Люминесцентный анализ

Общие сведения о люминесценции.

Люминесценцияявляется одним из широко распространенных в природе видов излучения. Помимо лю­минесценцииизвестны и другие свечения, которые, однако, существен­но отличаются от нее,например, температурное излучение, свечения, наблюдаемые при быстром движенииэлектрических зарядов (тормоз­ное излучение, Свечение Вавилова — Черенкова)  и т. п.
Люминесценциейназывают из­быток излучения над температурным при условии, что избыточноеизлучение обладает конечной длительностью, превышающей период световых колебаний(~ 10-10 сек).
Этоопределение основано на противопоставлении люминесценции температурномуизлучению, свойства которого хорошо известны. Вместе с тем оно указывает наналичие у люминесценции конечной длительно­сти послесвечения, превышающейпериод световых колебаний. Это усло­вие позволяет отличать люминесценцию ототражения, рассеяния и излучения Вавилова-Черенкова, которые являются практическибез­ынерционными.
Очень многие веществаобладают способностью люминесцировать. При этом они могут находиться в газообразном,жидком и твердом со­стояниях. Простейшими из них являются газы и пары различныхэле­ментов (О2, I2, Na2 и т. д.). Люминесцентнымисвойствами обладают соли некоторых веществ (редкоземельных элементов, ураниловыхсое­динений), ароматические соединения (нафталин, бензол, антрацен, и производныеи др.), растворы ряда красителей, а также многие другие вещества. Особый класслюминесцирующих соединений составляют так называемые кристаллофосфоры — неорганические вещества (например. ZnS,CaS и др.), в кристаллическую решетку которых введены ионытя­желых металлов (например, Ag, Cu,Mn и др.).
Для тогочтобы вещество начало люминесцировать, к нему необ­ходимо извне подвестиопределенное количество энергии. Тогда его ча­стицы переходят в новое, болеебогатое энергией, возбужденное состоя­ние, в котором они пребывают   определенное   время,  после чего вновь возвращаются в  невозбужденное состояние,  отдавая при  этом  часть энергии возбуждения в виде квантовлюминесценции.
Энергия возбуждения может быть подведена квеществу различ­ными способами. В зависимости от метода возбуждениявозникающее свечение получает различные названия. Так, при возбуждении свеченияоптическими частотами оно носит название фотолюминесценции; свече­ние, возникающее под действием катодных лучей,называется катодолюминесценцией; при возбуждении веществ рентгеновыми лучами воз­никает рентгенолюминесценция; при облучении ихлучами

радиоактив­ныхэлементов наблюдается ра­диолюминесценция;свечение, по­являющеесяпри 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 еесвойств 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" и0' являются нижними колебательными энергетическими уровнями нормального I ивоз-
бужденного II состояния молекулы. Со­стояние0' отличается от 0" на квант электронной энергии, величина которого определяет расстояние по вертикали междууровнями 0" и 0'. Каждомузначению электронной энергии соответствует ряд возможных значений колебательнойэнергии молекулы. Если не учитывать энергию вращения, то возможные значенияэнергии молекулы для электронных состояний I и IIхарактеризуются 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 электронногосостояния описывается

формулой Больцмана:
                                                                               (1)

где N0 — полноечисло всех молекул; Ni — число молекул на уровне i; Еi — значениеколебательной энергии, соответствующее уровню i. Если при некоторой температуреEi >> kT, то в соответствии с формулой (1) подавляющая часть молекул должна находиться на нулевомколебательном уровне. Для комнатной температуры это условие обыч­новыполняется, что позволяет считать, что в этом  случае практически все молекулынаходятся на нулевом уровне. Таким образом, по мере роста номера уровня числонаходящихся на нем молекул быстро убы­вает.
На рис.1 поглощение световых квантов различной величины обо­значено стрелками, идущимивверх, а излучение квантов люминесцен­ции — стрелками, направленными вниз.Длины стрелок пропорциональ­ны величинам энергии поглощенных или излученныхквантов hnт. е. пропорциональны частотам соответствующих линий в спектрах поглоще­ния илиизлучения. Из рис. 1 видно, что разности частот линий поглощения даютрасстояния между колебательными уровнями верхнего электронного состояния; остроении нижнего электронного со­стояния можно  судить по разностям частот линий излучения. Это открывает возможностьанализа колебательных состояний молекул с помощью спектров люминесценции.
Оптическиесвойства люминесцирующих веществ описываются с помощью целого рядахарактеристик. Сюда относятся спектры погло­щения и люминесценции, поляризациясвечения (и поляризационные спектры), выход люминесценции, длительностьвозбужденного состоя­ния молекул, закон затухания свечения и кривые термическоговысвечи­вания.
Спектры поглощения.
Спектромпоглощения вещества называется совокупность коэффициентов поглощения,характеризующих его поглощательную способность к лучам оптического диапазоначастот. Коэффициенты поглощения определяются из закона Ламберта—Бера.
Спектрыпоглощения люминесцирующих веществ крайне разнооб­разны. Одни из них имеют видочень узких полос (растворы солей ред­коземельных элементов), другие — более широкихполос с четко выраженной колебательной структурой(растворы ураниловых солей), наконец, спектры поглощения многих веществ представляютсобой широ­кие размытые полосы, структуру которых не удается выяснить даже принизких температурах (растворы красителей).
Спектры    поглощения могутсущественно меняться при изменении концентрации   раствора,  его   кислотности или   щелочности (величины его рН),    природы   растворителя, температуры и ряда других  факто­ров.
Спектрылюминесценции.
Спект­ром люминесценции называется распределение излучаемойвеществом энергии по частотам или длинам волн. Подобно спектрам поглощения,интенсивность и форма спектров лю­минесценции у разных веществ мо­гут бытьвесьма различными, и они могут существенно изменяться при вариации тех жепараметров (кон­центрации, величины pH раствораи т. д.)
Выход люминесценции.
 Выход люминесценции характеризуетэффективность трансформации возбуждающего света в свет люминесценции висследуемом веществе. Различают энергетический и квантовый выходы люминесценции.Энергетическим выходом люминесценцииназывают отношение излучаемой веществом энергии Eл к поглощеннойэнергии возбуждения Еп:
                                                                        (2)
Квантовымвыходом люминесценции называют отношение числа квантов люминесценции,излученных веществом Nл к числу поглощенныхквантов возбуждающего света Nп:
                                                                (3)
Выходлюминесценции очень чувствителен к внешним воздействиям, которые во многихслучаях приводят к тушению свечения. Так, известно тушение люминесценциипосторонними примесями, возникающее при добавлении к раствору постороннихвеществ — тушителей. Тушителями могут служить KI,анилин и другие вещества. В результате взаимодействия возбужденных молекуллюминесцентного вещества с молекулами тушителя возникает безизлучательный разменэнергии возбуждения. Безизлучательные переходы развиваются и при увеличениитемпературы раствора, обуславливая появление температурного тушения.
Вбольшинстве случаев увеличение концентрации также приводит к тушению свечения.При этом концентрационное тушение обычно начинает проявляться лишь придостижении некоторой пороговой концентрации, величина которой характерна дляисследуемого вещества. В более разведенных растворах выход люминесценции независит от концентрации. Это обстоятельство может быть использовано в люминесцентноманализе при подборе оптимальных условий его проведения.
Концентрационноетушение имеет двоякую природу. С одной стороны, при увеличении концентрациимогут образовываться ассоциированные молекулы, не обладающие люминесцентнойспособностью, но поглощающие энергию возбуждения. С другой стороны, междувозбужденными и невозбужденными молекулами может осуществляться индукционныйперенос, или, как говорят, миграция энергии возбуждения. Такой перенос энергиивозбуждения прежде всего на нелюминесцентные ассоциаты приводит к развитиюконцентрационного тушения.
Известныи другие виды тушения (тушение растворителем, тушение электролитами, тушениепри диссоциации и ионизации молекул и т. д.). При проведении люминесцентногоанализа интенсивность свечения играет очень большую роль. Поэтому учет тушения,изменяющего интенсивность люминесценции и затрудняющего анализ, является крайневажным.
Закон затухания люминесценции.
Законзатухания свечения после прекращения возбуждения может быть различным у разныхвеществ, что часто позволяет по нему определять природу и кинетику  свечения; вместе с тем он может служить ианалитической характеристикой. Закон затухания свечения растворов имолекулярных кристаллов обычно достаточно   хорошо     выражается     экспоненциальной     зависимостью
 
                                                              (4).
 где I — интенсивностьсвечения в момент времени t;  I0— интенсивность свечения вмомент прекращения возбуждения; t — средняядлительность возбужденного состояния (время, в течение которого интенсивностьсвечения уменьшается в е раз, т. е. в 2,7 раза). В других случаях затуханиесвечения может происходить по более сложному закону. Так, например, затуханиесвечения кристаллофосфоров хорошо описывается эмпирической формулой
                                                                 (5)
где A,b, a — постоянные, причемобычно aДлительность возбужденного состояния молекул.
Послепрекращения возбуждения свечение не исчезает мгновенно,   а   продолжается определенный промежуток времени.Длительность возбужденного состояния у разных соединений может существенноразличаться. Она характерна для каждого вещества и является его важнойоптической характеристикой. Так, для растворов обычно t~10-8—10-9сек. Затухание свечения кристаллофосфоров протекает по сложным законам и можетпродолжаться секунды, минуты и даже часы.
Такимобразом, у жидких растворов t очень невелико и ихлюминесценция затухает практически мгновенно. Такие свечения часто называют флуоресценцией. При введении тех жевеществ в очень вязкие среды (в желатину, сахарные леденцы и т. д.), а такжепри замораживании растворов возникает длительное свечение, продолжающееся долисекунды и даже целые секунды. Свечение такого вида называют замедленной флуоресценцией, или фосфоресценцией. Известны два видазамедленной флуоресценции: при одном спектр свечения совпадает со спектромфлуоресценции (a-процесс), при второмнаблюдается резко отличный спектр свечения, сдвинутый в сторону длинных волн (b-процесс).
Замедленнаяфлуоресценция обусловлена попаданием возбужденных молекул на энергетическиеуровни, непосредственный переход с которых в невозбужденное состояние неразрешен. Эти уровни называются метастабильными; молекула может их покинутьлишь под влиянием внешних воздействий (например, при нагревании). Возбужденныемолекулы пребывают на метастабильных уровнях значительное время, вызываяувеличение длительности послесвечения.
Присложном законе затухания (например, (5)) понятие средней длительности возбужденногосостояния t уже неприменимо. В этом случае дляхарактеристики длительности послесвечения обычно принимают время, в течениекоторого интенсивность свечения исследуемого образца уменьшается в определенноечисло раз (в 100—1000 раз).
Кривые термического высвечивания.
У многихвеществ (кристаллофосфоров, минералов, кварца и др.), предварительновозбужденных ультрафиолетовой, рентгеновской или радиоактивной радиацией, принагревании возникает свечение, получившее название термолюминесценции. Оно наблюдаетсяпри температурах, значительно меньших тех, при которых появляется видимоетемпературное излучение.
Термолюминесценцияимеет следующее происхождение. Под действием возбуждающей радиации электроныотрываются от ионов облучаемого вещества; часть их непосредственнорекомбинирует с ионизованными центрами, что приводит к возникновению кратковременногосвечения кристаллофосфоров; другая часть электронов задерживается вблизи местнарушения периодичности кристаллической решетки — на уровнях локализации. Освобождениеэлектронов с мест локализации происходит за счет тепловой энергии. Их последующаярекомбинация с ионизованными центрами вызывает длительное свечениекристаллофосфоров.
Уровнилокализации могут иметь различную энергетическую глубину, т. е. могут удерживатьэлектроны с различной силой. Мелкие уровни освобождаются уже при температурежидкого азота, глубокие — при +300, +400°С. При постепенном нагреваниипредварительно возбужденного фосфора последовательно освобождаются уровниразной глубины, и интенсивность термолюминесценции то увеличивается, тоуменьшается. Кривые, характеризующие зависимость яркости свечения фосфора оттемпературы, получили название кривых термического высвечивания. Они являютсяважной характеристикой кристаллофосфоров и могут быть использованы для аналитическихцелей.

Основные закономерности свечения, используемые в люминесцентноманализе.

Закон независимости спектра люминесценции от длины
волны возбуждающего света.
 При возбуждении свечения различнымидлинами волн молекулы вещества, поглощая кванты разной величины, попадают наразличные колебательные уровни возбужденного электронного состояния. Поэтомуможно ожидать, что спектр люминесценции будет зависеть от длины волнывозбуждающего света. Однако оказалось, что каждое вещество в конденсированномсостоянии имеет совершенно определенный спектр люминесценции, который нечувствителен к изменению длины волны возбуждающего света.
Этообъясняется тем, что молекулы, перешедшие в результате возбуждения на различныеколебательные уровни возбужденного состояния (рис. 1), успевают за время, многоменьшее, 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 происходятпереходы молекул в невозбужденное состояние, сопровождающиеся излучением. Поэтомуна опыте всегда наблюдается один и гот же спектр люминесценции, не зависящий отдлины волны возбуждающего света.
Независимостьспектра люминесценции от длины волны возбуждающего света позволяет на практикепользоваться для возбуждения широкими спектральными участками. При отсутствиивторичного поглощения оказывается возможным не обращать внимания на составвозбуждающего света, что очень сильно облегчает проведение анализа.
Закон Стокса—Ломмеля.
Стоксомбыло сформулировано правило, согласно которому свет люминесценции всегда имеетбольшую длину волны по сравнению со светом, применявшимся для возбуждения.Однако во многих случаях правило Стокса не выполняется. Спектры поглощения илюминесценции многих веществ частично накладываются друг на друга. Если длявозбуждения взять частоту (например, n = 530·10-12сек-1), находящуюся в области наложения спектров, то согласноправилу Стокса должна появляться лишь та часть спектра люминесценции, котораярасположена по левую сторону от выбранной частоты. Однако в соответствии сзаконом независимости спектра люминесценции от возбуждающей длины волны вбольшинстве случаев наблюдается полный спектр люминесценции, имеющий целый рядчастот, превышающих частоту возбуждающего света (заштрихованная область). Такимобразом, правило Стокса нарушается. Часть спектра люминесценции, состоящая излучей с частотами, большими частоты возбуждающего света, называется антистоксовской. Ее возникновение можнообъяснить наличием у излучающих молекул помимо энергии возбуждения ещеопределенного запаса колебательной энергии. Сумма    энергий возбуждающего и колебательногоквантов позволяет получать большие кванты люминесценции, обусловливающиепоявление антистоксовской части спектра. Ломмель уточнил правило Стокса,предложив для него следующую формулировку: спектр излучения в целом и егомаксимум всегда сдвинуты по сравнению со спектром поглощения и его максимумом всторону длинных волн. Закон Стокса—Ломмеля строго выполняется для очень широкогокруга веществ.
Сдвигспектров люминесценции относительно спектров поглощения дает возможность болееили менее просто отфильтровывать рассеянную часть возбуждающего света,примешивающегося к люминесценции. Это обстоятельство широко используется впрактике люминесцентного анализа.
Закон Вавилова.
С. И.Вавиловым установлено, что энергетический выход люминесценции растет пропорциональнодлине волны возбуждающего света, затем в некотором спектральном интервале оностается постоянным, после чего в области наложения спектров поглощения илюминесценции начинает быстро падать. Падение энергетического выхода свеченияпроисходит в антистоксовской части спектра.
Легкопоказать, что пропорциональность энергетического выхода длине волнывозбуждающего света соответствует постоянству квантового выхода в той же спектральнойобласти, где в излучение всегда переходит  одна    и   та  же  доля    возбуждающих   световых   квантов. С. И. Вавилов дал своему закону формулировку, согласно которойлюминесценция может сохранять постоянный квантовый выход, если возбуждающаяволна преобразуется в среднем в более длинную, чем она сама. Наоборот, выход люминесценциирезко уменьшается   при   обратном   преобразовании    длинных   волн  в  короткие. Закон Вавилова широкоиспользуется в люминесцентном анализе при подборе оптимальных условий проведенияопыта.
Правило зеркальной симметрии спектров поглощения и
 люминесценции.
Дляширокого круга веществ (растворов красителей, ряда ароматических и многихдругих соединений) выполняется установленное В. Л. Левшиным правило зеркальнойсимметрии спектров поглощения и излучения, согласно которому спектры поглощенияи люминесценции, изображенные в функции частот, оказываются зеркально-симметричнымиотносительно прямой, проходящей перпендикулярно оси частот через точкупересечения обоих спектров, т. е.
                                                                               (6)
или
                                                                   (7)
Здесь nП—частота поглощаемого света; nЛ — симметричная частоталюминесценции; n0 — частота линиисимметрии. При этом по оси ординат для спектров поглощения откладываютсякоэффициенты поглощения a, а для спектровлюминесценции — квантовые интенсивности IКВ=I/n.
Изуравнения (9) видно, что при наличии зеркальной симметрии Dn=nП- nЛ, и nП связаны линейнойзависимостью. Если откладывать по оси абсцисс nП, а по оси ординат Dn, то при строгомвыполнении правила должна получиться прямая линия.
Дляосуществления зеркальной симметрии необходимо выполнение двух условий —зеркальной симметрии частот и зеркальной симметрии интенсивностей поглощения илюминесценции в соответствующих частях спектра.
Дляосуществления симметрии частот необходимо, чтобы энергетические уровнивозбужденного и невозбужденного состояний были построены одинаково. Для наличиязеркальной симметрии интенсивностей необходимо, чтобы распределение молекул поэнергетическим уровням верхней и нижней систем было одинаковым и чтобывероятности соответствующих излучательных и поглощательных переходов были равны,или пропорциональны друг другу. Эти условия выполняются лишь у части молекул. Увеществ, следующих правилу зеркальной симметрии, можно по одному из спектров(люминесценции или поглощения) без измерений установить форму другого. Отступленияот правила зеркальной симметрии могут быть использованы для установления величиныотклонений от условий его выполнения.
Правилозеркальной симметрии оказывается весьма полезным при проведении люминесцентногоанализа, а также при расшифровке спектров и установлении энергетических уровнейисследуемых молекул.

Виды люминесцентного анализа и характеристика его особенностей.

Люминесцентным анализом называетсяобнаружение и исследование различных объектов с помощью явлений люминесценции.Наиболее важной задачей люминесцентного анализа является определениехимического состава исследуемых веществ и установление процентного содержания вних отдельных компонентов. Анализ такого вида носит соответственно название качественного и количественного химическоголюминесцентного анализа.
Качественныйхимический люминесцентный анализ основан на том, что люминесцентные свойстваявляются характерным признаком излучающего вещества, тесно связанным с его составом,общим состоянием и структурой его молекул.
Количественныйхимический люминесцентный анализ основан на использовании определеннойзависимости между интенсивностью люминесценции и концентрацией люминесцентноговещества. В большинстве случаев условия анализа подбираются так, чтобы осуществляласьпропорциональность между интенсивностью свечения и концентрацией вещества.Однако такая зависимость имеет место лишь в случаях, когда концентрацииневелики. При высоких концентрациях определяемого вещества для осуществленияанализа приходится тем или иным способом учитывать сложную зависимость интенсивностисвечения от концентрации.
Клюминесцентному анализу относится также изучение структуры и колебательныхчастот молекул по спектрам излучения, создающее фундамент для качественноголюминесцентного анализа.
Чистохимические задачи не исчерпывают возможностей люминесцентного анализа. С егопомощью можно обнаруживать и выявлять различные объекты и их детали, изучение которыхоказывается невозможным при обычных условиях наблюдения и освещения. Люминесцентныйанализ такого рода получил название люминесцентногоанализа обнаружения или сортовоголюминесцентного анализа.
Люминесцентныйанализ обладает рядом особенностей, которые отличают его от всех других видованализа. Люминесцентный анализ необычайно чувствителен. С его помощью можнообнаружить в пробе присутствие вещества с концентрацией ~10-10 – 10-11г/г. Это более чем на три порядка превосходит чувствительность эмиссионногоспектрального анализа, что позволяет работать с исчезающе малыми количествамиисследуемого вещества ~10-12 – 10-15  г. С помощью люминесцентного анализа можноисследовать очень небольшие объемы раствора, а также анализировать мельчайшиекрупинки порошков, в которых содержатся следы других люминесцирующих веществ.
Важным  преимуществом люминесцентного  анализа  являются его простота и скорость, во много раз превосходящие скорость химическогоанализа.
В товремя как при химическом и эмиссионном спектральном анализе анализируемыевещества разлагаются, при люминесцентном анализе они, как правило, неподвергаются изменениям и их можно использовать в дальнейшей работе. Этопреимущество люминесцентного анализа особенно существенно при исследованиитрудно синтезируемых уникальных веществ, получаемых в ничтожных количествах. Вотдельных случаях возбуждения люминесценции коротковолновыми ультрафиолетовымилучами в веществе могут происходить фотохимические превращения. Однакосоответствующим подбором условий опыта эти трудности обычно могут быть обойдены.
Перечисленныесвойства люминесцентного анализа дают представление о его исключительныхвозможностях, в определенных отношениях значительно превосходящих возможностидругих видов анализа. Однако следует отметить, что необычайно высокая чувствительностьлюминесцентного анализа одновременно создает и серьезные трудности егопроведения, существенно ограничивая области его применения. Присутствие вобразце даже ничтожных количеств люминесцирующих примесей обусловливаетпоявление нового свечения, которое накладывается на люминесценцию основного вещества,искажая как спектральный состав, так и интенсивность его излучения. Поэтомузначительные успехи в применении люминесцентного анализа могли быть достигнутылишь на основе всестороннего развития учения о люминесценции в целом, послетого как были установлены общие законы свечения и накоплен большой материал олюминесцентных свойствах различных классов соединений.
Наиболеераспространенным и хорошо разработанным является люминесцентный анализ,основанный на возбуждении фотолюминесценции. При анализе кристаллических неорганическихвеществ (минералов, алмазов и др.) применяют катодное и рентгеновскоевозбуждения. В отдельных случаях в аналитических целях используют явленияхемилюминесценции и радиолюминесценции.