Una serie sobre TAS: aplicación en sistemas moleculares

En el artículo anterior, examinamos a fondo el proceso básico y los principios detallados de la detección por espectroscopia de absorción transitoria. En este artículo, exploraremos más a fondo la aplicación de la espectroscopia de absorción transitoria ultrarrápida en sistemas moleculares, centrándonos tanto en la espectroscopia de absorción transitoria ultrarrápida como en la espectroscopia de reflexión transitoria ultrarrápida.

01 Estado excitado molecular (blanqueo en estado fundamental)

Comencemos con un ejemplo simple usando una molécula orgánica C y su proceso de estado excitado más básico S₁, para ilustrar el principio detrás de la generación de espectros de absorción transitorios.

La Figura 1a muestra el espectro de absorción en estado estacionario de la molécula C en su estado fundamental (S₀). Cuando la molécula C es excitada (bombeada) por un láser pulsado (la espectroscopia de absorción transitoria requiere una fuente de luz pulsada para la excitación), una porción de las moléculas absorbe fotones y sufre una transición electrónica S₀ → S₁, formando moléculas C* en estado excitado (Figura 1b). En este punto, la muestra consiste en una mezcla de moléculas en estado fundamental no excitadas (C) y moléculas en estado excitado (C*). La proporción de C* depende de la longitud de onda de la bomba y de la intensidad de la fuente de luz de excitación.

Si luego sondeamos el espectro de absorción instantánea de la muestra en un tiempo de retardo específico (antes de que C* vuelva al estado fundamental), observaremos que el espectro de absorción A C+C* de la muestra excitada es más débil que el de la misma concentración de moléculas en estado fundamental A C (como se muestra en la Figura 1a). Esto se debe a que las moléculas C* en estado excitado ya no exhiben las mismas características de absorción que las moléculas C en estado fundamental, es decir, A C ≠ A C*. . Este cambio en la absorción antes y después de la excitación forma la base de la espectroscopia de absorción transitoria.

Por lo tanto, la disminución observada en la absorbancia en la Figura 1a después de la excitación se debe a la presencia de moléculas C* en estado excitado. Como se muestra en la Figura 1c, al restar A C de A C+C* , obtenemos el espectro de absorción transitoria (∆A) de la molécula C en un momento específico después de la excitación. Este espectro diferencial ∆A se expresa típicamente como: ∆A = Una bomba – Una no bomba , es decir, el cambio en la absorción antes y después de la excitación. Según este principio, una señal ∆A negativa que se alinea con el pico de absorción en estado estacionario indica un blanqueador en estado fundamental (GSB).

Esencialmente, cualquier proceso en el que la excitación de la luz haga que una molécula abandone el estado fundamental da como resultado una señal de blanqueo en el estado fundamental. Al ajustar el retardo de tiempo entre los pulsos de la bomba y la sonda utilizando técnicas apropiadas, podemos obtener los espectros de absorción transitoria resueltos en el tiempo ∆A (t) de la molécula C (como se muestra en la Figura 1d). Dado que la excitación ocurre en una escala de tiempo inferior a femtosegundos, la señal ∆A correspondiente se genera instantáneamente después de la excitación. En la práctica, sin embargo, la generación de la señal ∆A está limitada por la función de respuesta del instrumento (IRF).

Según los procesos fotofísicos que se muestran en la Figura 1b, esta serie de espectros refleja la desintegración de la molécula C* en estado excitado de regreso al estado fundamental a través de vías radiativas (K r ) o no radiativas (K nr ). En consecuencia, la señal GSB aparece inmediatamente después de la excitación y disminuye gradualmente con el tiempo.

De los espectros ∆A (t), podemos extraer la curva cinética transitoria a una longitud de onda específica (Figura 1d). El flanco de rápido aumento refleja el proceso de excitación, mientras que la recuperación a cero indica la decadencia del estado excitado. Al ajustar esta curva, podemos obtener parámetros cinéticos como la tasa de caída del estado excitado.

Figura 1. El proceso de generación de un espectro de absorción transitorio usando la molécula C como ejemplo.

(a) Una comparación entre el espectro de absorción en estado estacionario de las moléculas y el espectro de absorción en un momento específico después de la excitación. (b) El proceso de transición electrónica fundamental después de la excitación de las moléculas C. Después de excitar las moléculas C, una parte de las moléculas C se excita y se transforma en moléculas en estado excitado (C*). kr y knr son las tasas de desintegración radiativa y no radiativa de las moléculas en estado excitado C*, respectivamente. (c) El espectro de absorción transitoria ∆A en un momento específico después de la excitación de las moléculas C, que se obtiene restando el espectro de absorción del estado fundamental (A _C ) del espectro de absorción (A _{C + C*} ) en un momento específico después de la excitación. (d) Al recopilar espectros de absorción transitoria (∆A) en varios momentos (t) después de la excitación de las moléculas C, se puede determinar el proceso de evolución transitoria del estado excitado de las moléculas C y la cinética de relajación a una longitud de onda específica.

A través de la explicación anterior, hemos aprendido los principios básicos detrás de la generación y detección de espectros de absorción transitoria para la molécula C. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, además de la señal de blanqueo en estado fundamental (GSB) discutida anteriormente, los espectros de absorción transitoria también contienen otras señales características que reflejan la dinámica del estado excitado C*.

Por ejemplo, la molécula C* en estado excitado puede sufrir nuevos procesos de absorción de fotones, conocidos como absorción en estado excitado (ESA).

Como se muestra en la Figura 2a, el estado S₁ puede absorber energía fotónica adicional para realizar la transición a un estado excitado superior (Sₙ). Por lo tanto, una vez excitada la muestra, la luz de la sonda puede detectar nuevas señales de absorción en estado excitado. Estas señales de la ESA aparecen como señales positivas en espectros de absorción transitoria (Figura 2b). Dado que los niveles de energía de las transiciones de estado excitado a menudo se distribuyen en un amplio rango, la señal resultante de la ESA generalmente abarca un amplio rango de longitudes de onda (Figura 2b).

Es importante señalar que el rango espectral y la intensidad de la ESA pueden variar mucho entre diferentes moléculas. Si la ESA se superpone con la señal GSB, el espectro de absorción transitoria resultante puede aparecer como se muestra en la Figura 2c. El proceso de desintegración del estado excitado ilustrado en la Figura 1b corresponde a la evolución temporal de los espectros transitorios que se muestran en la Figura 2d, donde tanto el blanqueador del estado fundamental como las señales de absorción del estado excitado disminuyen con el tiempo.

Dado que las señales GSB y ESA se originan en el mismo estado excitado, podemos observar un punto isosbéstico en el espectro transitorio de la Figura 2d, una longitud de onda en la que la absorbancia permanece constante a lo largo del tiempo. Esto indica que los cambios en la absorción a ambos lados de este punto se deben al mismo proceso fotofísico, es decir, la decadencia del estado excitado.

Figura 2. (a) Proceso de absorción en estado excitado de las moléculas C. (b) Señal de espectroscopia de absorción transitoria resultante de la absorción en estado excitado de las moléculas C. (c) Señal de espectroscopia de absorción transitoria después de mezclar la señal de absorción en estado excitado con la señal de blanqueo en estado fundamental. (d) La evolución temporal del espectro de absorción transitoria que incorpora la absorción en estado excitado y el blanqueo en estado fundamental.

02 Estado del triplete molecular

La espectroscopia de absorción transitoria también se puede utilizar para observar el proceso de cruce entre sistemas (ISC) entre el estado singlete y el estado triplete de una molécula.

La Figura 3a ilustra el proceso ISC, donde K₀(S) y K₀(T) representan las constantes de velocidad de desintegración del estado excitado singlete y del estado triplete, respectivamente. Estos incluyen todas las vías de desintegración: radiativas y no radiativas. Mientras la molécula no haya regresado al estado fundamental, la señal del blanqueador del estado fundamental (GSB) persistirá, independientemente de si la molécula está en estado singlete o triplete. Por lo tanto, el GSB por sí solo no puede proporcionar información sobre las transiciones entre estados excitados.

Sin embargo, podemos extraer información cinética del estado triplete mediante la absorción en estado excitado (ESA) del estado triplete, que sigue el mismo principio que el ESA singlete. Para utilizar la espectroscopia de absorción transitoria para estudiar el estado triplete, se deben cumplir dos condiciones:

1. La tasa de ISC de singlete a triplete debe ser suficientemente alta (comparable o más rápida que la tasa de desintegración del estado singlete, K₀(S)); de lo contrario, no se formará el estado triplete.

2. La señal ESA del estado triplete debe estar dentro del rango espectral detectable.

La Figura 3b presenta un espectro de absorción transitoria típico para el proceso ISC de singlete a triplete. La señal ESA del estado triplete se superpone parcialmente con la señal GSB y se supone que K _ISC ≫ K₀(S).

A medida que aumenta el tiempo de retardo de la bomba-sonda (t), observamos que la señal triplete ESA se forma y se intensifica gradualmente, lo que refleja la cinética del proceso ISC. Si K _ISC ≫ K₀(S), entonces la señal GSB debe permanecer sin cambios hasta que el estado triplete vuelva al estado fundamental. Sin embargo, en la Figura 3b, observamos una ligera caída y un cambio espectral en la señal GSB. Esto no se debe a un cambio real en el blanqueador del estado fundamental, sino más bien al crecimiento de la señal positiva superpuesta de la ESA desde el estado triplete.

Este tipo de interferencia de señal es bastante común en experimentos de absorción transitoria y debe tenerse en cuenta cuidadosamente durante el análisis de datos. Técnicas como el ajuste global o la descomposición de valores singulares (SVD) se utilizan comúnmente para separar e interpretar señales superpuestas.

A medida que el tiempo de retardo t continúa aumentando, tanto la señal triplete ESA como la señal GSB finalmente decaen hasta cero, lo que refleja la cinética de desintegración del estado triplete, K₀(T). Debido a la naturaleza prohibida por el espín de la desintegración triplete, este proceso a menudo ocurre en una escala de tiempo relativamente larga.

Del espectro ∆A (t), se puede extraer una curva cinética transitoria a una longitud de onda específica dentro de la región triplete ESA (ver Figura 3b), y se pueden obtener parámetros cinéticos como K _ISC y K₀ (T) mediante el ajuste de curvas.

Figura 3. (a) Procesos dinámicos como el cruce entre sistemas (ISC) y la desintegración entre los estados singlete y triplete de una molécula. En la espectroscopia de absorción transitoria, la dinámica de los estados singlete y triplete se puede capturar a través del blanqueamiento del estado fundamental y las señales de absorción del estado excitado del estado triplete. (b) Evolución temporal del espectro de absorción transitoria, que ilustra el proceso ISC y la curva cinética del estado triplete.

03 Transferencia de electrones fotoinducida

La transferencia de electrones fotoinducida es un proceso cinético de importancia crítica en los sistemas de fotoconversión y representa un mecanismo central en dispositivos como células solares, fotocatalizadores y fotodetectores.

La espectroscopia de absorción transitoria se considera una de las técnicas más efectivas para investigar los procesos de transferencia de electrones fotoinducidos, ya sea que ocurran entre diferentes materiales o dentro de un solo material.

En este artículo, comenzamos ilustrando cómo se puede utilizar la espectroscopia de absorción transitoria para estudiar los procesos de transferencia de electrones entre diferentes especies moleculares. Los procesos de transferencia de electrones o carga en otros sistemas, como semiconductores o sistemas híbridos semiconductor/molécula, se analizarán en secciones posteriores.

Figura 4. El proceso de reacción de transferencia de electrones fotoinducida entre las moléculas C y D, junto con las transiciones electrónicas entre los orbitales moleculares correspondientes. K0(C) representa la suma de las vías de desintegración radiativa y no radiativa.

La Figura 4 ilustra el proceso de transferencia de electrones fotoinducida entre dos moléculas, C y D. La molécula C actúa como donante de electrones y la molécula D como aceptor de electrones. Tras la fotoexcitación, la molécula C entra en un estado excitado y transfiere un electrón a la molécula D. Después de la transferencia, C y D se convierten en el radical oxidado C⁺ y el radical reducido D⁻, respectivamente.

Si no se desencadenan más reacciones, el electrón transferido eventualmente regresará a la molécula C mediante transferencia de electrones inversos (BET), restaurando el sistema a su estado inicial.

La transferencia de electrones hacia atrás suele ocurrir mucho más lentamente que la transferencia de electrones hacia adelante, lo cual es deseable en la fotocatálisis y las células solares. Un BET más lento permite que C⁺ y D⁻ existan por más tiempo, lo que les permite participar en otras reacciones catalíticas (como en la fotocatálisis) o facilitar la extracción y salida de carga (como en las células solares).

En espectroscopia de absorción transitoria, es importante comprender que desde un punto de vista molecular, C⁺ y D⁻ son especies distintas con características de absorción diferentes de C y D. Por lo tanto, en los sistemas moleculares, los espectros de absorción del donante y el aceptor cambian después de la transferencia de electrones, a diferencia de los semiconductores (como los puntos cuánticos), donde los espectros antes y después de la transferencia de carga pueden no diferir significativamente. Los espectros de absorción de los radicales C⁺ y D⁻ se pueden determinar mediante métodos electroquímicos combinados con absorción en estado estacionario o mediante espectroscopia de absorción transitoria en sistemas donde se produce transferencia de carga.

Ilustramos dos escenarios para mostrar cómo la espectroscopia de absorción transitoria detecta la transferencia de electrones fotoinducida:

1) Los espectros de absorción en estado estacionario de C y D son conocidos y están dentro del rango de detección, pero los espectros de C⁺ y D⁻ son desconocidos o están fuera del rango de detección

La Figura 5a muestra los espectros de absorción en estado estacionario de C y D, y el espectro de absorción de la muestra en un momento específico después de que C se excita y sufre una transferencia de electrones. Después de la transferencia de electrones, las intensidades de absorción de C y D disminuyen (similar a la situación en la Figura 1a) porque parte de las moléculas se han convertido en C⁺ y D⁻, que tienen diferentes características de absorción.

Si la tasa de transferencia de electrones (K _ET ) es mucho más rápida que la tasa de desintegración intrínseca del estado excitado de C (K₀(C)), entonces C* se desintegra principalmente mediante transferencia de electrones. En este caso, la evolución temporal del espectro de absorción transitoria aparecería como en la Figura 5b. Con el aumento del tiempo de retardo de la sonda de la bomba, la señal del blanqueador en estado fundamental (GSB) de D aparece gradualmente (a medida que se forma D⁻, lo que reduce la población de D), lo que refleja la cinética de transferencia de electrones de C a D.

Al mismo tiempo, el GSB de C aparece inmediatamente después de la excitación pero permanece sin cambios con el tiempo (bajo K _ET ≫ K₀(C)), ya que C* pasa a C⁺ sin regresar al estado fundamental. Si la absorción en estado excitado (ESA) de C también es visible, esta señal aparece inicialmente después de la excitación y luego decae cuando C* pasa a C⁺. Por tanto, la decadencia de la señal de la ESA también se puede utilizar para seguir el proceso de transferencia de electrones.

Nota: Si K _ET es comparable a K₀(C), el GSB de C decaerá antes de que ocurra BET, y el ESA de C reflejará tanto la transferencia de electrones como la desintegración intrínseca.

A medida que el tiempo de retardo aumenta aún más, el proceso de retrotransferencia de electrones comienza a dominar. Las señales GSB de C y D comienzan a decaer y finalmente desaparecen, devolviendo el sistema a su estado inicial (Figura 5c).

La Figura 5d presenta curvas cinéticas extraídas de varias características espectrales en el espectro de absorción transitoria (siguiendo la transferencia de electrones hacia adelante y hacia atrás).

• Bajo K _ET ≫ K₀(C), la desintegración de ESA de C refleja K _ET (ya que ESA desaparece cuando C se convierte en C⁺).

• La cinética del GSB de D refleja tanto K _ET como K _BET.

• La recuperación del GSB de C refleja la K _BET.

2) el espectro de absorción en estado estacionario de C es conocido y está dentro del rango de detección, pero el espectro de C⁺ es desconocido o está fuera del rango; El espectro de D es desconocido o indetectable, pero el espectro de D⁻ es conocido y está dentro del rango de detección.

La Figura 6a muestra los espectros de absorción de C y D⁻. La Figura 6b muestra los espectros de absorción transitoria resueltos en el tiempo.

Después de la excitación de C, la señal de absorción de D⁻ aparece y aumenta con el tiempo de retardo, lo que indica una transferencia de electrones de C a D. Mientras tanto, el GSB de C no decae con el tiempo bajo K _ET ≫ K₀(C), pero el ESA de C decae debido a la conversión a C⁺.

A medida que el tiempo de demora continúa aumentando, el proceso BET comienza a dominar. Las señales de C y D⁻ decaen y el sistema vuelve a su estado fundamental.

Figura 5. (a) Espectros de absorción en estado estacionario de las moléculas C y D, junto con el espectro de absorción transitoria de la molécula C en un momento determinado después de la transferencia de electrones de C a D tras la excitación. (b) Espectros de absorción transitoria en varios tiempos de retraso, que demuestran el proceso de transferencia de electrones fotoinducido entre C y D. (c) Espectros de absorción transitoria en varios tiempos de retraso, que muestran el proceso de transferencia inversa de electrones. (d) Curvas cinéticas extraídas en diferentes posiciones de los espectros característicos de absorción transitoria.

Figura 6. (a) Espectros de absorción en estado estacionario de las moléculas C y D⁻. (b) Los espectros de evolución-tiempo de absorción transitoria correspondientes revelan el proceso de transferencia de electrones fotoinducido de las moléculas C a las moléculas D.

De manera similar, si se conoce el espectro de absorción de la molécula C⁺, también podemos observar el crecimiento de su señal de absorción en el espectro de absorción transitoria a medida que ocurre la transferencia de electrones fotoinducida.

3) En el tercer escenario, solo se conoce el pico de absorción en estado estacionario de la molécula donadora de electrones C, mientras que la información espectral de C⁺, D y D⁻ se desconoce y está fuera del rango de detección espectral.

En este caso, podemos determinar si se ha producido transferencia de electrones comparando la señal de absorción en estado excitado (ESA) de la molécula C en condiciones con y sin transferencia de electrones.

Como se muestra en la Figura 7, en condiciones de transferencia de electrones, la decadencia de la señal ESA de C se vuelve más rápida. Esto se debe a que el proceso de desintegración en estado excitado ahora incluye no sólo la tasa de desintegración intrínseca K₀(C), sino también una vía de desintegración adicional procedente de la transferencia de electrones (K _ET ).

La Figura 7b muestra las curvas cinéticas de la señal ESA de C en ambas condiciones. Comparando estos dos perfiles de desintegración, se puede calcular la constante de velocidad de transferencia de electrones (KET).

Figura 7. (a) La transferencia de electrones fotoinducida acelera la decadencia de la señal de absorción del estado excitado de la molécula donante C. (b) Curvas cinéticas de la señal de absorción del estado excitado, con y sin transferencia de electrones. La tasa cinética de transferencia de electrones se puede obtener comparando sus parámetros cinéticos.

Figura 8. (a) Los espectros de absorción en estado estacionario de las moléculas donadoras de energía C y las moléculas aceptoras de energía D en la transferencia de energía fotoinducida, junto con el proceso de reacción de transferencia de energía. (b) Espectros de evolución temporal de la absorción transitoria de las moléculas C y D durante el proceso de transferencia de energía.

04 Transferencia de energía fotoinducida

La espectroscopia de absorción transitoria también se puede utilizar para detectar eficazmente procesos de transferencia de energía fotoinducida entre moléculas.

Por ejemplo, la Figura 8a muestra los espectros de absorción en estado estacionario de la molécula donante C y la molécula aceptora D. Después de la fotoexcitación, la molécula C entra en un estado excitado. Luego, la energía de excitación se transfiere a la molécula D mediante transferencia de energía, lo que hace que D se excite a un estado excitado, mientras que la molécula C regresa al estado fundamental.

Este proceso de transferencia de energía se refleja en el espectro de absorción transitoria como se muestra en la Figura 8b:

• La señal del blanqueador en estado fundamental (GSB) de la molécula C decae después de la excitación,

• Mientras que la señal GSB de la molécula D aparece gradualmente, indicando que D se ha excitado.

Extrayendo curvas cinéticas de los espectros transitorios, se puede determinar la constante de tasa de transferencia de energía.

Como podemos ver, a diferencia de la transferencia de electrones fotoinducida, la señal GSB de la molécula C decae durante el proceso de transferencia de energía, porque el estado excitado de C regresa al estado fundamental como resultado de la transferencia de energía.

Tenga en cuenta que en la Figura 8b, no se muestran las señales de absorción en estado excitado (ESA) de C y D. Si fuera observable, su comportamiento cinético durante la transferencia de energía reflejaría la evolución de sus correspondientes señales GSB.

05 Emisión estimulada

La espectroscopia de absorción transitoria también se puede utilizar para detectar el proceso de emisión estimulada (SE) de moléculas.

El proceso SE surge de la coherencia entre la emisión de fluorescencia molecular y la luz de la sonda dentro de un rango espectral resonante (como se ilustra en la Figura 10a). Específicamente, cuando llega la luz de la sonda, algunas moléculas en el estado excitado de S₁ interactúan con los fotones de la sonda y emiten luz estimulada.

La posición espectral de la señal SE coincide con la de la fluorescencia espontánea de la muestra y, por lo tanto, la SE normalmente aparece en el borde rojo de la señal del blanqueador en estado fundamental (GSB). En muchos casos, las señales SE y GSB están ubicadas tan cerca que se superponen parcialmente, como se muestra en la Figura 9b. 

Figura 9. El proceso de emisión estimulada de moléculas y los correspondientes espectros de absorción transitoria.

La señal de emisión estimulada (SE) en la espectroscopia de absorción transitoria aparece como una señal similar a la lejía (negativa), porque después de que se produce la SE en las longitudes de onda de emisión de fluorescencia, la intensidad del haz de la sonda que llega al detector aumenta debido a la adición de emisión estimulada:

I _1-bombear + ISE > I _1-desbombear

Como resultado, el cambio en la absorbancia se calcula como:

Esto produce un valor ∆A negativo, que se asemeja a una señal de blanqueador en estado fundamental (GSB).

Sin embargo, es importante señalar que la señal SE refleja la población de moléculas en el estado excitado S₁, mientras que GSB refleja el agotamiento de las moléculas en estado fundamental. Por ejemplo, durante un proceso de transferencia de electrones en estado S₁, la señal SE decae rápidamente (a medida que disminuye la población de S₁), mientras que la señal GSB permanece sin cambios (ya que las moléculas en estado fundamental aún no se han recuperado).

06 Conclusión

En la Figura 10 se muestra un resumen de los principales procesos cinéticos de estado excitado en sistemas moleculares y sus correspondientes señales espectrales transitorias. Como se ilustra, la espectroscopia de absorción transitoria es capaz de detectar la mayoría de los procesos clave de estado excitado en sistemas moleculares. Sin embargo, estas diversas señales cinéticas a menudo se superponen y entrelazan, lo que presenta desafíos a la hora de interpretar tanto los espectros transitorios como los datos cinéticos.

En experimentos reales, se requiere un análisis cuidadoso. Se pueden emplear técnicas como el ajuste global, el modelado cinético y los experimentos de control para asignar y confirmar los orígenes de diferentes señales transitorias.

Figura 10. Los principales procesos dinámicos en estado excitado y sus correspondientes características espectrales que pueden detectarse mediante espectroscopia de absorción transitoria de sistemas moleculares. La flecha en la figura de la derecha indica el posible proceso dinámico de la señal espectral.

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