Використання методу люмінесценції в екологічних дослідженнях Явище люмінесценції. Загальний опис

Люмінесценція – особливий вид світіння речовин без підвищення температури – відома ще з глибокої старовини. Однак пройшло багато століть, перш ніж людині вдалось цілком розкрити її природу.

Термін "люмінесценція" і класифікацію типів світіння вперше запропонував німецький фізик Відеман. Однак його визначення було неповним.

Під час фотолюмінісценції частка починає інтенсивно світитися в результаті захоплення квантів активуючого світла. Причому, повертаючись до вихідного стану, вона віддає отриману енергію у вигляді світла, довжина хвилі якого більша довжини хвилі джерела збудження.

Отже, люмінесценцією називають світіння атомів чи молекул, яке виникає в результаті електронного переходу в частинках речовини при їх переході із збудженого стану в не збуджений.

Класифікують явища люмінесценції за часом та методом збудження. За часом післясвітіння розрізняють два типи люмінесценції – флуоресценцію – світіння яке миттєво зникає після припинення дії джерела збудження і фосфоресценцію, світіння, продовжується певний проміжок часу.

В залежності від методу збудження розрізняють фотолюмінесценцію – свічення, яке виникає при поглинанні світлової енергії; катодолюмінесценцію – основану на свіченні речовин при поглинанні катодних променів (електронів) та хемілюмінесценцію – свічення, яке виникає при протіканні хімічних реакцій.

Всі люмінесціюючі речовини мають загальну назву – люмінофори. У найпростішому вигляді процес, збудження і свічення можна зобрази­ти схемою, наведеною на рис. 1, з якого видно, що енергія вип­ромінювання молекули завжди менша від енергії збудження.

Де Н – нормальний стан молекули із станами 0,1, 2, 3, 4, З – збуджений стан молекули із станами 0,1, 2, 3, 4.

Рис. 1. Збуджений та нормальний стани молекули та переходи між ними в процесі люмінесценції.

На основі цього було встановлено, що спектр люмінесценції зміщений відносно спектру поглинання в сторону довших хвиль (закон Стокса-Ломмеля). Доведено також дзеркальну подібність спектрів поглинання і спектрів випромінювання люмінесценції для складних молекул. Дзер­кальна симетрія спектрів родаміну в ацетоні наведена на рис. 2.

Рис. 2. Дзеркальна симетрія спектрів родаміну в ацетоні.

1 – спектр поглинання, 2 – спектр випромінювання.

Різницю між максимумом спектру поглинання і максимумом люмінес­ценції Х називають стоковим зміщенням. Чим більша величина стоксового зміщення для даної люмінесціюючої речовини, тим вища чутливість визначуваної речовини люмінесцентним методом.

Повнота перетворення енергії збудження при люмінесценції харак­теризується енергетичним виходом Ве, який являє собою відношення випромінюваної енергії люмінесценції Ел до поглинутої енергії збудження Ев.

Ве= Ел / Ев.

Повноту перетворення енергії можна охарактеризувати також величиною квантового виходу люмінесценції Вк, який дорівнює відношенню числа випромінюваних квантів при люмінесценції Nл до числа поглинутих квантів Nв при збудженні:

Вк= Nл / Nв.

Оскільки енергія кванта оптичного випромінювання рівна: Е = hν, то зв'язок між енергетичним та квантовим виходом люмінесценції можна виразити рівнянням:

Ве= Ел / Ев = Вк (λв/ λл)

Енергетичний вихід люмінесціюючого випромінювання залежить від довжини хвилі збудженого світла (закон Вавилова). Графічно ця за­лежність показана на рис. 3.

Н а ділянці 1 кривої величи­на енергетичного виходу росте пропорційно довжині хвилі збу­дженого світла; далі в ділян­ці накладання спектрів погли­нання і випромінювання відбу­вається різке падіння виходу (ділянка ІІ).

Рис. 3. Залежність виходу випромінювання від довжини хвилі збуджучого світла.

Для ділянки кривої 1 можна записати: Ве=аλв, де а - коефіцієнт пропорційності.

Але оскільки Ве= Ел / Ев = Вк (λв/ λл), то, об'єднавши два рівняння і знаючи, що речовина при люмінесценції випромінює світло певної дов­жини хвилі, одержимо вираз:

Вк = аλк = const,

з якого випливає, що квантовий вихід люмінесценції залишається сталим на ділянці 1 наведеної кривої при збільшенні довжини хвилі збудженого світла до 500 – 600 нм. Саме ділянку спектру 1 (від 100 до 600 нм) використовують для кількісного визначення речовин. На практиці для проведення люмінесцентного аналізу багатьох речовин використовують ультрафіолетові промені світла з більшою енергією кванту, які одержують в основному за допомогою ртутних ламп.