Люминесценттік талдау

Люминесценттік талдау. Люминесценция - сыртқы энергия көзінің әсерінен кейбір дененің жарық шығаруы. Люминесценция кезінде шыққан жарықтын жиілігі оны қоздырушы жарық жиілігінен өзгеше. Люминесценция құбылысын жарықтың шашырауы, шағылуы және денелердің термодинамикалық тепе-теңдік күйіндегі жылулық сәуле шығаруы тәрізді құбылыстардан ажырата білу керек. Қыздырғандағы жарық шығарудан бұл бөлек, мұнда жылуды шығаратын жүйе энергиясы пайдаланылмайды. Сондықтан да оны "салқын жарық" деп те атайды. Люминесценция электрон қоздырылған күйінен негізгі күйге ауысқанда пайда болады. Люминесценциялаушы кез келген агрегат күйде болуы мүмкін. Люминесценттік өлшеу әдістері химиялық және биохимиялық реакциялардың жүруін, кинетикалық зерттеулерді бақылау үшін, заттарды, әсіресе, органикалық қосылыстарды тазалау, құрамындағы қосалқы қосымшаларды айқындау, оның тазалық дәрежесін анықтау үшін жиі қолданылады. Әдістің ең жоғарғы сезімталдығы заттың болмашы дәрежедегі түрленуін де, аралық жоғары активті немесе тұрақты емес өнімдердін түзілуін де белгілей отырып, оны әр түрлі реакциялардың механизмін зерттеу үшін қолдануға мүмкіндік береді.

Әдістің теориялық негізі

Молекулалар қоздырылған кезде (1-суреттегі. процесс) қосымша энергияға (кинетикалық, айналу, тербелу, электрондық және басқа да) ие болып, қоздырылған күйге, яғни біршама басқаша электрондық деңгейшеге (синглетті және триплетті) ауысады. Әрбір электрондық деңгейге 0, 1, 2... сияқты кванттық саны бар тербелістік деңгейшелер косылады. Электрон жарық квантын сіңірген кезде негізгі деңгейден синглетті (кері параллельді спиндер) және триплетті (параллельді спиндер) күйге сәйкес келетін жоғарылау деңгейге ауысады. Негізгі синглеттен триплетті күйге бірден немесе тура ауысуына болмайды, өйткені оның энергиясы синглеттікінен біршама аз, ал оның деңгейі интеркомбинациялық конверсия (араласа жанасу) есебінен толықтырылады. Мұндай ауысу 1-суретте V санымен белгіленген. Қоздырылған молекулалардың басым көпшілігі соқтығысу кезінде энергиясын жоғалту нәтижесінде ең төменгі тербелмелі деңгейге (II процесс) ауысуға ұмтылады. Бұл процесс сәуле шығарусыз өтеді және осындай жағдайдағы молекулалар қоздырылған синглеттік электрондық деңгейде 5 болады, одан олар әуелгі күйіне фотонның сәуле шығаруымен болатын күйіне ауысады (флуоресценция IV процесс). Олардың сәуле шығару алдында триплетті деңгейге ауысуының ықтималдығы аз (фосфоресценция, V, VI, VIII процесс). Ақырында молекула негізгі денгейдің әйтеуір бір тербелмелі күйінде болуы мүмкін. Бұл ауысулардың бәрі спектрде жақын орналасқан тиісті сызықтар арқылы сипатталады (флуоресценция және фосфоресценция). Ерітінді қатынасқан тұста, ол сызықтардың арасы тарылып, бір-бірімен бірігіп кетуі мүмкін. Бұл ауысулардың басым көпшілігі қоздырылу энергиясымен (І-процесс) салыстырғанда энергияның аз шығынымен қосарласа жүреді. Қалыпты жағдайда молекулалардың бір бөлігі әркашан да негізгі күйдің бірінші және екінші тербелмелі деңгейшелерінде болатынын ескерген жөн. Сондықтан, келтірілген суреттегі (а) ауысуы мүмкін. Триплетті күйдегі өмір сүру мерзімі синглеттінікіден біршама ұзақ; фосфоресценция үшін жарты период уақыты 10⁻³ -10⁻² с. Аналитикалық тәжірибеде сынаманы пайдалану және бақылау үшін талданатын үлгіні салқындатып, мұздатып қояды. Әр түрлі люминесциялаушы заттар үшін қоздырылған күйдің мерзімі 1010 секундтан бастап, бірнеше сағатқа, тіпті кейде кристалл заттар үш тәулікке дейін болуы мүмкін. Жарқырау ұзақтығы - люминесценцияның маңызды сипаттамасы. Бұл оны шағылу, шашырау, жылу, сәуле шығару сияқтылардан оңай ажыратады. Люминесценцияны қоздыру әдісі бойынша оны түрі бойынша жіктейді: фотолюминесценция - ультракүлгін және көрінетін электромагниттік сәуле шығару арқылы қоздыру (фосфоресценция және флуоресценция); катод- люминесценция - электрон әсерімен туындайды; хемилюминесценция - химиялық реакция энергиясының есебінен жарқырау; рентгенолюминесценция - рентген сәулесінің әсерінен туындайды; үйкеліс әсерінен пайда болатын триболюминесценция және т.б. Қоздыруды тоқтатқанда онымен бірге флуоресценция да тоқтайды, ал фосфоресценция болса, белгілі мерзімге дейін тоқтамай, жарқырай береді. Аналитикалық тәжірибеде люминесценцияның осы екі түрі жиірек қолданылады. Қоздыру энергиясынан (сіңірілген жарықтың) люминесценция энергиясына ауысу эсерлігі немесе дәрежесі люминесценцияның энергетикалық және кванттық шығымымен сипатталады. Люминесценцияның энергетикалық шығымы деп люминесценция шығарған (шашыратқан) энергияның сіңірілген жарық энергиясына қатынасын айтады: Кванттық шығым деп (шығарылған) квант санынын сінірілген квант санына қатынасын айтады:

B_ЭН=E_Л/E_Ж;

мұндағы Ел мен Еж - люминесценция мен сіңірілген жарық энергиялары, ал N_I мен N_t - шашыраған және сіңірілген квант саны. Квант энергиясы E-Nh тең, демек:

B=(Nлh⋎л)/(Neh⋎ж)=Bкв(⋎л/⋎ж)

Люминесценцңяның энергетикалық шығымының қоздырылатын жарық толқынының ұзындығына тәуелділігі Вавилов заңына бағынады, ол коздырылатын жарық толқынының ұзындығының өсуімен әуелі, толқын ұзындығына пропорционал өсіп, ең жоғарғы мәнге жетеді, сосын күрт төмендейді . Бірінші бөлікке арнап, былай жазады:

Вэн=χλc; λc=c/ νc

Вкв=Вэн*(νж/νл)=χ(λжνж)/νл=χ(c/νл)=χλл=const,

мұндағы χ- пропорционал коэффициент. Энергетикалық шығымның сіңірілген жарықтың толқын ұзындығына пропорционалдығы осы спектрлік бөлімдегі люминесценцияның кванттық шығымын білдіреді. Демек, люминесценциядағы кванттық шығым неғұрлым үлкен болған сайын, соғұрлым люминесценцияланатын заттың аз мөлшері табылуы мүмкін. Bэн-ның күрт төмендеуі Вэн-ның жоғарғы мәнінен кейін байқалады. Белгілі бір спектрлік аралықта Вкв тұрақтылығы осы аралықта Вэн жоғары болатын люминесценцияның толқын ұзындығын қоздыруға мүмкіндік береді. Бұл сандық флуореметрияда ерекше мәнге ие болады. Люминесценция интенсивтігі сәуле шығарған кванттар санына пропорционал:

Iл=χ’I₀Nл=χ’В_квNж=χ’’(I₀-I)Вкв,

мұндағы Ш және / - түскен және ерітіндіден өткен жарықтың интенсивтіктері, олар Бугер-Ламберт-Беер теңдеуімен байланысты:

І=Іо10^-е1с; олай болса,

Nж=χ’Іо(1-10^εIc); Іл =кχ’’ВкнІо(1-10^εIc)

10^-elc=1-2,3εIc+(2,3εIc)²/2!+(2,3εIc)³/3!, мынаны табамыз:

I_л=2,3χ’’В_квI₀εIc=kc

Сурет:Люминесценция интенсивтігі.png

Люминесценция шығымын төмендететін процестерді люминесценцияны сөндіруші деп атайды. Люминесценция интенсивтігінін зат концентрациясына тәуелділігі 3-суретте келтірілген. Сызықтық тәуелділік қоздырылған сәуле шығару интенсивтігі Вкв тұрақты болғанда және люминесцен- цияланушы зат концентрациясы аз болғанда байқалады. Түзу сызықты тәуелділік εIc≤10² шартын сақтамаған жағдайда бұзылады. Бұл жағдайда концентрациялық сөндіру байқалады. Көптеген заттар үшін өздігінен сөндірілу 10⁻³- 10⁻⁴ М концентрация кезінде басталады. Бұған зат молекуласындағы диссоцмация дәрежесінің өзгеруі, ассоциаттардың түзілуі себепші болуы мүмкін. Кон-центрациялық сөндіру құбылысы қайтымды. Мұндай ерітінділерді сұйылтқанда сәуле шығару, жарқырау қайтадан басталады. Ал температураның жоғарылауы люминесценциядағы шығын мен интенсивтіктің төмендеуіне әкеліп, температуралық сөндіруге жеткізеді. Люминесценция интенсивтігіне ерітінді құрамында кездесетін қосымша заттар, әсіресе олардыц арасындағы люминесценцияланатын қосылыс молекулаларымен әрекеттесуге бейімдері ықпал етеді. Олардың бірі люминесценция спектрін өзгертуге тырысады, өзгелері оны сөндіруге келтіреді. Оларды люминесценцияиы сөндірушілер деп атайды. Оларға йод, ауыспалы металдардың иондары және басқалар жатады. Флуоресценцияға негізінен қос байланыспен қабысқан тұйық тізбекті құрылымдағы органикалық қосылыстар ие болады. Жартылай тұйық тізбекті түзеді. Ароматты заттардың басым көпшілігі интенсивті флуоресценцияланады. Күрделі органикалық косылыс құрылымындағы - OH, - OR, - NH₂ топтары флуоресценция құбылысын күшейтсе, ал - С0₂Н, - N0₂, - S0₄H төмендетеді, кейде сөндіруі де мүмкін. Мұнымен қатар флуоресценция құбылысы ароматты қосылыстардағы сақинаны тұйықтауға септігін тигізіп, олар металхелатты тұйық тізбек түзеді.