Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Аналитическая химия

Флуоресцентная спектроскопия

Методы молекулярной люминесценции — методы, в которых излучение поглощается молекулярными частицами и снова излучается при другой длине волны.

Люминесценция возникает после поглощения образцом энергии возбуждения. Молекула образца, поглощая энергию потока электромагнитного излучения (в случае фотолюминесценции), сначала переходит в возбужденное состояние. Возбуждение протекает очень быстро — 10-15 с. Рассмотрим процессы, происходящие в молекулах более детально (см. рис. 5.33, II). Если переход заканчивается на каком-либо колебательном подуровне возбужденного уровня Е{ (например, на подуровне v2*), то затем происходит быстрый безызлучательный переход на самый низкий возбужденный уровень Еу При этом избыток энергии выделяется в виде тепла (см. рис. 5.33, волнистая стрелка IV).

Далее происходит возвращение молекулы на любой колебательный уровень основного состояния, которое может протекать по- разному:

  • 1) молекула может передать оставшуюся энергию возбуждения при столкновении соседним молекулам, например молекулам растворителя. Этот безызлучательный процесс называется колебательной релаксацией (см. рис. 5.33, волнистая стрелка V) и происходит за Ю-10 с;
  • 2) эта энергия может излучаться снова (происходит реизлучение). Процесс ее испускания в виде излучения большей длины волны носит название «люминесценция» (см. рис. 5.33, VI и VII). Излучение возникает спустя ~10-6—10-8 с.

Кратковременную люминесценцию, затухающую сразу после прекращения ее возбуждения, называют флуоресценцией.

Длительную люминесценцию, продолжающуюся некоторое время после возбуждения (от 10-4 до 10 с и больше), называют фосфоресценцией. Длины волн излучения фосфоресценции больше, чем в случае флуоресценции.

Молекулярная флуоресцентная спектроскопия. Метод, основанный на измерении интенсивности излучения, возникающего в результате поглощения молекулярной средой электромагнитного излучения другого оптического диапазона, называется методом молекулярной флуоресцентной спектроскопии (МФС).

Таким образом, в основе флуориметрического метода лежит явление флуоресценции веществ, облученных УФ-излучением. Измерение интенсивности испускаемого излучения видимого диапазона позволяет получить спектры флуоресценции — оптически возбужденные электронные спектры испускания молекул.

Отличительной особенностью спектров флуоресценции является то, что интенсивность флуоресценции зависит от интенсивности источника возбуждения, т.е. от мощности поглощенной энергии.

В качестве примера на рис. 5.55 представлены спектры поглощения и флуоресценции перилена.

Спектры поглощения и флуоресценции перилена

Рис. 5.55. Спектры поглощения и флуоресценции перилена

Из рис. 5.55 можно выявить отличия в спектрах флуоресценции и поглощения:

  • 1) полосы флуоресценции располагаются при больших длинах волн, нежели соответствующие полосы поглощения (закон Стокса и Ломмеля);
  • 2) при этом наблюдается частичное перекрывание этих спектров (антистоксовская область)',
  • 3) полосы флуоресценции являются зеркальным отражением полос поглощения {правило зеркальной симметрии Левшина).

Наблюдаемые явления находят следующее объяснение.

Сдвиг полосы флуоресценции в область более длинных волн, характеризующихся меньшей энергией, объясняется потерей энергии в ходе безызлучательного процесса (ее выделение в виде тепла). Поскольку АЕ1 и АЕ4 < АЕ2 (нумерация соответствует нумерации длин волн на рис 5.33), следовательно, Х{ и Х4 > Х2.

Перекрывание спектров связано с тем, что даже при комнатной температуре верхние колебательные подуровни основного состояния в некоторой степени заселены электронами; поэтому при поглощении электромагнитного излучения возможны переходы с любого из них на нижний колебательный подуровень возбужденного состояния (vQ уровня Е{ — см. рис. 5.33, III). Следовательно, часть испускаемого излучения будет наблюдаться в более коротковолновой области, чем самое длинноволновое поглощение: Х1 и Х4 < Ху Флуоресценцию более коротковолновую, чем возбуждающий свет, называют антистоксовской, а более длинноволновую — стоксовской.

Форма полос поглощения и флуоресценции определяется распределением колебательных уровней основного и возбужденного состояний. Это распределение часто одинаково для обоих состояний (основного и возбужденного), поэтому спектр флуоресценции зеркально симметричен спектру поглощения.

