a.. Vị trí kích động (excited site)
Các phân tử khi tiếp nhận năng lượng ánh sáng sẽ rung động và các liên liết giữa các nguyên tố bên trong phân tử ấy là nơi rung lắc mạnh nhất.
Với các hợp chất hữu cơ, có các liên kết đại diện C-C và C-H, bị tác động cộng hưởng tầng số rất mạnh dưới tác động của ánh sáng, đặc biệt trong vùng sóng ánh sáng UVA và UVB.
Khi bị rung lắc mạnh, chúng hình thành "trạng thái kích động" (Excited site) trên mạch, đây là trạng thái trước khi liên kết bị phá vỡ. Trạng thái kích động mạnh này nếu kéo dài sẽ tạo nên sự gãy của liên kết, vì thế dập trạng thái kích động này sẽ bảo vệ được liên kết.
b.. Gốc tự do (radical group)
Gốc tự do là trạng thái hình thành từ việc gãy liên kết, làm tồn tại vị trí 1 orbital kích động, ở trạng thái sẵn sàng tiếp nhận electron để tạo liên kết mới.
Với hợp chất hữu cơ, ta xét những gốc tự do điễn hình tạo ra từ các liên kết phổ biến:
~C-H + (E) ==> ~C* + H* (Với (E) là năng lượng hấp thu)
~C-C~ + (E) ==> ~C* + ~C*
Gốc tự do là trạng thái kích động rất mạnh, có thể tác động trực tiếp đến các liên kết hiện hữu khác trong mạnh và gây ra hiện tượng: chuyền mạch, phát triển gốc và tái hợp gốc.
Đối với polymer thì gốc tự do là yếu tố chính yếu gây ra sự biến chất và suy thoái cấu trúc mạch phân tử.
c.. Trạng thái kích thích của các nhóm hấp thu năng lượng
Với những hợp chất có tồn tại các electron có thể chuyển dịch ở nhiều mức năng lượng khi bị tác động bởi sóng năng lượng, thì chúng tồn tại nhóm hấp thu năng lượng (chromophoric group). Những chất có những nhóm hấp thụ bị kích hoạt bởi năng lượng sóng ánh sáng ta gọi là hợp chất nhạy quang.
Với mức năng lượng cơ sở So khi tiếp thu năng lượng, các hợp chất trên sẽ chuyển sang các mức cao hơn S1, S2,....
So + hν = S1
S1 + hν = S2,...
Ta gọi chung các trạng thái S1, S2, S3,... là S* (trạng thái đã hấp thu năng lượng)
S + hν = S*
Đối với một số hợp chất tồn tại liên kết có khả năng chuyển dịch thuận nghịch (tức là liên kết có khả năng thay đổi thuận nghịch từ liên kết ban đầu sang liên kết mới), ở những trạng thái kích thích năng lượng khác nhau thì chúng sẽ bị nâng lên mức năng lượng cao, chúng chuyển nội thể (intersystem crossing) sang cấu trúc mới. Như hình trên, T1 và T2 cũng tương ứng là trạng thái năng lượng cao của cấu trúc phân tử chuyển đổi.
2.. Quencher và cơ chế hoạt động của Quencher
a.. Quencher (Q)
Quencher có thể hiểu là thành phần làm "kiềm chế" và "suy giảm" các trạng thái năng lượng cao của các phân tử, liên kết, các gốc, các nhóm hấp thu năng lượng.
Về bản chất cấu tạo, Quencher (Q) chính là 1 chất có tồn tại nhóm hấp thu năng lượng, ở trạng thái năng lượng ánh sáng, ở mức trạng thái năng lượng cao ta ký hiệu Q*.
b.. Cơ chế hấp thu năng lượng và phong toả năng lượng của Quencher
- Khi hầp thu năng lượng từ các vị trí kích động trên phân tử, ký hiệu M*
Q + M* ==> Q* + M (M là trạng thái phân tử đã giải phóng năng lượng).
Cũng có thể viết ở dạng Q + (E) ==> Q* (với (E) là năng lượng kích động của mạch).
- Khi hấp thu năng lượng của gốc tự do, thì cơ chế viết tóm gọn sẽ là:
2 R* + 2Q = => 2Q* + R - R
- Khi hấp thu năng lượng ánh sáng thì ta có
Q + hν ==> Q*
- Khi hấp thu năng lượng từ các nhóm hấp thu năng lượng:
Q + S* ==> Q* + S
Quencher ở mức năng lượng cao khi giải phóng năng lượng trở về trạng thái năng thấp, ta có
Q* ==> Q + hν' (fluorescene light - huỳnh quang)
Q* ==> Q + (E) (E là năng lượng nhiệt)
Quencher có thể có hay cũng có thể không có khả năng chuyển nội thể sang trạng thái mới Q'
Q + hν ==> Q*
Q* - e ==> (Q')* (với e là năng lượng chuyển nội thể).
(Q')* ==> Q + hν'' (phosphorescene light - lân quang)
c.. Tác dụng hiệu quả
Nhờ việc hấp thu các trạng năng lượng cao (từ các nhóm kích động, gốc tự do, năng lượng ánh sáng hay những gốc hấp thu năng lượng) và chuyển về các mức năng lượng nhiệt, huỳng quang, lân quang nên Quencher đã giảm được tác động có hại đến mạch phân tử.
Nếu gọi các trạng thái năng lượng cao là E*, thì ta có thể viết tổng hợp các phương trình phong toả năng lượng của Quencher:
2Q + 2E* ==> 2Q*
Q* - e ==> (Q')*
Q* ==> Q + huỳnh quang
(Q')* ==> Q + lân quang
Cộng 4 quan hệ trên ta có
2E* - e ==> huỳnh quang + lân quang
Như vậy có thể nói rằng các năng lượng kích động đã phong toả và chuyển hoá sang những hình thức năng lượng quang ở mức thấp hơn, ít ảnh hưởng đến phân tử mạch.
3.. Phối hợp Quencher với những thành phần khác
Hiểu được nguyên lý hoạt động của Quencher, người ta nhận thấy rằng chúng trở nên rất hiệu quả khi kết hợp với một số hợp chất khác (như UV absorber, hay các loại màu dạ quang, huỳnh quang,...) để phong toả thành nhiềy nấc các năng lượng kích động trong phân tử polymer.
a.. Phối hợp với UV Absorber
Gọi UV absorber là UVa thì mức tích luỹ năng lượng của nó là UVa*. Kết hợp với Quencher ta có các phương trình tóm lược:
Q + UVa* ==> Q* + UVa
UVa* ==> UVa + E1 + hν1' + hν1''
Q* ==> Q + E2 + hν2' + hν2''
Như vậy Quencher như hỗ trợ 1 hướng giải phóng năng lượng cho UVa, giúp chúng sớm quay trở về mức năng lượng thấp để tiếp tục hấp thu năng lượng từ tia cực tím.
b.. Phối hợp với hợp chất màu hùynh quang, dạ quang,...
Tương tự như với UVa, Quencher có khả năng kết hợp với một số hợp chất huỳnh quang (F) và dạ quang, lân quang (P). Ta gọi chung là FQ
Q + (FQ)* ==> Q* + FQ
(F,Q)* ==> FQ + E1 + hν1' + hν1''
Q* ==> Q + E2 + hν2' + hν2''
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét