Люминесцентная спектроскопия

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 

имени Н. П. ОГАРЁВА»

 

 

Биологический факультет

 

Кафедра биохимии

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

 

ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                Выполнил: студент 202 гр.

                                                                                специальности биохимия

                                                                                Лионов А. В.   

                                                                          

                                                                                Проверил: кандидат  

                                                                                биологических наук     

                                                                                Акимова Е. В.

 

 

 

 

 

Саранск 2013

Содержание

 

Введение

1 Понятие люминесценции

2 Механизм люминесценции

3 Спектры люминесценции

4 Закон Стокса —  Ломмеля. Закон Вавилова                                                                       5 Виды люминесцентного анализа  и характеристика его особенностей

Заключение

Список использованных источников

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Фосфор, светлячки, некоторые  породы рыб, медуз и даже обыкновенная труха светятся в темноте. Отчего это происходит?

В течение многих веков  никому не удавалось найти даже приблизительный  ответ на этот вопрос. Загадка казалась неразрешимой.

Но она не отпугнула  молодого польского химика-органика Бронислава Радзишевского (1838—1914). Наперекор  всему он занялся исследованиями. Это была трудная, кропотливая и  в то же время увлекательнейшая работа. Подспорьем могли служить для  него лишь его собственные прежние работы.

Радзишевский доказал, что растворы некоторых очень  сложных органических соединений, обогащенные  кислородом, начинают медленно светиться. Десятки стеклянных колбочек излучали зеленовато-голубой свет. Но стоило поместить растворы соединений в бескислородную атмосферу, как свечение мгновенно прекращалось.

Ученый убедился, что 0,003 г одного из таких органических соединений в совокупности с 0,0006 г  кислорода светится почти 500 часов.

После этих опытов Радзишевский выдвинул смелое предположение, что свечение рыб, медуз или трухи  основывается на очень медленном окислении некоторых органических соединений кислородом воздуха. Правда, это предположение еще следовало доказать.

 Систематически изучать  люминесценцию стали с конца  19 века (Э. и А. Беккерели, Ф. Ленард, У. Крукс и другие). Интерес к исследованию свечения различных веществ привёл В. К. Рентгена к открытию рентгеновских лучей, а в 1896 А. Беккерель, занимавшийся изучением люминофоров, открыл явление радиоактивности. В установлении основных законов люминесценции, а также в развитии её применений исключительное значение имели работы советской школы физиков, созданной С. И.Вавиловым.

 

        

1 Понятие люминесценции

     Люминесценция  (от лат. lumen, род. падеж luminis -свет  и -escent - суффикс, означающий слабое действие), свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения. Представляет собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре за счет его внутренней (тепловой) энергии. В отличие от других видов свечения (например, рассеяния света, тормозного излучения) люминесценция характеризуется временем свечения, значительно превышающим период колебаний световой волны и составляющим от 10-12 с до нескольких суток. Понятие люминесценции применимо только к такому веществу (совокупности частиц), состояние которого не слишком отличается от термодинамически равновесного, иначе различие между люминесценцией и тепловым излучением теряет смысл. Механизм люминесценции заключается в образовании под действием энергии от внешнего или внутреннего источника возбужденных состояний атомов, молекул, кристаллов и  испускании ими квантов света (фотонов). По типу возбуждения выделяют фотолюминесценцию (источник энергии возбуждения - свет), радиолюминесценцию (радиоактивное излучение), рентгенолюминесценцию (рентгеновское излучение), электролюминесценцию (электрическое поле), катодолюминесценцию (пучок электронов), триболюминесценцию (механическое воздействие), хемилюминесценцию (химические реакции) и другие. Различают молекулярную люминесценцию, при которой молекулы или атомы испускают фотоны при переходе из возбужденного состояния в основное квантовое состояние, и рекомбинационную люминесценцию, когда под действием энергии возбуждения образуются носители заряда (электроны и дырки в кристаллофосфорах) или ионы и радикалы (в газах, жидкостях, стеклах), последующая рекомбинация которых сопровождается испусканием фотонов. Излучательный переход из возбужденного состояния в основное происходит самопроизвольно (спонтанная люминесценция) или под действием внешнего электромагнитного излучения (вынужденная люминесценция). Испускание света может происходить не обязательно теми же молекулами, которые возбуждаются при поглощении энергии, но и другими, если происходит безызлучательная передача энергии возбуждения (сенсибилизированная люминесценция). Люминесценция характеризуют спектром испускания (фотолюминесценцию - также спектром возбуждения), квантовым выходом, поляризацией, кинетикой затухания. В данной статье рассматривается молекулярная фотолюминесценция, которую широко применяют в технике и аналитической химии, фотохимии и химической кинетике для изучения свойств возбужденных состояний частиц и очень быстрых химических реакций, в фотобиологии, биохимии и медицине для изучения свойств биологических объектов и механизма биологических процессов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          2 Механизм люминесценции

         Молекулярную фотолюминесценцию подразделяют на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция характеризуется малой длительностью (менее 10-6 с) и обусловлена испусканием фотонов при переходе системы из возбужденного состояния той же мультиплетности, что и основное состояние. Фосфоресценция –длительное свечение (от долей до нескольких десятков секунд), которое возникает при переходе в основное состояние из возбужденного состояния иной мультиплетности; такой переход происходит с нарушением спинового правила отбора (см. Квантовые переходы). Для большинства органических молекул с четным числом электронов основное состояние является синглетным, а низшие возбужденные состояния имеют мультиплетность 1 и 3, т. е. могут быть синглетными и триплетными. Для таких молекул флуоресценция представляет собой излучательный переход в основное состояние S0 из возбужденного синглетного состояния S1 (переход 2 на рис. 1).

                                    

 

Рис. 1. Схема квантовых переходов при молекулярной люминесценции. S0 - основной электронный уровень (с колебат. уровнями), S1 и Т1 - возбужденные электронные уровни (синглетный и триплетный соответственно). Прямыми вертикальными стрелками обозначены: поглощение (1), излучательные переходы флуоресценция (2) и фосфоресценция (3), горизонтальными стрелками - безызлучательные переходы: интеркомбинационная конверсия (4) и внутренняя конверсия (5). Волнистыми стрелками обозначены процессы колебательной релаксации энергии возбуждения.

С флуоресценцией конкурирует безызлучательный переход в триплетное состояния Т1 с энергией меньшей, чем у состояния S1 (интеркомбинационная конверсия). Фосфоресценция - излучательный переход из нижнего триплетного состояния Т1 в основное состояние - наблюдается в условиях, когда конкурирующие с данным излучательным переходом безызлучательные процессы замедлены (высокая вязкость вещества, низкие температуры и т. п.). Впервые связь фосфоресценции с запрещенным излучательным переходом из триплетного состояния была обоснована А. Н. Терениным (1943). Возможна и так называемая замедленная флуоресценция, когда вследствие, например, термической активации молекул в возбужденном триплетном состоянии T1 происходит безызлучательный переход в возбужденное синглетное состояние S1 с последующим испусканием фотона в результате излучательного перехода  S1 : S0. Спектр замедленной флуоресценции идентичен спектру обычной флуоресценции, но время затухания на нескольких порядков больше. У нек-рых молекул основное состояние не является синглетным. Так, для О2 основное состояние триплетное 3Sg-; слабая фосфоресценция, наблюдаемая для этого вещества в ближней ИК области, обусловлена переходом из нижнего синглетного состояния 1D в основное. Для радикалов, имеющих один неспаренный электрон, основное состояние дублетное (мультиплетность 2), низшие возбужденные состояния имеют мультиплетность 2 и 4 (соответственно дублетные и квартетные состояния). Флуоресценция радикалов наблюдается при переходе из нижнего возбужденного дублетного состояния в основное.

 

 

       

  3 Спектры люминесценции

          Спектр  испускания (часто наз. просто  спектром люминесценции) представляет  собой зависимость интенсивности свечения от частоты (длины волны) испускаемого света. В литературе обычно приводят наблюдаемые спектры испускания, зависящие от спектральной чувствительности и градуировки прибора. Для получения истинного (квантового) спектра испускания выражают интенсивность люминесценции в числе фотонов, приходящихся на единичный интервал частот. Спектром возбуждения люминесценции наз. зависимость интенсивности свечения на фиксированной частоте от частоты (или длины волны) возбуждающего света. Для получения истинного (квантового) спектра возбуждения необходимо учитывать зависимость интенсивности возбуждающего света (выраженной в числе падающих или поглощенных фотонов в единицу времени) от частоты. При слабом поглощении света образцом истинный спектр возбуждения люминесценции в большинстве случаев совпадает со спектром поглощения люминесцирующего вещества. Положение (частота) полосы в спектре люминесценции определяется разностью энергий состояний, связанных излучательным переходом; интенсивность полосы и время затухания свечения - заселенностью возбужденного состояния и вероятностью перехода (или временем жизни возбужденного состояния). Как правило, люминесценция происходит при переходе молекулы в основное состояние S0 с нижнего колебательного уровня первых возбужденных электронных состояний S1 и T1; при возбуждении молекулы в более высокие электронные состояния (S2 и др.) или на верхние колебательные уровни состояний S1 и Т1 избыточная энергия, как правило, релаксирует гораздо быстрее (за время 10-12 с), чем происходит испускание. При испускании фотона сохраняется равновесная ядерная конфигурация молекулы, свойственная возбужденному состоянию (принцип Франка-Кондона), поэтому при возвращении в основное состояние молекула обычно оказывается на одном из верхних колебатательных уровней, соответствующем колебаниям тех химических связей, равновесная длина которых при данном электронном переходе меняется. В результате в колебательной структуре спектров люминесценции множество молекул проявляют частоты колебаний основного состояния, тогда как в колебательной структуре спектров поглощения проявляются частоты колебаний возбужденного состояния. В атомных парах и растворах некоторых веществ испускание фотонов происходит при переходе в основное состояние S0 из того же возбужденного состояния, которое образовалось при поглощении фотона; при этом энергии испускаемого и поглощенного фотонов одинаковы (резонансная люминесценция); в спектрах испускания и поглощения (возбуждения) наблюдаются совпадающие узкие линии. Чаще, однако, в молекулах, особенно многоатомных, часть поглощенной энергии превращается в тепловую (происходит диссипация энергии), что приводит к сдвигу спектра испускания относительно спектра возбуждения в низкочастотную (длинноволновую) область (закон Стокса). Спектры высвечивания и возбуждения люминесценции (имеется в виду наиболее низкочастотная полоса в спектре поглощения) зеркально симметричны относительно прямой, проходящей через точку их пересечения перпендикулярно оси частот, если по оси ординат откладывать интенсивность люминесценции P(n), выраженную в числе фотонов на единичный интервал частот в единицу времени, или молярный - коэффициент поглощения e(n), а максимумы спектров нормировать к одной и той же величине. Это - так называемое правило Лёвшина (правило зеркальной симметрии); оно соблюдается в том случае, когда при переходе в возбужденное состояние не происходит существенного изменения молекулярной структуры и частот колебаний, а меняются лишь равновесные длины связей. Величины P(n) и e(n) связаны между собой универсальным соотношением Степанова:

                                        P(n)/e(n) = Dn3e-hn/kT,

где D - коэффициент пропорциональности, не зависящий от n, k и h - постоянные Больцмана и Планка соответственно, Т - абсолютная температура. Если между актами поглощения и испускания фотона существенно меняется структура молекулы в возбужденном состоянии, зеркальная симметрия спектров поглощения и люминесценции нарушается, и для их описания используют четырехуровневую схему (рис. 2).

                                             

Рис. 2. Четырехуровневая схема квантовых переходов для молекулы, ядерная конфигурация которой в возбужденном состоянии существенно изменяется по сравнению с основным состоянием: 1 - основное состояние (синглетное); 1' - основное состояние с ядерной конфигурацией, соответствующей конфигурации синглетного возбужденного состояния; 2 - возбужденное синглетное состояние с ядерной конфигурацией, соответствующей равновесной конфигурации основного состояния; 2' - возбужденное синглетное состояние с равновесной ядерной конфигурацией (релаксированное).

Квантовый выход люминесценции jL равен отношению числа испускаемых фотонов к числу поглощаемых. Он определяется квантовым выходом ji образования данного возбужденного состояния, вероятностью испускания фотона или константой скорости kE этого процесса (определение см. ниже) и средним временем жизни ti возбужденного состояния:

                                                        jL = jikEti.

Как правило, для возбужденных синглетных состояний ji = 1, для триплетных состояний ji . Если ji не зависит от частоты возбуждающего света, выполняется закон Вавилова, согласно которому квантовый выход люминесценции постоянен в данной области частот возбуждающего света. Отклонения от закона Вавилова возникают, если при возбуждении в высшие электронные состояния появляются новые пути дезактивации возбужденных молекул, конкурирующие с внутренней конверсией в нижнее возбужденное состояние. Константу kE можно вычислить из величины момента квантового перехода M21 = <Y2|m|Y1 между двумя электронно-колебательными (вибронными) состояниями, описываемыми волновыми функциями Y2 и Y1 (m - оператор дипольного момента):

                                             

(с - скорость света, п - показатель преломления вещества, n - частота перехода). Экспериментально значения kE в случае флуоресценции определяют из интеграла длинноволновой полосы спектра поглощения:

                                

где NA - постоянная Авогадро,  - волновое число. e - молярный десятичный коэффициент поглощения, <> - среднее значение  в спектре флуоресценции: