2.2. МИГРАЦИЯ ЭНЕРГИИ

Энергия поглощенного кванта света может быть перенесена от одной молекулы к другой или от одной группировки к другой внутри молекулы без излучения кванта света. Под миграцией энергии понимают именно безызлучательный перенос энергии между сближенными в пространстве хромофорами. Схематически этот процесс можно изобразить так:

где D - донор энергии

А - акцептор энергии

* - знак возбужденного состояния

Существует несколько физических механизмов миграции энергии.

Индуктивно-резонансный механизм состоит в том, что молекула донора энергии, находясь на нижнем колебательном подуровне возбуждённого состояния, индуцирует в молекуле акцептора энергии колебания, соответствующие одному из верхних колебательных подуровней возбужденного состояния акцептора. При этом энергия от донора передаётся акцептору. Затем молекула акцептора переходит на нижний колебательный подуровень возбужденного состояния, и обратный перенос энергии на молекулу донора становится маловероятным.

Вероятность миграции энергии по этому механизма обратнопропорциональна шестой степени расстояния между молекулами донора и акцептора. Этот механизм эффективен на расстояниях 3-10 нм. Чем больше перекрываются спектр флуоресценции донора и спектр поглощения акцептора, тем больше вероятность миграции энергии по этому механизму.

По индуктивно-резонансному механизму мигрирует энергия между ароматическими остатками в белках. Флуоресценция белков обусловлена, главным образом, остатками триптофана, так как энергия с тирозина и фенилаланина мигрирует на остатки триптофана. Индуктивно-резонансный механизм миграции энергии тлеет место при фотосинтезе между молекулами хлорофилла, образующими антенну.

Обменно-резонансный механизм миграции энергии обусловлен перекрытием электронных волновых функций донора и акцептора. Чем больше это перекрьгвание, тем больше вероятность миграции энергии по данному механизму. Обменно-резонансный механизм миграции эффективен на расстояниях 0.I - 0.3 нм между донором и акцептором. По обменно - резонансному механизму происходит миграция с синглетного возбужденного уровня хлорофилла на триплетный уровень каротиноидов.

В молекулярных кристаллах миграция энергии может происходить по экситонному механизму. Экситон - это связанные электрон и дырка. Эта квазичастица электрически нейтральна. Диффузия экситона по молекулярному кристаллу означает перенос энергии от одного узла решётки к другому.

Экситонные уровни расположены чуть ниже дна зоны проводимости в полупроводниках. Столкновение зкситона с фононом может привести к распаду его на электрон и дырку, которые могут выступать в химических реакциях как восстановитель и окислитель соответственно. Распад экситона может происходить на дефектах кристаллической решётки и примесных центрах.

Участие экситонного механизма миграции энергии предполагалось в первичных стадиях фотосинтеза. В зависимости от электронной структуры молекул, их взаимного расположения, фазового состояния может доминировать тот или иной механизм миграции энергии. Соответственно и зависимость миграции энергии от температуры, диэлектрической проницаемости, расстояния между молекулами и других физических параметров определяется этими обстоятельствами. Миграция энергии играет важную роль в фотобиологических процессах - фотосинтезе, фото динамическом эффекте и других.