Устройство фотоколориметра вытекает из принципа работы
Принцип работы фотоколориметра определяет, что чаще всего устройство относят к категории малогабаритных переносных приборов, оснащенных автономным питанием. В состав фотоколориметра входят, как правило, оптический блок, блок управления и последующей обработки информации, блок индикации, оснащенный подсветкой, клавиатура, кювета и кюветный отсек. Источниками излучения в оптическом блоке являются 8 полупроводниковых высокостабильных светодиодов, которые определяют рабочий диапазон по длине волн излучения. На канале сравнения и измерительном канале для приема излучения применяются цифровые фотодиоды. Основой блока управления и обработки информации является микропроцессор. Возможно включение режима самоконтроля с последующим выводом информации о степени готовности к работе на ЖКИ или дисплей. Для подключения к компьютерам в принцип работы фотоколориметра заложена возможность использования соответствующего интерфейса.
24. Электронные переходы в возбужденной молекуле
По длительности и спектральному составу молекулярную люминесценцию можно разделить на флуоресценцию (кратковременную и замедленную) и фосфоресценцию. Чтобы понять происхождение различных видов люминесценции, необходимо рассмотреть, какие переходы осуществляются в молекуле при поглощении ею фотонов.
Основное состояние молекулы с четным числом электронов является синглетным и обозначается S0.
В этом состоянии энергия молекулы минимальна, все электроны спарены, а их спины антипараллельны. Поглощение фотона с энергией E1 сопровождается возбуждением молекулы и переходом электрона за время » 10–15 с на более высокий синглетный уровень S1 без изменения спина.
Возбужденная молекула обладает некоторым избытком колебательной энергии. Этот избыток вследствие колебательной релаксации (КР) теряется в виде тепловой энергии, а сама молекула за время » 10–12 с оказывается на нижнем колебательном уровне первого возбужденного состояния S1.
Энергия поглощенного фотона E2 может оказаться достаточной для перевода молекулы и на более высокий уровень — S2. Вследствие внутренней конверсии (ВК), обусловленной перекрыванием колебательных уровней, и колебательной релаксации молекула за время ≈ 10–11 с оказывается, как и в первом случае, на нижнем колебательном уровне состояния S1.
Поскольку состояние S1отделено от основного состояния S0 значительным энергетическим интервалом, безызлучательная дезактивация энергии за счет внутренней конверсии и колебательной релаксации затруднена и становится возможной прямая излучательная дезактивация с флуоресценцией (Фл). Испускание фотонов флуоресценции происходит при переходе электрона с нулевого колебательного уровня состояния S1 на любой колебательный уровень основного состояния S0. Флуоресценция является кратковременным свечением с длительностью 10–10–10–7 с и наблюдается при комнатной температуре. Энергия фотонов флуоресценции меньше энергии фотонов поглощения.
С очень малой вероятностью электрон возбужденной молекулы может изменить свой спин. Такое состояние называетсятриплетным и обозначается буквой T. Энергия триплетного состояния T1 ниже энергии соответствующего синглетного состояния S1. Безызлучательный переход между синглетным S1 и триплетным T1 состоянием называется интеркомбинационной конверсией (ИКК). Этот переход происходит за время 10–9–10–7 с и может конкурировать с флуоресценцией, полностью подавляя последнюю. Молекула, перешедшая в результате интеркомбинационной конверсии на возбужденный колебательный уровень триплетного состояния, быстро релаксирует (КР) до самого низшего колебательного состояния T1. При определенных условиях (обычно при низкой температуре, –196° С, в отсутствие парамагнитных молекул) для триплетных молекул оказывается возможным запрещенный переход с уровня T1 на уровень S0 с излучением фотонов фосфоресценции (Фс). Это свечение имеет значительно большую длительность 10–4–102 с. Энергия фотонов фосфоресценции меньше энергии фотонов флуоресценции.
В диапазоне температур от комнатной до очень низкой интенсивности флуоресценции и фосфоресценции изменяются в соответствии с относительной эффективностью различных конкурирующих процессов дезактивации электронно-возбужденных состояний. Обычно у молекул, сильно фосфоресцирующих при низкой температуре, при комнатной наблюдается слабая флуоресценция. С понижением температуры интенсивность их флуоресценции возрастает вплоть до того момента, когда температура и вязкость раствора становятся благоприятными для испускания фосфоресценции. При дальнейшем понижении температуры квантовый выход флуоресценции становится постоянным, а квантовый выход фосфоресценции увеличивается до тех пор, пока их сумма не станет приблизительно равной единице.
Помимо флуоресценции и фосфоресценции, существует еще один вид свечения, который идентичен по спектральному составу флуоресценции, но характеризуется длительностью, свойственной фосфоресценции. Этот вид свечения называют замедленной флуоресценцией, поскольку перед излучением фотонов молекула некоторое время находится в триплетном состоянии. Различают два типа замедленной флуоресценции: Е- и Р-типа.
Замедленная флуоресценция Е-типа наблюдается у эозина и других красителей. Механизм ее возбуждения можно представить следующим образом (рис. 14.4.74).
Вследствие термической активации (D Е) молекулы, находящиеся на нулевом колебательном уровне триплетного состояния Т1, переходят на более высокий колебательный уровень этого состояния, а за счет интеркомбинационной конверсии — в первое возбужденное синглетное состояние S1. Из синглетного состояния S1 молекула возвращается в основное состояние S0, испуская квант лучистой энергии. Процессы, вызывающие появление замедленной флуоресценции Е-типа, можно описать схемой
Т1 + D Е ® S1
S1 ® S0 + hn .
Замедленная флуоресценция P-типа наблюдается у пирена и некоторых ароматических углеводородов. Механизм ее возникновения следующий. В результате столкновения двух молекул, находящихся в триплетном состоянии Т1, одна их них переходит в возбужденное состояние S1. Переход ее в основное состояние S0 из возбужденного S1 сопровождается испусканием фотона. Схематически механизм возникновения замедленной флуоресценции Р-типа можно описать в виде
Т1 + Т1 ® S1 + S0
S1 ® S0 + hn .
Условия проявления замедленной флуоресценции довольно специфичны. Этот тип молекулярной люминесценции наблюдается в весьма ограниченных диапазонах температур, вязкостей и концентраций растворов. По сравнению с флуоресценцией и фосфоресценцией ее интенсивность невелика и достигает максимальных значений при комнатной и более высоких температурах, заметно ослабевая с понижением температуры.
Картина относительного расположения спектров поглощения, флуоресценции, замедленной флуоресценции и фосфоресценции показана на рис. 14.4.75.
Интенсивность замедленной флуоресценции составляет несколько процентов от интенсивности флуоресценции.
У некоторых молекул основное электронное состояние является не синглетным, а триплетным. Примером может служить молекула кислорода. Слабая флуоресценция молекул кислорода, наблюдаемая в ближней ИК-области, обусловлена переходом из низшего возбужденного синглетного состояния в основное. У молекул радикалов с одним неспаренным электроном основное состояние дублетное, а низшие возбужденные состояния — дублетное и квартетное. Их флуоресценция вызвана переходом из низшего возбужденного дублетного состояния в основное.
25.
Люминесценция — излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре, и продолжающееся после поглощения энергии возбуждения в течение времени, которое значительно превышает период световых волн. Люминесценция, в отличие от теплового свечения, является неравновесным излучением. Для того чтобы вызвать люминесценцию вещества, к нему необходимо подвести извне определенное количество энергии. Частицы вещества (атомы, молекулы), поглощая поступающую извне энергию, переходят в возбужденное энергетическое состояние. Возбужденные частицы довольно быстро теряют избыточную энергию и переходят в основное состояние. Такой переход может совершаться с излучением фотонов люминесценции или безызлучательно, путем передачи энергии окружающим частицам в виде тепла. Для возникновения люминесценции необходимо, чтобы вероятность излучательных переходов превышала вероятность безызлучательных переходов. Таким образом, явление люминесценции связано с преобразованием поглощенной частицами вещества энергии внешнего источника в энергию их собственного излучения.
Вещества могут люминесцировать, находясь в любом агрегатном состоянии — газообразном, жидком (растворы веществ), твердом (стекла, кристаллические вещества). Основным условием люминесценции является наличие у веществ дискретных энергетических спектров. Вещества с непрерывным энергетическим спектром (например, металлы в конденсированном состоянии) не люминесцируют, поскольку энергия возбуждения у них непрерывно переходит в теплоту.
Общее название веществ, обладающих способностью люминесцировать — люминофоры. Так же называются неорганические люминофоры. Сложные неорганические кристаллические люминофоры с дефектной структурой, вызванной внедрением в их кристаллическую решетку ионов тяжелых металлов (активаторов), называют кристаллофосфорами. Органические люминофоры принято называть органолюминофорами.