Меню

Длина волны люминесценции длины волны поглощаемого света



Основные характеристики и законы люминесценции

Спектр люминесценции — зависимость интенсивности люминесценции от длины волны или от частоты. Представляется собой спектральные линии или полосы, которые характеризуются длиной волны А,тах (или частотой vmax), соответствующей максимуму полосы люминесценции, а также формой и шириной этой полосы АX (или Av).

Длительность люминесценции т — это время, за которое интенсивность люминесценции уменьшается в е = 2,7 раза, т.е. время жизни молекулы в возбужденном состоянии.

Квантовый выход люминесценции у — это отношение числа квантов люминесценции тглюм к количеству квантов тгПОГЛ, поглощенных при возбуждении молекулы: у = плюм/пП0ГЛ. Квантовый выход всегда меньше единицы (у 0,01, т.е. если у > 1 %.

Спектр возбуждения — это зависимость интенсивности фотолюминесценции от длины волны возбуждающего излучения (для многих молекул он совпадает с их спектром поглощения).

Степень поляризации люминесценции определяется при возбуждении вещества линейно поляризованным светом и позволяет оценить скорость вращения люминесцирующей молекулы и микровязкость ее окружения.

Каждое люминесцирующее вещество имеет свой индивидуальный спектр люминесценции, что используется при исследовании структуры веществ с помощью люминесцентного анализа. По спектру люминесценции можно определить как вид, так и концентрацию люминесцирующего вещества в смеси даже при ничтожно малых концентрациях (до 1(Г 12 г/л при квантовом выходе всего около 1 %). Люминесцентный анализ чувствительнее абсорбционного (по спектрам поглощения) спектрального анализа более чем в 1000 раз.

Спектры люминесценции очень чувствительны к химическим свойствам окружения (полярности, pH, вязкости и др.) люминесцирующей молекулы, что широко используется в биохимических исследованиях. Люминесценция позволяет изучать изменения конформации макромолекул, а при использовании люминесцентного микроскопа изучать и локализацию люминесцирующих молекул внутри клетки.

Основными законами люминесценции являются:

  • 1. Закон Стокса: спектр люминесценции вещества смещен в область более длинных волн относительно его спектра поглощения (см. рис. 21.9).
  • 2. Закон Вавилова: квантовый выход и спектр люминесценции сложных молекул не зависят от длины волны возбуждения.

Оба эти закона объясняются наличием внутренней конверсии в сложных молекулах, в результате которой испускание всегда происходит с самых нижних подуровней возбужденных электронных состояний на все подуровни основного состояния, независимо от того, на какие колебательно-вращательные подуровни верхних электронных состояний была возбуждена молекула (см. рис. 21.8). Основное требование к спектральному диапазону волн, используемых для возбуждения люминесценции, — он должен попадать внутрь полосы поглощения этого вещества.

Источник

Длина волны люминесценции длины волны поглощаемого света

В отличие от молекулярной люминесценции, для которой наблюдается тесная связь между спектрами поглощения и люминесценции, для люминесценции кристаллофосфоров подобная зависимость, как правило, отсутствует. Это легко объясняется рекомбинационной схемой свечения последних. В самом деле, поглощательная способность кристаллофосфора определяется кристаллической решеткой основного вещества, а излучение осуществляется другой его частью — активатором.

Закон Стокса—Ломмеля применим в общем случае и для свечения кристаллофосфоров. Однако для последних характерно значительное разделение полос поглощения и излучения, а случаи перекрывания их довольно редки.

Важнейшей характеристикой любого кристаллофосфора является спектр возбуждения, позволяющий определить положение полос его активного поглощения. Спектр возбуждения кристаллофосфора, как правило, существенно отличается от спектра его поглощения. Это связано с тем, что различные длины волн возбуждающего излучения по-разному преобразуются в свечение кристаллофосфоров.

С точки зрения практического использования, большое значение имеет зависимость между длиной волны возбуждающего света и спектральным составом излучения, испускаемого кристаллофосфором. Если энергия возбуждающего света меньше ширины запрещенной зоны, то наиболее вероятным является поглощение на самом активаторе. В результате должно возникать кратковременное свечение, обусловленное возбуждением активатора.

В тех случаях, когда в спектрах излучения кристаллофосфоров наблюдается несколько полос, изменение длины волны возбуждающего света может вызвать изменение спектрального состава излучения. Это хорошо видно на примере кристаллофосфора ZnS × Mn. При возбуждении люминесценции монохроматическим светом с l = 365 нм наблюдается желтое свечение, обусловленное атомами марганца. При возбуждении люминесценции светом с l = 313 нм свечение богато голубыми линиями, связанными с присутствием в кристаллической решетке кристаллофосфора атомов цинка, играющих роль активаторов.

Спектральный состав излучения, испускаемого кристаллофосфором, может существенно меняться также с изменением интенсивности возбуждающего света. Изменение спектрального состава излучения, точнее, изменение соотношения интенсивностей отдельных полос связано с тем, что для этих полос наблюдается различная зависимость интенсивности излучения от интенсивности возбуждающего света.

При заданном уровне интенсивности возбуждающего света имеет место постепенное нарастание во времени интенсивности свечения кристаллофосфоров. Это свойственно аккумулирующим системам, какими являются кристаллофосфоры. Поскольку указанный процесс может быть довольно длительным, все измерения интенсивности свечения кристаллофосфоров следует проводить по достижении состояния насыщения.

В зависимости от температуры у одного и того же кристаллофосфора наблюдается несколько полос излучения: холодная, нормальная и горячая. Спектральный состав указанных полос неоднороден, поэтому регистрацию спектров излучения следует проводить при строго фиксированной температуре.

Перечисленные выше факторы: длина волны возбуждающего света, его интенсивность, температура — могут быть использованы для целей идентификации и количественного определения веществ.

Выход люминесценции у кристаллофосфоров может достигать нескольких десятков процентов и сильно зависит от концентрации активатора и неконтролируемых примесей. Обычно активатор вводят в кристаллическую решетку в количествах, достаточных для подавления действия случайных примесей, снижающих выход люминесценции. Однако необходимо избегать введения больших количеств активатора, поскольку в этом случае возможно образование ассоциированных центров, включающих несколько частиц активатора. Такие центры либо не светятся вообще, либо дают измененное свечение. Тушение люминесценции, вызванное введением больших количеств активатора, называют концентрационным тушением свечения кристаллофосфоров. Для многих кристаллофосфоров при определенных условиях их получения наблюдается линейная зависимость между интенсивностью люминесценции и концентрацией активатора.

Введение примесей, благоприятствующих образованию дефектов в кристаллической решетке, дающих неактивное поглощение и затрудняющих перемещение носителей тока по кристаллу, отрицательно воздействует на выход люминесценции. Соответствующее снижение люминесценции называется тушением примесями. В зависимости от характера примесей этот эффект может быть слабым или сильным. Примеси, вызывающие сильный тушащий эффект, называют люминесцентными ядами.

Повышение температуры приводит к уменьшению свечения кристаллофосфоров. Это связано не только с действием нагревания на люминесцирующие центры подобно температурному тушению молекулярной люминесценции, но и с другим процессом — заполнением локализованных на уровнях активатора дырок электронами, поднимающимися из валентной зоны под воздействием тепловой энергии. В результате нейтрализации центры свечения теряют способность к рекомбинации с электронами из зоны проводимости. Дырки, образовавшиеся в валентной зоне вследствие ухода электронов, перемещаясь по валентной зоне, локализуются на центрах тушения. Центры тушения — особые места решетки, не способные к люминесценции. Они возникают вследствие дефектов в кристаллической решетке кристаллофосфора, связанных с включением в нее примесей. Для устойчивой локализации дырок на центрах тушения необходимо, чтобы уровни центров тушения располагались значительно выше невозбужденных уровней активатора. Дырки, локализованные на центрах тушения, рекомбинируют с электронами из зоны проводимости, однако такая рекомбинация не дает свечения.

Для регистрации спектров люминесценции и измерения частот (длин волн) и интенсивностей их монохроматических составляющих применяют люминесцентные спектральные приборы. В этих приборах возбуждение люминесценции осуществляется квантами электромагнитного излучения. Каждый такой прибор обеспечивает выполнение следующих функций: возбуждение люминесценции исследуемого образца; разложение излучения люминесценции на монохроматические составляющие и их выделение; измерение интенсивности монохроматических потоков.

На рис. 14.4.84 представлена блок-схема люминесцентного спектрального прибора, состоящего из шести основных узлов: 1 — источника возбуждающего излучения; 2 — первичного анализатора излучения, осуществляющего выделение (селекцию) из спектра источника монохроматических потоков различной частоты (длины волны); 3 — кюветного отделения, предназначенного для размещения кюветы с исследуемым образцом; 4 — вторичного анализатора излучения, осуществляющего выделение из спектра люминесценции монохроматических потоков различной частоты (длины волны); 5 — детектора (приемника) излучения, преобразующего энергию электромагнитного излучения в электрическую энергию и осуществляющего измерение интенсивности выделенных из спектра люминесценции монохроматических потоков; 6 — системы представления и обработки результатов измерений. По существу, данный прибор является комбинацией абсорбционного и эмиссионного спектральных приборов, для которых кюветное отделение является общим элементом. Относительно кюветного отделения абсорбционная и эмиссионная части прибора располагаются под прямым углом друг к другу. Такая конфигурация сводит к минимуму поступление излучения от источника на фотодетектор за счет отражения и рассеяния образцом.

