Флуоресцентная спектроскопия. Люминесценция, ее разновидности. Закон Стокса-Ломмеля. Схема прибора. Применение метода.

Метод, основанный на измерении интенсивности излучения, возникающего в результате поглощения молекулярной средой электромагнитного излучения другого оптического диапазона, называется методом молекулярной флуоресцентной спектроскопии (МФС). Т.о. в основе метода лежит явление флуоресценции веществ, облученных в УФ излучением. Измерение интенсивности испускаемого излучения видимого диапазона позволяет получить спектр флуоресценции, т.е. спектр испускания молекулы. Спектры флуоресценции выглядят так:

Основные моменты:

1)полосы флуоресценции располагаются в области больших длин волн, нежели чем соответствующие полосы поглощения. Этот закон называется: закон Стокса-Ломмеля.

2)в некоторой области длин волн наблюдается частичное перекрывание спектров поглощения и спектров флуоресценции. Эта область называется антистоксовская область.

3)спектры флуоресценции являются зеркальным отражением. Правило называется правило зеркальной симметрии Левшина. Это можно объяснить тем, что

1.спектры флуоресценции располагаются при больших длинах волн. Этот сдвиг объясняется потерей энергии. Длина волны и энергия фотона соотносятся Е=h∙Ʋ=h∙c/λ.

Если Е уменьшилась, то длина волны увеличится.

Перекрывание связано с тем, что даже при комнатной температуре верхние колебательные подуровни основного состояния в некоторой степени заселены. Поэтому при поглощении возможны переходы с любого из них на нижний колебательный подуровень возбужденного состояния. Следовательно, часть испускаемого излучения будет характеризоваться большей Е и наблюдаться в более коротковолновой области, чем самые длинноволновые поглощения. Определяется распределением колебательных уровней основного возбужденного состояния. Это распределение одинаково для обоих состояний (основного и возбужденного), но и поэтому спектр флуоресценции зеркально симметричен спектру поглощения.

Характеристики флуоресценции. Одна из важнейших характеристик излучательных процессов является: квантовый выход – это отношение числа квантов, испущенных возбужденной молекулой или атомом. К числу поглощенных квантов. Обозначается φ.

φ=(h∙Ʋ)испущ./(h∙Ʋ)поглощ.

φ_fl = I_fl/I

Проводя соответствующие преобразования в соответствии действующего уравнения Б-Л-Б, мы получаем уравнение, которое лежит в основе количественных определений в данном методе

I_fl = К∙I₀∙Ɛ∙l∙C∙ φ_fl

φ_fl – квантовый выход флуоресценции

С – концентрация

l – длина поглощающего пути

Ɛ – коэффициент поглощения

 I₀ – интенсивность падающего излучения

К – коэффициент пропорциональности

I_fl – интенсивность флуоресценции

Интенсивность флуоресценции зависит от интенсивности падающего излучения, т.е. зависит от поглощательной способности вещества (от мощности поглощенной энергии).

Поскольку в этом уравнении в условиях измерений все величины будут постоянными, то получаем связь между измерительным сигналом, т.е. интенсивностью флуоресценции и концентрацией поглощающего вещества: I_fl = К

Т.е. интенсивность флуоресценции прямопропорциональна концентрации флуоресцирующего вещества. Эта зависимость сохраняется не во всём интервале измерения концентрации, а только при небольших концентрациях веществ.

В области небольших концентраций линейность соблюдается, а вот дальше (когда мы переходим в область больших концентраций) наблюдается отклонение. Это явление называется явлением концентрационного тушения флуоресценции.

Интенсивность уменьшается в следствие безизлучательного переноса Е от возбуждённых частиц другим молекулам. Т.е. это испускаемая молекула излучения поглощается соседними молекулами растворителя.

Это даёт ограничения в области количественных определений. А значит, это даёт нам невысокое знание верхней границы определяемых содержаний. Верхняя граница определяемых содержаний флуоресценции в отличие от молекулярной абсорбционной будет ниже (меньше 10^-4 моль/л).

Верхний предел границы определяемых содержаний (меньше 10^-4 моль/л).

Чувствительность высокая. Это объясняется тем, что в отличие от молекулярно-абсорбционной спектроскопии, где мы измеряем разность 2-х сигналов (интенсивность падающего излучения и интенсивность прошедшего излучения), здесь же мы измеряем сам сигнал.

Нижняя граница определяемых содержаний. Предел обнаружения составляет 10^-7 % и даже 10^-8%. В некоторых случаях можно достичь значений 10^-12 моль/л.

Преимущества: Воспроизводимость порядка 5 %. Неплохая себестоимость метода. Это связано с тем, что флуоресцируют гораздо меньше веществ, чем веществ, способных поглощать.

Стоимость приборов немножко дороже приборов, применяемых в абсорбционной спектроскопии, но дешевле приборов, применяемых в атомной абсорбционной спектроскопии.

Область применения:

- можно определять большое число различных минералов

- определение следов урана в горных породах или водах

- определение неорганических твердых люминофоров (это такие твердые материалы на основе фосфатов, карбонатов, фториды щелочных и щелочноземельных металлов)

- органические соединения

- металлоорганические соединения (в особенности ароматические), среди них витамины, гормоны, ферменты, антибиотики, которые контролируют в фармацевтических производствах)

- некоторые пестициды, а именно в экологическом контроле

- углеводороды нефти

Методы молекулярной люминесценции – это методы, в которых излучения поглощаются молекулярными частицами и снова излучаются при другой длине волны. Люминесценция возникает при поглощении молекулы вещества энергией возбуждения. Если поглощается не электрическая, не тепловая, ни какой другой вид Е, тогда наблюдается процесс, который называется фотолюминесценция. Поглощая электромагнитное излучение, молекула переходит в возбужденное состояние (10^-5 сек). Этот переход заканчивается на каком-либо колебательном подуровне возбужденного электронного уровня.

Переход на самый низкий возбужденный уровень – этот процесс безызлучательный, он сопровождается выделением тепла, т.е. избыток Е выделяется в виде тепла. А затем происходит возвращение молекулы на любой колебательный уровень основного состояния. Этот процесс может протекать по-разному:

1)молекула может просто отдавать оставшуюся Е возбуждения соседним молекулам при столкновении (чаще всего это молекулы растворителя). Такой безызлучательный процесс называется колебательной релаксацией. Эта Е может выделяться в виде повторного излучения, т.е. реизлучения. Процесс испускания излучения большей длины волны называется люминесценция. Излучения возникают спустя примерно 10^-6 – 10^-8 сек. Кратковременная люминесценция, которая затухает сразу после прекращения ее возбуждения называется флуоресценция. Длительная люминесценция, которая еще какое-то время продолжается после прекращения возбуждения, называется фосфоресценция.

Схема прибора: