Вовед

флуоресценција луминисценција поларизација на боја

Животниот век на електронски возбудената состојба на молекулите е 10 -8 -10 -9 секунди. По ова, молекулата се враќа во првобитната состојба, имајќи потрошена дополнителна енергија на нерадијативен начин на вибрационите движења на јадрата и транслациските движења на соседните молекули, т.е. трошејќи го во форма на топлина. Но, оваа енергија може да се ослободи и во форма на емитиран фотон. Овој феномен се нарекува луминисценција. Во зависност од начинот на побудување на молекулата - светлина, електрична енергија, хемиски реакции, загревање итн. - прави разлика помеѓу фото-, електро-, хемо- или термолуминисценција. Ние сме повеќе заинтересирани за фотолуминисценција, вообичаено наречена флуоресценција.

Закони на флуоресценција

Спектарот на флуоресценција е зависноста на интензитетот на емитирана светлина од фотонската енергија: Јас ф =f(h)или F ().Но, обично во видливиот и ултравиолетовиот регион зависноста на интензитетот на флуоресцентната светлина од брановата должина е нацртана:

флуоресценција луминисценција поларизација на боја

Јас ф = f().

Од страна на Стоукс закон, спектарот на флуоресценција е поместен на подолги бранови должини во споредба со спектарот на апсорпција. Оваа промена се нарекува смена на Стоукс. Тоа го одразува губењето на дел од енергијата на возбудувањето поради термичка дисипација. Но, често флуоресцентните спектри делумно се преклопуваат со спектрите на апсорпција на светлина (и со спектрите на возбудување на флуоресценцијата). Во областа на преклопување, наречена анти-Стоукс (сл. 1), енергијата на емитираните фотони е поголема од енергијата на апсорбираните кванти. Во овој случај, дополнителна енергија се зема од вибрациската енергија на молекулите кога, како резултат на зрачењето, се случува премин на пониско вибрационо потниво од она од кое се апсорбирал фотонот (сл. 2).

Ориз. 1.

Кашовото правилонаведува дека во растворите, радијативните транзиции се случуваат, како по правило, од пониските вибрациони поднивоа на единечни или тројно возбудени нивоа. Ова се случува затоа што за време на животот на возбудената состојба од 10 -8 -10 -9 секунди, сите вибрационо-ротациони транзиции имаат време да се случат (нивното типично времетраење е 10 -13 -10 -12 секунди). Можеме да кажеме дека додека фотонот е емитиран, молекулата „заборава“ до кое подниво била возбудена. Затоа флуоресцентниот спектар не зависи од брановата должина на возбудливата светлина.

Ориз. 2. Шеми на транзиции помеѓу електронско-вибрационите за време на флуоресценцијата Стоукс (а) и анти-Стоукс (б), кога, како резултат на премин кон пониско вибрационо потниво, енергијата на емитираниот квант е поголема од енергијата на апсорбираната квантна

Од страна на Правилото на Левшин, флуоресцентните спектри нацртани на фреквентна скала (фотонски енергии) се огледало-симетрични во однос на опсегот на апсорпција на долгите бранови. состојбите се слични на оние во основната состојба Причината за тоа е фактот што при електронски транзиции од редот од 10 -15 секунди, позициите на јадрата немаат време да се менуваат, бидејќи типичните периоди на нивните осцилации се. два до три реда по големина - околу 10 -13 -10 -12 секунди.

Флуоресцентниот квантен принос е односот на бројот на емитирани кванти со бројот на апсорбирани:

= n ф /n впивајќи

Вредност 0< < 1, затоа што покрај емисијата на фотони, постојат и други начини за искористување на енергијата на возбудата: таа може да се пренесе во други молекули, да се троши во хемиски реакции или да се дисипира во форма на топлина.

Според Законот на Вавилов, во регионот Стоукс, квантниот принос на флуоресценција на сложените молекули во растворите не зависи од брановата должина на возбудливата светлина.

Интензитетот на флуоресценција на разредените раствори е пропорционален на концентрацијата на флуорохромите. Навистина, во разредени раствори со мала оптичка густина D=cl < 0,05

Јас ф = КИ впивајќи = КИ 0 (1-T) = K I 0 (1 -10 -Д ) 2,3 kI 0 Д,

Каде к- делот од флуоресцентното зрачење што влегува во фотодетекторот. Ова им овозможува на флуоресценцијата да ја одреди количината на флуорохром и неговите промени под различни влијанија. За квантитативно мерење на концентрацијата на флуорохром, користете крива на калибрација:

c = c стд (Јас ф /Јас стд ),

каде што индексот „std“ се однесува на стандардниот раствор за калибрација.

Концептот на „луминисценција“ вклучува многу различни феномени. Постојат неколку системи за нивна класификација.

Во аналитичката хемија најчесто се користи молекуларната фотолуминисценција. Во зависност од природата на земјата и возбудените состојби на молекулата, таа е поделена на флуоресценција и фосфоресценција.

Главни карактеристики и модели на луминисценција

Главните карактеристики на луминисценцијата се:

· спектар на возбуда,

· емисиониот спектар(спектрум на луминисценција),

· квантните и енергетските приноси,

· поларизација, животно времеитн.

Спектарот на побудување на луминисценција(флуоресценција, фосфоресценција) - зависност од интензитетот на емитирана светлина со фиксна бранова должина од брановата должина или друг бран карактеристичен за возбудливата светлина.

Со возбудување на молекула на супстанција со светлина со бранова должина што одговара на lmax од спектарот на возбуда, може да се добие флуоресценција со максимален интензитет. Во разредените раствори, спектарот на возбуда на флуоресценција се совпаѓа со спектарот на апсорпција на супстанцијата.

Спектарот на луминисценција- зависност од интензитетот на емитирана светлина од нејзината бранова должина за фиксна бранова должина на возбудлива светлина.

Во табелата Табела 21.1 ги прикажува главните својства својствени за спектрите на луминисценција.

Основни својства на спектрите на луминисценција

Квантен принос(ознака V kv, Q, f) - однос на бројот на емитирани фотони со бројот на апсорбирани

Излезна енергија(V en) - однос на енергијата на емитирана светлина со енергијата на апсорбираната светлина

Постои следнава врска помеѓу V sq и V en

Бидејќи обично се користи n< n погл, то В эн < В кв

Квантниот принос на луминисценцијата не зависи од l exc до одредено l, лоциран во регионот каде што се преклопуваат спектрите на апсорпција и емисија, по што тој нагло се намалува Износот на енергија зависи од l exc: на почетокот се зголемува во директна пропорција до l exc, тогаш во одреден интервал не ја менува својата вредност, по што нагло се намалува ( Законот на Вавилов).

Влијание на различни фактори врз интензитетот на флуоресценција на растворите

Луминисценцијата и особено флуоресценцијата се многу поподложни на влијанието на различни фактори отколку апсорпцијата на светлината. Интензитетот на флуоресценција зависи од:

· природата на материјата;

· концентрација на супстанција во раствор;

· услови во кои се наоѓа флуоресцентната супстанција(температура, растворувач, pH вредност, присуство на други супстанции во растворот кои можат да влијаат на флуоресценцијата).

Природата на супстанцијата

Неорганските соединенија (со исклучок на некои соединенија на ураниум и лантанид) обично не можат да флуоресцираат во растворот. Во исто време, има доста флуоресцентни супстанции меѓу органските соединенија.

Неопходно(но не и доволен!) Услов за фотолуминисценција е способноста на супстанцијата да апсорбира електромагнетно зрачење во УВ или видлив опсег. Вообичаено, супстанциите со интензивна флуоресценција имаат долг систем на конјугирани врски. Најчестите флуоресцентни супстанции се наоѓаат меѓу ароматичните соединенија. Воведувањето на супституенти кои донираат електрони во бензенскиот прстен ја зголемува способноста на супстанцијата да флуоресцира. На пример, многу феноли и ароматични амини покажуваат интензивна флуоресценција. Воведување на супституенти за повлекување електрони, со некои исклучоци, ја намалува флуоресценцијата. Тешки халогени атоми(Br, I) ја зголемува стапката на конверзија на меѓусистемски вкрстувања и, на тој начин, го намалуваат флуоресцентниот квантен принос. Сепак, воведувањето на тешки халогени ја зголемува способноста на супстанцијата да се фосфоризира. Способноста на супстанцијата да флуоресцира во растворот се зголемува со кондензација на ароматични прстени и зголемување на „ригидноста“ на молекулата. На пример

Концентрација на супстанција

Врската помеѓу интензитетот на флуоресценцијата и концентрацијата на флуоресцентната супстанција во растворот е посложена од онаа помеѓу апсорпцијата на светлината и концентрацијата. Ова се должи на фактот дека процесот на зрачење е секундарен и зависи од претходниот процес на апсорпција на светлина.

Да го разгледаме наједноставниот случај, кога во растворот има само една флуоресцентна супстанција.

Така:

Затоа, односот помеѓу интензитетот на флуоресценцијата и концентрацијата на флуоресцентната супстанција не е линеарен.

Функцијата може да се прошири во серија Maclaurin

Ако производот (оптичката густина на растворот) е мал, тогаш

Така, при мала оптичка густина(на л без) зависноста на интензитетот на флуоресценцијата од концентрацијата може да се смета за линеарна, кој се користи во квантитативната анализа. При повисоки вредности на А, зависноста на интензитетот на флуоресценција од концентрацијата станува посложена и отстапува од линеарноста. На A = 0,01, отстапувањето од линеарноста е 1%, 0,05 - 5%; 0,5 - околу 35% (сл. 21,4).

Ориз. 21.4. Врска помеѓу интензитетот на флуоресценција и оптичката густина на растворот

1) пресметано со помош на поедноставената формула I = KC; 2) вистински

Ефектот на оптичката густина на растворот врз интензитетот на флуоресценцијата се нарекува „ ефект на внатрешен филтер" Овој ефект се должи на две причини:

· апсорпција на возбудлива светлина, како резултат на што честичките лоцирани подалеку од изворот на зрачење ќе добијат помалку возбудливо зрачење;

· апсорпцијасамо честички од материјата зрачење, емитирани од други честички од истата супстанција.

Луминисценцијата е емисија на светлина од одредени материјали кога се релативно ладни. Се разликува од зрачењето на жешките тела, како што се јаглен, стопено железо и жица загреани со електрична струја. Забележана е емисија на луминисценција:

• во неонски и флуоресцентни светилки, телевизори, радари и екрани со флуороскоп;
• во органски супстанции како што се луминол или луциферин кај светулките;
• во некои пигменти кои се користат во надворешно рекламирање;
• со молњи и северна светлина.

Во сите овие појави, емисијата на светлина не е резултат на загревање на материјалот над собна температура, поради што се нарекува ладна светлина. Практичната вредност на луминисцентните материјали лежи во нивната способност да трансформираат невидливи форми на енергија во

Извори и процес

Феноменот на луминисценција се јавува како резултат на апсорпција на енергија од материјал, на пример, од извор на ултравиолетово или рентген зрачење, електронски зраци, хемиски реакции итн. Тоа предизвикува атомите на супстанцијата да се возбудат. Бидејќи е нестабилен, материјалот се враќа во првобитната состојба и апсорбираната енергија се ослободува во форма на светлина и/или топлина. Само надворешните електрони се вклучени во процесот. Ефикасноста на луминисценцијата зависи од степенот на конверзија на енергијата на возбудата во светлина. Бројот на материјали со доволна ефикасност за практична употреба е релативно мал.

Луминисценција и блескавост

Побудувањето на луминисценцијата не е поврзано со возбудувањето на атомите. Кога топлите материјали почнуваат да светат како резултат на блескавост, нивните атоми се во возбудена состојба. Иако тие вибрираат веќе на собна температура, ова е доволно за зрачењето да се појави во далечниот инфрацрвен регион на спектарот. Со зголемување на температурата, фреквенцијата на електромагнетното зрачење се префрла во видливиот регион. Од друга страна, при многу високи температури, како оние што се создаваат во шок цевки, судирите меѓу атомите можат да бидат толку силни што електроните се одвојуваат од нив и се рекомбинираат, испуштајќи светлина. Во овој случај, луминисценцијата и блескавоста стануваат неразлични.

Луминисцентни пигменти и бои

Конвенционалните пигменти и бои имаат боја бидејќи го рефлектираат оној дел од спектарот што е комплементарен на апсорбираниот дел. Мал дел од енергијата се претвора во топлина, но не се јавува забележливо зрачење. Меѓутоа, ако луминисцентниот пигмент ја апсорбира дневната светлина во одреден дел од спектарот, тој може да емитува фотони кои се различни од рефлектираните. Ова се случува како резултат на процеси во молекулата на бојата или пигментот преку кои ултравиолетовата светлина може да се претвори во видлива светлина, како што е сината светлина. Таквите методи на луминисценција се користат во рекламирање на отворено и во прашоци за перење. Во вториот случај, „осветлувачот“ останува во ткаенината не само за да го рефлектира белото, туку и да го претвори ултравиолетовото зрачење во сино, компензирајќи ја жолтилото и зголемувајќи ја белината.

Рани истражувања

Иако молњата, северната светлина и слабиот сјај на светулките и печурките отсекогаш му биле познати на човештвото, првите студии за луминисценцијата започнале со синтетички материјал кога Винченцо Каскариоло, алхемичар и чевлар од Болоња, Италија, загреал мешавина од бариум. сулфат (во форма на барит, тежок спар) со јаглен. Прашокот, откако ќе се олади, емитуваше синкав сјај ноќе, а Каскариоло забележа дека тоа може да се врати со изложување на пудрата на сончева светлина. Супстанцијата била наречена lapis solaris, или сончев камен, бидејќи алхемичарите се надевале дека може да ги трансформира металите во злато, симболизирано со сонцето. Подоцнежниот сјај го разбуди интересот на многу научници од тој период, кои на материјалот му дадоа други имиња, вклучително и „фосфор“, што значи „носач на светлина“.

Денес, името „фосфор“ се користи само за хемискиот елемент, додека микрокристалните луминисцентни материјали се нарекуваат фосфор. „Фосфорот“ на Каскариоло очигледно бил бариум сулфид. Првиот комерцијално достапен фосфор (1870) беше „Balmain paint“ - раствор од калциум сулфид. Во 1866 година беше опишан првиот стабилен фосфор од цинк сулфид - еден од најважните во модерната технологија.

Едно од првите научни студии за луминисценцијата што се јавува кај гнило дрво или месо и кај светулките беше спроведено во 1672 година од англискиот научник Роберт Бојл, кој иако не знаеше за биохемиското потекло на оваа светлина, сепак утврди некои од основните својства на биолуминисцентноста. системи:

• ладен сјај;
• може да се потисне со хемиски агенси како алкохол, хлороводородна киселина и амонијак;
• зрачењето бара пристап до воздух.

Во 1885-1887 година, беше забележано дека суровите екстракти добиени од западноиндиските светулки и мекотелите од фолада произведуваат светлина кога се мешаат.

Првите ефективни хемилуминисцентни материјали беа небиолошки синтетички соединенија како што е луминолот, откриени во 1928 година.

Хеми- и биолуминисценција

Поголемиот дел од енергијата ослободена во хемиските реакции, особено реакциите на оксидација, е во форма на топлина. Во некои реакции, сепак, дел од него се користи за возбудување на електрони на повисоки нивоа, а во флуоресцентни молекули пред да се појави хемилуминисценција (CL). Истражувањата покажуваат дека CL е универзален феномен, иако интензитетот на луминисценцијата може да биде толку низок што е потребна употреба на чувствителни детектори. Сепак, постојат некои соединенија кои покажуваат светла CL. Најпознат од нив е луминол, кој кога се оксидира со водород пероксид може да произведе силна сина или сино-зелена светлина. Други силни CL супстанции се луцигенин и лофин. И покрај осветленоста на нивниот CL, не сите од нив се ефикасни во претворањето на хемиската енергија во светлина, бидејќи помалку од 1% од молекулите емитуваат светлина. Во 1960-тите, беше откриено дека естерите на оксална киселина оксидирани во безводни растворувачи во присуство на високо флуоресцентни ароматични соединенија емитуваат силна светлина со ефикасност до 23%.

Биолуминисценцијата е посебен вид на ензимски катализиран CL. Приносот на луминисценција на таквите реакции може да достигне 100%, што значи дека секоја молекула на луциферинот што реагира оди во состојба на емитување. Сите биолуминисцентни реакции познати денес се катализираат со реакции на оксидација кои се случуваат во присуство на воздух.

Термички стимулирана луминисценција

Термолуминисценцијата не значи температурно зрачење, туку подобрување на светлосното зрачење од материјали чии електрони се возбудени од топлина. Термички стимулираната луминисценција е забележана кај некои минерали и првенствено во кристалните фосфори откако ќе бидат возбудени од светлината.

Фотолуминисценција

Фотолуминисценцијата, која е произведена од електромагнетното зрачење што се спушта на супстанција, може да се произведе во опсег од видлива светлина преку ултравиолетови до рентген и гама зраци. Во луминисценцијата индуцирана од фотони, брановата должина на емитираната светлина е типично еднаква или поголема од возбудливата бранова должина (т.е. еднаква или помала енергија). Оваа разлика во брановата должина е предизвикана од конверзијата на дојдовната енергија во вибрации на атомите или јоните. Понекогаш, кога ласерскиот зрак е интензивно изложен, емитираната светлина може да има пократка бранова должина.

Фактот дека PL може да биде возбуден од ултравиолетовото зрачење го открил германскиот физичар Јохан Ритер во 1801 година. Тој забележал дека фосфорите светат светло во невидливиот регион надвор од виолетовиот дел од спектарот, и на тој начин го откриле УВ зрачењето. Преобразувањето на УВ во видлива светлина е од големо практично значење.

При висок притисок фреквенцијата се зголемува. Спектрите повеќе не се состојат од една спектрална линија на 254 nm, туку енергијата на емисијата се дистрибуира преку спектралните линии што одговараат на различни електронски нивоа: 303, 313, 334, 366, 405, 436, 546 и 578 nm. За осветлување се користат живи светилки со висок притисок, бидејќи 405-546 nm одговараат на видливото синкаво-зелено светло, а кога дел од зрачењето се трансформира во црвено со помош на фосфор, резултатот е бел.

Кога молекулите на гасот се возбудени, нивните спектри на луминисценција покажуваат широки појаси; не само што електроните се подигнуваат на повисоки енергетски нивоа, туку и вибрационите и ротационите движења на атомите како целина се истовремено возбудени. Ова се случува затоа што вибрационите и ротационите енергии на молекулите се 10 -2 и 10 -4 од преодните енергии, кои, кога ќе се додадат, формираат многу малку различни бранови должини кои сочинуваат една лента. Во поголемите молекули има неколку преклопувачки ленти, по една за секој тип на транзиција. Емисијата на молекули во растворот е претежно како лента, што е предизвикано од интеракцијата на релативно голем број возбудени молекули со молекули на растворувачи. Во молекулите, како и во атомите, надворешните електрони на молекуларните орбитали учествуваат во луминисценцијата.

Флуоресценција и фосфоресценција

Овие термини може да се разликуваат не само врз основа на времетраењето на сјајот, туку и врз основа на начинот на неговото производство. Кога електронот е возбуден до единечна состојба со време на престој од 10 -8 секунди, од кое лесно може да се врати во основната состојба, супстанцијата ја емитува својата енергија во форма на флуоресценција. За време на транзицијата, вртењето не се менува. Приземјените и возбудените состојби имаат слична мноштво.

Електронот, сепак, може да се подигне на повисоко енергетско ниво (наречено „возбудена тројна состојба“) со враќање на неговиот спин. Во квантната механика, транзициите од тројни состојби во единечни состојби се забранети и, според тоа, нивниот животен век е многу подолг. Затоа, луминисценцијата во овој случај има многу подолго времетраење: се забележува фосфоресценција.