Рис. 14.4.84. Блок-схема люминесцентного спектрального прибора

Читайте также:  Завоевание земель нового света это

Приборы для измерения молекулярной флуоресценции можно разделить на флуориметры (флуорометры) и спектрофлуориметры. У флуориметров селекция монохроматических лучистых потоков осуществляется с помощью простейших анализаторов излучения — светофильтров. Использование светофильтров обеспечивает высокий уровень возбуждающего излучения и эффективную регистрацию флуоресценции. При флуориметрических измерениях существенное значение имеет выбор светофильтров. Первичный светофильтр должен пропускать поглощаемое образцом излучение и не пропускать излучение флуоресценции. Вторичный светофильтр должен пропускать излучение флуоресценции, но возбуждающее излучение должно им полностью поглощаться. Подбирая такую пару светофильтров, следует добиваться их хорошей скрещенности: сложенные вместе, они вообще не должны пропускать электромагнитное излучение. Источниками возбуждения у флуориметров являются ртутные лампы низкого давления.

В спектрофлуориметрах селекция монохроматических лучистых потоков осуществляется монохроматорами, а источником возбуждающего излучения служит ксеноновая дуговая лампа высокого давления, испускающая сплошной спектр в УФ-, видимой и ближней ИК-области. Спектрофлуориметры позволяют регистрировать как спектры флуоресценции, так и спектры ее возбуждения. Для получения спектра возбуждения вторичный монохроматор излучения настраивают на частоту (длину волны), соответствующую максимуму флуоресценции, а первичным меняют частоту (длину волны) возбуждающего излучения. Для получения спектров флуоресценции первичный монохроматор излучения настраивают на частоту (длину волны), соответствующую максимуму возбуждения, а вторичным меняют частоту (длину волны) флуоресценции. Существуют модели спектрофлуориметров, у которых первичным анализатором излучения является светофильтр. Такие приборы могут регистрировать лишь спектры флуоресценции.

Спектрофлуориметры часто комплектуются фосфороскопами. Полученный в результате объединения спектрофлуориметра и фосфороскопа прибор называют спектрофосфориметром. Принцип действия фосфороскопов заключается в кратковременном возбуждении люминесценции и регистрации ее через некоторый промежуток времени. Задержка между возбуждением и регистрацией свечения позволяет выделить фосфоресценцию из общего спектра люминесценции и рассеянного возбуждающего излучения.

Наиболее распространенной является модель фосфороскопа с вращающимся стаканом, который имеет одну или несколько прорезей. Благодаря этому прибору, удается зарегистрировать спектры фосфоресценции веществ с длительностью свечения 1–100 мс. На рис. 14.4.85 представлен общий вид такого фосфороскопа с одной прорезью; внутри стакана размещается кварцевый сосуд Дьюара с непосеребренными стенками, заполненный жидким азотом. В жидкий азот вводят кювету с исследуемым образцом. Поток возбуждающего света проходит через прорезь стакана, двойные кварцевые стенки сосуда Дьюара, жидкий азот и попадает на кювету с образцом. Жидкий азот прозрачен для УФ- и видимого света и не поглощает возбуждающий свет и свет фосфоресценции. Так как стакан вращается электромотором, образец через прорезь возбуждается светом, а испускаемое им свечение регистрируется через эту же прорезь спустя некоторое время.

Фосфоресценцию веществ, адсорбированных на фильтровальной бумаге, измеряют с помощью устройства с вращающимся зеркалом (рис. 14.4.86). Световой поток, выходящий из первичного монохроматора, отражается поверхностью зеркала на фильтровальную бумагу (рис. 14.4.86, а) . При повороте зеркала на некоторый угол фосфоресценция образца фиксируется вторичным монохроматором (рис. 14.4.86, б).

В настоящее время для регистрации спектров фосфоресценции созданы установки на основе импульсных источников возбуждения. Они позволяют регистрировать фосфоресценцию веществ с длительностью свечения до 1 мкс.

Рис. 14.4.85. Модель фосфороскопа с вращающимся стаканом

Рис. 14.4.86. Схема фосфориметрии с временным разрешением для образцов, адсорбированных на фильтровальной бумаге:
а) возбуждение фосфоресценции; б) измерение фосфоресценции

Кюветы, применяемые при измерении спектров флуоресценции жидких образцов (растворов) представляют собой прямоугольные или треугольные в сечении стаканы или обычные пробирки, изготовленные из оптического кварца. При измерении спектров флуоресценции жидких образцов используют кюветы в виде капилляров или тонких трубок с внутренним диаметром 1–2 мм. Твердые порошкообразные образцы помещают в специальные насыпные кюветы.

В приборах, предназначенных для измерения атомной флуоресценции, первичный анализатор излучения отсутствует, а вторичным анализатором излучения служит либо светофильтр, либо простой и дешевый монохроматор. Функцию кюветы в атомно-флуоресцентных приборах выполняет атомизатор, обеспечивающий перевод анализируемого образца в состояние атомного пера. В качестве атомизатора применяют пламена, аргоновую высокочастотную индуктивно-связанную плазму, электротермические атомизаторы (нагреваемые электрическими током графитовые трубчатые печи, тигли). Для возбуждения спектров возбуждения атомов чаще всего используют высокоинтенсивные лампы с полым катодом и высокочастотные безэлектродные лампы. В последнее время для возбуждения спектров атомной фосфоресценции применяют лазеры с плавной перестройкой частоты (лазеры на красителях).

В люминесцентных спектральных приборах детекторами излучения, испускаемого оптически возбужденными атомами и молекулами, чаще всего служат фотоумножители, реже — фотоэлементы и фотодиоды.

Под люминесцентным анализом понимают совокупность методов анализа, основанных на явлении люминесценции. В люминесцентном анализе используют все виды возбуждения, но чаще всего — фотовозбуждение. Люминесцентный анализ подразделяют на качественный и количественный. Качественный анализ проводят по спектрам люминесценции, по их виду можно судить о присутствии того или иного вещества в пробе (анализируемом образце). Разновидностью качественного люминесцентного анализа является сортовой анализ, позволяющий обнаруживать малейшие различия в анализируемых образцах и используемый для установления сортности и качества стекол, семян, сельхозпродуктов и т. д. Количественный люминесцентный анализ основан на измерении интенсивности люминесценции определяемого вещества.

Люминесцентный анализ обладает высокой чувствительностью, низкими пределами обнаружения и используется преимущественно для обнаружения и количественного определения следовых количеств веществ в природных, промышленных и биологических объектах. Он включает в себя атомно-флуоресцентный анализ, флуориметрию, фосфориметрию, анализ по спектрам люминесценции кристаллофосфоров, хемилюминесцентный анализ.

Атомно-флуоресцентный анализ — метод элементного анализа по спектрам атомной флуоресценции. Анализируемый образец атомизируют, образовавшийся атомный пар для возбуждения флуоресценции облучают квантами лучистой энергии, поглощаемыми атомами определяемого элемента. Испускаемую возбужденными атомами флуоресценцию (как правило, резонансную) регистрируют.

При атомизации жидких образцов (растворов) можно использовать любой способ атомизации — пламя, аргоновую высокочастотную индуктивно-связанную плазму или электротермическую атомизацию. Атомизацию твердых образцов осуществляют электротермическими способом. Режим работы атомизаторов выбирают с таким расчетом, чтобы степень атомизации образца и выход флуоресценции были максимальными. Для предотвращения тушения флуоресценции в пламя добавляют некоторое количество аргона, а электротермический атомизатор обычно помещают в атмосферу аргона.

Основной помехой при атомно-флуоресцентных определениях элементов является рассеянное излучение, которое возникает вследствие рассеяния излучения от источника возбуждения на атомах и молекулах анализируемого образца. Рассеянное излучение часто маскирует слабые сигналы резонансной флуоресценции. Во избежание помех, связанных с рассеянным излучением, для измерения используют линии нерезонансной флуоресценции. В этом случае эффект возбуждения достигается лишь с помощью лазеров.

Метод атомной флуоресценции позволяет определять до 65 элементов. Пределы обнаружения достигают: в растворах — 1 пг/мл; в твердых порошкообразных образцах — 10 –6 –10 –8 %. Линейчатый характер спектров атомной флуоресценции обеспечивает атомно-флуоресцентному анализу высокую селективность.

Флуориметрия — метод люминесцентного анализа, основанный на измерении спектров флуоресценции. Пределы обнаружения веществ флуориметрическим методом составляют 10 — 9 – 10 — 4 %.

Вещества-люминофоры определяют флуориметрическим методом по их собственной флуоресценции. Если определяемые вещества не являются люминофорами, то для их флуориметрического определения используют люминесцентные реакции. Последние должны сопровождаться возникновением или ослаблением флуоресценции. Как и каждая реакция, применяемая в анализе, люминесцентная реакция должна протекать быстро, количественно, быть воспроизводимой и, по возможности, избирательной.

При флуориметрическом определении ионов металлов чаще всего используют реакции комплексообразования с органическими реагентами. В идеальном случае применяемые для анализа реагенты не должны флуоресцировать, а образующиеся комплексы, напротив, должны обладать интенсивной флуоресценцией. Молекулы таких реагентов обычно имеют нежесткую структуру и содержат функциональные группировки типа , , , , , , , и др. К числу таких реагентов, в частности, принадлежит салицилаль-2-аминофенол (см. II). Сам он не флуоресцирует, в то же время его хелат с ионом Al 3+ обладает интенсивной зеленой флуоресценцией (см. III). Превращение нефлуоресцирующего органического реагента во флуоресцирующий комплекс объясняют двояко. С одной стороны, это может быть связано с изменением природы синглетного возбужденного состояния S1 при комплексообразовании. У нефлуоресцирующих веществ состояние S1 возникает в результате n – p *-перехода, а у флуоресцирующих — при p – p *переходе. С другой стороны, это может быть следствием приобретения молекулой органического реагента определенной жесткости при комплексообразовании. У нежестких молекул часто наблюдается процесс внутренней конверсии S1 ® S, вызывающий релаксацию энергии электронного возбуждения. У жестких молекул, напротив, вероятность безызлучательных процессов (внутренняя конверсия, колебательная релаксация) мала, а вероятность флуоресценции велика.

При флуориметрическом определении органических веществ обычно прибегают к реакциям синтеза органолюминофоров. Для определения анионов часто используют косвенный флуориметрический метод, основанный на тушении люминесценции. Примером такого метода может служить определение иодид-ионов по тушению флуоресценции флуоресцеина (IV).

