4. Молекулярная люминесценция:

флуориметрия, фосфорометрия

Люминесценцией называют свечение атомов, молекул и других частиц, возникающих в результате электронного перехода при возвращении из возбужденного в основное состояние.

Явления люминесценци разнообразны по свойствам и происхождению. Различные виды люминесценции определяются характером энергии и возбуждения, продолжительностью свечения и химическим свойствам люминесцирующих веществ.

По виду возбуждения различают следующие разновидности люминесценции.

• ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение, возникающее под действием световых лучей оптического диапазона частот (ультрафиолетовых и видимых лучей); наблюдается в газообразных, жидких и твердых системах.

• КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение, возникающее под действием катодных лучей - быстродвижущимися под действием электрического поля электронами. Этот вид возбуждения широко используют в газоразрядных трубках, где ускоренный электрическим полем электрон на своем пути может ионизировать тысячи атомов газа, вызывая тем самым их свечение. Катодолюминесценцию используют также для возбуждения порошков, тонких пленок и поверхностных слоев монокристаллов.

• ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение под действием продуктов радиоактивного распада (α-, β-частиц и γ-лучей), а также космической радиации.

• ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение вещества при протекании химической реакции. Энергия возбуждения люминесценции в этом случае черпается из запасов энергии реагирующих веществ (например, свечение оксида фосфора, возникающее при его окислении). Свечение, возникающее в различных растительных и живых организмах, также обусловлено химическими процессами, протекающими в них (например, свечение светлячков, моллюсков и др.).

• ТРИБОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение, возникающее при трении некоторых веществ.

• КРИСТАЛЛОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение, возникающее при механическом сжатии кристаллов.

По длительности свечения различают два вида люминесценции: флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценцией называют люминесценцию с длительностью порядка 10^-8 –10^-10с.

Фосфоресценцией называют свечение, продолжающееся заметный промежуток времени после прекращения возбуждения от 10^-8 с до нескольких часов.

Все люминесцирующие вещества имеют общее название - люминофоры. Неорганические люминофоры называют просто люминофорами, а органические люминофоры - органолюминофоры, и они существенно различаются по природе свечения. У неорганических люминофоров в процессе свечения обычно участвуют кристаллы, и их называют также кристаллофосфоры. У орагнолюминофоров процессы поглощения и излучения света протекают в пределах каждой способной люминесцировать молекулы.

Молекула, поглощая квант света, переходит из основного состояния S₀ в возбужденное состояние S₁. При комнатной температуре молекулы находятся в основном колебательном состоянии. При переходе в возбужденное состояние, молекула попадает на один из колебательных уровней колебательного состояния.

Е S₁ S₁ Т₁

hv₁ hv₂ hv₁ hv₂

S₁ S₀

а) б)

Рис. 5. Схема энергетических переходов молекулы при флуоресценции - (а) и фосфоресценции - (б)

Поглощение молекулой кванта света осуществляется за очень короткое время – 10^-15с. Затем за время – 10^-12с происходит переход электрона на нижний колебательный подуровень возбужденного состояния (рис. 5а - короткая волнистая линия). Этот процесс называют колебательной релаксацией. Возвращение молекулы с нижнего состояния S_i в невозбужденное состояние S₀ может произойти тремя путями.

1 - Потеря молекулой энергии в виде теплоты в результате столкновения с другими частицами - процесс внутренней конверсии.

2 - Возвращение молекулы на любой колебательный подуровень основного состояния с испусканием энергии в виде кванта света без изменения спина электрона - флуоресценция.

3 - Переход молекулы из возбужденного состояния S_i в метастабильное состояние Т₁, а затем в основное S₀ либо в результате внутренней конверсии с выделением теплоты (рис. 6 - длинная волнистая стрелка), либо с выделением кванта света - фосфоресценция. В метастабильном состоянии спины параллельны ↑↑.

Флуоресценция наблюдается чаще фосфоресценции, особенно в жидких растворах. Интенсивная фосфоресценция наблюдается у органических соединений в замороженном или стекловидном состоянии.

Выход люминесценции. Зависимость интенсивности люминесценции от длины волны или частоты излучения называют спектром люминесценции. Вид спектра не зависит от длины волны возбуждающего электромагнитного излучения. Потеря части энергии поглощаемых квантов света на безизлучательные процессы приводит к тому, что испускаемый квант имеет меньшую энергию и, следовательно, большую длину волны, чем поглощенный. По закону Стокса-Ломмеля спектр флуоресценции в целом и его максимумом сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн.

Разность длин волн в максимумах спектров флуоресценции и поглощения называют Стоксовым смещением (или сдвигом).

Спектры поглощения и флуоресценции пересекаются в точке при v₀, которая соответствует возбуждению электрона и излучению кванта без потерь на безизлучательные переходы (О→О’, О’→О).

а)

б)

Рис. 6. Схема, иллюстрирующая закон Стокса-Ломмеля:

а - энергетические переходы; б - спектры поглощения и флуоресценции.

Колебательная структура многих крупных органических молекул при возбуждении практически не изменяется, поэтому «нормированные» спектры поглощения и флуоресценции, изображенные в функции частот зеркально симметричны относительно прямой, проходящей через точку пересечения перпендикулярно оси частот (правило В.Л.Левшина). Соблюдение правила зеркальной симметрии для веществ, у которых оно наблюдается, позволяет построить спектр флуоресценции или поглощения, имея только один из них.

Доказана прямая зависимость между интенсивностью люминесценции и концентрации люминофора в растворе до 10^-4 моль/л.

I_люм = k*C, где k - коэффициент пропорциональности.

Чем больше квантовый выход люминесценции, тем меньшее количество люминофора может быть обнаружено люминесцентным методом.

В_кв = N_люм/N_света,

где В_кв - квантовый выход;

N_люм - число квантов, излучаемых при люминесценции;

N_света - число квантов, поглощаемых при возбуждении.

Выход люминесценции зависит от ряда факторов: длины волны возбуждающего света, концентрации люминофора, температуры, наличия примесей в растворе.

Зависимость выхода люминесценции от длины волны возбуждающего света подчиняется закону С.И.Вавилова:

При переходе от коротких волн к длинным выход люминесценции до известного предела увеличивается пропорционально длине волны. Начиная с определенной длины волны, выход люминесценции достигает своего максимума и становится не зависимым от длины волны возбуждающего света, а затем быстро уменьшается.

О 200 400 600 λ,нм 10^-4 10^-5 с,%

Рис. 7. Зависимость выхода люминесценции:

а - от длины волны возбуждающего света; б - от концентрации люминофора.

Выход люминесценции при малых количествах люминофора пропорционален его содержанию в растворе, что используется для количественного люминесцентного анализа. Увеличение концентрации люминофора приводит к уменьшению яркости свечения. При достижении определенной концентрации люминесцирующего вещества наступает постепенное и полное тушение люминесценции - концентрационное тушение. Для большинства люминофоров концентрационный барьер лежит в области концентрации 10^-4-10^-5моль/л.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое люминесценция?

2. Какие виды люминесценции вы знаете?

3. Чем отличается флуоресценция от фосфоресценции?

4. Что такое люминофоры?

5. Какова схема энергетических переходов молекулы при флуоресценции?

6. От каких факторов зависит выход люминесценции?

7. Что такое концентрационное тушение?

Тест по теме

Что называют Стоксовым смещением:

1. разность длин волн в максимумах спектров флуоресценции и поглощения?

2. потеря молекулой энергии в виде теплоты в результате столкновений с другими частицами?

3. переход молекулы из возбужденного состояния в метастабильное, а затем в основное?