Теоретичні основи люмінесцентного методу

Властивість речовини випромінювати світло під впливом різних видів енергії (люмінесценція) відомо дуже давно, однак детальне вивчення його почате порівняно недавно. Теорія люмінесцентного випромінювання була дана на основі квантової теорії світла в 30-х роках XX ст. Практично використовувати метод почали приблизно в 50-х роках.

Люмінесценцію класифікують по виду збудження, механізму перетворення енергії, тимчасових характеристиках світіння.

По виду збудження розрізняють збудження світловим потоком — фотолюмінесценція, проникаючою радіацією — радіолюмінесценція, катодним пучком — катодолюмінесценція, хімічною обробкою — хемілюмінесценція. По тимчасових характеристиках розрізняють флуоресценцію, коли світіння припиняється відразу після вимкнення джерела збудження світіння, і фосфоресценцію, коли світіння продовжується більш-менш тривалий час після вимкнення джерела збудження.

З перерахованих видів люмінесценції для аналізу складу речовин використовують головним чином флуоресценцію, викликану променевою енергією.

Поглинання випромінювання речовиною є наслідком взаємодії молекул речовини з електромагнітною енергією випромінювання.

Для встановлення кількісного взаємозв'язку між інтенсивністю люмінесцентного випромінювання Ф_ф і концентрацією речовини необхідно враховувати, що процес люмінесцентного випромінювання є вторинним і обумовлений попереднім йому процесом-поглинанням світлового потоку. У зв'язку з цим взаємозв'язок між інтенсивністю люмінесцентного випромінювання і концентрацією речовини встановлюють з врахуванням закону поглинання Бугера — Ламберта — Бера.

В енергію випромінювання перетвориться не вся поглинена речовиною енергія; частина її може перейти в теплову чи інші види енергії без випромінення світла.

Розрізняють інтенсивність флуоресценції енергетичну

В_е=Е_в/Е_п та квантову В_кв=N_в/N_п

де Е_в і Е_п — енергія випромінювана і поглинена; N_в і N_п - число квантів відповідно флуоресценції і поглиненої енергії. Так як енергія кванта Е = hv (де h, — постійна Планка, v — частота хвиль світла), то співвідношення між енергетичним і квантовим виходом мають вигляд

Інтенсивність флуоресценції для тієї самої речовини залежить від температури, природи розчинника, концентрації розчину, домішок та ін.

Процеси, що обумовлюють зменшення інтенсивності флуоресценції, називаються гасінням; вони різноманітні по природі і кінетиці. Інтенсивність флуоресценції може мінятися від о до 1.

Відомо, що інтенсивність флуоресценції розчину Ф_ф пропорційна поглиненій розчином світловій енергії Ф_п і квантовому виходу В_кв:

(8)

Використовуючи вираз (4), знайдемо поглинену розчином світлову енергію

Ф_п=Ф₀-Ф=Ф₀(1-е^{- Сl}). (9)

Тоді рівність (8) можна записати у вигляді:

Ф_ф= Ф₀(1-е^{- Сl})В_кв.

Розклавши вираз е^{- Сl} у ряд і зневажаючи всіма членами ряду, крім перших двох, при < 1 одержимо:

Ф_ф=Ф₀ ε СlВ_кв (10)

Для даних умов досліду і при невеликих концентраціях можна вважати величини Ф_ф, , l і В_кв постійними; у цьому випадку інтенсивність флуоресценції пропорційна концентрації флуоресціюючої речовини, тобто Ф_ф = kC, де k — коефіцієнт пропорційності, що залежить від характеристик речовини і геометричних розмірів кювети. Як правило, залежність лінійна доти, поки концентрація флуоресціюючої речовини не стає настільки великою, що розчин починає поглинати значну частину світлової енергії. Оскільки величини і В_кв різні для різних речовин, то флуориметри, як правило, градуюють по стандартних зразках, а вимірювання ведуть у відносних одиницях інтенсивності люмінесценції.

Люмінесцентний аналіз охоплює методи й апаратуру, засновані на різних видах і властивостях люмінесценції. Висока чутливість, вибірковість і простота реалізації сприяли інтенсивному впровадженню люмінесцентного аналізу в хімію, біологію, медицину, сільське господарство і тд., що привело до створення великої номенклатури приладів.

Основними вузлами фотофлуоресцентного аналізатора (флуориметра) є: джерело випромінювання, монохроматична система, кювета з аналізованою речовиною, приймач флуоресценції з монохроматичною системою і вторинний вимірювальний прилад.

При проектуванні флуориметрів головні труднощі полягають у тому, що для підвищення точності і чутливості вимірювання необхідно мінімізувати втрати флуоресценції й одночасно запобігти падінню на фотоприймач світла джерела збудження.