ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ 1 Виды люминесценции 2 Механизм и

«ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ» 1. Виды люминесценции 2. Механизм и свойства люминесценции 3. Применение люминесценции. Использование люминофоров и люминесцентного анализа в медицине

1. Виды люминесценции Помимо теплового излучения, многие тела в результате различных внешних возбуждений дают избыточное излучение, которое не определяется температурой тела Например: qсвечение экрана в телевизоре, qсвечение газа в газоразрядной трубке при прохождении через него электрического тока, qсвечение некоторых живых организмов (светлячков), qсвечение сахара при раскалывании, qсвечение гниющего дерева и т. д. Люминесценция – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела, если его длительность после прекращения внешнего воздействия (послесвечение) значительно превышает период световых колебаний (10 -15 с).

Первая часть определения люминесценции была введена Е. Видеманом и отделяет люминесценцию от теплового равновесного излучения, указывая на то, что понятие люминесценции применимо только к совокупности атомов (молекул) находящихся в состоянии, близком к равновесному. При сильном отклонении от равновесного состояния говорить о тепловом излучении или люминесценции не имеет смысла В видимой части спектра тепловое излучение становится заметным только при температурах ~ 103 -104 К, люминесцировать же в этой области тело может при любой температуре. Поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением. Вторая часть определения – критерий длительности – была введена С. И. Вавиловым, и отделяет люминесценцию от более кратковременных явлений вторичного излучения: §отражения и рассеяния света, §тормозного излучения заряженных частиц, §излучения Вавилова – Черенкова.

По виду возбуждения различают: §фотолюминесценцию (возбуждение светом), §радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией, например, ионо-, катодо-, рентгено-, люминесценции), §кандолюминесценцию (возбуждение при механических воздействиях), §электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), §хемилюминесценцию (возбуждение при химических реакциях), в частности биолюминесценцию, §радикалорекомбинационную люминесценцию, §лиолюминесценцию (возбуждение при растворении кристаллов).

По длительности свечения различают: §флуоресценцию (быстрозатухающую люминесценцию), §фосфоресценцию (длительную люминесценцию). По механизму элементарных процессов различают: §резонансную, §метастабильную (вынужденную), §спонтанную, §рекомбинационную люминесценции Люминесцировать могут вещества во всех агрегатных состояниях – газы и пары, растворы органических веществ, кристаллические вещества, стекла Основное условие для люминесцирования - наличие дискретного спектра. Вещества с непрерывным энергетическим спектром не люминесцируют, поскольку в них энергия возбуждения непрерывным образом переходит в теплоту.

Для возникновения люминесценции необходимо, чтобы вероятность излучательных переходов была больше вероятности безызлучательных переходов. При фотолюминесценции отношение числа испущенных квантов света N к числу поглощенных квантов света Nп называют квантовым выходом люминесценции: . Повышение вероятности безызлучательных переходов вызывает тушение люминесценции. Эта вероятность возрастает при повышении: §температуры (температурное тушение), §концентрации люминесцирующих молекул (концентрационное тушение), §примесей (примесное тушение). Тушение люминесценции зависит как от природы люминесцирующего вещества и его агрегатного состояния, так и от внешних условий.

2. Механизм и свойства люминесценции При возбуждении люминесценции атом (молекула), поглощая энергию, совершает переход 1 3. Квантовые переходы при элементарном процессе люминесценции: 1 – основной уровень энергии, 2 – уровень испускания, 3 – уровень возбуждения. пунктирная линия – переход при резонансной люминесценции, волнистая линия – безызлучательный переход В атомных парах (Nа, Сd, Нg, . . . ), некоторых простых молекулах и в примесных атомах люминесценция может происходить непосредственно при переходе 3 1.