Читайте также:  Как нагреть комнату если нет света

Общая схема флуориметрического определения включает следующие стадии: растворение пробы и отделение, в случае необходимости, мешающих компонентов; проведение люминесцентной реакции (если определяемый компонент является люминофором, то необходимость в проведении реакции отпадает); измерение флуоресценции раствора, полученного в результате проведения люминесцентной реакции (или раствора пробы, если данная реакция не проводилась); расчет результата анализа и его метрологическая оценка.

На чувствительность флуориметрических определений существенное влияние оказывает присутствие посторонних веществ. Посторонние вещества могут снижать выход люминесценции либо уменьшать интенсивность свечения люминофора за счет эффекта внутреннего фильтра, понижая тем самым чувствительность определений. Правильный выбор длины волны возбуждающего света позволяет значительно снизить эффект внутреннего фильтра и тем самым увеличить чувствительность флуориметрических определений.

Чтобы достичь максимальной чувствительности, из двух реагентов выбирают тот, который приводит к образованию люминофора, характеризующегося минимальным перекрыванием спектров поглощения и излучения. Вероятно, и область линейности градуировочного графика с более чувствительным реагентом будет заметно шире.

Метод флуориметрии применяется для определения Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, U, Tl, Sn, Pb в водных растворах по их собственной флуоресценции. Низкотемпературную флуоресценцию галогенидных комплексов Bi(III), Sb(III), As(III), Se(IV), Te(IV) используют для высокочувствительного и селективного определения этих элементов. Непереходные элементы, а также лантаноиды определяют по флуоресценции их комплексов с 8-оксихинолином, b -дикетонами, основаниями Шиффа, азосоединениями, оксифлавонами, родаминовыми красителями и др. органическими реагентами. Разработаны методы определения порфиринов, витаминов, антибиотиков и других органических веществ по их собственной флуоресценции.

При анализе смесей люминофоров обычно проводят процедуру их разделения, используя чаще всего методы экстракции и хроматографии. Однако существует ряд способов, позволяющих избежать этой процедуры.

К их числу относятся способы селективного возбуждения спектров флуоресценции отдельных компонентов путем выбора длины волны возбуждения или использования подходящего сенсибилизатора. Например, используя акридиновый оранжевый в качестве сенсибилизатора замедленной флуоресценции антрацена, определяют содержание антрацена в смеси антрацен – 1,2-бензантрацен – пирен.

Другим способом, позволяющим проводить анализ смесей люминофоров без разделения, является способ матричной изоляции. Этот способ предполагает внедрение анализируемого образца в твердую матрицу, которую выбирают с таким расчетом, чтобы она по возможности минимально взаимодействовала с анализируемым образцом. Чаще всего в качестве матриц используют парафиновые углеводороды и азот. Процесс внедрения анализируемого образца в матрицу сводится к кристализации его растворов в парафиновых углеводородах при температуре кипения жидкого азота (77 К) или кристализации смеси его паров с азотом при температуре кипения жидкого гелия (4,2 К). Молекулы анализируемого образца жестко фиксированы в матрице и не могут свободно вращаться, они практически не взаимодействуют друг с другом и с молекулами матрицы. Все это устраняет причины, вызывающие уширение спектральных полос. В результате спектры флуоресценции многих органических веществ, внедренных в твердую матрицу, значительно упрощаются. Вместо широких диффузных полос появляются узкие линии шириной до 2–10 см –1 . Эффект превращения диффузного спектра в квазилинейчатый носит название эффекта Шпольского. Благодаря своей специфичности квазилинейчатые спектры нашли широкое применение в анализе. С их помощью удалось разработать высокоселективные и высокочувствительные способы определения многих органических веществ, в том числе и нефтей. Применение квазилинейчатых спектров позволило повысить чувствительность определения некоторых веществ на два порядка по сравнению с обычным люминесцентным методом и достичь пределов обнаружения 10 — 9 –10 — 8 %.

Удовлетворительные результаты анализа смесей люминофоров удается получить, используя метод синхронной флуориметрии. Суть этого метода заключается в следующем. Если при регистрации спектра флуоресценции смеси люминофоров синхронно с изменением длины волны флуоресценции l F менять длину волны возбуждения флуоресценции l S, поддерживая постоянной небольшую разность между ними Dl = l F — l S, то можно получить спектр, состоящий из отдельных пиков — синхронный спектр флуоресценции. Пики появляются в той области длин волн, где спектры возбуждения и флуоресценции перекрываются. Интенсивность пика пропорциональна как интенсивности в спектре флуоресценции при длине волны ее регистрации l F , так и интенсивности в спектре возбуждения при длине волны l S. Оптимальное соотношение между шириной регистрируемого пика и его интенсивностью достигается в том случае, когда величина Dl соответствует разности между максимумами флуоресценции и возбуждения. Интенсивность пика в синхронном спектре флуоресценции пропорциональна концентрации соотвеетствующего компонента. Применяя при анализе смесей люминофоров метод синхронной флуориметрии, удается добиться хорошего разрешения сигналов отдельных компонентов. На рис. 14.4.87 , а представлен спектр флуоресценции смеси пяти ароматических углеводородов, а на рис. 14.4.87, б — синхронный спектр флуоресценции этой смеси. Из рис. 14.4.87, б видно, что пики, отвечающие отдельным компонентам, хорошо разрешены. Метод синхронной флуориметрии позволяет получить хорошие результаты лишь в тех случаях, когда полосы в спектрах имеют отчетливо выраженную колебательную структуру.

Рис. 14.4.87. Обычный (а) и синхронный (б) спектры флуоресценции смеси нафталина (1), фенантрена (2),
антрацена (3), перилена (4) и тетрацена (5)

Фосфориметрия — метод люминесцентного анализа, основанный на измерении спектров фосфоресценции. Пределы обнаружения веществ фосфориметрическим методом при фотовозбуждении достигают 10 — 7 –10 — 4 %.

Фосфоресценция органических молекул обусловлена дезактивацией возбужденных триплетных состояний. Время жизни триплетных состояний столь велико (до 100с), что для наблюдения фосфоресценции необходимо зафиксировать молекулу в триплетном состоянии в жесткую матрицу, т.е. иммобилизовать. Иммобилизация уменьшает вероятность безызлучательной дезактивации триплетных молекул посредством соударений и внутренней конверсии. Использование фосфоресценции для определения органических веществ обычно связано с повышением вязкости растворителя при охлаждении растворов анализируемых образцов до температуры их кристаллизации.

Для получения спектров фосфоресценции применяют органические растворители, кристаллизующиеся при низких температурах. Эти растворители должны отвечать следующим требованиям: быть химически инертными; не поглощать возбуждающий свет и свет фосфоресценции; быть хорошими растворителями для проб; быть устойчивыми к воздействию мощных световых потоков. Чаще всего в качестве растворителей используют смеси: этиловый спирт – диметилформамид в соотношениях от 2 : 1 до 4 : 1; этиловый спирт – изопентан – диэтиловый эфир в соотношении 1 : 2 : 2 или 2 : 5 : 5. Указанные растворители кристаллизуются в стеклообразную массу при температуре кипения жидкого азота 77 К. Перед применением из растворителей удаляют водяные пары и воздух. Это позволяет избавиться от кислорода, являющегося сильным тушителем фосфоресценции. Кроме того, в результате указанной процедуры растворители кристаллизуются в однородную массу, лишенную трещин и не обладающую заметным светорассеянием.

Диапазон линейности градуировочного графика в методе фосфориметрии значительно шире, чем в методе флуориметрии. Это обусловлено тремя основными причинами.

1. При 77 К (условия наблюдения фосфоресценции) вероятность безызлучательной дезактивации электронно-возбужденных состояний при столкновениях существенно ниже, чем при комнатной температуре (условия наблюдения флуоресценции).

2. Реабсорбция фосфоресценции, как правило, невелика, т. к. спектр фосфоресценции более удален от спектра поглощения, чем спектр флуоресценции.

3. Для измерения фосфоресценции обычно берут весьма малые количества образца, что позволяет обеспечить равномерное возбуждение его фосфоресценции даже при высокой концентрации люминофора.

В некоторых случаях метод фосфориметрии оказывается более чувствительным, чем метод флуориметрии. Применяя более мощные световые потоки возбуждения и специальные приборы, позволяющие регистрировать фосфоресценцию в отсутствии рассеянного возбуждающего излучения и флуоресценции, удается значительно усилить сигнал фосфоресценции и, таким образом, повысить чувствительность определений.

Описанный выше способ иммобилизации органических молекул, связанный с применением весьма низких температур и требующий специальным образом очищенных растворителей, довольно сложен. Поэтому наряду с ним применяют более простые способы иммобилизации. В частности, фосфоресценцию органических молекул при комнатной температуре удается наблюдать у проб, адсорбированных на фильтровальной бумаге или других твердых поверхностях — субстратах (подложках). Этот способ иммобилизации доступен для большинства аналитических лабораторий, но его недостатком является значительная величина фонового сигнала, создаваемого подложкой.

Иммобилизация органических молекул при комнатной температуре может быть достигнута с помощью поверхностно-активных веществ, например лаурилсульфата натрия. В водных растворах молекулы лаурилсульфата натрия группируются в мицеллу из 50–100 молекул. В мицелле гидрофильные сульфогруппы ориентированы наружу, а гидрофобные углеводородные радикалы обращены внутрь (рис. 14.4.88) . Молекулы органического вещества, заключенные внутри мицеллы, защищены от столкновений и от воздействия каких-либо химических тушителей и приобретают способность фосфоресцировать. Однако следует иметь в виду, что чувствительность определения с использованием поверхностно-активных веществ на один-два порядка ниже, чем при низких температурах.

Рис. 14.4.88. Размещение молекулы нафталина внутри мицеллы лаурилсульфата натрия

Другие способы иммобилизации, связанные с введением веществ в стеклообразные (сахарные леденцы, застывающие при комнатной температуре, расплавы борной кислоты) или вязкие (желатина, глицерин) среды, пока не нашли широкого применения в аналитической практике.

