Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Посмотреть оригинал

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ МЕТОДЫ

Общая характеристика люминесценции

Люминесценция определяется как свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения, причем оно представляет собой избыточное излучение по сравнению с тепловым излучением вещества при данной температуре. Поэтому виды люминесценции вполне естественно классифицировать по внешнему источнику возбуждения (табл. 10.1).

Таблица 10.1

Виды люминесценции

Источник возбуждения

Вид люминесценции

Электромагнитное излучение УФ и видимого спектрального диапазона

Фотол юм и несцен ция

Поток электронов (катодные лучи)

Катодолюминесценция

Поток ионов щелочных металлов в вакууме

Ионолюминесценция

Рентгеновское излучение

Рснтгенолюминссцснция

Радиоактивное излучение

Радиолюминесценция

Тепловая энергия

Термолюминесценция или кандолю- минссцснция

Ультразвук

Сонолюминесценция

Механическое воздействие

Триболюм и несцен ция

Энергия химических реакций

Хем ил юм и несцен ция

В аналитической практике наиболее часто используют фото- и хемилюминесценцию.

Люминесцентные методы анализа отличаются большой чувствительностью: для большинства определяемых соединений пределы обнаружения не превышают 10 ! мкг/мл. В идеальных условиях (высокие значения квантового выхода люминесценции и молярного коэффициента поглощения энергии возбуждения, отсутствие поправки на контрольный опыт и т.п.) предел обнаружения может быть на уровне пикограмм в миллилитре. Например, в модельных экспериментах с родамином 6Ж, сорбированном на частицах оксида кремния диаметром 10 мкм, удалось зафиксировать присутствие порядка 8000 молекул (-6-10 18 г) на поверхности одной частицы.

Высокая чувствительность определения и в ряде случаев большой диапазон определения содержания (иногда до четырех порядков величин концентраций) при той же воспроизводимости результатов анализа, что и в молекулярной абсорбционной спектроскопии, предопределили развитие люминесцентных методов анализа.

Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в молекуле при активации ее светом. Если молекула диамагнитна, то в невозбужденном состоянии ее электроны находятся в основном синглетном1 состоянии (на синг- летном уровне 50) (рис. 10.1).

Поглощение света молекулой переводит ее из основного в возбужденное синглетное состояние, т.е. один из электронов, поглощая квант света, переходит на более высокий синглетный уровень (5,, S2, S3 и т.д.) без изменения спина. Электрон, оказавшийся на высоких синглетных уровнях S2, S3,..., Sn за время порядка 10 11 с попадает на первый возбужденный синглетный уровень S,. Этот процесс потери энергии электроном не сопровождается излучением света и называется внутренней конверсией. Для электрона, попавшего на этот уровень, имеются три возможности (см. рис. 10.1): либо безизлучательный переход на основной уровень, либо гот же переход, но с излучением кванта света, либо безизлучательный переход на первый возбужденный триплетный[1] [2] уровень 1 (интеркомбинационная конверсия).

Излучение, возникающее при переходе молекулы из возбужденного синглетного состояния в основное, называется флуоресценцией.

Процесс интеркомбинационной конверсии сопровождается изменением спина электрона и поэтому маловероятен. Однако из-за высокой кон-

Схема возможных переходов электрона в молекуле при возбуждении ее светом

Рис. 10.1. Схема возможных переходов электрона в молекуле при возбуждении ее светом:

1 — переход электрона с основного на возбужденный синглетный уровень; 2 — безизлучательный переход электрона на первый возбужденный синглетный уровень (внутренняя конверсия); 3 — безизлучательный переход электрона с первого возбужденного синглетного на основной синглетный уровень (внутренняя конверсия); 4 — переход электрона с первого возбужденного синглетного на основной синглетный уровень с излучением света (флуоресценция); 5 — безизлучательный переход электрона па первый возбужденный триплетный уровень (интеркомбинационная конверсия); 6 — безизлучательный переход электрона с первого возбужденного триплетного на основной синглетный уровень (интеркомбинационная конверсия); 7 — переход электрона с первого возбужденного триплетного на основной синглетный уровень с излучением света (фосфоресценция)

центрации возбужденных молекул часть из них все-таки оказывается в возбужденном триплетном состоянии. С первого возбужденного триплетного состояния электрон может попасть на основной синглетный уровень либо без излучения света (интеркомбинационная конверсия), либо испустив квант света.

Излучение, возникающее при переходе молекулы из возбужденного триплетного состояния в основное синглетное, называется фосфоресценцией.

Процессы перехода электрона с триплетного на синглетный уровень также протекают с изменением спина, поэтому время жизни молекулы в возбужденном триплетном состоянии значительно больше времени ее жизни в синглетном возбужденном состоянии (10 3—103 с — для триплетного и 10 9—10 / с — для синглетного состояния). Соответственно, длительность фосфоресценции значительно (на несколько порядков) превышает таковую для флуоресценции.

Спектр флуоресценции зеркально симметричен спектру поглощения вещества {правило Левшина), но сдвинут по отношению к последнему в длинноволновую область (закон Стокса и Ломмеля). Это означает, что испускаемый сигнал измеряется относительно действительно нулевого значения интенсивности излучения, что обеспечивает высокую чувствительность люминесцентного метода. Поэтому особенно интересно применение этого метода для биохимических систем. В комбинации с чувствительностью и селективностью биохимических реакций он позволяет определять исключительно низкие концентрации вещества.

Количественное определение содержания вещества проводят по интенсивности люминесценции. Зависимость интенсивности флуоресценции /фл от концентрации определяемого вещества описывается уравнением

где К — коэффициент пропорциональности; /0 — интенсивность света, использующегося для возбуждения молекул определяемого вещества (так называемого актиничного[3] излучения); В — квантовый выход люминесценции (< 1); е — молярный коэффициент поглощения света; С — концентрация определяемого компонента; / — толщина слоя поглощающего вещества.

Если гС1 1, то /фл « К10ВгС1« аС> где а — константа для данных условия измерения. Эта зависимость является математическим основанием для количественного люминесцентного анализа. Линейная зависимость интенсивности люминесценции от концентрации часто сохраняется в пределах

3—4 порядков величин концентраций. При количественном люминесцентном анализе используются стандартные методы: метод стандартов, метод калибровочного графика и метод добавок.

Пример 10.1. Анализируемый раствор урана объемом 0,05 мл высушен и сплавлен со 100 мг смеси NaF и NaKC03 (9 : 91). Рассчитаем концентрацию урана в растворе по следующим данным определения его люминесцентным методом: относительная люминесценция сплава составляла 38% от люминесценции стандарта, содержащего 0,50 мкг урана.

Решение. Содержание урана в пробе составляет

где т0 содержание урана в стандарте; /ОТ11 — относительная интенсивность люминесценции пробы.

Концентрация урана в ппобе ^мкг/мл! оппелеляется по гЬормуле где V — объем раствора.

Пример 10.2. При люминесцентном определении концентрации А13+ в дистиллированной воде к 5 мл этой воды добавлен сульфосалицилаль-о-амидофе- нол и вода до 10 мл. В аналогичных условиях приготовлены растворы известной концентрации алюминия. При измерении интенсивности люминесценции растворов получены следующие результаты:

С, мкг А1

0,04

0,06

0,08

X

Интенсивность /л

11

17

23

19

Рассчитаем концентрацию алюминия в воде.

Решение. По данным, приведенным в условии примера, строим калибровочный график зависимости интенсивности люминесценции от содержания алюминия в стандартных растворах (рис. 10.2).

Калибровочный график зависимости интенсивности люминесценции от содержания ионов алюминия в растворе

Рис. 10.2. Калибровочный график зависимости интенсивности люминесценции от содержания ионов алюминия в растворе

По калибровочному графику для интенсивности люминесценции пробы, равной 19, находим содержание алюминия в пробе, которое составляет 0,067 мкг. Тогда концентрация ионов алюминия в воде будет равна

Величина квантового выхода зависит от длины волны актиничного излучения, концентрации определяемого компонента, температуры, наличия в системе веществ — тушителей[4] люминесценции.

Фотолюминесценция наблюдается только тогда, когда энергия кванта ак- тиничного излучения достаточна для перевода молекулы в возбужденное состояние. Поэтому для актиничного излучения должно выполняться условие

где X — длина волны актиничного излучения; h — постоянная Планка; с — скорость света в вакууме; ESx - ESo энергия перехода электрона на первый возбужденный синглетный уровень.

На практике длину волны актиничного излучения выбирают исходя из спектра поглощения определяемого компонента либо продукта его взаимодействия с соответствующим реагентом. Спектр поглощения обычно имеет ряд максимумов, отвечающих такой длине волны света, при которой энергия фотона достаточна для перевода электрона в молекуле на более высокий уровень. Очевидно, что длина волны актиничного излучения должна быть не больше той величины, которая отвечает соответствующему максимуму на спектре поглощения.

С ростом концентрации компонентов системы начиная с некоторой величины квантовый выход уменьшается, что объясняется повышением вероятности дезактивации возбужденных молекул невозбужденными молекулами того же вещества (концентрационное тушение). Аналогичное влияние на величину квантового выхода оказывает и повышение давления, которое эквивалентно повышению концентрации всех компонентов системы. Поэтому для люминесцентного анализа существует верхняя граница определяемых концентраций.

С повышением температуры увеличивается частота столкновений частиц в системе. Из-за этого снижаются время жизни возбужденных молекул и, соответственно, квантовый выход.

Зависимость квантового выхода от содержания в системе веществ — тушителей люминесценции позволяет использовать люминесцентный метод также в том случае, когда определяемое вещество само не люминесцирует, но является эффективным тушителем. В этом случае количественный анализ проводят по величине уменьшения интенсивности люминесценции в присутствии определяемого компонента. Влияние тушителей на интенсивность флуоресценции описывается уравнением ШтернаФольмера

где /0,1 — интенсивность флуоресценции при отсутствии и в присутствии тушителя соответственно; kh бимолекулярная константа реакции тушения; т0 — время жизни возбужденной молекулы в отсутствие тушителя; С — концентрация тушителя.

Люминесцентный метод применяется в основном для анализа растворов. Он широко используется при определении органических полициклических ароматических соединений, таких как антрацен, бензпирен и т.п. Из неорганических веществ собственной флуоресценцией обладают только уран и некоторые редкоземельные элементы. Поэтому при определении неорганических соединений их обычно переводят в комплексы с соответствующими органическими соединениями, обладающими интенсивной флуоресценцией и селективно реагирующими с определяемым ионом. Иногда неорганические соединения определяются но тушению флуоресценции. Газы также в основном определяются но тушению люминесценции. Например, сильными тушителем флуоресценции является кислород и озон. Известны методы определения озона, в которых он окисляет до исходного состояния предварительно восстановленный флуоресцирующий реагент, например флуоресцеин. При этом количество образовавшейся люминесци- рующей формы реагента пропорционально количеству озона.

Чувствительность флуоресцентного метода составляет для разных веществ 1—0,0005 мкг/мл. Верхний предел определяемых концентраций - 10 J моль/л. Селективность достаточно хорошая. Например, при определении озона удается обеспечить абсолютную селективность.

Особенностью аппаратного оформления является необходимость использования двух монохроматоров (один — для актиничного излучения, второй — для люминесцентного излучения) и чувствительных фотоприем- ников. При этом фотонриемник по отношению к источнику возбуждения люминесценции может располагаться:

  • а) иод прямым углом;
  • б) фронтально, т.е. находиться по одну сторону с источником возбуждения относительно анализируемого образца;
  • в) в линию, т.е. на одной прямой с источником возбуждения, но по разные стороны от анализируемого образца.

Наиболее распространен первый метод. Его преимущество заключается в минимальной фоновой засветке фотоириемника. Однако он пригоден для анализа только слабо поглощающих растворов. Для сильно поглощающих растворов и твердых веществ спектры возбуждения и люминесценции существенно искажаются за счет эффекта нерепоглощения света. При фронтальном расположении фотоириемника это эффект сказывается в меньшей степени. Расположение в линию используют достаточно редко, в основном для исследования сильно поглощающих растворов.

Хемилюминесценция чаще всего является результатом окисления некоторых веществ, как правило, под действием озона, кислорода или пероксида водорода. При этом один из продуктов реакции оказывается в возбужденном состоянии. Переход молекулы или иона из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением света. Самым известным примером реакции подобного рода служит реакция окисления люминола пероксидом водорода:

Люминол можно непосредственно использовать для определения содержания озона, кислорода или пероксида водорода, либо веществ, с которыми взаимодействуют эти реагенты, например глюкозы, при окислении которой под действием глюкозооксидазы одним из компонентов реакции является Н202. Кроме того, люминол может использоваться в качестве метки при некоторых вариантах иммуноанализа.

Неорганический хемилюминесцентный анализ основан на способности элементов с незаполненной ^/-оболочкой тушить люминесценцию, катализировать или, реже, ингибировать хемилюминесцентную реакцию. Но эти методики, как правило, не обладают высокой селективностью. Большей селективностью при высокой чувствительности (предел обнаружения — до 10 1 мг/м3) характеризуются хемилюминесцентные методики газового анализа: определение озона, оксидов азота и аммиака после его перевода в N0. Реакции

в газовой фазе сопровождаются достаточно интенсивной хемилюминесценцией с максимумом при 800 нм.

Для регистрации хемилюминесценции не нужны монохроматор и, что самое главное, внешний источник возбуждения. Измерение относительно абсолютного нуля (отсутствие сигнала в контрольном опыте) делает хемилюминесцентный анализ очень чувствительным.

В целом к несомненным достоинствам люминесцентного метода следует отнести высокую чувствительность и селективность.

К недостаткам относятся существование верхнего предела определяемых концентраций, необратимость реакций реагента с определяемым компонентом в большинстве методик, чувствительность результатов анализа к присутствию неконтролируемых примесей, необходимость температурного контроля, сложность аппаратурного оформления.

  • [1] Синглетное состояние — это состояние молекулы, атома, иона, в котором суммарныйспин электронов равен нулю.
  • [2] Триплетным называется состояние молекулы, атома, иона, в котором суммарный спинэлектронов равен 1.
  • [3] Актиничным называется излучение, использующееся для возбуждения фотолюминесценции.
  • [4] Некоторые вещества, будучи введенными в систему, могут взаимодействовать с возбужденной молекулой, дезактивируя се без излучения света. Такие вещества называются тушителями люминесценции.
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы