ТЕМА ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ 1 Определение 2 Виды люминесценции 3

ТЕМА: ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ 1. Определение. 2. Виды люминесценции. 3. Квантовые переходы в процессе люминесценции. 4. Законы люминесценции. 5. Использование люминесценции

Люминесценцией называют избыточное над тепловым излучение тела при данной температуре, имеющее длительность, значительно превышающую период (10 -15 с) излучаемых световых волн. Первая часть этого определения предложена Э. Видоманом и отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Вторая часть — признак длительности — введена С. И. Вавиловым для того, чтобы отделить люминесценцию от других явлений вторичного свечения — отражения и рассеяния света, а также от вынужденного испускания и тормозного излучения заряженных частиц.

В 1492 году Христофор Колумб обнаружил и описал удивительные воды цепи озер в Австралии: с заходом солнца, вода начинает излучать голубой свет. Моряки окрестили этот феномен огнем из преисподней. Лишь через 100 лет этому феномену нашлось научное объяснение. Причиной является биолюминесценция – химические реакции жизнедеятельности живых организмов, населяющих воды озера: свечение возникает при ферментативном окислении кислородом воздуха специфических веществ - люциферинов

Примером био-хемилюминесценции, вызываемой биохимической реакцией, служат насекомые, медузы (медуза Aequorea). Они светятся постоянно, благодаря тому, что в их организме постоянно синтезируются и обновляются необходимые для испускания света химические вещества (люциферины).

Виды люминесценции Люминесценция тел (холодное свечение) – отличается от свечения нагретых тел, она происходит без нагревания. Вещества, способные давать холодное свечение, называют люминофорами. Люминофор – вещество, способное преобразовывать поглощаемую им энергию в световое излучение. Люциферинытипичные природные люминофоры. Люминесценцию принято классифицировать: q по способу возбуждения q по длительности свечения.

Вопрос № 1 1. Люминесценция – свечение нагретых тел. 2. Люминесценция происходит без нагревания тел. 3. Явление люминесценции возможно только в растворах. 4. Затрудняюсь ответить.

Виды люминесценции (по способу возбуждения молекул): 1. Фотолюминесценция - возбуждение видимым или УФ излучением 2. Рентгенолюминесценция - возбуждение рентгеновским излучением 3. Катодолюминесценция - свечение люминофора при бомбардировке его электронами (катодными лучами) 4. Радиолюминесценция – свечение под действием ядерных излучений (альфа-частиц, бета-частиц, гамма-излучения, протонов и пр. ) 5. Хемилюминесценция (био-хемилюминесценция) - свечение за счет энергии химических (и биохимических) реакций 6. Электролюминесценция - свечение люминофоров в электрических полях 7. Сонолюминесценция - возбуждение звуком или УЗ 8. Триболюминесценция – свечение в результате деформации при растирании, раскалывании кристаллов (сахара)

Фотолюминесценция молекул Фотолюминесценция (люминесценция) Фосфоресценция флуоресценция (кратковременное послесвечение) (длительное послесвечение)

Люминесценция возникает в результате квантовых переходов излучающей системы с каких-либо возбужденных уровней на более низкие уровни энергии.

В молекулах три типа энергетических уровней : электронные, колебательные, вращательные Энергия Евращ Еэл 2 Екол 1 Еэл 1 Еэл >> Екол >> Евращ Полная энергия в молекуле: Е = Еэл + Екол + Евращ принимают дискретные значения (квантуются)

Вопрос № 2 1. Фосфоресценция- длительное послесвечение. 2. Сонолюминесценция возбуждается видимым светом. 3. Люминесценции возникает при квантовых переходах на верхние энергетические уровни. 4. Затрудняюсь ответить.

Пути растраты энергии в молекулах Синглетное возбужденное состояние S- колебательные энер. уровни T 1 - синглетные состояния триплетное возбужденное состояние П - возбуждение (поглощение), 10 -15 сек Энергия ВК П T 1 Фл Безызлучательные переходы Фос Основное состояние (невозбужденное) Фл - флуоресценция (10 -9 – 10 -7 сек) Фос - фосфоресценция (10 -3 – 102 сек)

Переходы молекулы из возбужденных состояний S 1, S 2… Sn в основное состояние S 0 a) Растрата энергии возбужденного состояния на тепло без излучения кванта света внутренняя конверсия) (безызлучательный переход, б) Флуоресценция (Фл) – высвечивание кванта света при переходе молекулы из возбужденного состояния S 1 в основное состояние S 0 t = 10 -9 – 10 -7 сек Переход может происходить на разные колебательные подуровни S 0 , поэтому, в спектре флуоресценции будет тонкая структура

в) обращение спина электрона на возбужденном уровне S 1, переход молекулы в триплетное возбужденное состояние Т 1 Время жизни молекулы в триплетном возбужденном состоянии : t ~ 10 -6 c до нескольких секунд б) Фосфоресценция (Фос) – высвечивание кванта света при переходе молекулы из возбужденного состояния T 1 в основное состояние S 0 t = 10 -3 – 10 2 сек

Вопрос № 3 1. Фосфоресценция происходит при переходе с триплетных энергетических уровней. 2. Флуоресценция- более длительное послесвечение, чем фосфоресценция. 3. Время жизни синглетного возбужденного состояния очень велико. 4. Затрудняюсь ответить.

Основные параметры и характеристики люминесценции Спектр люминесценции - зависимость интенсивности люминесценции Iл от длины волны люминесценции) l излучаемого света (т. е. Спектр возбуждения люминесценции - зависимость интенсивности люминесценции возбуждающего света Iл от длины волны l Квантовый выход люминесценции Число излученных квантов люминесценции jл = Число поглощенных квантов

На практике квантовый выход люминесценции считают, используя интенсивности света: Iл- интенсивность люминесценции Iпогл- интенсивность поглощенного света I 0 - интенсивность возбуждающего света I- интенсивность прошедшего через образец света

Основные законы люминесценции Правило Каши: Спектр люминесценции (зависимость интенсивности люминесценции Iл от длины волны l излучаемого света) не зависит от длины волны возбуждающего света. Это означает, что спектры люминесценции характеризуют данный люминофор, поскольку излучение кванта люминесценции происходит только с нижнего возбужденного уровня энергии

Закон Стокса: Спектр люминесценции сдвигается в сторону больших длин волн по сравнению со спектром поглощения (возбуждения) того же вещества

Интенсивность Спектр фосфоресценции лежит в более длинноволновой области по сравнению со спектром флуоресценции того же вещества-вывод из закона Стокса для фотолюминесценции Стоксовский сдвиг флуоресценция поглощение фосфоресценция Длина волны

Вопрос № 4 1. Квантовый выход люминесценции может быть больше единицы. 2. Спектр люминесценции имеет больщую интенсивность, чем спектр поглощения. 3. Спектр люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света. 4. Затрудняюсь ответить.

Энергия квантов света: Епогл > Ефлуор > Ефосф lпогл < lфлуор < lфосф

Закон Стокса триптофан D Iлюм флуоресценция поглощение фосфоресценция 200 300 400 500 l, нм

Закон Вавилова: квантовый выход люминесценции не зависит от длины волны возбуждения люминесценции. Это означает, что для каждого вещества квантовый выход фотолюминесценции постоянен в широкой области длин волн возбуждающего света и резко падает при длинах волн, превышающих ту, при которой наблюдается максимум спектра люминесценции jл = Число излученных квантов люминесценции Число поглощенных квантов

Применение люминесценции 1. Люминесцентный анализ – определение природы и состава вещества по спектру его люминесценции качественный: Определение наличия или отсутствия молекул по положению максимумов (lмах) в спектре люминесценции количественный: Определение концентрации веществ по интенсивности люминесценции: С- концентрация люминофора – квантовый выход Достоинства метода: Ø чувствительность (до люминофора на 1 г вещества Ø простота и доступность оборудования Ø полная безопасность, неинвазивность, регистрируется естественно возникающий в организме продукт

Уровни энергии индивидуальны для каждого вещества. При возбуждении в широком диапазоне длин волн излучение в разных веществах происходит с нижнего возбужденного уровня. Длины волн фотолюминесценции разные.

Вопрос № 5 1. Максимум флуоресценции наблюдается при меньших длинах волн по сравнению с фосфоресценцией. 2. Квантовый выход люминесценции зависит от длины волны поглощения. 3. Переход с синглетного на триплетный уровень сопровождается излучением фосфоресценции. 4. Затрудняюсь ответить.

2. Использование люминесцентных маркеров Флуоресцентные пробы : флуорофоры, которые добавляются к тестируемым системам, не связываются ковалентно с исследуемыми молекулами Флуоресцентные метки (зонды): флуорофоры, ковалентно связывающиеся с молекулами, белками, антителами и т. д.

Уникальную особенность медуз светиться в темных глубинах морей и океанов предлагается использовать в диагностике рака. Британским ученым удалось разработать процесс, в ходе которого человеку в раковые клетки вводятся белки, добытые из люминесцирующих клеток медуз. Белки доставляются к опухоли с помощью безопасного для человека вируса. Добравшись до места локализации опухоли, вирус начинает множиться, образуя все больше и больше необходимых белков. Затем ткани подсвечиваются, и специальная камера определяет точное местоположение этих белков, которое показывает, где именно локализована опухоль. Эта новейшая технология оказалась в 10 раз более чувствительна по сравнению с современными методами сканирования, направленными на обнаружение опухолей

3. Флуоресцентная микроскопия – используют флуоресцентные зонды, которые связываются с определенными структурами клеток

Люминесцентная микрофотография макрофага, внутри которого видны фагоцитированные бактерии, излучающие красное свечение (обработка акридиновым оранжевым).

Схема работы рентгенолюминесцентного сепаратора. При облучении алмаза рентгеновскими лучами он испускает свечение (люминесцирует), которое улавливается фотоэлектронным умножителем. Вырабатываемый при этом сигнал подается на механизм выборки, и алмаз направляется в бункер. Движущийся по транспортеру концентрат, состоящий из алмазов и пустой породы, подвергают воздействию рентгеновских лучей. Специальный механизм выделяет светящиеся объекты и направляет их в бункер

Люминофоры (от латинского lumen — свет и греческого phoros — несущий), твёрдые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений

Тема: Лазеры (оптические квантовые генераторы) Аббревиатура “Лазер” появилась от английского названия Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – усиление света при помощи вынужденного излучения Первый квантовый генератор- мазер (Micro-wave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) был создан в 1954 году одновременно в Советском Союзе (Александр Михайлович Прохоров и Николай Геннадиевич Басов) и в Америке (Чарлз Харт Таунс). Первый работающий твердотельный лазер создан в 1960 году американцем Теодором Майманом (использовался кристалл искусственного рубина).

I. Принципиальные условия для работы лазера

1) Вынужденное (индуцированное) излучение Возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой (атомом), если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии Возбужденное состояние Вынужденное излучение Eфотона = hn Падающий фотон Eфотона = hn = E 2 - E 1 Дублирование фотона

Возбужденное состояние Вынужденное излучение Eфотона = hn = E 2 - E 1 Падающий фотон Дублирование фотона Число вынужденных переходов, совершаемых в секунду, зависит от: - числа падающих в секунду на вещество фотонов (т. е. от интенсивности падающего света) - числа возбужденных молекул (атомов) Чем больше населенность соответствующих возбужденных состояний, тем больше вынужденных переходов

2) Инверсная населенность энергетических уровней Это состояние среды, когда на более высоком энергетическом уровне находится больше частиц (молекул, атомов) среды, чем на более нижнем

Инверсная населенность энергетических уровней Eфотона = hn Вынужденное излучение Падающий фотон Eкаждого фотона = hn = E 2 - E 1 Монохроматическое излучение, усилено в несколько раз

Вопрос № 6 1. Вынужденное излучение может происходить при взаимодействии фотона с уже возбужденным атомом. 2. При инверсной заселенности большинство атомов находится в невозбужденном состоянии. 3. Число вынужденных переходов в секунду не зависит от числа возбужденных молекул. 4. Затрудняюсь ответить.

Активная среда - среда, приведенная в состояние с инверсной населенностью энергетических уровней Создать инверсную заселенность можно только выведя среду из состояния термодинамического равновесия путем удаления частиц с меньшей энергией или специально возбуждая частицы (методы накачки) Оптический резонатор-обеспечивает положительную обратную резонаторсвязь – многократное движение фотонов в активной среде превращает среду в генератор когерентного вынужденного излучения, обычно состоит из двух зеркал

II. Принцип действия и устройство лазеров Рабочее тело Лазерное излучение Зеркало 1 (100% отражает) система накачки Зеркало 2 (90% отражает)

Рабочее тело Лазерное излучение Зеркало 1 (100% отражает) система накачки Зеркало 2 (90% отражает) Рабочее тело – среда (газ, твердое тело), которая внешним воздействием переводится в активное состояние

Рабочее тело Лазерное излучение Зеркало 1 (100% отражает) система накачки Зеркало 2 (90% отражает) Система накачки – устройство для приведения рабочего тела в активное состояние (с инверсной заселенностью уровней): а) Оптическая накачка – возбуждение светом (рубиновый лазер) б) возбуждение путем электрического разряда (гелий-неоновый лазер)

Рабочее тело Лазерное излучение Зеркало 1 (100% отражает) система накачки Зеркало 2 (99% отражает) Оптический резонатор – два плоскопараллельных зеркала, обращенных друг к другу Обеспечивает положительную обратную связь – многократное движение фотонов в рабочем теле, приводящее к лавинообразному нарастанию фотонов лазерного излучения

Рубиновый лазер Рабочее тело – рубин (кристалл окиси алюминия, содержащей 0, 05% ионов хрома Cr 3+) Система накачки – оптическая (импульсный источник света большой мощности) Длина волны лазерного излучения = 694. 3 нм

Короткоживущие возбужденные состояния ионов Cr 3+ Рубиновый лазер Безызлучательный переход Метастабильный уровень (долгоживущий) Поглощение фотона (зеленый или синий свет) Лазерное излучение Вынужденное излучение Основное (невозбужденное) состояние 694. 3 нм

Гелий-неоновый лазер экран препятствие Источник света Рабочее тело – смесь газов гелия (He) и неона (Ne) в соотношении 10: 1 и давлении 150 Па Атомы неона – излучающие, атомы гелия - вспомогательные Система накачки – возбуждение газовой среды через электрический разряд Как правило, длина волны лазерного излучения l= 632. 8 нм

Гелий-неоновый лазер Возбужденное состояние атомов He Метастабильный уровень для Ne Лазерное излучение Возбуждение электрическим разрядом E 0 Перенос энергии с He на Ne при соударении атомов (безызлучательный переход) Гелий (He) 632. 8 нм Спонтанное излучение Неон (Ne) E 0

Вопрос № 7 1. В гелий-неоновом лазере рабочими являются атомы гелия. 2. Оптический резонатор обеспечивает в лазере отрицательную обратную связь. 3. Гелий-неоновый и рубиновый лазер работают по трехуровневой схеме. 4. Затрудняюсь ответить.

III. Особенности лазерного излучения (ЛИ) Высокая монохроматичность – все излученные фотоны ЛИ имеют одинаковую частоту

Когерентность – разность фаз фотонов ЛИ постоянна во времени и в пространстве

Коллимированность – т. е. все лучи в пучке ЛИ почти параллельны Поэтому, интенсивность ЛИ слабо убывает с увеличением расстояния Поляризованность – ЛИ полностью поляризовано Высокая интенсивность: 1014 – 1016 Вт/см 2

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ В МЕДИЦИНЕ В зависимости от характера взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями различают три вида фотобиологических эффектов: 1. Фотодеструктивное воздействие, при котором тепловой, гидродинамический, фотохимический эффекты света вызывают деструкцию тканей. Этот вид лазерного взаимодействия используется в лазерной хирургии. 2. Фотофизическое и фотохимическое воздействие, при котором поглощенная тканями энергия возбуждает в них атомы и молекулы, вызывает фотохимические и фотофизические реакции. На этом виде взаимодействия основывается применение лазерного излучения как терапевтического. 3. Невозмущающее воздействие, когда биосубстанция не меняет своих свойств в процессе взаимодействия с излучением. Это такие эффекты, как рассеивание, отражение и проникновение. Этот вид используют для диагностики.

В 1960 -х годах были выполнены первые исследования в отношении использования лазеров в медицине. Они проходили в клиниках ММА им. И. М. Сеченова, ЦИТО, ЦНИИ курортологии и физиотерапии Была доказана целесообразность применения гелий-неоновых лазеров в лечебных целях, и в 1972 году было получено разрешение Минздрава СССР на применение излучения гелий-неонового лазера малой мощности в терапии Работы по применению лазеров в хирургии в СССР начались в 1965 году в МНИОИ им. П. А. Герцена. Было создано несколько модификаций лазерных хирургических установок, которые использовались в клиниках при проведении хирургических операций

ПРИВАНИЕ СЕТЧАТКИ

УДАЛЕНИЕ ПОЛИПОВ В НОСУ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