Федеральное агентство по образованию

Московская Государственная Академия Тонкой Химической Технологии

им. М.В.Ломоносова

Кафедра аналитической химии

Люминесценция

Выполнили студенты гр. ХТ-407

Баева Е.

Горбов П.

Ивкин В.

Козлова М.

Рыкун А.

Серегина А.

Сумина А.

Тимофеев Г.

Уварова В.

Москва 2011

Содержание:

Теоретическая часть. Люминесценция……………………………………………3

Механизм возникновения люминесценции………………………..…………….3

Качественный анализ……………………………….............……………………….6

Количественный анализ…………………………….............………………………7

Факторы, влияющие на интенсивность люминесценции…………………...7

Практическое применение……………………..……………………………………8

Общая характеристика метода……………………………………………………..9

Задание к лабораторной работе…………………………………………………..10

Методика определения............................................................................10

Обработка результатов данных, техника работы на флуориметре ЭФ-ЗМА.......……….....…………………………………..…………………………….12

Теоретическая часть. Люминесценция.

Люминесценция- свечение, избыточное над температурным, и обладающее длительностью не менее чем 10^-10 с, что превышает период световых колебаний. От излучения нагретых тел она отличается своей неравновесностью: люминесценция практически не использует тепловую энергию излучаемой системы, поэтому ее часто называют холодным светом. Это определение отличает люминесценцию также от всех других видов неравновесного свечения- рассеяния и отражения света, комбинационного рассеяния.

Люминесценция возникает в результате электронного перехода при возвращении частиц из возбужденного состояния в нормальное. Таким образом, молекула преобразует поглощенную энергию в собственное излучение. Этим люминесценция также отличается от процессов несобственного излучения- рассеяния и отражения света. Люминесцирующие вещества могут находиться в любом агрегатном состоянии.

В возбужденном состоянии частицы люминесцирующего вещества могут переходить под действием света, и тогда люминесценцию называют фотолюминесценцией (флуоресценцией или фосфоресценцией), под действием рентгеновского излучения - рентгенолюминесценцией, в результате химической реакции - хемилюминесценцией.

Эффективность преобразования энергии поглощенного света в энергию люминесценции характеризуется энергетическим и квантовым выходом люминесценции. Отношение излучаемой энергии люминесценции к энергии поглощенного света называют энергетическим выходом люминесценции, а отношения числа излучаемых квантов к числу поглощенных называют квантовым выходом люминесценции.

Механизм возникновения люминесценции.

1. Природа и свойство электронновозбужденных состояний органических молекул.

Поглощение кванта света приводит к изменению электронной конфигурации органической молекулы, к переходу ее из основного состояния в возбужденное. Электронное возбуждение молекулы всегда связано с некоторым колебательным возбуждением, поэтому обычно рассматривают электронно- колебательно- вращательные состояния молекулы.

Электронно-возбужденное состояния молекулы могут отдавать энергию возбуждения несколькими путями. Различают химическую дезактивацию (в результате реакций) и физическую. Важнейшими физическими процессами дезактивации являются:

-колебательная релаксация (КР)- τ = 10^-12-10^-13 с- безизлучательный переход с одного колебательного уровня на другой колебательный уровень;

-флуоресценция (ФЛ)- τ =10^-9 с- излучение кванта света в результате энергетического перехода между двумя электронными состояниями одинаковой спиновой мультиплетности;

-фосфоресценция (Ф)- τ =10^-2-10^-3 с- излучение кванта света в результате энергетического перехода между двумя электронными состояниями различной спиновой мультиплетности;

-внутренняя конверсия (ВК)- τ =10^-10-10^-13 с- безизлучательный переход между двумя электронными состояниями одинаковой спиновой мультиплетности;

-интеркомбинационная конверсия (ПК) - τ= 10^-1 -10^-3 с, τ= 10^-7с- безизлучательный переход между двумя электронными состояниями различной спиновой мультиплетности.

Все физические процессы дезактивации могут конкурировать между собой и с химическими реакциями.

2. Электронные состояния комплексных соединений

Положения, характеризующие органические молекулы, справедливы и для неорганических комплексных соединений. В комплексе это квартетные и дублетные состояния, а в органической молекуле - синглетные и триплетные.

3. Закономерности, характеризующие спектр люминесценции

Зависимость интенсивности люминесценции (1), выраженной в условных единицах, от длины волн λ называется спектром люминесценции. Спектр люминесценции, как и спектр поглощения, может состоять из одной или нескольких полос. Полосы могут быть широкими или узкими. Каждая полоса характеризуется положением максимума (λ_max) и интенсивностью люминесценции I в условных единицах.

К числу закономерностей, определяющих спектр люминесценции, относятся: правило Стокса - Ломмеля; спектр люминесценции и ее максимум всегда сдвинут в сторону длинных волн по сравнению со спектром поглощения.

Смещение максимума люминесценции в длинноволновую область спектра лежит в основе визуального наблюдения эффекта люминесценции при возбуждении невидимыми ультрафиолетовыми лучами.

Графически смещение спектра люминесценции бериллий-моринового комплекса показано на рис.1. По оси ординат отложены значения оптической плотности D и относительной яркости люминесценции в условных единицах 1. По оси абсцисс - длины волн.

Рис.1 Спектры поглощения П и люминесценции Л бериллий-моринового комплекса.

Согласно квантовым представлениям, правило Стокса означает, что энергия кванта, излучаемого флуоресцирующим веществом - hVf, всегда меньше кванта поглощаемого света - hVa. Экспериментальная проверка правила Стокса - Ломмеля показала, что оно не всегда выполняется.

Правило зеркальной симметрии Лёвшина: спектры поглощения и излучения, изображенные в функции частот, оказываются зеркально симметричными относительно прямой, проходящей перпендикулярно к оси частот через пересечения кривых обоих спектров.

Это правило иллюстрируется рис. 2, на котором представлены спектры поглощения П и люминесценции Л родамина 6Ж в ацетоне. По оси ординат отложены величины, пропорциональные интенсивностям излучения и молекулярным коэффициентам погашения К. По оси абсцисс - значение частот и длин волн, которые связаны между собой соотношением V= C/λ.

Наличие зеркальной симметрии спектров поглощения и излучения указывает на тождество расположения колебательных уравнений в невозбужденной и возбужденном состояниях молекулы.

Рис.2 Спектр поглощения П и спектр люминесценции Л родамина 6Ж в ацетоне

Фотоны hVa и hVf расположены на одинаковом расстоянии справа и слева от Vo Расстояние между ними в энергетической шкале соответствует величине повышения колебательной энергии ΔEv молекулы.

Зеркальная симметрия позволяет определить спектр поглощения или спектр люминесцентного излучения в том случае, когда непосредственное измерение одного из них затруднено.

Независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света.

При возбуждении вещества квантами света любой длины волны всегда возникает одни и тот же полный спектр люминесценции с неизменным распределением интенсивности Постоянство спектра люминесценции при изменении частоты возбужденного света указывает на то, что между актом поглощения фотона и люминесцентным свечением происходит перестройка возбужденной молекулы до одинакового исходного состояния.

Качественный анализ

Очень чувствительны люминесцентные качественные реакции, когда добавление некоторых органических реагентов к раствору неорганических веществ вызывает яркую люминесценцию. Например, интенсивную люминесценцию вызывает добавление салициловой кислоты к раствору соли цинка, что может быть использовано для его качественного открытия. Качественный люминесцентный анализ основан на способности исследуемого вещества в соответствующих условиях люминесцировать или, реже, гасить люминесценцию. Возникновение исчезновение люминесценции обычно наблюдается визуально.

Достоинство люминесцентных реакции является их исключительно низкий предел обнаружения.

Большое значение имеет люминесцентный анализ в биологии и в медицине для диагностики заболеваний рака, малярии и др., контроля за качеством лекарственных препаратов, анализа биологически активных веществ - витаминов, антибиотиков и т.д.

В сельском хозяйстве и пищевой промышленности люминесцентный анализ используют для определения жизнеспособности семян, анализа пищевых продуктов и т.д. По цвету люминесценции можно установить сорт муки: чем больше в ней отрубей, тем интенсивнее свечение. Люминесценция позволяет легко обнаружить начальную стадию загнивания различных овощей и фруктов.

Количественный анализ

Количественный люминесцентный анализ основан на использовании соотношения Iл = kс, связывающего интенсивность флуоресценции с концентрацией флуоресцирующего вещества. В практике количественного люминесцентного анализа обычно применяется метод градировочного графика на основе этого уравнения.

Большой интерес вызвало применение люминесцентных индикаторов в титриметрических методах. Люминесцентные индикаторы (α-нафтиламин, акридин и др.) изменяют цвет или интенсивность люминесценции в зависимости от свойств участников реакции, рН раствора или присутствии окислителя. Применение люминесцентных индикаторов позволило решить ряд сложных аналитических задач, связанных, в частности, с анализом мутных и окрашенных сред (фруктовые соки, вина).

Существенно увеличивается интенсивность люминесценции при замораживании растворов. Это явление используется для количественного определения свинца, висмута и сурьмы в виде галогенидных комплексов. Люминесценция наблюдается при замораживании органических веществ и комплексов металлов с органическими лигандами.

Факторы, влияющие на интенсивность люминесценции