Техника люминесцентной спектроскопии и ее практическое применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Определение понятия люминесценции

1.1 Классификация явлений люминесценции

1.2 Теоретические основы люминесценции

1.3 Правило Стокса-Ломмеля

1.4 Правило зеркальной симметрии

1.5 Выход люминесценции

1.6 Виды люминесцентного анализа

2. Техника люминесцентной спектроскопии и ее практическое применение

2.1 Аппаратурное обеспечение люминесцентно-кинетических исследований

2.2 Техника люминесцентной спектроскопии

Заключение

Список использованных источников

Введение

Люминесценция - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть - признак длительности - введена С.И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения - отражения и рассеяния светла, а также от вынужденного испускания, тормозного излучения заряженных частиц. [1, с. 82]

Отличительной чертой люминесцентного анализа всегда была его высокая способность обнаружения, привлекавшая внимание исследователей при определении малых следов вещества. Наблюдение спектров флуоресценции атомов и простых неорганических молекул для непосредственного количественного определения элементов применяется сравнительно редко, хотя явление атомной флуоресценции наблюдали и тщательно изучали достаточно давно, начиная с классических работ Вуда и продолжавшихся до настоящего времени. Наблюдение характерных спектров люминесценции, принадлежащих атомам, ионам или простым молекулам в конденсированной фазе, возможно лишь в отдельных случаях.

Для возникновения люминесценции требуется какой-либо источник энергии, отличный от равновесной внутренней энергии данного тела, соответствующий его температуре. Для поддержания стационарной люминесценции этот источник должен быть внешним. Нестационарная люминесценция может происходить во время перехода тела в равновесное состояние после предварительного возбуждения (затухание люминесценции). Как следует из самого определения, понятие люминесценции относится не к отдельным излучающим атомам или молекулам, а и к их совокупностям - телам. Элементарные акты возбуждения молекул и испускания света могут быть одинаковыми в случае теплового излучения и люминесценции. Различие состоит лишь в относительном числе тех или иных энергетических переходов. Из определения люминесценции следует, также, что это понятие применимо только к телам, имеющим определенную температуру. В случае сильного отклонения от теплового равновесия говорить о температурном равновесии или люминесценции не имеет смысла.

Все виды люминесценции являются проявлением характерных свойств веществ и потому, вероятно, все они могут быть использованы для распознавания и изучения веществ. Кроме того, своеобразные особенности явления люминесценции позволяют использовать соответствующие наблюдения для разрешения сложных практических задач.

Признак длительности имеет большое практическое значение и дает возможность отличить люминесценцию от других неравновесных процессов. В частности он сыграл важную роль в истории открытия явления Вавилова-Черенкова, позволив установить, что наблюдавшееся свечения нельзя отнести к люминесценции. Вопрос о теоретическом обосновании критерия Вавилова рассматривался Б.И. Степановым и Б.А. Афанасевичем. Согласно им, для классификации вторичного свечения большое значение имеет существование или отсутствие промежуточных процессов между поглощением энергии, возбуждающей люминесценцию, и излучением вторичного свечения (например, переходов между электронными уровнями, изменений колебательной энергии и т.п.). Такие промежуточные процессы характерны для люминесценции (в частности они, имеют место при неоптическом возбуждении люминесценции).

1. Определение понятия люминесценции

1.1 Классификация явлений люминесценции

По типу возбуждения различают: ионолюминесценцию, кандолюминесценцию, катодолюминесценцию, радиолюминесценцию, рентгенолюминесценцию, электролюминесценцию, фотолюминесценцию, хемилюминесценцию, триболюминесценцию. По длительности люминесценции, различают флуоресценцию, (короткое свечение) и фосфоресценцию (длительное свечение). Теперь эти понятия сохранили только условное и качественное значение, т. к. нельзя указать какие-либо границы между ними. Иногда под флуоресценцией понимают спонтанную люминесценцию, а под фосфоресценцией - вынужденную люминесценцию.

Наиболее рациональная классификация явлений люминесценции, основанная на характеристиках механизма элементарных процессов, была впервые предложена Вавиловым, различавшим спонтанные, вынужденные и рекомбинационные процессы люминесценции. В дальнейшем была выделена также резистивная люминесценция.

Виды люминесценции:

1) Резонансная люминесценция (чаще называется резонансной флуоресценцией) наблюдается в атомных парах (ртути, натрия и др.) у некоторых простых молекул и, иногда, в более сложных системах. Излучение имеет спонтанный характер и происходит с того же энергетического уровня, которые достигаются при поглощении энергии возбуждающего света. При повышении плотности паров резонансная люминесценция переходит в резонансное рассеяние.[2, с. 26]

Этот вид свечения во всех случаях не должен относиться к люминесценции и должен называться резонансным рассеянием. [2, с. 26]

2) Спонтанная люминесценция включает переход (излучательный или, чаще, безызлучательный) на энергетический уровень, с которого происходит излучение. Этот вид люминесценции характерен для сложных молекул в парах и растворах, и для примесных центров в твердых телах.

3) Метастабильная или вынужденная люминесценция характеризуется происходящим после поглощения энергии переходом на метастабильный уровень и последующим переходом на уровень излучения в результате сообщения колебательной энергии (за счет внутренней энергии тела) или дополнительного кванта света, например инфракрасного.

4) Рекомбинационная люминесценция происходит в результате воссоединения частиц, разделившихся при поглощении возбуждающей энергии. В газах может происходить рекомбинация радикалов или ионов, в результате которой возникает молекула в возбужденном состоянии. Последующий переход в основное состояние может сопровождаться люминесценцией. В твердых кристаллических телах рекомбинационная люминесценция возникает в результате появления неравновесных носителей заряда (электронов или дырок) под действием какого-либо источника энергии. Различают рекомбинационную люминесценцию при переходах "зона - зона" и люминесценцию дефектных или примесных центров (т. н. центров люминесценции). Во всех случаях процесс люминесценции может включать захват носителей на ловушках с их последующим освобождением тепловым или оптическим путем, т. е. включать элементарный процесс, характерный для метастабильной люминесценции. В случае люминесценции центров, рекомбинация состоит в захвате дырок на основной уровень центра и электронов на возбуждённый уровень. Излучение происходит в результате перехода центра из возбуждённого состояния в основное. Рекомбинационная люминесценция наблюдается в кристаллофосфорах и типичных полупроводниках, например германии и кремнии. Независимо от механизма элементарного процесса, ведущего к люминесценции, излучение, в конечном случае, происходит при спонтанном переходе из одного энергетического состояния в другое. Если этот переход разрешённый, то имеет место дипольное излучение. В случае запрещенных переходов излучение может соответствовать как электрическому, так и магнитному диполю, электрическому квадруполю, и т.д. [2, с. 28]

1.2 Теоретические основы люминесценции

Экспериментальные методы исследования спектров люминесценции основываются на релаксационных процессах, происходящих при электронном возбуждении частиц вещества. Перевод молекул в возбужденное состояние может осуществляться различными путями, как и расходование приобретенной при этом молекулами энергии. Свечение вещества, возникающее при переходе молекул из возбужденного состояния в основное, называют люминесценцией, а если возбуждение происходило за счет поглощения электромагнитного излучения в оптической области, то испускание излучения в процессе релаксации называют фотолюминесценцией. Когда прямой и обратный переходы, происходящие одновременно, осуществляются между одними и теми же фиксированными энергетическими уровнями, частоты эмиссионного спектра точно совпадают с частотами спектра поглощения. Если бы заселенности нижнего и верхнего состояний были одинаковы, то не наблюдалось бы ни поглощение, ни испускание электромагнитного излучения. Поскольку наиболее заселенным является основное электронное состояние, а еще точнее - его нулевой колебательный уровень энергии, то при облучении наблюдаются полосы поглощения, связанные с переходами молекул с этого уровня на колебательные подуровни того или иного возбужденного электронного состояния, как это схематично показано на рисунке 1.1.

На общей схеме (рисунок 1.1) энергетических уровней и переходов между ними для молекул люминесцирующего вещества волнистые стрелки соответствуют безызлучательным переходам. Жирные горизонтальные линии, обозначающие электронные состояния, можно считать нулевыми колебательными уровнями, энергия которых включает сумму нулевых колебательных энергий по всем нормальным координатам, а остальные уровни (горизонтальные линии) соответствуют, как обычно, одному или нескольким отличным от нуля колебательным квантовым числам .

Рисунок 1.1 - Схема низших энергетических уровней молекулы и переходов между ними при фотолюминесценции

В возбужденном электронно-колебательном состоянии избыток колебательной энергии может теряться в результате межмолекулярных столкновений или каких-то других безызлучательных колебательных переходов. Иными словами происходит колебательная релаксация, представляющая переход от неравновесного распределения по колебательным уровням, энергии в данном электронном состоянии к равновесному тепловому распределению. В конечном счете, наиболее заселенным опять-таки оказывается нулевой (все ) колебательный уровень (рисунок 1.1).

В зависимости от характера электронного состояния, из которого молекулы переходят в основное состояние с испусканием электромагнитного излучения, фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция наблюдается при переходе между состояниями, имеющими одинаковую мультиплетность, обычно между синглетными первым возбужденным и основным S1S0. Возможные безызлучательные переходы между различными электронными состояниями одной и той же мультиплетности называют внутренней конверсией (в. к) и обозначают, как любые безызлучательные переходы, волнистой стрелкой, в частности S2 > S1. Среднее время жизни молекул в возбужденном синглетном состоянии мало, и явление флуоресценции связано с высокой вероятностью спонтанного перехода молекул в основное синглетное состояние, т.е. характеризуется отсутствием длительного "послесвечения" (после прекращения облучения, приводящего к электронному возбуждению молекул). [3, с 78]

Затухание флуоресценции происходит по экспоненциальному закону:

, (1.1)

где I - интенсивность флуоресценции через время t после прекращения облучения; I0 - постоянная интенсивность флуоресценции во время облучения; - среднее время затухания, за которое интенсивность флуоресценции уменьшается от исходной величины в раз (обычно имеет порядок 10,4-10,9).

Если спонтанный радиационный переход представляет единственный процесс, путем которого дезактивируется возбужденное состояние, то естественное среднее время жизни этого состояния совпадает со средним временем затухания в (1.1) и обратно пропорционально константе скорости естественного затухания фотолюминесценции kф.л:

 (1.2)

Четвертая сила осциллятора f, характеризующая вероятность спонтанного перехода из более высокого в более низкое электронное состояние, связана с естественным средним временем жизни возбужденного состояния равенством:

(1.3)

где g и g - мультиплетности соответственно верхнего и нижнего состояний.

Это равенство получено применительно к атомным переходам, а для молекулярных переходов его можно использовать лишь с корректировкой, но и при этом, особенно в случае малых интенсивностей переходов, возможны лишь грубые оценки только по порядкам величин.

Как возможны с малой вероятностью радиационные (излучательные) переходы между электронными состояниями разной мультиплетности, так же возможны и безызлучательные переходы между ними, называемые интеркомбинационной конверсией. Если, например, первое возбужденное синглетное состояние близко по энергии к первому триплетному состоянию, то может осуществляться безызлучательный переход S1 - T1, индуцируемый "столкновениями" молекул, находящихся на колебательных подуровнях этих состояний вблизи "пересечения" их потенциальных гиперповерхностей. В триплетном состоянии происходит колебательная релаксация, т.е. достигается равновесное распределение с наибольшей заселенностью нулевого колебательного уровня. [4, с. 16]

Оптические переходы между электронными состояниями разной мультиплетности, обычно нижним возбужденным триплетным и основным синглетным Т1S0, приводят к явлению фосфоресценции. В связи с большим естественным временем жизни триплетного состояния и очень малой вероятностью указанного перехода константа скорости затухания фосфоресценции мала, что и обусловливает длительное послесвечение "фосфоров". [3, с. 52]

Реальное время жизни люминесцирующего возбужденного состояния, как и среднее время затухания , зависит не только от вероятности радиационных переходов или величины kф.л, но и от констант скорости (или вероятностей) всех других процессов: внутренней (kвн.к) и интеркомбинационной конверсий (kин.к) и фотохимических реакций (kф.р), т.е.

(1.4)

В конденсированных системах для высоковозбужденных молекул наиболее вероятным является процесс внутренней конверсии, и радиационный переход с флуоресценцией обычно происходит с самого нижнего возбужденного уровня данной мультиплетности. Поэтому, во-первых, полоса флуоресценции, как правило, смещена в область более низких частот по сравнению с полосами поглощения, и, во-вторых, ее положение не зависит от длины волны возбуждающего излучения, соответствующей какому-то электронному переходу с поглощением.

1.3 Правило Стокса-Ломмеля

Стоксом было сформулировано правило, согласно которому свет люминесценции всегда имеет большую длину волны по сравнению со светом, применявшимся для возбуждения. Однако во многих случаях правило Стокса не выполняется. Спектры поглощения и люминесценции многих веществ частично накладываются друг на друга. [4, с. 29] Правило Стокса становится особенно наглядным при его графическом выражении. На рисунке 1.2 по оси абсцисс отложены частоты колебаний, по оси ординат - величины, пропорциональные интенсивностям излучения и коэффициентам поглощения.

Рисунок 1.2 - Сравнение спектров абсорбции и флуоресценции щелочного раствора флуоресценции

Рассмотрение этих кривых показывает, что флуоресцеин наиболее сильно поглощает при длине волны около 490 ммк и является совершенно прозрачным для света с длинами волн больше 520 ммк. Кривая флуоресценции показывает, что яркость свечения наибольшая при длине волны около 520 ммк; интенсивность флуоресценции спадает как в сторону больших, так и в сторону меньших длин волн и свечение совершенно исчезает при длинах волн больше 600 ммк и меньше 490 ммк. Следовательно, и спектр флуоресценции в целом и его максимум смещены в более длинноволновую сторону относительно спектра поглощения. Следует отметить, что в области длин волн 520-490 ммк оба спектра перекрываются: на этом небольшом участке длин волн вещество может и испускать и поглощать свет одной и той же длины волны.

Согласно квантовым представлениям правило Стокса обозначает, что энергия кванта, излучаемого флуоресцирующим веществом, всегда меньше кванта поглощаемого света, возбуждающего свечение поглф.л, а длинноволновое смещение полосы испускания относительно поглощаемой частоты названо стоксовым. Иногда этот закон нарушается, и наблюдают компоненты полосы фотолюминесценции со стороны более высоких частот (меньших длин волн) относительно частоты 0-0 - полосы поглощения, называемые антистоксовыми.

Ломмель уточнил правило Стокса, предложив для него следующую формулировку: спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн. Закон Стокса - Ломмеля строго выполняется для очень широкого круга веществ.

1.4 Правило зеркальной симметрии

Распределение энергии в спектре флуоресценции вещества в растворах во многих случаях (но не всегда) не зависит от длины волны возбуждающего света, т. е., иными словами, спектр наблюдаемой флуоресценции остается тем же, независимо от того, светом какой частоты мы его возбуждаем.

Для широкого круга веществ (растворов красителей, ряда ароматических и многих других соединений) выполняется установленное В. Л. Левшиным правило зеркальной симметрии спектров поглощения и излучения, согласно которому спектры поглощения и люминесценции, изображенные в функции частот, оказываются зеркально-симметричными относительно прямой, проходящей перпендикулярно оси частот через точку пересечения обоих спектров. [4, с. 31]

Правило Стокса устанавливает связь между спектрами поглощения и флуоресценции веществ в растворе. Правило симметрии конкретизирует эту связь, однако оно справедливо только в отношении тех веществ, молекулы которых обладают сходным строением верхних и нижних энергетических уровней. Описаны вещества, симметрия спектров которых носит только качественный характер; известны и такие случаи, когда симметрия отсутствует почти полностью.

Если сопоставить прямой и обратный переходы между одними и теми же электронными состояниями, т.е., например, процессы поглощения S1S0 и флуоресценции S1S0 (рисунок 1.1), то легко видеть следующую характерную черту. Самая низкая частота выбранного перехода в спектре флуоресценции, так как обе отвечают 0 - 0 полосе. Предположим, что соединенные с нулевым уровнем стрелками ненулевые колебательные подуровни электронных состояний S0 и S1 характеризуются последовательно одинаковыми квантовыми числами и , а соответствующие колебательные кванты при и (индекс k один и тот же) равны или приблизительно равны. Тогда полосы спектра флуоресценции с низкочастотной стороны 0 - 0 - полосы будут расположены зеркально симметрично соответствующим полосам спектра поглощения, расположенным с высокочастотной стороны 0 - 0 - полосы, т.е. происходит инверсия колебательной структуры. Из сказанного еще не следует, что относительные интенсивности полос спектров поглощения и испускания тоже будут зеркально симметричны. Однако явление приближенной зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесценции, называемое по имени его первого исследователя правилом Левшина, наблюдается экспериментально (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 - Правило зеркальной симметрии Левшина (общая схема зеркальной симметрии спектров поглощения и флуоресценции)

В то же время полного зеркального соответствия нет никогда, и отклонения от него связаны, во-первых, с отличиями функций потенциальной энергии в основном и возбужденном электронных состояниях и, во-вторых, с разной частотной зависимостью интенсивности спонтанного процесса испускания и вынужденного процесса поглощения.[5, c. 14]

С перекрыванием колебательной структуры полос спектров поглощения и испускания может быть связано и появление антистоксовых компонентов в спектре фотолюминесценции.

1.5 Выход люминесценции

Величину, определяющую долю радиационных переходов по отношению ко всем процессам, приводящим к уменьшению заселенности возбужденного электронного состояния, называют выходом люминесценции. Он характеризует эффективность преобразования возбуждающего излучения исследуемым веществом в свет фотолюминесценции. Значительную ясность в понимание явления флуоресценции вносит установленный С.И. Вавиловым закон, согласно которому квантовый выход флуоресценции не зависит от длины волны возбуждающего света вплоть до некоторой предельной длины волны . Если возбуждать свечение, например, флуоресцеина ультрафиолетовым светом или видимым светом различной длины волны, то независимо от того, светом какой длины волны мы в каждом отдельном случае возбуждаем флуоресценцию, остаются неизменными не только спектр флуоресценции, но в известном интервале длин волн и квантовый выход.[6, с. 28]

Интенсивность люминесценции сама по себе редко представляет интерес. Вместо неё вводится величина отношения излучаемой энергии к поглощаемой, называемая выходом люминесценции. В большинстве случаев выход определяется в стационарных условиях как отношение излучаемой и поглощаемой мощности. В случае фотолюминесценции вводится понятие квантового выхода и рассматривается спектр выхода, т.е. зависимость выхода от частоты возбуждающего света и спектр поляризации - зависимость степени поляризации от частоты возбуждающего света. Кроме того, поляризация люминесценции характеризуется поляризационными диаграммами, вид которых связан с ориентацией и мультипольностью элементарных излучающих и поглощающих систем.

Независимость квантового выхода от длины волны возбуждающего света одновременно означает, что энергетический выход растет пропорционально длине волны возбуждающего света. В самом деле, энергия кванта обратно пропорциональна длине волны, и таким образом с увеличением длины волны возбуждающего света падает энергия поглощенного кванта и, следовательно, энергетический выход растет.

