Лабораторная работа № 3. Измерение квантового выхода люминесценции
Целью работы является изучение методов определения квантового выхода люминесценции.
Задание:
1. Изучить методику измерения квантового выхода флуоресценции относительным методом (см. ниже "Методические рекомендации").
2. Измерить спектры поглощения растворов исследуемого вещества (раствор флуоресцеина в 0,1 М водном растворе NaOH) и эталона (раствор родамина 6Ж в этиловом спирте).
3. Выбрать длину волны возбуждения.
4. Определить оптические плотности исследуемого вещества и эталона на длине волны возбуждения.
5. Путем разбавления растворов в требуемое число раз привести значения оптических плотностей на выбранной длине волны к величинам порядка 0,1 (в расчете на 1 см), уточнить значения полученных плотностей прямым измерением.
6. Зарегистрировать спектры люминесценции разбавленных в соответствии с п. 5 растворов эталона и исследуемого вещества, обеспечив идентичные условия регистрации (одна длина волны возбуждения, неизменные щели на монохроматорах и прочие параметры, определяющие чувствительность).
7. Провести коррекцию спектров люминесценции на спектральную чувствительность (см. описание процедуры в методических рекомендациях к работе № 1), представить их в квантовых единицах, т.е. W(ν)/ν.
8. Вычислить интегральные интенсивности и найти квантовые выходы. Квантовый выход флуоресценции эталона принять равным 0,92.
Методические рекомендации
Для определения квантового выхода люминесценции необходимо, вообще говоря, измерить интенсивность люминесценции и соотнести ее с интенсивностью поглощенного системой света. В ряде руководств по люминесценции приведены результаты измерений квантовых выходов люминесценции ряда соединений в различных растворителях, выполненные таким прямым методом, называемым часто абсолютным. Измерения достаточно сложны в методическом плане. Проще т.н. относительный метод. Сравнивая интенсивность люминесценции исследуемого вещества и вещества, для которого квантовый выход надежно измерен (эталона), можно определить квантовый выход исследуемого вещества.
Итак, по определению квантового выхода
, (3.1)
где Iлюм – интегральная интенсивность люминесценции в квантовых единицах (число квантов, испускаемых системой в единицу времени):
, (3.2)
а Iпогл – поглощенное в веществе в единицу времени число кантов. Оно может быть выражено через интенсивность падающего на образец возбуждающего света Iвозб (опять же в кантовых единицах) и долю от этой интенсивности, поглощаемую в образце:
. (3.3)
Здесь T(νвозб) – пропускание образца на частоте возбуждающего света.
Если при одной и той же чувствительности установки, при одной и той же интенсивности и длине волны возбуждения провести измерения для исследуемого вещества и для эталона, то с учетом (3.1) и (3.3) получим отношение квантовых выходов:
, (3.4)
где индексы "x" и "эт" относятся к исследуемому веществу и эталону соответственно.
Т.к.
,
для малых оптических плотностей D
можно заменить
.
С учетом последнего окончательно имеем:
. (3.5)
Остановимся на некоторых практических соображениях. При определении квантового выхода целесообразно проводить измерения именно при малых значениях оптической плотности. Прежде всего, это позволяет избежать реабсорбции света люминесценции в растворе. Кроме того, при больших оптических плотностях вследствие падения интенсивности люминесценции по ходу возбуждающего луча в кювете результаты измерения интенсивности люминесценции, которая собирается не со всей кюветы, а с какого-то ее участка, проецируемого на входную щель монохроматора, будут существенно зависеть как от юстировки, причем по разному для образцов с разной оптической плотностью, что вносит трудно учитываемые погрешности.
В соответствии с законом Вавилова при возбуждении в стоксовой области квантовый выход не зависит от длины волны возбуждения (что фактически подразумевалось при выводе (3.5)). Длину волны возбуждения целесообразно выбрать такой, чтобы она приходилась на коротковолновые края спектра поглощения для обоих веществ (эталона и исследуемого), при этом поглощение для каждого из образцов не должно быть чрезмерно малым (не должно составлять малую долю от поглощения в максимуме). Если последнее не выполняется, то может оказаться, что в измеряемое поглощение вносит заметный вклад поглощение неконтролируемых примесей, сильнее сказываются погрешности измерения оптической плотности. Таким образом, выбор длины волны возбуждения, пригодной для возбуждения обоих веществ, представляет собой некоторый компромисс, который легче достигается в том случае, когда спектры эталона и исследуемого вещества не слишком удалены друг от друга.
Контрольные вопросы
1. Почему квантовый выход люминесценции не зависит от частоты возбуждения?
2. В чем причина падания кантового выхода при возбуждении в антистоксовой области?
3. Почему при измерении квантового выхода относительным методом концентрацию растворов следует выбирать достаточно низкой? Приведите ориентировочные значения оптических плотностей и концентраций растворов, которые могут считаться приемлемыми.
4. Почему в предлагаемом в работе варианте метода определения квантового выхода используется возбуждение одной длиной волны как эталона, так и исследуемого вещества?
5. Укажите критерии выбора длины волны возбуждения для используемого в работе метода.