Люминесценция – свечение атомов, ионов, молекул, возникающее в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом молекула преобразует поглощенную энергию в собственное излучение (В. Л. Левшин) Люминесценцию называют холодным свечением Люминесцирующие вещества могут находиться в любом агрегатном состоянии 2

Классификация видов люминесценции 1. По длительности свечения 2. По способу возбуждения 3. По механизму свечения: свечение дискретных центров – поглощающими и излучающими центрами являются одни и те же частицы (атомы, молекулы, ионы) рекомбинационное свечение – процессы поглощения и излучения разделены во времени и в пространстве; в процессе возбуждения происходит разделение частицы вещества на две противоположно заряженные части; последующая их рекомбинация сопровождается выделением энергии А + hv A + + e A + + e A * A * A + hv 3

Классификация люминесценции по длительности свечения флуоресценция (~10 -8 c) При флуоресценции молекула переходит в основное состояние из короткоживущего возбужденного состояния Она наблюдается сразу же после поглощения света, быстро спадает и исчезает в результате столкновений излучающей молекулы с другими молекулами в растворе (тушение флуоресценции) фосфоресценция (>10 -6 с) Фосфоресценция наблюдается при переходе молекулы в основное состояние из относительно долгоживущего возбужденного состояния, так что между поглощением и испусканием света может пройти относительно много времени Для фосфоресценции характерны большая длина волны излучения, меньшая интенсивность и большее влияние матрицы 4 10 -6 с) Фосфоресценция наблюдается при переходе молекулы в основное состояние из относительно долгоживущего возбужденного состояния, так что между поглощением и испусканием света может пройти относительно много времени Для фосфоресценции характерны большая длина волны излучения, меньшая интенсивность и большее влияние матрицы 4">

Классификация люминесценции по способам возбуждения Электромагнитное излучение УФ- и видимого диапазона Фотолюминесценция Поток электронов (катодные лучи) Катодолюминесценция Поток ионов щелочных металлов Ионолюминесценция Рентгеновское излучениеРентгенолюминесценция Радиоактивное излучениеРадиолюминесценция Тепловая энергияТермолюминесценция УльтразвукСонолюминесценция Механическое воздействиеТриболюминесценция Энергия химической реакцииХемилюминесценция 5

В аналитической практике чаще используют фото - и хемилюминесценцию Флуоресцентные измерения более избирательны, чем спектрофотометрические, поскольку зависят от двух длин волн: поглощаемого и испускаемого света По сравнению с молекулярной абсорбционной спектроскопией метод обладает большей чувствительностью Это обусловлено тем, что метод относится к силовым, в котором выходной сигнал увеличивается с увеличением интенсивности излучения Пределы обнаружения для большинства соединений составляют ~ мкг / мл, что на 1-2 порядка ниже, чем в абсорбционной спектроскопии 6

Кроме того, в ряде случаев наблюдается большой диапазон определяемых содержаний – иногда до 4- х порядков величин концентраций – при той же воспроизводимости результатов анализа, что и в молекулярной абсорбционной спектроскопии Все это предопределило развитие люминесцентного метода анализа 7

Молекулярная люминесцентная спектроскопия (флуориметрия) Фотопроцессы в молекулах Электронное возбуждение молекулы связано с переходом электрона из основного состояния в возбужденное с большей энергией Возбужденные молекулы переходят в основное состояние, часто испуская свет Конкурирующие физические процессы могут приводить к образованию нового возбужденного состояния, при этом общая потеря электронной энергии несколько задерживается В конечном счете все же происходит быстрый переход всех возбужденных состояний в основное состояние системы Происхождение люминесцентного излучения поясняется диаграммой Яблонского 8

Рассмотрим процесс возбуждения валентных электронов молекулы На каждый электронный уровень или энергетическое состояние (жирные линии на схеме) накладываются колебательные подуровни с квантовыми числами 0,1,2,3 и т. д. (тонкие линии) При поглощении кванта света электрон переходит с основного уровня на более высокий. Различают синглетное возбужденное состояние (все спины электронов антипараллельны, неспаренные электроны отсутствуют) и триплетное (параллельные спины) Основное состояние не может быть триплетным (по принципу Паули два электрона не могут иметь полный набор одинаковых квантовых чисел) 10

Механизмы возвращения молекулы из возбужденного состояния в основное Избыточная энергия возбужденных молекул может быть потеряна за счет ряда процессов Все эти процессы конкурируют друг с другом и вклад каждого из них в общую потерю энергии зависит от соотношения их скоростей Вернемся к диаграмме Яблонского 11

При комнатной температуре молекулы обычно находятся в основном состоянии S 0, и почти все переходы при поглощении света происходят с нижнего (основного) колебательного подуровня на колебательные подуровни возбужденного синглетного состояния S 1 или S 2 Время жизни электрона в возбужденном синглетном состоянии составляет с Безызлучательные переходы Возбужденная молекула за счет так называемой колебательной релаксации при столкновении с окружающими молекулами очень быстро, за время меньше с, теряет избыточную колебательную энергию и переходит на основной колебательный уровень возбужденного синглетного состояния (переход обозначен волнистыми стрелками) 13

Таким же быстрым является процесс внутренней конверсии в высших электронно - возбужденных состояниях Это безызлучательный переход между колебательными уровнями различных электронных состояний, имеющих одинаковую энергию (горизонтальная волнистая линия) Внутренняя конверсия в нижних электронных состояниях S 1 S 0 процесс более медленный, он может конкурировать с излучательным переходом S 1 S 0 Флуоресценция - процесс излучательного перехода с низшего возбужденного синглетного состояния в основное (S 1 S 0) Время затухания флуоресценции с Флуоресценция протекает в одну стадию 14

Энергия испускаемого фотона ниже, чем энергия поглощенного фотона, поэтому спектр флуоресценции молекулы находится в области более длинных волн по сравнению со спектром поглощения - закон Стокса - Ломмеля h люм

18

Напомним, что кроме синглетного возможно триплетное возбужденное состояние (параллельные спины электронов) Прямой переход из основного состояния в возбужденное триплетное в результате поглощения фотона практически невозможен Молекула может оказаться в триплетном состоянии только в результате переходов с возбужденных синглетных состояний – интеркомбинационная конверсия – S 1Т 1 (безызлучательный переход, обозначен волнистой стрелкой) Время жизни электрона в возбужденном триплетном состоянии – не менее с В триплетном состоянии так же, как и в синглетном происходит колебательная релаксация, и электрон переходит на нижний колебательный уровень Т 1 20

Безызлучательная дезактивация Т 1 S 0 конкурирует с излучательным Т 1 S 0 переходом Фосфоресценция – излучательный переход между состояниями различной мультиплетности Хотя такие переходы теоретически запрещены, они имеют место, хотя и менее вероятны, чем S S и ТТ переходы Это происходит вследствие спин - орбитального взаимодействия, связанного с движением ядер, поэтому с увеличением массы ядра спин - орбитальное взаимодействие резко возрастает (~Z 4) Т. о., эффективность фосфоресценции возрастает при введении в молекулу люминофора (или растворителя) атомов с большими атомными номерами, например, йода или брома – эффект тяжелого атома 21

Излучательное время фосфоресценции с, поэтому триплетные молекулы могут легко терять свою энергию в различных безызлучательных процессах В растворах это происходит при столкновении с молекулами кислорода, имеющими неспаренные электроны Для наблюдения фосфоресценции из растворов удаляют кислород, более эффективно замораживание растворов, либо закрепление люминофоров на поверхности сорбентов 22

24

С участием Т 1 - состояния может осуществляться еще один излучательный процесс – замедленная флуоресценция, который происходит в результате термической активации молекул Т 1 S 1 и последующим излучением из него Условия проявления замедленной флуоресценции довольно специфичны. Этот тип молекулярной люминесценции наблюдается в весьма ограниченных диапазонах температур, вязкостей и концентраций растворов По сравнению с флуоресценцией и фосфоресценцией ее интенсивность невелика (несколько процентов от интенсивности флуоресценции) и достигает максимальных значений при комнатной и более высоких температурах, заметно ослабевая с понижением температуры Спектр замедленной флуоресценции совпадает со спектром быстрой флуоресценции, однако время жизни замедленной флуоресценции равно времени жизни фосфоресценции 25

Характеристики люминесцирующих молекул Спектр возбуждения люминесценции - зависимости интенсивности люминесценции I от частоты (волнового числа) или длины волны возбуждающего света Спектр люминесценции - зависимость интенсивности люминесценции от ее длины волны I = f(λ); I = f(v) Время жизни люминесценции – время, за которое интенсивность излучения уменьшится в е раз, поскольку затухание люминесценции происходит по закону: I t = I 0 e -t/ τ 27

Для возбуждения люминесценции используется УФ - излучение. Источники излучения – газоразрядные лампы, чаще всего ртутно - кварцевые и ксеноновые Измерение люминесцентного излучения чаще всего проводят под прямым углом к падающему лучу света, поэтому кюветы должны быть прозрачны во всех направлениях Высококачественный прибор имеет 2 монохроматора – для регистрации спектра возбуждения и флуоресценции Приемником излучения может служить глаз человека. В современных приборах используются фотоумножители Для регистрации фосфоресценции необходимо устройство для охлаждения пробы и механический или электронный прерыватель, позволяющий облучать пробу короткими импульсами и тем самым отделять длительную фосфоресценцию от кратковременной флуоресценции 31

C пектрофлуориметр фирмы Horiba Fluoromax

В основе количественного анализа лежит зависимость интенсивности люминесценции от концентрации люминесцирующего вещества где К – коэффициент пропорциональности В кв – квантовый выход люминесценции I 0 – интенсивность возбуждающего света ε - молярный коэффициент поглощения l – толщина слоя раствора Это соотношение справедливо, если постоянны: квантовый выход интенсивность возбуждающего света 34

10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции " title="Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (10 -7 -10 -4 М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции " class="link_thumb"> 35 Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации флуоресцирующего вещества 35 10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции "> 10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции от концентрации флуоресцирующего вещества 35"> 10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции " title="Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (10 -7 -10 -4 М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции "> title="Зависимость линейна в пределах 3-4 порядков величин концентрации (10 -7 -10 -4 М) При концентрациях >10 -4 М линейность графика нарушается из - за концентрационного тушения люминесценции, самопоглощения и др. Зависимость интенсивности флуоресценции ">

Тушение люминесценции происходит при столкновении возбужденной молекулы с другими, особенно парамагнитными (растворенный кислород), которые стимулируют процессы интеркомбинационной конверсии Повышение температуры уменьшает выход люминесценции. Это связано с тем, что возрастает частота соударений, при которых происходит безызлучательная дезактивация возбужденных молекул. Поэтому определения проводятся, как правило, при комнатной температуре Присутствие посторонних веществ также понижает выход люминесценции. Наиболее активные тушители люминесценции - катионы и анионы « тяжелых » элементов (I -, Br -, Cs + и др.), парамагнитные ионы и молекулы (Mn 2+, O 2 и др.), молекулы растворителя Самопоглощение – состоит в поглощении части испускаемого света слоем люминесцирующего вещества 36

Применение метода 37 Число флуоресцирующих веществ ограничено. Метод применим для определения веществ, обладающих собственной люминесценцией (соединения U(VI), особенно уранил - иона UO 2 +, РЗЭ и др.) ионов металлов в виде комплексов с органическими реагентами: 8- оксихинолин и его производные (более 25 элементов, в т. ч. Li, Ca, Mg, Ba, Sc, Al, In, Ga) оксиазо - и оксиазометиновые соединения (Al, Ga, Mg и др.) полиоксифлавоны (Zr, Hf, Sn, Th, Al,Be) родаминовые красители (Au, In, Ga, Hg, B, Te и др.) органических веществ - конденсированных полиароматических систем (антрацен, флуорен, флуоресцеин)

38 кристаллофосфоров или твёрдых растворов. Обычно их получают спеканием основного вещества (ZnS, CdS, CaS, SrS и др.) с активатором (соединения Ag, Cu, Mn, Ce и др.) и плавнем (NaCl, NaNO 3, K С l, CaF 2 и др.). В некоторых случаях кристаллофосфор удается получить сокристаллизацией активатора и основного вещества из насыщенного раствора последнего. Спектр люминесценции кристаллофосфора определяется типом активатора Кристаллофосфоры обозначают химическими символами основного вещества, образующего кристаллическую структуру активатора и плавня. Например, запись ZnS × Ag × NaCl означает, что данный кристаллофосфор представляет собой сульфид цинка, активированный атомами серебра, и при синтезе его использован плавень хлорид натрия

Например, уран в количестве 10 –5 мкг можно определить с применением кристаллофосфора на основе NaF, сурьму в количестве 10 –6 мкг – на основе CaO, редкоземельные элементы в количестве 10 –6 мкг – на основе ThO 2 Чувствительность определения сопоставима, а иногда и превосходит атомно - спектроскопические методы: селективность не очень высока 39

Определение органических соединений основано на а) прямых методах по флуо - и фосфоресценции б) эффекте Шпольского в) фосфоресценции при комнатной температуре Эффект Шпольского – возникновение квазилинейчатых спектров люминесценции и поглощения в специально подобранных растворителях, размеры молекул которых совпадают с размерами молекул люминофора при низких температурах При этом молекулы изолированы друг от друга и жестко закреплены в растворителе, вследствие чего спектры представляют собой серию узких спектральных линий и обладают ярко выраженной индивидуальностью 42

Фосфоресценция органических молекул обусловлена дезактивацией возбужденных триплетных состояний. Время жизни триплетных состояний столь велико (до 100 с), 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 Для получения спектров фосфоресценции применяют органические растворители, кристаллизующиеся при низких температурах чаще всего используют смеси: этиловый спирт – диметилформамид; этиловый спирт – изопентан – диэтиловый эфир, которые кристаллизуются в стеклообразную массу при температуре кипения жидкого азота 77 К 44

45 Для измерения фосфоресценции при комнатной температуре люминофор закрепляют на сорбенте, обработанном солями Ag, Tl, Hg, бромидами, иодидами и др. (эффект тяжелого атома) Сорбенты – фильтровальная бумага, оксиды кремния, алюминия интенсивность фосфоресценции выше, поэтому круг определяемых веществ расширяется Кроме того, повышается селективность, т. к. эффект тяжелого атома весьма специфичен

Качественный анализ 46 Спектр люминесценции есть индивидуальная характеристика люминесцирующего вещества. Спектры могут быть использованы для качественного люминесцентного анализа. Обычно такой анализ проводится визуально по цвету излучения. Качественный люминесцентный анализ применяют для исследования минералов, определения марок стёкол, сортов смазочных масел и т. п. Очень чувствительны качественные люминесцентные реакции, используемые для обнаружения ионов Возникновение или исчезновение люминесценции обычно наблюдается визуально при добавлении органических реагентов к растворам неорганических солей Так, ярко - зеленая люминесценция лития с 8- оксихинолином возникает в присутствии 0,1 мкг / мл Li, медь открывают по ярко синей люминесценции ее соединения с салицилалазином при концентрации 0,05 мкг / мл и т. д.

Хемилюминесцентный анализ 47 Хемилюминесцентное излучение наблюдается тогда, когда в ходе химической реакции образуется возбужденная молекула, способная люминесцировать при переходе в основное состояние 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) Для возбуждения хемилюминесценции в видимой области спектра требуется энергия 160 кДж / моль. Это характерно для радикальных, цепных и окислительно - восстановительных реакций, протекающих по свободно - радикальному механизму

48 На практике чаще всего используют реакции окисления ряда органических веществ, таких, как люминол (V), лофин (VI), люцигенин (VII) и др. Неорганический хемилюминесцентный анализ основан на способности элементов с незаполненной d- оболочкой тушить флуоресценцию, катализировать, реже ингибировать хемилюминесцентную реакцию Изменение интенсивности при этом пропорционально концентрации элементов Для выполнения анализа требуется лишь измерить интенсивность возникающего люминесцентного излучения с помощью фотоумножителя Поскольку единственным источником излучения является химическая реакция, разложения света в спектр не требуется, т. е. не требуются ни монохроматор, ни источник излучения

49 Метод хемилюминесценции используется для определения неорганических и органических веществ с пределом обнаружения до 10 –8 %. Разработаны методики определения платиновых металлов, Fe, Co, Ni, Cu, Cr и др. с ПО до мкг / мл, но эти методики не обладают высокой селективностью Более селективны методики газового анализа: определение озона, оксидов азота и аммиака после их перевода в NO. Реакции NO + O 2 NO 2 * + O 2 NO 2 * NO 2 + hv сопровождаются люминесценцией с максимумом при 800 нм Чувствительность определения озона с красителем родамином В составляет до % (1 ppb)

Атомно - флуоресцентная спектроскопия 50 Атомно - флуоресцентный анализ метод элементного анализа по спектрам атомной флуоресценции Анализируемый образец атомизируют, образовавшийся атомный пар для возбуждения флуоресценции облучают потоком света. Испускаемую возбужденными атомами флуоресценцию (как правило, резонансную) регистрируют Если поток света содержит кванты с энергией, соответствующей возбуждению первого уровня, облучаемый атом перейдет в возбужденное состояние, а затем при возвращении будет испускать свет с длиной волны, соответствующей резонансному переходу. Этот процесс также называют резонансной флуоресценцией

51 Схема возбуждения флуоресценции: а и б резонансная флуоресценция с различных уровней; в резонансная и стоксовая флуоресценция; г резонансная и антистоксовая флуоресценция; д каскадная флуоресценция; е ступенчатое возбуждение флуоресценции двумя квантами (ν 12 + ν 23)

52 В зависимости от количества фотонов, приходящихся на один акт возбуждения, механизм возбуждения может быть однофотонным или ступенчатым многофотонным Основные процессы, вызывающие появление спектров атомной флуоресценции, приведены на схеме, которая объясняют появление в спектре наряду с линиями резонансной флуоресценции (а, б) линий нерезонансной флуоресценции (в – е) Нерезонансную флуоресценцию называют стоксовой, если испускаемый фотон меньше поглощенного, и антистоксовой, когда испускаемый фотон больше поглощенного Если переход из возбужденного состояния в основное осуществляется путем последовательных переходов, каждый из которых сопровождается испусканием фотонов, то такой тип флуоресценции называют каскадной флуоресценцией (д) В реальных атомах число электронных энергетических уровней больше трех. Для заселения любого из них существует ряд возможностей с участием ступенчатых и каскадных переходов при столкновительных и излучательных процессах Спектры атомной флуоресценции содержат гораздо меньше линий, чем спектры испускания тех же атомов в газоразрядных источниках возбуждения (лампы с полым катодом, высокочастотные безэлектродные лампы). Как правило, число линий в спектрах атомной флуоресценции не превышает десятка.

53 Для атомизации жидких образцов (растворов) можно использовать любой способ атомизации пламя, аргоновую высокочастотную индуктивно - связанную плазму или электротермические атомизаторы (нагреваемые электрическим током графитовые трубки, нити, стержни, тигли) Атомизацию порошкообразных проб осуществляют электротермическими способом в графитовых тиглях или капсулах, которые иногда вносят в пламя для дополнительного нагрева паров пробы Химический состав пламен выбирают так, чтобы выход флуоресценции (т. е. доля поглощенной энергии, излучаемой в виде флуоресценции) и степень атомизации были максимальны Для предотвращения тушения флуоресценции в пламя добавляют некоторое количество аргона, а электротермический атомизатор обычно помещают в атмосферу аргона с целью увеличения выхода

55 Возбуждение атома происходит под действием внешнего источника излучения Доля возбужденных атомов определяется не температурой атомизатора, как в АЭС, а интенсивностью этого источника Для свободных атомов величины квантовых выходов, как правило, крайне невелики ввиду высокой температуры среды, поэтому в АФС используют мощные источники излучения Для возбуждения флуоресценции используют интенсивные лампы с линейчатым или непрерывным спектром (лампы с полым катодом или безэлектродные), а также лазеры с перестраиваемой длиной волны В последнее время метод АФС развивается исключительно в лазерном варианте – ЛАФС Использование лазеров позволило резко увеличить чувствительность метода

56 Лазеры или оптические квантовые генераторы – это современные источники когерентного излучения Физической основой работы лазера служит явление вынужденного индуцированного излучения Суть явления состоит в том, что возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения При этом излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение (является его « точной копией ») ; чрезвычайно высокая степень его монохроматичности недостижима в излучении нелазерных источников В результате согласованного, кооперативного испускания световых квантов многими атомами рабочего вещества происходит усиление света Этим явление отличается от спонтанного излучения, в котором излучаемые фотоны имеют случайные направления распространения, поляризацию и фазу Мощность излучения лазеров может изменяться в пределах от долей милливатта до –10 13 Вт (в импульсном режиме)

Гелий - неоновый лазер 58 В высоковольтном электрическом разряде вследствие соударений с электронами значительная часть атомов гелия переходит в возбужденное состояние Возбужденные атомы гелия неупруго сталкиваются с атомами неона, находящимися в основном состоянии, и передают им свою энергию При достаточно высоком уровне накачки в смеси гелия и неона начинается лавинообразный процесс размножения идентичных когерентных фотонов. Если кювета со смесью газов помещена между высокоотражающими зеркалами, то возникает лазерная генерация Светящийся луч в центре это не собственно лазерный луч, а электрический разряд, порождающий свечение, подобно тому, как это происходит в неоновых лампах Луч проецируется на экран справа в виде светящейся красной точки

59 Аналитическим сигналом служит излучение в УФ - части спектра, испускаемого возбужденными атомами Интенсивность атомной резонансной флуоресценции в первом приближении пропорциональна концентрации излучающих частиц: I 0 – интенсивность возбуждающего света В кв – квантовый выход флуорес ценции k – коэффициент поглощения l – толщина слоя раствора

60 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 При больших интенсивностях рассеянного света выделение из шума сигнала резонансной флуоресценции затруднено, поскольку длина волны аналитической линии совпадает с длиной волны рассеянного света Во избежание помех, связанных с рассеянным излучением, для измерения используют линии нерезонансной флуоресценции В этом случае эффект возбуждения достигается лишь с помощью лазеров

61 Для регистрации спектра флуоресценции применяют светосильные спектрофотометры с большим углом Измеряют интенсивность излучения, распространяющегося под прямым углом к возбуждающему излучению (в этом направлении интенсивность рассеянного света обычно минимальна)

66

69 Линейчатый характер спектров атомной флуоресценции обеспечивает атомно - флуоресцентному анализу высокую селективность Линии в спектре атомной флуоресценции очень узкие, и это дает возможность определять одновременно несколько элементов. Для этого вокруг атомизатора устанавливают соответствующее число светосильных спектрофотометров Метод АФС легко автоматизируется, стоимость аппаратуры относительно невысока Метод применяется для анализа пород (земных и лунных), почв, природных и сточных вод, сталей, сплавов, нефтей, пищевых продуктов, биологических объектов (крови, мочи), различных химических соединений, для дистанционного определения элементов в верхних слоях атмосферы

Сравнение пределов обнаружения элементов (нг / мл) методами атомной спектроскопии ЭлементААС (пламя) ААС (э/т)АЭС (пламя) АЭС (ППТ) АЭС (ИСП) АФС Al Ba Be B V Bi W Gd Ga Ge Fe Au In Cd K ,5 1 0,01 0,04 0,1 8 0,01 0,1 0,01 0,02 0,0002 0,01 2 0,5 0,3 0,2 0,01 0,003 0,1 0,8 0,4 0,6 0,5 0,09 0,9 0,4 0,2 0,001 0,8 70

