Лекція 4. Використання люмінесцентного спектрального аналізу для контролю харчових виробництв

4.1. Поняття люмінесценція, флуоресценція, фосфоресценція

Відомо, що деякі розчини здатні світитись “холодним” світлом, яке називається люмінесцентним. Воно може бути викликане дією різних видів енергії, необхідної для переходу молекул речовини у збуджений електронний стан. Процес повернення збуджених молекул у незбуджений (нормальний) стан, що супроводжується втратою енергії, може відбуватися без випромінювання при передачі енергії збудження у вигляді тепла навколишньому середовищу або за участю квантів люмінесценції. Отже, люмінесценцією називають свічення атомів, молекул, іонів, яке виникає в результаті електронного переходу в частинках при їх поверненні зі збудженого в незбуджений стан.

Класифікують явища люмінесценції за часом і методом збудження. За часом після свічення розрізняють: флуоресценцію – свічення, яке миттєво згасає після припинення дії джерела збудження, і фосфоресценцію – свічення, яке продовжується певний проміжок часу після припинення збудження.

В залежності від способу збудження частинок розрізняють види люмінесценції:

Таблиця 7

Спосіб збудження	Вид люмінесценції
Електромагнітне випромінювання (УФ, видиме світло)	Фотолюмінесценція
Енергія хімічних реакцій	Хемілюмінесценція
Енергія хімічних реакцій, які відбуваються в живих організмах	Біолюмінесценція
Рентгенівське випромінювання	Рентгенолюмінесценція
Електрична енергія	Електролюмінесценція

За методом збудження розрізняють фотолюмінесценцію – свічення, яке виникає при поглинанні світлової енергії; катодолюмінесценцію – основану на свіченні речовин при поглинанні катодних променів (електронів) і хемілюмінесценцію – свічення, яке виникає при протіканні хімічних реакцій.

Усі люмінесціюючі речовини мають загальну назву – люмінофори. У найпростішому вигляді процес збудження і свічення можна зобразити схемою, наведеною на рис.12, з якої видно, що енергія випромінювання молекули завжди менша від енергії збудження.

На основі цього було встановлено, що спектр люмінесценції зміщений відносно спектру поглинання у бік довших хвиль (закон Стокса-Ломмеля).

Н – нормальний стан молекули з підрівнями 0, 1, 2, 3, 4;

З – рівень збудженого стану з підрівнями 0, 1, 2, 3, 4

Левшин встановив дзеркальну подібність спектрів поглинання і спектрів випромінювання (люмінесценції) для складних молекул. Дзеркальна симетрія спектрів родаміну в ацетоні наведена на рис.13.

Різницю між максимумом спектра поглинання і максимумом люмінесценції (X) називають стоксовим зміщенням. Чим більша величина стоксового зміщення для даної люмінесціюючої речовини, тим вища чутливість її визначення люмінесцентним методом.

Повнота перетворення енергії збудження при люмінесценції характеризується енергетичним виходом В_з, який являє собою відношення випромінюваної енергії люмінесценції Е_л до поглинутої енергії збудження Е_з

,

або величиною квантового виходу люмінесценції В_к, який дорівнює відношенню числа випромінюваних квантів при люмінесценції N_л до числа поглинутих квантів N_з при збуджені:

.

Оскільки енергія кванта дорівнює , то зв’язок між енергетичним і квантовим виходом виражається залежністю:

.

Енергетичний вихід люмінесцентного випромінювання залежить від довжини хвилі збуджуючого світла (закон Вавілова). Графічно ця залежність показана на рис.14.

На ділянці I кривої величина енергетичного виходу росте пропорційно до довжини хвилі збуджуючого світла; далі, в ділянці накладання спектрів поглинання і випромінювання відбувається різке падіння виходу (ділянка II).

Для ділянки кривої I можна записати:

,

де – коефіцієнт пропорційності.

Але, оскільки , то, об’єднавши два рівняння і знаючи, що речовина при люмінесценції випромінює світло певної довжини хвилі, одержимо:

,

звідки випливає, що квантовий вихід люмінесценції залишається сталим на ділянці I наведеної кривої при збільшенні довжини хвилі збуджуючого світла до 500-600нм. Саме ділянку спектру I (від 100 до 600 нм) використовують для кількісного визначення речовин.

На практиці, для одержання люмінесценції багатьох речовин, найчастіше використовують ультрафіолетові промені світла з більшою енергією кванта, які одержують, в основному, за допомогою ртутних ламп.