Люминесцентные методы анализа

 

План работ

 

Введение……………………………………………………………………..3

1. Люминесцентные  методы анализа………………………………………5

2. Теоретические  основы……………………………………………………9

3. Аппаратура  для люминесцентных измерений…………………………13

4. Практическое  применение………………………………………………15

Вывод………………………………………………………………………..16

Библиографический список………………………………………………..17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Люминесценция – это излучение ,представляющая собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и обладающее длительностью не менее чем 10-10с,что превышает период светового колебания.

Первая часть определения предложено Э.Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть – признак длительности – введена С.И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения – отражения и рассеяния света ,а так же от вынужденного испускания ,тормозного излучения заряженных частиц.

От излучения нагретых тел она отличается своей неравновесностью: люминесценция практически не использует тепловую энергию излучающей систему, поэтому ее часто называют холодным светом. Это определение отличает люминесценцию также от всех других видов неравновесного свечения – рассеяния и отражения света, комбинационного рассеяния, излучения Вавилова – Черенкова и т.д.

Люминесценция возникает в результате электронного перехода при возвращении частиц из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом, молекула преобразует поглощенную энергию в собственное излучение. Этим люминесценция также отличается от несобственного излучения – рассеяния и отражения света. Люминесцирующие вещества могут находиться в любом агрегатном состоянии. В возбужденное состояние частицы люминесцирующего вещества могут переходить под действием света и тогда люминесцирующие называют фотолюминесценцией(флуоресценцией или фосфоресценцией),под действием рентгеновского излучения – рентгенолюминесценцией, в результате химической реакции – хемилюминесценцией и т.д.

 Условия, в которых возбуждаются и светят  частицы люминесцентного вещества, совершенно отличны от условий, в которых находятся частицы раскаленного тела. В то время как при нагревании тела увеличивается энергия всех его частиц, при возбуждении люминесценции энергию получают лишь отдельные частицы, остающиеся в окружении огромного числа невозбужденных частиц.

Наиболее простым способом возбуждение люминесценции является освещение люминесцентного вещества ультрафиолетовыми лучами и коротковолновыми лучами видимого света; при этом в каждый данный момент свет поглощает лишь некоторые частицы люминесцентного вещества, которое и приходят в возбужденное состояние. Кроме того, как указывал С.И. Вавилов важным признаком люминесценции ее заметная длительность по сравнению со световыми колебаниями, имеющим период 10-10 сек.

Свечение люминесценции продолжается, по крайней мере десятимиллиардную долю секунды после прекращения возбуждения, т.е. энергия, поглощенная частицами вещества, не излучается мгновенно. Этим люминесценция отличается от других видов свечения, например от излучения поверхностей, отражающих и рассеивающих свет какого-нибудь постороннего источника.

Природное применение люминесцентного свечения – наблюдали еще первобытные люди, но более конкретное, сознательное описание явлений и их способностей началось более нескольких веков назад.

Люминесценция обратила на себя внимание крупнейших естествоиспытателей XVII века: Р.Бойля, Г.Галилея, И.Ньютона; однако более 300 лет считалась «таинственных» и необъяснимых явлений природы. В то время повсеместно применялись раскаленные источники света, которые прочно утвердили представление  в сознании человека о неразрывной связи возникновения света с сильным нагреванием тел.

Систематические количественные исследование холодного свечения,  были начаты более века назад трудами английского физика Э.Беккереля.

Следует отметить, что два величайших открытия конца XIX века: лучей Рентгена и радиоактивности неразрывно связаны с исследованием люминесценции.

1. Люминесцентные методы анализа

 

Определение содержания вещества в пробе люминесцентным методом основано на сравнении интенсивности люминесценции пробы и стандартных образцов. Последние должны отвечать ряду требований:

1. содержание определяемого вещества  в стандартном образце должно  быть точно известно;

2. химический состав матрицы (основы) стандартного образца должен быть идентичен (или подобен в практически достижимой мере) матрице пробы;

3. стандартный образец и проба  должны обладать близкими физическими свойствами.

В практике люминесцентного анализа используют как жидкие, так и твердые стандартные образцы. Жидкие стандартные образцы готовят растворением определяемого вещества в подходящем растворителе. При этом в раствор добавляют в необходимых количествах вещества, составляющие основу пробы. Применение люминесценции кристаллофосфоров для определения неорганических веществ связано с использованием твердых стандартных образцов. Как правило, процедура их приготовления трудоемка, требует тщательности и особых мер предосторожности и обычно проводится на специальной аппаратуре.

Для расчета содержания вещества в пробе по результатам люминесцентных измерений чаще всего используют метод градуировочного графика, сравненияидобавок.

Метод градуировочного графика. В этом методе измеряют интенсивность люминесценции серии стандартных образцов (обычно не менее пяти), охватывающих весь диапазон ожидаемых содержаний определяемого вещества в пробе, и строят график зависимости интенсивности люминесценции от массовой доли определяемого вещества. В идеальном случае градуировочный график должен быть линейным и проходить через начало координат. На практике он оказывается линейным лишь в узком диапазоне содержаний определяемого вещества и редко выходит из начала координат.

Метод добавок. Наиболее простой способ приготовления стандартных образцов, соответствующих пробе по составу матрицы, заключается в использовании метода добавок. Его целесообразно использовать в тех случаях, когда состав матрицы пробы неизвестен или меняется от пробы к пробе. 
Сущность метода заключается в следующем. Берут три одинаковых образца пробы. Ко второму и третьему образцам добавляют точное количество определяемого вещества. Размеры добавок подбираются с таким расчетом, чтобы содержание определяемого вещества во всех трех образцах пробы после указанной процедуры отвечало соотношению сх : (сх +Dc1): (сх +Dс2) = 1:2:3, 
где Dc1 и Dс2 - изменение содержания определяемого вещества, вызванное процедурой_добавки. 
          После измерения интенсивности люминесценции всех трех образцов строят график в координатах « I-Dc». Содержание определяемого вещества в пробе сх находят путем экстраполяции графика на значение I =0.

В аналитической практике наиболее широкое применение получила фотолюминесценция, а именно флуоресценция.

       Флуоресценция - это характерное свечение анализируемых растворов и кристаллофоров в ультрафиолетовом свете.

      Флуориметрия -метод определения содержания люминофора в растворе,основанный на измерении спектра его флуоресценции. В основе этого метода лежат следующие закономерности. 
  Независимость спектра  люминесценции от длины волны возбуждающего света. Это объясняется тем, что возбужденные молекулы, поглотившие кванты различной величины, попадают на уровни разных возбужденных электронно-колебательных состояний. После такого перераспределения избыточной энергии происходит излучательный переход с одних и тех же электронных уровней, поэтому спектр люминесценции не изменяется. 
 
      Закон Стокса–Ломмеля. Стоксом было сформулировано правило, согласно которому спектр флуоресценции вещества всегда имеет большую длину волны, чем спектр поглощения. Ломмель уточнил правило Стокса, предложив для него следующую формулировку: «Спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн». Закон Стокса-Ломмеля строго выполняется для широкого круга флуоресцирующих веществ. 
         Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и излучения. Это правило характеризует взаимное расположение спектров поглощения и излучения веществ, обладающих люминесценцией, и может быть сформулировано следующим образом: «Нормированные (приведенные к одному максимуму) спектры поглощения и излучения, изображенные в функции частот, зеркально симметричны относительно прямой, проходящей перпендикулярно к оси частот через точку пересечения обоих спектров» (рисунок ). Это правило весьма полезно при выполнении люминесцентного анализа, а также при расшифровке спектров и установлении энергетических уровней исследуемых молекул. 
        У веществ, подчиняющихся правилу зеркальной симметрии, можно по одному из спектров (поглощения или люминесценции) без их измерений установить форму другого спектра и выбрать подходящие для данного вида анализа светофильтры.

 

Рисунок  - Зеркальная симметрия спектров поглощения ε = f (v) 
(кривая 1) и флуоресценции I/v = f(v) (кривая 2) родамина 6Ж в ацетоне.

Вещества-люминофоры определяют по их собственной флуоресценции. Если определяемые вещества не являются люминофорами, то для их определения используют люминесцентные реакции. Последние должны сопровождаться возникновением или ослаблением флуоресценции раствора. Как и каждая реакция, применяемая в анализе, люминесцентная реакция должна протекать быстро, количественно, быть воспроизводимой и по возможности избирательной. При флуориметрическом определении ионов металлов чаще всего используют реакции комплексообразования с органическими реагентами. В идеальном случае применяемые для анализа реагенты не должны флуоресцировать, а образующиеся комплексы, напротив, должны обладать интенсивной флуоресценцией. Молекулы таких реагентов обычно имеют неплоскую и нежесткую ароматическую структуру и содержат электронодонорные заместители. В результате комплексообразования они приобретают плоскую жесткую конфигурацию, склонную к флуоресценции.

Для определения анионов часто используют косвенный флуориметрический метод, основанный на тушении люминесценции. Примером такого метода может служить определение иодид-ионов по тушению флуоресценции флуоресцеина.

Пределы обнаружения веществ флуориметрическим методом составляют от 10-8 до 10-4 %.

 

 

 

 

 

 

 

2. Теоретические основы

 

Способность атомов и молекул поглощать энергию, поступающую к ним извне, вызывает новое энергетическое состояние вещества, которое называется возбужденным. Избыточная энергия атомов или молекул, полученная при возбуждении, может быть израсходована на отрыв электронов - ионизацию вещества; на какие-либо фотохимические реакции; на нагрев вещества, т. е. переход избыточной энергии в тепловую. Кроме того, возбужденные атомы или молекулы способны отдавать всю избыточную энергию или часть ее в виде света. Как правило, большинство твердых веществ, при сильном нагревании светятся. Такое свечение раскаленных тел называют температурным или тепловым излучением. Чем больше энергии при данной температуре поглощает тело, тем оно больше ее излучает.

У некоторых веществ наблюдается свечение и без нагревания при комнатной температуре, которое называют холодным свечением или люминесценцией. В отличие от температурного люминесцентное излучение является неравновесным и продолжается относительно долгое время после прекращения действия внешнего возбуждающего фактора.

Люминесценция – свечение вещества после поглощения им энергии возбуждения.

Переходя в более низкое энергетическое состояние, возбужденные частицы испускают квант света – люминесцируют. Длительность послесвечения для различных люминесцирующих веществ различна: от миллиардных долей секунды (для отдельных атомов и молекул) до часов и даже нескольких суток (для кристаллофосфоров).

Явления люминесценции многообразны по свойствам и происхождению. Различные виды люминесценции определяются характером энергии возбуждения, продолжительностью свечения и химическими свойствами люминесцирующих веществ. В зависимости от вида люминесценции рассматривают следующие разделы люминесцентного анализа: 1) фотолюминесценция, или флуоресценция, основанная на свечении вещества при поглощении лучистой, или световой энергии;

2) катодолюминесценция, вызванная  бомбардировкой быстролетящих электронов;

3) хемилюминесценция - свечение веществ под действием некоторых химических процессов;

4) триболюминесценция - люминесценция трения и т.п. 
Все люминесцирующие вещества имеют общее название люминофоры.

Неорганические люминофоры называют чаще всего просто люминофорами, а органические - органолюминофорами. Органические и неорганические люминофоры существенно отличаются по природе свечения. У первых процессы поглощения возбуждающего света и излучения протекают в пределах каждой способной люминесцировать молекулы. У вторых, чаще всего активированных и имеющих кристаллическую структуру, в акте люминесценции участвуют не отдельные атомы и молекулы, а кристаллы. Эти люминофоры называют кристаллофосфорами.

Известно два механизма возникновения свечения:

1) свечение отдельных центров, когда процесс возникновения люминесценции протекает лишь в одной частице (центр свечения), являющейся как поглотителем энергии, так и излучателем световых квантов;

2) рекомбинационные процессы свечения, при которых, как правило, поглощение  энергии осуществляется не теми  частицами, которые излучают световые  кванты.

По первому механизму осуществляется свечение большинства органических веществ в растворе, в том числе и внутрикомплексных соединений органических люминесцентных реагентов с катионами. Свечение кристаллов с решетками молекулярного типа, например, нафталина, антрацена и их производных, определяется рекомбинационными процессами. Такое свечение наблюдается и у сульфида цинка, сульфида кадмия, оксида кальция и т. п., кристаллические решетки, которых обладают некоторыми дефектами, вызванными внедрением примесей (или активаторов) - ионов тяжелых металлов. В этом случае в возникновении флуоресценции принимает участие весь кристалл в целом, такой вид свечения называют свечением кристаллофосфоров.