Основные характеристики флуоресценции. Одной из важнейших характеристик излучательных процессов является квантовый выход. Квантовый выход (ф) — отношение числа квантов, испущенных возбужденной молекулой/атомом, к числу поглощенных квантов:

Для флуоресценции это может быть представлено уравнением

где Ijj и / — соответственно интенсивность флуоресценции и поглощения света.

С учетом уравнения Бугера—Ламберта—Бера и последующих преобразований получим

где к — коэффициент пропорциональности; — квантовый выход флуоресценции; ? — коэффициент поглощения; ? — длина поглощающего пути; С — концентрация флуоресцирующего вещества; 7^ — интенсивность флуоресценции; /0 — интенсивность падающего излучения.

Полученное уравнение (5.48) подтверждает высказанное выше утверждение, что интенсивность флуоресценции зависит от интенсивности источника возбуждения, т.е. от мощности поглощенной энергии.

Поскольку все величины в правой части уравнения, кроме С, в условиях измерений постоянны, измеряемое значение 7^ зависит только от концентрации вещества:

Таким образом, интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации флуоресцирующего вещества (рис. 5.56, область 1).

Градуировочный график

Рис. 5.56. Градуировочный график

Однако в области относительно высоких концентраций (рис. 5.56, область 2) наблюдается явление концентрационного тушения флуоресценции: интенсивность падает вследствие безызлучательного переноса энергии от возбужденных частиц к другим молекулам при их столкновении, т.е. в результате сильного поглощения испускаемого излучения раствором. Концентрационное тушение обусловливает верхний предел диапазона определяемых концентраций ~10-4 М.

Чувствительность метода в 103—105 раз выше, чем в молекулярной абсорбционной спектроскопии. Это связано с тем, что в отличие от MAC, где измеряют разность двух сигналов /0 и 1}, в МФС измеряют сам сигнал 1^.

Высокая интенсивность флуоресценции объясняет низкий предел обнаружения метода, составляющий 10-7 и даже 10-8%. В идеальных условиях Cmin достигает 10"12 М.

Воспроизводимость флуориметрических определений составляет ~5%.

Кроме того, этот метод весьма селективен, поскольку флуоресцирует меньшее число соединений, чем, например, поглощает.

Стоимость приборов ниже стоимости конкурирующих по чувствительности атомно-абсорбционных спектрофотометров.

В методах флуоресцентной спектроскопии (ФС) чаще используется принципиальная блок-схема прибора, изображенная на рис. 5.57. Такая схема позволяет принимать и измерять испускаемое излучение под прямым углом к вызывающему возбуждение потоку. Это необходимо, чтобы уменьшить помехи от рассеянного или отраженного излучения.

Принципиальная схема прибора, используемого в флуоресцентной спектроскопии Источник

Рис. 5.57. Принципиальная схема прибора, используемого в флуоресцентной спектроскопии Источник: МейтисЛ. Введение в курс химического равновесия и кинематики: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. С. 424

Схема прибора, используемого в флуоресцентной спектроскопии, включает два монохроматора. Первый разлагает излучение источника и выделяет определенную узкую полосу длин волн, необходимую для получения флуоресценции. Второй монохроматор разлагает флуоресцентное излучение и используется для изучения зависимости его интенсивности от длины волны или частоты, т.е. для получения спектра флуоресценции.

Применение МФС. Метод люминесцентной спектроскопии применяется для определения большого числа минералов (например, следов урана в горных породах и природных водах), неорганических твердых люминофоров (например, твердых материалов на основе фосфатов, карбонатов, фторидов щелочных и щелочно-земельных металлов — NaF и т.п.), органических и металлоорганических соединений (особенно ароматических соединений). Возможность определять этим методом достаточно большой круг витаминов, гормонов, ферментов, антибиотиков и прочих биологически активных веществ имеет большое значение в контроле качества продукции фармацевтических производств; некоторых пестицидов — в экологическом контроле; углеводородов нефти — в контроле нефтепродуктов.

Вопросы для самоконтроля к подразделу 5.2.4

  • 1. В чем состоит сущность флуоресцентной спектроскопии? Назовите области ее применения.
  • 2. Расскажите о таких явлениях, как флуоресценция и фосфоресценция. Что их объединяет и в чем состоит различие?
  • 3. Приведите схему прибора, используемого во флуоресцентной спектроскопии, и объясните принцип ее работы.
  • 4. В чем состоят отличия спектров флуоресценции от спектров поглощения?
  • 5. Какое уравнение положено в основу количественных определений в методе флуоресцентной спектроскопии? От каких факторов зависит интенсивность аналитического сигнала в этом методе?
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы