Ищенко А.А., Гольдштрах М.А. Люминесцентный анализ, страница 3

Вероятности излучательных переходов (а) и безызлучательных переходов (р) могут существенно различаться. Если Х вЂ” общее число возбужденных молекул, то число квантов люминесценции равно, Х1 = Ха . Число поглошенных квантов, Хк = Ха + Х р = Х (а + р). Тогда, принимая во внимание определение (5), получим: 14 = а/(а+р) (7) Вследствие многочисленности безызлучательных процессов, величина р сравнима с вероятностью излучательных процессов алли существенно больше ее. Поэтому, ф «1. Квантовый выход зависит от состава и структуры центра люминесценции, растворителя, температуры, наличия посторонних примесей.

Для всех частот, определяющих спектр возбуждения молекулы, находящейся в растворе, вероятности излучательных переходов сс н безызлучательных переходов р равны. Это объясняется тем, что процессы колебательной релаксации происходят очень быстро: за время порядка 10 с молекулы сз приобретают температуру окружения (среды). Вследствие этого выполняется закон Вавилова: квантовый выход люминесценции в растворах не зависит от длины волны возбулсдающего излучения для любого ее значения в области полосы поглощения. Если при фотовозбужцении молекулы переходят в различные электронные состояния, то квантовый выход может меняться, и закон Вавилова не будет выполняться.

Неселективное и не возбуждающее люминесценцию поглощение примесями или основным веществом оказывается больше возбуждающего люминесценцию, что приводит к уменьшению доли возбуждающих люминесценцию квантов нз всех поглощенных, т.е. к падению выхода люминесценции. Измерение абсолютных значений квантовых выходов ф,„и представляет достаточно сложную задачу. Поэтому, в практике аналитических исследований измеряют так называемый относительный выход люминесценции, ф путем измерения интенсивности люминесценции, 1ь в зависимости от концентрации, С, при неизменных условиях возбужденна. При непрерывном возбуждении образца (и отсутствии тушения люминесценции; см.

раздел 5), интенсивность люминесценции пропорциональна числу испускаемых квантов: 1ь Х 1ч1ь Х ф МА (8) где у' — коэффициент пропорциональности. 15 Число поглощенных квантов, Х„пропорционально интенсивности поглошеиного света: )чк = Х ( 1о 1) (9) где 1е — интенсивность падающего излучения; 1 — интенсивность света, прошедшего через раствор; у" — коэффициент пропорциональности. Объединяя соотношения (8) и (9), получим выражение, позволяющее определять относительный квантовый выход: Ф = [Х* Х*'( 1в — 1)1 '1. (10) Если в течение всей серии измерений количество поглощенной энергии не меняется, тогда изменение интенсивности люминесценции, 1ь дает относительное изменение квантового выхода, Ф, поскольку коэффициент [Х' Х" ( 1е — 1)1 в уравнении (10) остается постоянным.

5. Тушение люминесценции Из уравнения (7) следует, что увеличение вероятности без ызлучательных переходов, 13 приводит к уменьшению квантового выхода люминесценции. Тушением люминесценции называют процессы, приводящие к безызлучательным переходам энергии, поглощенной центром люминесценции. Как уже отмечалось в разделе 2, основные пути физической безызлучательной дезактивации возбужденного состояния связаны с внутримолекулярными релаксационными процессами: колебательной релаксацией (ХР), внутренней конверсией (ВЛ7 и интеркомбинационной конверсией (Ий) (см.

также диаграмму Ябло некого-Теренина, рис.2). При этом избыточная энергия молекулы переходит в тепловую энергию. Внутримолекулярные процессы безызлучательной дезактивации являются одним из главных каналов перехода поглощенной энергии В предельном случае вся поглощенная энергия расходуется в этом процессе: квантовый выход люминесценции равен нулю. С этим связано одно из ограничений метода люминесцентного анализа — он не столь универсален, как фотометрические методы, основанные на поглощении излучения. Замечено, что наибольшей способностью к люминесценции 16 он но ! ! но но он, сн, Адреналин (1) Триоксидон (П) Люминесцирующий флуоресцеин (1П) отличается от нелюминесцирующего фенолфталеииа (1У) только тем, что кислородный мостик в молекуле флуоресцеина жестко удерживает два кольца в одной плоскости, что способствует взаимодействию систем электронов этих колец.

'~х,О С О 1 Флуоресцеин (П1) Фенолфталеин (ГЧ) обладают симметричные молекулы с протяженной системой сопряженных связей, склонные к образованию орто- и парахиноидных колец. Наиболее значительным фактором, обуславливающим люминесценцию молекул, является жесткая и плоская структура молекулы. Образованию жесткой плоской структуры молекул способствует образование новых циклов или появление внутримолекулярных хелатных или водородных связей. Например, известный гормон адреналин (1) не люминесцирует, но при окислении превращается в ярко люминесцирующий триоксидон (П), бициклическая молекула которого имеет жесткую систему сопряженных связей: Злектронодонорные заместители в большинстве случаев уменьшают вероятность безызлучательных процессов, а электроноакцепторные, за исключением группы — СХ, увеличивают.

Их взаимное расположение также влияет на вероятность каналов дезактивации возбуждения. Для нежестких структур, например молекул, в которых возможно внутреннее вращение и вообще, низкие энергетические барьеры перехода между различными конформацня ми, растет вероятность безызлучательной дезактивации. Кроме того, тушение люминесценции может происходить при межмолекулярном процессе передачи энергии возбуждения окружающим молекулам растворителя или примесей. При увеличении концентрации определяемого вещества возрастает вероятность передачи части энергии возбуждения невозбужденным молекулам этого соединения.

Проявление такого процесса, называемого концентрационным тушением люминесценции, усиливается при увеличении концентрации С > 10'М. Возможно глюке протекание разнообразных фотохимических процессов с участием центра люминесценции. Примерами являются м оно молекулярные реакции фотовозбужде нных молекул — фотодиссоциация и фотоизомернзация. Возбуждающее излучение может также инициировать различные бимолекулярные реакции. Например, реакции люм инес центного центра с молекулой — тушителем люминесценции. Для уменьшения вероятности процессов внутреннего тушения люминесценции и, соответственно, повышения квантового выхода люминесценции в аналитической практике используют различные способы, которые придают структуре молекулы жесткость нли создают вокруг молекулы или иона, находящегося в конденсированном состоянии, жесткое окружение — матрицу.

Для этого используют следующие методики: замораживание раствора; адсорбцня или абсорбция анализируемого вещества из раствора; диффузионное внедрение ионов при повышенной температуре в кристаллическую решетку, приводящее к образованию кристаллофосфоров; химическая модификация с использованием реакций комплексообразо ванна нли окисления-восстановления, приводящая к образованию жестких структур.

Примером может служить образование хелатного комплекса алюминия с сап ицил иден-орто-аминофенолом (И), молекула которого интенсивно флуоресцирует в отличие от исходного соединения — салицилиден — орто — аминофенола(1): он Салнцилиден — орто — Хелатный комплекс (1) с А1" (П) аминофенол (1) В большинстве случаев увеличение квантового выхода люминесценции наблюдается при уменьшении ионного радиуса элемента — комплексообразователя, прн увеличении его заряда и константы связывания.

5Л. Кинетика затухания люминесценции. В отсутствии безызлучательных процессов дезактивации, скорость уменьшения числа возбужденных люминесцентных центров пропорциональна их количеству: -б Д!1=йп (11) где и — число возбужденных центров люминесценции; ! - время; 1с~— константа скорости процесса излучения. Проводя интегрирование в уравнении (11) с учетом того, что в начальный момент времени (! = 0) после возбуждения имеется по возбужденных центров люминесценции, получим: и = по ехр(-1с11), (12) Мощность люминесценции Рь определяется скоростью испускания квантов излучения.