21.2.4. Влияние различных факторов на интенсивность флуоресценции растворов

Люминесценция и, в частности, флуоресценция в гораздо боль­шей степени подвержена влиянию различных факторов, чем поглоще­ние света. Интенсивность флуоресценции зависит от:

• природы вещества;

• концентрации вещества в растворе;

• условий, в которых находится флуоресцирующее вещество

(температура, растворитель, рН, наличие в растворе других ве­ществ, способных влиять на флуоресценцию).

Природа вещества

Неорганические соединения (за исключением некоторых соеди­нений урана, лантанидов) обычно не способны флуоресцировать в растворе. В то же время среди органических соединений флуоресци­рующих веществ достаточно много.

Необходимым(но не достаточным!) условием для фотолюми­несценции является способность вещества поглощать электро­магнитное излучение УФ- или видимого диапазона.Обычно веще­ства, обладающие интенсивной флуоресценцией, имеют длинную сис­тему сопряжённых связей. Наиболее часто флуоресцирующие вещест­ва встречаются среди ароматических соединений. Введение в бен­зольное кольцо электронодонорных заместителей увеличивает способность вещества флуоресцировать.Например, многие фенолы и ароматические амины обладают интенсивной флуоресценцией. Вве­дение электроноакцепторных заместителей,за некоторым исклю­чением, уменьшает флуоресценцию. Атомы тяжёлых галогенов (Br, I) увеличивают скорость интеркомбинационной конверсии и, тем самым, уменьшают квантовый выход флуоресценции.Однако вве­дение тяжёлых галогенов увеличивает способность вещества фосфо­ресцировать. Способность вещества к флуоресценции в растворе

увеличивается при конденсации ароматических колец и увеличе­нии «жёсткости» молекулы. Например

флуоресцеин COO

O

O

z^k^^COO фенолфталеин

Концентрация вещества

Зависимость между интенсивностью флуоресценции и концен­трацией флуоресцирующего вещества в растворе более сложная, чем между поглощением света и концентрацией. Это связано с тем, что процесс излучения является вторичным и зависит от предшествующе­го ему процесса поглощения света.

Рассмотрим простейший случай, когда в растворе находится только одно флуоресцирующее вещество.

—s/C

I_f =kN_f =kQN

N

погл

погл

= k'AI= k'(I₀— I) I= I₀• 10

Таким образом:

I_f= kk 'QI₀(1—10 ^—s/C)

Следовательно,зависимость между интенсивностью флуо­ресценции и концентрацией флуоресцирующего вещества не яв­ляется линейной.

_—s/C

Функцию 10 можно разложить в ряд Маклорена

10—s/С = 1 — 2,3s/C₊ ⁽²'^3s/C)2— ⁽²'^3s/C)3₊ ...

2! 3!

Если произведение s/С(оптическая плотность раствора) неве-

„/С

лико, то 10 «1 — 2,3s/C и тогда

I_f= 2,3kk 'QI₀s/C= KC

Таким образом, при малых значениях оптической плотности (при ^_возб) зависимость интенсивности флуоресценции от концен­трации можно считать линейной,что и используется в количест­венном анализе. При более высоких значенияхA зависимость интен­сивности флуоресценции от концентрации становится более сложной и отклоняется от линейной. ПриA = 0,01 отклонение от линейности составляет 1%, 0,05 - 5%; 0,5 - около 35% (рис. 21.4).

Влияние оптической плотности раствора на интенсивность флуоресценции называется «эффектом внутреннего фильтра».Этот эффект обусловлен двумя причинами:

• поглощением возбуждающего света,вследствие чего частицы, находящиеся дальше от источника излучения, будут получать меньше возбуждающего излучения;

• поглощениемодними частицами вещества излучения,испус­каемого другими частицами этого же вещества.

Условия, в которых находится флуоресцирующее вещество

Растворительможет оказывать влияние на величину разности междуX_max спектра поглощения вещества (или спектра возбуждения флуоресценции) и спектра испускания. При увеличении диэлектриче­ской проницаемости растворителя эта разность, называемая Стоксо- вым сдвигом,увеличивается. Растворитель влияет также и на вели­чину квантового выхода флуоресценции, увеличивая её или умень­шая. Например, квантовый выход флуоресценции эозина в воде равен 0,2, а в ацетоне - близок к 1.

Рис. 21.4.Зависимость между интенсивностью флуоресценции и оптиче­ской плотностью раствора

1) рассчитанная по упрощённой формуле I = KC; 2) реальная

a

Влияние рНсказывается на флуоресценции тех веществ, в мо­лекулах которых имеются функциональные группы, склонные к ки­слотно-основному взаимодействию. Например, фенол и его производ­ные флуоресцируют в кислой среде, при ионизации фенольного гид- роксила флуоресценция исчезает. Органические вещества, цвет и ин­тенсивность флуоресценции которых изменяется при изменении рН, могут быть использованы в качестве кислотно-основных индикаторов (флуоресцеин, хинин и т. п.).

При повышении температурыувеличивается вероятность бе- зызлучательных переходов, поэтому интенсивность флуоресценции уменьшается. Однако, у некоторых веществ свечение прекращается уже при -100^оС, другие продолжают слабо флуоресцировать даже при >100^оС. Если поместить флуоресцирующее вещество в специальную среду и охладить до температуры кипения жидкого азота (или даже жидкого гелия), то можно добиться того, что спектр флуоресценции органического вещества станет линейчатым. Такое явление называет­ся эффектом Шпольского.Использование данного эффекта значи­тельно повышает избирательность анализа и снижает предел обнару­жения.

Интенсивность флуоресценции вещества и её квантовый выход могут снижаться в присутствии в растворе других веществ, называе­мых тушителями.Существуют, так называемые, универсальные ту­шители (например,O₂), которые уменьшают флуоресценцию боль­шинства веществ. Однако, чаще тушитель влияет на флуоресценцию одного вещества и не влияет на флуоресценцию другого (например, хлориды уменьшают интенсивность флуоресценции хинина), по­скольку эффект тушения в разных случаях имеет различный меха­низм. Влияние концентрации тушителя на интенсивность флуорес­ценции вещества описывается уравнением Штерна-Фольмера

где I_q - интенсивность флуоресценции в присутствии тушителя, O_q - концентрация тушителя, k - константа тушения.