Люминесценттік талдау әдістері

 

Қарағанды мемлекеттік медицина университеті

Химия курсымен фармацевтикалық пәндер кафедрасы

 

 

 

 

 

 

 

Тақырыбы:Люминесценттік талдау әдістері

 

 

 

 

 

 

 

 

Орындаған:2-001 Биология тобының

 Студенті Қойшыманов  Т Т

Тексерген:Кокжалова М.З.

 

 

 

 

Қарағанды 2014

 

Люминесценттік талдау

Люминесценттік талдау. Люминесценция - сыртқы энергия көзінің әсерінен кейбір дененің жарық шығаруы. Люминесценция кезінде шыққан жарықтын жиілігі оны қоздырушы жарық жиілігінен өзгеше. Люминесценция құбылысынжарықтың шашырауы, шағылуы және денелердің термодинамикалық тепе-теңдік күйіндегі жылулық сәуле шығаруы тәрізді құбылыстардан ажырата білу керек. Қыздырғандағы жарық шығарудан бұл бөлек, мұнда жылуды шығаратын жүйе энергиясы пайдаланылмайды. Сондықтан да оны "салқын жарық" деп те атайды. Люминесценция электронқоздырылған күйінен негізгі күйге ауысқанда пайда болады. Люминесценциялаушы кез келген агрегат күйде болуы мүмкін. Люминесценттік өлшеу әдістері химиялық және биохимиялық реакциялардың жүруін, кинетикалық зерттеулерді бақылау үшін, заттарды, әсіресе, органикалық қосылыстарды тазалау, құрамындағы қосалқы қосымшаларды айқындау, оның тазалық дәрежесін анықтау үшін жиі қолданылады. Әдістің ең жоғарғы сезімталдығы заттың болмашы дәрежедегі түрленуін де, аралық жоғары активті немесе тұрақты емес өнімдердін түзілуін де белгілей отырып, оны әр түрлі реакциялардың механизмін зерттеу үшін қолдануға мүмкіндік береді.

 

Әдістің теориялық негізі

Молекулалар қоздырылған кезде қосымша энергияға (кинетикалық, айналу, тербелу, электрондық және басқа да) ие болып, қоздырылған күйге, яғни біршама басқаша электрондық деңгейшеге (синглетті және триплетті) ауысады. Әрбір электрондық деңгейге 0, 1, 2... сияқты кванттық саны бар тербелістік деңгейшелер косылады. Электрон жарық квантын сіңірген кезде негізгі деңгейден синглетті (кері параллельді спиндер) және триплетті (параллельді спиндер) күйге сәйкес келетін жоғарылау деңгейге ауысады. Негізгі синглеттен триплетті күйге бірден немесе тура ауысуына болмайды, өйткені оның энергиясы синглеттікінен біршама аз, ал оның деңгейі интеркомбинациялық конверсия (араласа жанасу) есебінен толықтырылады. Мұндай ауысу V санымен белгіленген. Қоздырылған молекулалардың басым көпшілігі соқтығысу кезінде энергиясын жоғалту нәтижесінде ең төменгі тербелмелі деңгейге (II процесс) ауысуға ұмтылады. Бұл процесс сәулешығарусыз өтеді және осындай жағдайдағы молекулалар қоздырылған синглеттік электрондық деңгейде 5 болады, одан олар әуелгі күйіне фотонның сәуле шығаруымен болатын күйіне ауысады (флуоресценция IV процесс). Олардың сәуле шығару алдында триплетті деңгейге ауысуының ықтималдығы аз (фосфоресценция, V, VI, VIII процесс). Ақырында молекула негізгі денгейдің әйтеуір бір тербелмелі күйінде болуы мүмкін. Бұл ауысулардың бәрі спектрде жақын орналасқан тиісті сызықтар арқылы сипатталады (флуоресценция және фосфоресценция). Ерітінді қатынасқан тұста, ол сызықтардың арасы тарылып, бір-бірімен бірігіп кетуі мүмкін. Бұл ауысулардың басым көпшілігі қоздырылу энергиясымен (І-процесс) салыстырғанда энергияның аз шығынымен қосарласа жүреді. Қалыпты жағдайда молекулалардың бір бөлігі әркашан да негізгі күйдің бірінші және екінші тербелмелі деңгейшелерінде болатынын ескерген жөн. Сондықтан, келтірілген суреттегі (а) ауысуы мүмкін. Триплетті күйдегі өмір сүру мерзімі синглеттінікіден біршама ұзақ; фосфоресценция үшін жарты период уақыты 10−3 -10−2 с. Аналитикалық тәжірибеде сынаманы пайдалану және бақылау үшін талданатын үлгіні салқындатып, мұздатып қояды. Әр түрлі люминесциялаушы заттар үшін қоздырылған күйдің мерзімі 1010 секундтан бастап, бірнеше сағатқа, тіпті кейде кристалл заттар үш тәулікке дейін болуы мүмкін. Жарқырау ұзақтығы - люминесценцияның маңызды сипаттамасы. Бұл оны шағылу, шашырау, жылу, сәуле шығарусияқтылардан оңай ажыратады. Люминесценцияны қоздыру әдісі бойынша оны түрі бойынша жіктейді: фотолюминесценция - ультракүлгін және көрінетін электромагниттік сәуле шығару арқылы қоздыру (фосфоресценция және флуоресценция); катод- люминесценция - электрон әсерімен туындайды; хемилюминесценция - химиялық реакция энергиясының есебінен жарқырау; рентгенолюминесценция - рентген сәулесінің әсерінен туындайды; үйкеліс әсерінен пайда болатын триболюминесценция және т.б. Қоздыруды тоқтатқанда онымен бірге флуоресценция да тоқтайды, ал фосфоресценция болса, белгілі мерзімге дейін тоқтамай, жарқырай береді. Аналитикалық тәжірибеде люминесценцияның осы екі түрі жиірек қолданылады. Қоздыру энергиясынан (сіңірілген жарықтың) люминесценция энергиясына ауысу эсерлігі немесе дәрежесі люминесценцияның энергетикалық және кванттық шығымымен сипатталады. Люминесценцияның энергетикалық шығымы деп люминесценция шығарған (шашыратқан) энергияның сіңірілген жарық энергиясына қатынасын айтады: Кванттық шығым деп (шығарылған) квант санынын сінірілген квант санына қатынасын айтады:

BЭН=EЛ/EЖ;

мұндағы Ел мен Еж - люминесценция мен сіңірілген жарық энергиялары, ал NI мен Nt - шашыраған және сіңірілген квант саны. Квант энергиясы E-Nh тең, демек:

B=(Nлh⋎л)/(Neh⋎ж)=Bкв(⋎л/⋎ж)

Люминесценцңяның энергетикалық шығымының қоздырылатын жарық толқынының ұзындығына тәуелділігі Вавилов заңына бағынады, ол коздырылатын жарық толқынының ұзындығының өсуімен әуелі, толқын ұзындығынапропорционал өсіп, ең жоғарғы мәнге жетеді, сосын күрт төмендейді . Бірінші бөлікке арнап, былай жазады:

Вэн=χλc; λc=c/ νc

Вкв=Вэн*(νж/νл)=χ(λжνж)/νл=χ(c/νл)=χλл=const,

мұндағы χ- пропорционал коэффициент. Энергетикалық шығымның сіңірілген жарықтың толқын ұзындығына пропорционалдығы осы спектрлік бөлімдегі люминесценцияның кванттық шығымын білдіреді. Демек, люминесценциядағы кванттық шығым неғұрлым үлкен болған сайын, соғұрлым люминесценцияланатын заттың аз мөлшері табылуы мүмкін. Bэн-ның күрт төмендеуі Вэн-ның жоғарғы мәнінен кейін байқалады. Белгілі бір спектрлік аралықта Вкв тұрақтылығы осы аралықта Вэн жоғары болатын люминесценцияның толқын ұзындығын қоздыруға мүмкіндік береді. Бұл сандық флуореметрияда ерекше мәнге ие болады. Люминесценция интенсивтігі сәуле шығарған кванттар санына пропорционал:

Iл=χ’I0Nл=χ’ВквNж=χ’’(I0-I)Вкв,

мұндағы Ш және / - түскен және ерітіндіден өткен жарықтың интенсивтіктері, олар Бугер-Ламберт-Беер теңдеуімен байланысты:

І=Іо10-е1с; олай болса,

Nж=χ’Іо(1-10εIc); Іл =кχ’’ВкнІо(1-10εIc)

10-elc=1-2,3εIc+(2,3εIc)2/2!+(2,3εIc)3/3!, мынаны табамыз:

Iл=2,3χ’’ВквI0εIc=kc

Люминесценция шығымын төмендететін процестерді люминесценцияны сөндіруші деп атайды. Люминесценция интенсивтігінін зат концентрациясына тәуелділігі 3-суретте келтірілген. Сызықтық тәуелділік қоздырылған сәуле шығару интенсивтігі Вкв тұрақты болғанда және люминесцен- цияланушы зат концентрациясы аз болғанда байқалады. Түзу сызықты тәуелділік εIc≤102 шартын сақтамаған жағдайда бұзылады. Бұл жағдайда концентрациялық сөндіру байқалады. Көптеген заттар үшін өздігінен сөндірілу 10−3- 10−4 М концентрация кезінде басталады. Бұған зат молекуласындағы диссоцмация дәрежесінің өзгеруі, ассоциаттардың түзілуі себепші болуы мүмкін. Кон-центрациялық сөндіру құбылысы қайтымды. Мұндай ерітінділерді сұйылтқанда сәуле шығару, жарқырау қайтадан басталады. Ал температураның жоғарылауы люминесценциядағы шығын мен интенсивтіктің төмендеуіне әкеліп, температуралық сөндіруге жеткізеді. Люминесценция интенсивтігіне ерітінді құрамында кездесетін қосымша заттар, әсіресе олардыц арасындағы люминесценцияланатын қосылыс молекулаларымен әрекеттесуге бейімдері ықпал етеді. Олардың бірі люминесценция спектрін өзгертуге тырысады, өзгелері оны сөндіруге келтіреді. Оларды люминесценцияиы сөндірушілер деп атайды. Оларға йод, ауыспалы металдардың иондары және басқалар жатады. Флуоресценцияға негізінен қос байланыспен қабысқан тұйық тізбекті құрылымдағы органикалық қосылыстар ие болады. Жартылай тұйық тізбекті түзеді. Ароматты заттардың басым көпшілігі интенсивті флуоресценцияланады. Күрделі органикалық косылыс құрылымындағы - OH, - OR, - NH2топтары флуоресценция құбылысын күшейтсе, ал - С02Н, - N02, - S04H төмендетеді, кейде сөндіруі де мүмкін. Мұнымен қатар флуоресценция құбылысы ароматты қосылыстардағы сақинаны тұйықтауға септігін тигізіп, олар металхелатты тұйық тізбек түзеді

Люминесценттік-таушайырлық талдау - Тау жыныстарындағы шашыранды таушайырлы заттардың мөлшері мен құрамын, олардың люминесценциялықерекшеліктерін саралау нәтижесінде анықтаудың жартылай сандың әдісі.

 

Фосфориметрия. Фосфориметрия процесі флуориметриядан мерзім ұзақтығымен (10−310−2 С) және биіктіктің ұзын толқынды аймаққа ығысуымен ерекшеленеді. Фосфоресценция процесі VIII ауысу бойынша жүреді. Энергияны шығындай отырып, өзімен тең түсетін кез келген механизм бойынша жүзеге асуы мүмкін. Оттегіфосфоресценцияны сөндіруге бейім де қабілетті болғандықтан, оны астаудан мұқият аластатады. Энергияның шығыны молекулалардың соқтығысуы кезінде болуы мүмкін. Мұндайда молекулалардың активтігін не еріткіштің тұтқырлығын жоғарылату, не сұйық азот температурасына дейін салқындату арқылы төмендетуге болады. Қалыпты жағдайдағы фосфоресценцияны әйтеуір бір сорбентке абсорбцияланған немесе сүзу кағазындағы үлгіден байқауға болады. Сол сияқты бетті активті заттарды (БАЗ) пайдалану кезінде де форесценцияны тіркеуге болады. Талданатын атомды коршаған кеңістікке салмағы едәуір ауыр атомды енгізе отырып, S1 —> Т1 және T1—>S0 сияқты аралық қиындастыру жылдамдығын арттыруға болады және бұл жағдай фосфоресцендияның айқын көрінетін спектрін алуға мүмкіндік береді, мысалы, метил йодидін қосу арқылы. Фосфоресценциялаушы қосылыстар болса, ол шартты түрде флуоресценциялайды да, фосфориметр жарқыраудың осы екі түрін де айыра білуі керек. Мысалы, ол үшін айналмалы үзгішті (фосфоркопты) қолданып, қоздырылған және көрініп-байқалатын жаркыраудың арасын бөліп, үзуді қамтамасыз етеді. Бұл жай фосфориметрлердін кұрылымына негіз болып енген. Айналмалы үзгішті бір мезгілде жұмыс істейтін электронды схемамен жапғасқан импульсті шамнан берілетін импульсті жарық еткішпен ауыстырады. Содан кейін оның көмегімен берілген уақыт аралығында фотокөбейткіш іске косылады. Түйіскен π-электрондық байланыстары бар көптеген органикалық косылыстар фосфоресциялауға қабілетті және мұны оларды анықтау үшін пайдаланады. Анықтау уақытына орай қосымша техникалық мүмкіндіктер туындайды. Әр түрлі заттардың сөну мерзімдерінде үлкен айырма болғанда оларды осы уақыты бойынша жеке бөліп анықтайды.

Люминесценттік-таушайырлық талдау таушайырлы заттарды кадағалау, тектүрін анықтау және олардың тау жыныстарындағы, минералдардағы, топырақтағы, бүгінгі шөгінділердегі, судағы таралу ерекшеліктерін нақтылау мақсатында жүргізіледі. Бұл талдау әдісі таушайырлы заттардың мөлшері мен құрамы және олардың люминесценциясының түсі мен қарқындылығы арасындағы байланысты анықтауға негізделген. Әдетте ертіндідегі майлы фракциялардың люминесценциялану түсі ашык көк, шайырлардікі — аңшыл-көк, сарғыш, шайыртас тектестерінікі — күңгірт, сұрғылт-сары, сұрғылт-көк, хлорофилдер мен порфириндердікі — қызғылт.

Люминесценттік-таушайырлық талдау сезімталдыңпен және тез жүргізілу мүмкіндігімен сипатталады. Люминесценция аса күлгін сәулелер көмегімен қоздырылады, оны жасактау көзі ретінде өте жоғары қысымды сынапты-кварцты шамдар пайдаланылады

 

Люминесценттік сапалық талдау көптеген органикалық заттардың, яғни олардың ерітінділеріне кейбір органикалық реагенттерін қосу арқылы жоғарғы сезімталдылықпен анықтауға мүмкіндік береді. Мысалы, мырыш тұзының ерітіндісіне салицил қышқылын қосқанда интенсивті люминесценция туындайды және мұны талданатын өнімдегі мырышты ерітіндіден сапалы тұрғыда айқындау үшін пайдаланады. Литий мен алюминийді 8-оксихинолиннің көмегімен, берилий, цирконий және басқа элементтердімориннің көмегімен табады. Люминесцентті сапалық талдауда сөну құбылысын да пайдаланады. Әдетте, люминесценцияның пайда болуы мен аяқталуын көріп бақылайды. Люминесциялық реакциянын басты артықшылыгы - олардың жоғарғы сезімталдылығы. Мысалы, мысты 0,005 мкг/концентрация кезіндегі салицилалазинніңкөмегімен көк түсті люминесценция бойынша ашады. Люминесценциялауға қабілетті күрделі анорганикапық кристалдар деп аталатын кристалл- фосфорлардың айқындау шегі төмен, таңдаушылық қабілеті жоғары болады. Бұған люминесценциялауға қабілетті кальций мен стронцийдін немесе олардың коспасынан түзілген сульфидтер, кальций сульфатынан не вольфраматынан, натрий бромидінен не иодидінен және баска косылыстар негізінде эзірленген кристалдар мысал. Ал, кейбір анорганикалық косылыс торына оны белсенді ететін затты енгізіп, әзірленген кристал да люминесценциялайтын болады. Температураны жоғарылатқанда кристалл-фосфордың құрамындағы жарқырауға күшті кері ықпал ететін болмашы мөлшердегі қоспалар олардың жарқырауын төмендетеді. Алайда кейбір жағдайларда белгілі концентрациялық катыста люминесценттік улар люминесценцияның активтеушілері болады. Осыған орай кристалл-фосфордың жарқырау интенсивтігінін ондағы люминесценциялаушы концентрациясына тәуелділігі сандық талдауда пайдаланады. Люминесценттік сапалық талдаудың зиянды ісік, безгек сияқты ауру түрін анықтауда, кейбір дәрі-дәрмектердін сапасын, биологиялық активті заттар - витаминдерді, антибиотиктерді және т.б. бақылауда маңызы ерекше. Егілетін тұқымның сапасы мен ену қабілеті сары түсті люминесценциялық жарық бойынша тұжырымдалады. Люминесценция тамақ өнеркәсібінде пайдаланылады. Оның түсі бойынша ұнның сорты анықталады. Неғұрлым кебек көп болса, соғұрлым оның жарқырау интенсивтігі күшті. Жеміс-жидек және көкөніс сияқтылардағы шіру құбылысын да, олардың басталуын да люминесценция көмегімен анықтайды.

Сандық люминесценттік талдау әдістерінде люминесценциялық сәуле шығару интенсивтігінін талданатын құрамдас бөлік концентрациясына тәуелділігі пайдаланылады. Қолданбалық жағдайда градуирлеу графигі әдісі жиі қолданады. Массасы бойынша есептегенде қазіргі кезде орташа концентрациясы 0,00001 процент шамасында болатын барлық элементтердің сандық анықтау әдістері жасалған. Титриметрия әдістерінде реагент қасиеті ерітіндінің рН-на, тотықтырғыш пен тотықсыздандырғыштыңболуы не болмауына қарай люминесценттік интенсивтігі мен жарқырау түсін өзгерте алатын люминесценттік индикаторды пайдаланады. Мысалы, осындай сипаттағы моринді пайдаланып, алюминий, галлий, цирконий сияқты басқа да элементтер 5-10% қателікпен титриметрлік анықталады. Мысты, басқа да екі валентті катиондарқатынасқан ерітіндіні флуорексонмен титрлеп анықтайды.

Индикаторлардың бір қатары кестеде жинақталған. Оларды пайдаланып, аса күрделі аналитикалық мәселелерді шешеді, мысалы тағамдық өнімдерді, жеміс-жидектер шырындарын, сусындар мен шараптарды талдап, сапасын анықтайды. Бұрын да айтылғандай, талданатын үлгіні салқындатқан кезде люминесценттік интенсивтік едәуір артады. Мысалы, қорғасын, висмут, сурьма сияқтылардың галогенидті кешенді қосылыстары қоспа ретіндегі үлгіні салқындатып, олардың сандық мөлшерін анықтау мүмкін болады. Сондай-ақ, салқындатылған, құрамында анорганикалық иондары бар үлгілерге органикалық заттарды қосып, олардың люминесценттік сандық анықтауын жүргізеді. Фосфордың және басқа да заттардың люминесценциясы бойынша ИҚ-, ӘК-, көрінетін, рентген және ү-сәуле шығаруды айкындауға протондар, нейтрондар, электрондар, а-бөлшек ағымын тіркеуге болады. Сол сияқты, бұл әдіс бойынша түрлі қыш,керамика және шыныдан әзірленген заттардың сапасын анықтап, оларды таңбалайды. Люминесценция әдістерілантаноидтар мен актиноидтарды талдауда жемісті пайдаланылады. Көптеген органикалық қосылыстардың, атап айтқанда: бензол мен нафталиннің және олардың көптеген туындылары мен қабысқан қосылыстарының, биологиялық активті заттардың, пигменттердің және т.б. люминесцентті қабілетті болады. Демек, люминесценттік талдау әдісінің жоғарғы сезімталдығы мен қарапайымдылығына, жабдықтау жеңілдігі мен қаркынына қарап, оның болашағын бағдарлауға болады.

 

Органикалық косылыстарды талдау және ауа тазалығын бақылау[өңдеу]

Флуоресценцияны тиімді пайдаланатын саланың ірі-органикалық косылыстар құрамында басымдау кездесетін ароматты көмір- сутектерді, мысалы антрацен менфенантрен қоспаларын талдау. Антраценді бірінші әдіс бойынша (оның сәуле шығару қозуының жолақшасы 360 нм-ден жоғары) фенантренді екінші әдіс бойынша анықтайды. Фенантрен мен антрацен 265 нм аймақта сәуле шығаруды интенсивті сіңіреді, ал 350 нм флуоресценттік сәуле шығаруды тек фенантрен ғана шашыратады. Сондықтан, антрацен мен фенантренді 265 нм тұсында қоздырып алады да, флуориметр көмегімен 350 нм флуоресценцияны өлшеп, фенантренді анықтайды. Ароматты көмірсутекті қосылыстармен ауа ыластыгын тексеру үшін сезімталдығы жоғары флуоресценттік әдісті қолдану тиімді. Көптеген ароматты көмірсутектер - канцерогенді, олар катерлі ісіктің пайда болуына себепші болады, мысалы, 3,4-бензпирен. Бұл қосылыстың ауадағы өте аз, іздік сияқты мөлшерін анықтаудың әдісі енгізілген. Ол үшін, осы қосылыс күкірт қышқылына енгізілсе, не сол қышқыл арқылы өтсе, катион түріне айналып, басқа ароматты интенсивті қосылыстардан окшауланады. Ерітіндідегі мұндай катион 520 нм болғанда интенсивті сіңіру жолақшасын береді. Мұнымен қатар талдау жағдайында кейбір ароматты қосылыстарда нақ осы жолақша 520 нм болғанда белгі беретіні бар, бірақ бұлардың біреуі де 545 нм болғанда флуоресцентті сәуле шығармайды. Сондықтан құрамында анықталатын бензпиренді үлгіні әуелі толқын ұзындығы 520 нм сәуле шығару кезінде қоздырып алады да, сосын оның 545 нм болғанда флуоресценттік сәуле шығару интенсивтігін флуориметрмен өлшейді.