Люминесценция основные понятия Упоминание о люминесценции датируется

Скачать презентацию Люминесценция основные понятия Упоминание о люминесценции датируется

Luminescence.ppt

Количество слайдов: 77

Люминесценция: основные понятия ■ Упоминание о люминесценции датируется XV веком, когда было описано свечение неорганических кристаллов. Возникновение люминесценции многие связывают с моментом выхода работы Давида Брустера, который в 1833 году описал красную флуоресценцию хлорофилла. ■ The Hound of the Baskervilles (Конан Дойл Артур).

Люминесценция: основные понятия

Люминесцения : основные понятия ■ Итак, что такое люминесценция? Определение этого понятия довольно сложно и исходит из сопоставления свойств люминесцентного излучения и законов теплового равновесного излучения. Под тепловым излучением понимают электромагнитное излучение, обусловленное возбуждением частиц вещества (атомов, молекул, ионов) вследствие их теплового движения. Чтобы вызвать люминесценцию вещества к нему необходимо подвести извне определенное количество энергии. ■ Люминесценция – это свечение атомов, молекул и других более сложных комплексов, возникающего в результате электронного перехода в этих частицах при их возвращении из возбужденного состояния в нормальное (В. Л. Левшин).

Люминесцения : основные понятия ■ Люминесценция – это излучение (B`v, T), представляющее собой избыток над тепловым излучением (Bv, T) вещества при данной температуре и имеющее длительность (>10 -10 c), значительно превышающую период световых волн (Видеман - Вавилов).

Классификация видов люминесценции n По длительности свечения: флуоресценция (~10 -8 c), фосфоресценция (>10 -6 с). n По способу возбуждения (таблица). n По механизму свечения: • свечение дискретных центров – поглощающими и излучающими центрами являются одни и те же частицы (атомы, молекулы, ионы); • рекомбинационное свечение – процессы поглощения и излучения разделены во времени и в пространстве. В процессе возбуждения происходит разделение частицы вещества на две противоположно заряженные части. Последующая их рекомбинация сопровождается выделением энергии.

Классификация методов люминесценции по способам возбуждения

Люминесценция дискретных центров

Рекомбинационное свечение А + hv → A+ + e → A* A* → A + hv

Основные характеристики люминесценции n Спектры поглощения: A = f(λ); A = f(v); T, % = f(λ); T, % = f(v). n Cпектры люминесценции: I = f(λ); I = f(v). n Спектры возбуждения: зависимости интенсивности люминесценции (I) от частоты (волнового числа) или длины волны возбуждающего света; у частиц, люминесцирующих по типу дискретных центров, спектры возбуждения идентичны спектрам поглощения. n Энергетический выход люминесценции. n Квантовый выход люминесценции. n Время жизни возбужденного люминесцентного центра.

Фотолюминесцеция

Относительное расположение спектров поглощения и люминесценции молекул

Типичные спектры возбуждения и люминесценции (сплошная линия)

Молекулярные спектры поглощения и флуоресценции

Молекулярные спектры возбуждения и флуоресценции

Молекулярные спектры флуоресценции и фосфоресценции

Выход люминесценции n Способность вещества к люминесценции в данной среде характеризуется величиной выхода люминесценции. n Различают абсолютный квантовый и энергетический выходы люминесценции и относительный выход люминесценции. n Абсолютным квантовым выходом люминесценции (φкв) называют отношение числа квантов Nл, излученных веществом, к числу поглощенных квантов возбуждающего света Nп: φкв = Nл / Nп ■ φкв определяется соотношением между вероятностями излучательного (α) и безызлучательного (β): φкв = α / α + β

Выход люминесценции n Абсолютным энергетическим выходом люминесценции (φэн) называют отношение излучаемой веществом энергии Ел к поглощенной энергии возбуждения Еп: φэн = Ел / Еп ■ Абсолютный энергетический и квантовые выходы связаны простым соотношением: φэн = Ел / Еп = Nл • hvл / Nп • hvп = φкв • (vл / vп) или φэн = φкв • (λп / λл); φкв = φэн • (λл / λп) ■ Измерение абсолютных выходов люминесценции представляет трудную задачу, поэтому на практике чаще измеряют относительный выход люминесценции.

Время жизни возбужденного люминесцентного центра n В случае люминесцентных дискретных центров число возбужденных центров n после прекращения возбуждения в отсутствии безызлучательных процессов дезактивации будет уменьшаться со временем: -dn/dt = k 1 n, где k 1 – константа скорости мономолекулярного излучательного процесса. ■ Среднее излучательное время жизни (τ0) люминесцентного центра определяется выражением: τ0 = 1/ k 1

Время жизни возбужденного люминесцентного центра n Для грубых оценок применимо соотношение: 10 -4 τ0 ≈ ———— ε(λmax) n Таким образом, среднее излучательное время жизни возбужденного состояния тем меньше, чем интенсивнее поглощение, приводящее к его возникновению. n Поскольку имеют место безызлучательные процессы, измеряемые времена жизни τ всегда меньше τ0 : 1 τ = —————— k 1 + k 2 + k 3

Энергетические переходы в молекуле n При комнатной температуре молекула обычно находится в n n основном S 0 синглетном состоянии. При поглощении энергии молекула оказывается в возбужденном электронном состоянии S 2. Далее практически мгновенно (~10 -12 с) в результате колебательной релаксации (КР) достигается невозбужденный колебательный уровень S 2. Далее также практически мгновенно (~10 -11 с) вследствие внутренней конверсии молекула перейдет в более низкое электронно-возбужденное состояние S 1. Переход S 1 → S 0 с испусканием фотона (10 -6 - 10 -9 с) – флуоресценция.

Энергетические переходы в молекуле

Диаграмма энергетических уровней Яблонского –Теренина - Льюиса и электронные переходы в молекуле

Энергетические переходы в молекуле ■ Безызлучательный переход S 1 → T 1 с изменением спина электрона – интеркомбинационная конверсия. n Переход T 1 → S 0 с испусканием фотона (>10 -4 c) – фосфоресценция.

Замедленная флуоресценция n Помимо флуоресценции и фосфоресценции существует еще один вид люминесценции – замедленная флуоресценция. n Этот вид молекулярной люминесценции наблюдается в весьма ограниченных диапазонах температур, вязкостей и концентраций растворов. n По сравнению с флуоресценцией и фосфоресценцией ее интенсивность невелика и достигает максимальных значений при комнатной и более высоких температурах, заметно ослабевая с понижением температуры. n Различают замедленную флуоресценцию Е – типа.

Замедленная флуоресценция Е - типа n Замедленная флуоресценция Е – типа: за счет термической активации молекул в состоянии Т 1 происходит их переход на более высокие колебательные уровни, которые могут перекрываться с колебательными уровнями S 1 и и становится возможным переход Т 1 → S 1.

Замедленная флуоресценция n Замедленная флуоресценция Р - типа (наблюдаемая у молекул пирена и других ароматических соединений): возникает при переносе энергии в результате столкновений

Диаграмма потенциальной энергии n При рассмотрении люминесценции полезно рассмотрение диаграммы потенциальной энергии. n Ограничимся двумерными диаграммами, относящимися, строго говоря, к случаю двухатомной молекулы.

Диаграмма потенциальной энергии n Кривые потенциальной энергии состояний S 1 и T 1 пересекаются в некоторой точке. n В этой точке положение и импульсы атомных ядер одни и те же, т. е. возможен S 1 → T 1 переход. n В сложных многоатомных молекулах многомерные потенциальные поверхности могут пересекаться во многих точках, что увеличивает вероятность ИК. n Принцип Франка – Кондона. Согласно этому принципу электронные переходы являются настолько быстрыми процессами (10 -13 с) по сравнению с движением ядер (10 -12 с), что за время электронного перехода ядра не успевают изменить ни своей скорости ни своего взаимного расположения.

Принцип Франка - Кондона n Поэтому прежнее положение ядер будет соответствовать изменившимся в результате электронного перехода силам только в том случае, если молекула будет совершать достаточные колебания. n Так, при электронном возбуждении молекулы прочность связи мгновенно ослабевает, а ядра в первый момент продолжают занимать прежнее близкое друг к другу положение (сжатая молекула). n Такое несоответствие приводит к тому, что молекула начинает совершать колебания. n За короткое время жизни возбужденного состояния (10 -9 с) избыточная колебательная энергия успевает распределиться между многочисленными колебаниями молекулы или передаться окружающей среде.

Принцип Франка - Кондона n В результате молекула из неравновесного Франк – Кондоновского состояния переходит в равновесное, в котором ядра в соответствии с ослабленной связью разнесены друг от друга и совершают относительно этого положения колебания. n Далее – при испускании кванта люминесценции прочность связи в молекуле мгновенно усиливается, ядра же в первый момент продолжают занимать прежнее, далекое друг от друга положение (растянутая молекула). n И снова – переход из неравновесного Франк - Кондоновского состояния в равновесное осуществляется в результате колебаний.

Принцип Франка - Кондона n Итак, согласно принципу Франка - Кондона, при электронном возбуждении внутримолекулярные связи, как правило, ослабляются. n Это приводит к тому, что минимум потенциальной кривой возбужденного состояния расположен при несколько большем межъядерном расстоянии, чем у основного состояния. n Как следует из квантовой механики, наиболее вероятное межъядерное расстояние для молекулы с нулевой колебательной энергией соответствует средней точке АВ или CD.

Принцип Франка - Кондона n Наиболее вероятными будут переходы, отвечающие вертикальным линиям, проведенным из середины отрезков АВ (поглощение)или CD (испускание) до пересечения с соответствующими потенциальными кривыми:

Принцип Франка - Кондона

Фотолюминесценция n Способность веществ к люминесценции, как и к поглощению излучения, связана с их электронным строением. n Например, если низшее возбужденное синглетное состояние органической молекулы обусловлено π → π* переходом, то она часто имеет высокие выходы и флуоресценции и фосфоресценции. n В тех же случаях, когда низшее возбужденное синглетное состояние возникает в результате n → π* перехода, то молекула обычно обладает малым выходом флуоресценции , но может обладать высоким выходом фосфоресценции при низкой температуре. n Обычно переход n → π* является наиболее длинноволновым переходом.

Электронная структура и оптические свойства молекулы (классификация Каши)

Расположение и форма молекулярных (гибридных) орбиталей

Фотолюминесценция n Вероятность такого перехода мала (ε λmax ~ (1 - 2) • 103 M -1 • см-1), а время жизни возбужденного синглетного состояния n , π*, а значит и вероятность безызлучательной дезактивации велики. n Экспериментально установлено, что разница в энергиях S 1 ↔ T 1 для состояния n , π* в 2 - 4 раза меньше, чем для состояния π, π*. n Все это приводит к тому, что часто соединения, содержащие n - электроны, слабо или вовсе не флуоресцируют, но сильно фосфоресцируют.

Электронная структура и оптические свойства молекулы (классификация Каши)

Структура и оптические свойства молекул n Замечено, что наибольшей способностью к люминесценции обладают симметричные молекулы с протяженной системой сопряженных связей, склонные к образованию орто - и пара - хиноидных колец. n Одним из наиболее важных факторов, обуславливающих люминесценцию, является требование о наличии жесткой и плоской структуры. n По - видимому, относительное вращение частей «гибкой» молекулы возмущает электронные оболочки и облегчает безызлучательные переходы. n Например, известный гормон адреналин не люминесцирует, но при окислении превращается в ярко люминесцирующий триоксидон.

Структура и оптические свойства молекул n адреналин (I) → триоксидон (II)

Структура и оптические свойства молекул n Люминесцирующий флуоресцеин отличается от нелюминесцирующего фенолфталеина только тем, что в молекуле флуоресцеина кислородный мостик жестко удерживает два кольца в одной плоскости: флуоресцеин фенолфталеин

Основные закономерности молекулярной люминесценции n Правило Каши: форма спектра люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света. n Закон Стокса - Ломмеля: спектр люминесценции в целом и его максимум сдвинут со спектром поглощения и его максимумом в длинноволновую область. n Правило Левшина (правило зеркальной симметрии): нормированные спектры поглощения и флуоресценции, представленные в виде графиков ε = f(v) и I/v = f(v), зеркально симметричны относительно прямой, перпендикулярной к оси частот и проходящей через точку пересечения спектров v 0.

Основные закономерности молекулярной люминесценции n Правило Левшина: va + vf = 2 v 0, где va, vf – симметричные частоты поглощения и флуоресценции; v 0 – частота чисто электронного перехода, т. е. перехода между нулевыми колебательными уровнями S 0 ↔ S 1; ∆v = va - vf = 2(va - v 0)

Основные закономерности молекулярной люминесценции n Закон Вавилова: по мере увеличения λв энергетический выход флуоресценции возрастает, сохраняет постоянную величину и затем уменьшается.

Закон Вавилова

Закон затухания люминесценции n Для интенсивности люминесценции Iл, определяемой скоростью испускания квантов люминесценции, имеем: dn Iл = - ——— = k 1 • n 0 • e-k 1 t = Iл 0 • e-k 1 t, dt где Iл 0 – интенсивность люминесценции в первый момент после прекращения возбуждения. n Таким образом, интенсивность люминесценции дискретного центра уменьшается со временем по экспоненциальному закону. n Затухание рекомбинационного свечения происходит по более сложному гиперболическому закону.

Зависимость интенсивности люминесценции от концентрации n При стационарном (непрерывном) возбуждении образца и отсутствии тушения: Iл = k 1 • φкв • Nп (Nп – число поглощенных квантов); Nп = k 2 • (I 0 – I); I = I 0 • 10 -εℓC; Iл = k • φкв • I 0 (1 - 10 -εℓC), где k – коэффициент пропорциональности; Разложение 10 -εℓC в ряд дает: (2, 3εℓC) 2 (2, 3εℓC)3 1 - 2, 3εℓC + ———— - ———— + ……. ; 2! 3!

Зависимость интенсивности люминесценции от концентрации ■ При εℓC ≤ 10 -2 вклад третьего и последующих членов разложения незначительны: Iл = 2, 3 • k • φкв • I 0 • ε • ℓ • C; Iл = k • C; обычно ε ~ 103 – 104, тогда при ℓ = 1 см Сi = 10 -5 – 10 -6 M

Причины отклонения зависимости Iл = k. C от линейности ■ Эффект внутреннего фильтра связан с поглощением части возбуждающего излучения при прохождении через слой люминофора; ■ Самопоглощение – поглощение люминофором части люминесцентного излучения; ■ Тушение люминесценции: • концентрационное тушение (образование нелюминесцирующих агрегатов, миграция энергии от возбужденных молекул к невозбужденным); • температурное тушение (внутримолекулярный процесс, обусловленный значительным увеличением колебательной энергии при повышении Т);

Тушение люминесценции ■ Тушение люминесценции: • тушение посторонними веществами ( тяжелые ионы: I-, Br-, Cs+, Cu+; парамагнитные Mn 2+, O 2; молекулы растворителя); • статическое тушение (примесное вещество образует с невозбужденным люминофором нелюминесцирующие продукты); • динамическое тушение (примесное вещество образует с возбужденным люминофором нелюминесцирующие продукты).

Тушение люминесценции ■ Уравнение Штерна - Фольмера: φкв(Q) = k 1 / (k 1 + k 2 + k 3 [Q];

Спектофлуориметры ■ Принципиальная схема

Практическое применение люминесценции ■ Принципиальная схема

Практическое применение люминесценции Флуориметрические определения: cобственная люминесценция (UO 22+, комплексные галогениды тяжелых металлов Tl+, Sn 2+, Sb 3+, Te(IV), Pb 2+, Bi 3+, In 3+ и др. , кристаллофосфоры, органические соединения); флуоресценция комплексных соединений ионов металлов с органическими реагентами. ■ Фосфориметрические определения. ■ Временная селекция. ■ Синхронное сканирование спектров (производные спектры). ■ Хемилюминесцентный анализ. ■

Флуориметрические определения

Флуориметрическое определение AI с морином

Флуориметрические определения органических реагентов (эффект Шпольского)

Фосфориметрические определения

Синхронные спектры ■ Синхронные спектры получают при одновременном (синхронном) сканировании (изменении) длин волн возбуждения и испускания с постоянным сдвигом Δλ между ними. ■ При этом наблюдается значительное упрощение спектров люминесценции сложных молекул, сужение их полос и, как следствие, повышение селективности определений, а также уменьшение фонового свечения за счет подавления релеевского и комбинационного рассеяния растворителя. ■ Оптимальным условием для достижения наиболее интенсивного сигнала и наименьшей полуширины линии является синхронное сканирование с условием: Δλ = λисп (макс. ) - λвозб (макс. )

Синхронное сканирование спектров

Трехмерные спектры ■ Трехмерные спектры представляют собой зависимость интенсивности люминесценции как от длины волны возбуждения, так и от длины волны испускания. ■ Трехмерные спектры имеют вид «горной гряды» . Каждая строка такой гряды представляет собой спектр излучения, а каждый столбец – спектр возбуждения. ■ Такие спектры получают из большого числа (обычно не менее 50) индивидуальных спектров люминесценции, записанных через определенные промежутки длин волн возбуждения. ■ Трехмерные спектры дают полную картину спектральных свойств исследуемого образца.

Трехмерные спектры

Контурные (двумерные) спектры ■ Использование трехмерных спектров для анализа смесей, содержащих более трех компонентов, и имеющих широкие размытые полосы в одной и той же спектральной области, представляет неразрешимую задачу. ■ В данном случае более перспективным является использование контурных спектров – результат сечения трехмерного спектра плоскостями, параллельными плоскости ХОУ, с последующим объединением полученных сечений в одной плоскости ХОУ. ■ Получающиеся изображения напоминают контурные карты (контурные спектры), которые являются «отпечатками пальцев» индивидуального соединения.

Контурные (двумерные) спектры Контурный спектр флуоресценции раствора антрацена

Производные спектры

Хемилюминесцентный анализ ■ Хемилюминесцентный анализ основан на явлении хемилюминесценции (ХЛ). Этот вид свечения не требует внешнего источника возбуждения, а возникает за счет энергии экзотермических химических процессов: A + B → P* + C P* → P + hvcl n В растворах ХЛ наблюдается главным образом в реакциях окисления органических веществ кислородом или пероксидом водорода. n Образование продуктов реакции происходит чаще всего по сложному радикально-цепному механизму. n Так, многие полагают, что окисление люминола (I) протекает с участием радикалов HO 2*, HO*, O 2*.

Хемилюминесцентный анализ ■ Окисление люминола (I) пероксидом водорода в присутствии катализатора Cu 2+:

Хемилюминесцентный анализ Градуировочный график для определения ионов Cu 2+ при концентрации люминола 2 • 10 -3 М, Н 2 О 2 - 6 • 10 -2 М, р. Н = 12, 9

Хемилюминесцентный анализ ■ Основные группы определяемых соединений: • хемилюминесцентные соединения, которые при окислении излучают свет (люминол, люцигенин, лофин и др. ); • окислители (пероксид водорода, гипохлориты, гипобромиты, персулфаты, перманганат калия, молекулярный кислород и др. ); • катализаторы индикаторных реакций (ионы меди, кобальта, марганца, никеля, железа и др. ); • ингибиторы индикаторных реакций (ароматические соединения, содержащие фенольные и аминогруппы); • соединения, изменяющие р. Н среды (щелочи, карбонаты, органические основания и др. ). ■ Сортовой ХЛ анализ и индикаторные методы.

Хемилюминесцентный анализ ■ Сортовой ХЛ анализ применяется при испытаниях вин, соков плодов и овощей, мясных экстрактов и т. д. Так, по реакции окисления люминола в присутствии катализатора - комплекса ионов меди с α-аминокислотами, содержащимися в соке картофеля, можно улавливать сортовые различия картофеля: сорта различаются по содержанию аминокислот. ■ К индикаторным методам ХЛ анализа относятся различные виды титрования с использованием хемилюминесцентных индикаторов (ХЛИ). В отличии от флуоресцентных индикаторов для работы с ХЛИ не требуется источника возбуждения.

Хемилюминесцентный анализ (аналитические характеристики) ■ Большей частью ХЛ – определения отличаются высокой чувствительностью: пределы обнаружения 10 -10 – 10 -4 г/мл при конечном объеме 2 – 5 мл. ■ Селективность ХЛ – определений, как правило, невысока, так как многие вещества влияют на скорость индикаторной реакции. Однако варьирование условий определения или применение маскирующих агентов позволяет «смягчить» этот недостаток. ■ Простота, доступность и дешевизна аппаратуры, используемой в ХЛ, в сочетании с возможностью экспрессного, высокочувствительного, а при определенных условиях, и селективного определения большого круга соединений обуславливает распространенность ХЛ.