/
Автор: Волошина T.B. Кавецкая И.В.
Теги: химический анализ пособие для студентов флуориметрия
Год: 2004
Текст
Министерство
образования
Российской
Федерации
ВОРОНЕЖСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ
АНАЛИЗ
ВЕЩЕСТВА
Пособие для студентов.
Специальность «Физика» (010400)
ВОРОНЕЖ 2004
Утверждено научно-методическим советом физического факультета
2 октября 2003 г., протокол № 8
Составители: Волошина T.B.,
Кавецкая И.В.
з
Введение
Люминесценция широко используется в различных областях науки и тех-
ники. Так, ее применяют для обнаружения инфракрасного, ультрафиолетового
и рентгеновского излучений, а также радиации, возникающих при радиоактив-
ном распаде и ядерных реакциях. С помощью люминесценции можно выявлять
различные объекты и их детали, изучение которых оказывается невозможным
при обычных условиях освещения и наблюдения. Люминесцентный метод ис-
следования такого рода часто называют люминесцентным анализом обнаруже-
ния или сортовым люминесцентным анализом. Большое значение приобрел ме-
тод люминесцентной дефектоскопии, позволяющий быстро обнаруживать
мельчайшие трещины и дефекты на поверхности промышленных изделий.
Широкое распространение получила люминесцентная микроскопия при
диагностике некоторых заболеваний, для выявления бактерий, канцерогенных
веществ и пр. Люминесцентный анализ обнаружения применяют при сортиров-
ке пищевых продуктов, корнеплодов и семян. Его используют при исследова-
нии характера воздушных и водных потоков, а также для изучения стихийных
перемещений больших масс песка и грунта на суше и под водой. В палеонтоло-
гии этот метод анализа используют при изучении отпечатков древних живот-
ных и растений на осадочных породах; в археологии - при расшифровке стер-
тых, выцветших или вытравленных мест в старинных рукописях и документах;
в криминалистике, судебной химии и медицине в целях экспертизы и т.д.
Явления люминесценции используются для установления состава ве-
ществ и определения их количественного содержания. Анализ такого типа но-
сит соответственно название качественного и количественного люминесцент-
ного анализа. Люминесцентный анализ нашел широкое применение для опре-
деления следовых количеств элементов в различных объектах.
Определение понятия «люминесценция»
При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом возника-
ет излучение, отличающееся по направлению распространения, поляризации и
по спектральному составу от первоначального. Это излучение называют «вто-
ричным излучением» и оно может быть обусловлено разными процессами: от-
ражением и рассеянием в веществе первоначального излучения, люминесцен-
цией или тепловым испусканием вещества.
Термин «люминесценция» был впервые введен Е.Видеманом в 1888г. Ви-
деман предложил называть люминесценцией свечение, которое возникает под
действием внешних причин без повышения температуры светящегося тела. В
современном изложении люминесценцией называют избыток излучения над
тепловым излучением тела, соответствующим его температуре. Определение
понятия люминесценции, данное Видеманом, не позволяет отличить люминес-
ценцию от других видов неравновесного излучения, поэтому С.И.Вавилов
4
предложил дополнить определение Видемана критерием длительности. Таким
образом, по определению Видемана-Вавилова люминесценцией называется из-
быток над тепловым излучением тела в том случае, если после выключения
возбуждения свечение продолжается в течение времени, значительно превы-
шающем период световых колебаний.
Преимущество определения Видемана-Вавилова состоит в том, что оно
основано на непосредственно определяемых экспериментально критериях.
Если рассматривать определение люминесценции с точки зрения анализа
элементарных процессов, обуславливающих вторичное излучение, то такой
анализ показывает, что, как правило, имеется последовательность процессов
вторичного излучения, развивающихся во времени. Можно сказать, что люми-
несценцией в смысле элементарного процесса следует называть спонтанное ис-
пускание, происходящее после того, как все процессы релаксации в системе,
кроме электронного возбуждения, закончились, и установилось тепловое ква-
зиравновесие.
Виды люминесценции и их классификация
Люминесценцией называется свечение атомов, молекул, ионов и других
более сложных комплексов, возникающее в результате электронного перехода в
этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное.
Во всех люминесцентных явлениях обычно наблюдается одновременное свече-
ние огромного числа молекул, которые излучают свет независимо друг от дру-
га, давая некогерентное излучение. При этом происходит полное преобразова-
ние поглощенной энергии в собственное излучение, что отличает люминесцен-
цию от явлений рассеяния и отражения света.
Люминесцировать могут вещества, находящиеся в газообразном, жидком
и твердом состояниях. Существует большое количество разнообразных, как ор-
ганических, так и неорганических соединений, обладающих люминесцентной
способностью, которая может быть существенно различной. Это вызывает не-
обходимость в классификации явлений люминесценции.
В основу первой такой классификации была положена продолжитель-
ность процесса излучения. В результате все известные виды люминесценции
были разделены на два большие класса, получивших название флуоресценции и
фосфоресценции. Под флуоресценцией понималось свечение, мгновенно (~ Ю~9
с) затухающее после прекращения возбуждения; фосфоресценцией стали счи-
тать свечение, продолжающееся заметный промежуток времени (Ю"6 с) после
прекращения возбуждения. Классификация носила чисто качественный харак-
тер и не позволяла установить четкую границу между этими двумя видами све-
чения,
В основу второго типа классификации были положены различные виды
возбуждения люминесценции. В случае возбуждения вещества световыми
квантами возникающее свечение стали называть фотолюминесценцией. B на-
стоящее время выделяют особый вид фотолюминесценции - атомную флуорес-
ценцию, соответствующую световому возбуждению свечения атомов веществ,
находящихся в газообразном состоянии. Свечение, возникающее под действием
5
катодных лучей, было названо катодолюминесценцией. При возбуждении све-
чения рентгеновскими лучами возникает рентгенолюминесценция. Радиолюми-
несценция возбуждается быстрыми частицами, такими, как продукты радиоак-
тивного распада и космические лучи. Излучение, возникающее под действием
электрического поля, называют электролюминесценцией. Существуют и другие
виды люминесценции. Это хемилюминесценция, когда источником энергии воз-
буждения является энергия химической реакции (ее разновидностью можно
считать биолюминесценцию, которая возникает у живых организмов при окис-
лении особых веществ). В последнее время широкое развитие получила элек-
трохемилюминесценция.
В основу третьего вида классификации, предложенной С.И. Вавиловым,
положена кинетика самого процесса люминесценции. В этом случае свечения
разделяют на резонансное, спонтанное, вынужденное и рекомбинационное. Ре-
зонансной флуоресценцией называется процесс излучения фотонов той же
энергии, что и у поглощенных фотонов возбуждающего света (рис. 1а). Этот тип
флуоресценции имеет место в газах и молекулярных кристаллах. Резонансная
флуоресценция лежит в основе процесса атомной флуоресценции.
При спонтанной люминесценции (рисЛб) после возбуждения осуществ-
ляется переход молекулы с невозбужденного уровня Eq на высокий возбужден-
ный электронный уровень Ей откуда молекула, растрачивая безызлучательным
путем избыток сообщенной ей энергии, переходит на более низкий возбужден-
ный уровень Е2. Возвращение на исходный уровень Е0 происходит с излучени-
ем кванта люминесценции. Излучаемый квант оказывается меньше поглощен-
ного. Спонтанная люминесценция наблюдается у паров и растворов сложных
молекул, молекулярных кристаллов, а также у примесных центров твердых тел.
При резонансной и спонтанной люминесценции вероятность возвращения мо-
лекул из возбужденного состояния в нормальное определяется ее внутренними
свойствами и не зависит от температуры.
Вынужденная люминесценция развивается по иной схеме (рисЛв). В этом
случае кроме исходного и возбужденных уровней ЕЬ» Е1 и Е2 существует мета-
стабильный уровень М9 непосредственный переход с которого на уровень Е0
является запрещенным. При возбуждении молекула попадает с уровня Eq на Е\,
с которого безызлучательным путем может перейти на уровень Е2у а затем и на
уровень М. На метастабильном уровне молекула находится до тех пор, пока за
счет запаса внутренней колебательной энергии или тепловой энергии, сооб-
щенной извне, она не перейдет обратно на уровень Е2, с которого спонтанно
возвратится на уровень £<>, излучая квант люминесценции. Из сказанного сле-
дует, что длительность излучения, в отличие от спонтанной люминесценции, в
этом случае будет существенно зависеть от температуры. Спонтанное и вынуж-
денное излучения наиболее характерны для молекулярных систем. Поэтому эти
виды свечения часто объединяют одним понятием молекулярной люминесцен-
ции. В дальнейшем рассмотрим люминесценцию атомов и молекул.
Рекомбинационная люминесценция имеет более сложный характер. Она
возникает при воссоединении двух противоположных заряженных частей цен-
тра свечения, отделенных друг от друга в момент возбуждения. Энергия, ранее
затраченная на разъединение этих частей, при их воссоединении выделяется и
6
приводит в возбужденное состояния этот центр, который, переходя далее в не-
возбужденное состояние, дает спонтанное или вынужденное излучение.
Рекомбинационная люминесценция может возникать у различных газов
при рекомбинации радикалов или ионов с образованием возбужденных моле-
кул. Однако наиболее важны различные виды рекомбинационного свечения,
развивающиеся у сложных неорганических кристаллических веществ, полу-
чивших название кристаллофосфоров.
Рис. 1. Схема энергетических уровней и электронных переходов между ними при лю-
минесценции резонансной (а), спонтанной с одним промежуточным переходом (6) и вынуж-
денной с одним промежуточным переходом и одним метастабильным уровнем (в).
Люминесценция и спонтанное испускание
Получим выражение для мощности люминесценции при переходе мик-
росистемы с возбужденного уровня 2 (заселенность уровня n2» кратность выро-
ждения g2) на основной уровень 0 (заселенность уровня п0, кратность вырожде-
ния go). Мощность спонтанного испускания, отнесенную к единице объема,
представим в виде
И^=А2оЛ2&У, (1)
где со - частота перехода между уровнями 2 —> 0, А2о — коэффициент Эйнштейна
для спонтанного излучения. Чтобы найти мощность люминесценции W\, надо
вычесть из мощности спонтанного испускания W5 мощность поглощения рав-
новесного теплового излучения, которая определяется выражением:
Здесь W2 = пхВъ2ръ{со)г\б> - мощность поглощения, Wx =п2В2оРо(&)Чй> мощ-
ность волны за счет процессов индуцированного испускания, р0 - плотность
равновесного теплового излучения, определяемая формулой Планка, В02 - ко-
эффициент Эйнштейна для поглощения; В-в - коэффициент Эйнштейна для вы-
нужденного излучения. Кроме того, в (2) учтено соотношение: g0-*02 = £2-^20 >
дающее связь между коэффициентами Эйнштейна при переходах между уров-
нями 2 -> 0 (gQ и g2- кратности вырождения уровней 0 и 2). Используя (1) и
(2), находим выражение для мощности люминесценции:
7
Далее учтем связь между коэффициентами Эйнштейна А20 и В20:
А20 цсо3 , ч цй)3 1
------------- и воспользуемся выражением для р0: р(со)= ' „ * —
*20 * V *V ехр(Ч^г1
это позволяет переписать W\ в виде:
Если система находится в состоянии термодинамического равновесия,
т.е. если
то мощность люминесценции равна нулю. Отсюда следует, что люминесценция
наблюдается только в неравновесных коллективах. Мощность люминесценции
определяется степенью отклонения от равновесия.
Предположим, что заселенность возбужденного уровня сравнима с засе-
ленностью основного уровня. Учитывая, что в оптическом диапазоне справед-
ливо неравенство \\ф))кТ, получаем из (3):
Щ » А2$\со п2 (4)
Сравнивая (4) и (3), можно заключить, что в оптическом диапазоне мощ-
ность люминесценции практически равна мощности спонтанного испускания.
Основные характеристики люминесценции
К основным характеристикам люминесценции относятся интенсивность и
спектр.
Спектр поглощения. Закон Бугера. Для понимания процесса возбужде-
ния люминесценции необходимо знать спектр поглощения.
Предположим, что параллельный пучок монохроматического света с ин-
тенсивностью I0 проходит через поглощающее вещество толщиной d. По мере
прохождения через слой вещества интенсивность ослабляется в соответствии с
законом:
Если пренебречь отражением на границах и интерференцией, то прошед-
ший пучок будет иметь интенсивность:
/(-)=^о--М (5)
Величина к, имеющая размерность см*1, называется показателем погло-
щения. Зависимость к(у) от частоты v или от длины волны Л излучения называ-
ется спектром поглощения.
Отклонения от закона Бугера наблюдаются при больших интенсивностях
электромагнитного излучения и носят общее название "явлений насыщения".
8
Закон Бугера, дополненный утверждением, что показатель поглощения
пропорционален числу поглощающих частиц в единице объема, т.е. к=ап, где
а - эффективное сечение поглощения, характеризующее поглощающую спо-
собность одной частицы, обычно называют законом Бугера - Ламберта - Бера.
Нарушение этого закона может быть связано с каким-либо взаимодействием
между частицами, нарушающими аддитивность их действия.
Спектр возбуждения. Спектром возбуждения люминесценции называют
зависимость интенсивности люминесценции от частоты (или от длины волны)
возбуждающего света. Если поглощение возбуждающего света мало во всей ис-
следуемой области спектра, то спектр возбуждения отражает спектр активного
поглощения, т.е. поглощения, которое вызывает люминесценцию. В случае
полного поглощения возбуждающего света, спектр возбуждения дает спек-
тральную зависимость выхода люминесценции.
При измерениях спектра возбуждения используют, как правило, два мо-
нохроматора. Один служит для выделения возбуждающей частоты, а второй -
для выделения некоторой области в спектре люминесценции. Второй монохро-
матор (он может быть заменен светофильтром) устанавливается на определен-
ную частоту, а первый сканирует частоту возбуждения. Вместо первого моно-
хроматора можно использовать перестраиваемый лазер.
Спектр люминесценции. Спектр люминесценции можно выразить ка-
кой-либо энергетической величиной: потоком S(v)9 мощностью W(v) или ярко-
стью B(v). Во всех случаях спектр люминесценции есть величина, имеющая ха-
рактер спектральной плотности. Поэтому спектр люминесценции зависит от то-
го, что взято в качестве независимой переменной: частота v или длина волны △
(или число квантов на интервал частот). Действительно, например, для мощно-
сти излучения (как и для других величин)
W{v)dv = W{a)dX
и поэтому
W{v)ocX2W(X)
При преобразовании спектра W(v) в W(X) может существенно измениться
не только форма спектра, но и положение максимума.
Контур спектральной линии. Форма (или контур) линии - это спек-
тральное распределение интенсивности излучения или поглощения в спек-
тральной линии. Спектральные линии в дискретных спектрах испускания или
поглощения не являются строго монохроматичными. Любое воздействие на из-
лучающую или поглощающую квантовую систему влияют на контур спек-
тральной линии (ширину и сдвиг). Действие различных механизмов уширения
спектральных линий приводит к образованию некоторого спектрального рас-
пределения интенсивности (или мощности) I(co)dco вблизи частоты со0 квантово-
го перехода. Величина 8со =сог-сои где частоты щ и oh определяются условием
I(ct)\J^I(o>z)=\/2JMaKc(^!) [IMaxcfay - максимальное значение интенсивности], назы-
вается шириной спектральной линии. Выделяют центральную часть линии, со-
ответствующую /со -0)q/ocSu)9 и крылья спектральной линии, где со < сох и со > ah-
Контур спектральной линии определяется механизмом уширения. Мини-
мальная ширина линии характерна для естественного или радиационного уши-
9
рения, она реализуется при квантовых переходах в изолированном атоме или
молекуле (система неподвижных и невзаимодействующих молекул). В случае
естественного уширеиия спектральные линии имеют лоренцеву форму:
где Г = 5со - полуширина линии, соо - частота, отвечающая максимуму линии.
Типичная величина естественного уширения составляет - Ю7 Гц. На практике,
однако, редко можно наблюдать столь узкие спектральные линии. Обычно ее-
тественное уширение маскируется другими, более сильными механизмами
уширеиия. Одним из них является доплеровский механизм уширения, который
возникает вследствие теплового движения частиц. При доплеровском ушире-
нии возникает гауссов контур спектральной линии:
где Aa>D ~ q)q I—-An 2 - полуширина спектральной линии. Дошгеровское уши-
\тс2
рение примерно на два порядка превышает естественное уширение и составляет
величину ~109 Гц.
Любое взаимодействие атома или молекулы с окружающими частицами
вызывает уширение, сдвиг и асимметрию контура спектральной линии, завися-
щие от сорта возмущающих частиц и характеристик их движения. В твердых
телах структура электронных спектров при обычных условиях сильно размыта
под действием тепловых колебаний атомов кристаллической структуры, и в
большинстве случаев наблюдаются широкие размытые спектральные полосы.
При гелиевой температуре можно наблюдать дискретные спектральные линии,
которые возникают при прямых переходах между экситонными зонами, при
переходах между дискретными уровнями электронов и дырок, локализованных
на дефектах решетки, либо на акцепторных и донорных примесях в гомеопо-
лярных полупроводниках. Помимо колебаний атомов на форму и ширину экси-
тонных линий влияют тип связи в кристалле, его зонная структура и микро-
структура экситонного возбуждения. В сильнолегированных полупроводниках
ширина линии может зависеть от степени легирования. Дискретные линии на-
блюдаютсяи при комнатной температуре в поглощении и люминесценции кри-
сталлов, содержащих ионы переходных металлов (хром, железо, палладий, пла-
тина и др.).
Однородное и неоднородное уширения. Различают однородно и неод-
нородно уширенные спектральные линии. Если вероятность Ртп(<щ) поглоще-
ния или испускания на частоте &о, приводящего к квантовому переходу п->т,
одинакова для всех атомов, находящихся на уровне т, то линию называют од-
нородно уширенной. В противоположном случае имеет место неоднородное
уширение.
Однородное уширение связано с процессами релаксации уровней, по-
скольку эти процессы протекают равновероятно для всех частиц вещества. Од-
нородное уширение предполагает совпадение формы линии всего вещества с
10
формой линии отдельной частицы.. Примерами однородного уширения могут
служить естественное (радиационное) и столкновительное уширения, имеющие
лореицеву форму линии.
Неоднородное уширение может быть обусловлено разными причинами.
Укажем некоторые из них:
1)кинематический эффект (эффект Доплера), когда в резонанс с электро-
магнитной волной вступают лишь атомы, для которых с точностью до естест-
венной ширины выполняется условие kv = о) - (здесь к - волновой вектор
электромагнитной волны, v -скорость атома). Очевидно, что вклад в различных
частях линии (на различных интервалах значений частоты) обусловливают раз-
ные частицы - частицы со скоростями в соответствующих интервалах значений;
2)пространственная неоднородность физических параметров среды (про-
является в твердых телах);
3)взаимное перекрывание нескольких лоренцевых линий. Контур наблю-
даемой линии является в этом случае огибающей контуров отдельных компо-
нентов. Такое перекрывание может иметь место, в частности, при штарковском
расщеплении энергетических уровней во внешнем поле или в поле кристалла.
Диаграмма энергетических уровней молекул
При поглощении молекулой электромагнитного излучения ее энергия
возрастает на величину, равную энергии поглощенного кванта Е, при этом мо-
лекула может переходить с более низких на более высокие энергетические
уровни. Полная энергия молекулы Е складывается из энергии электронного
возбуждения ЕЭЛ, энергии колебания ее ядер ЕКол и энергии вращения молекулы
как целого Евр :
Е—Еэл+Екол+Евр
Из теоретических и экспериментальных оценок известно, что
Еэл > Екол > Евр
При этом в первом приближении энергии Еэл, ЕКОП, Еър можно считать не-
зависимыми друг от друга. Однако при более строгом рассмотрении энергети-
ческих состояний молекул необходимо учитывать возможность развития у них
электронно-колебательного, электронно-вращательного и колебательно-
вращательного взаимодействий.
На рис.2 представлена упрощенная схема энергетических уровней двух-
атомной молекулы. Здесь каждому электронному состоянию (на схеме они обо-
значены символами So и Si) соответствует система колебательных уровней V
и Г, а каждому колебательному подуровню - совокупность близко располо-
женных вращательных состояний / и J Вращательные уровни всех молекул
расположены так тесно, что колебательные уровни на рис. 2 можно было бы
представить в виде сложных полос. Равновесное распределение молекул по ко-
лебательным уровням невозбужденного и возбужденного электронных состоя-
ний описывается формулой Больцмана
ni=noexp(-EiKOjftT)
При низких температурах, когда IsKOjr»£T, подавляющее большинство
молекул будет находиться на нулевых колебательных уровнях электронных со-
11
стояний S0 и S). Поэтому уже при комнатной температуре переходы с поглоще-
Нием света в основном происходят с уровня 0" состояния So (рис. 2). Переходы
между электронно-колебательными уровнями могут сопровождаться не только
поглощением, но и испусканием света. В соответствии с правилом отбора Бора
частоты молекулярных переходов v определяются изменением энергии системы
и равны
Молекулы, попавшие на верхние колебательные уровни любого возбуж-
денного электронного состояния, очень быстро теряют избыток колебательной
энергии и переходят без излучения на его нулевой колебательный уровень.
Этот процесс называется колебательной релак-
сацией. На рис.2 такой переход обозначен вол-
нистой линией. Одновременно с этим может
происходить и внутренняя конверсия - безызлу-
чательный внутримолекулярный переход между
различными электронными состояниями. На
рис.2 этот процесс обозначен пунктирной лини-
ей. Таким образом, в результате поглощения
кванта света молекула в конечном счете оказы-
вается на нижнем колебательном уровне возбуж-
денного состояния S\. Процесс перехода из Si во
второе возбужденное состояние S2 должен иметь
высокую скорость, чтобы успешно конкуриро-
вать с колебательной релаксацией и внутренней
конверсией. Поэтому испускание из высших
электронно-возбужденных состояний наблюда-
ется очень редко. Так как внутренняя конверсия с
низшего колебательного уровня S\ в невозбужденное состояние S0 - медленный
процесс, то открывается возможность возникновения излучательных переходов
из состояния Si (сплошная линия), даже если их скорости относительно неве-
лики.
Рис. 2. Электронные (So, S\),
колебательные (V', V") и вра-
щательные (J\ J") уровни
двухатомной молекулы
Горячая люминесценция и
люминесценция из высших электронных состояний
Процессы колебательной релаксации и внутренней конверсии из высших
электронных состояний молекул протекают за время, малое по сравнению с
временем жизни на первом возбужденном электронном уровне. Поэтому можно
считать, что наблюдаемая люминесценция испускается при переходе из квази-
равновесного первого возбужденного состояния на колебательные уровни ос-
новного состояния.
При более чувствительной экспериментальной технике удается обнару-
живать люминесценцию, обусловленную как переходами из высших электрон-
ных состояний, так и люминесценцию, возникающую до полной колебательной
релаксации в первом возбужденном электронном состоянии. Последняя полу-
чила название «горячая люминесценция».
Впервые она была обнаружена у простых молекул, внедренных в кри-
сталлнческую матрицу. При низкой температуре и достаточно коротковолно-
вом возбуждении наблюдались линии, которые интерпретировались как пере-
ходы с высоких колебательных уровней возбужден-
ного состояния. Из сравнения интенсивности этих
линий с интенсивностью основной люминесценции
были определены времена жизни горячей люминес-
ценции, лежащие в пикосекундном диапазоне.
В дальнейшем горячая люминесценция на-
блюдалась и у сложных органических молекул в
растворах красителей при комнатной температуре.
В этом случае применялся метод двухступенчатого
возбуждения. Схема процессов показана на рис. 3.
Высшее электронное возбужденное состоя-
ние S3 достигается путем поглощения частоты ео} и
перехода S0 - Si и затем поглощения частоты оэ2 и
перехода Si - S3. Из состояния S3 происходит, наряду с излучательным перехо-
дом S3 - So, также безызлучательный переход на высокие колебательные уровни
состояния Si, откуда и испускается горячая люминесценция (рис. 3).
Рис. 3. Двухступенчатое
возбуждение люминесценции
Спектральные закономерности молекулярной люминесценции
Интенсивность спектральных полос зависит от вероятностей электронно-
колебательных переходов молекул и от числа молекул, заселяющих соответст-
вующий исходный электронно-колебательный уровень. За счет наложения ста-
тистических распределений вероятностей переходов (конфигурационного рас-
пределения) и больцмановского распределения молекул по колебательным
уровням (тепловое распределение) полосы поглощения и люминесценции вы-
глядят широкими и бесструктурными.
В принципе форма спектра возбуждения должна быть идентична с фор-
мой спектра поглощения молекул и не зависеть от длины волны, на которой
измеряют флюоресценцию. Однако это выполняется редко, т.к. спектры погло-
щения и возбуждения могут отличаться из-за различия химических и физиче-
ских свойств молекул в возбужденном состоянии по сравнению с основным.
Физической константой, характеризующей люминесцентные молекулы,
является разница длин волн максимумов спектров возбуждения или поглоще-
ния и флюоресценции. Эта константа называется стоксовым сдвигом и характе-
ризует долю энергии возбуждения, которая расходуется молекулой в виде тепла
за время существования ее возбужденного состояния, предшествующего ее пе-
реходу в основное состояние:
где Явозб и ЯфЛ - значения длин волн максимумов спектров возбуждения и
флюоресценции соответственно.
13
Молекулярная люминесценция характеризуется следующими основными
спектральными закономерностями.
1. Независимость спектров люминесценции от длины волны возбуж-
дающего света. Независимость спектров люминесценции от длины волны воз-
буждающего света связана с быстрой колебательной релаксацией, приводящей
к равновесному распределению молекул по подуровням электронного состоя-
ния.
2. Закон Стокса-Ломмеля. Закон Стокса-Ломмеля заключается в том,
что спектр излучения в целом и его максимум сдвинуты по сравнению со спек-
тром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн, т.е.
hv™<hv™
Этот закон оказывается справедливым для большинства люминесцирую-
щих веществ. Закон Стокса-Ломмеля имеет статистический характер и отно-
сится к поглощательным и излучательным свойствам всей совокупности моле-
кул. Образование антистоксовой области спектра люминесценции не противо-
речит закону сохранения энергии. В этом случае колебательная энергия моле-
кул (а невозбужденная молекула всегда обладает определенным запасом коле-
бательной энергии) частично преобразуется в энергию их люминесценции. Это
и вызывает образование больших квантов люминесценции, удовлетворяющих
условию:
hvm >hvnor*
3. Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и люминес-
ценции Левшина. Это правило может быть сформулировано следующим обра-
зом: нормированные спектры поглощения а(у) и люминесценции I(v)/v, пред-
ставленные в виде графиков функций, зеркально симметричны относительно
прямой, проходящей перпендикулярно к оси частот через точку пересечения
обоих спектров (где а и / - показатель поглощения и интенсивность люминес-
ценции на частоте v). Математическая запись правила зеркальной симметрии
имеет вид
Цтогл + Ином —2 Ию,
где v-югл - частота поглощаемого света, vnl0M - симметричная ей частота в спек-
тре люминесценции, vqo - частота линии симметрии, проведенной через точку
пересечения спектров поглощения и люминесценции. Это выражение можно
заменить соотношением:
Чютп - vwm =2( friom - И)0) (9)
Более строгое квантовомеханическое обоснование зеркальной симметрии
спектров было сделано Д.И.Блохинцевым, который показал, что спектры по-
глощения и люминесценции обладающие зеркальной симметрией, необходимо
строить не в координатах oc(v) и I(v)/v, а в координатах a(v)/v и I(v)/v4. Для вы-
полнения правила зеркальной симметрии спектров поглощения и люминесцен-
ции необходимо, чтобы имела место симметрия частот и симметрия интенсив-
ностей соответствующих линий поглощения и люминесценции. Для соблюде-
ния симметрии частот поглощения и люминесценции необходимо, чтобы сис-
темы колебательных уровней были построены одинаково (соблюдалось совпа-
дение распределения молекул по колебательным уровням в верхнем и нижнем
14
электронных состояниях, а также равенство средних запасов колебательной
энергии, определяемых температурой).
4. Универсальное соотношение между спектрами поглощения и лю-
минесценции Степанова. Основным предположением при выводе этого соот-
ношения было то, что за время между актами поглощения и люминесценции
успевает восстановиться равновесное распределение возбужденных молекул по
колебательным уровням их первого возбужденного состояния, определяемого
температурой среды. С учетом этого Б.И.Степановым было получено универ-
сальное соотношение между спектрами поглощения и люминесценции:
где Iv - мощность люминесценции на частоте v, av - коэффициент поглощения
по частоте v, D(T) - постоянная, зависящая от температуры T, к - постоянная
Больцмана, h - постоянная Планка.
Логарифмируя выражение, универсальное соотношение между спектрами
поглощения и люминесценции можно представить в более удобном для экспе-
риментальной проверки виде:
Из выражения видно, что при выполнении универсального соотношения
его правая часть должна быть линейной функцией частоты.
5. Выход люминесценции. Фотолюминесценция возникает за счет энер-
гии поглощаемого света. Однако лишь часть энергии превращается в энергию
люминесценции. Эффективность этого процесса принято характеризовать вы-
ходом люминесценции. Различают энергетический и квантовый выходы люми-
несценции. Энергетическим выходом люминесценции называют отношение
энергии, испускаемой в виде люминесценции Еп, к энергии поглощенного воз-
буждаемого света Еп:
ВЗИ=Е„/Еп (12)
Квантовым выходом люминесценции называют отношение числа испу-
щенных квантов люминесценции Ал к числу поглощенных квантов возбуж-
дающего света Nn:
BKB=Nn/Nn (13)
Легко установить соотношение между этими двумя величинами. Дейст-
вительно, т.к. энергия кванта равна hv, для Вэ„ можно записать:
Bw=(Nn/NJ(hvB/hvJ=BKB(vJvn) , (14)
где йя и уп - средние эффективные частоты излучаемого и поглощаемого света,
h постоянная Планка. Так как va >vn, ВЭН<ВКВ,
Выход люминесценции определяется соотношением вероятностей излу-
чательных и безызлучательных квантовых переходов в люминесцирующей мо-
лекуле и зависит как от её параметров, так и от её взаимодействия с окружаю-
щими молекулами. При повышении концентрации люминесцирующих молекул
повышается вероятность безызлучательной релаксации энергии при взаимодей-
ствии двух молекул (концентрационное тушение люминесценции). Так же мо-
15
жет происходить безызлучательной релаксации энергии на некоторых примесях
(примером таких тушителей люминесценции являются ионы иода и соли неко-
торых металлов). Этот процесс называется примесным тушением. Возрастание
вероятности безызлучательных переходов с ростом температуры определяет
эффект температурного тушения люминесценции. Все эффекты тушения, уве-
личивая вероятность безызлучательных переходов, уменьшают время жизни
возбужденного состояния. Поэтому в большинстве случаев зависимость выхода
люминесценции от различных параметров аналогична зависимости времени за-
тухания люминесценции от этих параметров. О тушении люминесценции см.
ниже.
В случае малой вероятности безызлучательных переходов выход люми-
несценции близок к единице, а время затухания люминесценции близко к ра-
диационному. Высоким выходом может обладать фотолюминесценция паров,
растворов некоторых красителей, молекулярных кристаллов, примесных цен-
тров в кристаллах. При большом стоксовом сдвиге (разности энергии погло-
щенного и испущенного фотонов) люминесценции даже при квантовом выходе,
близком к единице, энергетический выход меньше единицы.
6. Закон СИ. Вавилова. СИ. Вавилов показал, что энергетический выход
люминесценции растворов органических веществ может достигать значения 0,8.
В этом случае величина квантового выхода люминесценции близка к единице.
Таким образом, часть энергии возбуждения практически всегда расходуется на
развитие безызлучательных переходов. Чем выше величина В, тем эффективнее
флюоресцентные свойства вещества. У нелюминесцирующих молекул квантовая
эффективность флюоресценции либо равна, либо близка к нулю. С.И.Вавилов
установил зависимость энергетического выхода люминесценции от длины воз-
буждающего света, в соответствии с которой энергетический выход люминес-
ценции первоначально растет пропорционально длине волны возбуждающего
света, затем в некотором интервале длин волн остается постоянным, после чего
резко падает. Эта зависимость имеет общий характер и получила название зако-
на Вавилова. Согласно этому закону, для каждого вещества характерна некото-
рая предельная длина волны Яоо (соответствующая частоте О-0-прехода), за кото-
рой наблюдается падение выхода люминесценции. В области длин волн возбуж-
дающего света, где наблюдается линейная зависимость Вэн от Яво3б , квантовый
выход люминесценции должен быть постоянной величиной. Действительно,
пусть на этом участке спектра ВЭ„ = аАаозб» тогда с учетом (14)
■--*эн = a^-возб — -^кв V- /Уадзб ~~ Вкв^возб /Ал, (15)
откуда
Вкв = аХл --const (16)
Следовательно, во веем спектральном интервале, где энергетический вы-
ход люминесценции пропорционален длине возбуждения, квантовый выход
свечения сохраняет постоянное значение. Следует отметить, что постоянство
квантового выхода люминесценции характерно для стоксовской части спектра.
При переходе в антистоксовскую область квантовый выход наблюдаемой лю-
минесценции быстро уменьшается (рис. 4).
Физический смысл закона Вавилова состоит в том, что в кванты люми-
несценции в данном веществе преобразуется всегда определенная доля погло-
16
щенных квантов возбуждающего света независимо от их величины. В предель-
ном случае квантового выхода, равного единице, из одного кванта возбужде-
ния получается один квант люминесценции. Вавилов отмечал, что при переходе
к большим частотам этот закон должен нарушаться, и из одного кванта возбу-
ждения может возникать два и больше квантов люминесценции. У некоторых
веществ это наблюдается уже при возбуждении коротковолновым ультрафио-
летовым возбуждением («умножение фотонов»). Квантовый выход рентгено-
люминесценции достигает нескольких тысяч, хотя энергетический выход всего
порядка 5-20%.
Рис. 4: а) зависимость Вм от Яво3б раствора флуоресцеина в воде (3), кривая 1 - спектр по-
глощения, кривая 2 - спектр флуоресценции этого раствора; б) зависимость В^ от ЛВОЗб
раствора флуоресцеина в воде.
У многих люминесцирующих веществ с перекрывающимися спектрами
поглощения и люминесценции имеется антистоксова часть спектра люминес-
ценции, в которой излучаемые кванты люминесценции больше, чем возбуж-
дающие. Если квантовый выход близок к единице и сохраняется его постоян-
ство в этой области возбуждения, то это значит, что энергетический выход в
антистоксовой области больше единицы. Л.Д.Ландау показал, что термодина-
мика не запрещает возможности энергетического выхода люминесценции
больше единицы, но накладывает ограничение на интенсивность или, точнее,
спектральную плотность яркости люминесценции.
Длительные процессы свечения
Время между актом поглощения кванта возбуждающего света и излуче-
нием флуоресценции составляет ~Ю"7-10"10 с. Вместе с тем при определенных
условиях (вязкие растворы, низкие температуры) возникает новое свечение, ко-
торое, в отличие от флуоресценции, высвечивается за время -104-10"2 с.
Первая попытка теоретического описания процессов длительного свечения
была предпринята Яблонским. Согласно предложенной им схеме, предполага-
лось, что кроме основного и возбуждающего состояний у молекул существует и
третье, метастабильное, так называемое Р-состояние. Впервые представление о
17
триплетной природе метастабильных уровней было выдвинуто Льюисом и
А.Н.Терениным. Следует отметить, что в своей работе Льюис склонялся к гипо-
тезе триплетного состояния, но исходил при этом лишь из химических представ-
лений, а не из анализа электронного строения молекул. Теренин же указал на
главное обстоятельство - возможность неодинакового направления спинов на
различных молекулярных орбиталях. Тот факт, что электрон, возбужденный на
верхнюю орбиталь, может иметь два различных направления спина, означает,
что в результате каждого электронного перехода получаются в принципе два
разных возбужденных состояния — синглетное и триплетное. Поэтому следует
перестроить прежнюю схему энергетических уровней, добавив к каждому воз-
бужденному уровню по одному триплетному, за исключением синглетного ос-
новного состояния, которому соответствует пара электронов, занимающих одну
и ту же орбиталь и имеющих поэтому противоположно направленные спины.
Рис.5. Схема энергетических уровней синглетных и триплетных состояний молекул и пере-
ходов между ними
На основе указанных представлений была построена схема энергетиче-
ских уровней и переходов между ними, получившая название схемы Теренина-
Льюиса, которая дает возможность полностью разобраться в природе как крат-
ковременного, так и длительного свечения сложных молекулярных систем, по-
зволяя дать количественное описание этих процессов. Из этой схемы, пред-
ставленной на Рис.5, видно, что у каждой молекулы одновременно существуют
две системы электронных уровней: синглетных S и триплетных Г, При этом
между этими уровнями могут происходить излучательные и безызлучательные
18
переходы. Излучательные переходы (на схеме они обозначены сплошными
стрелками) осуществляются между состояниями одинаковой мультиплетности
(синглет-синглетные и триплет-триплетные переходы). Безызлучательные про-
цессы происходят без поглощения или испускания света — избыток энергии при
таких процессах переходит в тепло.
Существуют два типа безызлучательных переходов. Первый - внутримо-
лекулярный безызлучательный переход между различными электронными со-
стояниями одной мультиплетности: синглет-синглетный (например, S\~ *S0)
и триплет-триплегаый (например, T2 >Т\). Такие переходы называются
внутренней конверсией. Второй тип безызлучательные переходов - это перехо-
ды между синглетными и триплетными состояниями St™~—>Tj и
Ti »5о.Такие процессы носят название интеркомбинационной конверсии.
Безызлучательные переходы на схеме обозначены волнистыми стрелками. В
прямоугольниках около соответствующих энергетических уровней представле-
ны конфигурации молекулярных орбиталей и направления спинов двух высших
электронов молекулы.
При возбуждении молекулы вещества первоначально переходят на раз-
личные возбужденные синглетные уровни, после чего получают развитие про-
цессы дезактивации. Рассмотрим в качестве примера дезактивацию молекулы,
оказавшейся в результате возбуждения на уровне Si. Такая молекула может по-
терять свою энергию путем следующих фотофизических процессов:
процесс константа скорости
hv0+ S0—►Si (возбуждение) Ib036
Si ►So + тепло (внутренняя конверсия) кък [Si]
Si >Ti + тепло (интеркомбинационная конверсия) • [Sj]
Ti ►So + тепло (интеркомбинационная конверсия) кт [Т\]
Тх —>S0 + Ауфос (фосфоресценция) кфос [ Тх ]
Si—►So+ Ауфл (флуоресценция) £фл [Si],
где [S!] и [Tj] - концентрация молекул в возбужденном синглетном и в первом
триплетном состояниях соответственно.
По сравнению с процессом флуоресценции (тфл =Ю"9 с) и фосфоресцен-
ции (ТфосйАО"4 - Ю'2с) внутренняя конверсия успевает завершиться значительно
быстрее (за время ~10"10 - 10~13 с). Колебательная релаксация синглетных и три-
плетных уровней происходит за время ~Ю'13с. Так как переход Sj ► Tj
происходит между состояниями, близкими по энергии, то скорость интерком-
бинационной конверсии должна бы быть сравнимой со скоростью внутренней
конверсии. Однако за счет запрета этого перехода по спину его скорость оказы-
вается ~10"7 с Следовательно, эти переходы могут с успехом конкурировать с
процессами флуоресценции. Вероятность внутренней конверсии Si ► So в
жестких средах мала, и в большинстве случаев ее можно не учитывать. Интер-
комбинационная конверсия Ti ► So имеет продолжительность ~ Ю"2 — 102 с
и может конкурировать с процессом фосфоресценции.
Таким образом, два излучательных процесса - флуоресценция и фосфо-
ресценция - отличаются не только длительностью испускания, но и энергией
19
уровня, с которого происходит излучение. Однако существует еще один вид
свечения, который спектрально расположен в области флуоресценции, но имеет
длительность, характерную для фосфоресценции. В отличие от обычной, быст-
рой флюоресценции ее называют замедленной флуоресценцией, поскольку, пе-
ред тем как испустить квант света, молекула некоторое время находится в три-
плетном состоянии. В соответствии с представлениями, развитыми Паркером,
существуют два вида замедленной флуоресценции (ЗФ): тип Е (наблюдается у
соединений типа эозина) и тип Р (впервые зарегистрированная для пирена), ко-
торые различаются механизмом перехода молекул из состояния Т{ в состояние Sj.
Законы затухания люминесценции
Длительность люминесценции, а точнее кинетические кривые ее нараста-
ния и затухания после включения и выключения возбуждения - важнейшие ха-
рактеристики люминесценции. Именно кинетика люминесценции дает возмож-
ность судить о тех процессах, которые происходят между поглощением энергии
возбуждения и испусканием люминесценции. В простейших случаях эти про-
межуточные процессы (например, процессы релаксации) происходят очень бы-
стро и кинетика люминесценции определяется вероятностями излучательных и
безызлучательных переходов из возбужденного в невозбужденное состояние. В
более сложных случаях, когда испусканию люминесценции предшествуют про-
цессы переноса энергии или захват носителей заряда на ловушках или переход
в метастабильное состояние, кинетика люминесценции может быть более
сложной.
Простейшая кинетика люминесценции - экспоненциальное затухание по-
сле выключения возбуждения
KtH^ (17)
Время г называется средней длительностью возбужденного состояния или
просто длительностью возбужденного состояния. Она равна среднему времени
пребывания молекул в возбужденном состоянии и обратно пропорциональна
вероятности излучательного перехода: т = I/A, где А - полная вероятность
спонтанных переходов с верхнего электронного уровня на все колебательные
уровни основного состояния. Такое затухание наблюдается в тех случаях, когда
вероятность безызлучательных переходов не зависит от времени, прошедшего
после возбуждения, и отсутствуют нелинейные зависимости. Только в этом
случае имеет место одинаковое экспоненциальное затухание как после корот-
кого импульса возбуждения (^-возбуждение), так и после выключения стацио-
нарного возбуждения.
Поляризация люминесценции
Выше предполагалось, что люминесценция неполяризована. На самом
деле во многих случаях люминесценция имеет частичную линейную поляриза-
цию, в некоторых случаях частичную эллиптическую. Здесь будем рассматри-
вать только частичную линейную поляризацию. Она характеризуется величи-
ной Р, называемой степенью поляризации
20
где Imax и 7min - максимальная и минимальная интенсивности, наблюдаемые при
вращении анализатора около оси, совпадающей с линией наблюдения. При та-
ком определении степень поляризации всегда положительна. Однако для коли-
чественной оценки поляризованной люминесценции целесообразно другое оп-
ределение степени поляризации люминесценции:
где In и Ji - интенсивности, измеренные при установке анализатора параллельно
и перпендикулярно электрическому вектору возбуждающего излучения. При
таком определении может быть Р<0, что и наблюдается в определенных случа-
ях. Люминесценция может быть поляризованной и при возбуждении неполяри-
зованным светом. В этом случае направление пропускания анализатора, при ко-
тором измеряется /у, выбирается перпендикулярным плоскости, в которой ле-
жат линии возбуждения и наблюдения. Наибольшая поляризация наблюдается,
если эти линии перпендикулярны. Если они совпадают, то поляризованная лю-
минесценция при неполяризованном возбуждении («спонтанная поляризация»)
может наблюдаться только в анизотропных веществах и тогда следует вернуть-
ся к определению степени поляризации по формуле (18), так как направления, в
которых наблюдается Imax и /min, будут связаны с выделенными направлениями
в анизотропном веществе.
Впервые вопросы, связанные с теорией поляризованной люминесценции,
были рассмотрены в работе С.И.Вавилова и В.Л.Левшина. Они предложили
описывать особенности этого явления с помощью модели анизотропных осцил-
ляторов. При этом отмечалось, что на поляризацию свечения могут влиять как
внешние факторы, так и внутренние свойства самих люминесцирующих моле-
кул. С этой точки зрения более корректно было бы описывать поляризацию
люминесценции с помощью частично анизотропных осцилляторов. Однако
В.Л.Левшиным было показано, что такое усложнение является излишним, по-
скольку модель анизотропных осцилляторов позволила описать все основные
закономерности поляризованной люминесценции растворов сложных органи-
ческих молекул.
Степень поляризации люминесценции зависит от частоты возбуждения и
испускания люминесценции (vB036 и v„a6n). Зависимость Р(увозб) при фиксирован-
ной частоте наблюдения (чаще всего наблюдение проводится в максимуме
спектра люминесценции) была названа С.И.Вавиловым поляризационным спек-
тром, иногда ее называют поляризационным спектром возбуждения. Зависи-
мость Р(унабл) при фиксированной vb036 называется поляризационным спектром
испускания.
П.П.Феофилов установил связь между поляризационными спектрами и
электронными спектрами поглощения люминесцирующих веществ и показал,
что поляризационные спектры могут с успехом применяться для исследования
свойств молекулярных систем. С их помощью может быть установлено относи-
тельное расположение осцилляторов поглощения и люминесценции в молекуле.
21
Затем с их помощью можно установить абсолютную ориентацию поглощаю-
щих осцилляторов относительно осей молекул, которая связана с цветностью
органических соединений. Третье применение поляризационных спектров свя-
зано с исследованием изменений в химическом составе молекул люминесци-
рующих веществ.
Виды тушения молекулярной люминесценции
Внутри- и межмолекулярные взаимодействия обычно приводят к умень-
шению выхода люминесценции исследуемых веществ, т.е. сопровождаются
тушением свечения. Известны разные процессы тушения люминесценции, при-
рода которых существенно различается. Так, тушение может происходить в ре-
зультате повышения температуры (температурное тушение), при добавлении
различных примесей (тушение посторонними примесями), в частности кисло-
рода (тушение кислородом) и электролитов (тушение электролитами). Введение
люминесцирующих веществ в некоторые среды также может сопровождаться
уменьшением выхода свечения (тушение растворителем). Резкое снижение вы-
хода люминесценции часто происходит и при увеличении концентрации веще-
ства (концентрационное тушение).
Энергия, излучаемая люминесцентным веществом, всегда меньше по-
глощенной энергии. Это имеет место даже в тех случаях, когда квантовый вы-
ход свечения равен единице, т.е. если каждому поглощенному кванту соответ-
ствует квант люминесценции.
Иной характер имеют потери энергии возбуждения, вызванные полным
переходом некоторой части возбуждающих квантов в тепло. Такие потери мо-
гут быть результатом процессов, получающих развитие как в самом центре све-
чения, поглотившем энергию возбуждения, так и в результате его взаимодейст-
вия с другими центрами. В первом случае тушение люминесценции называется
внутренним, во втором - внешним.
Для практического использования очень важна и удобна несколько иная
классификация процессов тушения, предложенная С.И.Вавиловым. Согласно
этой классификации, все виды тушения делятся на тушения первого и второго
рода.
Тушением первого рода названы процессы, в которых выход люминес-
ценции уменьшается при химических или физико-химических воздействиях на
невозбужденные молекулы вещества. В этом случае энергия поглощенного све-
та расходуется не на перевод молекул из невозбужденного в возбужденное со-
стояние, а на их ионизацию, диссоциацию или на возрастание их колебательно-
го и вращательного движения. Такие процессы успевают произойти за время,
соизмеримое со временем собственных колебаний молекул (Ю*13-Ю"14 с).
Тушением второго рода считаются процессы, в которых выход люминес-
ценции уменьшается при воздействии на возбужденные молекулы вещества.
Происходящая при этом безызлучательная дезактивация возбужденных моле-
кул развивается либо вследствие передачи энергии от возбужденных молекул к
невозбужденным, либо благодаря переходу энергии возбуждения в энергию ко-
22
лебаний ядер, либо из-за развития химических реакций с участием возбужден-
ных молекул.
При тушении люминесценции первого рода средняя длительность возбу-
жденного состояния молекул г не изменяется, так как в возбужденное состоя-
ние переходят лишь те из них, которые избежали внешних воздействий; при
тушении второго рода г, естественно, не может оставаться постоянным. По
этому признаку всегда можно установить природу исследуемого тушения.
При экспоненциальном законе затухания люминесценции и экспоненци-
альном ходе ее тушения выполняется соотношение между выходом свечения и
средней длительностью возбужденного состояния исследуемых молекул.
На опыте действительно в ряде случаев наблюдается пропорциональная
зависимость между выходом люминесценции и т.
Температурное тушение люминесценции
Повышение температуры обычно сопровождается заметным уменьшени-
ем выхода свечения. В той или иной степени температурное тушение наблюда-
ется у всех люминесцентных веществ. У одних веществ свечение полностью
прекращается уже при температуре -Ю0°С, другие продолжают еще слабо све-
титься даже при 400°С. МД.Галаниным было установлено, что в широком ин-
тервале температур происходит пропорциональное уменьшение не только вы-
хода люминесценции, но и средней длительности возбужденного состояния т.
Следовательно, температурное тушение люминесценции есть тушение второго
рода.
При повышении температуры значительно увеличивается колебательная
энергия молекул. Вследствие этого ослабляются внутримолекулярные связи,
что в конечном итоге может привести к диссоциации молекул или их переходу
в другую модификацию. В этих случаях получают развитие безызлучательные
переходы и связанное с ними тушение люминесценции, а также уменьшается т.
Развитие безызлучательных переходов во многом зависит от формы и
взаимного расположения потенциальных кривых, характеризующих невозбуж-
денное и возбужденное состояние молекул. А.Н.Теренин и П.П.Феофилов пока-
зали, что форма потенциальных кривых может существенно изменяться при
сильных воздействиях на молекулы, приводящих к деформации их молекуляр-
ного скелета. Так, при повышении температуры сильно увеличиваются колеба-
тельные и вращательные движения молекул, при этом в ряде случаев становят-
ся возможными повороты одних их частей относительно других. В жидких рас-
творах повороты частей молекул осуществляются беспрепятственно и темпера-
турное тушение получает сильное развитие, часто приводящее к полной утрате
веществом люминесцентной способности.
Влияние молекулярной ассоциации на оптические свойства люминесци-
рующих веществ
Увеличение концентрации раствора люминесцирующего вещества обыч-
но сопровождается развитием межмолекулярного взаимодействия, часто при-
водящего к ассоциации молекул и образованию агрегатов различной сложно-
сти, что особенно характерно для растворов красителей. О появлении ассоции-
23
рованных молекул прежде всего можно судить по деформациям видимой элек-
тронной полосы поглощения красителя. Характер этих изменений состоит в
том, что спектр поглощения практически не изменяется в области малых кон-
центраций, где образования ассоциированных молекул еще не происходит. При
возрастании концентрации наблюдается быстрое снижение максимума погло-
щения в области длинных волн, принадлежащего мономерам, и одновременно
появление и нарастание нового максимума в коротковолновой части спектра,
характеризующего образование ассоциатов (димеров). При этом все спектры
поглощения пересекаются в одной точке, называемой изобестической.
Наличие изобестической точки означает, что исследуемый раствор пред-
ставляет собой бинарную смесь мономеров и ассоциатов одного вида (в про-
стейшем случае димеров), каждый из которых обладает собственным спектром
поглощения.
В большинстве случаев образование ассоциатов вызывает уменьшение
выхода свечения раствора при сохранении формы его спектра люминесценции.
Это указывает на то, что, как правило, при объединении в ассоциаты молекулы
утрачивают свою люминесцентную способность. Однако возможно и образова-
ние люминесцирующих ассоциатов красителей.
Концентрационная деполяризация и концентрационное тушение люми-
несценции
В.Л.Левшиным и другими авторами было показано, что в вязких раство-
рителях при достаточно низких концентрациях (ЕЮ"6 г/мл) наблюдается
уменьшение поляризации свечения растворов - возникает концентрационная
деполяризация их люминесценции. Была установлена эмпирическая зависи-
мость между поляризацией свечения Г, концентрацией С и средней длительно-
стью возбужденного состояния молекул г
l/P=l/Po+Act, (20)
где Го ~ предельная поляризация (поляризация раствора При его вязкости
г| —> оо ); А - постоянная.
При более значительных концентрациях (>5 АО"5 г/мл) обычно начинает
уменьшаться и выход свечения - развивается концентрационное тушение лю-
минесценции. С.И.Вавилов установил, что в широком интервале концентраций
этот вид тушения люминесценции описывается соотношением:
9=р0ехр[-к(С-С0)]9 (21)
где ф - выход свечения при концентрации С0; <ро ~ выход свечения при С—>0; к
- постоянная; С0 - пороговая концентрация, по достижении которой развивает-
ся концентрационное тушение.
При очень больших концентрациях соотношение (21) нарушается и ту-
шение протекает несколько медленнее.
Концентрационное тушение обнаруживается не у всех соединений. Для
веществ, спектры поглощения и люминесценции которых не накладываются
друг на друга, тушение не наблюдается в весьма широком интервале концен-
траций их растворов.
Важно отметить, что концентрационное тушение люминесценции, как
правило, интенсивно развивается у веществ, растворенных в воде, и очень сла-
24
бо выражено в растворах спиртов и других органических растворителей. При
этом оно мало зависит от вязкости среды.
При дальнейшем увеличении концентрации помимо концентрационной
деполяризации и концентрационного тушения уменьшается и средняя длитель-
ностъ возбужденного состояния молекул растворенного вещества.
При объяснении концентрационных эффектов следует иметь в виду, что
при сильном сближении молекул между ними может возникать, по крайней ме-
ре, два вида статистического взаимодействия - взаимодействие при образова-
нии ассоциированных молекул и индукциоино-резонансная связь.
Ж. Перрен впервые указал на возможность передачи (миграции) энергии
возбуждения индукционным путем от возбужденной молекулы к невозбужден-
ной. Позднее эта идея была развита в работах С.И.Вавилова, Т.Ферстера,
М.Д.Галанина и Д.Декстера. Согласно этим представлениям, между любыми
соседними молекулами, при наличии перекрытия их спектров поглощения и
люминесценции, может возникать резонансное взаимодействие, приводящее к
безызлучательной миграции энергии возбуждения между ними. Этот процесс
развивается при сближении возбужденной и невозбужденной молекул на рас-
стояния, соизмеримые с длиной волны излучаемого света.
Явления концентрационной деполяризации и концентрационного туше-
ния свечения тесно связаны между собой, они происходят за период возбуж-
денного состояния т. При этом резонансная связь между соседними молекулами
будет тем большей, чем значительнее степень перекрытия их спектров погло-
щения и люминесценции. Была найдена зависимость между вероятностью пе-
редачи энергии возбуждения и оптическими характеристиками исследуемых
молекул (их спектрами поглощения и люминесценции).
Если представить молекулу как анизотропный осциллятор, излучающий
поляризационный свет, и учесть, что в растворе молекулы расположены хао-
тично, то резонансная миграция энергии должна сопровождаться деполяриза-
цией их свечения. Этот процесс усиливается при уменьшении расстояния меж-
ду молекулами и приводит к развитию концентрационной деполяризации лю-
минесценции.
В тех случаях, когда перенос энергии сопровождается безызлучательны-
ми переходами, возникает тушение люминесценции. При этом наибольшую ве-
роятность быть потушенными имеют наиболее долго пребывающие в возбуж-
денном состоянии молекулы. Постепенная убыль таких долгоживущих молекул
приводит к уменьшению средней длительности возбужденного состояния всей
совокупности молекул вещества и, следовательно, к уменьшению значения т с
ростом концентрации раствора. Таким образом, концентрационная деполяриза-
ция люминесценции и концентрационная зависимость хорошо объясняются
резонансным взаимодействием молекул.
Для объяснения концентрационного тушения Ф.Перрен выдвинул идею о
том, что оно может возникать в результате миграции энергии от возбужденных
мономеров на нелюминисцирующие ассоциаты вещества. В дальнейшем эти
представления получили развитие в работах В.Л.Левшина, Было показано, что в
растворах, где ассоциация происходит уже при малых концентрациях, количе-
ство нелюминесцирующих ассоциатов очень велико. Они неактивно поглоща-
25
ют значительную долю возбуждающего света и тем самым ослабляют интен-
сивность люминесценции молекул, находящихся в мономерном состоянии. По-
мимо этого, выход свечения должен снижаться из-за миграции энергии от воз-
бужденных мономеров на нелюмииесцирующие ассоциаты. В работах
В.Л.Левшина были предложены методы, позволяющие проводить количествен-
ное разделение этих двух видов неконцентрационного тушения люминесцен-
ции.
Тушение люминесценции посторонними примесями
Тушение люминесценции посторонними примесями наблюдается у газов,
жидкостей и твердых веществ. Тушителями могут быть различные вещества,
как неокрашенные (не имеющие заметной полосы поглощения в видимой об-
ласти), так и окрашенные (обладающие интенсивной полосой поглощения).
Следует отметить, что механизм их взаимодействия с люминесцирующим ве-
ществом неодинаков.
Кинетика тушения люминесценции газов посторонними веществами ха-
рактеризуется формулой Штерна-Фольмера, которая удовлетворительно опи-
сывает этот процесс и для не очень концентрированных растворов красителей
<p/<p0 = l+KgC, (22)
где Kg- константа тушения; С - концентрация тушителя.
Для концентрированных растворов эта формула, как правило, не выпол-
няется. С.И.Вавиловым, ИМФранком и Б.Я.Свешниковым получено соотно-
шение, связывающее относительный выход свечения раствора <р /<р0 с концен-
трацией тушителя С, температурой T и текучестью растворителя 1/rj , которое
имеет вид:
где г] и Г2 - радиусы сталкивающихся молекул основного вещества и тушителя;
S - поправочный множитель, зависящий от Д т0 , С, (ri+r-^ и коэффициента
диффузии. Полученная формула хорошо описывает зависимость выхода свече-
ния от концентрации тушителя. Эти представления позволяют понять кинетику
процессов тушения для неокрашенных тушителей.
Тушение люминесценции посторонними окрашенными веществами с
точки зрения СИ.Вавилова и М.Д.Галанина может возникать из-за резонансной
миграции энергии возбуждения между любыми молекулами, находящимися на
достаточно близком расстоянии друг от друга. Необходимым условием резо-
нансного взаимодействия является наложение спектра люминесценции возбуж-
денной молекулы и спектра поглощения молекулы-тушителя. Чем значительнее
это наложение, тем сильнее должно проявляться резонансное взаимодействие.
В тех случаях, когда посторонние молекулы не обладают люминесцентными
свойствами, вся полученная ими энергия возбуждения будет превращаться в
тепло. Это должно приводить к тушению люминесценции. Вследствие того, что
такие взаимодействия происходят между молекулами тушителя и возбужден-
ными молекулами (тушение второго рода), то они должны сопровождаться од-
новременно с тушением и уменьшением т.
26
Сенсибилизированная флуоресценция и фосфоресценция
Приближение невозбужденной нелюминесцирующей молекулы-
акцептора энергии возбуждения А к возбужденной в результате поглощения
кванта света hv* молекуле-донору Д* приводит к развитию тушения примеся-
ми. Однако посторонняя молекула А сама может обладать люминесцентной
способностью. При этом если ее электронный уровень расположен на одной
высоте или ниже уровня молекулы Д* то в результате резонансной передачи
энергии возбуждения молекула А переходит в возбужденное состояние А*, ко-
торое затем дезактивируется путем пропускания кванта флюоресценции hv^.
Этот процесс проходит по следующей схеме:
Д+/,кпД—>Д* ;Д*+А—>Д+А*;А*—>А+/»^
Из этой схемы видно, что возбуждающие кванты hv*соответствуют по-
лосе поглощения молекулы Д а кванты флуоресценции hv^излучаются моле-
кулой А. Последняя переходит в возбужденное состояние А * не обычным спо-
собом, т.е. не при непосредственном поглощении квантов возбуждающего света
ЛпД, а за счет переданной ей резонансным путем энергии молекулы Д* При
этом происходит тушение собственной флуоресценции молекулы Д*. Возни-
кающая в этом случае люминесценция молекулы А носит название сенсибили-
зированной флуоресценции.
Явления сенсибилизированной флуоресценции
растворов ряда красителей исследованы в работах
Т.Фёрстера и М.Д.Галанина, которые показали, что
для объяснения этого явления полностью применимы
все положения теории резонансной миграции энергии
возбуждения.
Для возникновения сенсибилизированной
флуоресценции необходимо, чтобы спектр люминес-
ценции молекул Д перекрывался спектром поглоще-
ния молекул А. Лишь при этом условии возможна ре-
зонансная передача энергии возбуждения от молекул
Д к молекулам А.
Резонансная передача энергии возбуждения
возможна не только от возбужденных молекул доно-
ра, находящихся на возбужденных синглетных уров-
нях. Аналогичный процесс удается наблюдать и у
молекул, длительное время пребывающих на возбуж-
денном триплетном уровне, что достигается, напри-
мер, при значительном охлаждении веществ. Если в
сильно охлажденный раствор добавить второй ком-
понент в концентрации -Ю'МО"1 моль/л (который будет играть роль акцептора
А энергии возбуждения), то между молекулами Д и А начнет осуществляться
резонансная передача энергии возбуждения, приводящая к возникновению но-
вого длительного свечения молекул акцептора А. Это свечение получило на-
Рис. б. Схема невозбуж-
денных и возбужденных
синглетных S# S4, S*& S**
и триплетных Тд, Та элек-
тронных уровней молекул
донора Д и акцептора А
энергии возбуждения и пе-
реходов между ними, пояс-
няющая возникновение сен-
сибилизированной фосфо-
ресиениии
27
звание сенсибилизированной фосфоресценции. Оно было открыто
А.Н.Терениным и В.Л.Ермолаевым.
Сущность сенсибилизированной фосфоресценции можно понять, если
рассмотреть схему взаимного расположения электронных уровней молекул до-
норов Д и акцепторов А и возможных переходов между ними (рис. 6). При на-
личии в растворе только молекул Д процесс возникновения обычной фосфорес-
ценции развивается по схеме:
Д+Аи'-Д* ► Дг; ДГ—>Д+Л^
Из этой схемы видно, что молекулы Д, поглощая кванты возбуждающего
света, h v%, переходят с невозбужденного 5Д на возбужденный синглетный уро-
вень S*jx (в состояние Д*), откуда при определенных условиях они могут по-
пасть на триплетный уровень Тд (состояние Д7). При излучательной дезактива-
ции триплетного уровня Тд молекулы снова возвращаются на невозбужденный
уровень 5д (в состояние Д), излучая кванты фосфоресценции h v*^.
По-иному дезактивация развивается в том случае, если в замороженном
растворе находятся молекулы акцептора энергии возбуждения А, которые об-
ладают триплетными уровнями ТА, расположенными ниже триплетных уровней
Т молекул-доноров Д. Существенно также, чтобы их возбужденный синглетный
уровень 5*д был расположен выше возбужденного синглетного уровня донор-
ных молекул.
При таких условиях появляется возможность осуществлять возбуждение
только молекул доноров, не затрагивая молекулы акцептора. В этом случае де-
зактивация молекул донора, попавшие на уровни Тд, происходит по схеме:
Д7+А—>Д+АГ; Аг—А+/г<
Следовательно, при наличи рядом с молекулами донора молекул акцептора мо-
лекулы донора Д могут переходить со своего триплетного уровня Тд на три-
плетный уровень молекул акцептора ТА. Из этого триплетного состояния моле-
кулы акцептора возвращаются в невозбужденное состояние Sa, излучая кванты
сенсибилизированной люминесценции hv^., В результате наблюдается туше-
ние фосфоресценции молекул донора и возникновение сенсибилизированной
фосфоресценции молекул акцептора, которые непосредственно не поглощали
возбуждающих квантов, а получили энергию возбуждения резонансным путем
от молекул донора.
Общая характеристика качественного и количественного
люминесцентного анализа
Задачей люминесцентного анализа является определение химического со-
става и структуры веществ на основании результатов изучения их люминес-
центных характеристик. Люминесцентные методы приобрели особое значение
для контроля за получением особо чистых веществ, наличие в которых даже
следов примесей резко отражается на их свойствах. Эти методы нашли приме-
нение при производстве полупроводниковых материалов, кристаллофосфоров,
сцинцилляторов.
28
В природе имеется очень большое количество веществ, обладающих лю-
минесценцией. Кроме того, многие нелюминесцирующие вещества удается пе-
ревести в люминесцентное состояние, выдерживая их в особых условиях или
заставляя взаимодействовать со специально подобранными реагентами. Это де-
лает люминесценцию достаточно общим свойством химического вещества. По
спектрам люминесценции можно установить наличие того или иного соедине-
ния в исследуемой пробе, т.е. провести качественный люминесцентный анализ.
Достаточно четкими и характерными спектрами люминесценции облада-
ют лишь немногие вещества. К ним можно отнести соединения лантаноидов,
уранила, порфирины, бензопирены и др. Чаще всего сложные органические мо-
лекулы и их комплексы с металлами имеют широкие малохарактерные размы-
тые полосы люминесценции, как правило, лишенные четко выраженной коле-
бательной структуры. При наличии в пробе несколько люминесцирующих ком-
понентов эти полосы к тому же еще перекрываются между собой. Поэтому
обычно проводят предварительно отделение мешающих компонентов осажде-
нием, экстракцией, а также методами обычной и люминесцентной хроматогра-
фии. Последняя представляет собой разновидность хроматографического ме-
тода разделения смеси веществ на отдельные компоненты, которые обладают
люминесценцией или их переводят в. люминесцирующие соединения.
Люминесцентный анализ позволяет успешно решать и более сложную за-
дачу - устанавливать количественное содержание отдельных компонентов ана-
лизируемого объекта. Количественный химический люминесцентный анализ
базируется на определенной зависимости между яркостью наблюдаемой люми-
несценции и концентрацией исследуемого вещества в пробе.
При определении количественного химического люминесцентного анали-
за условия опыта, как правило, подбирают с таким расчетом, чтобы выполня-
лась линейная зависимость между яркостью люминесценции и концентрацией
определяемого вещества. Этого удается достигнуть лишь в тех случаях, когда
концентрация не больше пороговой. При больших концентрациях развиваются
межмолекулярные взаимодействия, которые приводят к достаточно сложной
зависимости яркости свечения от концентрации. Поэтому работу следует про-
водить с сильно разбавленными растворами (10'Мо*6 моль/л), для которых реа-
лизуется указанная линейная зависимость.
При изменении яркости свечения анализируемого раствора В прибор од-
новременно регистрирует свечение исследуемого вещества Вв и примесей Вп. В
результате
В=Вь + Вп (24)
Величину Вп устанавливают, определяя яркость свечения раствора, не со-
держащего анализируемое вещество (холостой опыт), и контролируют ее по-
стоянство при всех последующих измерениях.
При работе с разбавленными растворами (незначительное межмолеку-
лярное взаимодействие) и отсутствии в них тушащих люминесценцию приме-
сей, яркость свечения анализируемого вещества пропорциональна энергии по-
глощенного возбуждающего света и квантовому выходу люминесценции. То-
гда, обозначая соответственно через Io и Ij интенсивности возбуждающего и
прошедшего через раствор света, можно записать:
29
#в=£#ш(7о - I1) = kcpyJofl - Jj/Zo) (25)
Используем закон Бугера-Ламберга-Бера:
Ij/Io = 10"*" (26)
Разложение этого соотношения в ряд дает
10-* = /,//0 = 1 + C-oCdlnio; + V2 (-aCdlnlO)2 + %(-aCdlnl0f +... (27)
При aCd ~ 0,01 члены этого уравнения, начиная с третьего, очень малы и
ими можно пренебречь. Тогда (26) можно записать в виде
10 ~* = Ij/Io = 1 +f-aCd InlO) = 1 - 2,3oOI (28)
и
l-/i//0-2,3aG/
Подставляя (25, 27) в уравнение (24), получим:
Вв-=(2,3^Квоад)С (29)
При соблюдении соотношения aCd~ 0,01 и неизменных условиях опыта,
все заключенные в скобки величины уравнения (28) будут постоянны. Поэтому
(28) можно записать в виде:
Вв = МС ,
где М= l^kq^cdod- постоянная.
Тогда (23) принимает вид:
В = МС + Вп
откуда
С-(Б-ВП)/М (30)
Обычно количественный люминесцентный анализ сводится к приготов-
лению серии эталонных образцов, содержащих исследуемое вещество в извест-
ных концентрациях, возбуждению их свечения и измерению яркости. По полу-
ченным данным строят градуировочный график (аналитическую кривую), ко-
торым пользуются для обработки результатов анализа исследуемого образца.
Следует отметить, что проведение количественного люминесцентного
анализа часто осложняется тем, что яркость свечения исследуемого вещества
определяется не только его концентрацией в пробе, но и другими факторами
(развитием процессов тушения люминесценции, частичным поглощением воз-
буждающего света примесями, явлениями вторичного поглощения люминес-
ценции, изменением рН среды и т.д.) Все это требует при разработке конкрет-
ных методик количественного люминесцентного анализа детального изучения
природы различных реакций и процессов, которые могут протекать в анализи-
руемых растворах.
Люминесцентные реакции известны для большинства элементов, но чис-
ло достаточно освоенных реакций сравнительно невелико. В основном это ре-
акции катионов, связанные с образованием люминесцирующих соединений с
органическими и реже с неорганическими реагентами. Для анионов большин-
ство описанных люминесцентных реакций основано на тушении свечения орга-
нических или неорганических соединений.
Пример люминесцентных реакций катионов 1 группы - реакции Li+-
ионов.
Литий образует флуоресцирующие, хелаты с оксифлавоновыми (морин,
кверцетин) и оксиантрахиновыми соединениями, кошенилью, 8-
30
оксихинолином. Последний реактив нашел наибольшее применение. Проведе-
нию реакции лития с оксихинолином не мешают 100-кратные количества иоиов
Na+, К+. 20-кратные - Mg2+, Са2+. Предел обнаружения 0,5 мкг Li+.
Li+ можно обнаружить в присутствии ряда катионов после их разделения
на бумажной хроматограмме, используя в качестве флуоресцентного реагента
(проявителя хроматограммы) цинкуранилацетат. Предел обнаружения 1мкг Li+.
Выполнение реакции с 8-оксихинолином. На фильтровальную бумагу
помещают каплю анализируемого раствора и каплю 2М раствора NaOH, осто-
рожно высушивают. На сухое пятно наносят каплю 0,3% -ного раствора окси-
хинолина в хлороформе. В присутствии лития в центре пятна появляется голу-
бое свечение при облучении ультрафиолетовыми лучами (светофильтр УФС-3).
Техника люминесцентных измерений
При проведении люминесцентных исследований необходимо измерять
различные спектрально-люминесцентные характеристики анализируемых объ-
ектов. Установки для таких измерений содержат источник излучения, один или
два спектральных прибора и систему регистрации интенсивности люминесцен-
ции.
В качестве источников возбуждения люминесценции обычно использу-
ются газоразрядные лампы: водородные, дейтериевые и ртутные высокого дав-
ления и лампы сверхвысокого давления (аргоновые, криптоновые, ксеноновые
и ртутные), а также лазеры. Чтобы правильно выбрать источник, надо знать
спектральные характеристики его излучения, кроме того, большое значение
придается стабильности его работы.
Газоразрядные источники излучения. Излучение газоразрядных ламп
происходит за счет электрического разряда, который возникает под действием
тока, проходящего через наполняющие лампу пары металла или газа. При по-
даче на лампу напряжения небольшое количество свободных электронов, при-
сутствующих в газе, ускоряется электрическим полем до энергий существенно
превышающих энергии ионизации нейтральных атомов и молекул. Такие элек-
троны усиливают ток, проходящий через лампу, и скорость ионизации возрас-
тает лавинообразно. Электрический ток поддерживает заряженные и нейтраль-
ные частицы в непрерывном движении, в результате чего происходит возбуж-
дение ионов и атомов на высокие энергетические уровни, переход с которых в
исходное состояние вызывает излучение фотонов.
При спектроскопических исследованиях часто используются газоразряд-
ные ртутные лампы. Применение ртути в источниках света обусловлено не-
сколькими причинами. Во-первых, пары ртути имеют небольшое число ярких,
широко расставленных спектральных линий, расположенных в УФ-, видимой и
ближней ИК-областях спектра. Во-вторых, давление паров ртути можно изме-
нять от 0,1 до Ю6 Па. В третьих, пары ртути химически малоактивны и почти не
взаимодействуют с материалами, из которых изготовлены колбы и электроды
ртутных ламп. Спектральное распределение излучения ртутных ламп сильно
зависит от давления наполняющего их газа. В связи с этим различают три типа
31
ртутных разрядных ламп: лампы низкого давления (1,33 Па), лампы высокого
давления (1,33-5,32 А04 Па); лампы сверхвысокого давления (Ю6 Па).
Рис. 7. Относительное спектральное распределение энергии излучения вольфра-
мовой (1), ксеноновой (2), ртутной (низкого давления) (3) и водородной лампы (4)
Ртутная дуга не подчиняется закону Ома, а обладает отрицательной
вольтамперной характеристикой (напряжение на лампе падает при увеличении
проходящего через нее тока). Поэтому при питании ртутных ламп используют
балластные цепи, которые ограничивают ее ток. При этом питание таких ламп
может осуществляться как переменным, так и постоянным током.
Для некоторых оптических измерений (например, исследования спектра
возбуждения) требуются источники, имеющие непрерывный спектр испуска-
ния. К ним относятся лампы сверхвысокого давления (аргоновые, криптоновые,
ксеноновые). Излучение газовых ламп сверхвысокого давления имеет сплош-
ной спектр с отдельными спектральными линиями, выделяющимися на его фо-
не. При этом наибольшая протяженность сплошного спектра наблюдается у
ксеноновых ламп.
На рис. 7 приведено сравнение относительного распределения энергии
излучения в спектрах некоторых источников. Из него видно, что вольфрамо-
вые лампы целесообразно применять при работе в длинноволновой части
спектра (кривая 1). В области длин волн менее 300 - 700 нм наиболее удобны
ксеноновые лампы (кривая 2). В области длин волн менее 300 нм энергия
излучения ксеноновых ламп сверхвысокого давления мала, поэтому здесь
предпочтительнее использовать ртутные лампы низкого давления (кривая 3). В
УФ- области целесообразно применять водородные (кривая 4) или дейтертевые
лампы.
Лазеры - принципиально отличные от газоразрядных ламп источники из-
лучения. Если в лампах реализуется спонтанное испускание, то в лазере ис-
пользуется вынужденное излучение. Разработано большое число газовых, твер-
дотельных, полупроводниковых и жидкостных лазеров, дающих мощное коге-
рентное, монохроматическое и узконаправленное излучение. Для люминес-
центных исследований чаще всего используются газовые и жидкостные лазеры.
Большинство люминесцирующих систем имеет поглощение в УФ-области, а
32
одним из наиболее распространенных источников когерентного излучения в
этой области является азотный лазер, поэтому в люминесцентной спектроско-
пии широкое распространение получил азотный лазер. В качестве источников,
позволяющих осуществлять плавную перестройку частоты возбуждающего
света, используются лазеры на красителях, возбуждение при этом остается мо-
нохроматическим.
Приемники излучения. Яркость свечения при изучении процессов люми-
несценции обычно регистрируют фотоэлектрическим методом. В видимой и
ближней ИК-областях спектра наиболее часто используются фотоэлектронные
умножители (ФЭУ). Фотоэлектронные умножители представляют собой элек-
тровакуумные приборы, работа которых основана на использовании явления
вторичной электронной эмиссии - испускания электронов поверхностями ме-
таллов и полупроводников при их облучении 1тучком первичных электронов.
Для ИК-области в качестве приемников излучения применяются фотосопро-
тивления и приемники излучения с р-п-переходами, использующие внутренний
фотоэффект. Эти же приемники могут работать и в видимой области спектра. В
фотосопротивлениях под действием поглощенного исследуемого излучения
возникают свободные электроны, увеличивающие электропроводность кри-
сталла (так называемая фотопроводимость). Приемники излучения с р-п-
переходами могут работать в фотогальваническом или в фотодиодном режи-
мах. В первом случае приемник при облучении генерирует э.д.с. без внешнего
источника питания, во втором - к приемнику подводится внешнее напряжение,
и ток, проходящий через нагрузочное сопротивление, изменяется в зависимости
от освещенности p-n-перехода. На основе фотодиодов созданы компактные
линейки и матрицы, работающие как многоканальные приемники оптического
излучения.
На рис. 8 представлена блок-схема установки для измерении спектра лю-
минесценции, представляющего собой спектральную плотность излучения лю-
минесцирующего тела.
Рис.8. Функциональная блок-схема спектральной установки
Осветитель ОИ-18 с ртутной лампой ДРК-120 (И1) питается от блока пи-
тания (БП-1). Излучение с △ = 365 нм, выделяемое светофильтрами УФС-6 и
33
СЗС-21 (Ф1), падает на образец (ОБ). Излучение люминесценции образца с по-
мощью конденсора К1 направляется на входную щель монохроматора ИСП-51
(Ml). Монохроматор Ml совместно с приставкой ФЭП используется для раз-
ложения в спектр излучения люминесценции образца ОБ. Излучение регистри-
руется фотоумножителем ФЭУ-79, который питается от высоковольтного блока
питания типа ВС-22 (БП-2).
Этот метод измерения называется методом "счета фотонов". Фотон, по-
падая на фотокатод ФЭУ, вызывает появление фотоэлектрона. После прохож-
дения умножительной системы ФЭУ, фотоэлектроны попадают на анод ФЭУ и
вызывают появление импульса напряжения отрицательной полярности. Эти
импульсы усиливаются и формируются усилителем-дискриминатором (Д), ко-
торый питается от блока питания (БП-3), и поступают на вход частотомера 43-
35А (ЧМ-1). Число импульсов, подсчитанное частотомером за определенный
промежуток времени, пропорционально интенсивности светового потока, па-
дающего на ФЭУ. Таким образом, перестраивая монохроматор Ml по длинам
волн с помощью барабана и записывая показания частотомера ЧМ-1, получаем
зависимость интенсивности люминесценции от длины волны, т.е. спектр лю-
минесценции.
Калибровка и коррекция люминесцентных измерений
Перед началом измерений спектров люминесценции и возбуждения необ-
ходимо произвести калибровку монохроматоров спектрофлуориметрической
установки по длинам волн, т.е. отождествить деления шкалы прибора, которые
характеризуют положение диспергирующего элемента, с соответствующим ре-
гистрируемым участком спектра. Для этой цели используют источники линей-
чатого спектра, чаще всего - ртутные и гелий-аргоновые лампы, спектры кото-
рых записывают на калибруемом приборе. С помощью таблиц спектра расшиф-
ровывают и устанавливают зависимость между длинами волн отдельных наи-
более интенсивных линий (пиков на диаграммной бумаге самописца) и деле-
ниями шкалы прибора. Различие между наблюдаемой на шкале прибора и ис-
тинной длиной волны представляет собой коэффициент коррекции, который и
используют для перевода показаний шкалы в длины волн (обычно строится
дисперсионня кривая спектрального участка). Для устранения холостого хода
шкалы сканирование по длинам волн необходимо производить только в одну
сторону. Калибровку проводят как для монохроматора возбуждающего света,
так и для регистрирующего монохроматора спектрофлуориметра.
Спектр люминесценции должен быть скорректирован для получения ис-
тинного спектра. На спектр флюоресценции влияет как дисперсия монохрома-
тора, так и чувствительность фотоприемника. Эти два параметра зависят от
длины волны и поэтому требуют корректировки.
Пусть количество квантов люминесценции всех частот, испускаемое в
единицу времени, равно тогда интенсивность люминесценции на частоте v
равна dN^dv^fjuo^. Зависимость Г том от v и будет определять истинный спектр
люминесценции. Электричесюш сигнал с ФЭУ (отклонение пера самописца)
при регистрации интенсивности люминесценции на частоте v равен
34 .
где Pv - относительная квантовая эффективность ФЭУ, Av - относительная ши-
рина спектра, Lv - доля света, проходящая через регистрирующий монохрома-
тор. Истинный спектр люминесценции можно определить, разделив ординаты
экспериментальной кривой на величину &у, которая является спектральной чув-
ствительностью регистрирующей системы (коэффициентом коррекции).
Стандартизация измерений. Из-за различия в интенсивности ламп воз-
буждения и чувствительности ФЭУ, а также других приборных параметров
практически невозможно получать при разных измерениях одни и те же -
результаты даже на одном и том же флуориметре. Надежность и правильность
флуориметрических измерений определяется двумя основными условиями: ка-
чеством конструкции прибора и качеством метрологического обслуживания
при проведении измерений. Первое условие определяет стабильность работы
самого прибора и зависит от его основных параметров. Второе условие включа-
ет в себя обеспечение сохранности показаний прибора, единства и точности из-
мерений, что составляет основную метрологическую задачу эксперимента.
Основная литература
1. Галанин М.Д. Люминесценция молекул и кристаллов / МД. Галанин. -
М.: Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 1999. - 200 с.
2. Левшин Л.В. Люминесценция и ее измерения / Л.В. Левшин, A.M. Са-
лецкий. М.: Изд-во МГУ, 1989.- 279 с.
3. Левшин Л.В. Оптические методы исследования молекулярных систем /
Л.В Левшин, A.M. Салецкий. - М.: Изд-во МГУ, 1994. - Ч.Е: Молекулярная
спектроскопия - 320 с.
4. Степанов Б.И. Введение в современную оптику: поглощение и испус-
кание света квантовыми системами / Б.И. Степанов. - Минск: Наука и техника,
199Е-479с.
Дополнительная литература
1. Головина А.П. Химический люминесцентный анализ неорганических
-веществ / А.П. Головина, Л.В. Левшин-М.: Химия, 1987 - 245 с.
2. Рабек Я. Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизике /
Я.Рабек; Пер. с англ.: В 2 Т.- М.: Мир, 1985. - T. 1. - 608 с.
3. Рабек Я. Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизике /
Я.Рабек; Пер. с англ.: В 2 Т.- М.: Мир, 1985. - T. 2. - 537 с.
35
Составители: Волошина Татьяна Васильевна,
Кавецкая Ирина Валерьевна
Редактор Тихомирова О. А.
Заказ № 65 от 30.0Е 2004 г. Тир. 50 экз. Лаборатория оперативной полиграфии В ГУ