24.5. Различные виды люминесценции

Люминесценцией называют избыточное над тепловым излучение тела, имеющее длительность, значительно превышающую период (~10^-15 с) излучаемых световых волн.

Первая часть определения отделяет люминесценцию от равновесного теплового излучения. Люминесценция обычно наблюдается в видимой или ультрафиолетовой областях спектра. Тепловое излучение в этой области возникает только при температуре в несколько сотен или тысяч градусов, тогда как люминесценция наблюдается при любых температурах, поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением.

Признак длительности в этом определении был предложен С. И. Вавиловым для того, чтобы отличить люминесценцию от некоторых других явлений вторичного свечения, например отраже­ния и рассеяния света.

Люминесцируют электронно-возбужденные молекулы (атомы). В зависимости от способа возбуждения различают несколько типов люминесценции.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами — ионолюминесценция, электронами — катодолюминесценция, ядерным излучением — радиолюминесценция. Люминесценцию под воздействием рентгеновского и -излучения называют рентгенолюми-несценцией, фотонов видимого света — фотолюминесценцией. При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристаллов возникает триболюминесценция. Электрическим полем возбуждается электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда. Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую химическую реакцию, называют хемилюминесценцией.

24.6. Фотолюминесценция

Фотолюминесценция, называемая иногда просто люминесценцией, подразделяется на флуоресценцию (кратковременное после­свечение) и фосфоресценцию (сравнительно длительное послесвечение).

Н

Рис. 24.9

ачальным актом любой фотолюминесценции является возбуждение фотоном с энергиейh атома или молекулы. В наиболее простом случае, который обычно реализуется в одноатомных парах и газах при низком давлении, атом возвращается в основное состояние, излучая фотон света той же частоты(рис. 24.9). Это явление называютрезонансной флуоресценцией. Специальные опыты показали, что такое свечение возникает приблизительно через 10^-8с после освещения вещества и поэтому не является рассеянием в обычном понимании этого слова.

При повышении давления или добавлении в люминесцирующие пары инородных газов (водород, кислород и др.) резонансная флуоресценция уменьшается и появляются другие линии флуоресценции. Это обусловлено тем, что возбужденные атомы успевают столкнуться с окружающими атомами или молекулами. В результате возбужденные атомы переходят в основное состояние, а окружающие частицы приобретают дополнительную кинетическую энергию.

Органические молекулы, имеющие систему сопряженных двойных связей, в основном (невозбужденном) состоянии почти все находятся в нижнем колебательном состоянии электронного уровня S₀ (см. рис. 23.16). Распределение молекул по энергетическим уровням за счет тепловой энергии определяется распределением Больцмана (§ 2.4)

_(24.24)

где n₀ и n_i — число молекул в основном и i-ом возбужденном состояниях, E_i — разность энергий для этих состояний, k — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура.

Под действием света при выполнении условия (23.31) может произойти возбуждение молекулы с переходом на разные колебательные уровни электронных уровней S_1; S₂ и т. д. Длина стрелок, направленных вверх (см. рис. 23.16), равна энергии поглощаемых квантов. Поглощение кванта происходит примерно за 10^-15 с. В течение последующих ~10^-12 с возбужденная молекула отдает часть энергии окружающей среде и переходит на нижний колебательный уровень электронного уровняS₁(безызлучательные переходы показаны направленными вниз волнистыми стрелками). Таким образом, все молекулы, независимо от энергии поглощенного кванта, оказываются в одинаковом самом нижнем возбужденном состоянии, в котором молекула может находиться10^-9—10^-8 с. Дальнейшие пути расходования энергии возбуждения могут быть различными.

Часть молекул отдает энергию окружающим частицам, нагревая тело. Это соответствует безызлучательному переходу в основное состояние.

Другая часть излучает кванты флуоресценции, переходя на какой-либо колебательный уровень основного состояния, длина направленных вниз стрелок равна энергии излучаемых квантов.

У части возбужденных молекул происходит обращение спина с переходом в триплетное состояние T₁ возвращение из которого на основной уровень S₀ запрещено (маловероятно), поскольку, в соответствии с принципом Паули, в основном состоянии не может быть двух электронов с одинаковыми спинами. Это приводит к задержке молекулы в триплетном состоянии на время от 10^-6 до 10 с. Триплетные молекулы из-за большого времени жизни успевают многократно столкнуться с окружающими молекулами, поэтомуони с большей вероятностью переходят в основное состояние безызлучательно. Небольшая доля триплетных молекул переходит в основное состояние, излучая кванты фосфоресценции. В жидких растворах фосфоресценцию обычно наблюдать не удается, т. к. почти все триплетные молекулы переходят в основное состояние безызлучательно. Поэтому для наблюдения фосфоресценции растворы замораживают или исследуемое вещество помещают в твердый растворитель.

Каждый из описанных процессов происходит с определенной вероятностью, называемой квантовым выходом. Так, квантовый выход флуоресценции (_фл) равен отношению числа излученных квантов флуоресценции к числу поглощенных квантов или отношению потока флуоресценции (Ф_фл) к потоку поглощенного света I₀(1 - T)S, где I₀ — интенсивность возбуждающего света, S — площадь поглощающей поверхности, а (1 - Т) — коэффициент поглощения:

(24.25)

Значения квантового выхода флуоресценции для разных веществ сильно отличаются. Для флуоресцеина _фл = 0,9, для белков — варьирует в пределах 0,01—0,03. Флуоресцирующие соединения удается с высокой чувствительностью (до 10^-10 г в пробе) обнаруживать в сложных смесях нефлуоресцирующих соединений. По флуоресценции удается обнаруживать грибковые поврежденияволос и кожи, следовые количества наркотических веществ, начальные стадии порчи некоторых продуктов.

Из (24.25) следует, что поток флуоресценции (Ф_фл) пропорционален коэффициенту поглощения (1 - Т), который нелинейно зависит от концентрации (см. рис. 24.2, а). Поэтому и флуоресценция зависит от концентрации нелинейно. В эксперименте обычно регистрируют интенсивность флуоресценции I_фл:

(24.26)

где к — коэффициент, определяемый чувствительностью прибора, Т = 10^-Сl, как следует из (24.9). В разбавленных растворах (при оптической плотностиD < 0,1) отклонения от линейности со­ставляют менее 5% и ими можно пренебрегать.

Воспользуемся схемой энергетических уровней молекул и переходов между ними (рис. 23.16) для пояснения законов люминесценции.

Закон Стокса: спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения.

Рис.24.10 Рис. 23.16

На рис. 24.10 приведены спектры поглощения и флуоресценции антрацена. Причина сдвига спектров заключается в том, что электронный переход при поглощении происходит с нижнего колебательного уровня основного состояния на любые колебатель­ные уровни возбужденных электронных уровней (рис. 23.16). При этом часть энергии возбуждения молекул переходит в тепло (направленные вниз волнистые стрелки), и они оказываются на нижнем колебательном уровне нижнего возбужденного электронного состояния. Излучение происходит только с такого уровня на любые колебательные подуровни основного состояния. Длина стрелок, изображающих поглощательные и излучательные переходы в молекуле, пропорциональна энергии поглощенных или излученных фотонов. Из рис. 23.16 видно, что энергия поглощенных квантов выше, чем излученных (направленные вниз прямыестрелки короче, чем направленные вверх) — это отражает превращение части энергии возбужденного состояния молекулы в тепловую энергию окружающих молекул.

Форма спектра люминесценции (правило Каши) и квантовый выход люминесценции (закон Вавилова) не зависят от длины волны возбуждения люминесценции. Причина этого в том, что излучение люминесценции происходит всегда с нижнего колебательного уровня нижнего возбужденного электронного состояния, независимо от того, на какой уровень молекула была возбужденапосле поглощения. Спектр фотолюминесценции по форме совпадает со спектрами других типов люминесценции данного вида молекул, т. е. форма спектра люминесценции не зависит от способа возбуждения молекулы.

Спектральное положение полосы флуоресценции (как и длинноволновой полосы поглощения) зависит от длины системы сопряженных двойных связей l: чем больше l, тем большей длине волны соответствует максимум флуоресценции _max. Кроме того, на положение_max(а также на квантовый выход) флуоресценции некоторых молекул могут сильно влиять свойства окружающей среды. Так, например, для диметиламинохалкона в гептане (диэлектрическая проницаемость гептана= 1,9)_max= 436 нм, а в воде (= 81)_max= 560 нм. Чувствительность параметров флуоресценции молекул к особенностям среды (диэлектрической проницаемости, вязкости и др.), в которой они оказались, используется в биологии и медицине.

Если флуоресцирующие молекулы вводятся в исследуемую систему как индивидуальные вещества, которые затем сами в соответствии со своими свойствами распределяются в ней, то такие молекулы называютфлуоресцентными зондами. Примером применения флуоресцентных зондов может служить внутривенное введение пациентам флуоресцеина. Этот краситель не токсичен, обладает очень высоким квантовым выходом флуоресценции(около 90%). Он с током крови разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Флуоресцеин возбуждают невидимым глазом ближним УФ-светом (365 нм) и наблюдают его зеленую флуоресценцию. По скорости появления флуоресценции в поверхностных тканях судят об участках тела с пониженным кровообращением, в них флуоресцеин появляется позже, чем в участках тела с нормальным кровообращением.

В других случаях флуоресцирующие красители ковалентно связывают с какими-либо молекулами и затем вводят их в исследуемую систему. Такие молекулы называют флуоресцентными метками. Примером может служить использование флуоресцентно-меченых антител. Если добавить такие антитела к суспензии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых находятся специфические к данному антителу антигены. Возникает яркая флуоресценция определенныхклонов клеток, хорошо видная в люминесцентных микроскопах, в которых в отличие от обычных источников света, как правило, используют ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений и применяют два светофильтра. Один из них, расположенный перед конденсором, выделяет область спектра источника света, которая вызывает люминесценцию объекта; другой, находящийся междуобъективом и окуляром, выделяет свет люминесценции. Подсчет таким образом меченных флуоресцирующих клеток используется в иммунологических исследованиях крови.

На основе фотолюминесценции созданы источники света, спектр которых больше соответствует дневному свету, чем у ламп накаливания. Это имеет значение как для производственных це­лей, так и для гигиенических. В таких люминесцентных лам­пах, называемых лампами дневного света, происходит электрический разряд в парах ртути при низком давлении (электролюминесценция). На внутренней поверхности лампы, сделанной изобычного стекла (рис. 24.11), нанесен тонкий слой люминофора, который фотолюминесцирует под воздействием излучения паров ртути.

.

Рис. 24.11 Рис. 24.12

Изменяя состав люминофора, можно подобрать наиболее подходящий спектр фотолюминесценции. На рис. 24.12 показан один из возможных спектров, интенсивные линии соответствуют спектру паров ртути, излучение которых частично проходит через люминофор.