Сравнение пределов обнаружения элементов (нг / мл) методами атомной спектроскопии ЭлементААС (пламя) ААС (э/т)АЭС (пламя) АЭС (ППТ) АЭС (ИСП) АФС Mg Mn Cu Mo As Na Ni Sn Hg Pb Se Ag Sb U Zn 0,1 0,02 0,02 0,9 0,1 0,8 0,0002 0,0005 0,005 0,02 0,08 0,004 0,05 0,03 0,2 0,007 0,05 0,001 0,2 0,5 2 0,5 45 0,003 0,01 0,04 0,2 2 0,1 0,2 10 1,5 0,1 0,4 0,06 0,1 0,

Люминесценция возникает после поглощения света и представляет собой излучательный переход из электронно-возбужденных состояний в основное состояние. В зависимости от природы основного и возбужденного состояний люминесценцию можно разделить на два типа. Как известно, спины электронов, один из которых находится в основном синглетном состоянии, а второй в возбужденном синглетном состоянии имеют противоположную ориентацию (спины электронов спарены). Переход электрона из возбужденного синглетного состояния в основное синглетное состояние квантовомеханически разрешен, поскольку в этом случае изменение ориентации спина не должно происходить. Иная ситуация наблюдается для триплетного состояния, в котором спин электрона имеет туже ориентацию, что и спин электрона в основном синглетном состоянии. Поэтому при переходе электрона из триплетного состояния в основное синглетное состояние необходимо изменение ориентации спина электрона. А данный процесс квантовомеханически запрещен.

Очевидно, что для этих двух типов переходов электронов должны существенно различаться величины скоростей испускания. Действительно, для квантовомеханически разрешенных синглет-синглетных переходов типичные величины скоростей испускания ~ 108 с-1, что соответствует временам затухания свечения ~ 10-8 с. Данный тип люминесценции и получил называние флуоресценция. Второй тип люминесценции называется фосфоресценцией - и представляет собой испускание, происходящее при переходе между состояниями различной мультиплетности, как правило из возбужденного триплетного состояния в синглетное состояние. Поскольку данные переходы квантовомеханически запрещены, то типичный диапазон времени затухания фосфоресценции колеблется от микросекунд до секунд, что главным образом зависит от вклада других процессов дезактивации энергии электрона в возбужденном состоянии. Таким образом, в зависимости от длительности послесвечения люминесценцию можно разделить на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Процессы поглощения и испускания света безотносительно к изменению ядерных координат можно наглядно продемонстрировать с помощью диаграммы Яблонского (см. рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма Яблонского, иллюстрирующая энергетические уровни
молекулы и скорости переходов. Прямые линии - радиационные переходы,
волнистые - безызлучательные переходы

Основное синглетное состояние, первое и второе возбужденное синглетные состояния обозначим S0, S1, S2 соответственно. Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных подуровней, а те в свою очередь состоят из множества вращательных подуровней (не показаны на рис. 1).

В соответствии с распределением Больцмана, при комнатной температуре большинство молекул находятся на самом нижнем колебательном уровне основного синглетного состояния S0. Именно такие молекулы преимущественно и будут погло-
щать излучение.

Итак, возбуждение как правило происходит из основного синглетного состояния S0 на различные колебательные уровни возбужденных синглетных состояний Sn (n = 1, 2, …). Переходы между различными подуровнями показаны прямыми линиями. Такое представление используется для того, чтобы показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происходит за время порядка периода световых колебаний, т.е. примерно за 10-15 с. За это время ядра не претерпевают заметного смещения (принцип Франка - Кондона).

Далее для молекул в конденсированной фазе наиболее вероятным процессом является их переход из возбужденных синглетных состояний на самый нижний колебательный уровень возбужденного состояния S1 за счет быстрых безызлучательных переходов (внутренняя конверсия) за время порядка фемтосекунд. Поскольку типичные времена затухания флуоресценции близки к 10-8 с, то внутренняя конверсия обычно заканчивается до момента акта испускания. Поэтому, испускание флуоресценции чаще всего осуществляется из термически равновесного возбужденного состояния.

Обратный излучательный переход электронов (флуоресценция), аналогично акту поглощения, может происходить на различные колебательные уровни основного синглетного состояния S0 со скоростью Kф. После чего происходит их безызлучательная дезактивация на основной колебательный уровень за времена порядка 10-12 с.

Молекулы в состоянии S1 могут подвергаться и другим переходам. Например, возможен безызлучательный переход (внутренняя конверсия) в состояние S0 со скоростью Kвк, безызлучательная передача энергии соседним молекулам со скоростью Kпэ. Кроме того, молекулы в состоянии S1 могут также подвергаться интеркомбинационной конверсии в первое триплетное состояние Т1 со скоростью Kикк. Далее возможен излучательный переход молекулы из триплетного состояния в основное синглетное (фосфоресценция). Однако, как было сказано ранее такой переход квантовомеханически запрещен, в результате чего константа скорости для фосфоресценции на несколько порядков меньше соответствующей константы для флуоресценции.

Сумма всех кинетических скоростей обратно пропорциональна времени жизни τ возбужденного состояния S1, т.е.:

Отношение представляет собой квантовый выход флуоресценции. На испускание флуоресценции могут влиять и другие факторы, например, тушение люминесценции, влияние растворителя и др.

поглощение света. Закон Бугера Ламберта, бера

Поглощение света - это явление уменьшения интенсивности света при прохождении его через вещество. Уменьшение интенсивности света происходит в результате того, что энергия света переходит в другие виды энергии: энергию активизации, ионизации молекул, энергию теплового хаотического движения частиц в веществе и др. При прохождении монохроматического света через окрашенные растворы небольшой концентрации (С? 20%) и при условии, что растворитель не поглощает данную длину волны, интенсивность света также убывает по экспоненциальному закону. Закон поглощения света для окрашенных растворов называют законом Бугера-Ламберта-Бера: I= Io* e^- чcd, где С - концентрация раствора; ч - показатель поглощения для раствора единичной концентрации, зависит от природы растворенного вещества и длины волны падающего света.

Спектральные свойства и характеристики хромофоров. Диаграмма Яблонского

Хромофор - молекула, способная поглощать свет определенного диапазона длин волн.

Так, карбонильная группа СО является хромофором, поглощающим в области 280 нм, в то же время кетоны - бесцветные вещества.

Первичными стадиями фотобиофизического процесса являются поглощение света хромофорной группой и образование электронно- возбужденных состояний (ЭВС). При поглощении света молекулы, ионы, атомы, радикалы и другие типы частиц, участвующих в химических превращениях, могут переходить в электронно-возбужденные состояния. В них происходит изменение физических и химических свойств молекул по сравнению с основным состоянием. Меняются дипольный момент, геометрия, распределение электронной плотности, кислотно-основные свойства и т. д., и молекулы в возбужденном состоянии обладают иной реакционной способностью, что проявляется не столько в изменении скорости реакции, сколько в их ином, по сравнению с основным состоянием, направлении. Поглощение и испускание света хорошо иллюстрирует диаграмма уровней энергии, предложенная Яблонским

В основном состоянии все электроны занимают самые низшие электронные уровни и расположены на орбиталях попарно, причем их спины имеют противоположное направление (антипараллельны). Такое состояние молекулы называют синглетным невозбужденным (основным) состоянием и обозначают как S0. Так же обозначают энергетический уровень невозбужденной молекулы

При поглощении света происходит переход одного из электронов на вышележащую орбиталь, но его спин не меняется. Такое состояние молекулы и ее энергетический уровень обозначают как S1 или S2 в зависимости от того, на какой уровень перешел электрон. Это синглетное возбужденное состояние обозначают как S*. Основное, первое и второе электронные состояния обозначают S0, S1, и S2 соответственно. Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных энергетических уровней, обозначаемых 0, 1, 2 и т. д. Влияние растворителя в данной схеме во внимание не принимается. Переходы между различными электронными уровнями обозначены вертикальными линиями. Такое представление используется, чтобы наглядно показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происходит примерно за 10-15 с - время, слишком короткое для заметного смещения ядер.

Федеральное агентство морского и речного транспорта РФ
МОРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени адмирала Г.И. Невельского

Гуманитарный институт

Морского физико-технического института

Курсовая работа по флуоресценции

Выполнил: Демиденко А. А.,

студент 20.31 группы

Руководитель: Майор А. Ю.

Владивосток
2010
Оглавление.

Введение.
Глава 1 – основы спектроскопии.
Диаграмма Яблонского.
Характеристики испускания флуоресценции.
Стоксов сдвиг.
Независимость спектра испускания от длины волны возбуждения.
Правило зеркальной симметрии.

Глава 2 – Технические составляющие.
Фото - электронный умножитель.
Электронно - оптический преобразователь.
Приборы с зарядовой связью.
Металл - окисел - полупроводник (МОП-ёмкость).
Зарядовая связь.
Сдвиговый регистр с зарядовой связью.
Фоточувствительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС).

Глава 3 – Флуориметры.
Проточный лазерный флуориметр.
Малогабаритный ЛИФ спектрометр.


Заключение.
Список используемой литературы.

Введение

Решение проблем окружающей среды и рационального использования природных ресурсов во многом зависит от разработки и внедрения методов дистанционного экспресс-анализа малых примесей в атмосфере и воде. В естественных водных средах такими примесями являются биологическая связь, растворенные органические и минеральные вещества, многочисленные загрязнители. Большими возможностями в анализе примесей располагает лазерная спектроскопия, использующая комбинационное рассеивание света, флуоресцентный анализ.
В настоящее время для оперативного мониторинга водных экосистем широко применяют оптические методы позволяющие определять концентрацию фитопланктона и других веществ. Наибольшее распространение получили спектральные методы. Особенно актуальными такие исследования стали после выявления прямой зависимости биологической продуктивности морей и океана от содержания в воде фитопланктона.
Определение концентрации фитопланктона по оптическим характеристикам морской среды может выполняться пассивными и активными методами. Первый широко используют с применением авиа- и спутниковых носителей. Эти методы основаны на измерении яркости отражаемой от поверхности воды солнечной энергии в широком диапазоне длин волн. Они позволяют собирать масштабные данные о поверхности водной среды, но имеют существенные ограничения: малое пространственное разрешение и невозможность измерения глубинных профилей. Использование пассивных методов ограничивается их не высокой точностью, что обусловлено сильным влиянием состояния атмосферы в месте проведения измерений.
Активные методы основаны на облучении воды лазерным лучом и регистрации спектра флуоресценции. Различают лидарные, прокачиваемые и погружные флуориметры. Самыми оптимальными являются проточные флуориметры, которые обладают высокой точностью и большим пространственным разрешением.

Глава: 1

Основы спектроскопии.

Люминесценция- испускание фотонов из электронно-возбужденных состояний – делится на два типа в зависимости от природы основного и возбужденного состояния. В синглетном возбужденном состоянии электрон на энергетически более высокой орбитали и второй электрон на орбитали с более низкой энергией имеют противоположную ориентацию спинов. Говорят, что эти электроны спарены. В триплетном состоянии эти электроны не спарены, т.е. их спины имеют одинаковую ориентацию. При возвращении электрона из возбужденного сингнетного состояния в основное ориентация его спина не должна меняться. Изменение ориентации спина необходимо при переходе из триплетного состояния в синглетное основное состояние.
Флуоресценция- это испускание, происходящее при возвращении спаренного электрона на более низкую орбиталь. Такие переходы квантовомеханически “разрешимы”, а типичные величины скоростей испускания для них~10 8 с -1 . Высокие значения скорости испускания приводят к временам затухания флуоресценции 10 8 с(10 нс). Время жизни- это средний период времени, в течение которого флуорофор находится в возбужденном состоянии. Фосфоресценция- это испускание, происходящее при переходе между состояниями различной мультиплетности, как правило из возбужденного триплетного состояния в синглетное основное. Такие переходы не разрешены, и константы скорости испускания малы. Типичный диапазон времени затухания фосфоресценции - от миллисекунд до секунд, что главным образом зависит от вклада других процессов дезактивации.
Флуоресцентные спектральные данные обычно представляют в виде спектров испускания. Спектр испускания флуоресценции - это зависимость интенсивности флуоресценции от длин волн (в нанометрах) или волновых чисел (в см -1). Два типичных спектра испускания флуоресценции приведены. Спектры испускания сильно изменяются и зависят как от химической структуры флуорофора, так и от растворителя, в котором флуорофор рас творен. Спектры некоторых соединений, таких, как перилен, имеют четкую структуры, обусловленную отдельными колебательными уровнями энергии основного и возбужденного состояний. Другие состояния, такие, как хинин, имеют спектры без колебательной структуры.

1.1. Диаграмма Яблонского
Поглощение и испускание света хорошо иллюстрирует диаграмма уровней энергии, предложенная Яблонским. Основное, первое и второе электронные состояния обозначают S 0 ; S 1 ; S 2 соответственно (рис. 1.а). Каждый из этих уровней энергии может состоять из множества колебательных энергетических уровней, обозначаемых 0, 1, 2 и т. д. Переходы между различными электронными уровнями обозначены вертикальными линиями. Такое представление используется, чтобы наглядно


РИС.1.а Диаграмма Яблонского.

Рис. 1.б Диаграмма Яблонского.

Показать мгновенную природу поглощения света. Этот процесс происхо-дит примерно за 10 -18 с, время, слишком короткое для заметного смещения ядер(принцип Франка- Кондона).
Энергетическая щель между различными колебательными уровнями энергии видна из спектра испускания перилена. Относительное число молекул перилена, находящихся в колебательных состояниях 0 и 1, описывается распределением Больцмана.
1.2 Характеристики испускания флуоресценции

Для явления флуоресценции известно несколько основных характеристик. Существуют и исключения, но они редки. Если какая-либо из нижеперечисленных характеристик отсутствует у данного флуорофора, можно сделать вывод о некоторых особых свойствах этого соединения.

1.3. Стоксов сдвиг

Рис. 2. Источником ультрафиолетового возбуждения служил солнечный свет, пропущенный через пластинку из голубого стекла. Перед приемником в качестве желтого фильтра стоял стакан с вином. Флуоресценция хинина лежит в области 450 нм и поэтому хорошо заметна невооруженным глазом. В настоящее время для определения величины стоксова сдвига используют другие методы.
Потери энергии между возбуждением и испусканием неизменно наблюдаются для флуоресцирующих молекул в растворах. Одной из основных причин возникновения стоксова сдвига является быстрая релаксация на нижний колебательный уровень состояния S 1 . К тому же обычно происходит переход

РИС. 2. Схема первой установки для обнаружения стоксова сдвига.

на возбужденные колебательные уровни состояния S 0 (см. рис. 1), что приводит к дополнительной потере колебательной энергии. Вдобавок к этому стоксов сдвиг может быть еще более увеличен благодаря влияниям растворителя на флуорофоры к реакциям в возбужденных состояниях. В газовой фазе у атомов и молекул не всегда имеется стоксов сдвиг. Испускание без сдвига наблюдают тогда, когда концентрации газа достаточно малы для того, чтобы возбужденные молекулы не претерпевали столкновений с другими молекулами до процесса испускания. Такие столкновения приводят к релаксации. В жидкой фазе процессы соударения происходят непрерывно.

1.4. Независимость спектра испускания от длины волны возбуждения

Спектр испускания флуоресценции обычно не зависит от длины волны возбуждения. При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, переводя флуорофор на самый нижний колебательный уровень состояния S 1 . Эта релаксации происходит за время порядка 10 -12 с и является, по-видимому, результатом сильного перекрывания множества состояний с примерно равными энергиями. Благодаря такой быстрой релаксации длина волны возбуждения обычно не влияет на спектр испускания. Существуют исключения (например азулен), когда испускание может происходить как из S 2 , так и из S 1 - состояния. Кроме того, возбуждение на красном крае спектра поглощения часто ведет к сдвигу флуоресценции в длинноволновую область. Этот сдвиг обусловлен тем, что возбуждение на красном краю спектра избирательно возможно для тех флуорофоров, которые наиболее сильно взаимодействуют с растворителем.

1.5. Правило зеркальной симметрии

Обычно спектр испускания флуоресценции представляет собой зеркальное отражение спектра поглощения, точнее, того поглощения, которое соответствует переходу из S 0 в S 1 . Это особенно наглядно в случае перилена. Симметричная природа этих спектров определяется тем, что и поглощение, и испускание обусловлены одними и теми же переходами, а также сходством колебательных энергетических уровней состоянии S 0 и S 1 . Для многих молекул различное распределение электронов в состояниях S 0 и S 1 , существенно не влияет на эти уровни энергии. Согласно принципу Франка - Кондона, все электронные переходы происходят без изменения межъядерного расстояния. В результате, если данная вероятность перехода (фактор Франка - Кондона) между нулевым и вторым колебательными уровнями максимальна при поглощении, соответствующий переход будет наиболее вероятен также и в испускании (рис 3).

РИС. 3 Правило зеркальной симметрии и факторы Франка-Кондона

Глава: 2

Технические составляющие.

2.1-Фото Электронный Умножитель
Фотоэлектронным умножителем называют электровакуумный прибор, преобразующей энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержащий фотокатод, вторично-электронный умножитель и анод. От вакуумного фотоэлемента ФЭУ отличается тем, что кроме фотокатода и анода содержит ещё фокусирующую электронно-оптическую систему, диафрагму и дополнительные электроды (диноды), являющиеся эмиттерами вторичных электронов. (рис. 4)
При освещении фотокатод 1 эмитирует первичные фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и фокусируются электронно-оптической системой 2 на первый динод Э 1 , вызывая его увеличенную вторичную электронную эмиссию. Вторичные электроны, вылетевшие из первого динода, ускоряются электрическим полем и направляются на второй динод Э 2 , увеличенный поток электронов со второго динода направляется на третий и т.д.
Электрическое поле, ускоряющее электроны, создаётся делителем постоянного напряжения, обеспечивающим больший положительный потенциал каждого последующего каскада относительно предыдущего R1 – R11 .
Пространство образуемое поверхностями фотокатода 1 и первого динода Э 1 с расположенными между ними электродами, котодной (входной) камерой ФЭУ Форма и распределение электрического потенциала на поверхности фотокатода фокусирующего электрода 2 и диафрагмы 3 должны обеспечить максимальный сбор фотоэлектронов на первый динод за счёт использования законов движения электронов электрическом поле. Качество электронно-оптической системы катодной камеры определяется коэффициентом сбора электронов Y k (отношением числа фотоэлектронов, достигших первого динода, к общему числу эмитированных фотокатодом электронов n k) . Коэффициент сбора электронов у современных ФЭУ близок к единице.
Первичные фотоэлектроны, попадая на первый динод, взаимодействуют с электронами его вещества и возбуждают их до более высоких энергетических состояний. Часть электронов перемещается к границе динода с вакуумом. Электроды, которые достигают поверхности с энергией, превышающей поверхностный потенциальный барьер, переходя в вакуум и ускоряются электрическим полем в направлении ко второму диноду.

Рис.4 Устройство ФЭУ со схемой его питания

2.2-Электронно Оптический Преобразователь

Рис 5
1-входное окно
2-Защитная плёнка
3- Микроканальная пластина (МКП)
4-Фосфорный экран
5-выходное окно
Принцип действия хорошо иллюстрирует рис. 5. Попадая в канал, электрон испытывает соударения со стенкой и выбивает вторичные электроны. В тянущем электрическом поле этот процесс многократно повторяется, позволяя получить коэффициент усиления Nх10 4
и т.д.................

Классификация электронных переходов

Диаграмма Яблонского

Физические процессы, протекающие в электронно-возбужденном состоянии молекул, принято представлять в виде диаграммы Яблонского. Основными безызлучательными процессами дезактивации нижнего возбужденного состояния S 1 являются внутренняя конверсия (переход между состояниями одинаковой мультиплетности) и интеркомбинационная конверсия (переход между состояниями разной мультиплетности, например, синглет-триплетный переход S 1 ®T 1 ). Внутренняя конверсия S 1 ®S 0 – сравнительно медленный процесс. Поэтому в возбужденном состоянии S 1 могут наблюдаться процессы спонтанного испускания фотона (спонтанное излучение) и фотохимические реакции. Излучательными процессами являются разрешенная по спину флуоресценция и запрещенная по спину фосфоресценция.

Электронные спектры поглощения в УФ и видимом диапазонах, дают важную информацию о структуре и свойствах электронно-возбужденных состояний молекул. Знание спектра поглощения вещества является обязательным условием фотолюминесцентных и фотохимических исследований. Кратко остановимся на классификации электронных переходов

Электроны в органической молекуле располагаются на молекулярных s-, p- и n -орбиталях. На каждой молекулярной орбитали помещаются два электрона, отличающихся спинами. При возбуждении молекулы светом происходит переход электрона с занятой связывающей орбитали на свободную разрыхляющую орбиталь. Такие переходы обозначают в соответствии с их орбитальной природой: s-s*, n -s*, p-p* и n -p*.

Полосы поглощения, обусловленные переходами s®s* , находятся преимущественно в вакуумной УФ области < 200 нм, где обычные спектрофотометры не применимы.

Переходам n -s* соответствуют полосы поглощения в УФ области. Например, органические соединения, содержащие n -электроны, локализованные на орбиталях гетероатомов, О, N, S, поглощают УФ свет в области около 200 нм.

Переходам p®p* и n ®p* соответствуют полосы поглощения в средней УФ-области. При сопряжении кратных связей полосы, обусловленные этими переходами, смещаются в ближнюю УФ- и видимую область спектра. Переходы n ®p* характерны для соединений, содержащих такие хромофорные группы, как С=О, C=S, N=N; эти переходы часто оказываются запрещенными, и соответствующие им полосы поглощения имеют сравнительно низкую интенсивность.

Эта классификация пригодна в основном для относительно простых молекул. В сложных молекулах определенный вклад в электронный переход могут вносить электроны, находящиеся на орбиталях разного типа.

Значительный интерес представляют электронные переходы с переносом заряда. Если в молекуле имеются электронодонорная и акцепторная группы, и они находятся в p-электронном сопряжении, то переход S 0 ®S 1 может сопровождаться переносом заряда от донора к акцептору по цепи сопряжения, как например, в данном стириловом красителе:

В этом случае говорят об электронном переходе с внутренним переносом заряда . Соответствующие полосы поглощения обычно характеризуются высокой интенсивностью и располагаются в видимой, а иногда и в ближней ИК области.

Для слабосвязанных органических донорно-акцепторных комплексов могут наблюдаться полосы поглощения, относящиеся к электронному переходу с переносом заряда от донора к акцептору через пространство (межмолекулярный перенос заряда ). Такие комплексы часто называют комплексами с переносом заряда. Длинноволновые полосы поглощения таких комплексов имеют сравнительно низкую интенсивность и могут находиться в ближней УФ, видимой и ближней ИК области спектра.

В металлорганической химии различают полосы поглощения, соответствующие переносу заряда от лиганда к металлу (ПЗЛМ ) и от металла к лиганду (ПЗМЛ ).