Люминесцентный анализ

Люминесцентный анализ - это совокупность методов молекулярной эмиссионной спектроскопии, основанных на явлении люминесценции. При прове­дении этого анализа регистрируется либо собственное свечение исследуемого объекта, либо свечение специальных реагентов - люминофоров, которым обрабатывают объект.

Люминесценция (lumen - свет, escent - суффикс, означающий слабое действие) - это свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения, представляющее собой избыток над тепловым излучением, испускаемым веществом при данной температуре за счел его внутренней (тепловой) энергии, и продолжающееся в течение времени, превышающею период колебаний световой волны.

Люминесценция возникает при поглощении извне энергии разной природы и происхождения. По виду возбуждения различают фотолюминесценцию (возбуждение светом), радиолюминесценцию (возбуждение проникающей радиацией: к ней, в частности, относятся рентгено-, катодо-, ионо- и a-люминесценция), электролюминесценцию (возбуждение электрическим полем), хемилюминесценцию (возбуждение при протекании химических реакций). Для аналитических целей наиболее часто используется явление фотолюминесценции.

При фотовозбуждении молекулы электрон переходит из основного состояния в возбужденное, поглотив квант света. Вещество, находящееся в атомарном или молекулярном состоянии, обладает каким-то определенным уровнем энергии, характерным для данного вещества при существующих внешних условиях. Этот уровень, в соответствии с законами термодинамики, является минимальным. Он называется невозбужденным или основным. У молекул в основном состоянии существует ряд вращательных и колебательных подуровней. Это связано с тем, что и в невозбужденном состоянии молекулы имеют различное вращение относи­тельно осей симметрии, различные (в пределах допустимого) длины валентных связей и величины валентных углов, т.е. энергетически являются не совсем равноценными.

При поглощении энергии атом или молекула переходит в неустойчивое возбужденное состояние. Таких возбужденных состояний может быть достаточно много. Фактически в атоме или молекуле воздействующая энергия поглощается электронами, и в возбужденное состояние на более высокий энергетический уровень переходят электроны. Когда речь идет о люминесценции в оптическом диапазоне - это внешние (валентные) электроны.

Электронные спектры поглощения люминесцирующих веществ обусловлены энергетическими переходами невозбужденных молекул. атомов или ионов в возбужденное состояние. При этом спектр поглощения характеризует суммарное поглощение излучения, которое складывается из активного (вызывающего люминесценцию) и неактивного (не приводящего к возникновению свечения). Активное излучение образует т.н. спектр возбуждения люминесценции. Спектр испускания, или спектр люминесценции, характеризует переход из возбужденного состояния в основное.

Спектр люминесценции (его форма и положение) для сложных органических молекул в конденсированных средах не зависит от длины волны возбуждающего света, если эта длина волны лежит в пределах их электронного спектра поглощения.

Это объясняется тем. что возбужденные молекулы, поглотившие кванты различной величины, попадают на уровни разных возбужденных электронно-колебательных состояний. Затем за время, много меньшее средней длиительности их возбужденного состояния, происходит перераспределение энергии - избыточная колебательная энергия расходуется безызлучательным путем на взаимодей­ствие с молекулами окружающей среды - и излучательный переход осуществляется с одних и тех же электронных уровней.

Обычно в люминесцентном анализе для практических целей выбирают такую длину волны возбуждения, при которой наблюдается наибольшая интенсивность свечения. Взаимное положение спектра поглощения и спектра флуоресценции вещества определено правилом Стокса, согласно которому спектр флуоресценции вещества всегда имеет большую длину волны, чем спектр поглощения.

Однако для многих молекул их спектры поглощения и флуоресценции перекрываются в широком спектральном интервале и испускаемые кванты флуоресценции в этом интервале больше поглощенных. Эта часть спектра флуоресценции называется антистоксовой областью, а расстояние между максимумами спектров поглощения и флуоресценции - стоксовым смещением.

Флуоресцентный метод может быть использован для прямого и косвенного количественного анализа. Прямые определения ведут непосредственно по флуоресценции исследуемого образца. Они применяются чаще при анализе органических веществ. Среди неорганических очень мало веществ, способных флуоресцировать самостоятельно (исключение - соединения урана, церия, самария европия). Люминесцентный метод может быть использован и для качественного и для количественною определения неорганических ионов. Эти определения основаны на том, что при взаимодействии неорганического иона с органическим соединением может протекать одна из трех реакций, приводящих к:

- возникновению флуоресценции в присутствии определяемого катиона при использовании нефлуоресцирующего реагента. Например, оксихинолин сам не флуоресцирует, но в присутствии различных катионов он дает флуоресцентное свечение разного цвета, т.e. позволяет проводить качественное определение катионов. По интенсивности свечения может быть определено и количественное содержание катиона. Чувствительность метода при использовании оксихинолина 0,025-1.0 мкг/мл;

- изменению флуоресценции реагента в присутствии анализируемого катиона. Так действуют ализарин, морин. родамин и другие органические соединения, которые изменяют цвет своего флуоресцентного свечения и его интенсивность в присутствии различных катионов. Таким методом алюминий может быть обнаружен в минимальной концентрации 0,0005 мкг/мл;

- гашению флуоресценции органического реагента в присутствии анализируемою катиона. Так может быть определен ион фтора, который гасит флюоресценцию комплекса алюминия с флуоресцеином.

