Marek Sikorski
3. PODSUMOW ANIE
Czas życia fluorescencji ksantionu (XT-d0), wyznaczony w pracach po święconych metodzie EPSM T (58 ps w 3-metylopentanie) [9] i metodzie D FC M (23 ps w benzenie) [10], odbiega dosyć znacznie od wartości podawa nych przez Toppa i wsp. (25 ps w 3-metylopentanie i 11 ps w benzenie) w pracy [42]. Podawane w pracy [31], poświęconej metodzie DFCM, wartości czasu życia fluorescencji XT-d0 to 88 ps w etanolu i 90 ps w metylocykloheksanie, także odbiegają znacznie od podawanych przez Toppa i wsp., a równych odpowiednio 17 ps i 14 ps. Wartości czasu życia fluorescencji XT-d0 przedsta wione przez Toppa i wsp. dla wszystkich użytych rozpuszczalników, poza per- fluorowęglowodorami, wydają się najbardziej wiarygodne m.in. ze względu na
52 M. SIKORSKI
parametry wykorzystywanej przez nich aparatury TCSPC (FW H M = 25 ps). Ich niektóre wyniki można też porównać z uzyskanymi przez innych autorów. Są one w bardzo dobrej zgodności z wynikami podanymi np. w pracy [33]. Topp i wsp. [42] podają ponadto, że odchylenie standardowe wyznaczone na podstawie pomiarów czasu życia fluorescencji XT-d0 w izooktanie, wykona nych w czasie trzech różnych dni, wynosiło około 1 ps. W pracy tych autorów nie ma niestety informacji ani o czystości, ani o sposobach oczyszczania stoso wanych rozpuszczalników. D la rozpuszczalników innych niż perfluorowęglo- wodory czystość tych rozpuszczalników nie wydaje się odgrywać istotnej roli ze względu na bardzo krótki czas życia fluorescencji XT-d0 w tych rozpuszczal nikach. Jednak w perfluorowęglowodorach czas życia fluorescencji XT-d0 ule ga znacznemu wydłużeniu. Wyznaczone przez T oppa i wsp. czasy życia fluores cencji XT-d0 w pf-MCH (165 ps) i XT-d0 w pf-n-heksanie (162 ps) różnią się dosyć znacznie od wyznaczonych przez Steera i wsp. (175 ps i 178 ps w pf-n-heksanie oraz 175 ps i 183 ps w pf-l,3-DM CH) |40, 41] oraz wartości podawanych w pracach [45, 46] — 178 ps i 181 ps w pf-I,3-DM CH. Możliwa obecność np. węglowodorów i tlenu w rozpuszczalnikach pcrtluorowęglowodo- rowych użytych przez Toppa i wsp. byłaby częściowo wytłumaczeniem tych różnic. Omówienie to wskazuje, że nawet w relatywnie prostych badaniach można napotkać stosunkowo duże problemy związane z analizą danych. Jako ciekawostkę można potraktować w tym momencie fakt, że duże odstępstwa w wyznaczonych czasach życia wystąpiły w pracach rekomendujących nowe metody analizy danych zbieranych na układzie TCSPC. Tłumaczy to dodat kowo duże trudności napotykane dotychczas w analizie kinetyki szybkich rea kcji dwucząsteczkowych badanych za pomocą wygaszania fluorescencji [47], Ograniczenia i błędy wyznaczenia poszczególnych param etrów kinetycz nych teorii Smoluchowskiego Collinsa Kimballa omówiono ostatnio w pra cach [48, 49]. Omówiono tam też moiliwości i kryteria doboru warunków pomiaru na aparaturze TCSPC, tak aby możliwe było analizowanie otrzyma nych krzywych kinetycznych na podstawie teorii Smoluchowskiego Collin- sa-Kimballa.
W badaniach kinetyki wygaszania fluorescencji częściowo kontrolowane go przez dyfuzję w roztworze najczęściej wykorzystywano aparaturę pracującą na podstawie skorelowanego czasowo zliczania pojedynczych fotonów. W tab. 1 zestawiono podstawowe dane ilustrujące właściwości wykorzystywa nej w tych badaniach aparatury oraz stosowane metody wyznaczania funkcji aparaturowej (Metoda) i procedury wykonywania pomiarów (Procedura). W tabeli tej umieszczono wartości całkowitej szerokości w połowic maksimum funkcji aparaturowej E{t) (FWHM) oraz wykorzystywany w pom iarach czas przypadający na jeden kanał analizatora wielokanałowego (czas/kanał). W tab. 1 umieszczono tylko przykładowe dane o aparaturze, / a pomocą której obserwowano inny niż jednowykładniczy zanik fluorescencji donora w obecno ści wygaszacza, który następnie analizowano i przypisywano kinetyce procesów
KINETYKA SZYBKICH REAKCJI DWUCZĄSTECZKOWYCH 53
Tabela 1. Zestawienie właściwości aparatury używanej w badaniach kinetyki wygaszania fluores cencji, stosowanych metod wyznaczania funkcji aparaturowej E(t) oraz procedur eksperymen
talnych3 FW H M
[ps]
Czas/kanał
M Metoda Procedura Rok, piśmiennictwo 16700 390 CST A 1978 [50] 11400 338 inne A 1973 [51], 1975 [52] 2500 200 inne A 1992 [53], 1993 [54] 2500 123 inne C 1980 [16] 2000 ? DFCM A 1987 [55], 1989 [56], 1991 [57] ? ? inne •? 1990 [58] ? •? inne •? 1991 [59] 400 4,13 EPSMT A 1992 [60] 280 42 CST A 1988 [61] 150 45 DFC M C 1983 [30] 110 36,2 CST A 1988 [62] 90 20,8 CST A 1991 [63] 80-90 10,4 CST A 1990 [64] 77 10,4 CST A 1989 [65] 70 4,6 PST A 1990 [66] 65 4,6 CST A 1989 [67] 35 4,9 ? ? 1991 [68] 35 2,75 EPSMT F 1993 [40], 1995 [41] “ Oznaczenia omówiono w tekście.
częściowo lub całkowicie kontrolowanych przez dyfuzję. Pominięto natomiast prace, w których obserwowany zanik fluorescencji mimo obecności wygaszacza był jednowykładniczy. Jak widać z danych umieszczonych w tab. 1, w bada niach kinetyki wygaszania fluorescencji stosowana była aparatura z układem detekcji pracującym na podstawie skorelowanego czasowo zliczania pojedyn czych fotonów o wartościach FWHM funkcji aparaturowej E(t) od 35 ps do 16 700 ps. Rozdzielczość czasowa w tych badaniach wynosiła od 2,75 ps do 390 ps na jeden kanał analizatora wielokanałowego. Nie zawsze podawane są w pracach informacje o stosowanej aparaturze lub o procedurze wykonywa nych pomiarów, dlatego w tab. 1 do oznaczenia braku informacji stosowano znak zapytania. Jeżeli autorzy stosowali inne metody rozwiązywania równania (1), niż te przedstawione w tej części pracy, zaznaczono to w tab. 1 jako „inne”.
Badania kinetyki wygaszania fluorescencji prowadzi się także z wykorzys taniem aparatury pracującej na podstawie innych niż TCSPC metod detekcji. Stosuje się w tych badaniach m.in. aparaturę pracującą na podstawie metod pod wyższania częstości (upcorwersion) [66,67] i metod fazowo-modulacyjnych, np. [69]. M am nadzieję, że omówienie zaprezentowane w tej pracy pozwoli lepiej zrozumieć ograniczenia wynikające ze stosowania metody zliczania pojedyn czych fotonów, a tym samym pozwoli zaplanować przyszłe pomiary tak, aby rezultaty tych badań przyczyniły się do lepszego poznania mechanizmu i kine tyki szybkich reakcji dwucząsteczkowych w roztworze.
54 M. SIKORSKI
PIŚM IENNICTW O CYTOW ANE [1] A. K a w s k i, Fotoluminescencja roztw orów , PW N, Warszawa 1992.
[2] J. N . D e m a s , E xcited S ta te Lifetime M easu rem ents, Academic Press, N ew York 1983. [3] D. V. O ’C o n n o r , D. P h il lip s , Tim e C orrela ted Single Photon Counting, Academic Press,
London 1984.
[4] G. R. F le m in g , Adv. Chem. Phys., 1982, 49, 1.
[5] N. B o e n s , P ulse fluorom etry, [w :] Luminescence Techniques in Chem ical and Biochemical Analysis, W. R. G. Baeyens, D . De Keukeleire, K. Korkidis (red.), Marcel Dekker, N ew York 1991.
[6] R. W a r e Transient luminescence m easurements, [w:] C reation and D etectio n o f th e Excited State, vol. 1A, A. A. Lamola, Dekker, New York 1971.
[7] E. M. E m a n u e la , G. B. S ie r ie j e w a , W ybran e m eto d y badania k in etyki rea k cji chemicznych, PW N, Warszawa 1988.
[8] A. G r in v a ld , I. Z. S t e in b e r g , Anal. Biochem., 1974, 59, 583.
[9] D. R . J a m e s , D . R . M. D em m e r, R . E. V e r a 11, R. P. S t e e r, Rev. Sei. Instrum., 1983,54,1121. [10] M. V a n D e n Z e g e l, N. B o e n s , D. D a c m s , F. C. D e S c h r y ver, Chem. Phys., 1986, 101.
311.
[11] L. P. H a r t, M. D a n ie ls , Appl. Spectrosc., 1992, 46, 191.
[12] D. P h i l l i p s , R. C . D r a k e , D. V. O ’C o n n o r , R. L. C h r is t e n s e n , Analytical Instru mentation, 1985, 14, 267.
[13] D. V. O ’C o n n o r , W. R. W are, J. C. A n d r e , J. Chcm. Phys., 1979, 83, 1333. [14] P. R. B e v in g t o n , D a ta Reduction and E rror A nalysis f o r th e P hysical Science, McGraw-Hill,
New York 1969.
[15] J. C. A n d re, L. M. V in c e n t , D. V. O ’C o n n o r , W. R. W a re, J. Phys. Chem., 1979,83,2285. [16] T. N. S o lie , E. W. S m a ll, I. I s e n b c r g , Biophys. J., 1980, 29, 367.
[17] B. V a le u r , Chem. Phys., 1978, 30, 85.
[18] J. R. K n u t s o n , J. M. B e e c h e m , L. B r a n d , Chem. Phys. Lett., 1983. 102, 501. [19] J. M. B e e c h e m , M. A m e lo o t , J. R. K n u t s o n , L. B r a n d , [w :] Fluorescence Spectroscopy,
vol. 1: Principles and Techniques, J. R. Lakowicz (red.), Plenum Press, N ew York 1988. [20] J. M. B e e c h e m , M. A m e lo o t , L. B r a n d , Chcm. Phys. Leit., 1985, 120, 46o. [21] A. E. M c K in n o n , A G. S z a b o , D. R. M ille r , J. Phys. Chem., 1<J77, 81, 1564. [22] M. S tr a u m e , S. G. F r a is e r - C a d o r e t , M. L. J o h n s o n , L east-squares an a lysis o f fluores
cence data, [w:] T opics in Fluorescence S pectroscopy, vol. 2, J. R. Lakowicz (red.). Plenum Press, New York 1991.
[23] C. L e w is, W. R. W are, L. J. D o e m e n y , T. L. N e m z e k , Rev. Sei. Instrum., 1973, 44, 107. [24] J. B. A. R o s s , C. J. S c h m id t, L. B ra n d , Biochemistry, 19X1, 20, 4369
[25] Recommended m ethods f o r fluorescence d eca y analysis. I U P A C Commission on Photochem istry, D. F. E a to n , Pure Appl. Chem., 1990, 62, 1631.
[26] J. V ecer, A. A. K o w a lc z y k , L. D a v e n p o r t , R. K. D a le , Rev. Sei. Instrutn., 1993,64, 3413. [27] J. V e c e r , A. A. K o w a lc z y k , R. E. D a le , ibid., 1993, 64, 3403.
[28] Ph. W a h l, J. C. A u c h e t, B. D o n z e l, ibid, 1974, 45, 28. [29] P. G a u d u c h o n , Ph. W a h l, Biophys. Chem., 1978, 8, 78.
[30] R. W. W ij n a e n d t s v a n R e s a n d t, R. H. V o g e l, S. W. P r o v c n c h C r , Rev. Sei. Instrum., 1982, 53, 1392. [31] M. Z u k e r , A. G. S z a b o , L. B r a m a ll, D. T. K r a j c a r s k i, B. S e li n g e r , ibid., 1985, 56, 14. [32] W. R. W a re, M. P r a t in i d h i, R. K. B a u e r , ibid., 1983, 54, 1148. [33] N . B o e n s , N . T a m a i, I. Y a m a z a k i, T. Y a m a z a k i, Photoehem. Photobiol., 1990,52,911. [34] S. K i n o s h i t a , T. K u s h id a , Analytical Instrumentation, 1985, 14. 503. [35] G. H a z e n , A. G r in v a ld , M. M a y ta l, I. Z. S t e in b e r g , Rcw. Sei. Instrum., 1974,4 5 ,1602.
KINETYKA SZYBKICH REAKCJI DWUCZĄSTECZKOWYCH 55
[36] A. B r it t e n , G. L o c k w o o d , Molecular Photochemistry, 1976, 7, 79.
[37] M. M. H. K h a lil, N. B o e n s , M. V a n d e r A u w era er, M. A m e lo o t , R. A n d r ie ss e n , J. H o f k e n s , F. C. D e S c h r y v e r , J. Phys. Chem., 1991, 95, 9375.
[38] D. J. S. B ir c h , R. E. I m h o f, A. D u tc h , J. Phys. E: Sci. Instrum., 1984, 17, 417. [39] D. J. S. B ir c h , R. E. I m h o f, A. D u tc h , Rev. Sci. Instrum., 1984, 55, 1255.
