Люминесцентный анализ

Люминесцентный анализ Люминесценция • Люминесценция. Виды люминесценции. • Механизмы фотолюминесценции. • Спектр возбуждения и спектр люминесценции. Правило Стокса. • Хемилюминесценция. • Использование люминесценции в биологии и медицине. 1. Люминесценция. Виды люминесценции. Люминесценцией называют свечение тел, которое не может быть объяснено их тепловым излучением. Так, например, в видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при температуре 104 - 105 K, а люминесцировать тело может при любой температуре. Поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением. Одной из причин, вызывающих люминесценцию является внешнее излучение, которое возбуждает молекулы тела. Например, падающий свет.

После прекращения процесса облучения люминесцентное свечение не прекращается тотчас же, а продолжается ещё некоторое время. Это последействие отличает люминесценцию от таких явлений, как отражение и рассеивание света. В настоящее время в физике принято следующее определении люминесценции: Люминесценция – излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний (1015 с). Вещества способные превращать поглощаемую им энергию в люминесцентное свечение, называют люминофорами. Люминесценция – результат квантовых переходов в возбуждённых атомах, молекулах, кристаллах.

В зависимости от вида возбуждения различают cледующие типы люминесценции: - Ионная люминесценция, вызванная заряженными частицами (ионами); - Катодолюминесценция, возникает при возбуждении атомов электронами (кинескопы, экраны осциллографов); - Рентгенолюминесценция - возникает при возбуждении атомов рентгеновским и - излучением; -Фотолюминесценция – возникает при возбуждении атомов светом (ультрафиолетовые лучи и коротковолновая часть видимого света); -- Электролюминесценция - под действием электрического поля; -Хемилюминесценция, которое возникает при возбуждении молекул в процессе химических реакции(фосфор, светлячки). Биолюминесценция, возникает в биологических объектах в результате биохимических реакций

Люминесцентный анализ Чаще всего тела люминесцируют, под действием видимого света и ультрафиолетового излучения и этот вид люминесценции как уже было сказано выше, называется фотолюминесценцией. Фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию - кратковременное послесвечение длительность, которого составляет 10 -9 – 10 -8 с фосфоресценцию – продолжительное остаточное свечение, длительность которого составляет 10 -9 – 10 -8 с. Рассмотрим механизмы возникновения фотолюминесценции в наиболее общих случаях.

Люминесцентный анализ 2. Механизм фотлюминесценции. Начальным актом любой фотолюминесценции является возбуждение атома или молекулы вещества фотоном с энергией Е=h. В наиболее простом случае, который реализуется в одноатомных парах и газах - атом после возбуждения возвращается в основном, невозбужденном состоянии, излучая фотон той же частоты (рис. 1 ). Это явление называется резонансной флуоресценцией. Она возникает и прекращается сразу после освещения. Рис. 1

Люминесцентный анализ Если в этих парах или газах добавить атомы инородных газов, как например, Н 2 или О 2, тогда h h , то есть энергия фотонов люминесценции меньше энергии фотонов возбуждения, которые вызывают эту люминесценцию. Такая фотолюминесценция происходит по схеме представленной на рисунке 2. Рис. 2

Люминесцентный анализ В сложных органических молекулах возникает переход с возбужденного энергетического уровня 4, в некоторое промежуточное метастабильное состоянии 3, переход из которого в основное состояние маловероятен (рис. 3 ). За счет молекулярно - кинетической энергии возможен переход на уровень 2, а с него уже в основном состоянии-1. Рис. 3

Люминесцентный анализ 2. Люминесцентные явления подчиняются закону Стокса , который гласит: Спектр люминесценции сдвинут в сторону более длинных волн относительно спектра вызвавшего эту люминесценцию (рис. 4). Рис. 4

Люминесцентный анализ Имеются и отклонения от закона Стокса. При возбуждении молекул монохроматическим светом, находившихся уже в возбужденном состоянии возможна люминесценция, при которой h h ; . Такая люминесценция называется антистоксовой (рис. 5). Рис. 5

Люминесцентный анализ Ряд биологически функциональных молекул, например молекулы белков, обладают флуоресценцией. Параметры флуоресценции чувствительны к структуре окружения флюоресцирующей молекулы, поэтому по спектрам люминесценции можно изучать химические превращения а также и межмолекулярные взаимодействия. В последние десятилетия стали широко применять специальные флуоресцирующие молекулы, добавляемые к мембранным системам извне. Такие молекулы получили название флуоресцентных зондов (не ковалентная связь с мембраной) или флуоресцентных меток (химическая связь). Изменение флуоресценции зондов и меток позволяет обнаружить конформационне перестройки в белках и мембранах.

Люминесцентный анализ 4. Использование люминесценции в биологии и медицине. Определение природы и состава вещества по спектру его люминесцентного излучения называется люминесцентным анализом. В биофизических исследованиях часто используется флюориметрия- метод основанный на возбуждение исследуемой структуры модулированной по частоте ультрафиолетовым светом. На рисунке 6 представлена принципиальная схема флюориметра:

Люминесцентный анализ Рис. 6 S - источник возбуждения флюорисценции (ртутная лампа); F 1 - фильтр для возбуждающего излучения (пропускает только ультрафиолетовое излучение); D - узкая щель с диаметром меньше одного мм; E - предмет исследования; F 2 - фильтр для люминесцентного излучения; CFE - регистрирующее устройство (фотоэлемент);

Люминесцентный анализ Под действием ультрафиолетого излучения флюорисцируют многие ткани организма: ногти, зубы, неба, непигментированные волосы, роговица, хрусталик глаза. По характеру свечения можно определить патологическое изменение тканей от нормального состояния. Характерное свечение дают бактериальные и грибковые заболевания особенно в области дерматологии. Люминесцируют также и многие фармацевтические препараты.