3.5 Люминесценция. Виды люминесценции. Правило Стокса.

Люминесценция – это собственное свечение вещества, возникающее под влиянием внешних воздействий, но не обусловленное нагреванием (напр. гниение органических веществ, окисление фосфора, свечение светлячков, микроорганизмов и т. д.). Люминесценцию называют холодным свечением, т.к. она представляет все виды самосвечения, кроме свечения нагретых тел. Люминесценция происходит одновременно с тепловым излучением и независимо от него. Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую химическую реакцию, называют хемилюминесценцией, биологические процессы – биолюминесценцией. Люминесценция, вызванная ионами – ионолюминесценция, электронами – катодолюминесценция, ядерным излучением – радиолюминесценция, фотонами видимого света и УФ-излучения – фотолюминесценция. Люминесценция различается не только в зависимости от вызывающей ее причины, но и по длительности послесвечения. В связи с этим, люминесценцию подразделяют на флуоресценцию (кратковременное послесвечение: τ = 10^-3 – 10^-9с) и фосфоресценцию (длительное послесвечение: τ от нескольких секунд до часов). Люминесценция прекращается, как только будет израсходована энергия того процесса, который ее вызывает.

При любом способе возбуждения люминесценции молекулы вещества, получив извне квант энергии, переходят в возбужденное состояние и через некоторое время «высвечиваются» - т.е. переходят на нижний энергетический уровень, при этом излучают фотоны с частотами, характерными для данного вещества. В результате возникает молекулярный спектр люминесценции. Получение и исследование молекулярного спектра люминесценции лежит в основе люминесцентного анализа. С помощью люминесцентного анализа можно обнаружить и определить содержание химических компонентов в смеси. Наличие того или иного компонента определяют по окраске люминесцентного излучения: наличие кодеина дает слабо желтое свечение, никотина – темно-фиолетовое т.д. Люминесцентный анализ чувствителен, не требует разделения смеси, его можно проводить в биологических средах, тканях и других многокомпонентных смесях. Люминесцентный анализ используется для контроля чистоты реактивов и воды, при проверке качества пищевых продуктов и фармакологических средств и т.д. По цвету свечения различают живые и мертвые клетки, свежие и старые семена. Наличие адреналина в крови человека, например, определяется по характерному зелено-желтому свечению.

Для люминесценции справедливо правило Стокса: длина волны света люминесценции, как правило, больше длины волны света, вызывающего люминесценцию (рис.3.7).

Рис. 3.7

Люминесценция характеризуется:

1. энергетическим выходом η_э, равным отношению энергии люминесцентного излучения Е_люм. к энергии Е_погл., поглощенной веществом за тот же промежуток времени

η_э = ; (3.5)

2. квантовым выходом η_кв., равным отношению числа квантов люминесценции N_люм. к числу поглощенных квантов N_погл.

η_кв. = . (3.6)

Наблюдаемое в природе люминесцентное свечение некоторых микроорганизмов и насекомых относится к хемилюминесценции и происходит за счет взаимодействия двух органических веществ – люциферина и люциферазы (в присутствии АТФ). Энергетический выход этой реакции очень высок: η_э =1.

Возбудить люминесценцию возможно не во всех веществах. Из тканей организма хорошо люминесцируют роговая оболочка и хрусталик глаза, зубы, ногти, волосы; сыворотка крови проявляет способность к самопроизвольной хемилюминесценции за счет реакций с участием свободных радикалов. С повышением концентрации свободных радикалов усиливается хемилюминесценция.

В люминесцентной микроскопии исследуются препараты, способные к люминесценции под действием УФ-излучения. Такая микроскопия применяется в микробиологии, вирусологии, для микрохимического анализа и др.

Для исследования мембранных систем используются флуоресцирующие молекулы (напр. молекулы белков). Такие молекулы называют флуоресцентными зондами (с мембраной образуют нековалентную связь) или флуоресцентными метками (с мембраной образуют химическую связь). Изменения флуоресцирующих зондов и меток позволяет обнаружить конформационные перестройки в мембране.

В медицине люминесценция используется для диагностики дерматологических заболеваний.

Контрольные вопросы:

1. Какое явление называют дисперсией света?

2. Что понимают под нормальной и аномальной дисперсией?

3. Что называется спектром?

4. Какой спектр называется линейчатым?

5. Какой спектр называется сплошным?

6. Какой спектр называется полосатым?

7. Что такое спектроскоп?

8. Для чего служит монохроматор?

9. Сформулируйте постулаты Бора.

10. В каких случаях атом излучает и поглощает свет?

11. Что представляют собой атомные спектры?

12. Что такое серия спектральных линий?

13. Объясните принцип проведения качественного и количественного спектрального анализа?

14. Каковы особенности молекулярных спектров и чем они отличаются от атомных?

15. Что понимают под интенсивностью света?

16. Сформулируйте закон Бугера-Ламберта-Бера.

17. Отчего зависит коэффициент молярной экстинкции?

18. При каком условии можно наблюдать спектры люминесценции веществ?

19. В чем принципиальное отличие таких характеристик люминесценции как энергетический и квантовый выход люминесценции?