreszencia foszforeszcencia Szentjánosbogár A lumineszcencia folyamatai Kasha-szabály Energia Jablonski diagram (termséma) Belső konverzió Vibrációs relaxáció Intersystem crossing Belső konverzió: sugárzásmentes átmenet elektron energiaállapotok között (pl. S 2 S 1) Vibrációs relaxáció: egy adott elektron energiaállapoton belüli de-excitációs folyamat Intersystem crossing : rendszerek közötti, spinátfordulással járó átmenet (pl. S 1 T 1) Fotonemisszió (fluoreszcencia vagy foszforeszcencia) a legalacsonyabb gerjesztett elektron-energiaállapot (S 1, T 1) legalacsonyabb vibrációs szintjéről történő átmenet során lép fel. S 2 S 1 Gerjesztés Fluoreszcencia Foszforeszcencia Michael Kasha (1920-) Amerikai fizikus S 0

Az átmenetek sebessége (időskálája) A lumineszcencia tulajdonságai I. gerjesztés 10-15 s fluoreszcencia 10-9 s foszforeszcencia 10-6 - 10 s Intenzitás (norm.

emissziós ok tükörszimmetrikusak Stokes shift alapállapot gerjesztett állapot relaxáció vibrációs relaxáció 10-12 s kioltás vagy energiatranszfer belső konverzió (hő) Triptofán ai Hullámhossz (nm)

4 Az átmenetek sebessége (időskálája) A lumineszcencia tulajdonságai I. gerjesztés s fluoreszcencia 10-9 s foszforeszcencia s Intenzitás (norm.) Fluoreszcencia gerjesztési (emisszió 340 nm-nél) Lumineszcencia ok Fluoreszcencia emissziós (gerjesztés 295 nm-nél) Foszforeszcencia emissziós (gerjesztés 295 nm-nél) Sávos színkép Gerjesztési és emissziós ok tükörszimmetrikusak Stokes shift alapállapot gerjesztett állapot relaxáció vibrációs relaxáció s kioltás vagy energiatranszfer belső konverzió (hő) Triptofán ai Hullámhossz (nm) George Stokes ( ) Fluoreszcens festékmolekulák: fluorofórok Fluorofórok célzott bekötésével nem fluoreszkáló molekulák is vizsgálhatóvá válnak ( fluoreszcens jelölés ) A lumineszcencia tulajdonságai II. A fluoreszcencia mérése Φ = Kvantumhatásfok emittált fotonok száma abszorbeált fotonok száma 1 Fluoreszcencia spektrométer ( Steady-state spektrofluoriméter) A gerjesztett állapot élettartama dn dt = ( k f + k nr ) N ( )t N = N 0 e k f +k nr 1 τ = k f + k nr knr=nem sugárzásos átmenetek sebességi állandói N=gerjesztett állapotú molekulák száma t=idő kf=fluoreszcencia sebességi állandó knr=nem-sugárzásos átmenetek sebességi állandója τ=fluoreszcencia élettartam Gerjesztési hullámhossz változtatásával felvett Gerjesztési λem= konstans (emissziós maximum) Xe-lámpa Gerjesztő monokromátor (λex változtatható) Emissziós monokromátor (λem változtatható) Küvetta (minta) Fotodetektor Emissziós hullámhossz változtatásával felvett Emissziós λex= konstans (gerjesztési maximum)

A fény elektromágneses hullám polarizálható Térben tovaterjedő

Polarizáció, anizotrópia J z z Mágneses tér oszcillációja abszorpciós vektor

az elektromos vektorral párhuzamos abszorpciós vektorú festékmolekulák

oszcillációja Tovaterjedés iránya Fluorofórokhoz rendelhető abszorpciós és

Abszorpció képessége függ cos 2 α-tól (α az absz.

Polarizáció: Anizotrópia: y H J V J H additív mennyiség nevezőben a teljes

alkalmazásai Két-foton fluoreszcencia Fluoreszcencia mikroszkópia DNS

technológia Immunfluoreszcencia Fluoreszcencia-aktivált sejt válogatás (FACS)

photoleaching (FRAP) Fluoreszcens fehérjekonjugációs technikák Kvantum pontok

5 A fény elektromágneses hullám polarizálható Térben tovaterjedő elektromágneses zavar. Tranzverzális hullám. Ezért polarizálható. Polarizáció, anizotrópia J z z Mágneses tér oszcillációja abszorpciós vektor Vertikálisan síkpolarizált gerjesztő fény Fotoszelekció: random populációból az elektromos vektorral párhuzamos abszorpciós vektorú festékmolekulák kiválasztása x J x J y V polarizációs szűrő Hullámhossz Elektromos tér oszcillációja Tovaterjedés iránya Fluorofórokhoz rendelhető abszorpciós és emissziós vektor: megszabja a foton abszorpció és emisszió valószínűségét. Abszorpció maximális, ha az absz. vektor és a fény elektromos térerővektora párhuzamos. Abszorpció képessége függ cos 2 α-tól (α az absz. vektor és a fény elektromos vektora közötti szög). Polarizáció: Anizotrópia: y H J V J H additív mennyiség nevezőben a teljes gerjesztő intenzitás (JVHx=JVHy) A fluoreszcencia orvosibiológiai alkalmazásai Két-foton fluoreszcencia Fluoreszcencia mikroszkópia DNS szekvenálás (lánc terminációs módszer) DNS festés (EtBr) DNS microarray technológia Immunfluoreszcencia Fluoreszcencia-aktivált sejt válogatás (FACS) Förster rezonancia energia transzfer (FRET) Fluorescence recovery after photoleaching (FRAP) Fluoreszcens fehérjekonjugációs technikák Kvantum pontok (quantm dots) Minta Emisszió Fókuszpont EXCITED GERJESZTETT STATE ÁLLAPOT Emisszió λ=350 nm λ=700 nm Exc. Exc. Foton GROUND ALAPÁLLAPOT STATE EGYFOTON GERJESZTÉS (1P) Objektívlencse Foton KÉTFOTON GERJESZTÉS (2P) 2P 1P Vesekéreg - tubuláris rendszer (vörös: ér) Agykérgi piramissejtek

Szuperfelbontású mikroszkópia A feloldási problémát

függ) Sztochasztikus adatgyűjtés egyedi fluorofórokról A

Bekapcsolt fluorofórok 1 Bekapcsolt fluorofórok 2 A lumineszcencia

A fluoreszcencia ot a Stokes-féle eltolódás jellemzi.

6 Szuperfelbontású mikroszkópia A feloldási problémát pozíciómeghatározási problémává alakítjuk Összefoglalás Feloldási probléma (Abbé-elv) d d = 0.61λ n sinα Pozíciómeghatározási probléma (pontosság a fotonszámtól függ) Sztochasztikus adatgyűjtés egyedi fluorofórokról A molekulaszerkezet és energiaállapotok fontos szerepet játszanak a lumineszcenciában. STORM: stochastic optical reconstruction microscopy Mikrotubulusok Bekapcsolt fluorofórok 1 Bekapcsolt fluorofórok 2 A lumineszcencia molekuláris de-excitáció (relaxáció) melyet fénykibocsáts követ. A fluoreszcencia ot a Stokes-féle eltolódás jellemzi. A kvantumhatásfok és fluoreszcencia élettartam fontos lumineszcencia paraméterek. Adatgyűjtési folyamat Bekapcsolt fluorofórok 3 Bekapcsolt fluorofórok 4 Pozíciókból számított kép Mikrotubuláris rendszer

Hasonló dokumentumok

Lumineszcencia. Lumineszcencia. mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Alapjai, tulajdonságai, mérése. Kellermayer Miklós

Lumineszcencia. Lumineszcencia. mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Lumineszcencia mindenütt. Alapjai, tulajdonságai, mérése. Kellermayer Miklós Alapjai, tulajdonságai, mérése Kellermayer Miklós Fotolumineszcencia Radiolumineszcencia Fotolumineszcencia Radiolumineszcencia Aurora borrealis (sarki fény) Biolumineszcencia GFP-egér Biolumineszcencia