Ю.А. Золотов - Основы аналитической химии (практическое руководство) (1110140), страница 84
Текст из файла (страница 84)
В люминесцентном анализе используется свечение молекул и кристаллофосфоров. Применением люминесценции атомов в анализе занимается метод атомной флуоресценции, являющийся самостоятельным разделом аналитической атомной спектроскопии. В настояшей главе этот метод не рассматривается. Поскольку в люмннесцентном анализе чаще всего используется свечение молекул, отвечаюшее механизму дискретных центров, целесообразно остановиться на основных характеристиках и закономерностях молекулярной люминесценции. 7.5л. ОснОВные КАРАктеРистики и зАкОны мОдекуляРИОЙ ФОТОлзОминесценции Важнейшими характеристиками фотолюминесценции молекул веществ являются их спектры поглощения, люминесценции и возбуждения.
Спектры поглощения молекул обусловлены электронными переходами из основного состояния в возбужденное, а спектры их люминесценции — электронными переходами из возбужденного состояния в основное. Спектры поглощения представляют в виде зависимости величины поглощения от частоты (длины волны). Величина поглощения может быть выражена процентом пропускания (Т, %), оптической плотностью (А) или коэффициентом молярного поглощения (я). При представлении спектра поглошения в виде кривых Т, %=~Я, А=Дт) или Т,Ж =Р('4), А=~(1) указывают толщину поглошающего слоя Я и Концентрацию вещества (с). Спектры люминесценции представляфт в виде зависимости интенсивности люминесценции (.() от ч тоты (длины волны) излучения.
Спектры возбуждения характеризуют активное поглощение, вызываюшее люминесценцию молекул веществ. Этн спектры представляют в виде зависимости интенсивности люминесценции от частоты (длнны волны) возбуждающего света. Спектры возбуждения идентичны спектрам поглощения и могут отличаться от них только вследствие инструментальных искажений. Другой важнейшей характеристикой фотолюмннесценцни является квантовый выход, представляющий собой отношение чис- 441 ла квантов люминесценпии У~ к числу поглощенных квантов возбуждающего света У,: Щ = УУ/Уо.
(7.44) Величина квантового выхода характеризует эффективность преобразования энергии возбуждающего излучения в энергию люминесценции. Важной характеристикой люминесценпии является длительность свечения. Она представляет собой средний промежуток времени, в течение которого молекулы люминофора остаются в возбужденном состоянии.
Именно поэтому указанную характеристику также называют средним временем жизни возбужденного состояния. По длительности и спектральному составу молекулярную люминесценцию можно разделить на кратковременную и замедленную флуоресценцвю и фосфоресценцию. Флуоресценцня является кратковременным свечением с длительностью 10 'о — 10 ' с и обусловлена разрешенным по спину электронным переходом между двумя состояниями одинаковой мультиплетности, обычно между первым возбужденным и основным синглетными Я,- Яо. Фосфоресценцня имеет значительно большую длительность — 10 о — 102 с и обусловлена запрещенным по спину электронным переходом между двухоо состояниями различной мультиплетности, обычно низшим возбужденным триплетным и основным синглетным Т,— Бо. Энергия фотонов фосфоресценции меньше энергии фотонов флуоресценции.
Замедленная флуоресценция идентична по спектральному составу флуоресценции, но характеризуется длнтельноспю, свойственной фосфоресценции. Ее появление связано с тем, что перед излучением фотона молекула некоторое время пребывает в триплетном состоянии (Т,-+5,-+Го).
Основные заковы молекулярной люминесценции. Правило Каши касается формы спектров люминесценции (флуоресценции, фосфоресцевцвн) при возбуждении их светом разных длин волн. Испускание квантов люминесценции всегда происходит с низшего электронно-возбужденного уровня молекулы, поэтому спектр люминесценции будет всегда одним и тем же независимо от того, на какой энергетический уровень попал электрон в результате поглощения фотона. Это означает, что спектр люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света. Закон Стокса — Ломмеля обуславливает взаимное расположение спектров люминесценции и поглощения и формулируется следующим образом: спектр люминесценции в целом и его максимум сдвинут ло сравнению со спектром поглощения и его максимумом в длннноволновую область.
Это означает, что средняя энергия квантов люминесценции меньше средней энергии 442 поглощенных квантов. Причина этого явления заключается в превращении части энергии поглощенных квантов в тепловую энергию: Ьо~ Лог+ Д, (7.45) ,. й,, я поглощенного фотона возбуждающего света; Ь~ — энергия фотона люминесценции; Д вЂ” энергия теплового движения молекулы. Правило Левшина, называемое также правилом зеркальной симметрии„утверждает, что нормированные спектры поглощения и флуоресцешщи, представленные в виде графиков о =Х'(о) и Х/о=Х'(о), зеркально симметричны относительно прямой, перпендикулярной осн частот и проходящей через точку пересечения спектров оо (Рис.
7.23), причем для оо можно запнсатос (7.4б) оа+ о~'= 2оо| где о, н ог — симметричные частоты поглощения н флуоресценцни. Частота оо в выражении (7.46) может быть интерпретирована как частота чнсго электронного перехода, т. е. перехода между нулевыми колебательныьш уровнями основного Яо н первого возбужденного Б, синглетных состояний. Соотношение (7Аб) является математическим выражением правила Лепнина и легко преобразуется к виду; оо=. 1',-УХ=2(о„— уо).
(7,47) Если на осн абсцисс откладывать значения о., а на оси ординат — значения Ло, то нрн зеркальной сньаметрии спектров поглощения н флуоресценпнн должна получиться правя с тану™ наклона1 Равньпоо 2 (Рнс 7 24)- Зеркальная симметрия спектров поглощения и флуоресценцни характерна для сложных молекул и не наблюдается в случае простых молекул.
Ее можно объяснить тем, что геометрия молекул м ало меняется прн электронном возбуждении, а расстояния между колебательными уровнями н вероятности переходо в на них у молекул в основном и электронно-возбужденном состояниях близки. Более строгое квантово-механическое обоснование правила Левпоина дал Блохнпцев. Он показал, что спектры) поглощения и флуоресцснцни необходимо нормировать н стр нть в координатах о!о — о н Х/о' -- о, соответственно. Закон Вавилова устанавливает зависимость квантового выхода люминесцсяцая от длины волны возбуждающего света.
Согласно этому закону фотолюмянеспснцвя может сохранять ооз (7.40) Г/„Ь 50™,с' 550 5,0 '.,з 0,5 50 1, = 1, с)е= 1~=с/2,72 0,371с-с Рве. 7.23. Зеркальваа свмметрнк сцектров поглощенна е Дг) (крваак 2) в флуоресцен5нщ 1(ч Яу) (крякал 1) родамвна 6Ж в ацетоне Рве. 7.24. Подчввевве нраавлу Леащвна снектров поглощенна в флуоресценцвв родамвна 6Ж в ацетоне Таким образом, при экспоненциальном затухании люминесценпии весь ход пропесса свечения определяется величиной т.
75.2. Ипенсивиость люминесценции и концеитравабя люминофора Если интенсивность люминесценции характеризовать числом квантов, испускаемых люминофором в единице объема в едиияубу' времени, то, в соответствии с основным законом светопоглощення и определением квантового выхода люминесценции, зависимость интенсивности люминесценции от концентрации люминофора в растворе выражается формулой: 1= а,ч) — 7)-о,1,1)-)0 "'), (7.51) где 1с — интенсивность возбуждающего излучения (число возбуждающих квантов, падающих на единицу объема раствора люминофора в единнцувремени); Т вЂ” пропускание люминофора при длине волны возбуждающего излучения; Й вЂ” коэффициент поглощения люминофора при длине возбуждающего излучения.
Если доля поглощенного люминофором возбуждающего излучения мала 57г10 < 0,05), уравнение ~7,5)) упрощается: 1= 2,)0Зфг105г5г ~7.52) Таким образом, интенсивность люминесценции пропорциональна квантовому выходу люминесценции, интенсивности возбуж- 445 15У5 =, 15 те+ Е„ (7.48) 9 о 400 Я50 бга беа ббо ИО баа у 50 ", с ' б40 у 50 ~ус постоянный квантовый выход, если возбуждающая волна преобразуется, а среднем, в более длинную, чем она сама. Напротив, выход фотолюминесценции резко уменьшаегся при обратном превращении длинньпс волн в короткие. На рис. 7.25 представлена зависимость квантового выхода флуоресценции некоторых веществ от длины волны возбуждающего света. Закон Вавилова уточняет закон Стокса — Ломмеля и предусматривает возможность возникновения люминесценции при возбуждении ее светом с большей длиной волны, чем свет люминесценции (антистоксовая область возбуждения). Такая возможность реализуется вследствие того, что молекулы до поглощении квантов света могут обладать значительным запасом колебательной энергии, которая, суммируясь с энергией поглощенных квантов, может приводить к излучению квантов с большей энергией, чем энергия поглощенных квантов: где Ь5 — энергия фотона люминеспеиции; 15у, — энергия поглощенного фотона; Е„ — энергия колебательного движения молекулы.
Закон затухания является одним из основных законов молекулярной люминесценции. Согласно этому закону интенсивность люминесценции после прекращения возбуждения спадает со временем по экспоненциальному закону: 444 где 1, — интенсивность свечения в момент времени ц 15 е — ингенси" вность свечения в момент прекращения возбуждения люминесценпии; т — длительность люминесценции (среднее время жизни возбужденного состояния).
При 5=т гаа М0 400 боо 000 Х, нм Рве. 7.25. Заансвмость относительного квантового выгода флуоресценцвв векоторнк веществ от длины аолнь5 еозбглдмощего света. 5 — «одамев бж; 2 — урансесе сгм5м5 3 — гидросуаь45ат ц5вена5 4 — фьуоресцеев дающего света, коэффициенту поглощения и концентрации люминофора. Уравнение (7.52) является математическим основанит ем количественного люминесцентного анализа. Зависнмост иненсивности люминесценции от концентрации люминофора чаь сто сохраняет линейный характер в пределах трех-четырех порядков величины концентрации.
Отклонения от линейности вызваны рядом причин; — невыполнением соотношения Й1с < 0,05; — явлением концентрационного тушения, ограничивающим верхний диапазон линейности концентраций на уровне 10 4 М; — эффектом внутреннего фильтра (экранируюшим эффектом) и эффектом псрепоглощения (реабсорбпии). Эффект внутреннего фильтра связан с поглощением части возбуждающего излучения посторонними веществамн, вследствие чего уменьшается количество фотонов, поглощенных самим люминофором. Это вызывает снижение интенсивности люминесценции последнего. Под перепоглощением понимают поглощение квантов люминесценции в толще раствора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
