Г. Юинг - Инструментальные методы химического анализа (1115206), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Обе эти особенности можно объяснить, обратившись к рис. 6-10. Переходы с изменением мультиплетности (Б -Т или Т-мБ) запрещены; это значит, что вероятность их мала. Однако возможна интеркомбинацнонная конверсия с Яз на один из колебательных уровней состояния Т„очень близкий по энергии (процесс 11 на рисунке), затем происходит безызлучательный переход (процесс Ч1) на основной уровень состояния Т,. Триплетное состояние Т, является метастабильным, и находящиеся в нем молекулы обладают избыточной энергией, которая впоследствии должна высвободиться. Потеря энергии может происходить по любому из нескольких конкурирующих механизмов, в том числе в результате фосфоресценции (процесс ззП1).
Из других возможных путей особенно важны два. Рис. 6-10. Переходы при фосфоресцепцик молекул (более подробная картина соотиетстнуюцзей части рис. 6-1). ба 164 Глава 6 Один из них — кислородное тушение, когда энергия передается молекулам кислорода, в которых осуществляются переходы, поскольку они находятся в основном триплетном состоянии. Поэтому из кюветы фосфориметра нужно тщательно удалять кислород.
Второй путь, по которому может произойти потеря энергии,— столкновения, имеющие для фосфоресценции большее значение, чем для флуоресценции, из-за длительности свечения. Дезактивацию молекул при столкновениях можно уменьшить или устранить любым способом, приводящим к более жесткой структуре (молекулы оказываются иммобилизованными). Этого можно достигнуть повышением вязкости подходящего растворителя при охлаждении до температуры стеклования смеси.
В качестве растворителя часто используется смесь этилового эфира, изопентана и этанола (ЕРА) в соотношении 6: 6: 2 (по объему) при температуре жидкого азота (77 К). Эта смесь не кристаллизуется, что очень важно, поскольку кристаллизация может привести к нежелательному выделению растворенного вещества. Сравнительно недавно найдены другие методы иммобилизации пробы, позволяющие обойтись без криостата с жидким азотом, неудобного в обращении [16). Фосфоресценцию при комнатной температуре можно наблюдать в образцах, адсорбированных на фильтровальной бумаге или других твердых подложках. Этот способ прост, но недостатком его является высокий фон, создаваемый носителем.
Другая возможность связана с использованием поверхностно-активных веществ, например лаурилсульфата натрия, образующего мицеллы в водных суспензиях [17, 18). Мицелла представляет собой крошечный шарик из 40 — 100 молекул детергента, гидрофильные сульфогруппы которых ориентированы наружу, а гидрофобные углеводородные (лаурильные) остатки обращены внутрь. На рис. 6-11 представлена двумерная схема такой мицеллы [18). Внутри кластера создаются условия для захвата неполярных молекул, которые запутываются в клубке углеводородных цепей и тем самым оказываются защищенными от столкновений, а также в большой степени от химических тушителей. Это позволяет исследовать спектры фосфоресценции обычными методами на приборах, применяемых в флуориметрии.
Скорость интеркомбинационной конверсии (5г-ьТ, и Т;и -~-5с) можно значительно повысить внедрением в пространство, окружающее исследуемый атом, атома с большой атомной массой (эффект тяжелого атома) [19). Увеличение скорости интеркомбинационной конверсии позволяет получать более ярко выраженный спектр фосфоресценции.
С этой целью Молекулярная люмннесцеицня !65 еегсг~ ло и " л и нснннтск и м'м. Задиая воза Оарегелленсе деи!стасе ь Рис 6-11. Схема аииоиной мицеллы в растворе. Молекулы определяемого ве. щества (нафталина) заключены внутри мицеллы 1161. о о О Е Ы Я Е сь 500 420 540 Длина банны, нм Рис. 6-12. Спектры фосфоресцсиции 6 АЙ !0 ' М раствора нафталина в мицелляриом водном растворе (а); в мицелляриом растворе, в котором 30 "ъ атомов Ь!а заменены иа атомы Т! (чувствительность при записи спектра в 1О раз выше, чем в случае рис. а) (б); в этанольиом растворе цри 77 К (чувствительность записи в 26 раз выше, чем в случае рис. а! (в) 1161. !66 Глава 6 в смесь ЕРА можно добавить метилиодид. При получении мицсллы часть (50 — 60 о/о) натрия в поверхностно-активном веществе можно заменить на таллий [18).
Типичный пример приведен на рис. 6-12. 1 — — — е К монохоомотору и ропюумполгитопю Кюбета— ВОагиаьо- —— йСийся копгук Опг мяолРоматоуа и лампы Рнс, 6-13. Раарев вращающегося кожуха фосфороскопа. Задержка наблюдения спектра соответствует времени, необходимому для поворота кожуха на 90'. Фосфориметры Фосфоресцирующие соединения обязательно флуоресцируют, поэтому фосфориметр должен различать оба вида свечения. Для этого можно использовать вращающийся прерыватель, так называемый фосфороскон (рис. 6-13), обеспечивающий определенную задержку между возбуждением и наблюдением свечения.
Этот принцип положен в основу конструкции ряда приборов Теоретические аспекты оптимальной конструкции прерывателя обсуждаются в интересной статье О'Хэвера и Вайнфорднера [201 Вращающийся прерыватель можно заменить импульсной вспышкой [21), где в качестве источника первичного излуче. ния используется импульсная лампа. С помощью электронной синхронной схемы сначала включается вспышка, а затем через заданный интервал времени — фотоумножитель.
Такая система позволяет измерять интервал времени до 10-в с, что не так просто сделать с помощью механического прерывателя. Многие органические соединения с сопряженными и-электронными связями фосфоресцируют, что представляет прекрасную возможность для определения их следов. Подробнее эти вопросы обсуждаются Вайнфорднером и Латцем [221 Ими предложен простой и быстрый способ определения аспирина в сыворотке крови н плазме в присутствии свободной салициловой кислоты. Дополнительные технические возможности в фосфориметрии дает разрешение во времени [23). При достаточно большой Молекулярная люмииеспенппя 167 разнице между временами затухания возможен анализ много- компонентных систем.
Разрешения во времени можно легко добиться изменением задержки между возбуждением и наблюдением или (еще успешнее) используя прием логарифмического вычитания [21). Для двух компонентов А и В иятенсивность излучения равна Рфе = Рл+ Рв= Ра,лехр( — 1!тл)+ Ра вохр( — 11тв) (6-3) где т — время затухания, т. е. время, требующееся на уменьшение фосфоресценции вещества на 17е==36,8 7о начального значения. Если регистрировать значения Рф„в зависимости от времени до прекращения испускания обоими компонентами, то можно определить количество вещества с более длинным периодом затухания по данным, полученным после прекращения испускания другого компонента.
Затем можно вычесть его вклад и получить интенсивность излучения для короткоживущего вещества. В фосфоресценцпи можно использовать синхронное сканирование [241. Сдвиг в длине волны между монохроматорами для возбуждающего и испускающего излучений должен соответствовать разности энергий между уровнями 5~ и Ть что усложняет данный метод по сравнению с синхронным сканированием в методе измерения флуоресценции, но его преимущество, заключающееся в хорошем разрешении смеси определяемых веществ, сохраняется.
Рамановская спектроскопия [25, 26] При определенных условиях фотон может временно передать свою энергию какой-либо молекуле независимо от ее энергетического состояния (как это допускается процессом 1Х на рис. 6-1) и повысить ее энергию до некоторого «фактического» уровня )с. Однако в общем случае этот уровень не отвечает устойчивому состоянию, и молекула должна немедленно перейти в свое основное состояние. При возвращении она может остаться в возбужденном колебательном состоянии (переход в на схеме), при этом энергия испускаемого фотона будет меньше энергии, необходимой для возбуждения на определенный колебательный подуровень.
С другой стороны (переход д), некоторые молекулы уже могли находиться в возбужденном колебательном состоянии, и тогда испускаемый фотон будет иметь несколько большую энергию. Если же молекула возвращается на тот же уровень энергии, с которого произошел переход (переход г), энергия (или длина волны) не изменяется. Как будет показано дальше, рамановский спектр и в самом деле состоит из симметричных серий частот (линий) по обе 168 Глава 6 Молекулярная люмннссценцня 160 Слю исиды линии ! Ь47иилимииды лилии à — 1 ным значениям Ы. По шкале ординат откладывают относительную интенсивность излучения, регистрируемую фотоумножителем Стоксовы линии всегда более интенсивны, чем антистоксовы, а линия, обусловленная рассеянным излучением лазера (Ы=О), гораздо интенсивнее, чем те и другие.
Рамановские спектры наблюдаются для тех молекулярных соединений, у которых при колебаниях, соответствующих переходу с волновым числом Лч, изменяется поляризуел!ость. Поляризуемость — способность к наведению диполя под действием электромагнитного поля фотона, попадающего в молекулу. Прн этом молекула не обязательно должна быть диполем, тогда как для поглощения инфракрасного излучения молекула должна обладать постоянным дипольным моментом, следовательно, частоты, наблюдаемые в ИК-спектре, могут не проявиться в ра- 600 400 200 0 -200 -400 -600 ад Рнс. 6-14, Рамановскнй спектр жидкого СС10 полученный врв сканировании со скоростью 600 см-1/мнн 3 мкл пробы пря возбуждении гелий-неоновым лазером прн 632,8 нм. Сильный сигнал прн от=о связан с рзлеевскнм рассеянием лазерного нзлученяя 134), стороны от некоторой центральной частоты.
Линии в длинно- волновой части называются стоксовыми, а в более коротковолновой части — антистоксовв!жи Центральная линия, без смещения частоты, соответствует простому процессу рассеяния, который рассматривается в гл. 8, (По этой причине рамановский эффект в чистом виде часто относят к одному из видов рассеяния.) Возбуждение может произойти под действием излучения любых частот, поэтому при выборе источника перед конструкторами приборов открываются широкие возможности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