Для каждого вещества характерна некоторая предельная длина волны , за которой начинается резкое спадание выхода, т. е., иными словами, если возбуждать свечение светом длины волны большей , то доля молекул, отдающих в виде флуоресцентного излучения энергию поглощенных ими световых лучей, резко снижается.

Различают энергетический и квантовый выходы. Первый представляет собой отношение излучаемой при люминесценции энергии Еисп, к поглощенной энергии излучения Епогл, равное при стационарном режиме непрерывного облучения и испускания отношению соответствующих интенсивностей:

(1.5)

Квантовым выходом называют отношение числа квантов люминесценции, испускаемых единицей объема вещества в единицу времени Nисп, к числу поглощенных фотонов возбуждающего излучения Nпогл:

 (1.6)

Его можно определить также через константы скорости затухания фотолюминесценции и различных безызлучательных процессов следующим образом:

. (1.7)

Энергетический и квантовый выходы связаны соотношением:

(1.8)

где ф.л - средняя частота ("центр тяжести") полосы фотолюминесценции; возб - частота возбуждающего излучения.

Выход люминесценции чувствителен к внешним воздействиям, которые могут приводить к тушению свечения. Возможно тушение люминесценции посторонними примесями (тушителями), температурное, концентрационное (при высоких концентрациях). Механизм тушения обычно связан с развитием безызлучательных процессов деградации энергии возбуждения за счет увеличения числа столкновений частиц или образования не люминесцирующих ассоциатов, или ионизации, диссоциации и т.д. Учет тушения, влияющего на интенсивность люминесценции, является очень важным в люминесцентном анализе.

Как и всякое излучение, люминесценция характеризуется спектром (спектральной плотностью лучистого потока) и состоянием поляризации. Изучение спектров люминесценции и факторов, на них влияющих, составляет часть спектроскопии.

Кинетика люминесценции, в частности вид кривой нарастания после включения возбуждения и кривой затухания люминесценции после его выключения, и зависимость кинетики от различных факторов: температуры, интенсивности возбуждающего источника и т. п., служат важными характеристиками люминесценции. Кинетика люминесценции в сильной степени зависит от типа элементарного процесса, хотя и не определяется им однозначно. Затухание спонтанной люминесценции с квантовым выходом, близким к единице, всегда происходит по экспоненциальному закону:

(1.9)

где ф Ї характеризует среднее время жизни возбужденного состояния, т. е. равно обратной величине вероятности спонтанного перехода А в единицу времени. Однако, если квантовый выход люминесценции меньше единицы, т. е. люминесценция частично потушена, то экспоненциальный закон затухания сохраняется только в простейшем случае, когда вероятность тушения Q постоянна. В этом случае:

(1.10)

а квантовый выход:

(1.11)

где Q - вероятность безызлучательного перехода. Однако часто Q зависит от времени, протекшего от момента возбуждения данной молекулы, и тогда закон затухания люминесценции становится более сложным. Кинетика вынужденной люминесценции в случае с одним метастабильным уровнем определяется суммой двух экспонент:

 (1.12)

причем временные постоянные ф1 и ф2 зависят от вероятностной излучательной и безызлучательных переходов, а предэксцотенциальные множители С1 и С2 кроме того, - от начального распределения возбуждённых молекул по уровням.

Вероятность вынужденного безызлучательного перехода с метастабильного уровня:

(1.13)

где е - энергия активации, необходимая для перехода. Вследствие этого время затухания вынужденной люминесценции резко зависит от температуры.

Рекомбинационная люминесценция кристаллофосфоров характерна очень сложной кинетикой, вследствие того, что в большинстве случаев в кристаллофосфорах имеются электронные и дырочные ловушки многих сортов, отличающихся глубиной энергетических уровней. В случае, когда рекомбинационная люминесценция может быть приближённо представлена законом бимолекулярной реакции, закон затухания выражается гиперболой второй степени

(1.14)

где р--постоянная. Такой закон затухания наблюдается только в редких случаях. Чаще на значительном интервале затухание может быть представлено формулой Беккереля:

 (1.15)

где б < 2, которую нужно рассматривать как аппроксимационную формулу, не имеющую непосредственного теоретического обоснования. Кинетика рекомбинационной люминесценции часто осложняется также специфическими процессами тушения, происходящим благодаря безызлучательным переходам вне центра люминесценции. Это приводит к различным нелинейным явлениям (зависимость выхода и других характеристик от плотности поглощаемой энергии).

1.6 Виды люминесцентного анализа

Люминесцентным анализом называется обнаружение и исследование различных объектов с помощью явлений люминесценции. Наиболее важной задачей люминесцентного анализа является определение химического состава исследуемых веществ и установление процентного содержания в них отдельных компонентов. Анализ такого вида носит соответственно название качественного и количественного химического люминесцентного анализа.

Качественный химический люминесцентный анализ основан на том, что люминесцентные свойства являются характерным признаком излучающего вещества, тесно связанным с его составом, общим состоянием и структурой его молекул.

Количественный химический люминесцентный анализ основан на использовании определенной зависимости между интенсивностью люминесценции и концентрацией люминесцентного вещества. В большинстве случаев условия анализа подбираются так, чтобы осуществлялась пропорциональность между интенсивностью свечения и концентрацией вещества. Однако такая зависимость имеет место лишь в случаях, когда концентрации невелики. При высоких концентрациях определяемого вещества для осуществления анализа приходится тем или иным способом учитывать сложную зависимость интенсивности свечения от концентрации.

К люминесцентному анализу относится также изучение структуры и колебательных частот молекул по спектрам излучения, создающее фундамент для качественного люминесцентного анализа.

Чисто химические задачи не исчерпывают возможностей люминесцентного анализа. С его помощью можно обнаруживать и выявлять различные объекты и их детали, изучение которых оказывается невозможным при обычных условиях наблюдения и освещения. Люминесцентный анализ такого рода получил название люминесцентного анализа обнаружения или сортового люминесцентного анализа.

Люминесцентный анализ обладает рядом особенностей, которые отличают его от всех других видов анализа. Люминесцентный анализ необычайно чувствителен. С его помощью можно обнаружить в пробе присутствие вещества с концентрацией ~10-10 - 10-11 г. Это более чем на три порядка превосходит чувствительность эмиссионного спектрального анализа, что позволяет работать с исчезающе малыми количествами исследуемого вещества ~10-12 - 10-15 г. С помощью люминесцентного анализа можно исследовать очень небольшие объемы раствора, а также анализировать мельчайшие крупинки порошков, в которых содержатся следы других люминесцирующих веществ.

Важным преимуществом люминесцентного анализа являются его простота и скорость, во много раз превосходящие скорость химического анализа.

2. Техника люминесцентной спектроскопии и ее практическое применение

2.1 Аппаратурное обеспечение люминесцентно-кинетических исследований

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.

Обычная схема получения и измерения спектров фотолюминесценции показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Блок-схема установки для получения и измерения спектров фотолюминесценции: а - сбоку; б - спереди; в - на просвет; 1 - источник излучения; 2 - линзы; 3, 3' - светофильтры; 4, 4' - поляризаторы; 5 - образец; 6 - монохроматор; 7 - приемник; 8 - усилительно-регистрирующее устройство

Фотовозбуждение осуществляется источником УФ или видимого излучения 1 по трем вариантам его расположения относительно образца и оптической оси входного коллиматора прибора (рисунок 2.1). Первый вариант применяется чаще всего для измерения спектров флуоресценции растворов, второй - твердых образцов, третий - применяется обычно при изучении спектров фосфоресценции.

В качестве источников могут служить ртутная, ксеноновая, водородная и другие лампы, широко применяются также лазеры. Свечение фокусируется на входную щель монохроматора 6 и разложение в спектр попадает через щель на приемник 7, связанный с регистрирующим устройством 8. При широких полосах испускания, которые характерны для спектров флуоресценции растворов, для возбуждения используется излучение с частотой возб, лежащей в пределах полосы поглощения образца, но вне пределов его полосы испускания.

Для устранения возможности попадания на приемник возбуждающего излучения применяют метод скрещенных фильтров. Это значит, что после источника 1 устанавливают светофильтр 3 (или светосильный монохроматор), выделяющий линию возб (в случае лазерного источника необходимость в них отпадает), а между образцом 5 и монохроматором 6 помещают светофильтр 3, поглощающий возбуждающее излучение (возб). В спектрофлуориметрах предусматривается также возможность установки поляризаторов 4 и 4;система линз 2 обеспечивает соответствующую фокусировку и освещение.

Кюветы для исследования спектров флуоресценции растворов представляют собой прямоугольные или треугольные в свечении стаканы с прозрачными стенками, иногда используются цилиндрические кюветы или капилляры типа применяемых в спектроскопии КР. В настоящее время широко применяются полумикро- и микрокюветы, используются высоко- и низкотемпературные термостатируемые устройства и проточные кюветы. Для регистрации спектров фосфоресценции применяют специальные криостаты с различными хладагентами (жидкий азот, сухой лед в ацетоне или спирте и т.д.). В качестве твердых растворов для наблюдения фосфоресценции используют застывающие при комнатной температуре расплавы, например с борной кислотой, а вязкой жидкостью для получения раствора может служить, например, глицерин. [3, c. 298]

В лаборатории "Фотоника" спектры люминесценции регистрируются с помощью автоматизированной установки на базе спектрофотометра ДФС-12, которая предусматривает смену дифракционных решеток 1200-600-300 штр./мм и монохроматическое возбуждение, осуществляемое лазером. Схема прибора представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема установки для люминесцентных исследований: 1-источник возбуждающего излучения, 2-образец, 3-спектрофотометр ДФС-12, 4-ФЭУ, 5-блок питания ФЭУ, 6-усилитель, 7-самописец или вольтметр, 8-осциллограф

Спектрофотометр обеспечивает непрерывное сканирование по длинам волн. Скорость сканирования спектра выбирается в зависимости от его структурности. Регистрация спектров люминесценции наших систем осуществляется с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Электронное устройство обрабатывает сигнал, который изображается графически на двухкоординатном самописце. В некоторых случаях для уменьшения трудоемкости эксперимента и экономии времени вместо самописца подключался электронный интегрирующий вольтметр.

Необходимо заметить, что при люминесцентных исследованиях используются кюветы длиной 1 см, которых прозрачны все 4 грани, что требуется при применении в измерениях метода перпендикулярных пучков. При этом значительно уменьшаются помехи, вызванные рассеянным светом от источника возбуждения. Достаточно высокий квантовый выход и большое время жизни люминесценции изучаемых объектов (от нескольких мкс и выше) позволили исследовать ее кинетику путем непосредственного наблюдения кривых затухания свечения на экране осциллографа. В качестве импульсного источника возбуждения использовался азотный лазер ЛГИ-21 (длина волны генерации 337нм; выходная мощность импульсная 3кВт; длительность импульса генерации 8-10 нс; частота до 200гц). Регистрация осуществлялась ФЭУ-84 (временное разрешение не хуже 20 нс). Для регистрации свечения каждого активного иона использовался соответствующий светофильтр, пропускающий только люминесцентное излучение данного иона. При слабых световых потоках увеличивалось сопротивление нагрузки таким образом, чтобы фронт затухания импульса анодного тока ФЭУ был как минимум втрое короче длительности затухания исследуемого свечения. Это позволяло сохранять высокую чувствительность кинетических измерений при достаточном временном разрешении.

2.2 Техника люминесцентной спектроскопии

Спектры люминесценции применяются для качественного и количественного анализа, в структурных исследованиях, изучения электронно-колебательных состояний молекул, физико-химических свойств растворов, газообразных, жидких и твердых образцов.[7, c. 102]

Таблица 2.1 - Выход флуоресценции некоторых ароматических углеводородов в гексановом растворе при возбуждении линией 253,7 нм, 20С

Соединение	Выход Г	Диапазон длин волн, нм	Соединение	Выход Г	Диапазон длин волн, нм
Бензол Гексаметилбензол Нафталин Антрацен	0,11 0,04 0,38 0,46	270…310 280…330 300...360 370…460	Фенантрен Флуорен Дифенил Аценафтен	0,27 1,00 0,23 0,7	380…470 300…370 290…360 330…400

К особенностям качественного люминесцентного анализа, позволяющего по спектру свечения обнаруживать и идентифицировать вещество или группу вещества, можно отнести еще большую узость круга поддающихся такому анализу объектов. Четкими, имеющими характерную структуру спектрами люминесценции обладают немногие вещества: соединения редкоземельных элементов, соли уранила, ароматические соединения, порфирины и некоторые другие. В большинстве случаев наблюдаются широкие, лишенные структур полосы, которые для смеси флуоресцирующих веществ часто перекрываются и трудно разделимы.

В основе структурного анализа по спектрам люминесценции лежит не только зависимость положения полосы, но и квантового выхода от структурных особенностей молекулы.

Предельные углеводороды и непредельные углеводороды с изолированными кратными связями, соответствующие спирты, кислоты, эфиры, галогенопроизводные и т.д. не флуоресцируют в видимой и УФ областях, тогда как, например, альдегиды и кетоны дают видимую люминесценцию. Флуоресценция бензола, нафталина и т.д. происходит в УФ области спектра, других ароматических полициклических соединений - частично или полностью в видимой области (таблица 2.1).

Сильно флуоресцируют многие кислородо- и азотсодержащие гетероциклические соединения ароматического ряда, металлорганические соединения. Вообще отмечено, что жесткая, в частности, замкнутая планарная структура способствует интенсивной флуоресценции, тогда как структур, допускающая внутреннюю переориентацию (движение) больших фрагментов молекул, препятствует ее появлению. По интенсивности флуоресценции можно различать пространственные цис-транс-изометры и конформации, например, 1,4-дифенилбутадиена и т.п. Вещества, отличающиеся по "жесткости" структуры, но имеющие сходные спектры поглощения, могут часто сильно различаться по интенсивности флуоресценции. Выводы о структуре на основании спектров флуоресценции носят весьма общий характер, но вместе с другими данными иногда могут облегчить решение тех или иных структурных проблем. [7, c. 103]

Если в спектрах флуоресценции молекул в растворе или в газовой форме (при низком давлении) наблюдается хорошо разрешенная колебательная структура, то можно определить колебательные частоты в основном (для газообразного состояния иногда и возбужденном) электронном состоянии.

Положение, форма полосы и интенсивность флуоресценции для соединений, способных к ионизации и диссоциации в какой-то среде, могут носить рН. Это относится, например, к нафтолсульфоновым кислотам, - или - нафтиламинам. Так, нейтральным или щелочном растворе флуоресценция последних наблюдается в видимой области, а в кислом растворе - только в УФ области. Кислотность и основность могут, в принципе, различаться для основного и возбужденного электронных состояний молекул, поэтому не всегда наблюдается даже приблизительное соответствие изменений спектров поглощения и флуоресценции в зависимости от рН.

Явление фосфоресценции используется для излучения метастабильных, возбужденных триплетных фосфоресцентных состояний молекул, парамагнетизма, возникающего при облучении, в связи с особенностями строения как органических, так и неорганических соединений. Спектры фосфоресценции обычно исследуют для твердых растворов веществ, при низких температурах или в очень вязких жидкостях, что позволяет предотвратить электронную дезактивацию молекул, ограничивая их движение, хотя иногда фосфоресценция наблюдается даже у паров, например диацетила.

В случае неорганических "примесных" фосфоров они вместе с основным веществом составляют обычно единую фосфоресцирующую систему, тогда как фосфоресценция органических соединений - свойство, присущее самим молекулам. В первом случае длина волны возбуждающего излучения определяется часто спектром поглощения среды, а не примесных центров свечения, у органических же фосфоров спектр флуоресценции в разных средах практически одинаков, так как возбуждается полосой излучения, поглощаемого самим фосфоресцирующим веществом, и может лишь слегка зависеть от межмолекулярных взаимодействий. [4, c. 257]

Количественный анализ основывается на зависимости интенсивности фотолюминесценции от концентрации люминесцирующего вещества в растворе. Из соотношения (1.5) следует:

, (2.1)

а по закону Бугера-Ламберта-Бера:

, (2.2)

где I0 - интенсивность падающего, возбуждающего излучения; I - интенсивность прошедшего непоглощенного излучения.

После разложения экспоненты в ряд и подстановки Iпогл в (2.1) получается соотношение, связывающее Iисп с концентрацией флуоресцирующего вещества, которое для разбавленных растворов (cl 0,1) представляет линейную зависимость вида:

. (2.3)

Интенсивность свечения прямо пропорциональна интенсивности возбуждающего излучения I0, и, увеличивая последнюю, можно добиваться очень сильной чувствительности спектрофлуориметрических измерений. Надежно регистрируется, например, свечение растворов с концентрацией флуоресцирующего вещества порядка 10-11 моль/л, что превышает чувствительность метода абсорбционной спектрофотометрии.

Растворы для исследования спектров флуоресценции должны приготовляться с использованием растворителей особо высокой "флуоресцентной" чистоты, т.е. очищенных с помощью специальных методов от микропримесей, которые сами могут флуоресцировать. [7, c. 104]

В связи с высокой чувствительностью химический люминесцентный анализ широко используется в различных областях промышленности, включая химическую и нефтехимическую, в биологии, медицине и геологии, а так называемый люминесцентный анализ обнаружения - также в пищевой промышленности, сельскохозяйственном производстве, дефектоскопии, археологии, криминалистике и т.д.

Заключение

Все виды люминесценции являются проявлением характерных свойств веществ и потому все они могут быть использованы для распознавания и изучения веществ. Кроме того, своеобразные особенности явления люминесценции позволяют использовать соответствующие наблюдения для разрешения сложных практических задач.

В ходе выполнения курсовой работы мною были изучены физические основы и природа явления люминесценции, основные характеристики и законы, а также ознакомилась с методами люминесцентного анализа и их технической реализацией.

В курсовой работе рассмотрены теоретические основы и основные закономерности люминесценции:

· затухание флуоресценции;

· правило Стокса-Ломмеля;

· правило зеркальной симметрии;

· выход люминесценции;

Перечисленные свойства люминесцентного анализа дают представление о его исключительных возможностях, в определенных отношениях значительно превосходящих возможности других видов анализа, а также качественный и количественный люминесцентный анализ.

Список использованных источников

люминесценция затухание стокс зеркальный

1 Степанов Б.И. Люминесценция сложных молекул / Издательство академии наук БССР. - 1955. Ч.1. - С.7982.

2 Лещенко В.Г. Введение в спектральный и люминесцентный анализ / Учебно-методическое пособие. - 2002. - С. 25-30.

3 Прингсгейм П. Флуоресценция и фосфоресценция / Перевод с английского. - М.: - 1951. - 325 с.

4 Константинова-Шлезингер М.А. Люминесцентный анализ / Физика и техника спектрального анализа. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - 1961. - 399 с.

5 Зайдель А.Н. Атомно-флуоресцентный анализ / Методы аналитической химии. - Л.: Химия. - 1983. - С. 11 17.

6 Вавилов С.И. Собрание сочинений. - 1952. - Т. 2. - М.: С. 20, 28, 29.

7 Антонов-Романовский В.В. Кинетика фотолюминесценции кристаллофосфоров. - М.: - 1966. - С. 102-104.

Размещено на Allbest.ru

...