Читайте также:  Имена писательниц с именем света

Метод фосфориметрии используется для определения полиароматических углеводородов, витаминов, антибиотиков и других органических веществ.

При анализе смесей люминофоров используют метод фосфориметрии с временным разрешением. Этот метод применим при условии, что средние времена жизни их возбужденных триплетных состояний довольно сильно различаются между собой. Сущность метода удобнее рассмотреть на примере двухкомпонентной смеси. Кинетика затухания фосфоресценции двух люминофоров описывается суммой двух экспонент:

, (14.4.99)

где индексы 1 и 2 относятся к первому и второму компоненту соответственно, причем, t 2 > t 1. Если результаты измерения затухания фосфоресценции этой смеси представить в виде графика lgIt, то на полученной кривой можно выделить два линейных участка. Левый участок отвечает быстро убывающей экспоненте (I1), а правый — медленно убывающей экспоненте (I2). Экстраполируя правый линейный участок кривой на нулевое время, находят величину lg I0,2. Экстраполяция левого участка позволяет найти значение lg(I0,1 + I0,2). По найденным значениям I0,1 и I0,2, используя градуировочные графики, нетрудно найти концентрации компонентов смеси.

Анализ по спектрам люминесценции кристаллофосфоров. Среди неорганических люминофоров наибольшую ценность для анализа представляют кристаллофосфоры. По характеру свечения кристаллофосфора можно судить о наличии элемента-активатора. Между интенсивностью люминесценции и содержанием активатора наблюдается линейная зависимость, что используют для определения микроколичеств многих элементов.

Наиболее удобным способом приготовления кристаллофосфора является совместная кристаллизация основного вещества и активатора из насыщенного раствора. Таким способом получают кристаллофосфоры K4 [ Fe (CN)6 ] × Sb, KI × Sn, NH4I × Te и др.

Однако чаще кристаллофосфоры получают путем термической обработки шихты, состоящей из основы, активатора и плавня. В качестве основы используют неорганические соединения — галогениды, оксиды, сульфиды, вольфраматы, молибдаты, силикаты, сульфаты, фосфаты элементов I – IV групп периодической системы. К соединениям, используемым в качестве основы кристаллофосфора, предъявляют четыре основных требования.

1. Синтез кристаллофосфора должен легко осуществляться в лабораторных условиях. Нежелательны слишком высокая температура, длительное прокаливание, применение специальной восстановительной или инертной атмосферы в зоне прокаливания.

2. Вещества, используемые в качестве основы, не должны изменяться при прокаливании.

3. Важное значение имеет чистота основы. Примеси посторонних элементов приводят к тушению свечения или вызывают появление дополнительных полос в спектре люминесценции. В случае силикатов, сульфидов и фосфатов допускается содержание примесей на уровне £ 2 · 10 — 4 %. Содержание примесей Fe, Co, Ni, Mn в сульфидах не должно превышать 1 · 10 — 5 %, а Cu — 5 · 10 — 6 %.

4. Структура кристаллической решетки основы должна допускать введение иона активатора. Близость ионных радиусов основы и активатора позволяет получить наиболее эффективный для целей анализа кристаллофосфор. Если ионы основы и активатора имеют близкие радиусы, но разные заряды, то необходимо, чтобы имелась возможность компенсации различия зарядов. Обычно для компенсации зарядов вводят дополнительные ионы. Например, при синтезе ZnS · Sm для компенсации избыточного заряда Sm 3+ в кристаллическую решетку основы вводят ионы Cl — или Na + . При подборе компенсирующих ионов руководствуются правилами изоморфного замещения ионов в кристаллической решетке.

При синтезе кристаллофосфоров для снижения температуры кристаллизации и равномерного распределения активатора в основе часто используют легкоплавкие соли, называемые плавнями. После кристаллизации плавень может быть отмыт. В качестве плавня применяют хлориды, фториды, бораты, карбонаты, силикаты, сульфаты и фосфаты лития, натрия и калия. Иногда используют хлориды, фториды и сульфаты щелочноземельных металлов. Количество вводимых в шихту плавней колеблется в пределах 1–12 %. Требования к чистоте плавней менее жесткие, поскольку они входят в состав кристаллофосфоров в меньших количествах. Обычно применяют соли марки ч.д.а. (чистые для анализа) или х.ч. (химически чистые).

В процессе приготовления шихты плавень и активатор добавляют к основе в виде растворов солей. Смесь основного вещества, плавня и активатора тщательно перемешивают, выпаривают и высушивают под ИК-лампой. Приготовленную таким образом шихту в количестве 50–200 мг помещают в тигель. При температуре прокаливания до 900 ° С используют кварцевые и фарфоровые тигли, а при температуре 900–1500 ° С — корундовые или платиновые. Время прокаливания шихты обычно колеблется от 10 мин до 1 ч. Для прокаливания применяют электрические печи с силитовыми или карборундовыми нагревателями; печи снабжены микропроцессорными устройствами, обеспечивающими прокаливание шихты в заданном температурном режиме. Образовавшийся после охлаждения кристаллофосфор отделяют от стенок тигля.

Применяемые в анализе кристаллофосфоры должны отвечать ряду требований: высокий выход люминесценции (иногда это касается свечения какой-либо определенной длины волны); стойкость к разрушающему воздействию возбуждающего света, влаги и атмосферы; высокая температура плавления; высокий верхний температурный предел свечения; длительное свечение в одних случаях и отсутствие его в других.

Для измерения спектров люминесценции кристаллофосфоров используют как спектрофлуориметры, так и спектрофосфориметры. Спектрофлуориметры применяют для регистрации спектров кратковременного свечения, а спектрофосфориметры — для регистрации спектров длительного свечения.

Люминесценцию кристаллофосфоров используют в аналитической практике как высокочувствительный и селективный метод определения лантаноидов, урана и некоторых переходных металлов. С помощью этого метода достигают пределов обнаружения 10 — 8 –10 — 6 %. Относительная погрешность определения обычно составляет от 2 до 20 %.

Хемилюминесцентный анализ метод люминесцентного анализа основан на свечении, возникающем за счет энергии, выделяющейся в результате окисления ряда органических веществ, таких, как люминол (V), лофин (VI), люцигенин (VII) и др. Возбужденная частица, образующаяся в ходе реакции, может испустить квант света сама (прямая хемилюминесценция) или передать энергию постороннему люминофору, который перейдет в возбужденное состояние и затем испустит квант света (косвенная или сенсибилизированная хемилюминесценция). Процесс хемилюминесценции можно представить следующей схемой:

,

где S — реагирующее вещество (люминал и др.); Ox — окислитель; P и P* — продукт реакции в основном и возбужденных состояниях; L и L* — люминофор в основном и возбужденном состояниях; h n ‘ и h n » — фотоны прямой и сенсибилизированной хемилюминесценции. Хемилюминесценцию можно рассматривать как фосфоресценцию, поскольку испускание продуктом реакции квантов света сопровождается переходом его из возбужденного триплетного состояния в основное синглетное. Механизм хемилюминесцентных реакций окончательно не установлен. Большинство исследователей считает, что хемилюминесцентные реакции протекают по радикально-цепному механизму.

Интенсивность хемилюминесценции пропорциональна ее квантовому выходу (квант / акт реакции) и скорости реакции v:

I = n . (14.4.100)

Она сильно зависит от концентрации посторонних веществ, которые либо могут выступать катализаторами или ингибиторами окисления, либо могут быть тушителями хемилюминесценции. Это свойство используется для их количественного определения. Таким образом, хемилюминесцентный метод можно отнести к каталитическому люминесцентному методу анализа.

В хемилюминесцентном анализе используют градуировочные графики двух типов. При определении веществ, катализирующих хемилюминесцентную реакцию, градуировочный график представляют в виде зависимости интенсивности хемилюминесценции в определенный момент времени (метод фиксированного времени) от концентрации катализатора. Для определения веществ, ингибирующих хемилюминесцентную реакцию или выступающих тушителями хемилюминесценции, градуировочный график представляют в виде зависимости – с, где I и I — интенсивность хемилюминесценции в отсутствии и присутствии определяемого вещества, а c — его концентрация.

В последнее время в практике хемилюминесцентного анализа все чаще стали применять методы, основанные на явлении электрохемилюминесценции и термохемилюминесценции.

Электрохемилюминесценцию рассматривают как хемилюминесценцию, инициированную электрическим током. Она возникает в результате реакции между продуктами электролиза или реакции одного из продуктов электролиза с компонентами раствора в электролитической ячейке. В частности, электрохемилюминесценцию растворов ряда ароматических веществ (пирен, хризен и др.) объясняют рекомбинацией их электрогенерированных катион- и анион-радикалов:

Термохемилюминесценцию можно рассматривать как хемилюминесценцию, возникающую вследствие химических реакций, активируемых теплом, например реакций термоокисления.

Спектры хемилюминесценции малоинтенсивны и состоят из широких бесструктурных полос. В ряде случаев их удается зарегистрировать с помощью коммерческих спектрофлуориметров. Для регистрации слабоинтенсивных спектров хемилюминесценции часто применяют специальные ячейки. На рис. 14.4.89 и 14.4.90 показаны схемы ячеек для измерения хемилюминесценции и термолюминесценции. Схема проточной кюветы для проведения воспроизводимых измерений хемилюминесценции с высокой чувствительностью приведена на рис. 14.4.91 .

Метод хемилюминесценции используется для определения неорганических и органических веществ с пределом обнаружения до 10 –8 %.

Рис. 14.4.89. Схема ячейки для исследования хемилюминесценции

Рис. 14.4.90. Схема ячейки для исследования термохемилюминесценции

Рис. 14.4.91. Схема проточной кюветы для воспроизводимых измерений хемилюминесценции с высокой чувствительностью

Источник

Adblock
detector