Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Учебно-методическое пособие к специальному физическому практикуму по оптической спектроскопии
.pdf
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТ А № 5. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МИКРОСКОП-СПЕКТРОМЕТР
Схема и общий вид микроскопа-спектрометра
Обозначения: 1 – лампа осветителя; 2 – ПЗС-камера для визуализации образцов;
3 – входное зеркало спектрометра; 4 – выходное зеркало спектрометра; 5 – образец
в держателе; 6 – объектив для фокусировки лазерного излучения на образце и для сбора
флуоресценции; 7 – объектив визуализатора; 8 – поворотное зеркало с микрометрическими
подвижками; 9, 10 и 16 – светоделительные пластинки; 11 – фокусирующая линза;
12 – входная щель спектрометра; 13 – цилиндрическое зеркало, 14 – дифракционная
решетка; 15 – юстировочный лазер (используется только при переюстировке схемы);
17 – чувствительная ПЗС-камера для регистрации спектров
31
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Для точной калибровки спектрометра по длинам волн используют-
ся реперные линии неоновой лампы (692,947 нм и 696,502 нм), регистрируемые в том же спектральном диапазоне.
Расчетная зависимость положения максимума R1-линии в спектре
флуоресценции рубина от величины прикладываемого давления показана на рисунке:
32
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТ А № 5. ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ МИКРОСКОП-СПЕКТРОМЕТР
Основные этапы и план работы
1. Ознакомление с основными принципами люминесцентной
микроскопии и спектроскопии.
2. Изучение принципов работы, схемы и характеристик люми-
несцентного микроскопа-спектрометра высокого разрешения.
3. Калибровка спектрометра в составе установки по спектру не-
оновой лампы.
4. Обработка спектров при помощи специализированного ПО
и их построение в программе Origin.
5. Регистрация люминесцентных изображений образцов (кри-
сталла рубина
на микроэлектродной структуре, микрокри-
сталла внутри полимерной пленки).
6. Измерение и обработка спектров люминесценции рубина (ру-
бинового стержня и микрокристаллов).
7. Измерение спектров люминесценции микрокристаллов руби-
на внутри полимерной пленки, помещенной в оптическую камеру высокого давления. Расчет давления в камере по данным
измерений.
8. Обработка результатов измерений. Подготовка отчета о работе.
Отчет по лабораторной работе
Отчет по лабораторной работе должен содержать зарегистрирован-
ные люминесцентные изображения образцов и их спектры люминесценции, измеренные в соответствии с планом работы, а также расчет
давления в оптической камере высокого давления согласно методике,
предложенной в работе.
Литература
1. Mao H. K., Bell P. M., Shaner J. W., Steinberg D. J. / J. Appl. Phys. –
1978. – V. 49. – № 6. – P. 3276–3281.
2. Guttler F., Irngartinger T., Plakhotnik T., Renn A., Wild U. P.
Fluorescence microscopy of single molecules / Chem. Phys. Lett. –
1994. – V. 217. – № 4. – P. 393–397.
33
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Лабораторная работа № 6
ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ
ПРИМЕСНЫХ МОЛЕКУЛ В ТВЕРДЫХ МАТРИЦАХ
Измерение спектров флуоресценции
и спектров возбуждения флуоресценции
Ценным источником информации о внутримолекулярных свойствах сложных молекул является оптическая спектроскопия примесно-
го центра. Электронные спектры молекул несут в себе информацию
обо всех видах движения в молекуле – электронном, колебательном
и вращательном. Именно в электронных спектрах наиболее четко выявляется связь оптических свойств молекулы
ствами, так как электронные спектры весьма чувствительны к внутрии межмолекулярным взаимодействиям. Как показала практика, в случае сложных органических молекул весьма эффективным оказывается
их исследование в твердых растворах. Внедрение примесных молекул
в твердую матрицу позволяет «выморозить» (исключить) вращательные и поступательные степени свободы и тем самым
тронно-колебательный спектр исследуемого соединения. Ниже показана качественная схема расположения уровней энергии сложных
органических молекул в твердой матрице. (Время жизни уровня S
–9
рядка 10
–12
10
с, время жизни высоко возбужденных состояний – порядка
с, время жизни триплетных состояний – от 10–4 с и более.) «Раз-
мытие» колебательных уровней изображает взаимодействие хромофора с «фононной баней».
с ее физическими свой-
упростить элек-
по-
1
34
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТ А № 6. ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ
ПРИМЕСНЫХ МОЛЕКУЛ В ТВЕРДЫХ МАТРИЦАХ
В то же время спектрально-люминесцентные свойства примесных
молекул в твердых матрицах оказываются весьма чувствительными
к взаимодействию примесных молекул с окружающей средой (электрон-фононное взаимодействие). При низких температурах такое взаимодействие может быть сведено к минимуму. Таким образом, исследование сложных органических молекул в твердых матрицах при низких
температурах наиболее
приближено к случаю свободной молекулы.
Возможные энергетические состояния молекулы удобно представлять
в виде простой схемы. По сравнению со свободной молекулой, в случае твердого раствора, в энергетической схеме добавляются «фононные
уровни», соответствующие переходам с рождением или уничтожением
фононов матрицы. «Фононные уровни» располагаются практически непрерывно, поскольку частотный спектр фононов в
матрице непрерывен.
Взаимодействие молекулы с фононами матрицы изображено на схеме
в виде «размытия» колебательных подуровней. Синглет-синглетные переходы отвечают за формирование спектров поглощения и флуоресцен-
ции, триплет-синглетные переходы – за формирование спектров фос-
форесценции.
Согласно результатам большого количества исследований спектр
хромофорной молекулы представляет собой узкую бесфононную линию (БФЛ), соответствующую
чисто электронному переходу в примеси без изменения числа фононов матрицы, и относительно широкое
фононное крыло (ФК), обусловленное переходами в примесной молекуле с рождением/уничтожением фононов матрицы. Для примера показан такой «однородный» спектр флуоресценции Mg-октаэтилпорфина в полистироле при температуре 20 K:
35
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ФКБФЛ
БФЛ
III+
=
η
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Интегральную интенсивность оптической полосы можно предста-
вить в виде суммы: I = I
+ IФК, где I
БФЛ
БФЛ
и I
– интегральные интен-
ФК
сивности БФЛ и ФК, соответственно.
Оптические электроны примесного центра взаимодействуют
как с внутримолекулярными колебаниями, так и с межмолекулярными
(фононами). Форма чисто электронных и вибронных полос определяется электрон-фононным взаимодействием.
Характеристикой силы электрон-фононного взаимодействия может
служить фактор Дебая – Валлера (η), который определяет, какую долю
в интегральной интенсивности
спектральной полосы составляет ин-
тенсивность БФЛ:
.
Эффект Шпольского
Долгое время считали, что электронные спектры поглощения
и флуоресценции сложных органических молекул в твердых матрицах, в отличие от спектров простых атомов и молекул, как правило,
размыты и содержат одну или несколько широких полос (с шири-
–1
ной до нескольких тысяч см
). Такая размытость спектров делает
их малоинформативными и затрудняет их использование в научных
и практических целях. Важнейший шаг на пути решения данной
проблемы был сделан в 1952 г. Э. В. Шпольским и его сотрудниками с открытием эффекта возникновения квазилинейчатых спектров
некоторых ароматических углеводородов при низких температурах
в определенном типе растворителей – закристаллизованных
короткоцепочечных н-парафинах. Было установлено, что квазилинии в таких
спектрах – это БФЛ, отвечающие оптическим бесфононным переходам в исследуемых молекулах.
При наличии в матрице локальных неоднородностей каждый примесный центр находится в несколько отличающихся условиях. По этой
причине частоты переходов различных хромофорных молекул будут
иметь значительное распределение. Таким образом, спектры
разных
примесных центров будут сдвинуты относительно друг друга по частоте – результирующий спектр ансамбля хромофоров будет подвержен так называемому неоднородному уширению. Неоднородно уши-
36
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТ А № 6. ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ
ПРИМЕСНЫХ МОЛЕКУЛ В ТВЕРДЫХ МАТРИЦАХ
ренный спектр (может достигать несколько сотен см–1) будет формироваться из множества перекрывающихся вибронных полос, сдвинутых
относительно друг друга по частоте. Однородное уширение и параметры отдельной вибронной полосы зависят от электрон-фононного
взаимодействия.
Таким образом, электронно-колебательный спектр примесных молекул в твердотельной матрице в случае слабого электрон-фононного
взаимодействия (при η близком к 1) и при
малой величине неоднородного уширения (т.е. при использовании в качестве растворителя
поликристаллических матриц, например матриц Шпольского) будет
представлять собой последовательность вибронных полос.
Каждая вибронная полоса (БФЛ+ФК) соответствует определенно-
му переходу между электронно-колебательными уровнями молекулы:
Примеры рассчитанных и экспериментальных квазилинейчатых вибронных спектров.
(а) Теоретическая картина квазилинейчатого спектра в «идеальном» случае. Основной
контур и его повторения через частоту колебания Ω1 еще разделены, но через Ω2 –
перекрываются. (б) Участок экспериментального спектра флуоресценции тиоиндиго
в парафиновом масле при монохроматическом возбуждении в области 0–0 перехода.
Ниже (см. с. 38) представлены спектры соединений класса кросс-
сопряженных кетонов при разных температурах: спектры флуоресценции (слева) и возбуждения флуоресценции (справа) для K1 в н-октане;
–4
С = 10
Моль/л; λ
= 5 ± 0,05 нс (верхняя часть рисунка) и K1 в толуоле; С =10
= 400 нм; λ
λ
возб.
= 380 нм; λ
возб.
= 575 нм (нижняя часть рисунка). По вертикальной
рег.
= 575 нм; τʹ
рег.
= 1,4 ± 0,05 нс; τʹʹ
окт.
–4
Моль/л;
окт.
=
оси отложена интенсивность в усл.ед., по горизонтальной – волновое
–1 × 103
число в см
). При комнатной температуре для К1 вместо спектра
возбуждения флуоресценции приведен спектр поглощения.
37
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
1,0
T = 4,2 K
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1,0
T = 77 K
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
17 18 19 20
17 18 19 20
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
24 25 26 27 28 29 30
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
24 25 26 27 28 29 30
T = 4,2 K
T = 77 K
1,0
T = 77 K
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
16 17 18 19 20
38
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
24 25 26 27 28 29 30
T = 77 K
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБ ОТ А № 6. ЭЛЕКТРОННО-КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ
ПРИМЕСНЫХ МОЛЕКУЛ В ТВЕРДЫХ МАТРИЦАХ
Спектры поглощения и возбуждения флуоресценции
Спектр поглощения может быть зарегистрирован путем измере-
ния совокупности коэффициентов поглощения в некотором выбранном диапазоне длин волн. На практике мы имеем большие трудности
в экспериментальном получении спектров поглощения. В любом эксперименте, особенно спектроскопическом, критическим экспериментальным параметром является величина отношения полезного
сигнала к шуму. Определить это отношение формулой невозмож
но, так как оно зависит от множества параметров, например, качества установки, регистрирующего прибора, свойств объекта и т.п.
По ряду причин в спектроскопии поглощения отношение сигнал/
шум гораздо меньше аналогичного отношения в спектроскопии
возбуждения флуоресценции, поэтому более удобной оказывается
регистрация спектров возбуждения флуоресценции – зависимости
интенсивности люминесценции от частоты (длины
волны) возбуждающего света. Такую замену можно произвести, так как интенсивность возникающего свечения будет пропорциональна коэффициенту поглощения.
-
Сопряженные спектры
Особенно эффективным оказывается совместный количественный анализ взаимного расположения и распределения интенсивностей вибронных (электронно-колебательных) пиков в сопряженных
спектрах флуоресценции и поглощения (или возбуждения флуоресценции). Сопряженными спектрами принято называть спектры флу-
оресценции и поглощения (или возбуждения), записанные для одного и того же объекта при приблизительно равных условиях,
дающие
информацию о вибронных (электронно-колебательных) частотах
основного и возбужденного состояний и интенсивностях соответствующих переходов.
Комплексный анализ таких спектров (так называемый вибронный или вибрационный анализ) позволяет, например, определить
частоты внутримолекулярных колебаний, а также параметры различных взаимодействий (как внутримолекулярных, так и межмолекулярных).
39
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К СПЕЦИАЛЬНОМУ ФИЗИЧЕСКОМУ ПРАКТИКУМУ
ПО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
Установка для измерения спектров флуоресценции
и возбуждения флуоресценции
Спектры флуоресценции и возбуждения флуоресценции измерялись на установке лабораторного изготовления, блок-схема которой
приведена ниже. В установке использовались два монохроматора
МДР-72 с дифракционной решеткой 600 штр/мм и обратной линейной
дисперсией 41 Å/мм. В качестве детектора используется чувствительная ПЗС-камера. Градуировка установки по длинам волн осуществлялась по линиям ртутной лампы
ПРК-2. Возбуждение флуоресценции
осуществлялось ксеноновой лампой сверхвысокого давления (ДКСШ-
1000) и кварцевой галогеновой лампой КГМ-150.
При регистрации спектров флуоресценции щели входного монохроматора ВЩ1, Щ1 устанавливаются достаточно большими (~1 мм); решетка Д1 устанавливается в соответствии с выбранной длиной волны
возбуждения λ
; решетка Д2 при измерении вращается для измене-
возб.
ния длин волн регистрации; щели выходного монохроматора ВЩ2, Щ2
устанавливаются достаточно малыми (~0,1 мм). При регистрации спектров возбуждения флуоресценции (этот случай изображен на рисунке)
щели ВЩ1, Щ1 малые (~0,1 мм); решетка Д1 при измерении вращается
для изменения длины волны возбуждения, решетка Д2 устанавливается
в соответствии с выбранной длиной волны регистрации λ
; щели
рег.
ВЩ2, Щ2 достаточно большие (~1 мм).
Градуировка чувствительности установки с используемым детектором производилась путем сопоставления полученных нами спектров
излучения эталонной ленточной лампы накаливания широкодиапазонного типа ТРШ с цветовой температурой 2850 К, со спектром абсолютно черного тела при данной температуре.
Спектры флуоресценции были исправлены с учетом спектральной
чувствительности установки,
а возбуждения флуоресценции – с учетом распределения интенсивности по спектру в источнике излучения.
Полуширины полос в квазитонкоструктурных спектрах составляли
~40 см
–1
при 4,2 К, что значительно больше аппаратной функции ис-
пользованных спектральных приборов, и, следовательно, полосы в измеренных спектрах не искажены.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]