В косвенном флуоресцентном анализе флуоресценция служит индикатором, указывающим окончание процесса определения данного иона или вещества. Такие флуоресцентные индикаторы могут использоваться во всех методах объемного анализа и особенно широко в методе нейтрализации и окислительно-восстановительного титрования. Основное преимущество флуоресцентных индикаторов – возможность титровать непрозрачные или окрашенные растворы, а также более узкий, чем у обычных индикаторов, интервал перехода окраски.

Важную роль играет хемилюминесцентный анализ, основанный на измерении свечения, возникающего в результате окислительно-восстановительных реакций органических веществ, например люминола, люцигенина и др., с катионами переходных металлов, например Fe (III), Со (II). Си (II), Ni(II), Мп (II). При этом можно определить количественное содержание по изменению интенсивности свечения. Предел обнаружения 5×10^-7%.

Идентификация органических веществ прямым флуоресцентным методом достаточно затруднительна. Сложность обусловлена прежде всею тем, что спектры флуоресценции растворов большинства органических веществ малоспецифичны. Они чаше всего представляют собой широкие полосы, перекрывающиеся или даже совпадающие у разных веществ. Однако для порфиринов, витаминов, антибиотиков, хлорофилла и ряда др. веществ, в спектрах люминесценции которых имеются характеристические полосы, при использовании лазерных источников возбуждающего излучения пределы обнаружения составляют 10^-7 – 10^-11%.

Значительно более информативными являются спектры флуоресценции в парах, получение которых, как правило, экспериментально трудно выполнимо, а для малолетучих соединений недостижимо.

Для снижения неспецифичности и выявления тонкой структуры спектров флуоресценции часто их снимают при низких температурах (например при температуре жидкого азота), при этом подбирают растворители, в которых наиболее отчетливо проявляется структура спектров, их т.н. квазилинейчатый характер, имеющий ярко выраженный индивидуальный характер.

Такой способ применяют, например, для количественного определения полициклических ароматических углеводородов, а также бензола, его гомологов и производных. Пределы обнаружения – 10^-4 -10^-8%. При анализе многокомпонентных объектов приходится делать их предварительное разделение, например, экстракцией, хроматографией, т. к. спектры смесей имеют, как правило, вид неидентифицируемых очень широких полос. Люминесценцию используют в иммунохимическом анализе для определения антител, гормонов, лекарственных препаратов, вирусных и бактериальных антител. При этом флуоресцирующее вещество, например редкоземельные элементы, присоединяют непосредственно к антителу и проводят измерение интенсивности люминесценции. Чувствительность метода - до 10^-14 моль/л.

Изучение явлений фотолюминесценции, а также проведение люминесцентного анализа происходит с помощью специальных приборов фосфороскопов, фотометров, флюорометров. люминоскопов. Фосфороскопы, люминоскопы - это простейшие приборы, включающие источник возбуждающего излучения и набор светофильтров. Оценка интенсивности люминесценции производится визуально, как правило, методом стандартных серий. Фотометры, флюорометры имеют практически те же основные конструктивные узлы, что и все спектральные приборы: источник света; монохроматизатор света; кюветы с исследуемым веществом; уел определения интенсивности излучения.

Литература

1. Шарковский Е.К. Сенсорный анализ. –Мн.: БГЭУ, 1993.

2. Ляликов Ю.С. Физико-химические методы анализа. –М.: Высшая школа, 1975.

3. Роберт В. Каттрал Химические сенсоры. –М.: Химия, 2000.

4. Эггинс Б. Химические и биологические сенсоры. –М.: Техносфера, 2005.

5. Физико-химические методы анализа. Практическое руководство / Под ред. Алесковского В.Б. –Л.: Химия, 1988.

6. Аналитическая химия (аналитика). Физико-химические методы анализа. –М.: Высшая школа, 2001.

7. Пилоян О.Г. Введение в теорию термического анализа. –М.: Наука, 1984.

8. Эме Ф. Диэлектрические измерения для количественного анализа и определения химической структуры. –М.: Химия, 1967.

9. Глоба И.И. Оптические методы и приборы контроля качества продукции. –Мн.: БГТУ, 2003.

10. Зарапин В.Г. Электрофизические методы и приборы контроля качества продукции. –Мн.: БГТУ, 2006.

11. Испытание материалов. Справочник. Под ред. Х. Блюменауэра. –М.: Металлургия, 1979.

12. Арутюнов О.С. Датчики состава и совйств веществ. –М.: Химия, 1996.

13. Топор Н.Д., Огородова Л.П., Мельчакова Л.В. Термический анализ минералов и неорганических соединений. –М.: Изд-во МГУ, 1987.

14. Уэндландт У. Термические методы анализа. –М.: Мир, 1978.

15. Основы метрологии и электрические измерения. Под ред. Е.М. Душина. –Л.: Энергоатомиздат, 1987.

16. Нахмансон М.С., Фекличев В.Г. Диагностика состава материалов рентгенодифракционными и спектральными методами. –Л.: Машиностроение, 1990.

17. Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. Структурные методы и оптическая спектроскопия. –М. Высшая школа, 1989.

Поиск по сайту: