Теоретические основы метода

Люминесценция – это свойство веществ излучать свет под действием различных возбуждающих факторов. Согласно С.И. Вавилову (основоположник люминесцентных методов), люминесценция – это избыточное свечение тела над тепловым (температурным) излучением этого же тела в данной спектральной области, при данной температуре, длительностью более 10^-10 с, т.е. превышающее период световых колебаний.

При переходе с нормального Н на возбужденный уровень В происходит поглощение энергии от внешнего источника. Затем может происходить перераспределение энергии по пути В®М и излучение энергии при возвращении атома в нормальное состояние (М®Н). В процессе возникновения люминесценции могут участвовать два процесса: свечение дискретных центров и рекомбинационные процессы свечения.

При реализации свечения дискретных центров в процессе возникновения люминесценции участвует только одна частица – центр свечения. Она является как излучателем, так и поглотителем энергии.

При реализации свечения за счет рекомбинационных центров свечения в процессе возникновения участвует несколько центров свечения. Одна часть частиц отвечает за поглощение энергии, другая – за излучение.

Способов возбуждения люминесценции несколько:

- ультрафиолетовое излучение – фотолюминесценция (флуоресценция);

- катодные лучи – катодолюминесценция;

- рентгеновское излучение – рентгенолюминесценция;

- механическая деформация – триболюминесценция;

- нагревание – термолюминесценция;

- химические реакции – хемолюминесценция и т.д.

Наиболее широкое применение в аналитической химии получила фотолюминесценция. Здесь можно выделить две группы методов анализа: по непосредственному изучению люминесценции вещества и после перевода анализируемого вещества в соединение, способное к флуоресценции. Общим обоих подходов является измерение интенсивности люминесценции при определенной длине волны. При люминесценции часть энергии возбуждения неизбежно теряется при тепловом рассеянии, поэтому энергия квантов света всегда меньше, чем энергия квантов падающего света и длина волны света люминесценции всегда смещена в сторону более длинных волн по сравнению с длиной волны падающего света

l_Л > l_В – смещение Стокса.

Соответственно, спектр люминесценции всегда смещен в сторону более длинных волн по сравнению со спектром поглощения, за исключением области перекрывания этих спектров – правило Стокса-Ломмеля. Чем больше величина смещения Стокса, тем меньше зона перекрывания спектров поглощения и люминесценции тем лучше разделение пиков, меньше влияние «фона» от поглощения возбуждающего излучения и точнее проводимый анализ. С целью уменьшения влияния фона регистрирующий фотоэлемент ставят перпендикулярно направлению падения возбуждающего излучения.

Основными характеристиками люминесценции являются квантовый выход и энергетический выход. Оба показателя дают представление об эффективности преобразования энергии поглощенного электромагнитного излучения в энергию люминесценции.

Энергетический выход – отношение энергии кванта излучаемой энергии (люминесценции) Е_Л к энергии поглощенного кванта Е_В.

.

Величина В_эн согласно С.И. Вавилову, зависит от длины волны возбуждающего излучения. «При возбуждении люминесценции коротковолновой частью спектра поглощения величина энергетического выхода растет пропорционально длине волны возбуждающего излучения, затем в некотором спектральном интервале величина В_эн остается постоянной при увеличении l_в, после чего в области наложения спектров поглощения и люминесценции происходит резкое падение энергетического выхода». Пригодной для проведения анализа является область длин волн падающего излучения с постоянным значением В_эн.

Квантовый выход – отношение числа излучаемых квантов N_Л к числу поглощенных квантов N_В.

.

С энергетическим выходом квантовый выход связан соотношением:

.

Квантовый выход характеризует предел обнаружения вещества люминесцентным методом. Чем больше квантовый выход, тем меньшие количества вещества можно определить. Собственно говоря, интенсивность люминесценции непосредственно связана с числом квантов люминесценции, т.е. с числом частиц, потенциально способных к люминесценции и с квантовым выходом.

.

Число поглощенных квантов будет связано с интенсивностью падающего света:

N_В = x’(I₀ - I), где I = I₀×10^elC.

Тогда интенсивность люминесценции равна

I_Л = xx’В_квI₀(1-10^elC),

при elC £ 10^-2 или при С £ 10^-3 - 10^-4,

I_Л = xx’В_квI₀elC или I_Л = KC.

При высоких концентрациях анализируемого вещества прямолинейный ход зависимости I_Л – C нарушается. Это явление получило название «тушение люминесценции». Явление тушения люминесценции наблюдается не только при увеличении концентрации. Его может вызвать наличие примесей, с анализируемым веществом не реагирующих.

С.И. Вавилов указывал на минимум две причины, вызывающие тушение люминесценции. Во-первых, тушение люминесценции связано с внутримолекулярными перегруппировками или химическими реакциями; в результате вещество способное к люминесценции исчезает, а образуется не люминесцирующее; изменяется характер спектра поглощения и спектра испускания - тушение первого рода. Во-вторых, тушение люминесценции не обязательно вызывается химическими реакциями, перестройками на молекулярном уровне, которые сопровождаются изменением спектров поглощения и люминесценции. Тушение в этом случае происходит вследствие воздействия на молекулу каких-то внешних факторов – тушение второго рода. В третьих, тушение может возникать при высоких концентрациях вещества вследствие явления самопоглощения или взаимодействия частиц между собой – концентрационное тушение.

Качественный анализ

Многие органические и неорганические вещества имеют собственную флуоресценцию. По внешнему виду спектра судят о наличии или отсутствии вещества в пробе.

Если вещество не обладает собственной флуоресценцией, то его можно перевести в соединение, способное к свечению в определенной области спектра, т.е. по сути провести качественную реакцию на тот или иной элемент, только откликом такой реакции будет не осадок или цвет раствора, а наличие свечения определенного цвета. Вместо перевода вещества в светящееся соединение можно спровоцировать собственную люминесценцию, добавив кристаллофосфор – «затравку для люминесценции».

Качественный анализ можно вести по тушению люминесценции или по изменению ее цвета, добавляя соответствующие реагенты.

Количественный анализ

В силу того, что для определенного диапазона концентраций наблюдается прямая зависимость интенсивности люминесценции от концентрации вещества в пробе, количественный анализ ведут по методу градуировочного графика. Зависимость строят в координатах I – C. Измеряют интенсивность либо собственной люминесценции, либо добавляют индикаторы, вызывающие люминесценцию. Измерения выполняют по самому интенсивному пику флуоресценции, если в спектре их несколько. На настоящий момент разработаны методики флуоресцентного анализа практически для всех металлов и для многих органических соединений.