Тогда частоты люминесценции и возбуждающего света совпадают и люминесценция является резонансной. При взаимодействии с окружающими атомами возбужденный атом может передать им часть энергии и перейти на уровень 2. При излучательном переходе с уровня 2 имеет место спонтанная люминесценция. Обычно уровень 2 лежит ниже уровня 3, и часть энергии при возбуждении теряется на тепло, а длина волны испущенного света больше, чем поглощенного – это стоксова люминесценция, и имеет место правило Стокса: спектр излучения в целом и его максимум сдвинуты по отношению к спектру поглощенного излучения (вызывающему люминесценцию) и его максимуму в сторону более длинных волн

Но возможны также процессы, когда излучающий атом получает дополнительную энергию от других атомов. В этом случае испущенный квант может иметь меньшую длину волны – и мы имеем антистоксову люминесценцию. Может реализовываться также ситуация, когда атом перед переходом на уровень испускания 2 оказывается на промежуточном метастабильном уровне 4 : 1 – основной уровень энергии, 2 – уровень испускания, 3 – уровень возбуждения, 4 – метастабильный уровень. Для перехода на уровень 2 атому нужно сообщить дополнительную энергию (например, энергию света или теплового движения). Возникающая в таких процессах люминесценция называется метастабильной

3. Применение люминесценции. Использование люминофоров и люминесцентного анализа в медицине Исследование спектров люминесценции является составной частью спектроскопии и дает информацию об энергетическом спектре вещества. Люминесцирующие вещества являются активной средой лазеров. Яркость люминесценции, ее высокий энергетический выход позволили создать нетепловые источники света (газоразрядные и люминесцентные лампы) с высоким КПД. Катодолюминесценция лежит в основе свечения экранов осциллографов, телевизоров, локаторов и т. д. Многие полупроводниковые светодиоды основаны на явлении электролюминесценции. В рентгеноскопии используется рентгенолюминесценция.

Люминесцентный анализ - методы исследования объектов, при которых регистрируется либо собственное свечение объекта, либо свечение специальных люминофоров, которыми обрабатывается исследуемый объект качественный и количественный химический анализ обнаруживают присутствие или определяют содержание определенных веществ в смеси сортовой люминесцентный анализ позволяет разделять объекты по наличию или отсутствию люминесценции

В люминесцентном анализе чаще всего используются фотовозбуждение, осуществляемое обычно с помощью газоразрядных ламп и лазерного излучения. Регистрируют люминесценцию визуально или с помощью фотоэлектрических приемников. В химическом люминесцентном анализе наличие и концентрация тех или иных примесей в смеси определяются по интенсивности и спектру излучения. Чувствительность химического люминесцентного анализа очень высока и позволяет обнаруживать примеси в концентрации ~10 -10 – 10 -11 г/см 3. В газовой фазе удается регистрировать отдельные атомы. Сортовой люминесцентный анализ применяют: §в медицине и ветеринарии для обнаружения грибковых заболеваний, §в сельском хозяйстве – для обнаружения заболеваний растений и семян, § в геологии при поиске полезных ископаемых.

Под действием ультрафиолетового излучения флуоресцируют многие ткани организма, ногти, зубы, непигментированные волосы, роговая оболочка, хрусталик глаза и др. В определенных случаях по характеру свечения можно отличить патологически измененные ткани от нормальных, злокачественные опухоли от доброкачественных. Так, например, во время операций обнаруженная опухоль облучается ртутно-кварцевой лампой и по цвету люминесцентного свечения определяется ее характер. Характерное свечение дают бактериальные и грибковые колонии, это явление часто используется при диагностике кожных болезней. При люминесцентном микроанализе исследуются гистологические препараты, имеющие собственную флуоресценцию или окрашенные флуоресцирующими красками.

Люминофоры – специально синтезируемые вещества, способность к люминесценции которых при различных способах возбуждения используется для практических целей. Различают органические и неорганические люминофоры. Из неорганических люминофоров наиболее широко применяют кристаллофосфоры, которые используют в светотехнике, телевидении, измерительной технике, медицине, ядерной физике, квантовой электронике и т. д. Органические люминофоры это сложные высокомолекулярные соединения: ароматические углеводороды и их производные, гетероциклические соединения, комплексные соединения атомов металлов с органическими лигандами и т. д. Их используют в молекулярной биологии и медицине для обнаружения и определения малых количеств вещества.

Особое значение имеет применение небольших количеств некоторых органических люминофоров (например, флуоресцины, акридин желтый) в качестве меток и микрозондов для изучения : qжизнедеятельности клеток, qпроницаемости мембран, qмежклеточных взаимодействий, qтранспорта лекарственных препаратов или отравляющих веществ в живых организмах; q для установления границ поражения тканей.