[40] W. A u g u s t y n ia k , J. K o p u t , A. M a c ie je w s k i, M. S ik o r s k i, R. P. S teer, M. S z y m a ń sk i, Polish J. Chem., 1993, 67, 1049.
[41] W. A u g u s t y n ia k , A. M a c ie j e w s k i, M. S ik o r s k i, R. P. S te e r , M. S z y m a ń s k i, SPIE — The International Society for Optical Engineering, 1995, 2202, 416.
[42] C. J. H o , A. L. M o ty k a , M. R. T o p p , Chem. Phys. Lett, 1989, 158, 51.
[43] A. M a c ie j e w s k i, D. R. D e m m e r , D. R. J a m es, A. S a fa r z a d e h -A m ir i, R. E V errall, R. P. S te e r , J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 2831.
[44] A. M a c ie j e w s k i, J. Photochem. Photobiol., A: Chem., 1900, 51, 87.
[45] A. M a c ie j e w s k i, M. S ik o r s k i, W. A u g u s ty n ia k , M. F id e c k a , ibid., 1996, 94, 119. [46] M. S ik o r s k i, praca doktorska, UAM, Poznań 1994.
[47] M. S ik o r s k i, Wiad. Chem., 1996, 50, 841.
[48] M. S ik o r s k i, W. A u g u s t y n ia k , I. V. K h m e lin s k ii, F. W ilk in s o n , J. Luminescence, 1996, 69, 217.
[49] M. S ik o r s k i, F. W ilk in s o n , ibid., 1997 (w druku)
[50] G. S. B e d d a r d , S. C a r lin , L. H a r r is, G. P o r te r , C. J. T r e d w e ll, Photochem. Photobiol., 1978, 27, 433.
[5 1 ] W. R. W a re, T. L. N e m z e k , Chem. Phys. Lett, 1973, 23, 557. [52] T. L. N e m z e k , W. R. W are, J. Chem. P hys, 1975, 62, 477.
[53] A. D. S c u lly , S. H ir a y a m a , D. H a c h is u , T. T o m in a g a , J. Phys. Chem, 1992, 96, 7333. [54] A. D. S c u lly , S. H ir a y a m a , K. F u k u s h im a , T. T o m in a g a , ibid., 1993, 97, 10524. [55] J. M. G. M a r tin h o , M. A. W in n ik , J. Phys. Chem, 1987, 91, 3640.
[56] R. X u, J. M. G. M a r tin h o , M. A. W in n ik , G. B e in e r t, Makromol. Chem, 1989, 190, 1333.
[57] R. X u, M. A. W in n ik , J. Photochem. Photobiol. A: Chem, 1991, 57, 351.
[58] F. B a r o s , M. B o u c h y , F. B r o o k e , J. C. A n d re, J. Chem. Soc. Faraday Trans, 1990, 86, 2145. [59] F. B a r o s, A. N a o u m i, M. L. V ir io t , J. C. A n d re, ibid., 1991, 87, 2039. [60] A. M a c ie j e w s k i, M. S ik o r s k i, M. S z y m a ń s k i, W. A u g u s ty n ia k , R. P. Steer, Radiat. Phys. C hem , 1992, 39, 155. [61] N . P e r ia s a m y , S. D o r a is w a m y , G. B. M a iy a , B. V e n k a ta r a m a n , J. Chem. Phys. 1988, 88, 1638. [62] N . P e r ia s a m y , S. D o r a is w a m y , B. V e n k a ta r a m a n , G. R. F le m in g , ibid., 1988, 89, 4799.
[63] G. B. D u tt, N. P e r ia s a m y , J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1991, 87, 3815.
[64] G. C. J o s h i, R. B h a tn a g a r , S. D o r a is w a m y , N. P e r ia sa m y , J. Phys. Chem, 1990, 94, 2908.
[6 5 ] N . P e r ia s a m y , G. C. J o s h i, R. D a s, Chem. Phys. Lett, 1989, 160, 457. [ 66] D. D. E a d s, B. G. D is m e r , G. R. F le m in g , J. Chem. Phys, 1990, 93, 1136. [67] D. D. E a d s, N . P e r ia s a m y , G. R. F le m in g , ibid., 1989, 90, 3876.
[ 68] S. N is h i k a w a , T. A s a h i, T. O k a d a , N. M a ta g a , T. K a k ita n i, Chem. Phys. Lett, 1991, 185, 237.
[6 9 ] J. R. L a k o w ic z , M. L. J o h n s o n , I. G r y c z y n s k i, N. J o sh i, G. L a c z k o , J. Phys. Chem, 1987, 91, 3277.
WIADOMOŚCI 1998, 52, 1-2