Люминесцентный анализ

Общие сведения о люминесценции.

Люминесценция является одним из широко распространенных в природе видов излучения. Помимо лю­минесценции известны и другие свечения, которые, однако, существен­но отличаются от нее, например, температурное излучение, свечения, наблюдаемые при быстром движении электрических зарядов (тормоз­ное излучение, Свечение Вавилова — Черенкова)  и т. п.

Люминесценцией называют из­быток излучения над температурным при условии, что избыточное излучение обладает конечной длительностью, превышающей период световых колебаний (~ 10^-10 сек).

Это определение основано на противопоставлении люминесценции температурному излучению, свойства которого хорошо известны. Вместе с тем оно указывает на наличие у люминесценции конечной длительно­сти послесвечения, превышающей период световых колебаний. Это усло­вие позволяет отличать люминесценцию от отражения, рассеяния и излучения Вавилова-Черенкова, которые являются практически без­ынерционными.

Очень многие вещества обладают способностью люминесцировать. При этом они могут находиться в газообразном, жидком и твердом со­стояниях. Простейшими из них являются газы и пары различных эле­ментов (О₂, I₂, Na₂ и т. д.). Люминесцентными свойствами обладают соли некоторых веществ (редкоземельных элементов, ураниловых сое­динений), ароматические соединения (нафталин, бензол, антрацен, и производные и др.), растворы ряда красителей, а также многие другие вещества. Особый класс люминесцирующих соединений составляют так называемые кристаллофосфоры — неорганические вещества (например. ZnS, CaS и др.), в кристаллическую решетку которых введены ионы тя­желых металлов (например, Ag, Cu, Mn и др.).

Для того чтобы вещество начало люминесцировать, к нему необ­ходимо извне подвести определенное количество энергии. Тогда его ча­стицы переходят в новое, более богатое энергией, возбужденное состоя­ние, в котором они пребывают   определенное   время,   после чего вновь возвращаются  в  невозбужденное состояние,  отдавая  при  этом  часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции.

Энергия возбуждения может быть подведена к веществу различ­ными способами. В зависимости от метода возбуждения возникающее свечение получает различные названия. Так, при возбуждении свечения оптическими частотами оно носит название фотолюминесценции; свече­ние, возникающее под действием катодных лучей, называется катодолюминесценцией; при возбуждении веществ рентгеновыми лучами воз­никает рентгенолюминесценция; при облучении их лучами

радиоактив­ных элементов наблюдается ра­диолюминесценция; свечение, по­являющееся при химических ре­акциях, получило название хемилюминесценции; свечение, возни­кающее под действием электри­ческого поля, называется элект­ролюминесценцией. Люминесцен­ция может быть получена и с помощью других источников воз­буждения.

Возникновение люминесцен­ции и ряд ее свойств легко понять из схемы, изображенной на рис.1. Энергия молекулы склады­вается из электронной энергии, колебательной   энергии   ядер и энергии вращения. Все виды энер­гии квантованы, причем кванты энергии вращения гораздо мень­ше квантов электронной и коле­бательной энергии. На рис. 1 уровни 0" и 0' являются нижними колебательными энергетическими уровнями нормального I и воз-

бужденного II состояния молекулы. Со­стояние 0' отличается от 0" на квант электронной энергии, величина которого определяет расстояние по вертикали между уровнями 0" и 0'. Каждому значению электронной энергии соответствует ряд возможных значений колебательной энергии молекулы. Если не учитывать энергию вращения, то возможные значения энергии молекулы для электронных состояний I и II характеризуются системой энергетических уровней 0" — 4" и 0' — 4', положение последних определяется суммой электрон­ной и колебательной энергии.

Распределение молекул по колебательным уровням как невозбужденного, так и возбужденного электронного состояния описывается

формулой Больцмана:

                                                                               (1)

где N₀ — полное число всех молекул; N_i — число молекул на уровне i; Е_i — значение колебательной энергии, соответствующее уровню i. Если при некоторой температуре E_i >> kT, то в соответствии с формулой (1) подавляющая часть молекул должна находиться на нулевом колебательном уровне. Для комнатной температуры это условие обыч­но выполняется, что позволяет считать, что в  этом  случае практически все молекулы находятся на нулевом уровне. Таким образом, по мере роста номера уровня число находящихся на нем молекул быстро убы­вает.

На рис. 1 поглощение световых квантов различной величины обо­значено стрелками, идущими вверх, а излучение квантов люминесцен­ции — стрелками, направленными вниз. Длины стрелок пропорциональ­ны величинам энергии поглощенных или излученных квантов hn т. е. пропорциональны частотам соответствующих линий в спектрах поглоще­ния или излучения. Из рис. 1 видно, что разности частот линий поглощения дают расстояния между колебательными уровнями верхнего электронного состояния; о строении нижнего электронного со­стояния можно   судить по разностям частот линий излучения. Это открывает возможность анализа колебательных состояний молекул с помощью спектров люминесценции.

Оптические свойства люминесцирующих веществ описываются с помощью целого ряда характеристик. Сюда относятся спектры погло­щения и люминесценции, поляризация свечения (и поляризационные спектры), выход люминесценции, длительность возбужденного состоя­ния молекул, закон затухания свечения и кривые термического высвечи­вания.

Спектры поглощения.

Спектром поглощения вещества называется совокупность коэффициентов поглощения, характеризующих его поглощательную способность к лучам оптического диапазона частот. Коэффициенты поглощения определяются из закона Ламберта—Бера.

Спектры поглощения люминесцирующих веществ крайне разнооб­разны. Одни из них имеют вид очень узких полос (растворы солей ред­коземельных элементов), другие — более широких полос с четко выраженной колебательной структурой (растворы ураниловых солей), наконец, спектры поглощения многих веществ представляют собой широ­кие размытые полосы, структуру которых не удается выяснить даже при низких температурах (растворы красителей).

Спектры    поглощения могут существенно меняться при изменении концентрации   раствора,   его   кислотности или   щелочности (величины его рН),    природы    растворителя, температуры и ряда других   факто­ров.

Спектры люминесценции.

Спект­ром люминесценции называется распределение излучаемой веществом энергии по частотам или длинам волн. Подобно спектрам поглощения, интенсивность и форма спектров лю­минесценции у разных веществ мо­гут быть весьма различными, и они могут существенно изменяться при вариации тех же параметров (кон­центрации, величины pH раствора и т. д.)

Выход люминесценции.

 Выход люминесценции характеризует эффективность трансформации возбуждающего света в свет люминесценции в исследуемом веществе. Различают энергетический и квантовый выходы люминесценции. Энергетическим выходом люминесценции называют отношение излучаемой веществом энергии E_л к поглощенной энергии возбуждения Е_п:

                                                                        (2)

Квантовым выходом люминесценции называют отношение числа квантов люминесценции, излученных веществом N_л к числу поглощенных квантов возбуждающего света N_п:

                                                                 (3)

Выход люминесценции очень чувствителен к внешним воздействиям, которые во многих случаях приводят к тушению свечения. Так, известно тушение люминесценции посторонними примесями, возникающее при добавлении к раствору посторонних веществ — тушителей. Тушителями могут служить KI, анилин и другие вещества. В результате взаимодействия возбужденных молекул люминесцентного вещества с молекулами тушителя возникает безизлучательный размен энергии возбуждения. Безизлучательные переходы развиваются и при увеличении температуры раствора, обуславливая появление температурного тушения.

В большинстве случаев увеличение концентрации также приводит к тушению свечения. При этом концентрационное тушение обычно начинает проявляться лишь при достижении некоторой пороговой концентрации, величина которой характерна для исследуемого вещества. В более разведенных растворах выход люминесценции не зависит от концентрации. Это обстоятельство может быть использовано в люминесцентном анализе при подборе оптимальных условий его проведения.

Концентрационное тушение имеет двоякую природу. С одной стороны, при увеличении концентрации могут образовываться ассоциированные молекулы, не обладающие люминесцентной способностью, но поглощающие энергию возбуждения. С другой стороны, между возбужденными и невозбужденными молекулами может осуществляться индукционный перенос, или, как говорят, миграция энергии возбуждения. Такой перенос энергии возбуждения прежде всего на нелюминесцентные ассоциаты приводит к развитию концентрационного тушения.

Известны и другие виды тушения (тушение растворителем, тушение электролитами, тушение при диссоциации и ионизации молекул и т. д.). При проведении люминесцентного анализа интенсивность свечения играет очень большую роль. Поэтому учет тушения, изменяющего интенсивность люминесценции и затрудняющего анализ, является крайне важным.

Закон затухания люминесценции.

Закон затухания свечения после прекращения возбуждения может быть различным у разных веществ, что часто позволяет по нему определять природу и кинетику  свечения; вместе с тем он может служить и аналитической характеристикой. Закон затухания свечения растворов и молекулярных кристаллов обычно достаточно    хорошо     выражается     экспоненциальной     зависимостью

                                                              (4).

 где I — интенсивность свечения в момент времени t;  I₀ — интенсивность свечения в момент прекращения возбуждения; t — средняя длительность возбужденного состояния (время, в течение которого интенсивность свечения уменьшается в е раз, т. е. в 2,7 раза). В других случаях затухание свечения может происходить по более сложному закону. Так, например, затухание свечения кристаллофосфоров хорошо описывается эмпирической формулой

                                                                 (5)

где A, b, a — постоянные, причем обычно a<2.

Длительность возбужденного состояния молекул.

После прекращения возбуждения свечение не исчезает мгновенно,   а   продолжается определенный промежуток времени. Длительность возбужденного состояния у разных соединений может существенно различаться. Она характерна для каждого вещества и является его важной оптической характеристикой. Так, для растворов обычно t~10^-8—10^-9 сек. Затухание свечения кристаллофосфоров протекает по сложным законам и может продолжаться секунды, минуты и даже часы.

Таким образом, у жидких растворов t очень невелико и их люминесценция затухает практически мгновенно. Такие свечения часто называют флуоресценцией. При введении тех же веществ в очень вязкие среды (в желатину, сахарные леденцы и т. д.), а также при замораживании растворов возникает длительное свечение, продолжающееся доли секунды и даже целые секунды. Свечение такого вида называют замедленной флуоресценцией, или фосфоресценцией. Известны два вида замедленной флуоресценции: при одном спектр свечения совпадает со спектром флуоресценции (a-процесс), при втором наблюдается резко отличный спектр свечения, сдвинутый в сторону длинных волн (b-процесс).

Замедленная флуоресценция обусловлена попаданием возбужденных молекул на энергетические уровни, непосредственный переход с которых в невозбужденное состояние не разрешен. Эти уровни называются метастабильными; молекула может их покинуть лишь под влиянием внешних воздействий (например, при нагревании). Возбужденные молекулы пребывают на метастабильных уровнях значительное время, вызывая увеличение длительности послесвечения.

При сложном законе затухания (например, (5)) понятие средней длительности возбужденного состояния t уже неприменимо. В этом случае для характеристики длительности послесвечения обычно принимают время, в течение которого интенсивность свечения исследуемого образца уменьшается в определенное число раз (в 100—1000 раз).

Кривые термического высвечивания.

У многих веществ (кристаллофосфоров, минералов, кварца и др.), предварительно возбужденных ультрафиолетовой, рентгеновской или радиоактивной радиацией, при нагревании возникает свечение, получившее название термолюминесценции. Оно наблюдается при температурах, значительно меньших тех, при которых появляется видимое температурное излучение.

Термолюминесценция имеет следующее происхождение. Под действием возбуждающей радиации электроны отрываются от ионов облучаемого вещества; часть их непосредственно рекомбинирует с ионизованными центрами, что приводит к возникновению кратковременного свечения кристаллофосфоров; другая часть электронов задерживается вблизи мест нарушения периодичности кристаллической решетки — на уровнях локализации. Освобождение электронов с мест локализации происходит за счет тепловой энергии. Их последующая рекомбинация с ионизованными центрами вызывает длительное свечение кристаллофосфоров.

Уровни локализации могут иметь различную энергетическую глубину, т. е. могут удерживать электроны с различной силой. Мелкие уровни освобождаются уже при температуре жидкого азота, глубокие — при +300, +400°С. При постепенном нагревании предварительно возбужденного фосфора последовательно освобождаются уровни разной глубины, и интенсивность термолюминесценции то увеличивается, то уменьшается. Кривые, характеризующие зависимость яркости свечения фосфора от температуры, получили название кривых термического высвечивания. Они являются важной характеристикой кристаллофосфоров и могут быть использованы для аналитических целей.

Основные закономерности свечения, используемые в люминесцентном анализе.

Закон независимости спектра люминесценции от длины

волны возбуждающего света.

 При возбуждении свечения различными длинами волн молекулы вещества, поглощая кванты разной величины, попадают на различные колебательные уровни возбужденного электронного состояния. Поэтому можно ожидать, что спектр люминесценции будет зависеть от длины волны возбуждающего света. Однако оказалось, что каждое вещество в конденсированном состоянии имеет совершенно определенный спектр люминесценции, который не чувствителен к изменению длины волны возбуждающего света.

Это объясняется тем, что молекулы, перешедшие в результате возбуждения на различные колебательные уровни возбужденного состояния (рис. 1), успевают за время, много меньшее, чем средняя длительность возбужденного состояния t, растратить часть колебательной энергии и образовать систему возбужденных молекул, обладающих равновесным распределением колебательной энергии, определяемым температурой. Из этих вполне определенных для данной температуры состояний и происходят переходы молекул в невозбужденное состояние, сопровождающиеся излучением. Поэтому на опыте всегда наблюдается один и гот же спектр люминесценции, не зависящий от длины волны возбуждающего света.

Независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света позволяет на практике пользоваться для возбуждения широкими спектральными участками. При отсутствии вторичного поглощения оказывается возможным не обращать внимания на состав возбуждающего света, что очень сильно облегчает проведение анализа.

Закон Стокса—Ломмеля.

Стоксом было сформулировано правило, согласно которому свет люминесценции всегда имеет большую длину волны по сравнению со светом, применявшимся для возбуждения. Однако во многих случаях правило Стокса не выполняется. Спектры поглощения и люминесценции многих веществ частично накладываются друг на друга. Если для возбуждения взять частоту (например, n = 530·10^-12 сек^-1), находящуюся в области наложения спектров, то согласно правилу Стокса должна появляться лишь та часть спектра люминесценции, которая расположена по левую сторону от выбранной частоты. Однако в соответствии с законом независимости спектра люминесценции от возбуждающей длины волны в большинстве случаев наблюдается полный спектр люминесценции, имеющий целый ряд частот, превышающих частоту возбуждающего света (заштрихованная область). Таким образом, правило Стокса нарушается. Часть спектра люминесценции, состоящая из лучей с частотами, большими частоты возбуждающего света, называется антистоксовской. Ее возникновение можно объяснить наличием у излучающих молекул помимо энергии возбуждения еще определенного запаса колебательной энергии. Сумма    энергий возбуждающего и колебательного квантов позволяет получать большие кванты люминесценции, обусловливающие появление антистоксовской части спектра. Ломмель уточнил правило Стокса, предложив для него следующую формулировку: спектр излучения в целом и его максимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом в сторону длинных волн. Закон Стокса—Ломмеля строго выполняется для очень широкого круга веществ.

Сдвиг спектров люминесценции относительно спектров поглощения дает возможность более или менее просто отфильтровывать рассеянную часть возбуждающего света, примешивающегося к люминесценции. Это обстоятельство широко используется в практике люминесцентного анализа.

Закон Вавилова.

С. И. Вавиловым установлено, что энергетический выход люминесценции растет пропорционально длине волны возбуждающего света, затем в некотором спектральном интервале он остается постоянным, после чего в области наложения спектров поглощения и люминесценции начинает быстро падать. Падение энергетического выхода свечения происходит в антистоксовской части спектра.

Легко показать, что пропорциональность энергетического выхода длине волны возбуждающего света соответствует постоянству квантового выхода в той же спектральной области, где в излучение всегда переходит   одна    и   та   же  доля    возбуждающих   световых    квантов. С. И. Вавилов дал своему закону формулировку, согласно которой люминесценция может сохранять постоянный квантовый выход, если возбуждающая волна преобразуется в среднем в более длинную, чем она сама. Наоборот, выход люминесценции резко уменьшается   при   обратном    преобразовании    длинных   волн   в  короткие. Закон Вавилова широко используется в люминесцентном анализе при подборе оптимальных условий проведения опыта.

Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и

 люминесценции.

Для широкого круга веществ (растворов красителей, ряда ароматических и многих других соединений) выполняется установленное В. Л. Левшиным правило зеркальной симметрии спектров поглощения и излучения, согласно которому спектры поглощения и люминесценции, изображенные в функции частот, оказываются зеркально-симметричными относительно прямой, проходящей перпендикулярно оси частот через точку пересечения обоих спектров, т. е.

                                                                               (6)

или

                                                                   (7)

Здесь n_П — частота поглощаемого света; n_Л — симметричная частота люминесценции; n₀ — частота линии симметрии. При этом по оси ординат для спектров поглощения откладываются коэффициенты поглощения a, а для спектров люминесценции — квантовые интенсивности I_КВ=I/n.

Из уравнения (9) видно, что при наличии зеркальной симметрии Dn=n_П - n_Л, и n_П связаны линейной зависимостью. Если откладывать по оси абсцисс  n_П, а по оси ординат Dn, то при строгом выполнении правила должна получиться прямая линия.

Для осуществления зеркальной симметрии необходимо выполнение двух условий — зеркальной симметрии частот и зеркальной симметрии интенсивностей поглощения и люминесценции в соответствующих частях спектра.

Для осуществления симметрии частот необходимо, чтобы энергетические уровни возбужденного и невозбужденного состояний были построены одинаково. Для наличия зеркальной симметрии интенсивностей необходимо, чтобы распределение молекул по энергетическим уровням верхней и нижней систем было одинаковым и чтобы вероятности соответствующих излучательных и поглощательных переходов были равны, или пропорциональны друг другу. Эти условия выполняются лишь у части молекул. У веществ, следующих правилу зеркальной симметрии, можно по одному из спектров (люминесценции или поглощения) без измерений установить форму другого. Отступления от правила зеркальной симметрии могут быть использованы для установления величины отклонений от условий его выполнения.

Правило зеркальной симметрии оказывается весьма полезным при проведении люминесцентного анализа, а также при расшифровке спектров и установлении энергетических уровней исследуемых молекул.

Виды люминесцентного анализа и характеристика его особенностей.

Люминесцентным анализом называется обнаружение и исследование различных объектов с помощью явлений люминесценции. Наиболее важной задачей люминесцентного анализа является определение химического состава исследуемых веществ и установление процентного содержания в них отдельных компонентов. Анализ такого вида носит соответственно название качественного и количественного химического люминесцентного анализа.

Качественный химический люминесцентный анализ основан на том, что люминесцентные свойства являются характерным признаком излучающего вещества, тесно связанным с его составом, общим состоянием и структурой его молекул.

Количественный химический люминесцентный анализ основан на использовании определенной зависимости между интенсивностью люминесценции и концентрацией люминесцентного вещества. В большинстве случаев условия анализа подбираются так, чтобы осуществлялась пропорциональность между интенсивностью свечения и концентрацией вещества. Однако такая зависимость имеет место лишь в случаях, когда концентрации невелики. При высоких концентрациях определяемого вещества для осуществления анализа приходится тем или иным способом учитывать сложную зависимость интенсивности свечения от концентрации.

К люминесцентному анализу относится также изучение структуры и колебательных частот молекул по спектрам излучения, создающее фундамент для качественного люминесцентного анализа.

Чисто химические задачи не исчерпывают возможностей люминесцентного анализа. С его помощью можно обнаруживать и выявлять различные объекты и их детали, изучение которых оказывается невозможным при обычных условиях наблюдения и освещения. Люминесцентный анализ такого рода получил название люминесцентного анализа обнаружения или сортового люминесцентного анализа.

Люминесцентный анализ обладает рядом особенностей, которые отличают его от всех других видов анализа. Люминесцентный анализ необычайно чувствителен. С его помощью можно обнаружить в пробе присутствие вещества с концентрацией ~10^-10 – 10^-11 г/г. Это более чем на три порядка превосходит чувствительность эмиссионного спектрального анализа, что позволяет работать с исчезающе малыми количествами исследуемого вещества ~10^-12 – 10^-15  г. С помощью люминесцентного анализа можно исследовать очень небольшие объемы раствора, а также анализировать мельчайшие крупинки порошков, в которых содержатся следы других люминесцирующих веществ.

Важным  преимуществом  люминесцентного  анализа  являются  его простота и скорость, во много раз превосходящие скорость химического анализа.

В то время как при химическом и эмиссионном спектральном анализе анализируемые вещества разлагаются, при люминесцентном анализе они, как правило, не подвергаются изменениям и их можно использовать в дальнейшей работе. Это преимущество люминесцентного анализа особенно существенно при исследовании трудно синтезируемых уникальных веществ, получаемых в ничтожных количествах. В отдельных случаях возбуждения люминесценции коротковолновыми ультрафиолетовыми лучами в веществе могут происходить фотохимические превращения. Однако соответствующим подбором условий опыта эти трудности обычно могут быть обойдены.

Перечисленные свойства люминесцентного анализа дают представление о его исключительных возможностях, в определенных отношениях значительно превосходящих возможности других видов анализа. Однако следует отметить, что необычайно высокая чувствительность люминесцентного анализа одновременно создает и серьезные трудности его проведения, существенно ограничивая области его применения. Присутствие в образце даже ничтожных количеств люминесцирующих примесей обусловливает появление нового свечения, которое накладывается на люминесценцию основного вещества, искажая как спектральный состав, так и интенсивность его излучения. Поэтому значительные успехи в применении люминесцентного анализа могли быть достигнуты лишь на основе всестороннего развития учения о люминесценции в целом, после того как были установлены общие законы свечения и накоплен большой материал о люминесцентных свойствах различных классов соединений.

Наиболее распространенным и хорошо разработанным является люминесцентный анализ, основанный на возбуждении фотолюминесценции. При анализе кристаллических неорганических веществ (минералов, алмазов и др.) применяют катодное и рентгеновское возбуждения. В отдельных случаях в аналитических целях используют явления хемилюминесценции и радиолюминесценции.